热轧板厂10th蓄热式步进加热炉设计毕业设计.doc

河北联合大学轻工学院毕业设计目录热轧板厂10t/h蓄热式步进加热炉设计毕业设计目录引 言11 绪论21.1蓄热式燃烧技术的历史发展与现状21.1.1蓄热式燃烧技术的历史21.1.2蓄热式燃烧技术的发展21.2 蓄热式（高温空气）燃烧技术的特点31.3 国内外的研究现状41.3.1 国外研究现状41.3.2 国内研究现状51.4 蓄热式加热炉发趋势及展展望61.5 开发与应用高温空气燃烧技术的前景62 初步设计82.1 燃料的选择82.2 加热工艺的确定92.3 炉型选择102.4 料坯布置方式及加热方式的选择122.5 料坯的装出炉方式122.6 选择燃烧装置的形式及其安装位置的确定132.7 换热装置的形式及其换向系统的确定142.8 炉子供风和排烟系统152.9 炉底水管的确定152.10 炉子的钢结构及冷却系统的确定172.11炉子的机械化及自动化183技术设计193.1燃料燃烧计算193.1.1燃料成分及发热值193.1.2 燃料所需空气量计算203.1.3 单位燃烧产物的计算203.1.4 理论燃烧温度的计算213.2炉膛热交换计算223.2.1 炉膛尺寸的确定223.2.2 金属出炉参数的确定233.2.3 算各段炉气平均有效射线行程233.2.4 预定各段炉气温度243.2.5 计算各段炉气黑度243.2.6 各段炉顶和炉墙对金属的辐射角度系数243.2.7 计算各段炉气的平均综合辐射系数253.3金属加热计算253.3.1 温度制度的确定及边界条件263.3.2 均热段炉气温度校核263.3.3 金属加热的各段热流密度计算273.3.4 金属加热时间的计算28均热段加热时间313.4 炉子主要尺寸的确定313.4.1 计算炉子长度313.4.2 炉子结构和操作参数313.4.3 炉门数量和尺寸的确定323.4.4 炉膛各部分用耐火材料及其尺寸的确定333.4.5 炉底水管结构尺寸343.5 炉底水管强度计算353.5.1 炉底水管布置特点363.5.2 炉底水管强度计算原则363.5.3 固定梁和步进梁的强度计算373.6炉膛热平衡和燃料消耗量的计算433.6.1 炉膛热收入项443.6.2 炉膛热支出项443.6.3 炉膛热平衡及燃料消耗量的计算553.6.4 列炉膛热平衡表553.6.5 炉子工作指标563.7燃烧器的选择与布置563.7.1选择依据563.7.2烧嘴布置情况563.7.3安装间距的参考值的计算593.8空气管路的设计计算593.8.1计算条件593.8.2计算各段管径593.9煤气管路的设计计算633.9.1计算条件633.9.2计算各段管径633.10各管道的阻力损失计算683.10.1管路阻力计算683.10.2烟道阻力计算683.11风机的选型69结 论71参考文献72致 谢73附 录74河北联合大学轻工学院毕业设计引言引 言 高温空气燃烧技术在日、美等国家简称为HTAC技术，在西欧一些国家简称为HPAC(Highly Preheated Air Combustion)技术，亦称为无焰燃烧技(Flameless combustion)。其基本思想是让燃料在高温低氧浓度(体积)气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高达95%，热回收率达80%以上的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为8001000，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15% 3%(体积)的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具有静态火焰。它具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术HTAC技术具有高效、节能和低污染等特性，自从面世以来，就受到世界工业界和企业界的广泛关注。它彻底打破了传统燃烧的模式，进入到新的未知领域高温低氧燃烧领域。它是一项既节能又利于环保且极具活力的技术，值得大力推广和开发。对于企业界来说，它可以大幅度降低能耗和生产成本，提高其运行的经济性和市场竞争力。HTAC技术被认为是具有创造性、实用性以及增长潜力的新的战略技术。在钢铁工业中，加热炉是主要的耗能设备之一。合理解决加热炉的燃料问题，提高燃料利用率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量从而进一步提高整个轧线生产过程的经济效益，具有非常重要的意义本设计是指导教师刘克俭根据包钢轧钢厂燃高炉煤气步进梁蓄热式加热炉拟题。79河北联合大学轻工学院毕业设计1 绪论1.1蓄热式燃烧技术的历史发展与现状1.1.1蓄热式燃烧技术的历史蓄热式高温空气燃烧技术，19世纪中期就开始用于高炉热风炉、平炉、焦炉、玻璃熔炉等规模大且温度高的炉子。其原理是采用蓄热室余热回收装置，交替切换烟气和空气，使之流经蓄热体，达到在最大程度上回收高温烟气的显热，提高助燃空气温度的效果。但传统的蓄热室采用格子砖作蓄热体，传热效率低，蓄热室体积庞大，换向周期长，限制了它在其他工业炉上的应用。新型蓄热室，采用陶瓷小球或蜂窝体作蓄热体，其比表面积高达2001000m2/m3，比老式的格子砖大几十倍至几百倍，因此极大地提高了传热系数，使蓄热室的体积可以大为缩小。另外，由于换向装置和控制技术的提高，使换向时间大为缩短，传统蓄热室的换向时间一般为2030min，而新型蓄热室的换向时间仅为0.53min。新型蓄热室传热效率高和换向时间短，带来的效果是排烟温度低（200以下），被预热介质的预热温度高（只比炉温低100150）。因此，废气余热得到接近极限的回收，蓄热室的温度效率可达到85%以上，热回收率达80%以上。随着蓄热式燃烧技术的进步和新型耐火材料的研究开发，高效蓄热式余热回收技术和高风温燃烧技术在不断完善中正走向成熟。1.1.2蓄热式燃烧技术的发展1982年英国Hotwork公司和British Gas公司合作，首次研制出了紧凑型的陶瓷球蓄热系统RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系统采用陶瓷球作为蓄热体，比表面积可达240m2/m3，因此蓄热能力大大增强、蓄热体体积显著缩小、换向时间降至13min，温度效率明显提高(一般大于80)，而预热温度波动一般小于15。在随后几年里，对该蓄热系统又进行了大量的实验研究并作了试用。在不锈钢退火炉、步进梁式炉上的应用均达到了预期的效果，取得了显著的经济效益。日本在1985年前后详细考察了RCB的应用技术和实际使用情况后，开始进一步研制。20世纪 90年代初，日本钢管株式会社(NKK)和日本工业炉株式会社(NFK)联合开发了一种新型蓄热器，称为高效陶瓷蓄热系统HRS(High-cycle Regenerative Combustion System)。在蓄热体选取上，采用压力损失小、比表面积更大的陶瓷蜂窝体，以减少蓄热体的体积和重量。为了实现低NOx排放，蓄热体和烧嘴组成一体联合工作，采用两段燃烧法和烟气自身再循环法来控制进气，效果很好。NKK进行了多次试验，对测得的数据进行了分析。结果发现，预加热后进入燃烧器的空气温度已接近废气排放温度。数据显示，空气预热温度达1300、炉内O2含量为11%时NOx排放量是40kg/m3 1。HRS的开发，不仅实现了烟气余热极限回收及NOx排放量的大幅度降低，而且这种新型燃烧器还引发产生了一种新的燃烧技术高温空气燃烧技术HTAC(High Temperature Air Combustion)。1.2 蓄热式（高温空气）燃烧技术的特点高温空气燃烧技术的基本特征：1) 采用高效蓄热式余热回收技术，实现高温烟气余热的“极限”回收；2) 助燃空气预热温度超过燃料自燃点温度，燃烧稳定性扩大，为组织低氧燃烧创造条件；3) 燃料在燃烧区高温低氧燃烧，火焰体积显著扩大，峰值温度降低，实现超低NOx的生成与排放。基于高温空气燃烧技术的基本特征，高温空气燃烧技术具有如下一些优势：1) 高效节能。采用高效蓄热式烟气余热回收装置，交替切换烟气与空气，“极限”回收排烟余热。烟气热回收效率超过80%。火焰体积成倍扩大，炉内温度分布更均匀，平均温度升高，换热(包括辐射换热与对流换热)进一步增强，热利用率得以提高研究结果表明，采用高温空气燃烧技术，一般可实现节能30%以上。2) 低污染。主要表现在3个方面：(1)低NOx污染。尽管助燃空气预热温度很高，但由于燃烧区氧浓度降低，火焰体积成倍扩大，降低了燃烧的峰值温度，避免了热力型NOx的大量生成，实现了超低NOx排放(一般为)；(2)低排放。节能即减少燃料消耗，减少燃料消耗也就意味着可减少温室气体的排放。该技术可实现30%以上的节能，也就意味着可减少30%以上的排放；(3)低燃烧噪音。火焰体积显著增大，使单位体积的燃烧强度减弱，燃烧噪音大大降低。3) 缩小装置尺寸。炉内换热效率的提高，可使相同产量加热炉的尺寸缩小或者同样大小加热炉的产量提高。装置尺寸缩小，从而可降低设备的初投资。4) 燃烧稳定性好。由于助燃空气温度预热到燃料自燃点以上，燃料一进人炉内就能着火燃烧，提高了燃烧的稳定性。5) 燃烧区扩大。通过组织炉内低氧气氛燃烧，火焰体积成倍增大，炉内温度场分布更均匀，有利于被加热件的均匀受热。6) 对燃料的适应性扩大。助燃空气预热温度升高，降低了对燃料热值的要求，有利于低热值燃料的有效利用。7) 延长炉膛使用寿命。燃烧火焰峰值温度降低、可使炉壁免受高温灼烧，从而延长炉膛的使用寿命。8) 便于燃烧控制。烟气余热的“极限”回收，弱化了过剩空气对加热炉总热效率的影响，扩大了燃烧的调节范围，便于燃烧控制。9) 经过蓄热室后的烟气温度较低，烟道和烟囱的内衬可不采用耐火材料。10) 高温空气燃烧器结构紧凑，体积小，安装方便，可方便地用于旧炉改造，且改造工程量不大。由上所述，蓄热式空气燃烧技术的主要优势在于：(1) 节能潜力巨大，平均节能25% 以上。因而可以向大气环境少排放二氧化碳25% 以上，大大缓解了大气的温室效应。(2) 扩大了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，从而使得炉膛内温度均匀，这样一方面提高了产品质量，另一方面延长了炉膛寿命。(3) 对于连续式炉来说，炉长方向的平均温度增加，加强了炉内传热，导致同样产量的工业炉其炉膛尺寸可以缩小20% 以上，换句话说，同样长度的炉子其产品的产量可以提高20% 以上，大大降低了设备的造价。(4) 由于火焰不是在燃烧器中产生的，而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧，因而燃烧噪声低。(5)采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度非常高的情况下，NOX含量却大大减少了。(6) 炉膛内为贫氧燃烧，导致钢坯氧化烧损减少。(7) 炉膛内为贫氧燃烧，有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶瓷烧成等工艺要求，以满足某些特殊工业炉的需要。1.3 国内外的研究现状1.3.1 国外研究现状1982年英国的Hotwork Deveiopment公司和Britist.station研究所合作开发了国际第一座填充球蓄热式炉从此以后，世界上一些工业发达国家相继开发和采用了这项技术。新型蓄热式加热炉技术之所以引起普遍重视和迅速推广应用是因为它能最大限度的回收出炉烟气的热量，大幅度的节约燃料、降低成本，还能提高炉子的产量，同时大大减少二氧化碳和氮氧化物的排放量，有利环境保护，因此这项技术在国际上被称为21世纪的关键技术之一。 90年代以来欧、美、日等国家在蓄热式燃烧技术和应用方面取得了很大进展，把节能和环保有机的结合起来提升为“高温空气燃烧技术”。尤其是日本，现已有150多座工业炉采用了这项技术。日本钢管、新日铁、川崎、住友等钢铁公司都在轧钢加热炉上采用了这项技术，收到节能20%30%提高产量15%20%的效果。随着蓄热式燃烧技术的进步和新型耐火材料的研究开发，高效蓄热式余热回收技术和高风温燃烧技术在不断完善中正走向成熟。上世纪80年代由日本研发的“高温空气低氧燃烧技术”(High Temperature Air Combustion，简称HTAC)得到了快速推广，造成国外高炉煤气的利用率大大提高。目前，国外高炉煤气利用技术的发展已达到相当成熟的阶段，尤其是蓄热式燃烧技术的发展，为负能炼钢打下了良好的基础。1.3.2 国内研究现状中国自二十世纪八十年代开始有国外译文介绍，八十年代中后期国内热工界也开始研究新型蓄热式技术，建立了专门的陶瓷球蓄热式实验装置。东北大学、北京科技大学、机械部第五设计研究院、冶金部鞍山热能研究院等对此技术都有研究，但是工业应用很少。1998年9月萍乡钢铁有限责任公司首次和大连北岛能源技术有限公司合作采用蓄热式燃烧技术进行轧钢连续式加热炉燃烧纯高炉煤气技术的开发研究，并率先在萍钢棒材公司轧钢加热炉上应用，在国内首次实现了蓄热式技术燃烧高炉煤气在连续式轧钢加热炉上的应用。此炉作为国内第一座蓄热式轧钢加热炉，尽管在许多方面还不尽人意，但应该说为国内蓄热式燃烧技术应用在冶金行业连续式加热炉开辟了先河，此后，国内有多家公司开展蓄热式燃烧技术的研究和在国内的推广应用，蓄热式燃烧技术逐渐成熟。如北京神雾公司的蓄热式烧嘴加热炉，秦皇岛设计院的蓄热式加热炉等。在蓄热式燃烧技术方面形成了一套较完善的设计思想和方法，蓄热式技术在工业炉上的应用，实现了高产、优质、低耗、少污染和高自动化水平，达到了燃烧工业炉“三高一低”(高炉温、高烟温、高余热回收和低惰性)的发展方向的要求。1.4 蓄热式加热炉发趋势及展展望在上个世纪早期，采用蓄热室回收烟气余热，将助燃空气预热到1000的技术就已出现，并普遍应用于炼铁热风炉、玻璃熔炉、平炉和熔铝炉等设备上，后来在火焰加热的均热炉上得到使用。由于这种蓄热室是用耐高温的大块格子砖砌筑而成，故其存在的缺陷比较突出，所以这种蓄热室回收余热的措施在工业炉上并未得到大力发展。随着蓄热式燃烧技术的进步和新型耐火材料的研究开发，高效蓄热式余热回收技术和高风温燃烧技术在不断完善中正走向成熟。蓄热式加热炉总的发展趋势是朝着烧嘴式蓄热式加热炉方向发展，具体表现有以下几个方面：1) 蓄热式烧嘴加热炉和原普通加热炉相比，都是通过调整烧嘴热负荷来调节炉内温度，对于操作人员易于接受。2) 每个烧嘴都可单独调节，上下加热烧嘴能力搭配合理，加热炉各段上下加热温度的调节非常方便。3) 炉墙两侧留有便于检修的人孔门和扒渣门。4) 对于高热值气体燃料，可直接冷炉点火升温。5) 烧嘴式结构可以采用集中换向和分散换向方式，分散换向则由于换向阀靠近烧嘴，换向阀与烧嘴之间的连接管道短而小，燃烧间断时间短，因此换向时管道内残留煤气损失较少，更有利于节能。6) 维护工作量稍大，但检修时间短，停炉时间短。蓄热式加热炉在我国作为一种新生事物正在蓬勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景，它将使我们的环境更优美、空气更新鲜、生活更美好。 1.5 开发与应用高温空气燃烧技术的前景从我国工业炉的能源结构来看，尽管以煤为主体的能源结构在很长时间内难以改变但总的发展趋势表明，煤所占的比例在逐年下降而气体燃料所占比例在不断上升到2050年，煤炭在一次能源消费结构中所占比重可望下降到50%以下、同时，固体燃料在终端能源结构中的比重将从1990年的66%降至16%，这为开发与应用高温空气燃烧技术提供了基础条件，从我国工业炉的能耗现状来看， 我国工业炉的能源利用总体水平不高，仅相当于国外发达国家5060年代的水平工业炉的热效率平均不到30%(世纪90年代已达到42%)，而国际上工业炉的热效率平均为50%以上。我国工业炉窑的这种高能耗、低效率的现状，将与我国经济的快速发展不相适应开发与应用高温空气燃烧技术，已是形势所迫，急不可待。从我国的节能政策来看，近年来我国政府十分重视节能工作，坚持开发与节约并举，把节约放在首位，成为我国能源战略的基本方针。经计算机专家系统的测算，在全国232家重点能耗企业中，717座工业炉的年总能耗为259万t标准煤，占企业总能耗的29.28%，烟气余热资源30.95万t标准煤，余热回收率33.85%，尚有20.47万t潜力。由此可见，我国工业炉节能潜力还很大。为响应我国的节能政策，开发与应用高温空气燃烧技术，就显得十分必要了。从我国工业炉的污染控制状况来看，控制污染的首要措施就是要降低能耗，以减少原来浪费的那部分能源所造成的污染物排放。其次，就是要在必要的燃料消耗过程中加以控制和治理。目前，治理污染主要关注的还只停留在粉尘排放上，至于CO、SO2和NOx等一类污染物的治理还未提到议事日程上来。面对我国的经济迅速发展和大气环境污染状况严重恶化的局面，应当而巳也必须在技术可行的条件下，坚持节能和污染控制两手抓，而不能总是走“先生产、后治理”的老路结合我国国情，开发与应用高温空气燃烧技术，探索一条节能与污染并重的新路子。综上所述，开发与应用高温空气燃烧技术符合我国的国情，在我国推广该技术有着广大的市场前景。2 初步设计初步设计目的根据生产及工艺等方面的要求，确定出炉子的方案，为技术设计做好准备。在炉子的初步设计中，根据设计条件的要求，选择炉子的型式，燃料和各种重要辅助装置的型式及其在炉子上的布置等。在综合考虑炉子的技术经济指标和全厂和车间生产规模和特点的基础上，确定炉子应采用的机械化和自动化程度。炉子初步设计基本上确定了炉子的结构和生产概貌。为了设计完善，可以设定几个方案，经过分析对比，最后择优选定，之后再进行下一步设计-技术设计。炉子的技术设计中，主要做全面的计算（包括热工计算，炉体结构计算等），并绘制炉体结构总图。炉子的技术设计是施工设计的的基本技术资料和依据。设计已知条件：1）蓄热式三段连续步进式加热炉，产量120t/h2）钢坯尺寸150mm800mm9000 mm（含C量40%）3）加热工艺要求，即钢坯的加热温度、出炉时内外温差、加热速度、炉内气氛要求等：1180 ，环境温度：204）所能提供给炉子的热源状况：高炉煤气5）空、煤气预热温度：=10002.1 燃料的选择炉子选用何种燃料受很多因素的影响。一般考虑：产品质量的要求、炉子结构的特点、经济上合理、燃料的供应条件（生产、运输、合理利用资源等）、操作条件（劳动条件、调节性能、自动化水平、安全）等因素。因此，燃料的合理选用不单纯是技术和经济问题，而且要符合国家方针政策和做到资源的充分合理利用。1）固体燃料固体燃料一般指的是煤或焦炭，其优点是：(1) 燃烧设备简单，安全可靠；(2) 投资省，生产费用一般比较低；(3) 运输与储存简单方便。其缺点是：(1) 加热质量差；(2) 操作条件差，劳动强度大，环境污染大；(3) 燃烧过程不易调节；(4) 炉子结构受燃烧条件的限制较大。因此，固体燃料适用于对热工制度要求不高的小型炉子，当烧煤量较大时，要有适当的机械化措施。2）液体燃料目前，在炉子上用的液体燃料主要是重油或渣油。液体燃料的优点是：(1)发热量高，热量利用好，炉温高，燃烧波动小，调节范围大，有条件实现自动控制；(2) 存运输方便，灰分少，损耗小；(3) 燃烧装置可以安装在炉子的各个部位，易于实现不同工艺的要求。缺点是：(1) 需要增加一套燃料贮备、预热及输送系统，动力消耗较大；(2) 炉子热工参数调节控制较复杂；炉子维护工作量较大。3）气体燃料气体燃料与固体、液体燃料相比，其优点是：(1) 过剩空气系数低，燃烧完全，容积热负荷高，燃烧过程容易调节，易于实现自动控制；(2) 对工艺的适应性好，可满足从低温到高温、从长火焰到短火焰的各种要求；(3) 燃烧后无黑灰无积灰，环境干净。其缺点是：(1) 长距离输送和贮存困难，使用范围受限制；(2) 除钢铁厂有高炉、焦炉煤气或附近有天然气之外，采用人造气体燃料（如发生炉煤气、水煤气、城市煤气等），价格较高；(3) 某些煤气成分波动较大，对自动控制不利；(4) 一般在同样预热空气的条件下，热效率比油低；(5) 按一定比例与空气混合后有爆炸危险，因此应注意操作安全，并要防止煤气中毒。结合本长的实际情况，该加热炉采用高炉煤气燃料，一方面可以将厂区内自产的高炉煤气合理利用起来，减少对环境的污染，另一方面可以降低成本，提高效益。本加热炉采用高炉煤气。2.2 加热工艺的确定炉子的“三高一低”(高炉温、高烟温、高余热回收、低惰性)理论为加热炉的设计及运行指出了方向，找到了目标。十几年来，在这一理论的指导下，加热炉结构和运行方案有了许多革新，但是我们应该清醒的认识到，在“三高一低”理论指导下设计的加热炉，是在实现一种接近加热能力极限的加热工艺，炉温设置到加热工艺允许的最高限，加热速度也设置到最快，炉长设计到最短。这种基于“极限加热”理念设计出的加热炉，要想全面达到设计指标，对运行调节水平提出十分高的要求(炉温的小幅提高、加热时间的小幅度延长都有可能导致氧化铁的熔化，致使氧化率大幅度升高甚至出现粘钢事故，而均热期炉温的小幅降低、加热时间的小幅度缩短又可能导致断面温差超过允许值)，而且使加热炉对不同工艺的适应性大大降低，因此缩小了加热炉运行调节的空间，给加热炉的调节增加了难度。故本设计采用一种“平衡加热”工艺，“平衡加热”工艺不再单纯以提高生产率为核心，以最高加热速度作为确定炉温制度依据，而是主要以确保断面温差和减少烧损为核心，以钢坯在炉内的平衡升温速度为依据来确定炉温制度。在“平衡加热工艺”中，应首先确定将钢坯在炉内的平衡升温工艺制度，该制度将钢坯在炉内的升温过程分为三个阶段：预热段，用较慢的加热速度将钢坯表面加热至900，这一阶段慢速加热目的是为了尽可能缩小钢坯进入快速加热期的断面温差，以期尽可能缩短均热时间，以达到确保钢坯出炉断面温差，而且这可以使钢坯在表面温度达到900后的在炉时间最短，达到降低氧化率的目的。由于钢坯在900以下时的氧化速度较低，因而在这一阶段由于慢速加热而使加热时间的延长，带来的氧化量增加并不明显。加热段，将钢坯表面温度以尽可能高的速度提高到出炉温度水平，这一阶段炉温和加热速度都设置到工艺允许的最高水平，目的是尽可能缩短金属在自身温度较高时地在炉停留时间，不但可以提高产量，而且可以减少氧化。均热段，在金属表面温度不变的情况下缩小断面温差。2.3 炉型选择该加热炉采用上、下侧烧嘴的供热方式和吊挂平炉顶结构，构造简单，操作、维护简便。用炉内挡火墙将炉膛从装料端到出料端依次分为预热段、加热段和均热段共三个段。每一段可单独供热，上下炉膛及各烧嘴(供热点)热负荷可调。炉膛各部分高度和长度及炉顶的形状总称为炉型曲线。一座工业炉设计的合理与否，决定于炉型曲线。它对炉膛内的传热有很大影响，直接影响着工业炉的加热能力和燃料利用。炉型曲线的设计尚无可靠的计算公式或指标，主要根据类似工业炉的经验来确定。1) 工业炉各段长度。预热段长度L1，加热段长度L2和均热段长度L3可根据金属加热计算中各段加热时间的比例以及类似工业炉的实际情况决定。当加热料坯的规格、材质较多时，原则上应按各规格、各材质进行多次计算，求得不同的加热时间而总长L相同。但对不同的规格和材质，各段长度在全长中占的比例不同，生产操作的时候，可以通过开闭燃烧器(改变供热制度)来调节各段比例。各段长度选择要得当，尽可能满足最大的加热时间，同时可适当增设烧嘴以便调节。2) 炉膛高度。炉膛高度是指炉底滑道顶面(或炉底砖砌表面)至炉顶中心之间的距离，在炉膛宽度已定，各段长度比例相对稳定的条件下，它是决定炉膛空间大小、炉型曲线是否合适的关键尺寸。1) 决定炉膛高度时主要考虑下列因素：(1) 炉型应设计成各供热段之间相对分开，减少相互间的辐射热交换以实现规定的炉温制度和供热制度。(2) 在燃烧方面要保证有足够的燃烧空间。首先炉膛容积应保证燃料的充分燃烧和被炉气所充满，有利于向料坯的传热。它随燃料种类、燃烧方式、燃烧器的布置及热负荷的不同而有所差异。实践表明，燃煤气的加热炉，尤其是燃低热值煤气的加热炉，炉膛高度都较大。从燃煤气改为燃煤时，炉膛高度一般应适当降低。若烧重油或天然气等高热值煤气时，则炉膛高度也要降低。另一方面，从炉气流动方面来考虑，要使炉气充满炉膛或贴附金属表面。当火焰不充满炉膛时，抬高加热炉炉顶，不仅不会增加传热，反而会减少金属所获得的有效热。炉膛越高这种情况越易于发展，所以在连续加热炉的设计中，往往是在结构允许的条件下压低炉膛。燃料和燃烧方式不同，炉内燃烧状况也不同，一般有焰燃烧黑度较大，火焰向坯料给热所占的比例比无焰燃烧时要高，炉壁辐射给料坯的热量比例有所降低，因此炉膛高度不宜过分增大，以保证火焰尽量接近料坯表面为原则。第三，从传热方面考虑有利于增加炉衬对金属的辐射传热，在炉气充满炉膛的条件下，炉衬面积相对越大。因此从传热观点出发，要求尽可能抬高炉顶，以增加炉衬辐射传热，这一结论与前面的结论正好相反，在设计时要综合考虑，但近年来连续加热炉都倾向于压低炉顶，以保证炉气充满炉膛。(3) 炉膛曲线及其空间的大小，应保证在既定的热负荷范围内炉膛压力分布合理，炉头与炉尾的压差要小，以减少端头吸风和炉尾冒火现象。综合考虑以上几点，根据经验选取炉膛高度为，2) 一般来说，在产量较大、昼夜连续生产的轧钢车间，形状规则的料坯以在连续加热炉中加热为宜。步进式连续加热炉是推钢式连续加热炉的发展，它区别于推钢式连续加热炉的主要特点是用专用的步进机构使料坯在炉内运动以代替推钢机推动料坯在炉内运动。步进式连续加热炉大体可以分为两类：一类是单面加热(上加热)的步进式炉，称“步进底式炉”；另一类是由水冷的步进梁和固定梁组成的双面加热(上下加热)步进式炉称“步进梁式炉”。步进底式炉主要用来加热质量要求高的特殊钢、普通钢的中小型坯或钢管、钢板的热处理等。步进梁式炉主要用于生产率高的大板块和方坯的加热。和推钢式炉相比，步进式炉具有下列主要特点：(1) 用料灵活。步进周期和步距均可随生产要求在一定范围内任意变化；(2) 加热时间短，可实现快速加热；(3) 可加热某些不便于推钢的料坯。如圆柱坯、薄板坯、管子、异形坯等；(4) 完全消除了“翻炉”和“粘钢”现象。炉长不受推钢长度限制，生产率高；(5) 可消除或在很大程度上减少“水管黑印”，料坯下表面也不会划伤，加热质量高；(6) 步进机构比推钢机的制作和维护要复杂，建炉投资大。因此本设计料坯运动采用步进式2.4 料坯布置方式及加热方式的选择1) 料坯布置方式。目前连续加热炉一般采用单排或双排，很少采用双排以上的。在设计炉子时，要根据料坯长度、炉子生产率、炉子计算长度、甚至车间布置等情况确定。对于步进式连续加热炉，炉长一般无限制条件，所以通常为单排，也可采用双排，本设计产量较小采用单排布置2) 加热方式。采用架空炉底双面加热的方式。双面加热比单面加热具有更高的炉子生产率，良好的加热质量，所以绝大多数连续加热炉都采用双面受热，只有在料坯厚度较小(100mm)的情况下，加热料坯上下表面温差不大，可不采用下加热(要求生产率较高时亦可采用双面加热)，另外，虽然厚度较厚(100mm)，但长度较短的料坯(L1000mm)的料坯，因支撑结构困难，下加热作用不大，所以不亦采用下加热。2.5 料坯的装出炉方式在设计中，应考虑生产线与装出料之间的关系。现代化加热炉装出料都采用机械装置完成。因此，必须留出加热炉或炉群的装出料机的工作空间，同时也应考虑加热炉本身的适应性。连续式加热炉的物料大多是从炉尾部进入，但对于特长料坯在步进炉内的加热，采用侧进料为宜。料坯的出炉方式有侧出料和端出料两种。后者吸冷风和冒火比较严重，但在车间布置上有很大的优势，可以沿轧制辊道布置数座加热炉。前者需专门的出料装置，且只能在辊道端点布置一座加热炉，供较大断面尺寸的物料加热时选用，侧出料时需要专门的出料装置，且只能在辊道端点布置一座加热炉，但炉门位于炉压线以上，从工业炉热工角度看，性能优于端出料，以减少因炉门吸冷风而造成的氧化。考虑到炉子可以加热长度不等的料坯初步采用料坯的侧进料为宜，另外从炉子的热工角度看，侧出料较好，尤其像合金钢的加热，还可减少炉头吸冷风，故采用侧出式。2.6 选择燃烧装置的形式及其安装位置的确定燃烧装置是用来实现燃料燃烧过程中以向炉内提供热源的设备。因此它是火焰炉的核心部分。燃烧装置处应保证在规定的热负荷条件下实现完全燃烧，或根据特殊的加热要求实现不完全燃烧以取得实现规定的燃烧气体成分外，还应保证燃烧过程稳定，火焰的方向形状，刚度和铺展性要符合炉型及加热工艺要求。 蓄热式烧嘴成对工作，二者交替变换燃烧和排烟工作状态，烧嘴内的蓄热体相应变换放热和吸热状态。成对的烧嘴分设于炉膛的A侧和B侧，当A侧烧嘴燃烧时，空气流经积聚了热量的蓄热体而被加热，与此同时，B侧烧嘴排烟，烟气热量被蓄热体吸收，换向工作后，B侧烧嘴燃烧，空气同样被蓄热体加热，A侧烧嘴排烟，烟气热量被蓄热体吸收。如此周而复始，通过蓄热体这一媒介，出炉烟气的余热被转换成空气的物理热，而得到回收利用。通过蓄热式烧嘴，烟气排出温度可降到150以下，空气可预热到1000以上，热回收率达到85%以上，温度效率达到90%以上。这样不仅可以节约大量能源，向大气排放的烟气量也大幅度下降，有很好环保效果。本设计采用空、煤气双预热上下组合式烧嘴，采用蜂窝体做蓄热体，空气蓄热室和煤气蓄热室隔开配置，空、煤气流斜交混合。陶瓷蜂窝体具有比表面积大、耐高温、耐急冷耐热性好、导热性能好、更换容易等优点。蓄热式烧嘴用在加热炉上，有如下特点：1) 其结构形式类似普通烧嘴，能直接安装在炉子侧墙上，并保持通常的炉墙厚度，而不象墙内通道式蓄热式炉那样要将炉墙加厚至多。2) 煤气蓄热式燃烧器与空气蓄热式燃烧器在炉外分开布置，使空气与煤气通道截然分开，完全避免了煤气与空气互窜的危险。3) 容易分段供热，各段热负荷调节方便，可以按照加热工艺的需要，灵活调节加热炉温度。同一段的上部、下部烧嘴的供热量也可调节，便于改变上、下热负荷分配。从而减少钢坯上、下表面温差。4) 炉墙两侧留有检修门和扒渣门，可及时清理氧化铁皮，减少因炉底氧化铁皮升高引发的停炉打渣。5) 烧嘴设计结构合理，蓄热体装、卸和更换都很方便。6) 可对单个烧嘴进行在线维护，降低了故障风险。7) 炉墙不加厚，耐火材料用量少，炉墙既可以砌砖，也可以浇注，炉墙施工简单方便，烘炉时间短，炉子降温升温速度快，可缩短检修停炉时间。燃烧器的数量取决与所选定的装置的结构形式和单位时间内所需供热量的多少。燃烧装置在加热炉上的布置位置根据炉温的高低有所不同，高温炉的燃烧器可直接安装在炉膛的高温段部或侧墙上。低温炉宜将燃烧器与炉膛隔开，燃料在专门的通道内燃烧，然后将燃烧产物引入到炉膛中。在炉温更低的情况下，可采取炉气再循环的方法，把一部分即将出炉的废气回收掺入刚入炉的炉气中，使炉温更低更均匀。2.7 换热装置的形式及其换向系统的确定1) 换热装置的形式的确定设置换热装置的目的有二：其一，在使用发热量较低的燃料时有利于燃烧，有利于提高炉温，主要保证用能设备所需的热工性能为主；其二，在使用发热量较高的燃料时，则以节能降耗为主。利用加热炉排出的高温烟气来预热空气和煤气，对于改善燃烧过程、节约燃料、提高燃烧效率具有重要意义。本设计预采用蜂窝体作为蓄热体回收烟气热量。蜂窝体的高温段材质为高纯铝质材料，有较高的耐火度和良好的抗渣性；中部采用莫来石材料；低温段材质为堇青石，其特点是在低于1000的工况下具有较好的抗腐蚀和耐急冷急热性。蜂窝体的前端增加刚玉挡砖，减少高温炉膛对蜂窝体的辐射，同时可增加蜂窝体的堆放稳定性。与颗粒状蓄热体(球形蓄热体)比较，蜂窝状蓄热体有如下优点：单位体积换热面积大，100孔/平方英寸的蜂窝体是15mm球比表面积的5.5倍，20mm球的7倍。在相同条件下，将等质量气体换热到同一温度时的蜂窝体体积仅为球状蓄热体的1/31/4，重量仅为球的1/10左右，这就意味着蜂窝体蓄热燃烧器构造更轻便、结构更紧凑。蜂窝体壁很薄仅0.51mm，透热深度小，因而蓄热、放热速度快，温度效率高，换向时间仅为3045s，这比球状蓄热体的换向时间3min 大大缩短，更利于均匀炉内温度场，保证钢坯均匀加热，这一点对加热合金钢、高碳钢尤为有利。按照蜂窝体内气流通道规则，阻力损失仅为球状的1/31/4。球形蓄热体气流阻力损失随空气流速增大而增大，其变化规律为幂函数关系，球径大则阻力变小，但蓄热室结构也要相应增大。蜂窝体由于有较高压力的气体频繁换向，起到了吹刷通道作用，故不易产生灰尘沉积堵塞。对于炉膛较宽的炉子，相对应炉长较短，炉两侧可供布置烧嘴的空间较小，采用比表面积小的小球时常常由于空间的限制使得蓄热能力不足。因此，在采用蓄热式烧嘴形式的加热炉当中，应用比表面积大于小球几倍的蜂窝体是必然的选择。采用陶瓷小球不方便在线更换，而陶瓷蜂窝体则有利于蓄热体的在线更换，这可以保证非常好的生产连续性。2) 换向系统的确定早期蓄热材料多为高铝或莫来石小球，采用内置或外置蓄热床布置方式，整台加热炉采用2一3台大型拉动式换向阀集中换向。但这种方式存在操作不够灵活，炉子热惰性较大，炉膛压力不稳定，生产连续性较差，加热炉自动化水平低等问题。对于空煤气双蓄热而言浪费煤气也较多，安全性较差。从这种意义上讲，集中换向比较适合于普碳钢等对加热质量要求不高的棒、线材坯料加热，但在加热优质碳素钢或合金钢坯料时该种方式便显得较为吃力，需要有操作更加灵活、更加完善的蓄热式燃烧系统配置。考虑到上述要求，建议将蓄热体小型化(采用陶瓷蜂窝体)，并与烧嘴置于一体，无论空气单蓄热，还是空、煤气双蓄热，加热炉每对烧嘴采用一套独立的换向装置，各燃烧器之间均具有各自完全的独立性，因此可以被认为是完全意义上的烧嘴形式，相对于集中换向来讲其每对烧嘴完全独立的换向方式，即所谓全分散换向技术。2.8 炉子供风和排烟系统加热炉上供燃烧用的一般都是选用离心式风机，供通风用的都采用轴流式风机。在不影响车间基本设施和生产运行的前提下，鼓风机的安装力求使管道短，局部阻力最小。排烟系统是由产生抽力的排烟装置或排送烟气的烟道所组成，用以将炉内烟气排出炉外，保证排烟通畅是加热炉炉正常进行的重要条件。加热炉的排烟方式分为自然排烟和机械排烟两种。前者指烟囱排烟、直接排放和依靠自然抽力的排烟罩等；后者指排烟机排烟等。对于烟气温度不高的情况，可采用直接式机械排烟的方式。本设计预采用机械排烟2.9 炉底水管的确定步进梁式炉炉底水管和推钢式炉炉底水管有类似的地方，都是由冷却水管构成。但他们的受力条件和结构都有着重要的区别。推钢式炉内钢坯是在滑道水管上滑行，滑道水管由横水管固定和支撑，而横水管则由炉侧钢柱固定和支撑，所以它们既能承受纵向力，又能承受横向力，步进梁式炉内钢坯运动则是由步进梁和固定梁支撑，而步进梁和固定梁都不可能用横水管固定在炉侧钢柱上。所以步进梁和固定梁及支柱必须有足够的强度和刚度，以承受因钢坯不均衡负载所产生的横向作用力及步进时产生的横向振动。1) 炉底水管结构步进梁式炉底水管结构主要有三种形式(1) 单管支撑的炉底梁结构这种结构的步进梁和固定梁是通长的，单管水管立柱支撑，这种结构的立柱水管立柱数量最少，因而，可减少水冷热损失，(水管受热面小)，耗水量和基建费用低，所以应用较广。但要求梁和立柱(尤其是步进梁水管结构)都必须有较高的强度和刚度特别是立柱要有很好的稳定性，因此大都采用直径较粗的钢管(立柱水管关径大于横梁管径)以克服横向作用力和横向振动，由于立柱水管的直径较大，为了提高立柱水管内的冷却水的流速以免产生水垢和其它杂物造成堵塞，而不增加水量，采用了套管结构。(2) 框架支撑的炉底梁结构这种结构的优点是较能经受炉底梁的横向作用的外力和热应力。为了减小步进梁和固定梁长度方向上受热膨胀而造成变形，将炉底水管沿长度方向上分成几段，并将立柱连成框架。这种结构可较大改善立柱的稳定性，并可避免因热膨胀造成整个炉底梁的变形。这种结构与第一种结构相比增加了立柱的数量和连接立柱的横水管，因而增加了水冷却受热面积，也就增加了水冷却热损失，同时增加了投资。(3) “门型”支柱梁结构这种结构也称为“马蹄形”或“倒形”结构，当加热钢坯的厚度较小，步进梁和固定梁中心距也较小，又要采用下端供热方式，那么这种结构的步进梁和固定梁的立柱布置在同一条直线上，增加了燃烧通道的宽度，使纵向燃烧火焰在“门”中通过，实现了下端烧嘴供热。对于步进梁和固定梁中心距较大(大于2000mm)其通道宽度可满足燃烧火焰的要求。不必采用这种结构。设计加热炉的炉长不算太长，产量为120属于中小型加热炉，考虑到减少水冷损失，减少投资，无需将炉底水管沿长度方向上分成几段。因此采用第一种结构形式，了提高立柱水管内的冷却水的流速以免产生水垢和其它杂物造成堵塞，而不增加水量，采用了套管结构。2.10 炉子的钢结构及冷却系统的确定1) 钢结构炉子钢结构的主要作用是：(1) 维护炉体的外部形状，固定炉子砌体；(2) 安装固定炉子附件；(3) 承受拱顶的水平分力或吊挂炉顶的荷重；(4) 承受炉子砌体因热膨胀而产生的应力；(5) 保持炉子砌体的严密性；各部分的钢结构分别选择如下：炉顶钢结构：主要构件是采用焊接H型钢制成的横梁，H型钢的两端架在炉墙两侧立拄的顶端。侧立柱：由工字钢，组合槽钢和钢板焊接而成，下端用地脚螺栓与炉子基础固定，上部用槽钢圈梁联成的矩形框架。炉底钢结构：由工字钢，槽钢和钢板焊接组成。2) 冷却系统根据炉子温度，压力等条件和尽量减少热损失的原则来确定冷却装置的部位及其结构形式，并对水冷或汽化冷却系统的布置提出方案。对炉子进行冷却的目的有两个，一个是为了提高其强度和使用寿命，二是为了改善劳动条件。冷却方式有水冷和汽化冷却两种。汽化冷却与水冷相比有如下优点：(1) 可节约用水；可以将冷却构件产生的热损失大部分转化为蒸汽来加以利用；(2) 由于汽化冷却采用软化净水，不易沉淀和结垢，使炉内构件的寿命比水冷时提高一倍以上。鉴于汽化冷却的以上优点，本设计采用汽化冷却。汽化冷却的工作原理如下：软水箱里的合格软水通过给水泵供应到气包，然后通过自然循环供给加热炉的7根水梁，由于加热炉内温度高达1200左右，水梁内的软水在高温下形成汽水混合物，带走热量达到冷却水梁的目的，形成的汽水混合物通过上升管道进入气包。气包内设有汽水分离装置，汽水混合物中的蒸汽供给用户。汽化冷却系统原理图如下：2.11炉子的机械化及自动化现代工炉为了准确控制各种炉况参数，掌握工业炉的热工过程，使工业炉经常地、稳定的处于最佳热工状态，保证加热质量，提高工业炉的热效率，同时也是为了维护工业炉设备，延长使用寿命，改善操作人员的劳动条件，保证工业炉的安全生产，工业炉上需要配备一整套的热工测量和自动调节装置。同时目前工业炉加热物料的品种比以往大大增加，而加热要求又大为提高，为了使工业炉对不同物料的加热都能处于最佳工作状态，使加热质量最优，能耗最低，必须配备计算机自动控制系统。一般系统自动调节的内容包括：燃烧的调节(空气和燃料的调节)，炉温的调节(向炉内供热)，炉膛压力的调节，液位的调节等。3 技术设计3.1燃料燃烧计算计算单位燃料进行完全燃烧的空气需要量（）。其目的在于合理，有效地控制燃烧过程，达到最佳燃烧状态；同时也是正确的选用或设计计算燃烧装置，供风系统及检测。控制系统的重要依据。计算单位燃料进行完全燃烧的燃烧产物（烟气）生成量（）燃烧产物成分（%）及其密度）。燃料燃烧产物的生成量及其密度是设计烟道，烟囱或选用排烟机等不可缺少的依据。而燃烧产物成分是计算炉气黑度所必需的数据。计算燃料理论燃烧温度（）。它是估算实际炉温能否达到工艺要求的重要数据之一；同时也是选择燃料种类及其燃烧方法的参考。计算燃料低发热量（）。已知路子设计生产率时的总热量消耗，根据即可求出炉子总燃料消耗量B。同时也使计算的重要依据。3.1.1燃料成分及发热值表1 干成份成分COCO2H2N2CH4合计高炉煤气2514.33.356.80.6100煤气含湿量%.