冶金工廠工業爐設計(industrial furnace design in metallurgical plant)

根據金屬加熱和金屬熱處理以及輔助生產的干燥、烘烤、熔化金屬的工藝要求和燃料種類，選擇合理的工業爐型及設備，進行爐子構筑物和部分附屬設備的設計。

工業爐是指利用燃料或電能轉化的熱量將物料或工件加熱，使發生預期的物理或化學變化的工業生產熱工設備。冶金工廠工業爐的設計范圍主要包括軋鋼均熱爐設計、軋鋼加熱爐設計、軋鋼熱處理爐設計、帶材連續熱處理爐設計、鋼管生產用爐設計、鋼絲生產用爐設計、電阻爐設計、鑄造生產用爐設計和鍛造生產用爐設計等，但不包括生產工藝專用的工藝窯爐，例如焙燒爐、煉焦爐、金屬冶煉用爐和煤氣發生爐等設計。

簡史18世紀60年代開始的工業革命，促進了冶金和制造工業的迅速發展，并且逐步形成了比較完整的工業爐理論和實踐體系，先后出版了像美國特林克斯(W．Trinks)的《工業爐》(IndustrialFurnaces，JohnWiley&SonsInc，NewYork，1923)和蘇聯格魯姆-格日邁洛(B．E．pyM—rpyMHMaJO)的《火焰爐》(ПqaMeHHbleПeqH，rocMamMeTH3aT，J．-M．，1924)等經典性著作，各國相繼成立了專業性的工業爐設計和制造部門或公司，如美國的米德蘭-羅斯公司索菲斯分部(Midland—RossCorporation，SurfaceDivision，1918)，蘇聯的國立黑色冶金鑄鋼與軋鋼設備設計院(CTabПpoeKT，1924)，法國的霍特冶金公司(HeurteyMetallurgieS．A．，1930)等。中國從50年代初開始成立了鋼鐵工廠工業爐設計專業隊伍，為中國新建和改造的鋼鐵廠進行了各類工業爐設計。到60年代初已能進行年產150萬t的鋼鐵聯合企業配套工業爐的設計，包括國際上普遍采用的主要爐型的設計，如為馬鞍山鋼鐵公司車輪輪箍廠輪箍坯的加熱設計了外徑為28m的環形爐，為中國十多個初軋廠設計了上部單側燒嘴均熱爐，并結合中國的國情，設計了均熱段架空的大型連續式加熱爐和使用低鎳耐熱金屬的輥底式爐等。1973年后，隨著能源問題的日益突出，側重設計了節能型工業爐，不僅設計了中小型步進式爐和可控氣氛輥底式熱處理爐等先進爐型，還研制設計了各類燃燒器和余熱利用設施。通過國際技術交流與合作進行了各種新型工業爐的設計，如產量高達350t／h的步進梁式加熱爐，外徑達40m的環形加熱爐和作業線速度為250m／min的冷軋鋼帶連續退火作業線等。1980年后，為東南亞地區設計了適合當地技術要求的節能型的加熱爐和熱處理爐。

主要原則涉及到爐型選擇、熱源選擇、自動化水平選擇、節能措施、環保與安全措施等。

爐型選擇是工業爐設計首要環節，同一工藝可以選用不同爐型。選擇爐型須參照下列主要因素：(1)工藝要求，如裝出料方式(連續還是分批)、加熱溫度或熱處理制度等；(2)工件種類、形狀、尺寸和單重；(3)不同工件規格對應的產量要求；(4)可使用的熱源種類；(5)機械化自動化水平；(6)投資費用和生產消耗費用。

熱源選擇工業爐的熱源種類主要有：煤質燃料、石油類燃料、氣體燃料和電能等，大多數以燃料的燃燒熱為熱源。各類燃料在工業爐上的應用往往受到各種限制，有一定的適應范圍，如重油一般不適用于要求精確控制爐溫的低溫爐子，低發熱值煤氣不便于在高溫加熱的爐子上使用等。但改變爐型或增加某些措施又可改變燃料的適應性。因此，熱源選擇是綜合性很強的工作，要按資源情況選擇適合爐子工藝、熱工操作和自動化要求的熱源。工業爐設計時應優先選用冶金過程的副產氣體燃料。不具備上述條件，又不允許用煤的工業爐則按其具體情況選用重油、輕油或人工制備的氣體燃料，某些特殊情況下則以電能為熱源。

自動化水平選擇工業爐的自動控制分為下列等級：(1)作為工藝生產過程控制的一部分，用計算機按照預定程序對熱工過程及前后工序進行操作調節與控制；(2)單獨采用微處理機按照預定程序進行調節與控制；(3)采用常規儀表進行熱工及設備參數的調節與控制；(4)采用常規儀表進行熱工參數的檢測、顯示和記錄。在選用工業爐自動化裝備時，要對其提高產量、改進質量、降低消耗、節省勞動力和改善勞動條件等方面取得的技術經濟效益進行綜合比較。

節能措施工業爐設計要充分利用能源，盡量減少熱損失，最大限度地利用余熱，提高燃燒介質的預熱溫度，把余熱回收到爐內去。工業爐節能有下列三項措施：

(1)改善燃料燃燒。合理選擇燃燒器及其特性參數；供風系統的能力要保證燃燒器正常工作所需的風量和風壓，配備有效的燃燒調節和控制系統。

(2)改善爐內傳熱和降低熱損失。制定合理的溫度制度與供熱制度；配置合適的排煙系統；減少爐襯的蓄熱和傳熱損失，并提高其嚴密性；改進爐內構件(包括水冷和汽化冷卻構件)；改進爐門等開口部位的結構以提高遮蔽效果；適當延長爐子長度；合理設置提高爐內傳熱效果的裝置；使爐子中的連接部位緊密可靠，旋轉部位保持嚴密；減少輸送載熱體管路的散熱。

(3)余熱回收利用。根據余熱的種類、數量、介質溫度及利用后的效益，選定余熱利用設備的類型及規模；設計并采用余熱回收率高、動力消耗少、消耗材料省、占地少、漏損率低的長效余熱回收裝置。一般要進行綜合熱效率和經濟可行性分析。

環保與安全措施工業爐生產過程中可能產生的污染源主要有：(1)爐子排煙中的有害氣體，如SO_x，NO_x，CO和煙塵；(2)通風機和燃燒裝置的噪聲。

在工業爐設計中要遵守現行的工業企業設計衛生標準、工業三廢排放標準和工業企業噪聲標準等，采取環境保護措施。例如：煙囪高度要根據煙氣中有害氣體和煙塵含量遵照標準規定的要求確定，采用低NO_x的燃燒裝置，在排煙系統中設置脫硫脫硝裝置，超標噪聲源安裝消聲器等。

工業爐設計中需要考慮的安全問題，主要是燃料輸送系統和燃料燃燒過程中可能發生的爆炸，可燃性可控氣氛和溶劑干燥爐產生蒸氣可能發生的爆炸，以及生產操作中存在的不安全因素等。

可燃氣體輸送管道的嚴密性和放散系統等要遵守現行的工業企業煤氣安全規程的規定。可控氣氛和溶劑干燥爐產生的溶劑蒸氣，要采取措施避免在爆炸極限范圍內形成混合氣體，以消除爆炸危險。

生產操作的安全問題，主要是燃燒裝置的安全控制，包括必要的安全連鎖裝置，以消除誤操作的可能，并在出事故時免除次生災害。用7射線控制的加熱爐要防止γ射線對人體的輻射危害。

主要內容包括：設計計算、爐體砌筑設計、爐體鋼結構設計、爐體水冷卻件設計、排煙系統設計以及工業爐用機械設計、燃燒裝置設計、電阻爐用電熱元件設計、換熱器設計、工業爐前管道系統設計、工業爐用耐熱合金選擇、工業爐可控氣氛選擇等。

設計計算按照工藝要求的加熱溫度和產量，確定爐子的尺寸。對于常用的爐子，經常可以利用積累的指標進行計算。對于有些大型的、新型的爐子，往往有必要進行坯料加熱理論計算直至燃料消耗量和熱平衡的詳細計算，以作為爐子設計的依據。對于工業爐的各組成部分，也需要進行相應的計算，作為設計依據。

爐體砌筑設計工業爐爐體各部位砌筑要求牢固、穩定、嚴密和隔熱。按結構特征和使用條件，可采用砌磚或其他耐火和隔熱不定形材料。一般根據工作溫度、承受的荷載、機械損傷和化學浸蝕等因素來進行工業爐用耐火材料選擇和工業爐用隔熱材料選擇。要求高溫爐體外表面溫度不超過80～100℃，中低溫爐體外表面不超過50～70℃，爐頂外表面溫度不超過100～120℃。除了注明一般膨脹縫的要求外，有特殊要求的部位需單獨詳細注明。

爐體鋼結構設計爐體鋼結構是保證爐子砌體穩定性和嚴密性的重要措施，其主要受力構件的材料規格由強度和剛度的計算確定。設計中要考慮下列特點：(1)承受爐體受熱膨脹產生的應力；(2)所處環境溫度高，工作條件比較惡劣，有時受到火焰的直接沖刷；(3)爐子生產過程中檢修和更換困難，故要求構件的使用壽命長；(4)為保持爐體的穩定性，受力構件的撓度應滿足不同部位的不同要求。

爐體水冷卻件設計當爐內金屬構件的高溫強度不足時，常按具體條件設計成水冷卻件或汽化冷卻件。為盡量減少冷卻介質帶走的熱量損失，水冷卻件的受熱面積要小并能有效隔熱。水冷卻件的設計還要考慮以下各點：(1)要保證水冷卻件中充滿冷卻水，避免產生水流死角和汽泡，一般從下部或高溫部位進水，從上部或低溫部位排水；(2)要保持冷卻水在水冷卻件中的合適流速，以保證冷卻效果并減少水中雜質的沉積；(3)水冷卻件排水系統的排水點，一般是敞開的并具備觀測水量和測試水溫的條件；(4)在水冷卻件和系統的最低點設置放水閥門或管塞，以便排污或放盡積水；(5)汽化冷卻構件的設計要滿足汽化冷卻工藝的要求。

排煙系統設計用燃料的工業爐，其排煙方式分為自然排煙和機械排煙兩種。自然排煙系統，工作可靠，不消耗動力和維修工作少，被廣泛采用。只有在自然排煙系統無法滿足要求時，才采用機械排煙系統。

排煙系統的煙道路程應盡量縮短，局部阻力損失要小。按照阻力計算并結合《工業三廢排放標準》確定自然排煙的煙囪高度，或者根據需要由排煙機械產生的抽力計算，選用合適的排煙機械。當幾座爐子共用一個排煙系統時，要按同時使用時可能出現的最大阻力進行計算。

要考慮煙道溫度對其周圍構筑物或電纜等的影響，必要時要采取適當的隔熱措施。設在地下水位以下的煙道，要采取防水或排水措施。

煙道的斷面型式要考慮方便檢修以及可能出現的積灰因素，煙氣中含灰量大的煙道要具備清灰條件。

發展趨勢主要是：(1)隨著軋機產量的提高，加熱爐將向大型化、機械化和自動化方向發展，步進式加熱爐具有爐長限制少、加熱質量好和操作靈活等優點，將被廣泛采用；(2)為提高金屬材料的熱處理質量，熱處理爐將向連續式生產方向發展，棒、管材可控氣氛輥底式爐和冷軋帶材多功能連續退火作業線將是具有發展前途的爐型；(3)由于不定形耐火材料的發展和節能的要求，工業爐的砌筑將向整體澆注和輕型化方向發展；(4)為適應連鑄連軋生產工藝的發展，結構緊湊、易于操作和維護的新型在線加熱裝置將越來越多；(5)隨著對環境保護的加強，工業爐設計要消除污染源；(6)隨著計算機應用的開發，工業爐優化設計和計算機輔助設計將有較大的發展。