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装订线 加热能力为120吨/小时加热炉设书摘要 论文开始就工业炉的历史，现在的状况和其发展方向做了陈述，着重对工业炉的结构以及工业炉的操作制度，节能技术改进和“三高一低”理论的介绍，接着对工业炉的配套设备及烧嘴，换热器，烟囱等的相关结构和选用进行分析陈述。然后对120吨/小时的推钢式加热炉的设计计算。1.1.1 火焰炉结构在冶金.化工.机械制造等工业部门中，以燃料燃烧的火焰为热源的各种工业炉统称为火焰炉。火焰炉广泛应用于物料（工件）的焙烧.干燥.熔化，熔炼加热和热处理等生产环节。火焰炉得到广泛应用的原因有以下几点：1：火焰炉所采用的燃料有较大的灵活性，可以根据燃料的种类和规格建造各种不同型式和构造的炉子、，以满足生产的需求。2：燃料的供应一般比较充足，价格也比较低。3：火焰炉对于被处理物料（工件）的形状大小。规格等的限制较少，大到几百吨的金属锭，小到细颗粒，都可以在火焰炉中进行热工处理。4：火焰炉工作温度的范围比较大，可以满足不同工作温度的需求。5：火焰炉通常是直接加热式，但如果有特殊要求，也可以进行间接加热。正是以上的几点，使的火焰炉的到广泛的应用。火焰炉一般由炉子热工工艺系统、装出料系统、热工检测及自动控制系统等三个系统互相配合，使炉子正常运转。炉子的热工工艺系统是火焰炉最基本的组成部分。包括炉子的工作室(炉膛)、供热系统（油泵、管道、燃烧装置等)、排烟系统(烟道、烟闸、换热器、余热锅炉、烟囱、排烟机等)及冷却系统等。参见图11。工作室是炉子的核心。主要的热工及工艺过程都在工作室内完成。炉子其他各部分的任务是为工作室内所进行的热工工艺过程提供有利条件。装出科系统和热工检测及自动控制系统，是现代化火焰炉不可缺少的两个工作系统。前者包括炉前炉后的装出料机械和炉内的运料机械，后者包括热工参数的检测仪表、显示仪表记录仪表、自动控制仪表或计算机以及执行机构等。在炉子上配备这两个系统，可以实现产的自动化操作，从而提高炉子的生产指标。下面仅对热工工艺系统中的主要组成部分加以介绍。1.1.1.1 火焰炉的组成炉膛(工作室)：炉膛一般是由炉墙、炉顶和炉底构成的一个近乎六面体的空间。因工艺和用途的不同，炉膛形状是各式各样的。大多数炉膛是在高温下工作，经受炉气、炉尘和炉渣的侵蚀和冲刷。因此，要求构成炉墙、炉顶和炉底等所用的材料、结构型式的尺寸等，都必须适应这一特点，以保证炉子的正常工作。炉墙： 炉子四周的围墙称为炉墙。加热炉都采用直立的炉墙，分为侧墙和端墙。为保证炉墙结构的稳定性，炉墙必须有一定的厚度，并应随炉子尺寸增大和炉膛温度的升高而增厚。为减少散热和蓄热损失，炉墙应设有绝热层。侧墙的厚度一般为225块砖厚(464。580mm)，其中起稳定作用的主墙用粘土砖砌筑，厚度为152块砖厚，其余部分为绝热材料，构成复合炉墙。用耐火浇注料或耐火可塑料等制作的炉墙主墙厚度一般为250一300mm。端墙厚度应视烧嘴孔道尺寸而定，一般为254块砖厚。为提高炉子强度和气密性，炉培外面包以410mm厚的钢板。炉墙的经济厚度，应根据砌休的材料费和蓄热散热损失引起的燃料费进行优化计算确定。炉墙上常设有炉门、窥视孔、烧嘴孔以及热工参数检测孔等孔洞。为防止砌体破坏，炉墙应尽量避免直接承受附加负荷，炉门、冷却水管等构件应设置在钢结构上。加热炉炉门尺寸已标准化，尺寸可由有关手册中查得。侧墙上还必须设有供检修用人孔假门。炉顶：炉顶是炉膛组成中的薄弱环节。炉顶是否牢固可靠，对炉子工作有重大影响。尤其在熔炼炉（如平炉.玻璃炉）中，往往因受炉顶温度的限制而妨碍炉子生产率的提高，由于炉顶的损坏而降低炉子的作业效率。固在炉子设计时对炉顶的可靠性必须给予足够的重视。炉项按其结构型式分为拱顶和吊项两种。拱顶可用楔形砖砌筑或不定形耐火材料捣制而成，结构参见图13。拱顶的拱角可变化在60度到180度之间，通常采用的有60度、90度、120度和180度拱顶。60度拱顶的R等于炉子跨度B，拱顶矢高Ao1345，称为标准拱顶。拱顶的质量W作用于拱角砖上，承受在两侧护路上，水平分力F通过拱角梁由钢结构承受。吊顶是由一些特制的异形砖组成的，异形砖用金属吊杆单独地或成组地吊在护子钢结构上。吊顶的结构型式很多，图14是常见的几种吊顶结构。图中(6)是槽砖吊挂结构，这种吊砖结构和砌筑都比较简单，更换也方便。为避免挂砖的工字钢温度过高，砖的上表面不允许敷设绝热层，因此萨顶散热量较大。图中(6)；(f)是颈吊式吊挂结构，这种结构的每一块吊砖都有一个夹钩和一个吊杆。由于金属夹钩在砌体外面，故可以在砖的部分表面敷设绝热层，炉顶散热损失较小。但这种结构只适用于吊挂水平的及倾斜度不大的炉顶，较大倾斜度及转弯处须做特殊处理。图中(墨)是齿槽式吊挂结构，它的优点是砖与砖之间互相咬合，气密性好，个别砖块即使断裂也不致掉落，缺点是砖形复杂，公差要求严格，砌筑难度大。这种结构的炉顶砖上面也不宜敷设绝热层。炉底：炉底的工作条件是非常恶劣的。它不仅要承受被处理物料的机械负荷、碰撞与摩擦等作用，有时还要受到被处理物料的化学侵蚀及熔体的渗透等。炉底结构型式和所用材料，决定于工艺过程和炉内的工作温度及化学反应的性质。加热炉的炉底结构型式基本有两种：固定式炉底一被处理的炉料推钢机推动在炉底上移动。为了避免物料与炉底耐火材料直按摩擦而损坏炉底与金属表面有些情况下用砂封的移动式炉底，在炉底上装有金属滑轨或水冷管滑道。移动式炉底机械化的活动炉底带动炉内物料一道移动，属于这种类型的炉子很多，其中主要有步进式加热炉、转底式加热炉、分室式加热炉、辊底式加热炉和链式加热炉等。这种炉底因为需要设置复杂的炉底机械装置，构造比固定式炉底复杂。1.2.燃烧系统及其控制1.2.1 烧嘴及其分布加热钢锭用推钢式加热炉多采用平焰烧嘴，其火焰呈圆盘形，辐射能力强，加热速度快，火焰直径800-1 000 mm,厚度50150 mm，对降低炉膛高度有利。1.2.2 燃烧控制技术烧嘴及其燃烧控制是步进炉的核心技术之一，手动控制已被自动控制方式所取代。目前大规格钢锭推钢式加热炉可选用的燃烧自控方式通常有:(1)空燃比例连续控制系统，该系统主要由烧嘴、燃烧控制器、空气/燃气比例阀、空气/燃气电动蝶阀、空气/燃气流量计、热电偶、气体分析装置、PLC等组成。工作原理是由热电偶或气体分析装置检测出来的数据传送到PLC与其设定值进行比较，偏差值按比例积分、微分运算输出4-20 mA的电信号分别对空气/燃气比例阀和空气/燃气电动蝶阀的开度进行调节，从而达到控制空气/燃气比例和炉内温度之目的。(2)双交叉限幅控制系统，该系统主要由烧嘴、燃烧控制器、空气/燃气流量阀、空气/燃气流量计、热电偶等组成。工作原理是:通过一个温度传感器热电偶把测量的温度变成一个电信号，该信号表示测量点的实际温度，该测量点的温度期望给定值是由预存贮在上位机中的工艺曲线自动给定的。根据这两个温度值偏差的大小，PLC自动校准燃气/空气流量阀的开度。该阀通过电动执行机构定位。空气/燃料比控制，借助于孔板和差压变送器来测量空气流量，燃气的流量是借助于一台安装在燃气支管上的质量流量计来测量，使精确的温度控制得以实现。(3)数字化脉冲控制系统，该设计的前提思路是:某种形式分布的烧嘴，在额定的燃气压力、热值条件下，单位时间内喷出热气流的总热烙是一个定值，根据锭坯在炉内的具体分布情况和加热要求(已输PLC)，对各烧嘴的燃烧工况进行合理组合，就会获得满意的炉内温度场的分布，从而保证了锭坯的加热质量。数字化脉冲控制的工作原理与负荷的合理配置。(4)其他控制技术助燃空气温度一流量控制。推钢炉开炉或炉内工况变化时，由热交换器加热的助燃空气温度是不稳定的。当炉压不变时，温度升高，导致相同流量时空气质量的减少，使得烧嘴前的实际空气/燃气比下降;反之亦然。为确保烧嘴能合理燃烧，PLC应输人助燃空气量随温度变化的逻辑程序，用实测的热空气温度信号对其进行流量补偿。烧嘴燃烧安全控制系统。高水平的烧嘴燃烧安全控制系统是炉子安全生产的重要保证，包括点火前的安全吹扫、点火程序控制、燃烧火焰的自动检测和燃气快速切断阀，不仅要求系统设计可靠，而且要求构成系统的每个部件的质量要极为可靠。燃烧设备的爆炸事故大多为烧嘴点火时引起的。每次烧嘴点火前应启动氮气(也有用空气的)吹扫系统，对燃气管道吹扫一定时间，耗气量约为管道容积的3-5倍，以清除烧嘴前燃气管道内残留的可燃性混合气体，然后再将空气管道至烧嘴间阀门开启至最大位置，启动炉膛空气吹扫系统，用助燃风机对炉膛进行吹扫。自动点火安全控制。工作原理是:吹扫结束时，阀门回到最小开度，燃气电磁阀打开，同时点火变压器通过烧嘴上的点火电极高压放电，将燃气点燃，然后进人火焰检测程序。火焰稳定后，经烧嘴上的监测电极反馈给自动点火控制器一个5-30 mA 的信号，自动点火控制器接受到信号后，各阀门逐渐进人工作开度。若烧嘴没有形成稳定火焰或熄火时，自动点火控制器不能接受到监测信号，此时进人故障状态，输出一个故障信号，自动点火控制器自动切断燃气电磁阀。自动点火控制器可按设定程序或在手动复位后才能进行第二次点火程序。火焰监测器分为离子式、紫外线式和光敏元件等1.3.排烟系统排烟系统要求一是能克服烟道阻力，顺利地将烟气排空;二是精确控制炉膛压力;三是采用热交换器，最大程度地回收烟气热量以预热助燃空气。排烟系统主要由保温烟道、换热器、烟道闸门、排烟风机(强制排烟时)和烟囱等组成。1.3.1烟道 一般烟道常常埋在地下，这样对车间布置方便，但如地下水位较高时也可把烟道放在地上。埋设在地下的烟道结构，埋设深度一般都布置离地面至少300mm以下。对于穿过有动载荷(如车辆通过)的地段，穿过料场或成品库以及汽锤等振动较大的操作区域的烟道，应该用混凝土框把烟道包起来。处于地下水位以下的烟道应设有可靠的防水措施通常是包以混凝土框，并在混凝土外面包以钢板。必要时须在烟道附近设置深水井，并用水泵抽水。烟道布置要尽量缩短长度和减少烟气流动阻力损失，要与厂房柱基、设备基础和电缆等保持一定的距离，以免它们受烟道温度的影响。当烟道内设有余热回收装置时，一般要设置分烟道和相应的烟道闸板。为了控制排烟量以调节沪膛压力，烟道上必须设置烟道闸板。当烟气温度低于400一600时，闸板可用灰口铸铁件或铸钢件制作；当温度高于600一700时，应采用水冷闸板、空冷闸板、衬砖闸板或耐热合金钢制造的闸板。1.3.2 烟囱 烟囱是通常用的一种排烟装置。烟囱结构有砖烟囱、钢筋混凝土烟囱(内衬砖)和金属烟囱(有的衬砖省的不衬砖)。烟囱高度低于60一70m时，砖烟囱比钢筋混凝土烟囱造价低，但砖烟囱砌筑比较因难(不便于机械化施工)，而且寿命也不如钢筋混凝土烟囱。所以，小烟囱常用砖烟囱，45m高以上的烟囱一般采用钢筋混凝土烟囱。烟囱必须有独立的基础，不能与烟道基础相连，以免烟囱下沉时烟道基础断裂。烟囱底部应设人孔烈备烘烤烟囱、扒灰和修理内衬之用。金属烟囱一般用510mm厚钢板焊成，其寿命低，但修建快，造价低，在小炉子上时常采用。当温度较高时，内部须衬以耐火材料。1.4.1“三高一低”理论高炉温： 就是提高炉子的温度水平，这可以用增加供热负荷来实现。如果不能奏效时，可以从提高燃料的发热值，提高助燃剂的含氧量和提高助燃剂和燃料的预热温度着手，从而提高燃烧温度和炉温，增加传给被加热物的热量，由此可以提高炉子的产量，并为高温慢加热创造条件。高烟温： 就是提高烟气的出炉温度，这也可以用增加供热负荷来实现。特别是对连续式加热炉，可以在预热段内多布置供热点来加强供热，甚至在预热段内都供热，取消整个预热段，实施低温快加热的原则。由此提高整个炉子的温度水平，保证提高炉子的产量。高余热回收： 就是充分利用烟气的余热来预热助燃用空气和煤气时，提高燃烧用空气和煤气的预热温度，进一步降低烟气的排放温度，将烟气余热的热量返回至炉内，从而提高余热回收率，又提高炉子的热效率，节约燃料消耗。低炉子惰性： 就是要降低炉衬的蓄热量，使炉子升温快降温也快，保证炉子在高炉温情况下的加热质量和适应工况变化的能力，有助于生产过程的自动化和计算机控制，保证提高加热质量。并且还可以降低炉衬的蓄热和散热热损失，进一步提高炉子的热效率和降低燃料消耗，使炉子具有更高的科技水平。1.4.2 “三高一低”理论的技术基础随着工业水平的发展，出现了许多新技术和新产品，为实现“三高一低”理论创造了有利条件。这些新技术和新产品有： (1)蓄热室式高回收热交换设备.最近几年来，国内外研究制造了一种新型的蓄热式热交换装置，这一改过去蓄热室的结构庞大，换向时间长，排烟温度高，热回收率低和预热温度低而波动大等缺点。创新成为结构紧凑（单位体积的传热面积可达数百甚至上千），换向时间短（由0.5到1小时缩短为几分钟甚至几十秒钟），排烟温度低（由500至600度降低到150到180度），预热温度高（由烟气出炉温度的50%不到提高到80%以上）,使用寿命长(8年不漏气和不烧毁）和热回收率高（一般大于90%）的热交换装置。其关键在于新型蓄热式热交换装置大大缩小了蓄热体的尺寸，由厚度为几十毫米的耐火材料砖体变成几毫米的球体甚至为珠体或片体。(2)自身预热式燃烧装置.自身预热式燃烧装置是近几十年发展起来的一种新型燃烧器，它本身带有一个热交换装置，回收烟气的余热来预热助燃用空气，是一种节能效果明显、使用和安装均方便的一种燃烧装置。把蓄热式热交换装置移植到自身预热式燃烧器上，使其得到一个飞跃的进步。节能效果大为提高，燃烧性能大为改进，不仅可用于高温的钢材加热炉，同样可用于低温的钢材热处理炉，均能取得良好的效果。(3)耐火纤维近几十年来，我国研究、制造和全面推广使用一种新型的耐火材料-耐火纤维，应用于1000度以下炉温的硅酸铝全耐火纤维炉衬的使用已相当成功和广泛，取得良好的效果。应用于1400度左右高炉温的多晶莫来石纤维、高铝质纤维和含铬纤维，也已走出实验阶段而进入实用阶段，可长期在1400度炉温下使用，短期最高使用温度还可达!1600度耐火纤维