退火炉设计计算大纲

2/2退火炉设计计算大纲一、编制依据与适用范围1.1编制依据本设计计算大纲依据以下国家、行业标准及规范编制：GB50486-2009《钢铁厂工业炉设计规范》GB/T10067.415-2018《电热装置基本技术条件第415部分：铝材退火炉》YS/T121.4-1992《有色金属加工企业火焰加热炉及退火炉热平衡测试与计算方法》YS/T121.8-92《有色金属加工企业电阻退火炉热平衡测试与计算方法》GB/T30839.48-2018《工业电热装置能耗分等第48部分：铝材退火炉》GB2587-81《热设备能量平衡通则》GB2588-81《热设备效率计算通则》GB6222-2005《工业企业煤气安全规程》1.2适用范围本大纲适用于箱式、辊底式、罩式、井式、连续式等各类退火炉的工程设计计算，覆盖电阻加热与火焰加热两种加热方式，适用于碳钢、低合金钢、铝材、铜材等金属材料的退火、再结晶退火、去应力退火等热处理工艺的设计计算，可直接用于工业炉的初步设计与详细设计阶段的计算指导。二、基础设计参数计算2.1工件工艺基础参数2.1.1工件基础参数计算参数定义：工件材质、规格、单重、总装炉量工件入炉温度tin，单位：工件退火目标温度tanneal，单位：工件出炉温度tout，单位：常规工程取值：碳钢退火温度：700~900℃铝材退火温度：150~600℃铜材退火温度：400~700℃工件入炉温度：常规取环境温度20℃，热装时取300~500℃规范依据：GB/T10067.415-20182.1.2工艺时间参数计算计算公式：

t参数说明：ttotal：总工艺周期，单位：theat：加热时间，单位：tsoak：保温时间，单位：tcool：冷却时间，单位：常规工程取值：保温时间：碳钢取1\2min/mm工件厚度，铝材取2\3min/mm工件厚度加热时间：根据工件厚度与传热系数计算，常规为保温时间的1.5~2倍冷却时间：根据冷却速度要求，常规为总周期的30%~40%规范依据：YS/T121.8-922.1.3生产率参数计算计算公式：

P=参数说明：P：炉子生产率，单位：kg/hmtotal：单周期总装炉量，单位：常规工程取值：连续式退火炉生产率：500~5000kg/h间歇式退火炉生产率：100~1000kg/h规范依据：GB/T30839.48-20182.2能源与介质基础参数2.2.1燃料/电力基础参数火焰加热参数：燃料低位热值Qnet，单位：燃料成分：C、H、O、S、N，单位：%燃料入炉温度tfi电阻加热参数：额定电压U，单位：V额定功率Prated，单位：相数：3相/单相常规工程取值：天然气低位热值：35500kJ/m³焦炉煤气低位热值：18000kJ/m³电阻加热额定电压：380V/660V规范依据：GB6222-20052.2.2介质基础参数空气参数：空气入炉温度tai空气压力Pa，单位：保护气体参数：保护气体成分：N₂/H₂，单位：%保护气体流量Vsp，单位：冷却水参数：冷却水入口温度twi冷却水出口温度two冷却水压力Pw，单位：常规工程取值：冷却水入口温度：20\30℃，出口温度：40\50℃保护气体露点：≤-40℃规范依据：GB50486-2009三、设备本体核心部件设计计算3.1辐射管设计计算（火焰加热退火炉）3.1.1辐射管热负荷计算计算公式：

Q参数说明：Qr：辐射室（辐射管）总热负荷，单位：Qtotal：加热段总热负荷，单位：常规工程取值：辐射室热负荷占总热负荷的比例常规取0.7，对流段占0.3单根辐射管热负荷常规范围：10~100kW规范依据：GB50486-20093.1.2辐射管尺寸计算计算公式：

d=参数说明：d：辐射管内径，单位：mVg：管内烟气流量，单位：vg：管内烟气流速，单位：常规工程取值：管内烟气流速：10~15m/s辐射管长度：2~6m，根据炉膛长度匹配辐射管壁厚：8~12mm，耐热钢材质规范依据：《工业炉设计手册》3.1.3辐射管传热计算计算公式：

Q=参数说明：Q：辐射管传热量，单位：Wαtotal：综合传热系数，单位：W/m²・A：辐射管外表面积，单位：m²$\DeltaT\：管壁与炉膛的平均温差，单位：℃-常规工程取值：-综合传热系数：80~120W/m²·℃-辐射管表面温度：900~1100℃-规范依据：CalculationModelofStripTemperatureinRadiantTubeFurnace

###3.2电热元件设计计算（电阻加热退火炉）

####3.2.1电热元件功率计算-计算公式：

Pe=Qu3600-Qu：电热总热量，单位：常规工程取值：功率余量系数：1.1~1.2规范依据：YS/T121.8-923.2.2电热元件尺寸计算计算公式：

w=参数说明：w：表面负荷，单位：W/cm²P：单根元件功率，单位：WAs：元件表面积，单位：常规工程取值：铁铬铝合金表面负荷：1.0~1.5W/cm²，工作温度≤1200℃镍铬合金表面负荷：1.2~1.8W/cm²，工作温度≤1000℃规范依据：《热处理电阻炉设计》3.3炉辊设计计算（辊底式退火炉）3.3.1炉辊载荷与尺寸计算计算公式：

σ参数说明：σb：辊子弯曲应力，单位：M：辊子最大弯矩，单位：N・my：截面中性轴到边缘的距离，单位：mI：截面惯性矩，单位：m⁴常规工程取值：炉辊材质：耐热铸钢，许用应力[σ]=80~120MPa炉辊直径：100~300mm，根据带钢宽度确定辊子跨度：1000~2000mm规范依据：GB50486-20093.3.2炉辊转速计算计算公式：

n=参数说明：n：炉辊转速，单位：r/minv：带钢线速度，单位：m/mind：炉辊直径，单位：m常规工程取值：带钢线速度：0.5~5m/min炉辊转速：1~10r/min规范依据：《连续退火炉设计规范》3.4燃烧器设计计算（火焰加热退火炉）3.4.1燃烧器热负荷计算计算公式：

Q参数说明：Qb：单台燃烧器热负荷，单位：B：单台燃烧器燃料消耗量，单位：m³/sQnet：燃料低位热值，单位：常规工程取值：空气过剩系数α：1.05~1.2，常规取1.1燃烧器调节比：1:5~1:10规范依据：GB6222-2005四、炉体/主体结构尺寸设计计算4.1炉底面积计算4.1.1实际排料法计算公式：

L=参数说明：L：炉膛总长度，单位：mLeff：工件有效摆放长度，单位：B：炉膛总宽度，单位：mBeff：工件有效摆放宽度，单位：常规工程取值：工件与炉壁的安全距离：0.15~0.2m工件与电热元件的安全距离：0.1~0.2m规范依据：退火炉炉膛尺寸计算规范4.1.2加热能力指标法计算公式：

F参数说明：Feff：有效炉底面积，单位：P：炉子生产率，单位：kg/hP0：单位炉底面积生产率，单位：kg/m²・F：总炉底面积，单位：m²常规工程取值：单位炉底面积生产率P0：80~150kg/m²・h，小炉子取小值，大炉子取大值有效面积占比：0.7~0.85，小炉子取0.7，大炉子取0.85规范依据：《热处理电阻炉设计》4.2炉膛高度计算计算公式：

H=参数说明：H：炉膛高度，单位：mB：炉膛宽度，单位：m常规工程取值：大炉子取0.5，小炉子取0.9装料高度以上预留300mm的空间，用于气流循环与测温规范依据：退火炉炉膛尺寸计算规范4.3连续炉炉段长度计算4.3.1加热段长度计算计算公式：

L参数说明：Lh：加热段长度，单位：v：生产线速度，单位：m/hth：加热时间，单位：δ：工件厚度，单位：ma：工件热扩散系数，单位：m²/sTf：炉膛温度，单位：T0：工件初始温度，单位：T：工件目标温度，单位：K常规工程取值：碳钢热扩散系数a：1.2×10⁻⁵m²/s铝材热扩散系数a：6.0×10⁻⁵m²/s规范依据：非稳态传热计算模型4.3.2保温段长度计算计算公式：

L参数说明：Ls：保温段长度，单位：ts：保温时间，单位：常规工程取值：保温时间：1~3min/mm工件厚度规范依据：热处理工艺规范4.3.3冷却段长度计算计算公式：

L参数说明：Lc：冷却段长度，单位：tc：冷却时间，单位：常规工程取值：冷却速度：50~100℃/h规范依据：GB50486-20094.4炉衬厚度计算4.4.1多层炉衬热流密度计算计算公式：

q=参数说明：q：炉衬热流密度，单位：W/m²tin：炉衬内壁温度，单位：tamb：环境温度，单位：δi：第i层炉衬厚度，单位：λi：第i层炉衬热导率，单位：W/m・αtotal：炉壳外表面综合传热系数，单位：W/m²・常规工程取值：轻质粘土砖λ：0.4~0.6W/m・℃耐火纤维毡λ：0.1~0.15W/m・℃硅藻土砖λ：0.1~0.2W/m・℃综合传热系数：垂直面9.2，水平面向上11.7，水平面向下6.3规范依据：《热处理电阻炉设计》4.4.2炉壳温度验算计算公式：

t参数说明：tshell：炉壳外表面温度，单位：常规工程取值：要求炉壳温度≤60℃，符合工业炉设计规范规范依据：GB50486-2009五、物料平衡与热平衡计算5.1电阻加热退火炉热平衡计算（依据YS/T121.8-92）5.1.1热收入项计算[5.1.1.1](5.1.1.1)电热热量计算公式：

Q参数说明：Qu：电热热量，单位：N：测试周期内耗电量，单位：kW・hm：物料质量，单位：t规范依据：YS/T121.8-92[5.1.1.2](5.1.1.2)附件带入物理热计算公式：

Q参数说明：QrxCrx：附件比热，单位：kJ/kg・mrx：附件质量，单位：trx规范依据：YS/T121.8-925.1.2热支出项计算[5.1.2.1](5.1.2.1)物料带出物理热计算公式：

Q参数说明：QwD：物料带出物理热，单位：Cw：物料比热，单位：kJ/kg・tc：物料出炉温度，单位：tx：物料入炉温度，单位：规范依据：YS/T121.8-92[5.1.2.2](5.1.2.2)附件吸收热量计算公式：

Q参数说明：Qrx：附件吸收热量，单位：trx规范依据：YS/T121.8-92[5.1.2.3](5.1.2.3)冷却水带走热量计算公式：

Q参数说明：Qs：冷却水带走热量，单位：V3：冷却水流量，单位：Cs：冷却水比热，单位：kJ/m³・tsc：冷却水出口温度，单位：tsr：冷却水入口温度，单位：规范依据：YS/T121.8-92[5.1.2.4](5.1.2.4)炉体表面散热量计算公式：

Q参数说明：Qss：炉体表面散热量，单位：T：测试周期，单位：hq：表面热流密度，单位：kJ/m²・hS：炉体表面积，单位：m²ε：炉壳黑度，常规取0.8tLa：炉壳表面温度，单位：αc常规工程取值：垂直面α_c=9.20，水平面向上α_c=11.71，水平面向下α_c=6.27规范依据：YS/T121.8-92[5.1.2.5](5.1.2.5)炉体蓄热热量计算公式：

Q参数说明：Qix：炉体蓄热热量，单位：ρi：砌体密度，单位：Vi：砌体体积，单位：Ci2：热稳定状态下砌体比热，单位：kJ/kg・ti2：热稳定状态下砌体温度，单位：Ci1：初始状态下砌体比热，单位：kJ/kg・ti1：初始状态下砌体温度，单位：规范依据：YS/T121.8-92[5.1.2.6](5.1.2.6)炉门及孔隙热损失辐射热损失：

Q逸气热损失：

Q参数说明：Qsr：辐射热损失，单位：Qiy：逸气热损失，单位：tF：孔隙辐射温度，单位：Sκ：孔隙面积，单位：φ：角度系数Tκ：开启时间，单位：μ：流量系数，常规取0.7B：孔隙宽度，单位：mH：孔隙高度，单位：m规范依据：YS/T121.8-92[5.1.2.7](5.1.2.7)保护气体带出热损失计算公式：

Q参数说明：Qsp：保护气体带出热损失，单位：Csp：保护气体比热，单位：kJ/m³・Vsp：保护气体体积，单位：tsptsp规范依据：YS/T121.8-925.2火焰加热退火炉热平衡计算（依据YS/T121.4-1992）5.2.1热收入项计算[5.2.1.1](5.2.1.1)燃料燃烧化学热计算公式：

Q参数说明：Qf：燃料燃烧化学热，单位：Qnet：燃料低位热值，单位：B：燃料消耗量，单位：m³/h规范依据：YS/T121.4-1992[5.2.1.2](5.2.1.2)预热空气带入物理热计算公式：

Q参数说明：Qa：预热空气带入物理热，单位：Ca：空气比热，单位：kJ/m³・L：理论空气量，单位：m³/m³燃料tai规范依据：YS/T121.4-1992[5.2.1.3](5.2.1.3)其他热收入燃料带入物理热、物料化学反应放热等，计算方法同电阻炉。5.2.2热支出项计算除烟气带走热量外，其余热支出项同电阻加热退火炉。[5.2.2.1](5.2.2.1)烟气带走热量计算公式：

Q参数说明：Qg：烟气带走热量，单位：Cg：烟气比热，单位：kJ/m³・Vg：实际烟气量，单位：m³/m³tgo规范依据：YS/T121.4-19925.3热效率计算计算公式：

\eta=\frac{Q_{wD}}{\sumQ_{in}}\times100%参数说明：η：炉子热效率，单位：%QwD：物料带出有效热量，单位：∑Qin常规工程取值：连续式退火炉热效率：40%~60%间歇式退火炉热效率：30%~50%规范依据：GB/T30839.48-2018六、炉膛/核心工作空间设计计算6.1炉膛温度均匀性计算计算公式：

ΔT=参数说明：ΔT：炉膛温度均匀性偏差，单位：℃tmax：炉膛最高温度，单位：tmin：炉膛最低温度，单位：常规工程取值：要求炉膛温度均匀性≤±5℃，符合退火工艺要求规范依据：GB/T10067.415-20186.2炉膛内烟气流速计算计算公式：

v参数说明：vg：炉膛内烟气流速，单位：Vg：烟气流量，单位：Af：炉膛横截面积，单位：常规工程取值：炉膛内烟气流速：0.5~2m/s，避免过大阻力与粉尘飞扬规范依据：GB50486-20096.3工件加热时间计算计算公式：

t=参数说明：t：工件加热到目标温度的时间，单位：sδ：工件厚度，单位：ma：工件热扩散系数，单位：m²/sTf：炉膛温度，单位：T0：工件初始温度，单位：T：工件目标温度，单位：K常规工程取值：碳钢加热时间：1~2min/mm厚度铝材加热时间：0.5~1min/mm厚度规范依据：非稳态传热计算模型6.4炉膛热流密度计算计算公式：

q参数说明：qf：炉膛热流密度，单位：Qtotal：炉膛总热负荷，单位：Af：炉膛内表面积，单位：常规工程取值：退火炉炉膛热流密度：10~30kW/m²，避免工件过热规范依据：《工业炉设计手册》七、介质系统（风/气）设计计算7.1燃烧空气系统计算7.1.1理论空气量计算计算公式：

L参数说明：L0：理论空气量，单位：m³/m³C、H、O、S：燃料中各成分的质量百分比，单位：%规范依据：YS/T121.4-19927.1.2实际空气量计算计算公式：

L=α×参数说明：L：实际空气量，单位：m³/m³燃料α：空气过剩系数，常规取1.05~1.2规范依据：GB6222-20057.1.3空气管道管径计算计算公式：

d参数说明：da：空气管道内径，单位：va：空气流速，单位：常规工程取值：空气管道流速：10~15m/s\\规范依据》《工业管道设计规范》7.2保护气体系统计算7.2.1保护气体流量计算计算公式：

V参数说明：Vsp：保护气体流量，单位：k：换气次数，单位：次/hVf：炉膛容积，单位：常规工程取值：保护气体换气次数：0.5~2次/h\\规范依据》GB/T10067.415-20187.2.2保护气体管道管径计算计算公式：

d参数说明：dsp：保护气体管道内径，单位：vsp：保护气体流速，单位：常规工程取值：保护气体管道流速：5~10m/s\\规范依据》《工业管道设计规范》7.3冷却水系统计算7.3.1冷却水流量计算计算公式：

V参数说明：Vw：冷却水流量，单位：Qs：冷却水带走的热量，单位：Cw：水的比热，单位：kJ/m³・tout：冷却水出口温度，单位：tin：冷却水入口温度，单位：常规工程取值：冷却水进出口温差：10~20℃\\规范依据》YS/T121.8-927.3.2冷却水管道管径计算计算公式：

d参数说明：dw：冷却水管道内径，单位：vw：水流速，单位：常规工程取值：冷却水管道流速：1~2m/s\\规范依据》《工业管道设计规范》八、传热与冷却/换热系统设计计算8.1炉内传热计算8.1.1辐射传热计算计算公式：

Q参数说明：Qrad：辐射传热量，单位：ε：系统黑度，常规取0.8~0.9σ：斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10⁻⁸W/m²・K⁴A：换热面积，单位：m²T1、\\规范依据》传热学基本公式8.1.2对流传热计算计算公式：

Q参数说明：Qconv：对流传热量，单位：α：对流换热系数，单位：W/m²・℃Tf：流体温度，单位：Ts：固体表面温度，单位：常规工程取值：炉内对流换热系数：20~50W/m²・℃\\规范依据》传热学基本公式8.1.3传导传热计算计算公式：

Q参数说明：Qcond：传导传热量，单位：λ：材料热导率，单位：W/m・℃ΔT：温差，单位：℃δ：材料厚度，单位：m\\规范依据》传热学基本公式8.2冷却段换热计算8.2.1冷却段热负荷计算计算公式：

Q参数说明：Qc：冷却段热负荷，单位：ts：保温段出口温度，单位：tc：冷却段出口温度，单位：\\规范依据》GB50486-20098.2.2冷却段传热系数计算计算公式：

K=参数说明：K：总传热系数，单位：W/m²・℃α1：炉内换热系数，单位：W/m²・α2：冷却侧换热系数，单位：W/m²・常规工程取值：气冷冷却段K：30~50W/m²・℃水冷冷却段K：100~200W/m²・℃\\规范依据》《换热器设计手册》8.2.3冷却段长度计算计算公式：

L参数说明：ΔTm\\规范依据》《换热器设计手册》8.3余热回收系统计算8.3.1预热器热负荷计算计算公式：

Q参数说明：Qpre：预热器热负荷，单位：Qg：烟气带入热量，单位：Qgo\\规范依据》YS/T121.4-19928.3.2预热器面积计算计算公式：

A常规工程取值：管式预热器K：20~50W/m²・℃\\规范依据》《换热器设计手册》九、阻力与设备选型计算9.1管道阻力计算9.1.1沿程阻力计算计算公式：

Δ参数说明：ΔPλλ：沿程阻力系数，常规取0.02~0.03l：管长，单位：md：管径，单位：mρ：流体密度，单位：kg/m³v：流速，单位：m/s\\规范依据》《工业管道设计规范》9.1.2局部阻力计算计算公式：

Δ参数说明：ΔPξξ：局部阻力系数，弯头取0.3，阀门取0.5\\规范依据》《工业管道设计规范》9.2风机选型计算9.2.1风机风量计算计算公式：

Q参数说明：Qfan：风机风量，单位：Vtotal：系统总流量，单位：1.1：风量余量系数\\规范依据》GB50486-20099.2.2风机风压计算计算公式：

P参数说明：Pfan：风机风压，单位：ΔPtotal1.2：风压余量系数常规工程取值：退火炉系统总阻力：500~2000Pa\\规范依据》GB50486-20099.2.3风机功率计算计算公式：

P参数说明：Pfan：风机轴功率，单位：ηfan：风机效率，常规取\\规范依据》《风机选型手册》9.3水泵选型计算9.3.1水泵流量计算计算公式：

Q参数说明：Qpump：水泵流量，单位：1.1：流量余量系数\\规范依据》《水泵选型手册》9.3.2水泵扬程计算计算公式：

H参数说明：Hpump：水泵扬程，单位：ΔPw1.2：扬程余量系数\\规范依据》《水泵选型手册》9.4加热元件选型电阻加热：工作温度≤