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'┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊150t燃天然气步进梁式加热炉设计摘要随着钢铁工业的发展，推钢式加热炉有渐渐退出历史舞台的趋势。而步进式加热炉则获得了长足的发展，步进式加热炉相对于推钢式加热炉节能效果更明显，布料更加灵活，可以处理大小不同的各种工件，提高了产品质量，而且消除了“起拱”和“粘钢”等危险。本设计的设计首先综合分析介绍了关于步进式加热炉的基本信息，同时指出了其与推钢式加热炉的一些区别，再分别介绍了加热炉的各主要结构和天然气的燃料特征。计算部分则是首先进行燃料计算再讨论炉膛换热和金属加热的问题，然后根据各段加热时间计算炉膛主要尺寸。后面是炉子的热平衡计算，然后则是选取烧嘴和换热器结构形式选择。最后计算系统管路阻力金热选择需要的鼓风机和引风机。从而完成整个设计过程。关键词：步进式加热炉，天然气，板坯II ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊AbstractWiththedevelopmentofironandsteelindustry,pushingreheatingfurnaceofsteelhasgraduallyquitthestageofhistory.Whilesteppingfurnaceobtainedgreatdevelopment,stepbystepheatingfurnacerelativetopushthesteelfurnaceenergysavingeffectismoreobvious,moreflexiblecloth,canhandlevariousartifactsofdifferentsize,improvedproductquality,andeliminatethe"springing"and"sticksteel"andsoon.Thisdesignthedesignofthefirstcomprehensiveanalysisofthispaperintroducesthebasicinformationaboutsteppingreheatingfurnace,andpointsoutitsandsomeofthedifferencesguideonpusher-typereheatingfurnace,thenrespectivelyintroducesthemainstructureoftheheatingfurnaceandthefuelcharacteristicsofnaturalgas.Calculationpartisthefirstfuelcalculationagain,todiscussthequestionoffurnaceinheatandmetalheatingandheatingtimeaccordingtoparagraphsfurnacemaindimensionscalculation.Followedbyfurnaceheatbalancecalculation,andthenistheselectionofburnerandheatexchangerstructurechoice.Finallycomputingsystempipelineresistancegoldhotchoiceneedfanandinduceddraftfan.Tocompletetheentiredesignprocess.Keywords:walking-beamfurnace，naturalgas，slabII ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1文献综述1.1加热炉概述在冶金、化工、机械制造等工业部门中，以燃料燃烧的火焰为热源的各种工业炉统称加热炉。在炉膛内火焰通常是与物料直接接触的。在有些情况下，为防止物料（工件）发生氧化，会将物料与火焰隔开，火焰的热量通过隔墙间接传给物料。被加热的物料在炉内基本不发生物态变化和化学反应。在冶金行业中，加热炉是将物料或工件加热的设备。在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉。一般可把加热炉分为室式加热炉和连续加热炉。连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉，但习惯上常指推钢式炉。加热炉是我国能源部门主要的耗能大户，运行过程中消耗大量的能源，主要燃料为煤气，天然气电力和煤炭，极少数的燃油加热炉。同时会排放大量的污染物，废渣、废气、废水等往往含有有毒物质，同时伴有一定的噪音污染，必须采取一定的措施使各种有害物质排放不超过国家或地区的排放标准。同时应当积极响应国家节能减排目标，改进高排放、高污染、高能耗的炉子，设计新炉子时必须改进以前的设计方案，减少燃料使用提高燃料利用率。高产、优质、低耗、低成本、低污染反映了轧钢加热炉的综合技术经济指标，用少投入实现产能的最大化，是企业和热工工作者的追求目标，亦是轧钢加热炉的发展趋向。连续式加热炉是轧制车间最普通的炉子。料坯由炉尾装入，加热后由另一端排出。机械化炉底连续加热炉料坯靠炉底的传动机械不停地在炉内向前运动。燃烧产生的炉气一般是对着被加热的料坯向炉尾流动，即逆流式流动，起到预热物料的作用。料坯移到出料端时，被加热到所需要的温度，再沿辊道送到轧机。连续式加热炉的工作是连续性的，料坯不断的加入，加热后不断的排出。在炉子稳定工作条件下炉内各点的温度可以视为不随时间而变，属于稳态温度场，炉膛内传热可以近似的认为是稳态传热，金属内部的导热则要当做是非稳态导热。具有连续加热炉热工特点的炉子有很多，从结构、热工制度等方面看，连续加热炉可按下列特征进行分类。（1）按温度制度可分为：两段式、三段式和强化加热式。（2）按被加热金属的形状可分为加热方坯的、加热板坯的、加热圆管坯的，加热异形坯的。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（1）按所用原料可分为：使用固体燃料的、使用重油的、使用气体燃料的、使用混合燃料的。（2）按空气和煤气的预热方式可分为：换热式的、蓄热式的、不预热的。（3）按出料方式可分为：端出料和侧出料的。（4）按物料在炉内的运动方式可分为：推钢式加热炉、步进式加热炉、辊底式炉、转底式炉、链式炉等[1]。1.2加热炉基本类型工业炉按供热方式分为两类：一类是加热炉(或称燃料炉)，用固体、液体或气体燃料在炉内的燃烧热量对工件进行加热；第二类是电炉，在炉内将电能转化为热量进行加热。大型台车式炉加热炉的燃料来源广，价格低，便于因地制宜采取不同的结构，有利于降低生产费用，但加热炉难于实现精确控制，对环境污染严重，热效率较低。电炉的特点是炉温均匀和便于实现自动控制，加热质量好。按能量转换方式，电炉又可分为电阻炉、感应炉和电弧炉。工业炉按热工制度又可分为两类：一类是间断式炉又称周期式炉，其特点是炉子间断生产，在每一加热周期内炉温是变化的，如室式炉、台车式炉、井式炉等；第二类是连续式炉，其特点是炉子连续生产，炉膛内划分温度区段。在加热过程中每一区段的温度是不变的，工件由低温的预热区逐步进入高温的加热区，如连续式加热炉和热处理炉、环形炉、步进式炉、振底式炉等。推钢式连续加热炉中的钢坯在炉内是靠推钢机沿炉底滑道不断向前移运，钢料被加热到需要的温度，经出料口出炉，再沿辊道送往轧机，即端进端出方式。推钢式连续加热炉按温度制度又可分为两段式加热炉、三段式加热炉、多点供热式加热炉。推钢式三段连续加热炉采用预热期、加热期、均热期的三段温度制度。在炉子的结构上也相应地分预热段、加热段和均热段。一般有三个供热点，即上加热、下加热与均热段供热。断面尺寸大的钢坯多采用三段式加热炉。步进式加热炉是各种机械化炉底炉中使用最广、发展最快的炉型，是取代推钢式加热炉的主要炉型。20世纪70年代以来，国内外新建的热轧车问，很多采用了步进式炉。步进式加热炉与推钢式加热炉相比，其基本的特征是钢坯在炉底上的移动靠炉底可动的步进梁做矩形轨迹的往复运动，把放置在固定梁上的钢坯一步一步地由进料端送到出料端。移动梁的运动是可逆的，当轧机故障要停炉检修，或因其他情况需要共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊将钢坯退出炉子时，移动梁可以逆向工作，把钢坯由装料端退出炉外。移动梁还可以只做升降运动而没有前进或者后退的动作，即在原地踏步，以此来延长钢坯的在炉内的时间。上加热步进式加热炉．按照其炉底结构的不同又可分为步进梁式加热炉与步进底式加热炉两种：①步进梁式加热炉，又称为耐热钢梁步进式加热炉，其固定梁与活动梁均由耐热钢制作，耐热钢使用的最高温度一般不超过1150℃，因其支承重量受到限制，这种加热炉多用于每米重量较轻的荒管在定径前的再加热，或用作钢管的热处理；②步进底式加热炉，又称为耐火砖炉底步进式加热炉，其炉底结构是活动梁与耐火砖炉底构成为一个整体，固定梁就是靠近炉墙两侧部分的炉底[1]。步进式加热炉具有以下优点：①产量大，在热装条件下加热板坯时，1座步进式加热炉的小时产量可达450t以上，年产量可在300万t以上：②设备结构简单紧凑，机械化程度高，劳动条件好，维护检修都较方便；③坯料四面加热，加热质量好，加热效率高，加热时间短；④密封性好，坯料表面氧化少，烧损少(约0．5％～1％)；⑤占地面积少。但步进式加热炉具有以下缺点：①投资大；②设备故障多，维护费用高。1.3加热炉基本结构在冶金，化工，机械制造等工业部门中，以燃料燃烧的火焰为热源的各种工业炉统称为加热炉。加热炉广泛应用于物料（工件）的焙烧，干燥，熔化，熔炼加热和热处理等生产环节。加热炉得到广泛应用的原因有以下几点：1：加热炉所采用的燃料有较大的灵活性，可以根据燃料的种类和规格建造各种不同型式和构造的炉子、，以满足生产的需求。2：燃料的供应一般比较充足，价格也比较低。3：加热炉对于被处理物料（工件）的形状大小。规格等的限制较少，大到几百吨的金属锭，小到细颗粒，都可以在加热炉中进行热工处理。4：加热炉工作温度的范围比较大，可以满足不同工作温度的需求。5：加热炉通常是直接加热式，但如果有特殊要求，也可以建成间接加热式。正是因为这些原因，加热炉的应用十分广泛。加热炉一般由炉膛、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、余热利用装置等部分组成，如图1-1。炉膛是由炉墙、炉顶、炉底(包括基础)组成的一个空间，是钢坯进行加热的地方。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装出科系统和热工检测及自动控制系统，是现代化加热炉不可缺少的两个工作系统。前者包括炉前炉后的装出料机械和炉内的运料机械，后者包括热工参数的检测仪表、显示仪表记录仪表、自动控制仪表或计算机以及执行机构等。在炉子上配备这两个系统，可以实现产的自动化操作，从而提高炉子的生产指标。图1-1加热炉组成系统图1-料坯；2-推钢机；3-冷却水管；4-烧嘴；5-煤气管道；6-空气管道；7-竖烟道；8-烟道；9-换热器；10-鼓风机；11-烟囱1.4热工工艺主要组成部分1.4.1炉墙炉墙分为侧墙和端墙，侧墙的厚度通常在1.5～2砖厚，端墙的厚度视烧嘴孔道的尺寸而定，一般为2～4砖厚。为保证炉墙结构的稳定性，炉墙必须有一定的厚度，并应随炉子的尺寸的增大和炉膛温度的升高而增厚。加热炉炉墙内衬由耐火砖筑成外敷绝热层减少散热和蓄热损失。现在使用浇注料和可塑料的炉子也越来越多，浇注料和可塑料在耐火浇注料的优势主要表现在：耐火浇注料同其他不定形耐火材料相比，结合剂和水分含量较高，流动性较好，故而不定型耐火材料应用范围较广，可根据使共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊用条件对所用材质和结合剂加以选择。既可直接浇注成衬体使用，又可用浇注或震实方法制成预制块使用。为提高炉子强度和气密性常在炉墙外包覆4～10mm厚的钢板外壳。承受高温的炉墙当高度或长度较大时，要保证有足够的稳定性。增加稳定性的办法是增加炉墙的厚度或用金属锚固件固定。当炉墙不太高时，一般用232～464mm粘土砖和116～232mm绝热砖的双层结构。炉墙较高时，炉底水管以下增加厚度116mm。炉墙上有炉门、窥视孔、烧嘴孔、测温孔等，为防止砖块破坏，炉墙应尽可能地避免直接承受附加载荷，炉门及冷却水管等构件应支承在钢架上。1.4.2炉顶加热炉的炉顶按结构分为两种：即拱顶式和吊顶式。图1-2拱顶结构及作用力1-拱顶力；2-水平分力拱顶用楔形砖砌成，结构简单，砌筑方便，不需要复杂的金属结构。如果采用预制好的拱顶，更换时就更方便。拱顶的缺点是由于拱顶本身的重量产生侧压力，当加热膨胀后侧压力就更大。所以，当炉子的跨度和拱顶质量太大时，容易造成炉子的变形，甚至会使拱顶坍塌。拱顶可用楔形砖砌筑或不定形耐火材料捣制而成，结构参见图1-2。拱顶的拱角θ可变化在60°～180°之间，通常采用的有60°、90°、120°和180°拱顶。60°拱顶的r等于炉子的跨度b拱顶矢高h=0.134b，称为标准拱顶。拱顶的质量W作用于拱角砖上，承受在两侧炉膛上，水平分力F通过拱角梁由钢结构承受。水平分力大小可以表示为下式：F=KW2cotθ2式中F——拱顶产生的水平分力；W——拱顶砌体质量；θ——拱角；K——温度系数，它是考虑拱顶受热膨胀而产生的水平分力。K值得大小随炉温而异：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊炉温（℃）<600600～900900～11001100～1400K2.02.53.03.5拱顶产生的水平分力决定于拱顶质量，拱角大小和炉膛温度的高低，在进行炉子钢结构强度设计时，必须考虑能承受这一水平分力。180°拱顶称为半圆拱顶。其特点是不产生水平分力，不需要钢结构加固，造价低，但炉顶下面的矢高h太大，不利于炉内气体的合理流动和实现均匀加热，且有较大的上推力，当上面没有压力时，这种拱顶反而不牢固故多用于埋在地下的烟道上。拱的两端支撑在特制的拱角砖上，拱的其他部分用楔形砖砌筑。拱顶可以用耐火砖砌筑，也可用耐火混凝土预制块。炉温1250～1300℃以上，的高温炉的拱顶采用硅砖或高铝砖，但硅砖只适合于连续运行的炉子。耐火砖上可以用硅藻土砖绝热，也可以用矿渣棉等散料做绝热层。拱顶砌砖在炉长方向上应设置弓形的膨胀缝，用粘土砖砌筑则每米应设置膨胀缝5～6mm用硅砖砌筑则每米应设膨胀缝10～12mm，用镁砖砌筑则每米应设置膨胀缝8～10mm[3]。拱顶的厚度与炉子的跨度有关，跨度越大炉顶厚度也应适当加大，可以参看图表1-1的数据。表1-1拱顶厚度与跨度的关系拱顶厚度/mm拱顶跨度/m1m以下1～3.5m3.5以上耐火砖层115～250230～250230～300绝热层65～12065～250120～250当炉子跨度大于4m时，由于拱顶所承受的侧压力很大，一般耐火材料的高温结构已很难满足，因此大多采用吊顶结构，图1-3是常用的几种吊顶结构，。挂吊顶是由一些专门设计的异型砖和吊顶金属挂件组成。按吊挂形式可以分单独的或者成组的吊挂砖吊在金属吊挂梁上。吊顶砖的材料可以用粘土砖、高铝砖和镁铝砖，吊顶外面再砌筑硅藻土砖或其他绝热材料，但砌筑切勿埋住吊杆，以免烧坏失去机械强度，吊架被砖的重量拉长。图1-3吊顶结构共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.4.3炉底炉底是炉膛底部的砌砖部分。炉底不仅要受被加热金属的负荷，而且要经受炉渣和氧化铁皮的化学侵蚀，以及金属的摩擦和碰撞作用。炉底有两种形式，一种是固定炉底，另一种是活动炉底。固定炉底的炉子，坯料在炉底的滑轨上移动，除加热圆坯料的斜底炉外，其他加热炉的固定炉底一般都是水平的。活动炉底的坯料是靠炉底的机械运动而移动的。单面加热的炉子，其炉底都是实心炉底，双面加热的炉子，炉内的炉底通常分实底段(均热段)和架空段两部分，们也有的炉子的炉底全部是架空的。炉底的厚度取决于炉子的尺寸和温度，在200～700mm之内变动。炉底的下部用绝热材料隔热。由于镁砖具有良好的抗渣性，所以在轧钢加热炉的炉底用镁砖砌筑，并且为便于氧化铁皮的清除，在镁砖上还要再铺一层40～50mm厚的镁砂或焦屑。在l000℃左右的热处理炉或无氧化加热炉上，因为氧化铁皮的侵蚀问题较小，炉底也可以采用黏土砖砌筑。推钢式加热炉为避免坯料与炉底耐火材料直接接触和减少推料的阻力，在单面加热的连续式加热炉或双面加热的连续式加热炉的实底部分安装有金属滑轨，而双面加热的连续式加热炉则安装的是水冷滑轨[2]。图1-4高温区炉底结构实炉底一般并非直接砌筑在炉子的基础上，而是架空通风的。即在支承炉底的钢板下面用槽钢或工字钢架空，避免因炉底温度过高，使混凝土基础受损．这是因为普通混凝土温度超过300℃时，其机械强度显著下降，而遭到破坏。实炉底高温区炉底结构见图1-4所示。1.4.4炉子基础基础是炉子的支座，它将炉膛、钢结构和被加热金属的重量所构成的全部载荷传到地面上。基础的大小不仅与炉子有关，还和不同土壤的承重能力有关。基础的计算共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊和一般的建筑物的基础设计一样，但如果炉底不是架空通风的，则要适当考虑热膨胀的问题。图1-5加热炉的炉子基础（a）连续式炉基；（b）发条式基础；（c）墩式基础；（d）边缘加厚的板式基础；（e）坑式基础炉子基础的材料可以选择混凝土、钢筋混凝土、红砖、毛石。大中型炉子都是混凝土基础，只有小型加热炉才用砖砌基础。图1-5是各种型式的炉子基础结构。应避免将炉子和其他设备放在同一基础上，以免由于负载不同沉降效果不同而使基础开裂或设备倾斜。基础应尽可能建在地下水位之上，如果地下水位太高，则炉子基础（及烟道基础）应建成混凝土坑式基础。1.4.5烟囱烟囱是一种常用的排烟装置，筒状，一般有砖烟囱、钢筋混凝土烟囱和钢烟囱三类。：①砖烟囱，高度不超过50米，呈圆截锥形；②钢筋混凝土烟囱，多用于高度超过50米的烟囱，抗风、抗震性能好，施工简便，维修量小；③钢烟囱，自重小，有韧性，抗震性能好，适用地基差的场地，耐腐蚀性差，需经常维护。按内衬布置方式又分为单筒式烟囱、双筒式烟囱和多筒式烟囱。设计烟囱时，烟囱的高度除了要使烟囱的有效抽力足以克服各阻力之和外，还要考虑到烟囱排出的烟气对周围环境污染的影响。如所用燃料含硫量很高，则烟囱的高度除了要克服烟气阻力之外，还要使排出烟气不使周围地面大气中的二氧化硫等有害气体含量超出允许范围，所以就必须将烟囱设计得高一些[1]。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊国外某些炼油装置根据燃料含硫量，采用合适的高烟囱，以减少大气污染，如使用含硫量1％燃料油的加热炉，所用烟囱高度为106米，而使用含硫量3％的燃料油的加热炉，则集中排的高为213米的高烟囱。烟囱的抽力主要取决于烟道及烟囱的阻力和烟囱的高度，应预留足够的富裕量。烟道的实际阻力随着时间发生变化，应考虑生产中存在吸冷风、烟道温降、预热器使用一段时间后积灰造成阻力增加的影响，烟道阻力损失随炉子使用时间的延长而增加，烟囱抽力随时间增加而减小。图1-6炉子的钢结构（a）固定连接；（b）活动链接；（c）小型可移动炉的钢结构1.4.6炉子钢结构为了使整个炉子成为一个牢固的整体，在长期高温的工作条件下不致严重变形，炉子必须设置由竖钢架、水平拉杆(或连接梁)组成的钢结构。钢结构要能承受炉子拱顶的水平分力或吊顶的全部重量，并把作用力传给炉子基础。此外，炉子的钢结构还起一个框架的作用，炉门、炉门提升机构、燃烧装置、冷却水管和其他一些零件都固定在钢结构上。钢结构的型式与炉型和砌砖结构有关。主体是竖钢架，可以用槽钢、工字钢等，下端用地脚螺丝固定在混凝土基础内，上端用连接梁连接起来（图1-6a）。也可以采用活动连接的方式，即竖钢架的上下端用可调整的拉杆连接起来，开炉时可以根据炉子膨胀情况，调整螺丝放松拉杆，正常生产后很少再去调整拉杆的松紧（图1-6b）。钢结构的计算很复杂，而且在冷态下算出的结果也不准确，因为由于温度的升高砌砖的膨胀应力很难计算得出。所以钢结构的尺寸和材料规格除了计算外，常常是参照经验数据选定。可以参考以下比例来选定，竖钢架钢材断面高度（指槽钢或工字钢的高）h=116l，式中l是上下拉杆之间的距离。拉杆圆钢的直径d与h有下列关共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊系（表1-2）。表1-2拉杆圆钢直径d与h的关系h/mm100120160200300d/mm2022253045炉子钢结构是普碳钢和型钢焊接件，它分为三个主要部分。1.炉底钢结构它由8mm厚的炉底铺板和大型工槽钢的横梁和立柱组成，用以安装和支撑炉子支撑梁和炉子砌体，考虑到炉底横梁的制作安装对保证炉子固定梁安装的平面度至为重要，以及在炉底钢结构下部要安装步进梁立柱要穿过炉底的开孔与裙式水封刀及刮渣板，它们与水封槽的制作有一定的配合要求。该部分钢结构应与步进框架和支撑梁一起在制造厂加工制作，以便顺利安装。2.炉子两端和两侧钢结构它是由6mm厚的炉墙钢板与工槽钢立柱焊接而成。以安装炉门，烧嘴，支撑横水管以及支撑炉子上部钢结构的重量。3.炉子上部钢结构它是用中小型工字钢和大型宽边工字梁及其支撑立柱焊接而成。用以吊挂炉顶的锚固砖，铺设操作检修平台和支撑炉子上部管道。1.4.7烟道与烟闸烟道是连接炉膛和烟囱的烟气通道。设计烟道时，必须充分考虑其断面尺寸和密封绝热问题，因为前者的大小影响烟气的流动坐立损失和造价，后者的好坏影响排烟系统的吸力和余热回收率。图1-7烟道1-粘土砖；2-红砖；3-混凝土钢坯在炉内加热是通过燃料燃烧放出的热量经过热交换(有炉气和钢坯之间的辐射、对流热交换，炉墙对钢坯的辐射热交换，钢坯本身的热交换)得到热量才使钢温不断升高，最后达到出钢温度。但是燃料燃烧不仅放出大量热量，燃烧后同时也产生大量的燃烧产物即废气。因此钢坯的加热过程可以看成为燃料不断燃烧生成热量，钢坯不断吸收热量，同时不断产生废气的过程。要造成加热炉炉膛内的炉气有序地流动，使钢坯顺利地完成热交换的过程靠什么?靠的就是烟道和烟囱。因此，烟道和烟囱的作用是形成炉气有序流动的排烟系统。它是加热炉的重要组成部分。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊此外，烟道除了具有排烟功能外，还具有通过调节烟道闸门控制炉膛内“压力”的作用。一般烟道常常埋在地下，这样对车间布置方便，但如地下水位较高时也可把烟道放在地上。埋设在地下的烟道结构如图1—7所示，埋设深度一般都布置离地面至少300mm以下。对于穿过有动载荷(如车辆通过)的地段，穿过料场或成品库以及汽锤等振动较大的操作区域的烟道，应该用混凝土框把烟道包起来。处于地下水位以下的烟道应设有可靠的防水措施，通常是包以混凝土框，并在混凝土外面包以钢板。必要时须在烟道附近设置深水井，并用水泵抽水[5]。烟道布置要尽量减少烟气流动阻力损失，要与厂房柱基、设备基础和电缆等保持一定的距离，以免他们受烟道温度的影响。当烟道内设有余热回收装置时，一般要设置分烟道和对应的烟道闸板。图1-8蝶式转动闸板1-转动曲柄；2-轴承座；3-出水管；4-进水管；5-闸板为了控制排烟量以及调节炉膛压力，烟道上必须设置烟道闸板。烟道闸板的型式从结构特征上来分，有蝶式、升降式和百叶窗式等。从冷却方式上分，有水冷式、风冷式和无冷却式等。从材质上分，有金属型与金属与非金属结合型两种。从操作上有手动和电动之分，等等。蝶式转动闸板构造，见图1-8所示。这种闸板的优点是，调节灵活、自动控制方便、占地少，易于标准化，因此使用最为普遍。缺点是关不严密，全关时闸板与烟道之间，仍有很大间隙。蝶式转动闸板(水冷式的)共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊另一个缺点是不论闸板开与闭，闸板全部水冷面都暴露在烟道内，除多消耗冷却水外，还降低了烟气温度，不利于废热利用[3]。为节约耗水量，有些闸板用空气冷却，空冷闸板虽然没有水冷却那样可以用普通钢制作闸板，但可以选用较低级的耐热材料。空冷与水冷不一样的是冷却后的热空气不必回收，可以直接排人烟道，进风头的严密性也可以稍差。与转动闸板相比，升降闸板要严密得多。由于升降闸扳构造简单，它也是用得最普遍的闸板之一。对于小的升降闸板来说，由于其重量轻，升程小，无论电动或手动，操作都很方便。但对大型闸板来说，平衡物重量大，升程高，闸板与烟道的摩擦力也较大，因此机械设备较多，占地、空间也较大。自动控制和定型化都较困难。百叶窗式闸板用得较少，但这种闸板在调节甲对烟气产生的偏流较小，用于预热器前后对于保证预热器中烟气均匀流动有好处[9]。在冷却方式上，升降闸板有水冷、半水冷和无水冷之分。半水冷闸板是只冷却闸板四周的框架，在框架内砌筑耐火材料，这就大大节约了水的消耗。百叶窗式闸板则一般均应用耐热钢制作。1.5加热炉的冷却系统加热炉的炉底水管和其他冷却构件构成炉子的冷却系统，冷却方式分为水冷却和汽化冷却两种方式。1.5.1炉底水冷结构图1-9炉底水管支撑结构在两面加热的连续加热炉内，钢坯在沿炉长敷设的炉底水管上向前移动。炉底水管是用厚壁无缝钢管组成，内直径50～80mm，壁厚10～20mm。为了避免钢料在水冷管上直接滑动时将钢管壁磨损，在和钢料直接接触的纵水管上焊有圆钢或方钢，称为滑轨，磨损以后可以再换，而不必更换水管。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊炉底水管承受钢料的全部重量(静负荷)，并经受钢坯推移时所产生的动负荷。管支撑结构的形式很多，一般在高温段用横水管支承，横水管彼此间隔1～3．5m，横水管两端穿过炉墙靠钢架支持(图1-9a)。支撑管的水冷却不与炉底纵水管的冷却连通，而是几个管子顺序连接起来。这种结构只适用于跨度不大的炉子。当炉子很宽，上面钢坯的负荷很大时，需要采用双横水管，或回线形横支撑管的结构(图1-9b)。管的垂直部分用耐火砖柱包围起来，这样下加热炉膛容积被占去不少。有些炉子的预热段纵水管用纵向黏土砖墙支承，为了加强下加热，现在的趋势是全部用横水管支撑。两根纵向水管间距不能太大以免钢锭在高温下弯曲，最大不超过2m；但也不宜太小，否则下面遮蔽太多，削弱了下加热，最小不少于0.6m。为了使钢锭不掉道，钢锭两端应比水管宽出100～150mm。在选择炉底水管支撑结构时．除了保证其强度和寿命外，应力求简单。这样一方面为了减少水管，可以减少热损失，另一方面免得下加热空间被占去太多，这一点对下部的热交换和炉子生产率的影响很大。图1-11冷却水热损失与绝热的关系1-绝热管表面温度；2-未绝热水管热损失；3-绝热水管热损失图1-10炉底水管绝热包扎结构图炉底水冷滑管和支撑管加在一起的水冷表面积达到炉底面积的40％～45％，带走大量热量(一般大约为15％，最高可达25％)。由于水管的冷却作用，使钢料与水管滑轨接触处的局部温度降低200～250℃，在钢坯下面出现两条“黑印”，在轧制时很容易产生废品。黑印在加热板坯时的影响更大，温度的不均匀可能导致钢板的厚薄不均匀。为了消除黑印的不良影响，通常在炉子的均热段砌筑实炉底，使钢坯得到均热。但降低热损失和减少黑印影响的有效措施，是对炉底水管实行绝热包扎(图1-10)。连续加热炉节能的一个重要方面是减少冷却水带走的热量，为此应当在所有水管外面加绝热层。图1-11是绝热层外表面温度与冷却水热损失同炉温的关系曲线。例如当炉温为1300℃时，绝热层外表面温度为1230℃，即炉底滑管对金属的冷却影响不大。同时还可看出，水管绝热时，其热损失仅为未绝热水管的1／4～1／5。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊过去水管绝热使用异型砖挂在水管上，由于耐火材料要受钢料的摩擦和震动、氧化铁皮的侵蚀、温度的急冷急热、高温气流的冲刷等，使挂砖的寿命不长，容易破裂剥落。现多采用耐火浇注料或可塑料包扎炉底水管。用耐火浇注料或可塑料包扎水管时，在管壁上焊上锚固钉或加耐热钢纤维，能将包扎层牢固地粘附在水管上。它的耐急冷急热、耐高温气流冲刷、耐震动、抗剥落等性能好，能抵抗氧化铁皮的侵蚀，结渣后也易于清除，使用寿命至少可达一年。这样包扎的炉底水管，可以降低燃料消耗15％～20％，降低水耗约50％，炉子产量提高15％～20％，减少了黑印的影响，提高了加热质量。这种包扎的投资费用不大，但经济效益显著[9]。水冷管最好的包扎方式是复合(双层)绝热包扎，如图1-12所示。采用一层10~12mm的石棉或耐火纤维，外面再加40～50mm的耐火可塑料，l0mm的耐火纤维相当于50～60mm可塑料的绝热效果。这样的双层包扎绝热比单层绝热可减少热损失20％～30％。为了进一步消除黑印的影响，长期以来人们都在研究无水冷滑轨，最早的是用铸钢条直接砌在炉底耐火砖中的滑轨[10]，只能用于单面加热的小型加热炉上(图1-13)。以后在滑轨的材料方面进行了很多研究，必须使材质能承受钢坯的压力和摩擦，又能抵抗氧化铁皮的侵蚀和温度急变的影响。国外一般采用电熔刚玉砖或电熔莫来石砖，在低温段则采用耐热铸钢金属滑轨，但价格很高，而且高温下容易氧化起皮，不耐磨。国内试验成功了棕刚玉一碳化硅滑轨砖，座砖用高铝碳化硅制成，效果较好。棕刚玉(即电熔刚玉)熔点高，硬度大，抗渣性能也好，但热稳定性较差。以85％的棕刚玉加入15％碳化硅，再加5％磷酸铝作高温胶结剂，可以得到达到滑轨要求的材料。碳化硅的加入提高了制品的导热性，改善了热稳定性。800℃以上的高温区用图1-12水管的双层绝热图1-13无水冷滑轨棕刚玉一碳化硅滑轨砖及高铝碳化硅座砖，800℃以下可采用金属滑轨和黏土座砖，800℃以下可以采用金属滑轨黏土座砖金属滑轨材料可用ZGMn13或者1GR18Ni9Ti。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.5.2汽化冷却水冷却时耗水量大，带走的热量也不能很好利用，采用汽化冷却却可以弥补这些缺点。汽化冷却的基本原理是：水在冷却管内加热到沸点，呈汽水混合物状态进入汽包，在汽包中使蒸汽和水分离。分离出来的水又重新回到冷却系统中循环使用，而蒸汽从汽包中引出可供使用。由于水的汽化潜热远远大于其显热，水在汽化冷却时吸收的总热量大大超过水冷却时吸收的热量。因此，汽化冷却时水的消耗量可以降到水冷却时的1／25一l／30，从而节约了软水和供水用电。一般连续加热炉水冷却造成的热损失占热总支出项的13％-20％，而同样炉子改为汽化冷却时，热损失可降到10％以下。汽化冷却产生的低压蒸汽可用于加热或雾化重油，也可供生活设施使用。另外，使用软水的管子和汽包很少结垢，寿命可提高一倍以上[11]。加热炉汽化冷却循环方式分为强制循环和自然循环两种，如图l—14和l—15所示。图1-14强制循环原理图图1-15自然循环原理图自然循环时，水从汽包进入下降管流人冷却水管中，被加热到沸点，形成的汽水混合物再经上升管进入汽包。因汽水混合物的密度ρ混比水的密度ρ水小，故下降管内水的重力大于上升管内汽水混合物的重力，两者的重力差H(ρ水-ρ混)g，即为汽化冷却自然循环的动力。汽包的位置越高，或汽水混合物密度ρ混越小(即其中含汽量越大)，则自然循环的动力越大。因此在管路布置上，首先要考虑有利于产生较大的自然循环动力，并尽量减少管路阻力。但汽包位置太高，上升管阻力增加很多，同时循环流速共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊增大，会使汽水混合物中含汽量减少，反过来又影响上升动力。此外，汽包高度太大，还将使建设投资增加。1.6步进梁式加热炉炉衬特点20世纪90年代后，我国步进梁式加热炉炉衬结构不断改进发展形成了轻体高强复合结构。复合结构炉衬优点主要表现在以下几个方面：（1）炉衬整体性和稳定性好。由于工作层为不定形耐火材料（浇注料、可塑料）整体浇注或捣打，整体性好、气密性强，加之锚固砖连接炉衬的稳定性增加，抗机械振动和冲击性能加强，炉子寿命延长。（2）采用不定形耐火材料缩短了炉子建设工期。（3）多层保温衬体，保温性能增加，节约能源。（4）采用不定形耐火材料，机械化施工程度提高，降低了操作人员的劳动强度。1.6.1炉墙的炉衬结构炉墙包括侧墙和端墙，都采用复合结构，炉墙工作层为耐火浇注料整体浇注（或耐火可塑料捣打），保温层为复合绝热。一般为高强高铝浇注料或低水泥浇注料（284mm）+轻质黏土砖NG-0.8（116mm）+陶瓷纤维板（120mm）或陶瓷纤维板（60mm）+陶瓷纤维毡（60mm），炉墙总厚度520mm。同时按一定规律布置炉墙锚固砖（LZ-55），增加保温层与工作层的连接，提高衬体的整体性和结构强度。图1-16炉顶锚固砖固定示意图1.6.2炉顶的炉衬结构炉顶的工作层采用耐火可塑料较多，也可采用浇注料整体浇注。一般为耐火可塑料（230mm）+陶瓷纤维毯（30mm）+纤维浇注料或轻质浇注料（70mm共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊），保温层厚度100mm，炉顶总厚度330mm。当工作层为浇注料时，浇注料的膨胀缝处要砌筑以黏土砖压缝。炉顶锚固砖的一般固定形式为：工字钢小梁+锚固钩，如图1-16。1.7步进式梁加热炉概述步进式加热炉分步进梁式和步进底式两种，是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、返回等动作将工件由进料端移至出料端的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成，步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。改进的步进式加热炉，属于冶金行业生产设备，它包括炉体，炉体的侧墙由内向外分别是低水泥料层、隔热砖层、硅酸铝纤维毡隔热层，炉体分为预热段、加热段、均热段，加热段的两面侧墙上设置调焰烧嘴，均热段的上加热段设置平焰烧嘴，均热段的下加热段设置调焰烧嘴，调焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置电磁阀和调节阀，平焰烧嘴的煤气和空气的混合气管道上设置调节阀，空气总管道和煤气总管道设置在炉顶。步进式加热炉的工艺过程为:从连铸机来的热坯(或库房的冷坯经上料辊道)、装料辊道、在装料辊道上对中、定位、装坯料入炉、加热、出坯。机械设备包括装出料炉门传动装置、装出钢机、炉底提升平移机械、汽化冷却、风机传动等[12]。1.7.1步进梁加热炉步进原理图1-17加热炉步进机构示意图如图1-17所示加热炉动梁支柱坐落在步进框架上，步进框架座落在6个复合轮共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊上。步进梁起步状态是当复合轮处于斜滑轨最低处时，第一步横移缸缩回，整个步进框架后退，此时提升缸不动，步进梁高度不变。第二步提升缸缩回，带动牵引臂使复合轮沿斜滑轨滚动上升，将步进梁顶起。当动梁上升高出定梁时，便将定梁上钢坯托起。第三步横移缸推出，使步进梁前进，到位后停止。第四步提升缸推出，牵引臂带动复合轮沿倾斜轨道滚动下降，带动步进梁下降，当动梁降至定梁平面以下时，钢坯放在定梁上，这样步进梁步进一个周期，钢坯也就前进一步。为了彻底消除板坯擦痕、避免惯性冲击、保证轧制质量，步进梁的升降和平移过程都涉及速度控制即保证动梁在接近定梁时保持低速做到轻抬和轻放物料，这就是说在升降和平移过程中存在着匀速、匀加速、匀减速之间的转化过程。步进梁的升降运动：步进梁的上升和下降是通过二支并联液压缸驱动的，液压缸推动带上下轮组的提升框架沿斜轨道上升和下降，使水平框架及步进梁随之作垂直升降运动，在此过程中，水平缸被锁定。步进梁的水平运动：步进梁的水平运动是通过一支液压缸驱动的，它直接作用在水平框架上，使水平框架及步进梁在提升框架上层滚轮上作平移运动，在此过程中，升降液压缸被锁定。其中提升与平移各有一条油缸带有线性位移传感器，用于检测位移的距离。步进机械采用双层框架(升降框架及水平框架)结构，双轮斜轨，全液压驱动。主要有斜轨装置、滚轮组、升降框架、水平框架、步进梁、上下定心装置、水平移动缸、升降缸等。升降框架为整体步进式，上下定心装置为导向辊形式，安装于框架两侧，保证升降，平移框架正确运行[15]。升降框架用于支撑平移框架及其上的步进梁、钢坯等负荷。通过步进梁的水平升降运动，将钢坯从装料侧逐步送往出料侧。其动作为变速运动，实现对坯料的软接触。运行平稳、抬起、踏步、倒退、并对步距加以修正。升降缸平移缸的行程选择留有一定的余量，便于行程的调整和检修时位置控制。在每个斜面的下部设有安全挡座，由于升降缸行程留有余量，步进机械安装，检修时，可使框架降到斜轨上的挡座上，从而使液压缸处于无负荷状态，便于安装，拆卸，检修。升降缸，平移缸装配了两套外置式线性位移传感器。该型传感器位置控制精确，安装，检修方便[5]。1.7.2步进式炉的特点步进式加热炉与推钢式连续加热炉相比具有下列优点:①可以加热各种尺寸、形状的钢坯，特别适合推钢式炉不便加热的大板坯和异型坯。②炉子生产能力大，炉底强度可以达到800～1000kg/(m2·h)，与推钢式炉加热等量钢坯相比，炉子长度可以缩短10%～15%。③炉子长度不受推钢比的限制，不会产生拱钢、粘钢现象。④炉子的灵活性大，在炉长不变的情况下，通过改变钢坯之间的距离，就可以改变炉内坯料的数目共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊，以适应产量变化的需要。而且步进周期也是可调的，加大步距即可缩短钢坯在炉时间，从而可以适应不同钢种加热的要求。⑤由于钢坯不在炉底滑轨上滑动，钢坯下表面不会有划痕，并且钢坯的“黑印”也少，加热质量好。推钢式炉因推力振动，而造成滑轨及绝热材料经常损坏，需要经常维修，而步进式炉不需要这些维修。⑥轧机有故障或停轧时，能将钢坯退出炉外，以免钢坯长期停留在炉内造成氧化和脱碳。⑦可以准确计算和控制加热时间，便于实现加热过程的自动化。步进式炉的缺点是:炉子造价比推钢式炉高15%～20%，炉子耗水量和热耗量也高些。经验表明，在同样小时产量情况下，步进式炉的热耗量比推钢式炉高167.5kJ/kg。由于上述特点，因此步进式加热炉得到发展，特别在中小型合金钢厂得到更为广泛的使用。但这种炉子步进机构比较复杂，设备重量大，需要消耗一部分耐热金属材料，因此造价高，比一般连续武加热炉投资高30％左右。另外，这种炉子设备施工、安装要求严格。如安装不当容易发生坯料跑偏现象。1.7.3步进梁的速度控制图1-18步进梁运行轨迹示意图步进式加热炉工作时，动梁要将钢坯托起并移位，为了做到轻拿轻放保护设备、避免弯钢，需要对步进梁的各阶段运行速度及加速度进行控制。加热炉步进梁前进有三种速度：慢加速前进、快速前进、慢减速前进。加热炉步进梁后退有三种速度：慢加速后退、快速后退、慢减速后退。加热炉步进梁上升有四种速度：慢加速上升、快速上升、慢速上升、慢减速上升。加热炉步进梁下降有四种速度：慢加速下降、快速下降、慢速下降、慢减速下降。在步进梁接近固定梁面时，放慢步进梁的上升速度，以使步进梁轻接触固定梁上的钢坯，同样下降时也是如此。动梁运行轨迹如图1-18所示，其运行速度如图1-19所示[16]。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1-19步进梁运行速度示意图1.8天然气成分和性质天然气通常指从不产油只产气体的气井中喷出的气体。天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等低分子烷烃。除此之外还含有N2，CO、H2S等。其组成随产地而异，往往差别很大。根据天然气中甲烷和其他烃的含量不同，天然气大致可分为两种。一种是含有甲烷成分多的，叫做干天然气，也叫做干气或贫气。干天然气中通常含甲烷80--一90％，个别气井中甲烷含量高达99．8％。因为甲烷比较难液化，故称干气。它可以做燃料，也可以做化工原料。另一种称为湿天然气，又叫湿气或富气。它除含有甲烷外，还含有较多的乙烷、丙烷和丁烷。这种天然气在加压和降温的情况下较易液化，故称湿气。湿气中乙烷，丙烷、丁烷可裂解制乙烯，丙烯，因此是裂解的原料。纯天然气的热值是36220KJ/Nm3（9651千卡/Nm3）[天然气热值的一般取值是36000KJ/Nm3（8600千卡/Nm3）]；绝对密度是0.6844Kg/Nm3；相对密度是0.5682。这说明，天然气比空气轻。天然气在密闭空间内泄漏，将积聚在密闭空间的上部；在大气中放散，将上升至天空。天然气从气井采出后流经节流件时，由于节流作用，使气体压力降低，体积膨胀，温度急剧下降，就有可能产生水合物而影响生产。为防止水合物的生成，广泛采用加热的方法来提高气体温度。其实质是通过提高节流前天然气温度使节流后天然气温度处于其形成水合物的温度之上，而确保不形成水合物。1.8.1天然气处理（一）分离与除尘天然气输送系统中的液体和固体杂质主要来自三方面：(1)采气时井下带来的凝析油、凝析水、岩屑粉尘；(2)管道施工时留下的脏物和焊渣；共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊(3)管内的锈屑和腐蚀产物。输气管道中气体的含尘量一般为1—23mg／m3，除尘不好的可高达7～103mg／m3。粉尘中以氧化铁最多，占90％以上。天然气的含尘量，前苏联国家标准规定：生活用气含尘量为lmg／m3，工业用气为4—6mg／m3。但是，天然气压缩机的要求远比这些规定严格的多，一般是含尘量小于0．2～0．5mg／m3，含尘粒径小于10—30μm；有的要求含尘量小于0．05mg／m3，最大粒径不超过5μm。为了减少粉尘和防止仪表、调压阀的指挥机构等因为堵塞而失灵，常采用如下措施：(1)脱出天然气中的水蒸气、氧、硫化物、二氧化碳等组分，减少管内腐蚀；(2)采用管内壁防腐涂层保护管材；(3)定期清扫管线；(4)在允许的情况下，采用所能达到的最低流速输气，减少气流冲击腐蚀和携尘能力；(5)在集气站、压气站、配气站、调压计量站等处安设分离器、除尘器和过滤器，脱出各类固(液)体杂质。常用的分离器与除尘器有重力式分离器、旋风分离器、多管旋风分离器等。(二)天然气脱水含水量较多的天然气在长距离的输送过程中，常常产生下列问题：(1)水汽与天然气的某些组分生成冰雪状水合物，堵塞管道和仪表；(2)凝结水积聚在管道的低洼部位，降低管道的输气能力，增加动力消耗；(3)酸性气体如H：S、CO：等溶于水，造成内壁腐蚀。因此，天然气长距离输送前必须有效地脱除其中的水分。所谓有效地脱除，就是在输送的最高压力和最低温度下，天然气中的水分尚处于不饱和状态，相对湿度为60％～70％，或者是输送压力下天然气的露点比最低环境温度低5～10℃[20]。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2设计方案1.炉子生产率的确定年产量为1.19×106吨，一年炉子按照正常工作330天，检修30天。设计小时产量为150t/h。2.燃料的选择选用天然气，成分(干成分)为：表2-1天然气干成分（%）成分天然气5-3.7--901.33.炉型的选择采用三段步进梁式加热炉优点：（1）钢料靠步进梁的运动在炉内通过，钢料之间可以留出间隙，不会粘结；还能缩短加热时间，坯料表面氧化少，烧损少(约0．5％～1％)。（2）钢料和步进梁之间没有摩擦，避免钢料表面在加热过程中产生划伤；密封性好。（3）炉子长度不受推钢长度的限制。（4）设备结构简单紧凑，机械化程度高，劳动条件好，维护检修都较方便。（5）通过改变钢料之间的间隙、步进梁的水平行程和步进周期的时间，使加热操作比较灵活。4.供热方式由于步进梁式加热炉下部的冷却水管较多，布置端烧嘴受到限制，本设计采用上部平焰烧嘴与下部侧烧嘴相结合的供热方式。5.装出料方式采用端进端出的装出料方式。6.步进梁式加热炉冷却水管采用绝热包扎，包扎材料为高铝质耐火材料。7.炉底步进机构采用全液压传动双轮斜台面结构，主要由平移框架和升降框架组共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊成，平移和升降各配有导向装置。8.炉体结构加热炉钢结构分炉底钢结构，装出料钢结构，炉顶钢结构，侧墙钢结构，烟道钢结构和炉顶平台，炉子骨架底座是由大型槽钢和宽缘工字钢组成的整体框架，周围立柱为普通的型钢，炉顶为大型宽缘普通工字钢。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3设计计算3.1热工计算原始数据(1)炉子生产率：P=150t/h(2)被加热金属：1）种类：优质碳素结构钢（20#钢）2）尺寸：200×1200×6000（mm）（板坯）3）金属开始加热（入炉）温度：t始=20℃4）金属加热终了（出炉）温度：t终=1200℃5）金属加热终了（出炉）断面温差：t≤20℃(3)燃料1）种类：天然气2）天然气不预热：t天=20℃表3-1天然气干成分（%）成分CH4C3H6C3H8C4H10H2H2SCO2N2百分含量97.200.700.20-0.100.101.000.70(4)出炉膛烟气温度：t废膛=800℃(5)空气预热温度（烧嘴前）：t空=400℃3.2热工计算3.2.1天然气干湿成分换算查《燃料及燃烧》附表5，根据天然气温度t天=20℃，得(干气体)，代入《燃料及燃烧》P20页式：H2O湿=共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊X湿%=X干%得H2O湿==×100%=2.29%CH4湿=CH4干×=97.20×=94.97同理得：C3H6湿=0.68；C3H8湿=0.20；H2湿=0.10；H2S湿=0.10；CO2湿=0.97；N2湿=0.68表3-2天然气湿成分(%)成分CH4C3H6C3H8C4H10H2H2SCO2N2H2O合计百分含量94.970.680.20-0.100.100.970.682.291003.2.2计算天然气低发热值Q低天=4.187×(2580×H2+8550×CH4+20550×CH4+21800×C3H6+5520×H2S)=4.187×(2580×0.001+8550×0.9797+20550×0.0068+21800×0.002+5520×0.001)=35873KJ/标m33.2.3计算理论空气需要量把表2-2中天然气湿成分代入《燃料及燃烧》式(4-8)得：=4.76[0.5×0.1+2×94.97+4.5×0.68+5×0.2+1.5×0.1]×10-2=9.24标m3/标m33.2.4计算实际空气需要量查《钢铁厂工业炉设计手册》上册表5—12，取n=1.2代入Ln=nL0=1.2×9.24=11.09标m3/标m3共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.2.5计算燃烧产物成分及生成量（1）把表2-2中天然气湿成分代入《燃料及燃烧》式(4-16)=（0.97+94.97+3×0.68+3×0.2）×=0.99标m3/标m3VSO2"=H2S湿×=0.1×=0.001标m3/标m3VH2O"=（H2湿+2×CH4湿+3×C3H6湿+H2O湿）×1100+0.00124gLn=0.10+2×94.97+3×0.68+4×0.20+0.10+2.29×+0.00124×18.9×11.09=2.21标m3/标m3VN2"=N2湿+=0.68×1100+79100×11.09=8.77标m3/标m3VO2"=21100Ln-L0=×(11.09-9.24)=0.39标m3/标m3（2）燃烧产物生成总量Vn=VCO2"+VSO2"+VH2O"+VN2"+VO2"=0.99+0.001+2.21+8.77+0.39=12.36标m3/标m3（3）燃烧产物成分共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊将燃烧产物生成量及成分列于下表表3-3天然气燃烧产物生成量（标m3/标m3）及成分（%）成分名称合计生成量（标m3）0.990.0012.218.770.3912.36体积含量（%）8.010.0117.8870.953.161003.2.6计算天然气燃烧产物重度按燃烧产物质量计算把表2-3中燃烧产物体积百分含量代入共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊Kg/m3=1.23kg/Nm33.2.7计算燃料理论燃烧温度理论燃烧温度是评价燃烧过程的一个重要指标，也是用于分析炉子的热工作和热工计算的一个重要依据，对于燃料和燃烧条件的选择、温度制度和炉温水平的估计以及热交换计算等，都具有实际意义。理论燃烧温度为某成分的燃料在绝热条件下，完全燃烧所能达到的最高温度。由t空=400℃，查表得C空=1.3566kJ/标m3。设t产=1800～2100℃，查《重有色冶金炉设计参考资料》附表3-8得=2.437kJ/标m3·℃;=1.985kJ/标m3·℃;=1.491kJ/标m3·℃;=1.574kJ/标m3·℃=0.0801×+0.1788×+0.7095×+0.0316×=2.437×0.0801+1.985×0.1788+1.491×0.7095+1.574×0.0316=1.658kJ/标m3·℃=2.04×0.9497+3.589×0.0068+6.218×0.002+1.302×0.001+1.633×0.001+1.930×0.0097+1.315×0.0068+1.566×0.0229共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊=2.016kJ/标设，得，在所设温度范围内，因此，可满足连续式加热炉加热工艺要求。3.3炉膛热交换计算计算目的是确定炉气经过炉壁对金属的导来辐射系数，计算方法与步骤如下：3.3.1预确定炉膛主要尺寸①炉膛宽度：式中——料坯长度mm；a——料坯之间和料坯端头与炉墙内表面的距离，一般取～300mm；n——炉内物料摆放排数，这里取单排；对于砌砖炉体结构，为砌筑施工方便，炉体宽度应为耐火砖宽度（0.116m）的整数倍，经计算，为满足耐火砖的宽度整数倍的要求，所以取；②炉膛高度：查《火焰炉设计计算参考资料》表2-3，对三段式连续燃气中型加热炉，取炉膛高度分别为，，（下炉膛高度比上炉膛高300mm，均为H下=1800mm）；③炉膛长度：设加热段长度为L加，预热段长度为L预，均热段长度为L均；④炉顶结构：内宽B>4m，用平顶；⑤出料方式：端出料。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.3.2计算炉膛相关尺寸①各段炉底面积②各段炉墙（侧墙）和炉顶（平顶）内表面积③各段包围炉气内表面积④各段充满炉气的空腔体积V加=V预=m33.3.3计算各段平均有效射线行程共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊查《钢铁厂工业炉设计手册》，各种形状的气层中，沿不同方向的射线行程的长度并不都相等，计算辐射时要采用平均射线行程。m式中：—气体辐射有效系数，一般与气体黑度，几何形状有关，取=0.85～0.9F—围绕气体的容积表面积m2V—气体所充满的容积m33.3.4计算炉气中二氧化碳和水汽分压由燃料燃烧计算，得PCO2==0.0801大气压PH2O==0.1788大气压3.3.5计算各段炉气温度由《工业炉设计手册》知，炉温与钢材表面温度之差为温度位差，对于一般加热炉，一般不超过50～100℃，①设加热段炉气温度比加热终了时金属表面温度高100℃，即共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊②取均热段炉气温度比加热终了时金属表面温度高50℃③预热段炉气温度变化规律近似为线性变化，即3.3.6计算各段炉气黑度不含微粒烟气的黑度，等于各辐射气体黑度的和。按《重有色冶金炉设计参考资料》式3-64得:①加热段（1300ºC）②预热段(1050ºC)③均热段（1250℃）共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.3.3.7计算各段炉墙和炉顶对金属的角度系数对于平顶，单排料加热炉:①②③3.3.8计算各段导来辐射系数导来辐射系数式中：，—炉气、炉料的黑度，炉壁对炉料的角度系数，，为炉料与炉壁的面积，共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊对于钢铁，，取，代入得①=10.25②=12.18③=11.24=10.973.4金属加热计算计算方法是将炉子分为三段：均热段，加热段和预热段。预热段和加热段采用热流等于常数的边界条件求解。均热段则采用第一类边界条件（表面温度不变）分析求解。钢材加热是通过炉内热交换完成的，炉内热交换方式有三种基本类型即：辐射传热，对流传热，传导传热。金属在加热段和预热段的加热时间（双面加热）根据金属在每段内的热焓增量及传向金属表面的平均热流计算确定。欲求金属在各段的热焓增量与平均热流，须先确定每段始端和末端的炉气温度和金属温度。A．炉气温度：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊(1).预热段始端的炉气温度已知（加热工艺给出的出炉膛的废气温度）。(2).对于三段连续加热炉理想温度制度来说，加热段炉气温度沿加热段长度方向保持不变，可根据加热终了时工艺要求的断面温差计算确定。B．金属温度：(1).预热段始端的金属温度已知（加热工艺给出的金属入炉温度）。(2).预热段和加热段交界处的金属温度，可根据炉子总的热平衡与区段热平衡之间的相互关系计算确定。(3).加热段和均热段交界处以及均热段末端的金属断面平均温度可根据公式算出。假设预热段始端、末端、加热段末端、均热段末端的位置分别为0、1、2、3。3.4.1计算3界面处金属加热有关参数已知金属表面温度和断面温差，求加热段炉气温度。金属表面温度t表终＝1200℃金属断面温差t终=20℃，求均热段时间及温度参数。①计算金属断面平均温度t均3=t表终-t终==1187℃②计算金属上表面热流由《火焰炉设计计算参考资料》式(3-24)可得在此温度下，钢的导热系数约为所以，③计算均热段炉气温度=共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊=1229℃注：计算结果与前面假设温度相近，故不必再重新假设。④求热焓在1187℃时，Cp=0.6866kJ/(kg﹒℃)，则热焓为i=Cp×t=1187×0.6866=815kJ/kg⑤均热时间式中：—均热度—金属均热开始时的表面与中心温度差，假设△t始=30℃。—金属均热终了时的表面与中心温度差因为查《钢铁厂工业炉设计手册》P288，图8—25，对于大平板：=0.66时，由《火焰炉设计计算参考资料》表3-7得导温系数=0.021所以3.4.2计算2界面处金属加热有关参数设加热段加热终了时，金属断面温差=30℃钢坯平均温度共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（1）加热段末端钢坯表面热流查设计手册，在1180℃时，钢的导热系数约为（3）加热段炉气温度==1241℃与假设温度相符，故不必再假设。（4）加热段内钢坯热焓加热段内钢坯平均温度1180℃，查表Cp=0.6883kJ/(kg﹒℃)3.4.3计算1界面处金属加热有关参数①计算炉膛燃料利用系数查《重有色冶金炉设计参考资料》附表3-7，当t空=400℃时，空气的比热C空=1.357；当t废膛=800时，天然气燃烧产物比热，，共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊②加热段燃料利用系数式中：加热段流入预热段的废气温度t废加=1241℃，计算得t废加温度下废气比热代入得：③计算金属在预热段的热焓增量由《火焰炉设计计算参考资料》式（4-39）式中：，加热段向预热段辐射热量；q—辐射热流，这里取；F—界面面积；其中，金属在炉膛中的总热焓增量：所以共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊④求金属平均温度设t均1=570℃，查《火焰炉设计计算参考资料》表3-3得，则假设值与计算值一致，因此不必重算。⑤计算金属表面热流式中：—加热段导来辐射系数，=11.75—加热段炉气温度，=1241℃t均1—加热段始端钢坯加热温度，t均1=580℃S—热透深度，S=0.1m查《火焰炉》P212页得，℃时，所以，对上式采用顺序渐进法求解:首先令，代入上式得共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊则：代回上式重新计算，得：反复迭代，得，则因为，误差极小，不必再计算。所以，取⑥计算金属表面温度⑦计算金属断面温差⑧计算金属中心温度⑨计算金属热焓值共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊根据℃，查得，则3.4.4计算0界面处金属加热有关参数已知，则金属表面热流:3.4.5计算各段平均热流①预热段内平均热流，按《火焰炉设计计算参考资料》式(3-15)得，②加热段内平均热流，按《火焰炉设计计算参考资料》式(3-16)得，③均热段平均热流3.4.6计算各段金属加热时间共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊加热时间指的是将物料加热到工艺要求温度所必需的总时间，这个时间受钢种、物料的形状、尺寸及其在炉内的布置、炉型结构以及热工制度等一系列因素影响。①预热段金属加热时间由《火焰炉设计计算参考资料》式(3-6)，式中：S—透热深度，m；—金属密度，kg/m3;—金属在加热过程中的热焓增量，kJ/kg;K1—金属形状系数；平板K1=1，圆柱K1=2，球体K1=3q表——通过金属表面热流密度，②加热段金属加热时间金属在加热段的热焓增量，则③均热段金属加热时间前面已经计算得，④总加热时间修正加热时间：由于步进梁式加热炉坯料之间有间隙，从而受热面增大（三面或四面受热），显然加热时间有所缩短，但与此同时单位面积上摆放的料坯数量减少了，这一因素有可能使得单位炉底的生产率较无间隙时的推钢式炉子的有所下降。整个炉子的生产率就有一个最大值。其影响因素就是在于炉子坯料之间的间隙的大小。由经验得知：当被加热坯料之间的间隙是其坯料宽度的0.4－0.5倍时，炉子生产率是最大。这里我取宽度a=0.4b=0.4×1200=480mm.共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊有间隙时，炉膛对炉底的角系数（它就是间隙开口对炉底的角系数）：其中：δ—为料坯的厚度，m；a—为料坯之间的间隙，m。则炉膛对坯料两侧面的角度系数（它也等于间隙内炉底对坯料的角度系数）：又料坯在炉内的加热时间是和单位时间内所获得的热量成反比的，由此可得到有间隙时与无间隙时的连续式加热炉的加热时间之比，即相对加热时间为：式中：η—为相对加热时间，即有间隙和无间隙时的加热时间之比。又因：=0.67所以：真正炉子的各段加热时间：⑤单位加热时间由《火焰炉设计计算参考资料》式（3-36）得，符合一般炭素结构钢的单位加热时间要求（0.1-0.15h/cm）。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.5炉子主要尺寸确定3.5.1炉子长度计算(1)有效长度，按《火焰炉设计计算参考资料》式（8-2）得：式中:P—炉子生产率，P=150t/hb—料坯宽度;b=1200mmg—料坯平均单重取116的整数倍47096mm.(2)预热段长度取116的整数倍15080mm.(3)加热段长度取116的整数倍27028mm(4)均热段长度取116的整数倍数为4988mm(5)炉子总长度由《火焰炉设计计算参考资料》式8-3得：式中：A—炉子出料端端墙外缘到出料口距离，这里取920mm；共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.5.2炉门数量和尺寸连续式加热炉炉门有进料炉门、出料炉门、操作炉门、窥视炉门、人孔等，这些炉门数量和尺寸的确定总的原则是:在满足操作要求的条件下，炉门数量越少，开门尺寸越小越好，这样可以减少炉门的散热损失，提高炉子的热效率。主要炉门确定如下:(1)进料门炉门宽度B进：连续加热炉通常都是采用端进料，其宽度等于炉膛内宽B，即B进=B=6.612m。炉门高度H进：是指步进炉子的固定梁（或底）上表面至炉门上沿下表面之间的距离。步进炉一般可取大于料坯（方坯或板坯）厚度与步进高度之和，这里取600mm。进料炉门数量：1个（炉尾端部）(2)出料门由于本设计采用的是端出料方式，所以出料门与进料门，基本尺寸、数量相同。其最大不同就是由于出料端温度很高所以出料门带了水冷管，由型钢和钢板焊接而成，内衬浇注料。(3)操作炉门用做操作之用，如进出返回钢坯，清除氧化铁皮等。三段连续加热炉一般设在均热段和加热段，每侧2～3个操作炉门，炉门开孔尺寸以操作方便为准，通常为：464～580mm(宽)×400～500mm(高)，本课题每侧3个共6个。尺寸：500（宽）×450（高），采用60度拱顶。(4)人孔供操作人员检修炉内设备时进出之用。开设位置通常在加热段。每侧1个，共2个。人孔下沿为车间地平面上100-150mm，取100mm，其结构一般为180。拱顶，尺寸一般为580mm(宽)×(800～1000)mm(高)，取580mm(宽)×650mm(高)。人孔与其它炉门不同，当炉子正常工作时，用耐火砖砌堵封严，共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊只有停炉检修时才拆开。3.5.3炉膛各部分用耐火材料以及尺寸的确定炉顶:当B>4m时，一般采用吊顶.吊顶根据温度条件多选用各种浇注料，与使用可塑料相比，可缩短修炉周期，提高炉子作业率，从而降低燃料消耗，本设计采用耐火混凝土浇注料，它强度高，材料易得，施工方便，适用与无酸碱侵蚀及一般炉子或热工设备内衬，本设计采用硅质耐火浇注料230mm和硅藻土耐火浇注料120mm。炉墙:当炉墙不太高时，一般用232～464mm粘土砖和116～232mm绝热砖双层结构，故本设计选用348mm(3块)粘土砖和116mm(1块)绝热砖，其中绝热砖选用硅藻土砖。3.5.4炉底水管尺寸的确定1）纵水管（固定梁）间距：式中：—纵水管最大间距，米；—坯料最小厚度，米。则有：悬臂长取。那么，纵水管外侧钢坯端头尺寸。为了满足钢坯不“掉道“的要求，一般，即。本设计，合乎要求。根数：由《火焰炉设计计算参考资料》式（8-8）得根式中：n-纵水管根数；L-料坯长度，mm；共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊-纵水管间距，mm。当n<2时取2根，n>2时取3根。这里取3根。由于是单排料，因此=3根。规格：按经验取φ127×18mm2）横水管间距：为了减少水冷损失，根据经验，在加热段、均热段横水管的间距取2320mm，预热段用基墙支撑根数：这里取15根规格：按经验取Φ127×183）支柱水管：间距为1300mm，规格：φ140×18mm。3.5.5炉子结构和操作参数1）有效炉底面积：2）钢压炉底面积：3）炉底利用系数：4）有效炉底强度：5）钢压炉底强度：3.6炉膛热平衡与燃料消耗量计算基准温度为车间内环境平均温度，设其为℃。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.6.1炉膛热收入Q入1）炉料燃烧化学热Q烧设炉膛燃料消耗量为B(标m3/h)，则2）预热空气进入炉膛物理热Q空，由《火焰炉设计计算参考资料》式（4-2）查表1-5，空气在400℃时C=1.296kJ/（标m3.℃），则3）金属氧化放热Q放由《火焰炉设计计算参考资料》式（4-4）式中:5588—1千克铁氧化时放的热量，P—炉子的生产率a--氧化烧损率%，氧化烧损率一般为0.01～0.02，这里取a=0.015所以，3.6.2炉膛热支出Q出1）加热金属带出物理热Q由《火焰炉设计计算参考资料》式（4-5），共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊式中：—分别为产品出炉温度和物料入炉平均温度；—分别为产品在0-℃和物料在0-℃之间平均比热容由，=0℃。查《火焰炉设计计算参考资料》表3-3得，则：2）出炉膛废气带出的物理热损失Q式中:—单位燃料燃烧时产生的烟气量t—炉膛废气温度、—分别为废气在0～t和0～t之间的平均比热容t=800℃，t=20℃查《火焰炉设计计算参考资料》表（1-5）得同理得：所以，3)炉底水管冷却水带走的物理热损失共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊按理论法计算，冷却水的入口温度为40℃，出口温度为60℃所以管壁平均温度为℃因为，烟气平均温度℃按式（4-8）所以，由公式；即4）炉壁导热损失它包括炉底、炉顶、炉墙以及炉门关闭时的热损失。由《火焰炉设计计算参考资料》式（4-14）式中:t壁—炉壁内表面温度，共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊T环—炉子周围环境温度S—各层耐火材料砌筑厚度λ—各层耐火材料的导热系数0.014—炉墙外表面向周围大气传热热阻，F—炉壁外表面积(1)炉膛内表面平均温度的计算①均热段已知:M均=0.8，代入得②加热段已知:=0.54g加=0.372M加=0.8，代入得共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊③预热段已知:=0.70g预=0.354M预=0.8，代入得(2)环境平均温度:=20℃(3)炉壁导热损失的计算①预热段炉墙导热损失的计算本设计炉墙选用348mm(3块)粘土砖和116mm(1块)绝热砖，其中绝热砖选用硅藻土砖。预热段炉墙导热损失，已知查《工业炉设计手册》P184设交界处共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊则：粘土砖平均温度硅藻土砖平均温度则：所以：验算假设砌体平均温度的正确性：与假设相差较大，故重新假设设则：，则：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊所以：验算：与假设结果相差很小（<5%），故不必再假设。那么：预热段炉墙粘土砖与硅藻土砖交界处实际温度：预热段炉墙外表温度：②同理可计算出其他部位炉墙及炉顶导热损失，计算结果列于表2-4。表2-4炉壁各部位导热损失表炉壁部位炉壁内表面积(m2)导热损失(kJ/h)炉壁外表温度(℃)预热段炉墙84.4534708179加热段炉墙216.221339718108均热段炉墙32.92218633112预热段炉顶99.7118549292加热段炉顶178.711371199122均热段炉顶32.98265956134共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊合计644.993728079（平均）107.85）经炉门的散热损失=+(1)经炉门的辐射热损失查《火焰炉设计计算参考资料》式（4-17）=20.43(式中：—炉门处的炉气温度，K—炉门的遮蔽系数，一般取0.5-0.8—单位时间内炉门开启时间（≤1.0h）①经出料炉门的辐射热损失均热段炉气温度=1225+273=1498K炉门开启面积取单位时间开启时间=0.5，遮蔽系数=0.6，则②经进料炉门的辐射热损失取单位时间开启时间=0.5，遮蔽系数=0.8，则所以=+=(2)经炉门的溢气损失由《火焰炉设计计算参考资料》式（4-18）共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊式中：—单位时间内的炉气溢出量，标m3/h;—炉门在单位时间内的开启时间；—溢出的炉气温度，℃；—分别为炉气在0-℃和0-℃之间的平均比热容，kJ/标m3.℃其中：式中：—流量系数，厚墙取0.82，薄墙取0.62，—炉门的开启高度，米b—炉门的宽，米—空气和炉气在各自温度下的密度，kg/标t气—溢出的炉气的温度，—气体膨胀系数，g—重力加速度①查《火焰炉设计计算参考资料》表1-5，t气=1225℃时，;t环=20℃时，。取=0.5共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊则：②查《火焰炉设计计算参考资料》表1-5，t气=800℃时，;t环=20℃时，。取=0.5则：所以，综上：6）其他热损失它是指在热平衡中不易计算的，比方说：砌体的砖缝不严、炉子使用时间过长使得保温材料的性能和炉子的密封性能降低以及一些无法精确考虑的小孔所产生的热损失这里按经验选取：=0.03因此：=++++23.6.3炉膛热平衡式与燃料消耗量1）炉膛热平衡式即：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2）燃料消耗量由炉膛热平衡式可得燃料消耗量标3.6.4炉膛热平衡表将上述计算计算数据总结，列入表3-5表3-5炉膛热平衡表炉膛热收入炉膛热支出序号项目热量%序号项目热量%1燃料燃烧化学热211.4782.531加热金属物理热122.4347.782预热空气带入物理热32.2012.572出炉膛废气物理热82.7432.293金属氧化放热12.574.913冷却水带出物理热36.2914.1644炉壁导热损失3.731.4655经炉门热损失3.371.3266其它7.693.00合计256.24100合计256.241003.6.5炉子工作指标①单位燃耗:标/t(钢)②单位热耗:(钢)③炉膛热效率:共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊④炉子热效率:注：为了给炉子提高生产率留有余量，在选择烧嘴数量及燃烧能力时，炉子实际燃料消耗量可为计算值的1.1倍，即3.7天然气烧嘴的选用3.7.1选择依据1）燃料种类:天然气；2）煤气低发热值:35873kJ/标m3；3）炉子最大燃料消耗量:B=6484.5标m3/h；4）炉子最大湿空气需要量:5）预热空气温度：=400℃；6）供热分配：上加热25%，下加热50%，上均热8%，下均热17%；3.7.2烧嘴选型和烧嘴布置1）烧嘴类型的选择步进梁式的连续式加热炉产量大、炉子生产率高，加热炉的炉子温度高（加热段的炉气温度为1241℃），炉子温度的均匀性好，因此烧嘴的燃烧要有一定的长度和铺展面；天然气烧嘴的型号见《工业炉设计手册》表6-17和表6-37。上加热和上均热采用TP2-75烧嘴；下加热和下均热采用TGW-8烧嘴。上加热：供热量：6484.5×0.25=1621.13标m3/h需要烧嘴数量：1621.13÷75=21.9个，这里取24个。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊烧嘴安装间距：6612÷（3+1）=1653mm，满足烧嘴最小安装间距。下加热：供热量：6468.5×0.5=3234.25标m3/h需要烧嘴数量：3234.25÷250=12.94个，这里取14个。烧嘴安装间距：27028÷（7+1）=3378.5mm，满足烧嘴最小安装间距。上均热：供热量：6468.5×0.08=517.48标m3/h需要烧嘴数量：517.48÷75=6.9个，这里取9个。烧嘴安装间距：6612÷（3+1）=1653mm，满足烧嘴最小安装间距。下均热：供热量：6468.5×0.17=1099.65标m3/h需要烧嘴数量：1099.5÷250=4.39个，这里取6个。烧嘴安装间距：6612÷（3+1）=1653mm，满足烧嘴最小安装间距。3.8空气换热器设计计算3.8.1已知数据1）出炉膛烟气温度(由工艺给出)：t废膛=800℃；2）出炉膛烟气流量：3）进换热器空气温度：t空入=20℃；4）烧嘴前要求空气预热温度：t混=400℃；5）预热空气流量(按设计燃料消耗量B计算)：3.8.2设计数据1）进换热器烟气温度（考虑烟道降温损失）：=750℃；2）进换热器烟气流量：m--换热器前烟气溢气损失系数，一般m=0.05～0.3，这里取m=0.1，则共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊；3）进换热器空气温度（地区大气平均值）：t空入=20℃；4）出换热器空气温度(考虑热网管道降温损失)：t空出=430℃；5）预热空气流量(考虑生产率提高10%的可能性):V空=1.1×65376=71914标m3/h。3.8.3设计方案1）换热器种类：金属换热器；2）换热器结构：平滑直管金属换热器（带“—”字形纽带插入件）；3）换热器规格：φ95×4.0mm；4）换热器布置：顺（直）排，换热管中心距，x1=x2=0.19m；5）换热器气流方向及流速:逆叉流，管外流烟气，设；管内流空气，设V空，=8标m/s3.8.4设计计算1）计算换热器烟气温度式中：—换热器热利用系数，取其为0.9；—分别为烟气和空气的平均比热，查《火焰炉设计计算参考资料》表1-5可得，假设t烟出=310℃共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊所以，与假设烟气出口温度相近，故确定换热器烟气出口温度t烟出=310℃。2）计算换热器平均温差（1）计算预热空气在换热器中获得的热量（2）计算换热器中烟气与空气的平均温压（℃）查《重有色冶金炉设计参考资料》图4-4得得共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.8.5结构设计（1）换热管排列由《重有色冶金炉设计参考资料》表4-6查得Φ95×4mm无缝钢管的流通截面，取空气在管内流速，则一个行程内空气具有的流通面积；一个行程内换热管的根数为：空气具有的实际流通面积：空气的流速为：烟气在管外流动，换热管成顺排式，并取管中心距：在垂直烟气流动断面上排m=21列管，则在烟气流动方向上排列：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图3-1管群排列图管群排列方式见下图（图3-1）取烟气在管群最窄截面处流速，则烟气应具有的流通截面：管群最窄截面处管间宽度：则烟气通道应具有的高度：取换热管长度。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊则实际烟气流通截面为：实际烟气流速：（2）空气给热系数空气平均温度：因为，管内径，查《重有色冶金炉设计参考资料》图3-2得Re=32000，可知空气在管内属紊流状态。查图3-6得空气对流给热系数，因空气属加热，需要乘以修正系数，为此设壁温则查《重有色冶金炉设计参考资料》图3-5得。又因，查表3-3得，按公式3-23求得空气给热系数：(3)烟气给热系数1）对流给热系数烟气平均温度：由附录三查得532℃时烟气各组分的运动粘度系数：，，，，烟气近似运动粘度：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊烟气雷诺数：因Re在范围内，故可按公式3-41求烟气的对流给热系数；查《重有色冶金炉设计参考资料》图3-12，得；查表3-14得；沿气流方向管列数n=20;查表3-13得ψ=1.0；532℃时查表3-12得；烟气含水17.88%，查图3-11得，故2)辐射给热系数烟气有效射线长度，查表3-20得所以查图3-16，图3-17，图3-18得当时所以当时，共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊所以设管壁的黑度，按公式3-74B：按公式3-80B和公式3-74A得：故（4）传热系数不考虑管壁及污垢层的热阻，按公式4-12A得（5）有效换热面按《重有色冶金炉设计参考资料》公式4-4考虑烟尘沾污换热管使传热降低，故增加10%换热面积，所以共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（6）换热器行程由表4-6查得φ95×4mm无缝钢管每1米长加热面，。则一个行程的加热面为：换热器的行程：最后确定换热器的总加热面：3.8.6换热器验算(1)换热器材质本换热器内气流为逆叉流式，烟气入口处和空气出口处管壁温度最高，烟气出口处和空气入口处管壁温度最低。分别代入《火焰炉设计计算参考资料》式（5-24）有：其中：—烟气侧和空气侧的给热系数，烟气和空气温度，查《火焰炉设计计算参考资料》表5-5，换热管可采用两种材质，即表面渗铝碳钢管和碳钢管。换热管烟气入口处换热管采用表面渗铝碳钢管，其余换热管采用碳素钢管。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（2）空气出口温度当时，，则空气的水当量为当时；则烟气的水当量：水当量之比：按《重有色冶金炉设计参考资料》公式4-15；按《重有色冶金炉设计参考资料》公式4-13此空气出口温度是指换热器在刚投产时的温度，考虑使用过程中烟尘沾污换热面，现取污垢热阻0.0002（表4-4），则K值降为78.53，算出θ=0.607，按公式4-13得，仍能满足要求。（3）烟气出口温度由《重有色冶金炉设计参考资料》公式4-16得共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊考虑到换热器使用过程中烟尘沾污换热面，按上述，按公式4-16得，仍能满足前面确定低于314℃的要求（4）传热系数按最终换热面积为1861.5，则传热系数设计值为：3.8.7阻力计算阻力计算示意图见图3-2阻力计算示意图(1)空气阻力1）摩擦阻力空气平均温度：换热管长度（4行程总长）L=4×3.1=12.4m，管内径，空气重度，空气流速，查图3-2得，可知属于紊流状态，按公式4-22和表4-5得摩擦阻力系数：按公式4-21：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2）局部阻力空气入口渐扩，其中，，，查《重有色冶金炉设计参考资料》附表六得其阻力系数为突然扩大的局部阻力系数的0.8倍。则入口渐扩的局部阻力系数：空气出口渐缩，其中，而且，出口渐缩角α=30°，查附录六得出口渐缩的局部阻力系数：换热管入口的局部阻力系数，换热管出口，空气在空气室内转180°弯的局部阻力系数，换热器空气入口与出口的温度修正系数按公式4-23A；按《重有色冶金炉设计参考资料》公式4-23得共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊因为几何压头，故空气的总阻力损失（2）烟气阻力沿烟气流动方向换热管的总列数：烟气平均温度，由传热计算知Re=20895，对角线中心距：则管群阻力系数按公式4-26A计算；温度修正系数烟气的重度：烟气在管群最窄截面处的流速，按公式4-25：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.8.8计算换热器热效率由《火焰炉设计计算参考资料》式（5-25）得3.9空气管路阻力损失计算及鼓风机选择3.9.1计算条件1)进换热器空气流量（鼓风量）：；2)出换热器空气流量（考虑换热器漏风损失5%）:3)进换热器空气温度（当地大气平均温度）：；4)出换热器空气预热温度：；5)换热器前空气管道中空气流速计算得：；6)换热器换热管中空气流速（换热器设计值）：；共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊7)换热器后空气管道中空气流速：；8)空气量分配：上加热25%，下加热50%，上均热8%，下均热17%。3.9.2绘制空气管路系统图图3-3空气管路系统图3.9.3管路分段根据管路分段原则，将上图所示空气管路系统分段如下：I段——风机出口到换热器入口到换热器；II段——换热器出口到总管分岔处；III段——总风管分岔处到上加热端烧嘴供风集管；IV段——总风管分岔处到下加热集管；V段——下加热集管到侧烧嘴。3.9.4计算各区段空气流量、管道直径、规格及空气流速1)风机出口到换热器入口共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2)换热器出口到总管分叉处取3)总风管分岔处到上加热烧嘴供风集管(流量占33%)查《火焰炉设计计算参考资料》表6-2得，取4)总风管分岔处到下加热集管(流量占67%)；共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊查《火焰炉设计计算参考资料》表6-2得，取5)下加热集管到侧烧嘴(每一侧占33.5%)；查《火焰炉设计计算参考资料》表6-2得，取3.9.5确定计算阻力损失的管路系统根据阻力损失计算原则，确定按到下部侧烧嘴管路系统进行阻力计算（该管路系统阻力最大）。则该供风管路系统由下列区段组成：Ⅰ段—鼓风机出口到换热器入口；Ⅱ段—换热器；Ⅲ段—换热器出口到总管分叉处；Ⅳ段—总管分叉处到下加热集管；Ⅴ段—下加热集管到侧烧嘴。3.9.6计算阻力损失（表格化计算，见表3-6）表3-6空气管路阻力损失表分段号1ⅠⅡⅢⅣⅤ共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊分段名称2风机出口到换热器换热器换热器出口到主分叉处主分叉处到下加热集管端头下加热集管到均热下侧烧嘴通道尺寸分段长度L(m)39另行计算9208管道规格（外径×壁厚mm）41820×62020×61720×61220×6管道内径（当量直径）d(m)51.8082.0081.7081.208气体流通横截面积F(m2)62.5663.172.321.17垂直管高度H(m)7+5+3-4+1气体参数种类8冷空气热空气热空气热空气密度ρ0（kg/标m3）91.2931.2931.2931.293流量V0（标m3/h）1071914683184577322887流速ω0(标m/s)117.86.05.65.5平均温度T均（℃）1220425.5411397通道阻力损失Pa摩擦损失摩擦阻力系数130.040.040.040.041442.2159.5550.8048.00158.4010.6823.7912.72局部损失阻力系数：i—来源n—个数j—数值16171.81.42.71.81875.9883.37137.1686.4几地区大气最高温度（℃）19—414141共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊何损失大气密度(kg/m3）20—1.1241.1241.124气体密度(kg/m3）21—0.5050.5160.52722—-18.22+23.86-5.86分段阻力损失(Pa)2384.381767.2675.83184.8193.26管道总阻力损失(Pa)242205.54a)换热器出口后的风路，采用管外包扎，包扎后的热风管路散热降温可查《火焰炉设计计算参考资料》表6-5。第3栏和第7栏是按管路布置图6预先设计的。“+”表示气流上升，“-”表示气流下降。第4栏和第5栏中的管道规格和内径由上述计算查《火焰炉设计计算参考资料》表6-2得到。b)第6栏气体流动截面积由第5栏管道内径求得。c)第9栏0℃时的密度根据气体种类查阅《火焰炉设计计算参考资料》表1-5。d)第10栏0℃时的流量根据上述空气流量分配求得。e)第11栏0℃时的流速按第10栏和第6栏数据求得。f)第12栏为各段气体的平均温度。对管道绝热包扎的温降按1℃/m计算。第Ⅲ段管道平均温度：t3均=430-0.5×（1×9）=425.5℃末端温度：t3末=430-1×9=421℃第Ⅳ段管道平均温度：t4均=421-0.5×（1×20）=411℃末端温度：t4末=421-1×20=401℃第Ⅴ段管道平均温度：t5均=401-0.5×（1×8）=397℃末端温度：t5末=401-1×8=393℃g)第13栏值查《火焰炉设计计算参考资料》表6-6。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊b)第14栏由第9、11、12栏中数据求得。c)第3、13、14栏数据相乘，再除以第5栏数据，结果填入第15栏。l)第16栏局部系数查《火焰炉设计计算参考资料》表6-7。标明局部阻力系数，相同系数合并相加。m)将以上同一分段中的局部阻力系数总和填入第17栏。n)将第14栏与第17栏数据乘积填入第18栏。o)第19栏数据年最高大气温度取41℃。p)按第20栏公式计算大气密度。q)第21栏由第9、12栏数据代入求得。r)第22栏由第7、20、21栏数据代入求得。气流向上流动用“-”表示，向下流动用“+”表示。s)将分段的第15、18、22栏数据相加填入第23栏。t)将换热空气侧阻力损失（见换热器设计计算数据）填入第23栏换热器分段中。u)把各段压力损失相加得到总阻力损失，填入第24栏。3.9.7鼓风机的选择主要是额定压力和额定流量的选择。鼓风机工作时，额定压力主要用来克服下列阻力损失：1)空气管路压力损失：由上表得=2205.54Pa；2)流量孔板压力损失：因自动化部分还未计算，在这里取=1000Pa；3)流量调节蝶阀压力损失：因自动化部分还未计算，这里取=600Pa；4)天然气烧嘴用空气压力损失：本设计选择的是TGW-250型烧嘴，查出的数值是该烧嘴在P天然气=80000Pa，P空气=1500Pa且空气、天然气均不预热条件下的燃烧能力。而现在空气预热温度到400℃，天然气低发热值为35873kJ/标m3，所以，为了不降低烧嘴燃烧能力，必须提高空气压力。此时空气压力可按《火焰炉设计计算参考资料》式（7-2）、（7-4）计算，即：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊总压力损失：总流量：查《风机手册》表12-12，选用9-26-1No.14型高压离心通风机，P=10589Pa，V=76572标m3/h，功率410kW。3.10烟道阻力损失及烟囱计算（引风机选择）3.10.1计算条件1)进烟道烟气量：=72862.2标m3/h；2)进烟道烟气温度：t=800℃；3)烟气密度：。2.10.2分段Ⅰ段—炉尾竖烟道；Ⅱ段—竖烟道到换热器入口；Ⅲ段—换热器；Ⅳ段—换热器出口到烟囱（或引风机）入口。3.10.3各段烟道断面尺寸确定首先预确定烟道中的烟气流速，查《火焰炉设计计算参考资料》表6-1取然后计算截面积，根据截面积确定烟道尺寸。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊Ⅰ段：计算每条竖烟道的断面尺寸（共2条竖烟道），查《钢铁工业炉设计参考资料》表11-6选用断面尺寸为2140（宽）×2420（高）mm，烟道断面尺寸：，当量直径：。Ⅱ段：由于换热器尺寸为2990（宽）×4000（高）mm，所以取烟道尺寸为2990(宽)×4000（高）mm烟道断面尺寸：当量直径：Ⅳ段：烟道尺寸同Ⅱ段共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3.10.4计算各段烟气温度Ⅰ段：已知竖烟道入口烟气温度为800℃，查《钢铁工业炉设计参考资料》11-4取温降4℃/m。该段烟气平均温度：末端温度：Ⅱ段：查《钢铁工业炉设计参考资料》表11-4取温降4℃/m。该段烟气平均温度：末端温度：Ⅲ段：换热器另行计算，出换热器烟气温度314℃平均温度:Ⅳ段：考虑到换热器漏风和烟道闸板处吸入冷空气等因素，需要增加烟气量并降低烟气温度。设进入烟气中的冷空气为原烟气流量的10%，则烟气量由72862.2标增加到72862.2×1.1=80148.42。设比热不随烟气温度变化，那么该段烟气平均温度：末端温度：查《钢铁工业炉设计参考资料》表11-4取温降1.5℃/m。t4末=285.45-1.5×15=262.95℃进入烟囱底部的烟气温度为262.95℃，排烟机要求排烟温度小于250℃，排送温度超过250℃的烟气需要将烟气预先掺冷空气降温。而换热器出口到烟囱底部为15m，可知在换热器后需要时烟气温度降为250+1.5×15=272.5℃，大气温度为41℃。则可以计算掺冷空气混合后的烟气体积为：可以计算最终该段烟气平均温度为：共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊末端烟气温度为：272.5-1.5×15=250℃满足排烟机的排烟要求。3.10.5计算各段烟气流速Ⅰ段：标m/sⅡ段：标m/sⅢ段：，换热器另行计算，Ⅳ段：标m/s3.10.6阻力损失计算（表格化计算，见表3-7，计算方法同表3-6）表3-7烟气管路阻力损失表分段号1ⅠⅡⅢⅣ分段名称2炉尾竖烟道竖烟道到换热器换热器换热器到烟囱或排烟机入口通道尺寸分段长度L(m)32.5915共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊另行计算断面尺寸（mm）41740×22982990×40002990×4000断面积F(m2)53.67411.9611.96当量直径d(m)62.0053.4223.422垂直管高度H(m)7-2.5——气体参数种类8燃烧烟气燃烧烟气燃烧烟气密度ρ0（kg/标m3）91.231．231．23流量V0（标m3/h）1024287.472862.283958.6流速ω0(标m/s)112.751.691.95平均温度T均（℃）12795772261.25摩擦阻力系数130.050.050.05通道阻力损失Pa摩擦损失1418.196.724.58151.130.8840.888局部损失阻力系数：i—来源n—个数j—数值16170.52.66.1189.09517.47227.938几何损失地区大气最高温度（℃）19414141大气密度(kg/m3)201.1241.1241.124气体密度(kg/m3)210.3140.3210.64622+19.865——分段阻力损失(Pa)2330.0918.356889.6628.818管道阻力损失(Pa)24966.9243.10.7烟囱计算1)计算烟囱出口直径取烟囱出口流速共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊根据《钢铁工业炉设计参考资料》表11-11得，烟囱上口直径取2.8m2)确定烟囱平均直径取为了使烟囱稳定，应使一般取D囱底=1.25D囱出=1.25×2.8=3.5m所以:3)计算烟囱中烟气平均温度T囱入=250℃（见上述烟道计算），预设烟囱高度为H预=55m，查《工业炉设计手册》表10-19，取烟囱温降2.0℃/m，则T囱均=250-0.5×（2×55）=195℃T囱出=250-2×55=140℃共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4)确定烟气在烟囱中的摩擦阻力损失系数查《工业炉设计手册》表10-4，取5)确定大气最高温度在本设计中，取最高气温6)确定烟气密度由燃料燃烧计算得ρ烟=1.23kg/标m37)烟囱计算高度由《钢铁工业炉设计参考资料》式6-30得式中：----烟囱有效抽力=，毫米水柱；K为抽力系数，一般取1.1～1.25，但乘上后所增加的抽力不超过5mm水柱，以免投资增加过多；为上表所求烟道总阻力损失。----分别为烟囱顶部及底部的速度头，按有关温度由《钢铁工业炉设计参考资料》表6-6查取。出口速度一般不小于2～3标m/s，否则容易倒灌，通常取2.5～5标m/s----每米几何压头，毫米水柱。按烟气平均温度和夏季最高月平均温度由《钢铁工业炉设计参考资料》图6-13查取B----地区大气压，毫米汞柱λ----烟囱内摩擦系数，可取为0.05d----烟囱的平均直径h----烟囱内烟气的平均速度头，按平均速度和平均温度求得，毫米水柱烟囱高度：因烟囱计算高度与预设值相差很小，所以不需要重新计算。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊8)确定烟囱实际高度根据经验，取烟囱的实际高度H实=1.25H计=1.25×54.1=67.6m。3.10.8引风机选择根据，，查《风机手册》12-5，可选型号为4-79-1No.18，，，功率为的风机。结论本设计为大学最后自己的答卷，通过一学期的设计过程，对所学专业相关课程有了更深刻的认识，对专业知识理解更加充分。设计过程并非一帆风顺，期间多次修改，遇到了不少的问题，查阅大量资料终于一一解决。设计活动必须一丝不苟，否则可能会造成严重的问题。步进式加热炉对推钢式加热炉来说有很多明显的优势，例如，步进式加热炉产量更高，更加节能，有效消除黑印等。近些年来行业内以步进式加热炉为主。完成本次设计后，对步进式加热炉整体结构，运行过程有了全面的认识。共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊设计过程中发现有很多材料或者部件是不可以自己随意选择的，而是有相应的国家标准行业标准。比如换热器管道规格，烟道尺寸等。还有一些部分是完全可以按照前人经验取值，为了保证运行合理，部分结构形式也可以参照以建成炉子的设计。整个设计计算过程包含了燃料燃烧计算，炉子结构计算，换热器计算，钢坯加热计算，热平衡计算管路计算等几大方面，涉及多门课程知识。当然，限于水平有限，本设计也肯定还存在许多问题，但是通过本次设计还是是我有了很大提高，培养了我独立处理问题的能力，对我以后的工作生活会有很大帮助。致谢一学期的时间转瞬即逝，毕业设计也基本完成。整个过程中遇到了不少问题。在各位老师和同学的帮助之下，各个困难才能一一解决。在此特别要感谢的是我的指导老师李嗣同老师，老师工作虽然繁忙，但是当我每次给老师打电话问问题的时候，老师还是每个细节都会的详细解释。设计期间有几次遇到了很严重的亟待解决的问题，老师更是在非答疑时间到办公室专门为我解决这些问题，为我提供了非常大的帮助。另外，还要感谢我的同学们，大家互相学习，互相帮助，解决了设计过程中遇到的不少问题。没有你们的帮助，我可能现在还在设计途中苦苦挣扎，在此谢谢大家的共90页第91页 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊帮助。参考文献[1]陆钟武，火焰炉，冶金工业出版社，1994[2]阳辉，金属压力加工实习与实训教程，冶金工业出版社·北京，2011[3]蔡乔方，加热炉，冶金工业出版社·北京，2012[4]程海涛，无缝钢管缺陷与预防，四川科学技术出版社·成都，2007[5]戚翠芬，加热炉，冶金工业出版社，2004.02[6]戚翠芬，张树海，加热炉基础知识与操作，冶金工业出版社·北京，2005.01[7]燃料化学工业部石油化工规划设计院组织编写，管式加热炉工艺计算，燃料化学工业出版社，1974[8]张强国，大型板坯步进梁式加热炉烟囱的优化设计，宽厚板，2013第5共90页第91页 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┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊共90页第91页'