【文章內(nèi)容簡介】 平工業(yè)爐的熱效率平均不到 30%(世紀(jì) 90年代已達(dá)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(xiàn)狀，將與我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展不相適應(yīng)開發(fā)與應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)，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(jīng)計算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)煤，占企業(yè)總能耗的 %，煙氣余熱資源 t標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)我國的節(jié)能政策，開發(fā)與應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)，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(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 9 要關(guān)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(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和大氣環(huán)境污染狀況嚴(yán)重惡化的局面，應(yīng)當(dāng)而巳也必須在技術(shù)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(chǎn)、后治理 ” 的老路結(jié)合我國國情，開發(fā)與應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)，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(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)符合我國的國情，在我國推廣該技術(shù)有著廣大的市場前景 。 2 初步設(shè)計 初步設(shè)計目的根據(jù)生產(chǎn)及工藝等方面的要求，確定出爐子的方案，為技術(shù)設(shè)計做好準(zhǔn)備。在爐子的初步設(shè)計中，根據(jù)設(shè)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和全廠和車間生產(chǎn)規(guī)模和特點的基礎(chǔ)上，確定爐子應(yīng)采用的機(jī)械化和自動化程度。爐子初步設(shè)計基本上確定了爐子的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)概貌。為了設(shè)計完善，可以設(shè)定幾個方案，經(jīng)過分析對比，最后擇優(yōu)選定，之后再進(jìn)行下一步設(shè)計 技術(shù)設(shè)計。 爐子的技術(shù)設(shè)計中，主要做全面的計算（ 包括熱工計算，爐體結(jié)河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 10 構(gòu)計算等），并繪制爐體結(jié)構(gòu)總圖。爐子的技術(shù)設(shè)計是施工設(shè)計的的基本技術(shù)資料和依據(jù)。設(shè)計已知條件： 1） 蓄熱式三段連續(xù)步進(jìn)式加熱爐，產(chǎn)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(nèi)外溫差、加熱速度、爐內(nèi)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(yù)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(chǎn)品質(zhì)量的要求、爐子結(jié)構(gòu)的 特點、經(jīng)濟(jì)上合理、燃料的供應(yīng)條件（生產(chǎn)、運輸、合理利用資源等）、操作條件（勞動條件、調(diào)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(shù)和經(jīng)濟(jì)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(shè)備簡單，安全可靠； (2) 投資省，生產(chǎn)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(zhì)量差； (2) 操作條件差，勞動強(qiáng)度大，環(huán)境污染大； (3) 燃燒過程不易調(diào)節(jié)； (4) 爐子結(jié)構(gòu)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(dāng)燒煤量較大時，要有適當(dāng)?shù)臋C(jī)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(diào)節(jié)范圍大，有條件實現(xiàn)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(xiàn)不同工藝的要求。缺點河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 11 是： (1) 需要增加一套燃料貯備、預(yù)熱及輸送系統(tǒng)，動力消耗較大；(2) 爐子熱工參數(shù)調(diào)節(jié)控制較復(fù)雜；爐子維護(hù)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) 過剩空氣系數(shù)低，燃燒完全，容積熱負(fù)荷高，燃燒過程容易調(diào)節(jié)，易于實現(xiàn)自動控制； (2) 對工藝的適應(yīng)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?fàn)t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(yù)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(yīng)注意操作安全，并要防止煤氣中毒。結(jié)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(nèi)自產(chǎn)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(shè)計及運行指出了方向，找到了目標(biāo)。十幾年來，在這一理論的指導(dǎo)下，加熱爐結(jié)構(gòu)和運行方案有了許多革新，但是我們應(yīng)該清醒的認(rèn)識到，在 “ 三高一低 ” 理論指導(dǎo)下設(shè)計的加熱爐，是在實現(xiàn)一種接近加熱能力極限的加熱工藝，爐溫設(shè) 置到加熱工藝允許的最高限，加熱速度也設(shè)置到最快，爐長設(shè)計到最短。這種基于 “ 極限加熱 ” 理念設(shè)計出的加熱爐，要想全面達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，對運行調(diào)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(dǎo)致氧化鐵的熔化，致使氧化率大幅度升高甚至出現(xiàn)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(dǎo)致斷面溫差超過允許值 )，而且使加熱爐對不同工藝的適應(yīng)性大大降低，因此縮小了加熱爐運行調(diào)節(jié)的空間，給加熱爐的調(diào)節(jié)增加了難度。故本設(shè)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(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 12 產(chǎn)率為核心，以 最高加熱速度作為確定爐溫制度依據(jù)，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(nèi)的平衡升溫速度為依據(jù)來確定爐溫制度。在 “ 平衡加熱工藝 ” 中，應(yīng)首先確定將鋼坯在爐內(nèi)的平衡升溫工藝制度，該制度將鋼坯在爐內(nèi)的升溫過程分為三個階段：預(yù)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(jìn)入快速加熱期的斷面溫差，以期盡可能縮短均熱時間，以達(dá)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(dá)到 900℃ 后的在爐時間最短，達(dá)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(shè)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(chǎn)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(cè)燒嘴的供熱方式和吊掛平爐頂結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡單，操作、維護(hù)簡便。用爐內(nèi)擋火墻將爐膛從裝料端到出料端依次分為預(yù)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(fù)荷可調(diào)。 爐膛各部分高度和長度及爐頂?shù)男螤羁偡Q為爐型曲線。一座工業(yè)爐設(shè)計的合理與否，決定于爐型曲線。它對爐膛內(nèi)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(shè)計尚無可靠的計算公式或指標(biāo)，主要根據(jù)類似工業(yè)爐的經(jīng)驗來確定。 1) 工業(yè)爐各段長度。預(yù)熱段長度 L1，加熱段長度 L2和均熱段長度L3可根據(jù)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(dāng)加熱料坯的規(guī)格、材質(zhì)較多時，原則上應(yīng)按 各規(guī)格 、各材質(zhì)進(jìn)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(zhì)，各段長度在全長中占的比例不同，生產(chǎn)操作的時候，可以通過開閉燃燒器 (改變供熱制度 )來調(diào)節(jié)各段比例。各段長度選擇要得當(dāng)，盡可能滿足最大的加熱時間，同時可適當(dāng)增設(shè)燒嘴以便調(diào)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(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)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(guān)鍵尺寸。 1) 決定爐膛高度時主要考慮下列因素： (1) 爐型應(yīng)設(shè)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(xiàn)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(yīng)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(fù)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(yīng)適當(dāng)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?fàn)t氣充滿爐膛或貼附金屬表面。當(dāng)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(shè)計中，往往是在結(jié)構(gòu)允許的條件下壓低爐膛。燃料和燃燒方式不同，爐內(nèi)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(jié)論與前面的結(jié)論正好相反，在設(shè)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(yīng)保證在既定的熱負(fù)荷范圍內(nèi)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(fēng)和爐尾冒火現(xiàn)象。 綜合考慮以上幾點，根據(jù)經(jīng)驗選取爐膛高度為 mH ?上 ， mH ?下 2) 一般來說，在產(chǎn)量較大、晝夜連續(xù)生產(chǎn)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(jìn)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(jìn)機(jī)構(gòu)使料坯在爐內(nèi)運動以代替推鋼機(jī)推動料坯在爐內(nèi)運動。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 14 步進(jìn)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(jìn)式爐，稱 “ 步進(jìn)底式爐 ” ；另一類是由水冷的 步進(jìn)梁和固定梁組成的雙面加熱 (上下加熱 )步進(jìn)式爐稱 “ 步進(jìn)梁式爐 ” 。步進(jìn)底式爐主要用來加熱質(zhì)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(jìn)梁式爐主要用于生產(chǎn)率高的大板塊和方坯的加熱。 和推鋼式爐相比，步進(jìn)式爐具有下列主要特點： (1) 用料靈活。步進(jìn)周期和步距均可隨生產(chǎn)要求在一定范圍內(nèi)任意變化； (2) 加熱時間短，可實現(xiàn)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(xiàn)象。爐長不受推鋼長度限制，生產(chǎn)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(zhì)量高； (6) 步進(jìn)機(jī)構(gòu)比推鋼機(jī)的制作和維護(hù)要復(fù)雜，建爐投資大。 因此本設(shè)計料坯運動采用步進(jìn)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(shè)計爐子時，要根據(jù)料坯長度、爐子生產(chǎn)率、爐子計算長度、甚至車間布置等情況確定。對于步進(jìn)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(shè)計產(chǎn)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(chǎn)率，良好的加熱質(zhì)量，所以絕大多數(shù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)困難，下加熱作用不大，所以不亦采用下加熱。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 15 料坯的裝出爐方式 在設(shè)計中，應(yīng)考慮生產(chǎn)線與裝出料之間的關(guān)系?，F(xiàn)代化加熱爐裝出料 都采用機(jī)械裝置完成。因此，必須留出加熱爐或爐群的裝出料機(jī)的工作空間，同時也應(yīng)考慮加熱爐本身的適應(yīng)性。 連續(xù)式加熱爐的物料大多是從爐尾部進(jìn)入，但對于特長料坯在步進(jìn)爐內(nèi)的加熱，采用側(cè)進(jìn)料為宜。料坯的出爐方式有側(cè)出料和端出料兩種。后者吸冷風(fēng)和冒火比較嚴(yán)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(shù)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(cè)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(fēng)而造成的氧化。 考慮到爐子可以加熱長