蓄热式罩式炉设计毕业论文.doc

东北大学毕业设计 目录蓄热式罩式炉设计毕业论文目录任务书i摘 要iiAbstractiii第1章 绪论111蓄热式燃烧技术11.1.1 蓄热式燃烧技术的工作原理11.1.2 蓄热燃烧的技术优势21.1.3蓄热燃烧技术的特点31.2 热处理炉31.2.1 常规热处理炉31.2.2蓄热式热处理炉41.2.3蓄热式炉温的控制手段4第2章 蓄热式罩式热处理炉的初步设计52.1热处理炉炉型结构5第3章 罩式热处理炉的热工计算93.1设计技术条件93.2罩式热处理炉的热工计算93.2.1燃料燃烧计算93.2.2板卷加热计算和炉内热交换计算113.2.4板卷在马佛罩内冷却的原始资料和炉内热交换计算163.3炉子基本参数计算193.4 罩式炉燃料消耗量计算19第4章蓄热式燃烧燃烧系统的设计254.1 蓄热式燃烧器的研制254.1.1 烧嘴的设计254.1.2 换向装置254.1.3 蓄热室设计274.1.4 炉前管道直径计算314.1.5 风机的选择334.2 蓄热式燃烧系统34第5章 结论37参考文献38结束语39附录41东北大学毕业设计 第1章 绪论第1章 绪论11蓄热式燃烧技术蓄热式燃烧技术早在19世纪中期就应用于冶金工业中，只不过那时是采取格子砖作为蓄热体的 ，传热效率低、蓄热室体积大、换向周期长，因此限制了该技术的推广应用3。20世纪80年代初，美国的HotWork公司与BritishGas研究院合作，开发出一种热导率高、比表面积大 ( 200 1000 m2 / m3 )、耐高温的陶瓷球蓄热体，以这种陶瓷球作为蓄热体可以最大限度地吸收烟气中的余热 ，稳定地将助燃空气预热到1000以上 ，大幅度地提高热工设备的热效率。这种技术首先应用于小型玻璃熔窑上 ，其后应用于钢铁行业中。但当时的蓄热式燃烧并不是真正意义上的高温空气燃烧技术 ，因为燃烧时空气中的氮不参加燃烧而直接进入烟气中 ，燃烧产物中NOX的浓度和燃烧温度成指数关系变化。单一地提高空气预热温度而不采取有效措施抑制NOX的生成，会引起NOX排放的增加而污染大气。因此，当蓄热式燃烧技术尚未很好解决节能与环保这一对矛盾时，它的推广应用及发展受到限制也就成了顺理成章的事情。20世纪80年代末，日本专家田中良一提出了一种能同时达到节能与降低CO2与NOX排放的全新的蓄热式燃烧思想2。90年代初期，由日本政府资助，由田中良一领导的研究小组和日本的一些企业开发出以陶瓷蜂窝体为蓄热体的蓄热式高温空气燃烧技术。利用该技术将助燃空气温度预热到仅比炉温低50100；同时，在燃烧区域形成低于21 % ( 体积浓度) 低氧或贫氧燃烧，于是也就解决了以往蓄热式燃烧下NOX排放的环境污染难题。采用蓄热式高温空气燃烧技术，排烟温度一般低于150( 理论上可以低于 100 甚至接近常温)，烟气带走的能量只相当于燃料的10%左右，炉子的热效率接近90 %31.1.1 蓄热式燃烧技术的工作原理蓄热式燃烧技术的原理如图1.1所示：图1.1 蓄热式燃烧技术原理图在图示工作状态中，烧嘴A排烟，高温烟气经烧嘴A排至蓄热室，从上至下穿过蓄热体后，将热量交换给蓄热体，烟气温度降至200以下，从左侧通道经换向系统后排入环境中；此时，烧嘴B处于燃烧状态，来自鼓风机的助燃空气经换向系统进入右侧通道，由下至上通过蓄热室，在极短的时间内常温空气被加热到接近炉温，然后从烧嘴B喷入炉内混合燃烧并加热炉内物料。经过一定时间控制系统发出指令，换向机构动作，烧嘴A与烧嘴B交换工作状态，即A燃烧，B排烟，空气、煤气及烟气的流动方向也随之变换。通过这种交替运行方式，实现“极限余热回收”和空气(或燃料)的高温预热。预热空气经烧嘴高速喷入炉膛，抽引周围空间的炉气，形成含氧量低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往气流中注入燃料，燃料在高温贫氧状态下实现燃烧，大大降低了NOX的排放量。 1.1.2 蓄热式燃烧的技术优势（1）采用蓄热式烟气余热回收装置，可将助燃空气预热至8001000的温度水平，能够极限回收高温烟气的余热，达到节能的效果，同时也降低了CO2的排放量，减少了对温室效应的影响，在世界能源局势日趋紧张以及地球气温日趋升高的今天，具有很好的经济效益和社会效益。（2）将空气预热到燃料的自燃点以上，即助燃空气预热到8001000以上，可燃物在燃烧区的含氧浓度低到3%仍能稳定燃烧，而高温低氧燃烧形成的均匀温度场，有效消除了局部高温，在很大程度上降低了NOX的排放浓度。（3）蓄热燃烧是在炉膛空间内才开始的弥漫式的燃烧方式，火焰边界几乎遍及了炉膛边界，炉膛内温度分布均匀，加热质量得到大幅提高。1.1.3蓄热燃烧技术的特点（1）对于高速烧嘴，喷入炉膛的是燃烧产物，这些烟气与坯料进行对流换热，温度梯度下降的比较明显，易造成温度的不均匀，并且有难以加热到的“死角”。 而蓄热式燃烧，在炉膛中有大量的空煤气分子，在炉膛内边混合边燃烧，煤气分子扩散到炉膛内各处，在碰到高温的空气分子后即燃烧，并随时加热坯料。 稳定燃烧的结果就是炉膛的温度均匀性非常好，没有长期高温或低温的“死角”。（2）蓄热式燃烧在沿炉长方向形成一面式火焰，将常规烧嘴的几点供热分成几十点供热，供热点紧密，且蓄热槽与组式烧嘴在炉长方向布置得尽可能长，炉气逸散的空间大，易使炉膛温度均匀。（3）蓄热式炉内的物料是在一个变化的温度场内通过炉气的对流冲刷受热的，其受热的边界条件是比较复杂的，但温度的均匀性很好，在实践中，多点埋偶测温试验证明了这个结果。 在常规炉中，被加热物料上的每一点温度场都是相对稳定的，无论是高温处还是低温处，都处于一个相对静态的温度场，各点的温差也比较大。（4）蓄热式热处理炉控制系统简单而且独到，它由换向控制系统和热工调节系统组成。 换向阀根据加热工艺实现定时换向，当烟气超温时优先使用定温换向。（5）蓄热式炉具有控制冷却速度的特殊手段。 常规炉的冷却速度是不能人为控制的， 蓄热式燃烧系统不仅能按工艺要求以一定的速度加热物料，还可以在冷却期关闭煤气，通过控制供风量的大小调节炉温，继而控制钢材的冷却速度，并可实现特殊钢材正火的工艺要求。（6）由于采用了蓄热式热回收系统，热处理炉节能量是相当明显的。因为炉子只要工作，热回收系统就在运行。 蓄热式热处理炉的效率达到30%以上1。1.2 热处理炉1.2.1 常规热处理炉周期式的热处理炉，其常规炉温为850最高为950。传统燃烧系统采用高速烧嘴+换热器的形式。根据热处理制度，在加热期和保温期向炉内的供热量之比约为1:6到1:81。在加热初期，高速烧嘴的喷出速度为60m/s，直接通过对流传热加热料坯。由于物料温度低，对流传热系数大，进入换热器的烟气量虽然量大但温度低，所携带的热量并不多，因此换热器内的有效热很少；在保温期，炉子需要的供热量小，烧嘴的负荷小，烟气量也少。虽然炉子温度高，但进入换热器的热量非常少。同时，燃烧产物喷出速度只有约5m/s，由于火焰很“软”，有部分高温烟气从烧嘴下面的烟道短路，这部分有效热就损失掉了。最终进入换热器的烟气量仅相当于加热初期烟气量的10%。换热器同样利用不上。所以说这种热处理炉热量流失很严重。在温度均匀性方面，高速烧嘴安装在炉侧墙上对炉膛进行供热，烟气是靠烟道抽力自然排放。这就造成烧嘴周围出现局部高温。多点埋偶测温表明，料坯各点的温度并不均匀1。1.2.2蓄热式热处理炉将蓄热式燃烧技术应用于热处理炉炉是一项新技术与新方法，本文结合蓄热式燃烧技术与热处理工艺的特点，设计开发了蓄热式罩式热处理炉。其结构如图1.2所示。 图1.2蓄热式热处理炉示意图该结构是在炉子侧墙下面设计蓄热槽，内放蓄热材料。在蓄热槽上方的墙上放煤气组式烧嘴。 助燃空气通过蓄热槽被预热后，与组式烧嘴供入的煤气一起向炉膛内边混合边燃烧，形成一种弥散式的火焰，呈一面火幕，在引风机强制排烟的作用下，火焰在炉内窜动、翻卷、包裹着炉料对其进行全方位的加热，然后炉气从对面通道进入蓄热体后排走1。1.2.3蓄热式炉温的控制手段材料的热处理制度是用温度随时间变化的线段，来表现升温速度、保温时间、冷却速度等，不同钢种有不同的温度制度。热处理炉是通过控制炉温来保证坯料的工艺要求，蓄热式炉控制炉温的方法是( 沿炉长方向确定多个换向阀依次对应不同位置的组式烧嘴!就是说将炉膛分为多个加热区域，有几个区域就有几个换向阀。在一个独立的温度制度下（无论是升温、保温或者降温），将炉子所需要的煤气量和风量设定到每个区域中去，通过调节仪和PLG进行单独控制和调节。 温度控制要求越高，炉子分的区域也越多，控制精度越好。需要注意的是，蓄热式热处理炉的温度测量元件必须放在沿炉长方向的炉顶中心线上，因为蓄热燃烧是单向供热，随时间单元交替换向。中心线上的点所检测到的炉气温度基本不受单向燃烧的影响。在稳定燃烧的情况下，其检测值反映的就是炉膛的真实温度。每个区域都需要设置热电偶参与控制和调节1。东北大学毕业设计 第2章 蓄热式热处理炉的初步设计第2章 蓄热式热处理炉的初步设计考虑到被处理对象的特殊性。本设计选取圆形的罩式热处理炉。并且比较合适地将蓄热式燃烧技术应用到了热处理炉上4。2.1热处理炉炉型结构罩式热处理炉一共包括了以下几个部分：炉体系统、燃烧系统、可控气氛强制循环系统、密封等4个部分5。（1）炉体系统：炉体是热处理炉的主体，包括了外罩、内罩、还有炉台。外罩由5mm厚的钢板焊成，内衬耐火纤维板（100mm），莫来石纤维板（50 mm），矿渣棉毡（50 mm），外面用20#槽钢作为炉子的钢结构，直径为3960mm。根据设计，炉墙内表面温度为1050，从炉墙导出的单位热流密度为1.9Kw/m2。内罩内罩用34mm厚的耐热钢板焊成，直径为2540 mm。钢板压缩成瓦凌形状，以减少变形。炉台是整个炉子的底座，是固定不变的，炉台的上缘稍高出车间地平面。炉子所用的可控气氛，通过安在炉台上的管路出进。测量板卷温度的热电偶也从炉台插入。为了使炉温均匀，采用为数较多的小烧嘴。欲降低热负荷时，可关闭部分烧嘴。炉台的金属结构呈盘形。循环风机固定在炉台中心的厚钢板上。只有风扇叶轮深入炉内，其余部分均在炉外。板卷垛的顶上，用一块盖板盖住，使循环气流不可能直接从顶上灌入板卷的内腔。内、外罩与炉台之间有密封装置。其密封情况对以炉子的操作和产品质量影响很大6。本设计采用砂封。由于外罩不和板卷一道冷却，它始终处于温度较高的状态下，所以外罩的工作与连续式比较接近，能节约不少热量，这是罩式炉单位热耗低的原因6。 （2）燃烧系统：燃烧系统包括烧嘴蓄热室蓄热体天然气管道空气管道等几个部分，其自动控制部分见第四章详述。烧嘴：本设计选用DT80式烧嘴6。烧嘴的燃烧能力为26m3/h。蓄热室：本实验炉共有两个蓄热室7，立在炉子两侧，蓄热室外部高度为1543mm，外部保温材料由内到外为：耐火纤维浇注料（114mm），耐火纤维毡（30mm），钢板（6mm）。选用蜂窝式蓄热体，共选用规格为150150150mm3，壁厚0.8mm，孔为33mm2的蜂窝体24块，每层放四个蓄热体。四通阀：选用旋转式四通阀，四个接口分别为空气进口，空气出口，烟气进口，烟气出口。本设计选用一套风机装置，同时与空气进口和烟气出口相连，空气出口和烟气进口与炉前管道相连。阀门启动时调节的就是空气出口和烟气进口，以改变空气和烟气流通的路径。阀门每启动一次，空气烟气流通路径就改变一次。而炉前管道是与蓄热室相连的，当烟气流过蓄热室时，烟气的热量被储存在蓄热体中，当空气流过蓄热体时，蓄热体释放热量，对空气进行预热。在空气管道上布置了测温点，以检测烟气的温度，为设定换向时间提供参考。烟气温度过高不仅增加热损失，而且还影响四通阀的寿命，这时就需要缩短换向时间；而换向时间过短，机械动作频繁，阀门寿命也会受到影响。天然气管道：天然气经过天然气管道，进入烧嘴喷入炉膛内燃烧。天然气管道上布置有涡轮流量计，以检测天然气流量，并配有手动阀电磁阀电动调节阀等附属装置。在两侧的分管上布置有两个天然气电动调节阀，配合四通阀工作，当一个电动调节阀打开时，另一个则切断，保证天然气只从一侧，且和空气同一侧喷入炉膛。而在每个煤气烧嘴前都布置了手动阀，调节天然气流量，保证天然气均匀地从每个烧嘴喷出。空气管道：空气管道一端连接鼓风机，一端连接四通换向阀。空气经过鼓风机空气管四通换向阀炉前管蓄热室后进入炉膛。空气在经过蓄热体时，吸收蓄热体的热量，温度升高至1000以后快速喷入炉膛。快速运动的高温空气不仅使得天然气周围形成高温低氧的燃烧氛围，火焰温度大大降低，同时把火焰温度大大降低，同时把燃烧拓展到炉膛的大部分区域，使炉内温度分布比较均匀8。（3）可控气氛强制循环系统9可控气氛强制循环系统包括进气口、风扇叶轮、对流环等，这些配件的形状、大小、和配置位置对循环能力影响甚大。可控气氛：为了使工件在热处理过程中不（少）被氧化和脱碳，保持光亮或光洁的表面，或者为了实现某种化学热处理，须使用可控气氛。其中有两个参数是可控气氛热处理的重要参数碳势和露点。所谓的碳势是指在一定的温度下，某一成分的气氛只能与某一定含碳量的钢之间相互平衡，既不脱碳，也不增碳。在可控气氛中进行热处理时，必须对气氛的碳势进行严格的控制。在炉子正式使用前，必须直接测定气体成分与碳势之间的关系。实测时将生产中所用的钢铁材料试样放在可控气氛的恒温中，经过较长时间（1 4小时9）达到平衡后，取出试样，用剥层分析法测定表面含碳量。这个含碳量便是这个气氛在该温度下的碳势。在各种温度和气体成分条件下进行一系列测定，便可得到实际的经验平衡线，直接用到生产线上去。露点是指水蒸气与其他的混合物，在逐渐冷却到一定温度时，其中水汽就凝结成液体水（雾）。这个温度就是这个混合物的露点。用于热处理的可控气氛种类较多。在冶金和机械工业中，常用的可控气氛有放热式气氛、吸热式气氛、氨分解气氛、氢气氛和工业氮等。考虑到使用安全问题，本设计选用工业氮6。炉子炉台风扇：选用W4-80型NO7.5D通风机，联轴器传动，风量为22660m3/h，风压1.50.96KPa，功率为30KW，最高使用温度8006。对流环：由于带钢以成卷方式加热和冷却，径向传热时要穿过许多气层，热阻大，使用对流环后可控气氛沿钢卷边缘均匀流入，缩短了加热和冷却时间，提高了热效率6。具体结构见图2-1图2-1钢板卷对流环简图（4）密封结构外罩及内罩与炉台之间要求密封。同可控气氛并强制循环时，内罩与炉台之间的密封要求更高。密封结构形式有砂封、水封、胶封和耐火纤维密封等多种形式。本设计选用砂封，但砂封结构简单、成本低、能承受高温，但严密性差，因而气氛泄露量高于其他密封形式。内罩中气氛压力过高，砂子易被吹走；过低，则易被气流带动并附着在工件表面。所用砂子多为河砂6。其具体结构如图2-2图2-2密封结构图1内罩 2外罩砂封槽 3胶管 4内罩压紧装置5炉台冷却东北大学毕业设计 第3章 罩式热处理炉的热工计算第3章 罩式热处理炉的热工计算3.1设计技术条件（1）热处理要求(1)炉子用途：冷轧钢卷退火热处理 (2)被处理金属： 表3-1种类38CrMoAlA尺寸外径Dp=2.2m,内径dp=0.6m,板卷高度hp=1m,板卷数n=4板卷开始时平均温度t始均=20板卷最终温度为t=930(3)完全退火工艺 加热温度：将工件缓慢以50/h加热到Ac3以上3050，即 900+30=930。 保温时间：1.52小时，选取2小时。 冷却方式：100/h的速度随炉冷至300以下出炉空冷。 温度与最低温度差t50(4)燃料：天然气3.2罩式热处理炉的热工计算3.2.1燃料燃烧计算1)天然气干、湿成分换算 表2-2天然气干成分（%）CO2CH4C2H6C3H8N2O2H2O合计0.3089.903.101.305.200.200.00100根据天然气温度t=10,查得g=9.8g/标m3(干气体)，代入式K=100/(100+0.124 g)得：K=把K=0.988带入式（1-3）10分别计算得天然气湿成分，计算结果列于表3-3 表3-3天然气湿成分（%）CO2CH4C2H6C3H8N2O2H2O合计0.2988.823.061.285.140.191.20100 以下计算都按照标准的计算进行计算11 2)发热量 Qd=356.51CH+634.73C2H+908.82C3H （KJ/m3） （3-1） =356.5188.82+634.733.06+908.821.28 =34776 KJ/m33)计算理论空气量L0 L0= （m3 /m3） （3-2）=(2+)3.06+(1+)88.82+(3+)1.280.19/(0.21100) =9.26m3 /m34)计算实际空气需要量Ln，取n=1.1，得 Ln=nL0 =1.19.26=10.19 (m3 /m3) （3-3）Ln湿=(1+0.00124g)Ln =(1+0.001249.8)10.19 （3-4） =10.32 m3 /m35)计算燃烧产物生成量及成分将表1-2中天然气湿成分带入式： （3-5）式中：、每100标m3湿气体燃料中各成分的体积含量。计算得燃烧产物单一成分生成量，再代入式下式： （3-6）+ 标m3/标m3 再代入以下公式 （3-7）=计算得燃烧产物总量及成分百分含量。结果列于表3-4。 表3-4天然气燃烧产物生成量（标m3/标m3）及成分（%）0.998.100.192.0411.33生成量（标m3）8.7471.511.7218.03100体积含量（%）6)烟气密度，按燃烧产物质量计算11烟= (kg/m3) （3-8）=(448.74+2871.51+321.72+1818.03)/2240=1.23 kg/m33.2.2板卷加热计算和炉内热交换计算马佛罩中沿高度方向摆放几个板卷，循环风机自上而下往板卷与马佛罩之间的空隙里送入保护气体。为了使保护气体向板卷断面流动，板卷之间垫着对流环，环上有截面变化的通道。经过这些通道，保护气体进入板卷内部并回到循环风机。由于，最下部的板卷在加热过程中是最不利的，所以全部热交换计算要按照下部的条件进行12。1) 马佛罩温度 t =t卷+10 =930+10=940 （3-9）在加热时由马佛罩向板卷外表面进行辐射传热，而板卷的端部和内表面仅依靠保护气体的对流传热。计算时马佛罩温度在整个加热过程中均看作是固定不变的。在加热时由马佛罩向板卷外表面进行辐射传热，而板卷的端部和内表面仅依靠保护气体的对流传热。计算时马佛罩温度在整个加热过程中均看作是固定不变的。 2) 马佛罩直径DM DM= DP +(0.30.35) (m) 根据经验取0.35，则DM =2.2+0.35=2.55 m 式中：DP-板卷外径(m)。3) 罩到板卷侧表面导出辐射系数C M (w/m2k4) （3-10） 式中：为黑体辐射系数，w/m2k； 、分别为马佛罩和板卷黑度，分别由表13-1和图13-1确定；、为辐射角系数，但是由于考虑到保护气体是透明的，故由板卷直径和马佛罩直径代替。其中板卷外侧表面推荐采用平均温度。4) 板卷外侧表面的平均温度 t=0.9t卷=0.9930= 846 （3-11）式中：t卷为板卷所加热到的温度，。5) 罩向板卷外侧表面的X辐射给热系数 （w/m2k4） （3-12）带入数据得 =158.77w/m2k4 6) 对流环流通截面积F F=1.88hTdp+(Dpdp)/2=1.880.05(0.6+0.8)=0.132 m2 （3-13）式中：hT-对流环高度(m)； Dp、dp-板卷外、内直径(m)。7) 炉气计算温度 t炉气=0.7t卷=0.7930=658 （3-14）8) 下部板卷对流环处保护气体的实际流速W1 W1=7.92 m/s （3-15）式中：V-循环保护气体流量(m3/h)，按循环风机风量计算； -通过下部对流环的气体份额。9) 对流传热系数ht ht=23.73（由图13-1112查得） ht1=1.5t 考虑到端部表面粗糙，乘以一个修正系数 =1.523.73 = 35.60 w/m2k10) 板卷内腔流通截面积F内 F内=0.785dp2=0.7850.6 =0.28 m211) 保护气在板卷内腔的实际流速 w2= （3-16） =8.60 m/s12) 保护气体对板卷侧面的对流给热系数 h内=16.90 w/m2k h外=11.60 w/m2k 由于在保护气体的成分比较复杂，所以直接由经验数据查得，以上数据由图131112查得。13) 马弗罩表面积FM=DMHM=3.142.554.9=33.55 m2 （3-17） 式中：HM-马弗罩高度(m)； DM-马佛罩直径(m)。14) 板卷表面积 外侧F=Dphpnp=3.142.21.04=27.63 m2 （3-18） 内侧FB=dphpnp=3.140.61.04=7.54 m2端面FT=0.3（DP2dP2）np=0.3(2.220.62)0.4=16.88 m2 式中:np-炉台上的板卷数； hp-板卷高度(m)。15) 系数kk= h外（FM+0.8F）/（ht1FT+ h内FB） （3-19）=11.6(33.54+0.827.63)/(35.616.88+16.916.88)=0.89式中：h外、ht1和h内-分别为板卷侧面、端面和内表面的对流给热系数。16) 折算系数 =k/(1+k)=0.4717) 导出对流传热系数 板卷内侧面a内=+a内=158.77+0.469916.9=164.22 w/m2k （3-20） 外侧面a外=a外=0.4711.6=5.45 w/m2k （3-21） 端面a端=a端=0.4735.595=16.72 w/m2k （3-22）18)毕渥数内侧面Bi1=内(R1R2)/r=164.22(1.10.3)/5.13=25.57 （3-23）外侧面Bi2=外(R1R2)/r=5.45(1.10.3)/5.13=0.37 （3-24）式中：r-板卷的当量导热率W/(mK)r是由以下的公式确定的，r=5.1W/(mK) （3-25）式中：为接触密度，%； 为填充系数； 为气体的热导率，W/(mK)； 通过气体的辐射系数，W/(m2K)；为金属的热导率，W/(mK)。 对于板卷，当=0.90至0.98时通常取=3%。而气体的热导率=0.41 W/(mK)，金属的热导率=41 W/(mK)。19) 板卷外内半径之比R1/R2=1.1/0.3=3.67式中：R1为板卷外半径，m； R2为板卷内半径，m。20) 沿板卷径向极值温度的相对位置=0.82相对位置是为了计算在非稳态情况下的板卷内的传热计算，即公式 13当中的“”。21) 形状系数1 1=0.81（直接由经验数据得）22) 板卷计算厚度径向Sr=1(R1R2) =0.810.82(1.10.3)=0.53136 m （3-26） 轴向Sz=hp/2=0.5 m23) 板卷热扩散率径向ar=3.6r/cMM=3.65.132/0.670.977700=0.0035 m2/h （3-27）轴向az=3.6z/cMM =3.641/0.677700= 0.028 m2/h （3-28）24) 毕渥和傅立叶数径向Bir=a内S/= 164.22 0.53136/17= 16.9819 （3-29） For=ar/S2= 0.0035/0.552= 0.0125 （3-30）轴向Biz=azS/=0.1019 （3-31）Foz=az/S2=0.2230 式中：S-物料特征尺寸(m)。 表3-5板卷加热时的温度分布表hForBir高z低zFozBizr高低t高t低20.025016.980.2700.9720.2250.2040.8890.2400.86771914344250.062616.980.2040.8530.5650.2040.8000.1630.682789312367100.125416.980.1980.6831.1290.2040.7500.1490.512803468257150.188016.980.0980.5471.6950.2040.6430.0660.369879600214200.255016.980.0760.4382.2590.2040.5430.0410.238902720139220.275816.980.0340.4022.4850.2040.4510.0150.181925773117250.313416.980.0130.3522.8240.2040.2100.0020.07493787250在处理空心板卷的加热问题时，将空心圆板卷以无限平板考虑。由于被加热物体周围温度分布恒定，两面加热，所以物体相对温度的标准传热方程式为。因此，t物=t- (t- )=940-(940-20)，其中= rz。有限长度空心圆柱体的相对温度为：按计算平板厚度的公式所确定位置而决定出的相对温度，再与按一端加热为圆柱体全高、两端对称加热为圆柱体半高按平板计算厚度位置所确定的相对温度相乘之积12。平板相对温度的公式：13。3.2.3板卷最终温度差与板卷初始温度之间的Excel数学模型试验本设计在计算钢板卷在内罩中的最终温差时，最终温差由为65，根据实践经验需要修正。取修正系数为0.769。修正后的最终温差如表3-5所示。考虑到热处理要求的严格性和重要性，本文对板卷在内罩中的最终温差和板卷初始温度之间的关系作了一项小型的Excel数学模型试验。本试验分别选取了钢板卷的初始温度为20、50、60、100、120、150、180、200、250、270、290、300。经过Excel计算得出了如图3-1所示的温度曲线图。由图可知，在钢板卷的初始温度为大于200时，钢板卷的最终温差可以小于40。图3-1钢板卷最终温差与初始温度时间关系3.2.4板卷在马佛罩内冷却的原始资料和炉内热交换计算1) 气体计算温度 （3-32） 式中：-冷却开始时，按板卷温度分布计算出来的最不利温度。2) 板卷外侧表面的平均温度 =1.1571=628 （3-33） 式中：-保护气体计算温度()3) 导出辐射系数由板卷外侧表面对马佛罩为=2.45 w/m2k4（见（3-10）由马佛罩向周围空间为=5.770.75=4.03 w/m2 （3-34） 由板卷外侧表面对周围介质为=/（+）=1.22 w/m2k4式中：为马佛罩的黑度； 为黑体辐射系数，w/m2k4。4) 由板卷外侧表面对周围介质的辐射给热系数 = （3-35） =9.85 w/m2k5) 保护气体的实际流速（见（3-15） ） 板卷下部对流环w1=7.91 m/s 板卷内腔 w2=8.60 m/s6) 对流传热系数 板卷端面对保护气hT=25.47 w/m2k 同上，但计入了端面的粗糙度hr=1.5aT=38.20 w/m2k 板卷内侧表面对保护气体hB=16.05 w/m2k 板卷外侧表面对保护气体h6=11.60 w/m2k以上数据都是参考经验数据而来的，具体查图13-1112。7) 系数= （3-36）=0.1146式中：为保护气体计算温度，。8) 折算系数 K=k/(1+k)=0.1146/(1+0.1146)=0.1028 （3-37）9) 导出对流传热系数 外侧=+K=9.85+0.19.85=10.87 w/m2k （3-38） 内侧=KhB=1.65 w/m2k （3-39） 端面=KhT=3.95 w/m2k （3-40）10) 毕渥数内侧面 Bi1=(R1R2)/r=1.65(1.10.3)/5.132= 0.26 （3-41） 外侧面Bi2=(R1R2)=10.87(1.10.3)=1.69 （3-42）11) 沿板卷径向极值温度的相对位置 =0.8712) 板卷计算厚度 径向Sr=1(R1R2)=0.57m （3-43） 轴向Sz=hp/2=0.5m （3-44）13) 毕渥和傅立叶数 径向Bir=S/=10.870.57/5.13=1.22 （3-45） For=ar/S2=0.0035/0.572=0.016 （3-46） 轴向Biz=S/=0.048 （3-47） Foz=az/S2=0.1129 （3-48） 表3-6板卷在马佛罩内冷却时板卷内温度分布hForFozthte250.260.420.280.3610.650.460.5552.820.760.400.6830.240.37237355270.280.370.260.3700.570.410.4913.050.740.340.6700.250.32239310290.300.320.240.3030.510.370.4333.270.700.290.6400.190.27191265310.320.290.200.2800.460.330.3923.500.660.240.6110.170.23171231计算板卷冷却时的温度分布也是按照对流定律进行的。其温度场可以化为形状简单物体的温度场。冷却初始温度分布在外围环境温度恒定的条件下，板卷相应的温度按式子：，而=（937872）/(20937)=-0.071。0.071。板卷外侧表面温度和极点温度按照下列公式计算：th=20+937，te=20+872。 3.3炉子基本参数计算由于其不安装在生产线上，而是组成一个一定年成产规模和年总工时数的炉子工段。在计算时只计算了一台炉子的工段，没有涉及年生产规模和年总工时数12。1) 炉子装载量 G=0.785（DP2dP2）Mnp10-3=0.785（2.221.12）7700410-3=88 t （3-49）2) 加热周期 b=23+2=25 h3) 冷却时间 oxn=6 h4) 全生产周期 =+x+y+H+oxn+P+n=33h(x1-1.5小时，+y+P+n对单剁料是1-2小时)5) 炉子生产能力因为炉子生产能力为单位时间内生产出的物料总质量。故得到炉子的生产能力为： P=G/ =2.7t/h3.4 罩式炉燃料消耗量计算由于在加热初期和保温期的燃料消耗变化很大，所以热平衡分为两段：第一段热平衡是加热开始（最初2小时内），这时热量消耗量最大（此段热平衡决定出最大燃料消耗量和炉子的热强度）；其余加热时间和保温时间全部属于第二段（以该段的热平衡确定炉子的平均燃料消耗量和单位热耗量）12。设在整个计算过程中燃料消耗量为B(m3/h)。1) 燃料化学热10 Q烧=BQ低 （3-50）=B34776/3600=9.67B kw式中：B燃料消耗量，m3/h； Q低燃料的低发热量，KJ/m3。2) 预热空气进入炉膛物理热 （3-51） Q空=B Ln(C空1t空C空2 t环) =10.19(1.37910001.29620)B/3600=3.8B kw 式中：Ln空气消耗系数为n时的实际空气需要量，m3/m3； t空、t环分别为进入烧嘴时的空气空气预热温度和环境温度，； C空1、C空2分别为空气在0 t空和0 t环的平均比热，KJ/(m3)。3) 金属加热的热消耗12 装载量：G=88 t 加热初期计算后的二分之一处温度 （3-52） 加热末期计算后的二分之一处温度分别为 =172 （3-53） =824 （3-54） 式中：、-板卷表面温度和板卷最不利加热点的温度()。 金属平均比热容 当时，CM=0.485 kJ/kgK 当时，分别为CM1=0.502 kJ/kgK CM2=0.680 kJ/kgK 热消耗量分别为 QM1=(G/3.61)() （3-55） =(110.4/3.62)(0.5021990.48520) =800kw QM2=(G/3.62)() （3-56） =(110.4/3.622)(0.6808890.48520) =500kw4) 燃烧产物带走的热量12