【文章內容簡介】 平工業(yè)爐的熱效率平均不到 30%(世紀 90年代已達到 42%)，而國際上工業(yè)爐的熱效率平均為 50%以上。我國工業(yè)爐窯的這種高能耗、低效率的現狀，將與我國經濟的快速發(fā)展不相適應開發(fā)與應用高溫空氣燃燒技術，已是形勢所迫，急不可待。 從我國的節(jié)能政策來看，近年來我國政府十分重視節(jié)能工作，堅持開發(fā)與節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位，成為我國能源戰(zhàn)略的基本方針。經計算機專家系統(tǒng)的測算，在全國 232家重點能耗企業(yè)中， 717座工業(yè)爐的年總能耗為 259萬 t標準煤，占企業(yè)總能耗的 %，煙氣余熱資源 t標準煤，余熱回收率 %，尚有 t潛力。由此可見，我國工業(yè)爐節(jié)能潛力還很大。為響應我國的節(jié)能政策，開發(fā)與應用高溫空氣燃燒技術，就顯得十分必要了。 從我國工業(yè)爐的污染控制狀況來看，控制污染的首要措施就是要降低能耗，以減少原 來浪費的那部分能源所造成的污染物排放。其次，就是要在必要的燃料消耗過程中加以控制和治理。目前，治理污染主河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 9 要關注的還只停留在粉塵排放上，至于 CO、 SO2和 NOx等一類污染物的治理還未提到議事日程上來。面對我國的經濟迅速發(fā)展和大氣環(huán)境污染狀況嚴重惡化的局面，應當而巳也必須在技術可行的條件下，堅持節(jié)能和污染控制兩手抓，而不能總是走 “ 先生產、后治理 ” 的老路結合我國國情，開發(fā)與應用高溫空氣燃燒技術，探索一條節(jié)能與污染并重的新路子。 綜上所述，開發(fā)與應用高溫空氣燃燒技術符合我國的國情，在我國推廣該技術有著廣大的市場前景 。 2 初步設計 初步設計目的根據生產及工藝等方面的要求，確定出爐子的方案，為技術設計做好準備。在爐子的初步設計中，根據設計條件的要求，選擇爐子的型式，燃料和各種重要輔助裝置的型式及其在爐子上的布置等。在綜合考慮爐子的技術經濟指標和全廠和車間生產規(guī)模和特點的基礎上，確定爐子應采用的機械化和自動化程度。爐子初步設計基本上確定了爐子的結構和生產概貌。為了設計完善，可以設定幾個方案，經過分析對比，最后擇優(yōu)選定，之后再進行下一步設計 技術設計。 爐子的技術設計中，主要做全面的計算（ 包括熱工計算，爐體結河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 10 構計算等），并繪制爐體結構總圖。爐子的技術設計是施工設計的的基本技術資料和依據。設計已知條件： 1） 蓄熱式三段連續(xù)步進式加熱爐，產量 120t/h 2） 鋼坯尺寸 150mm800mm9000 mm （含 C 量 40%） 3） 加熱工藝要求，即鋼坯的加熱溫度、出爐時內外溫差、加熱速度、爐內氣氛要求等： 1180℃ ，環(huán)境溫度： 20℃ 4） 所能提供給爐子的熱源狀況：高爐煤氣 5） 空、煤氣預熱溫度： =1000℃ 燃料的選擇 爐子選用何種燃料受很多因素的影響。一般考慮：產品質量的要求、爐子結構的 特點、經濟上合理、燃料的供應條件（生產、運輸、合理利用資源等）、操作條件（勞動條件、調節(jié)性能、自動化水平、安全）等因素。因此，燃料的合理選用不單純是技術和經濟問題，而且要符合國家方針政策和做到資源的充分合理利用。 1） 固體燃料 固體燃料一般指的是煤或焦炭，其優(yōu)點是： (1) 燃燒設備簡單，安全可靠； (2) 投資省，生產費用一般比較低； (3) 運輸與儲存簡單方便。其缺點是： (1) 加熱質量差； (2) 操作條件差，勞動強度大，環(huán)境污染大； (3) 燃燒過程不易調節(jié)； (4) 爐子結構受燃燒條件的限制較大。 因此，固體 燃料適用于對熱工制度要求不高的小型爐子，當燒煤量較大時，要有適當的機械化措施。 2）液體燃料 目前，在爐子上用的液體燃料主要是重油或渣油。液體燃料的優(yōu)點是： (1)發(fā)熱量高，熱量利用好，爐溫高，燃燒波動小，調節(jié)范圍大，有條件實現自動控制； (2) 存運輸方便，灰分少，損耗?。?(3) 燃燒裝置可以安裝在爐子的各個部位，易于實現不同工藝的要求。缺點河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 11 是： (1) 需要增加一套燃料貯備、預熱及輸送系統(tǒng)，動力消耗較大；(2) 爐子熱工參數調節(jié)控制較復雜；爐子維護工作量較大。 3）氣體燃料 氣體燃料與固體、液體燃料相比，其優(yōu) 點是： (1) 過?？諝庀禂档停紵耆?，容積熱負荷高，燃燒過程容易調節(jié)，易于實現自動控制； (2) 對工藝的適應性好，可滿足從低溫到高溫、從長火焰到短火焰的各種要求； (3) 燃燒后無黑灰無積灰，環(huán)境干凈。其缺點是： (1) 長距離輸送和貯存困難，使用范圍受限制； (2) 除鋼鐵廠有高爐、焦爐煤氣或附近有天然氣之外，采用人造氣體燃料（如發(fā)生爐煤氣、水煤氣、城市煤氣等），價格較高； (3) 某些煤氣成分波動較大，對自動控制不利； (4) 一般在同樣預熱空氣的條件下，熱效率比油低； (5) 按一定比例與空氣混合后有爆炸危險， 因此應注意操作安全，并要防止煤氣中毒。結合本長的實際情況，該加熱爐采用高爐煤氣燃料，一方面可以將廠區(qū)內自產的高爐煤氣合理利用起來，減少對環(huán)境的污染，另一方面可以降低成本，提高效益。 本加熱爐采用高爐煤氣。 加熱工藝的確定 爐子的 “ 三高一低 ”( 高爐溫、高煙溫、高余熱回收、低惰性 )理論為加熱爐的設計及運行指出了方向，找到了目標。十幾年來，在這一理論的指導下，加熱爐結構和運行方案有了許多革新，但是我們應該清醒的認識到，在 “ 三高一低 ” 理論指導下設計的加熱爐，是在實現一種接近加熱能力極限的加熱工藝，爐溫設 置到加熱工藝允許的最高限，加熱速度也設置到最快，爐長設計到最短。這種基于 “ 極限加熱 ” 理念設計出的加熱爐，要想全面達到設計指標，對運行調節(jié)水平提出十分高的要求 (爐溫的小幅提高、加熱時間的小幅度延長都有可能導致氧化鐵的熔化，致使氧化率大幅度升高甚至出現粘鋼事故，而均熱期爐溫的小幅降低、加熱時間的小幅度縮短又可能導致斷面溫差超過允許值 )，而且使加熱爐對不同工藝的適應性大大降低，因此縮小了加熱爐運行調節(jié)的空間，給加熱爐的調節(jié)增加了難度。故本設計采用一種 “ 平衡加熱 ” 工藝， “ 平衡加熱 ” 工藝不再單純以提高生河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 12 產率為核心，以 最高加熱速度作為確定爐溫制度依據，而是主要以確保斷面溫差和減少燒損為核心，以鋼坯在爐內的平衡升溫速度為依據來確定爐溫制度。在 “ 平衡加熱工藝 ” 中，應首先確定將鋼坯在爐內的平衡升溫工藝制度，該制度將鋼坯在爐內的升溫過程分為三個階段：預熱段，用較慢的加熱速度將鋼坯表面加熱至 900℃ ，這一階段慢速加熱目的是為了盡可能縮小鋼坯進入快速加熱期的斷面溫差，以期盡可能縮短均熱時間，以達到確保鋼坯出爐斷面溫差，而且這可以使鋼坯在表面溫度達到 900℃ 后的在爐時間最短，達到降低氧化率的目的。由于鋼坯在 900℃ 以下時的氧化速度較低 ，因而在這一階段由于慢速加熱而使加熱時間的延長，帶來的氧化量增加并不明顯。加熱段，將鋼坯表面溫度以盡可能高的速度提高到出爐溫度水平，這一階段爐溫和加熱速度都設置到工藝允許的最高水平，目的是盡可能縮短金屬在自身溫度較高時地在爐停留時間，不但可以提高產量，而且可以減少氧化。均熱段，在金屬表面溫度不變的情況下縮小斷面溫差。 爐型選擇 該加熱爐采用上、下側燒嘴的供熱方式和吊掛平爐頂結構，構造簡單，操作、維護簡便。用爐內擋火墻將爐膛從裝料端到出料端依次分為預熱段、加熱段和均熱段共三個段。每一段可單獨供熱，上下 爐膛及各燒嘴 (供熱點 )熱負荷可調。 爐膛各部分高度和長度及爐頂的形狀總稱為爐型曲線。一座工業(yè)爐設計的合理與否，決定于爐型曲線。它對爐膛內的傳熱有很大影響，直接影響著工業(yè)爐的加熱能力和燃料利用。爐型曲線的設計尚無可靠的計算公式或指標，主要根據類似工業(yè)爐的經驗來確定。 1) 工業(yè)爐各段長度。預熱段長度 L1，加熱段長度 L2和均熱段長度L3可根據金屬加熱計算中各段加熱時間的比例以及類似工業(yè)爐的實際情況決定。當加熱料坯的規(guī)格、材質較多時，原則上應按 各規(guī)格 、各材質進行多次計算，求得不同的加熱時間 τ 而總長 L相同。但對不同 的規(guī)格和材質，各段長度在全長中占的比例不同，生產操作的時候，可以通過開閉燃燒器 (改變供熱制度 )來調節(jié)各段比例。各段長度選擇要得當，盡可能滿足最大的加熱時間，同時可適當增設燒嘴以便調節(jié)。 2) 爐膛高度。爐膛高度是指爐底滑道頂面 (或爐底磚砌表面 )至河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 13 爐頂中心之間的距離，在爐膛寬度已定，各段長度比例相對穩(wěn)定的條件下，它是決定爐膛空間大小、爐型曲線是否合適的關鍵尺寸。 1) 決定爐膛高度時主要考慮下列因素： (1) 爐型應設計成各供熱段之間相對分開，減少相互間的輻射熱交換以實現規(guī)定的爐溫制度和供熱制度。 (2) 在 燃燒方面要保證有足夠的燃燒空間。首先爐膛容積應保證燃料的充分燃燒和被爐氣所充滿，有利 于向料 坯的傳熱。它隨燃料種類、燃燒方式、燃燒器的布置及熱負荷的不同而有所差異。實踐表明，燃煤氣的加熱爐，尤其是燃低熱值煤氣的加熱爐，爐膛高度都較大。從燃煤氣改為燃煤時，爐膛高度一般應適當降低。若燒重油或天然氣等高熱值煤氣時，則爐膛高度也要降低。另一方面，從爐氣流動方面來考慮，要使爐氣充滿爐膛或貼附金屬表面。當火焰不充滿爐膛時，抬高加熱爐爐頂，不僅不會增加傳熱，反而會減少金屬所獲得的有效熱。爐膛越高這種情況越易于發(fā)展，所以在連 續(xù)加熱爐的設計中，往往是在結構允許的條件下壓低爐膛。燃料和燃燒方式不同，爐內燃燒狀況也不同，一般有焰燃燒黑度較大，火焰向坯料給熱所占的比例比無焰燃燒時要高，爐壁輻射給料坯的熱量比例有所降低，因此爐膛高度不宜過分增大，以保證火焰盡量接近料坯表面為原則。第三，從傳熱方面考慮有利于增加爐襯對金屬的輻射傳熱，在爐氣充滿爐膛的條件下，爐襯面積相對越大。因此從傳熱觀點出發(fā)，要求盡可能抬高爐頂，以增加爐襯輻射傳熱，這一結論與前面的結論正好相反，在設計時要綜合考慮，但近年來連續(xù)加熱爐都傾向于壓低爐頂，以保證爐氣充滿爐膛。 (3) 爐膛曲線及其空間的大小，應保證在既定的熱負荷范圍內爐膛壓力分布合理，爐頭與爐尾的壓差要小，以減少端頭吸風和爐尾冒火現象。 綜合考慮以上幾點，根據經驗選取爐膛高度為 mH ?上 ， mH ?下 2) 一般來說，在產量較大、晝夜連續(xù)生產的軋鋼車間，形狀規(guī)則的料坯以在連續(xù)加熱爐中加熱為宜。 步進式連續(xù)加熱爐是推鋼式連續(xù)加熱爐的發(fā)展，它區(qū)別于推鋼式連續(xù)加熱爐的主要特點是用專用的步進機構使料坯在爐內運動以代替推鋼機推動料坯在爐內運動。 河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 14 步進式連續(xù)加 熱爐大體可以分為兩類：一類是單面加熱 (上加熱 )的步進式爐，稱 “ 步進底式爐 ” ；另一類是由水冷的 步進梁和固定梁組成的雙面加熱 (上下加熱 )步進式爐稱 “ 步進梁式爐 ” 。步進底式爐主要用來加熱質量要求高的特殊鋼、普通鋼的中小型坯或鋼管、鋼板的熱處理等。步進梁式爐主要用于生產率高的大板塊和方坯的加熱。 和推鋼式爐相比，步進式爐具有下列主要特點： (1) 用料靈活。步進周期和步距均可隨生產要求在一定范圍內任意變化； (2) 加熱時間短，可實現快速加熱； (3) 可加熱某些不便于推鋼的料坯。如圓柱坯、薄板坯、管子、異形坯等； (4) 完全消除了 “ 翻爐 ” 和 “ 粘鋼 ” 現象。爐長不受推鋼長度限制，生產率高； (5) 可消除或在很大程度上減少 “ 水管黑印 ” ，料坯下表面也不會劃傷，加熱質量高； (6) 步進機構比推鋼機的制作和維護要復雜，建爐投資大。 因此本設計料坯運動采用步進式 料坯布置方式及加熱方式的選擇 1) 料坯布置方式。目前連續(xù)加熱爐一般采用單排或雙排，很少采用雙排以上的。在設計爐子時，要根據料坯長度、爐子生產率、爐子計算長度、甚至車間布置等情況確定。對于步進式連續(xù)加熱爐，爐長一般無限制條件，所以通常為單排，也可采用雙排， 本設計產量較小采用單排布置 2) 加熱方式。采用架空爐底雙面加熱的方式。雙面加熱比單面加熱具有更高的爐子生產率，良好的加熱質量，所以絕大多數連續(xù)加熱爐都采用雙面受熱，只有在料坯厚度較小 (δ ＜ 100mm)的情況下，加熱料坯上下表面溫差不大，可不采用下加熱 (要求生產率較高時亦可采用雙面加熱 )，另外，雖然厚度較厚 (δ ＞ 100mm)，但長度較短的料坯 (L＜ 1000mm)的料坯，因支撐結構困難，下加熱作用不大，所以不亦采用下加熱。 河北 聯合 大學 輕工學院 畢業(yè)設計 15 料坯的裝出爐方式 在設計中，應考慮生產線與裝出料之間的關系?，F代化加熱爐裝出料 都采用機械裝置完成。因此，必須留出加熱爐或爐群的裝出料機的工作空間，同時也應考慮加熱爐本身的適應性。 連續(xù)式加熱爐的物料大多是從爐尾部進入，但對于特長料坯在步進爐內的加熱，采用側進料為宜。料坯的出爐方式有側出料和端出料兩種。后者吸冷風和冒火比較嚴重，但在車間布置上有很大的優(yōu)勢，可以沿軋制輥道布置數座加熱爐。前者需專門的出料裝置，且只能在輥道端點布置一座加熱爐，供較大斷面尺寸的物料加熱時選用，側出料時需要專門的出料裝置，且只能在輥道端點布置一座加熱爐，但爐門位于爐壓線以上，從工業(yè)爐熱工角度看，性能優(yōu)于端出料， 以減少因爐門吸冷風而造成的氧化。 考慮到爐子可以加熱長