步进式燃气加热炉结构及控制系统设计毕业论文设计

河北工业大学毕业设计说明书题目：步进式燃气加热炉结构及控制系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

毕业设计中文摘要步进式燃气加热炉结构及控制系统设计摘要：工业炉的设计的目的是参考现有炉型，以热工理论为指导，设计出结构更完善的炉体结构。本设计充分考虑了工业炉系统的各个方面。对于炉膛，采用一般的平顶结构，使整体成本造价和安装费用大幅度降低。对于烟道，由于加热圆形工件时，工件下方尚有一定空间且工作间距固定可在装料侧墙下部排烟。对于天然气的预热，采用烟气加热天然气。对于燃烧器，采用半喷射式烧嘴，与喷射式烧嘴相比，不仅缩短了烧嘴长度，而且通过调节一、二次空气量，从而在一定范围内可调节火焰长度。对加热炉自动控制系统的设计，使加热炉更易于使用。关键词：步进式燃气加热炉控制系统毕业设计外文摘要thedesignofwalking-beamgasfurnacestructureandcontrolsystemAbstractthedesignpurposeofIndustrialfurnaceistoreferenceexistingfurnace,Withthermodynamictheoryastheguide,designedstructuremoreperfectfurnaceconstruction.Thisdesignisconsideredwiththefullyindustrialfurnacesystem.Forfurnace,Theroofstructure,makethewholecostandinstallationcostsignificantlyreduced.Forflue,whenheatedcircularworkpiecedue,belowaresomeworkpieceandworkinfeedingfixedspacingofthelateralwallsmoke.Forgaspreheating,Usingthenaturalgastoheating.Forburner,usinghalfajetburner,comparedwiththejetburner,notonlyshortenthelengthofburner,andthroughadjustingthefirstandthesecondairquantity,thus,adjustableflamelengthwithinacertainrange.Forthedesignofautomaticcontrolsystemofreheatingfurnace,makemoreeasytouse.Keywords:walking-beamfurnacesGasfurnaceThecontrolsystem目次TOC\o"1-2"\h\u1引言 42设计任务书 53工业炉设计概论 53.1工业炉概念 53.2工业炉性能参数介绍 63.3工业炉基本分类 83.4设计内容 83.5工业炉设计原则 93.6本课题设计思路 93.7设计时间规划 114加热炉系统的具体设计 114.1燃料燃烧的计算 114.2炉体基本结构的设计 145热平衡计算 185.1加热段的热平衡 185.2预热段的热平衡 206预热器的设计计算 236.1预热器的选用 236.2空气预热器的设计计算 246.3天然气预热器的设计计算 297燃烧装置的设计 357.1烧嘴的选择 357.2空气管道的设计 367.3天然气管道的设计 378排烟系统的设计计算 379自动控制系统的设计 409.1坯料的侧长称重与入炉定位 409.2坯料的装卸 409.3炉内步进机构的传动 409.4炉内燃烧状况的检测 409.5炉温炉压控制 409.6炉膛含氧量检测 4010加热炉系统的其它细节介绍 4110.1进料工具的设计 4110.2传动装置的设计 4110.3钢件出口及炉门的设计 4110.4炉底的设计 4110.5炉子启动时注意事项 4210.6对于环境的影响 4210.7燃烧系统程序控制 4210.8步进机械运行过程原理 4210.9出渣系统 43结论 43参考文献 43致谢 44附录1－1 CAD附图－加热炉系统图附录1－2 CAD附图－加热炉系统图附录2 CAD附图－炉膛简图附录3 CAD附图－预热器简图附录4 CAD附图－烧嘴形式图附录5 CAD附图－自动控制系统简图1引言作为一种重要的热工设备，工业炉广泛应用于物料的焙烧、干燥、熔化、熔炼、加热和热处理等各种生产过程中，不仅数量众多，而且种类繁多。工业炉工作的好坏将直接关系到产品的产量、质量、能耗、成本和环境污染等多项技术经济指标，因而在各工业部门的生产中都占有重要的地位。对工业炉的基本要求是：产品的质量和产量首先要满足要求；燃料或其他能源的消耗要低；建炉投资和运行费用要低；使用寿命长；操作人员的生产条件要好；污染物的排放量要符合环保的要求。一座好的工业炉应尽可能满足上述各项要求。为保证产品的质量，要准确的控制炉内的温度和气氛。选择合适的筑炉材料。工业炉按工艺用途分，有冶金工业中的各种冶炼炉、加热炉、热处理炉，机电工业中的锻造炉、干燥炉、热处理炉，陶瓷工业中的各种隧道窑、各种玻璃熔炼炉、热处理炉，石化工业中的焦化炉、加热炉、裂解炉，环保工业中的废料焚烧炉，建材工业中的水泥窑等。按能源分，有煤气炉、油炉、煤炉、电炉；按热工制度及操作方式分，有恒温炉、周期炉及连续炉等。按结构形式分，由于涉及各个行业，更是不胜枚举。由于工业炉所涉及的工业过程繁多，我们可以通过掌握工业炉的基本原理来学习工业炉设计的基本方法。虽然工业炉的范畴如此之宽，涉及的工业过程如此众多，但作为工业炉，热源向物料的传热是一个基本过程，每一个工业炉都会有此过程。因此，要使工业炉的工作达到“优质、高产、低消耗、少污染”的基本目标，除了掌握正确的工艺操作之外，还必须要有合理的炉体结构予以保证。工业炉的设计从来都离不开工艺而单独进行。设计人员在设计时，首先必须根据工艺的要求进行设计，使工业锅炉能够满足工艺制度所规定的要求。而从能源角度看，工业炉又是国民经济中的耗能大户。因此，如何提高工业炉热效率，合理使用一次能源，充分而有效地回收并利用二次能源，在当今能源紧缺的形势下，更显出其必要性。在工业炉的设计中，所有降低能耗的有效措施，都应力图采用。工业炉的设计的目的是参考现有炉型，以热工理论为指导，设计出结构更完善的炉体结构。优秀的设计者不应是现有工业炉的抄袭者，而应该是把现有工业炉变成更新、更完善的工业炉的创造者。对以定型的有成熟经验的工业炉，有时设计时不进行理论计算，而是凭借经验数据直接确定加热时间或者通过选用有效炉底强度，从而确定出工业炉的基本尺寸。这样不仅简单易算，而且排除了理论计算时因各种系数或参数选取不当而造成的误差，这种方法稳妥可靠。但当设计新炉型或采取新的温热制度的工业炉，理论计算是必须的。对一般连续加热炉，理论计算虽然只具有一定的参考价值，但是作为一种设计方法，特别是科技水平快速发展的今天，理论计算法仍然相当重要。即使是凭借经验设计，也是要在专业理论的基础上，广泛采纳国内外先进经验，进行优化设计并加以改进。2设计任务书课题任务：某锻造厂，需对加热后的圆柱形实心钢坯进行锻造处理。要求为其设计工业加热炉，包括炉体结构及控制系统，炉温控制在1000℃，并且每隔30秒出炉一次。钢件的具体数据为：钢件长L=1000mm，直径D=80mm；钢件进炉前温度t1=20℃，出炉温度t2=800℃。使用燃料为天然气，干气体体积成分（％）为：＝98，＝0.4，＝0.3，＝0.3，＝1。技术要求：1.控制燃料消耗量以满足不同尺寸钢坯的加热要求；2.选取合适的鼓风机和引风机；3.设计的燃烧器能满足热量需求；4.尽量使系统节能降耗，提高经济性。3工业炉设计概论3.1工业炉概念在工业生产中,利用燃料燃烧产生的热量,或者将电能转化成热量对工件或物料进行加热的设备,称为加热炉[1]。加热炉是进行锻压生产不可缺少的重要设备之一，他在很大程度上影响着锻件质量和技术指标。锻压生产前，通常要对金属坯料进行加热，其目的是为了提高坯料的温度，降低塑性变抗力，使之适应于锻压加工，当坯料加热到锻压温度时，对坯料实施较小的变形力，消耗较小的能量，就能获得所需形状，尺寸和符合机械性能要求的锻件。步进炉依靠专用的步进机械是工件在炉内移动的一种机械化炉。利用耐火材料炉底支撑工件，主要向工件上部单面供热的称步进底式炉，也是一种连续作业的加热炉。工业炉主要由炉衬、炉膛、排烟系统、预热器、炉内机械、烧嘴、自动控制等装置组成[2]。按形式可分为步进炉、推钢炉、室式炉等等，按用途可分为轧钢加热炉、锻造加热炉及热处理炉等几种，其中以步进式炉为代表炉型，步进式加热炉[2]是靠专用步进机构使钢坯在炉内移动的一种机械化炉子。按其步进机构类别分为步进梁式、步进底式、步进梁底组合式三种炉型。其工作原理是依靠油缸的推力使步进梁作上升、前进、下降、后退周期循环运动，将装入炉内加热的钢坯一步一步地向出料端运送。反之，它又能作前进、上升、后退、下降逆循环运动将炉内钢坯一块一块地从进料端退出。步进梁式加热炉因具有加热速度快，生产能力大、温度均匀、烧损少等优点，特别是可步进送钢、步进退钢、踏步控制、易于排空炉料时和更换钢种的优点，成为目前冶金和锻造行业普遍采用的一种先进炉型。天然气的主要成分是，气体燃料燃烧完全且易于控制，容易实现烧嘴的空气、燃料自动比例调节，为了提高燃烧效能和有效的节约燃料，我在我的设计中采用天然气加热器将天然气进行预热。此时天然气的燃烧效率就会有很大的提高[3]。3.2工业炉性能参数介绍反映炉子热工性能的主要参数[2]是：炉子装载量、炉子生产能力、炉子生产率、单位热耗、炉底加热强度与炉子热效率等。炉子装载量指每一加热周期内，一次可在装入炉内的工作或物料重量，单位为吨。炉子生产能力指对于加热炉和热处理炉指按单位时间计算的炉子加热能力，单位为kg/h；对于冲天炉则习惯称为熔化率，单位为t/h。炉子生产率指对于加热炉和热处理炉，按单位时间，单位炉底面积计算的炉子加热能力；单位为kg/（h）对于冲天炉则习惯称为炉子熔化强度，单位为t/(h)单位热耗是指在一个加热周期内，加热每千克工件所消耗的热量，单位为千焦/千克。单位消耗与炉子生产率相乘即为炉底热强度，单位为----工件或物料加热时吸收的有效热量与供入炉内的热量之比，称为炉子的热效率，用下式表示炉子热效率对于间断式加热炉：(kJ/h)式中G----炉子生产能力（kg/h）；，------工件出炉与入炉时的平均比热容[kJ/kg]（2）对于连续式加热炉：式中-----钢材最高加热温度时的平均比热容[kJ/(kgK)]G----炉子生产能力----钢材最高加热温度（K）（3）.对于熔化炉:(kJ/h)为了提高炉子的热工性能,除必须根据工艺要求、预热器及炉用机械形式、燃烧及燃烧装置类别、适宜的炉子排烟方式等设计优良的炉型结构外,还需对炉温、炉压等进行自动控制,对燃料与助燃空气量进行自动比例调节。需要指明：实现炉子最佳性能不能单独依靠自动控制来实现，还应有严格的操作管理制度。3.3工业炉基本分类3.3.1按供热方式分类按供热方式工业炉分为两类[4]:一是火焰炉,是用各种燃料的燃烧热量在炉内对工件或物料进行加热;二.是电炉,是在炉内将电能转化为热量对工件或物料进行加热。3.3.2按热工制度工业炉也分为两类：一是间断式炉，有称周期性炉，起特点是炉膛内部不划分温度区段，炉子按一班或两班生产，在每一加热周期内炉温是变化的，如各种室式炉、台车史炉、井式炉、罩式炉等；二是连续式炉，其特点是炉膛内划分温度区段，一般由预热、加热（高温）、均热（保温）三个区段组成，炉子为三班连续生产，在加热过程中每一区段内的温度可认为是不变化的，如二段或三段连续式加热炉、步进式炉、振底式炉等。3.4设计内容本次设计中要求设计一个步进式加热炉,并在设计过程中采用一些节能措施和自动控制系统,以提高热量利用率、减少燃烧的消耗。根据设计要求，我计划设计一个步进梁式加热炉，它是连续加热炉的一种，它是依靠步进梁有循序的运动使加热的料坯在炉内逐步地从炉尾移动到出料端，使钢坯达到规定的温度后出炉。3.4.1步进梁式炉优点我们选择步进炉作为设计炉型，主要是因为它和推钢式连续加热炉相比有如下的优势性：加热灵活性在炉长一定情况下，炉内料坯数目是可变的，而推钢式炉中则是不可变的，那样加热时间就会受到限制。而步进式炉在炉子小时产量变化的情况下可以通过改变料坯间距离来达到或保持加热时间不变的目的。加热质量好因为步进式炉内可以使料坯间保留一定的空隙,这样扩大了受热面,加热容易均匀,断面温差小,钢坯表面没有划伤的情况。炉长不受限制对推钢式连续加热炉来说炉长受到最大推钢长度的限制，而步进炉则不受限制。而且对于不利于推钢的细长料坯、圆棍、弯曲料坯等均可在步进炉内加热。操作方便，改善了劳动条件如不容易混钢号，在必要时可以将炉内料坯全部或部分退出炉外，开炉时间可缩短，由于不会粘钢，可以减轻繁重的体力劳动；和轧机配合比较方便、灵活。[5]于实现自动化操作3.5工业炉设计原则⒈设计必须符合国家有关技术政策,炉子的技术性能应能满足生产工艺要求。⒉运用不断发展的热工及机械理论，例如燃料燃烧、流体力学、传热学、机械原理、材料力学等，指导炉子的设计工作，引进并吸收国外工业炉先进技术，不断完善和提高炉子的技术性能和机械化自动程度。⒊炉子结构尺寸应根据生产实际或科学实践数据加以确定,不应照旧有结构按比例放大或缩小。⒋设计新的炉型结构时，要选用新材料，新装置以改进炉子结构。例如尽量采用适合炉子性能特点和方便施工的各种新型耐火材料和隔热材料，选用各种新型燃烧装置和预热回收装置从而提高炉子的热效率，提高产品质量，降低燃料消耗，改善操作维修条件和提高炉子的使用寿命。⒌熟悉各种炉用机械传动方案，熟悉炉子控制原理，不断革新炉子构件。⒍设计炉子时，对材料选用、设备选型、通用构件的规格尺寸等，应尽可能全厂或者全车间通用以使维修方便，尤其注意不要选用已被淘汰的产品。⒎在一定时期内,有条件有步骤地进行工业炉的三化(典型化、系列化、完善化)设计工作,及时总结和推广新技术。⒏要采取保护环境和防止烟尘、噪声污染的治理措施。 3.6本课题设计思路按实际工况要求，本课题要设计一台步进式锻造加热炉,并在设计过程中采用一些节能措施和自动控制系统,以提高热量利用率、减少燃烧的消耗。我计划采用步进梁式加热炉，作为连续加热炉的一种，它是依靠步进梁有循序的矩形运动使加热的料坯在炉内逐步地从炉尾移动到出料端，使钢坯达到规定的温度后出炉。而连续式炉又有如下这些优点：⒈加热灵活在炉长一定情况下，炉内料坯数目是可变的，步进式炉在炉子小时产量变化的情况下可以通过改变料坯间距离来达到或保持加热时间不变的目的。⒉加热质量好步进式炉内可以使料坯间保留一定的空隙,从而能扩大受热面,物料加热快且均匀,断面温差小,钢坯表面没有划伤的情况。步进梁采用锯齿型，在设计时我在步进长度与锯齿尺寸有一定的尺寸间距，当步进梁托起工件时，工件并非直接落在锯齿中心，而是落在前一个矩尺面上，进而滑落在矩尺中心，实现了刚件在加热过程中的反转。从而更充分的均运匀受热。⒊炉长不受限制对推钢式连续加热炉来说炉长受到最大推钢长度的限制，而步进炉则不受限制。而且对于不利于推钢的细长料坯、圆棍、弯曲料坯等均可在步进炉内加热。⒋采用悬臂辊出料考虑到工件的截面积较小，当采用端出料时炉门较大，热量损失较多，因此我采用侧出料，由悬臂棍的滚动带动工件出炉，但由于工件为600mm长，炉墙为232mm的耐火层，116mm的隔热层，4mm的钢板组成，600mm的钢件不能独立的又内外两个悬臂辊支撑出料，因此我在炉墙内镶嵌了2个特制的悬臂辊，与其他悬臂辊合作出料。图1简单的示意了采用悬臂辊出料。图1悬臂辊出料操作方便，改善了劳动条件如不容易混钢号，在必要时可以将炉内料坯全部或部分退出炉外，亦可根据需要原地踏步；开炉时间可缩短，由于不会粘钢，可以减轻繁重的体力劳动；和锻造设备的配合比较方便、灵活。⒍然气的二次加热采用烟气预热，一般有两个优点，一是有利于燃烧，其次是节约燃料。通过预热，用于提高炉温，提高热工性能。[6]⒎便于实现自动化操作炉膛简图见附录2。3.7设计时间规划为保证在规定时间内圆满完成设计任务，对此次设计和研究途径做如下规划：⒈前期阅读相关工业炉文献资料，完成外文翻译，通过设计手册的翻阅，对步进式天然气锻造加热炉工业炉的结构、特性、工作原理及行业动态有一个较深入的了解。历时两周。⒉明确设计任务、内容，撰写开题报告。历时一周。⒊查阅《燃料与燃烧技术》、《锅炉及锅炉房技术》等，进行燃料燃烧空气需要量和烟气生成量的计算。历时一周。⒋参阅《工业炉设计手册》进行加热炉基本结构的初步设计，确定燃烧器的布置，确定排烟方式和烟道位置。历时一周。。⒌进行钢材加热的传热计算，炉膛的热力计算，风烟系统的阻力计算。历时两周。设计燃烧器，选择传送机构、自动控制系统及辅助设备。历时两周。绘制相关图纸，CAD出图。历时四周。完成毕业设计说明书。历时一周。4加热炉系统的具体设计4.1燃料燃烧的计算4.1.1燃料的选择由于天然气热量高,容易控制燃烧,且是一种清洁能源,不会对环境造成很大污染,所以炉子燃料选择天然气。[6]4.1.2燃烧所需的空气量计算，单位燃料完全燃烧后，燃料生成气中水蒸气冷凝为0℃的水时，燃料所放出的全部热量称为高位发热量Qg..燃烧生成器中水中气冷却为20℃气态水时燃料所反出的全部热量称为低位发热量对于气体燃料我们取燃料所需空气量计算气体燃料的单位理论空气消耗量计入空气中水分时的单位实际空气量℃时（查工业炉设计手册）4.1.3燃烧生成气量及燃烧生成气密度的计算1.单位理论燃烧生成气量（）⒉实际燃烧生成量燃烧产物成分,即燃烧产物生成密度4.1.4理论燃烧温度和实际燃烧温度计算；其中，采用耐热铸铁预热器，空气预热到。此处省略不计，得（查文献[9]表5-2）℃查取炉温系数为0.74，得出实际燃烧温度。4.2炉体基本结构的设计4.2.1炉膛传热计算钢坯出炉的表面温度＝800℃钢坯入炉的表面温度＝20℃经过预热段以后钢坯的表面温度QUOTE＝260℃烟气出炉的温度＝760℃烟气进入预热段的温度QUOTE＝1000℃烟气在预热段的平均温度＝880℃公式查取自文献[10]—炉子的有效高度B—炉宽，—炉气温度A—系数预热段，取为0.612m。加热段QUOTE，取为1.02m。4.2.1.1炉膛内各段辐射系数炉膛的内表面积预热段：QUOTEQUOTE加热段：QUOTE2.气层的有效厚度:预热段加热段4.2.1.2炉气黑度预热段：加热段：预热段温度880℃预热段温度1000℃加热段温度1000℃4.2.1.3综合辐射系数，为炉壁对金属的角系数；,且=砌体对钢坯的角度系数预热段加热段钢坯黑度预热段温度预热段温度1000℃加热段温度1000℃预热段和加热段交界处取平均值4.2.2炉长炉宽的确定4.2.2.1炉底有效长度确定由已知确定炉子最大产量：，炉子的生产能力P取，由公式F底=G/P底=5283/350=15.1m，炉底有效长度=F底/2L=15.1/2=7.55m经计算步进梁长L=7600mm，固定梁长为7450mm，锯齿形步进梁表面盛放工件个数为n=7600/90=84.4,取n=84块，修正后步进梁长为7485mm。4.2.2.2炉宽的确定物料为炉内双排布置，考虑炉墙的宽、长均应满足116的整数倍，因此确定坯料端面之间距离为0.252m，坯料与壁面之间距离为0.2m，得炉膛宽B=21+0.2+0.252+0.2=2.652m。4.2.2.3炉温制度确定对于步进式加热炉，稳定生产时，炉内温度可认为是均匀温度场，不随时间变化，只沿炉长方向变化。炉膛分为预热段与加热段两段，入料温度为20，预热段末端坯料表面温度为260℃，烟气流过预热段排出炉膛时温度为760℃，加热段温度均匀为1000℃。4.2.2.4炉膛各段长度及加热时间的确定1.依据文献[8]表13-37等相关资料，取预热段长度占总长的45%，加热段炉长为总长的55%，则相应预热段长度为3.53m，加热段长度为5.292.总加热时间，因，此得出各段加热时间为：预热段，加热段：。据经验公式进行校核计算，此加热时间能满足该炉子的上述炉温制度。4.2.3加热炉砌体材料与结构加热炉内衬最里层耐热层采用耐热粘土砖：导热率：0.84+0.8510-3t；比热容：0.879+0.2310-3t隔热材料采用泡沫硅藻土砖，允许工作范围900℃，λ=0.111+0.23310-3T加热炉侧墙及端墙砌砖形式见图2：图2加热炉侧墙及端墙砌砖形式炉底采用平炉底上层工作面用转为116mm高铝砖立铺；下面一层为136mm两层耐火砖立铺；最底层为68mm硅藻土砖。炉顶为拱顶，耐火层为230mm耐火砖，隔热层为116mm隔热砖。5热平衡计算5.1加热段的热平衡5.1.1热量收入1、燃料燃烧放出的热量2、空气预热器带入的物理热3.预热燃料所放出的热量5.1.2热量损失1、金属吸收的热量式中：,代入中，2、通过砌砖体散失的热量①加热段炉顶的热损失代入公式中，通过加热段炉顶的热损失②加热段炉底的热损失(取经验数值)，③加热段炉墙的热损失所以加热段炉墙，炉顶及炉底的总热损失3、加热段炉门的热损失每个炉门面积,炉门数量2个炉门开启时间10S，则一小时内炉门关闭的时间炉内无内衬金属遮挡4、流出加热段的废气带走的热量表5.1加热段热平衡表热收入千卡/时热量支出千卡/时1燃料燃烧放热36129.85B⒈金属吸收的热量⒉砌砖体热损失40800⒉预热空气带入物理热3259.9B⒊炉门的热损失9073.4⒋废气带出的热量20076.50B⒊预热燃料所放出的热量268.84B⒌机械不万全燃烧的热损失421.02B总计39658.59B总计14398＋20497.52B热平衡方程式：39658.59B＝14398＋20497.52B实取本段的燃料消耗量为5.2预热段的热平衡5.2.1热量收入1、由加热段进入预热段的废气带入的热量5.2.2热量支出1、金属吸收的热量2.砌砖体散失的热量预热段炉顶的热损失代入公式中，预热段炉底的热损失预热段炉墙的热损失代入公式中， 所以预热段炉墙，炉顶及炉底的总热损失为3、预热段炉门的热损失（经常关闭的）每个炉门面积，炉门数量2个炉门开启时间10s，则一小时内炉门关闭的时间，炉内无内衬金属遮挡。4、炉门溢气带出的热量代入式中故表5.2预热段热平衡表热收入千卡/时热量支出千卡/时1.燃料燃烧放热3414961.金属吸收的热量3100002.砌砖体的热损失10654.43.炉门的热损失4579.89总计341496总计325234.29热平衡方程式:6预热器的设计计算利用工业炉排放的烟气余热对助燃空气和气体燃料进行加热的装置称为预，回收这部分热量用以预热空气和气体燃料。在本次设计中预热器属于气——气热交换装置，主要用途有：提高燃料的理论燃烧温度；保证必需的炉温；节约燃料；提高燃料效率并降低钢材烧损；减少烟气排放量有利于保护环境。6.1预热器的选用预热器应具有的基本性能：1.要有高的热回收能力,即在烟气温度一定的情况下使被预热气体获得最高的预热温度。2.预热器的综合传热系数要高，这是评价预热器性能的主要经济指标。3.空气侧及烟气侧的压力损失要尽可能小，以减少小风机的一次投资和经济性动力消耗。4.预热器单位体积的传热面积要大，由此而使预热器尺寸小、用材省、重量轻、价格低。5.性能持久，维护简单，正常条件下使用寿命要长。根据以上预热器选用原则及使用范围，结合本设计的具体情况；炉子形状不是很大，出炉烟气温度在900左右。应选择采用间壁式管状空气预热器。它的特点是，价格相对低廉、体积紧凑、气密性好。为了保证空气能够预热到设计温度，换热管用耐热钢制成，在行程上采用错顺流双行程方案。预热器简图附图3。6.2空气预热器的设计计算已知:烟气量,进入预热器烟气温,预热空气量,进入预热器空气温度,空气预热温度。空气中含，6.2.1预热器所需热量，6.2.2出预热器烟气温度6.2.3对数平均温差采用错顺流方案时 ,查图2-28D得则6.2.4烟气侧传热系数管子外径,管子内径,顺列管束,管子间距,,烟气流速。雷诺数Re进口处出口处查附录中表C—3，时，时进口处 出口处 2、烟气侧对流换热系数假定进口壁温，出口壁温由图7-13查得各参数入口处出口处对流换热系数 则：进口处 出口处3、烟气侧辐射传热系数辐射厚度，由图2-21，图2-2分别查得烟气温度为和时，分别查得进口处，出口处，由图2-21，图2-22分别查得烟气温度为和时，黑度进口处出口处辐射传热系数设进口处管壁温度为，由图7-14查得辐射传热系数则进口处设出口处管壁温度为，由图7-14查得辐射传热系数℃则出口处此时烟气侧传热系数为：进口处出口处6.2.5空气侧传热系数取空气流速，管子内径，查附录表C—4，得20℃时230℃时雷诺数进口处空气流速出口处空气流速进口处出口处均大于5000,可按图7-15查得个参数,,,及入口处出口处入口处 出口处6.2.6综合传热系数k进口处出口处 6.2.7预热器传热面积考虑到预热器积灰和气流分布不均匀等不利因素，适当将传热面积增大为6.2.8预热管排的排列管子每米长度的传热面积2、所需管子总长度3、每根单管空气流并联管子根数,单管长度面对烟气横向管排列数所需流通面积已知管子间距管子外径则：面对烟气纵向管排排数管排排列结果：双行程，单管长，单管总数，横向,纵向。预热器外形尺寸[12]管子距集气箱边缘~两集气箱间距~预热器的有效高度（不含集气箱）为预热器宽度预热器长度：6.2.9预热器管壁温度进口处出口处6.2.10空气侧通道阻力双行程时：6.2.11烟气侧通道阻力已知此时，由式7-23，得则烟气侧阻力：6.3天然气预热器的设计计算已知：烟气量，进到预热器烟气温度，预热量，进到烟气预热器的天然气温度，预热温度。烟气中含，6.3.1预热天然气所需热6.3.2出预热器烟气温6.3.3对数平均温差采用错顺流方案时查图2-28d得6.3.4烟气侧传热系数管子外径，管子内径，顺列管排，管子间距，烟气流速1、雷诺数进口处出口处查参考文献[12]表C—3，进口处出口处2、烟气侧对流换热系数假定进口壁温出口壁温由查参考文献[12]图7-13查得各参数对流换热系数则：进口处出口处3、烟气侧辐射传热系数辐射厚度由图2-20当烟气温度为和时，分别查得进口处，出口处由图2-21，图2-22分别查得烟气温度为550和542时，的黑度和的修正系数=1.1进口处出口处辐射传热系数设进口处管壁温度为，由查参考文献[12]图7-14查得辐射传热系数，则进口处设出口处管壁温度为，由图查参考文献[12]7-14查得辐射传热系数则出口处此时烟气侧传热系数为：进口处出口处6.3.5天然气侧换热系数取天然气流速，管子内径，查附录表C—38，得，(1)雷诺数进口处流速出口处流速进口处出口处（2）对于均匀壁温圆形管槽内层流充分发展换热数为（见《传热学》表5-3）；由表C—41得天然气的热导率为，6.3.6综合传热系数进口处出口处6.3.7预热器传热面积考虑到气流分布不均等不利因素，适当将传热面积增大为0.2㎡6.3.8预热器管排的排列1、管子每米长度的传热面积2、所需管子总长度3每根单管空气流量4、并联管子根数5、单管长度6、面对烟气横向管排列数所需流通面积已知管子间距，管子外径则：7、面对烟气纵向管排排数管排排列结果：双行程，单管长0.2m，单管总数2×2=4根，横向2根，纵向2根。8、预热器外形尺寸[12]管子距集气箱边缘~两集气箱间距~预热器有效高度（不含集气箱）为0.2m预热器宽度预热器长度6.3.9预热器管壁温度进口处出口处6.3.10天然气侧通道阻力双行程时：6.3.11烟气侧通道阻力已知此时1<<8则烟气侧阻力：7燃烧装置的设计7.1烧嘴的选择[6]燃烧装置选用一个天然气半喷射式TGW-4烧嘴；烧嘴燃烧能力及外型尺寸见表7-1,表7-2；该烧嘴是一种半预混式有焰烧嘴。由于利用了天然气的部分动能，又采用了充分预热的二次风，所以该烧嘴与喷射式烧嘴相比，缩短了烧嘴长度，对炉压波动不敏感，通过调节一、二次空气量，从而在一定范围内可调节火焰长度。适用的天然气低发热量为33500～42000，嘴前天然气压力30～100，调节比1：2，空气系数1.05～1.2.表7-1TGW-4型烧嘴燃烧能力烧嘴型号二次风量（）烧嘴燃烧能力（）TGW-4风温300风温20风温300风温2070010006691表7-2烧嘴外形尺寸表（mm）烧嘴规格尺寸代号ABCEFGHKTGW-4104108783/84704701601301612140烧嘴规格尺寸代号N(宽)×h（高）TGW-42215340340346×336烧嘴形式图见附录47.2空气管道的设计空气管路按管径及用途分为总管、支管、分支管。各管段的气体流速取经验数值而总的空气流量。具体尺寸见表7-3表7-3空气管道尺寸表实际流速（）管子截面积（）管子半径（）通径（）外径壁厚（）热管6.10.0361072002193冷管11.90.022841501593分管436.40.02801501593支管87.280.0043565764.5表7-4管道的阻力计算分段号ⅠⅡⅢⅣⅤ分段名称风机到换热器换热器换热器到分岔到集管到烧嘴通道尺寸长度L（m）15.4780.150.2681.58断面尺寸（m）20.1530.2130.1530.067断面积F（m2）30.01840.03560.01840.00352周长U（m）40.4801.340.4800.42当量直径50.1530.1060.1530.0335气体参数0℃时流量6785.6785.6436.487.28温度t（℃）720215200200流速（m/s）811.96.16.596.9通道内压头变化t℃时速度头998.2643.0048.6553.3速度头变化10055.26-5.65-4.65局部阻力系数111.51.51.51.5局部阻力12147.3964.572.9879.95摩擦阻力13105.530.180659.8475.43总压力损失14252.92522119.94127.71150.727.3天然气管道的设计炉前天然气管道负责一台炉子天然气量的分配，为了操作安全和维修方便，在炉前煤气总管上应设置俩个闸阀据工业炉设计手册9－1取天然气流速为，则取管道，闸阀取用。炉子距供气点20m时可只用包扎隔热层的办法对管道进行保温，表7-5管道具体尺寸总管分管Ⅰ分管Ⅱ支管流速（）1212126直径（）3202462462208排烟系统的设计计算利用烟囱或机械装置将炉内的烟气排出炉外的系统成为排烟系统。保证火焰炉排烟通常是炉子正常运行的先决条件，排烟不畅通时，炉膛压力升高，从炉膛四周不严密处会逸出大量烟气而增加了炉子的热损失，影响炉内气流的均匀分布，降低了炉温的均匀并恶化了操作环境[6]。由式（10-1）可知支烟道烟气量V=k×+()式中—炉内烟气量，等于炉子最大燃烧生成气取=75.6×13.43/3600=0.282—冷空气吸进量，由于无冷风吸进口故=0k—炉子同时工作系数，由表10-3可知k=0.7故V=0.7×0.282=0.197烟道布置在地下，内衬用耐火砖砌筑，外层用红砖砌筑，烟道底部与基础接触面衬以硅藻土隔热砖。设计两台加热炉共用一个烟囱。由图3所示：图3排烟系统简图表8－1烟道阻力设计计算序号计算项目||分段名称支烟道总烟道1烟道长度L(m)1552烟道截面积A(㎡)0.2160.2163烟道换算直径D(m)0.560.564烟道烟气流量0.1970.3945烟气流速w=V/D(m/s)0.197/0.56=0.350.76烟道始端烟气温度()7604507烟道末端烟气温度－烟道温度降()760－5.5×15=677.5450－3.4×5=5338烟道内平均温度718.75491.59t时烟气动压10几何压力（略）11局部压力示意图12阻力系数总计0.32213局部阻力0.32×1.31=0.4192×4.03=8.0614摩擦阻力0.05×15×1.31/0.56=1.750.05×5×4.03/0.56=1.8115各分段阻力之和（）0.419+1.75=2.1698.06+1.81=9.8716烟道阻力（）2×2.169+9.87=14.208又烟气通过空气预热器时其阻力为烟气通过天然气预热器时其阻力为烟道总阻力产生的烟气抽力h=总阻力+富裕抽力=215.97+0.2×215.97=259.164进烟囱前烟气温度为460查图10-13得烟囱高度H=46m由于烟囱出口处的烟气流量=2v=2×0.197=0.394由表10-20查出烟囱出口直径，出口面积烟气出口速度，地区气压为，查表10-21及表10-22应分别乘以修正系数得H=0.775×1.18×46=42.06取H=42m注：1、烟囱不能布置在靠近锻锤的地方，烟囱中心离锻锤的最小距离L=（12～15）；G—锻锤落下部分重量（t）,2、烟囱距车间最近柱基中心的最小距离L=R+B+1(m);式中R—烟囱基础的半径（m）,B—柱基中心至最外边缘的距离（m），3、烟囱底部的外缘距铁路边线不宜小于5m。4、除按排烟阻力计算烟囱高度外，尚应考虑烟囱出口高度要高出半径100m范围内的厂房房顶3～5m。⒌考虑到，要保证炉膛负压为-30帕，在烟道的末端设置一台小功率的可调节的引风机。9自动控制系统的设计为保证高效的自动控制效果，本加热炉拟采用目前广泛应用的PLC自动控制技术，对炉温、炉压、燃烧过程、物料运送、进出炉等进行全程监控。自动控制系统简图见附录59.1坯料的侧长称重与入炉定位通过炉区输送辊道上的电子秤称重，将重量除以坯料截面积和密度，得出钢坯长度，以电信号的形式传回控制单元。利用激光位置检测，精确控制坯料入炉时的位置。9.2坯料的装卸同样利用激光限位技术，利用安装在炉口的激光探头，精确确定坯料的位置，传回的电信号与装钢机、步进机械、炉门电机相匹配，准确完成钢坯的入炉、及按事先编制好的程序进行炉内移动直至出炉。9.3炉内步进机构的传动按不同坯料品种，步进长度给定相应数值，由事先编制好的程序进行控制。9.4炉内燃烧状况的检测由安放在加热段炉口的高温摄像头传回燃烧画面至控制室，随时检测炉内燃烧状况，并指导炉子的点火和停炉。9.5炉温炉压控制由安插在炉子加热段、预热段中心处、及安插在坯料周围的热电偶探测炉内各点温度，由加热段、预热段炉口处的压差检测孔探测炉内压力状况。进行信号中转后将炉温、炉压信号反馈到控制室画面，并通过电动调节阀调整天然气与空气配比来降低或提高炉温；通过炉门、烟道闸板的升降来控制炉内压力。只有精确控制炉内温度和压力才能保证炉子处于最佳运行工况，此时产量最大。9.6炉膛含氧量检测由安插在烟道出口处的氧化锆分析仪进行检测，信号经分析后指导烧嘴调整空气喷入量来达到保持炉内含氧量在标准范围内。具体的加热炉系统图见附录之加热炉图纸——自控部分。即根据控制重油量来实现炉温控制，为PID调节。具体仪表为：TE 热电偶 1台 型号为935/14/65 现场设置TT 温度变送器1台 型号为DBW-101 仪表柜设置TC 温度调节器1台 型号为DTL-121 仪表柜设置FV 天热气流量调节蝶阀1台 型号为ZAJWa 现场设置TIR 温度指示记录仪 1台 型号为XWD-100 仪表柜设置10加热炉系统的其它细节介绍10.1进料工具的设计由于加热工件长而细圆形工件且加热炉炉门开启间隔比较短为10s/次，设计取用侧面装料的方案。进料装置采用悬臂辊送料，钢锭在悬臂辊的带动下推送到固定梁上，然后由步进梁带动钢锭完成加热过程。10.2传动装置的设计由于炉内有4列步进梁，步进周期为30s。4列步进梁通过连杆与加热炉底层内的一横梁连接，此横梁再通过一连杆与固定在炉底的一活塞式液压缸相连，从而构成一升降机构。该活塞式液压缸利用液压油的压力推动活塞向上运动，利用步进梁上工件及提升框架的重力使活塞返回。全炉共设2个提升式液压缸，液压系统靠比例阀调节控制，使得整个升降系统结构简单，制造容易，运行可靠。10.3钢件出口及炉门的设计钢件由悬臂辊送入进料口,在炉内加热完成后,再由悬臂辊有出料口送出炉膛,由于炉门重量不大，炉门设计成电动炉门升降机构，每隔30s开炉一次。该机构由炉门、平衡锤、主动轮、从动轮、链条和电动机组成。由于炉门重量完全被平衡锤平衡，炉门升降均利用传动装置提供动力，所需升降力最小，只需克服各种阻力。10.4炉底的设计由于炉温高于1050℃，多采用非水冷耐热悬臂粱和步进粱来支撑和运送钢件[14]。炉底采用平炉底上层工作面用转为116mm高铝砖立铺；下面一层为136mm两层耐火砖，立铺；最底层为68mm硅藻土砖。炉顶为拱顶，耐火层为230mm耐火砖，隔热层为116mm隔热砖。10.5炉子启动时注意事项炉子启动时炉温仅为环境温度，为了使炉温尽快达到预定温度,需要把燃烧装置开到最大，这就需要更多的空气来助燃。考虑到这一情况，在空气预热气管道旁再设置一个辅助空气源，仅在炉子启动时打开，用来提供更多的空气。10.6对于环境的影响本炉子由于使用天然气作燃料所以不会产生灰尘，只会产生CO2气体对环境产生一定影响。由于烟囱设置的较高，所以CO2气体的排放符合国家规定。由于机械设备及运动部件在运动和能量传递过程中产生振动而辐射出噪声，或者由于气体运动生成的空气动力性噪声，会对环境生成一定的噪声危害。但是由于炉子系统安装有消声器，所以噪声影响不会很大，符合国家卫生标准。10.7燃烧系统程序控制延