探討轉(zhuǎn)底式加熱爐的爐襯設(shè)計(jì)

張永

摘 要：隨著熱處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，對于熱處理前元件的加熱工藝提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電阻爐由于耗電量大、控溫精度差等原因，已不能滿足日益發(fā)展的高精度熱處理工藝要求，因此，設(shè)計(jì)和應(yīng)用精度高、能耗低、污染少的轉(zhuǎn)底式電阻加熱爐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)底式電阻加熱爐是用于不銹鋼、高溫合金及鈦合金的鍛造前加熱。依據(jù)現(xiàn)場提供的原始條件，運(yùn)用理論計(jì)算和工程計(jì)算相結(jié)合的方法，對爐子的內(nèi)襯進(jìn)行了熱工計(jì)算和相關(guān)參數(shù)的選擇。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)底式加熱爐；爐子直徑；耐火纖維

中圖分類號：TG307 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0094-03

Abstract： With the continuous progress of heat treatment technology， higher requirements are put forward for the heating process of components before heat treatment. The traditional resistance furnace is due to large power consumption and poor temperature control accuracy， which can not meet the requirements of the increasingly high precision heat treatment process. Therefore， it is of great practical significance to design and apply the rotary bottom resistance heating furnace with high precision， low energy consumption and less pollution. The rotary bottom resistance furnace designed in this paper is used for preforging heating of stainless steel， superalloy and titanium alloy. According to the original conditions provided by the field， the thermal calculation and the selection of related parameters of the lining of the furnace are carried out by the method of combining theoretical calculation with engineering calculation.

Keywords： Rotary bottom furnace； furnace diameter； refractory fiber

1 概述

工業(yè)爐是工業(yè)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，量大面廣，品種多，影響極大。工業(yè)加熱是制造業(yè)的重要組成部分，制造業(yè)是工業(yè)的主體。我國制造業(yè)占GDP比重的1/3，占工業(yè)的78.2%[1]。工業(yè)爐中燃料爐約6萬臺，占爐窯總數(shù)55%以上，電爐約萬臺[2]。轉(zhuǎn)底式加熱爐是借爐底的旋轉(zhuǎn)，使放置在爐底上的坯料在爐內(nèi)有裝料口移到出料口的一種機(jī)械化爐子。根據(jù)需要采用不同爐襯結(jié)構(gòu)。耐火纖維爐襯結(jié)構(gòu)一般有兩種：一種是在原耐火磚爐襯結(jié)構(gòu)表面粘貼50mm左右耐火纖維；另一種是爐襯全部采用耐火纖維，稱作全耐火纖維爐襯結(jié)構(gòu)。全耐火纖維爐襯施工有層鋪式結(jié)構(gòu)和疊板式結(jié)構(gòu)，還可在耐火纖維表面噴涂耐高溫涂料等提高抗沖刷能力。國內(nèi)使用疊板式結(jié)構(gòu)較多，可消除其他方法產(chǎn)生的接縫，施工速度快[3]。爐體密封也是爐內(nèi)氣氛控制的關(guān)鍵。由于耐火纖維制品的出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)軟密封，為解決爐體密封創(chuàng)造了條件。[4]

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）工業(yè)爐設(shè)計(jì)必須符合國家有關(guān)技術(shù)政策，爐子的技術(shù)性能應(yīng)能滿足生產(chǎn)工藝要求。（2）運(yùn)用不斷發(fā)展的熱工及機(jī)械理論，例如燃料燃燒、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械原理、材料力學(xué)等，指導(dǎo)爐子的設(shè)計(jì)工作，引進(jìn)并吸收國外工業(yè)爐先進(jìn)技術(shù)，不斷完善和提高爐子的技術(shù)性能和機(jī)械化自動(dòng)化程度。（3）爐子結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐或科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以確定，不應(yīng)照舊有結(jié)構(gòu)按比例放大或縮小。（4）設(shè)計(jì)新的爐型結(jié)構(gòu)時(shí)，要選用新材料、新裝置以改進(jìn)爐子結(jié)構(gòu)。例如盡量采用適合爐子性能特點(diǎn)和方便施工的各種新型耐火材料和隔熱材料，選用各種新型燃燒裝置和余熱回收裝置從而提高爐子的熱效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低燃料消耗，改善操作維修條件和提高爐子的使用壽命。（5）設(shè)計(jì)爐子時(shí)，對材料選用、設(shè)備選型、通用構(gòu)件的規(guī)格尺寸等，應(yīng)盡可能全廠全車間通用以使維修方便，尤其注意不要選用已被淘汰的產(chǎn)品。（6）要采取保護(hù)環(huán)境和防止煙塵、噪聲污染的治理措施。例如，對于煤爐應(yīng)不斷改進(jìn)燃燒過程，用煤氣化燃燒代替層狀燃燒，用機(jī)械加煤代替人工加煤。對于沖天爐應(yīng)采用高效除塵器代替重力除塵器，進(jìn)而采用帶除塵系統(tǒng)的熱風(fēng)沖天爐以取得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液，并達(dá)到除塵和消除有害氣體的目的。對中、高壓風(fēng)機(jī)要設(shè)置消聲器以減少噪聲危害[5]。

2.2 原始數(shù)據(jù)

根據(jù)某機(jī)械廠提供的原始產(chǎn)品數(shù)據(jù)：工件：鍛件；長：直到500mm；寬：最大200mm；厚：最大100mm；工件材質(zhì)：不銹鋼&耐熱鋼&鈦合金；裝料溫度：20℃；周期：約28件/小時(shí)（參考件）；代表規(guī)格：長度：400mm，寬度：150mm，厚度：55mm；重量：3kg；鍛造溫度：1165℃；保溫區(qū)爐溫均勻性：±5℃；最高爐溫：1250℃；產(chǎn)量不低于：120kg/h。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 爐型的選擇

根據(jù)實(shí)際任務(wù)的具體要求和生產(chǎn)特點(diǎn)，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。決定選用轉(zhuǎn)底式電阻爐，通入保護(hù)氣氛，爐子的最高工作溫度1250℃。

3.2 爐膛尺寸的確定

根據(jù)要求的小時(shí)產(chǎn)量、坯料單重、坯料間距和與坯料間距相應(yīng)的加熱時(shí)間，可以求出爐內(nèi)裝鋼塊數(shù)和爐子直徑。爐子直徑除了決定于裝鋼量外，還與裝出料夾角布料角及裝料排數(shù)有關(guān)。

3.2.1 爐子直徑的確定

根據(jù)爐內(nèi)裝鋼塊數(shù)和坯料在爐底布置情況，可初步確定爐子直徑。單排裝料時(shí)爐子直徑按公式（3.1）計(jì)算；多排時(shí)按（3.2）計(jì)算：

3.2.2 布料角、裝料角

裝出料夾角及裝出料夾鉗中心線夾角，這部分爐底不能裝料。因此夾角愈小爐底面積的利用愈充分。這個(gè)夾角的大小決定于裝出料機(jī)和裝出料輥道等安裝、檢修所必需的最小位置，一般取20°～30°。

鋼坯中心距t以及按公式（3.3）求出之布料角θ還應(yīng)考慮以下因素。圓周角（360°）減去裝出料夾鉗中心線夾角成裝出料角。裝料角應(yīng)為布料角的整數(shù)倍，即在裝料角內(nèi)裝裝整數(shù)的鋼坯，使裝出料機(jī)能同時(shí)進(jìn)行裝出料。如果裝出料夾鉗中心夾角亦能被布料交所除盡，則裝入的坯料，正好放在原來的布料位置；如不能被布料角除盡，則不在原來的布料位置。前者鐵皮集中堆積在布料位置上，易使?fàn)t底不平，爐底鋪鎂砂時(shí)鎂砂凹下會(huì)形成凹坑；后者較好。爐底出現(xiàn)不平時(shí)，圓鋼坯容易滾動(dòng)。

目前轉(zhuǎn)底設(shè)備采用機(jī)械電器控制，所以爐底停位只能按單一的或幾種角度機(jī)動(dòng)停位，這就使鋼坯在爐底上的布置方式受到限制。對于坯料規(guī)格較多的爐子，會(huì)造成爐底布料過稀的缺點(diǎn)。因此必須按不同規(guī)格的坯料歸納為幾種布料角，然后再按公式（3.1）或（3.2）確定爐子直徑。

根據(jù)工件的最大尺寸和在爐膛內(nèi)的堆料情況，估計(jì)確定H效=1.0米。

3.3 爐子內(nèi)襯材料的設(shè)計(jì)與計(jì)算

電阻爐爐襯可采用磚砌爐襯或耐火纖維爐襯。由于耐火纖維爐襯的密度小、熱惰性小、蓄熱少，保溫性能好，于是該加熱爐采用全纖維爐襯。

3.3.1 耐火纖維的熱導(dǎo)性特性

耐火纖維的熱導(dǎo)率隨溫度升高而劇烈增大，溫度只升高數(shù)百攝氏度，而熱導(dǎo)率卻增加一倍，這一特性使得用前述計(jì)算方法難以獲得準(zhǔn)確結(jié)果。熱導(dǎo)率還因耐火纖維的密度而異：密度增大時(shí)熱導(dǎo)率先隨之變小，待密度超過300～350kg/m3時(shí)，熱導(dǎo)率又逐漸變大。熱導(dǎo)率與熱的傳導(dǎo)方向有關(guān)，當(dāng)傳熱方向垂直與耐火纖維毯（或氈）的主平面時(shí)（以下簡稱平面方向）熱導(dǎo)率較小；當(dāng)傳熱方向與毯（或氈）的主平面平行，亦即從毯（或氈）的側(cè)面方向傳熱（以下簡稱側(cè)面方向）時(shí)，熱導(dǎo)率較大，平均約為平面方向的1.3倍[6]。故疊鋪爐墻的熱損失比同厚度、同密度的層鋪爐墻為大。不同品種的玻璃態(tài)耐火纖維制品（包括天然原料、高純、高鋁及含鉻等）只要溫度、密度及傳熱方向相同，熱導(dǎo)率就十分接近，可以近似地認(rèn)為熱導(dǎo)率不以品種而異。各種玻璃態(tài)耐火材料纖維氈或毯的熱導(dǎo)率可以用式（3.4）表示。

4 結(jié)束語

此文闡述的設(shè)計(jì)計(jì)算只是轉(zhuǎn)底式電阻加熱爐的最常規(guī)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，還有很多值得改進(jìn)的地方，隨著加熱爐的廣泛應(yīng)用，科研人員正在積極努力結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，力爭能通過更準(zhǔn)確的計(jì)算，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的節(jié)能產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

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