多功能炉衬工业炉的设计

多功能炉衬工业炉的设计

1建立多功能炉衬自节能机制的深入研究和技术的广泛应用以来，它一直是一个成熟可靠的技术。形成了一系列多功能烤箱，适用于不同温度范围内的各种能源（电、气、油、煤等）和各种加热炉。现就强辐射传热节能的机理,并结合多功能炉衬的运用实践,作全面介绍如下。2用热容小的小质筑炉材料热容比目前,热处理电阻炉的节能技术,基本上是通过热平衡计算或测试,发现炉体蓄热和散热损失高达60%~70%,而加热工件的有效热仅为25%~30%,以此为依据,采用热容较小的轻质筑炉材料,以减少散热和蓄热损失,降低电耗。这种节能方法只是将热量堵在了炉膛里,并没有改变炉膛内热射线呈“漫反射”的状态,这正是加热工件有效热低的重要原因。如何改变这种状况呢?2.1tg、tw与炉衬内表面温度的关系中、高温电阻炉是辐射型的炉子,工件获得的热量1式中:εM、εW分别为工件和炉墙的黑度;FM、FW分别为工件和炉墙的面积;α0f是εM=εW=1时的辐射换热系数。在燃料炉内,高温炉气与炉衬内表面辐射换热热流量式中:TG、TW分别为炉气和炉衬内表面温度;αG、αGW分别为炉气在TG和TW时的黑度;αW为炉衬内表面的黑度;FW为炉衬内表面的面积。当TG与TW相差不大时,可近似认为:αG=αGW,这时上式可简化为在燃料炉里,火焰流不断流过炉壁和物料,在辐射能量的同时还进行着对流,可以说火焰流是以对流和辐射两种方式向炉内提供热量的。由于αW、FW增大后,强化了炉气与炉衬间的辐射换热,使炉衬内表面温度增高,从而也就强化了炉衬与被加热工件的辐射换热,于是工件的升温时间缩短了,出炉的废气温度降低了,燃料消耗就将减少。从式(1)、式(2)可以看出:要增加炉内工件吸收的热量,就应当提高炉墙的黑度αW和增大炉膛的面积FW。2.2辐射传热量与炉内温度的关系对燃料炉来讲,炉内火焰流在不断流动,它以对流和辐射两种方式向炉内提供热量。辐射的热量是热射线(电磁波)以光速(30万km/s)传递的,极其迅速,不需中间介质,传热效率高。式(1)、(2)表明:辐射传热量随炉子温度的升高而迅速增加,与炉子的绝对温度呈4次方的关系,所以,辐射传热在高温炉内占有重要地位,据计算:轧钢加热炉内钢坯吸收的热量90%来自辐射。可见在高温炉内,应该增大辐射传热比例。2.3强辐射元件的增加和对工件的辐射传热炉膛内壁是一般的工程材料表面,辐射能投射上去都会形成漫反射,热射线的这种漫反射分布状态,对于被加热的工件而言,到位率低,有许多热量通过炉衬散热损失了。采用什么手段来改变热射线漫反射的状态,使之集中地、有效地射向被加热工件呢?这是提高炉子热效率应该解决的问题。我们根据黑体理论,制成集增大炉膛面积、提高炉膛黑度和增加辐照度三项功能于一体的空腔结构元件——强辐射元件,安装于炉膛内壁适当部位,实现多重增强对工件的辐射传热。对于诸如井式炉、气体渗碳炉、坩埚炉以及大型加热炉的侧墙及后墙,为了便于工件进出炉膛,或对于工件与炉壁相距很近的炉窑(如某些陶瓷烧成窑),我们开发了强辐射隐形元件,这些隐形元件或完全设置在炉衬里面,或在炉衬表面稍有突起。由众多突出的或凹入的强辐射元件与炉墙共同组成了多功能炉衬。2.4强辐射元件热射线的特征(1)增大了炉膛传热面积FW显然,按现有的炉窑设计规范,当炉膛尺寸确定后,炉膛内表面积FW即已确定,这个面积当然就是参与炉内传热的面积。当我们在炉膛内设置众多的强辐射元件后,它们的存在大幅度地增加了炉膛的传热面积,其数值可以达到原炉膛面积的1倍以上。(2)提高了炉膛黑度εW传统的提高炉膛黑度的方法,是采用发射率高的红外涂料对其进行涂装,迄今能达到的水平为ε=0.88~0.92,但其老化现象难以从根本上解决,失效快,工业运用不能持久。强辐射元件是一种工业标准黑体,其全发射率ε=0.96(1078K,中国测试技术研究院测试),它有以下特征:(1)元件的高发射率由其几何参数和表面特性获得,具有高稳定性,基本不老化;(2)元件本身不是热源,工业实施方便可靠。强辐射元件具有调控热射线的功能:对炉膛内呈漫射状的热射线,元件以其高吸收特性尽快吸收,当其再以高发射特性重新发射时,借其自身的几何结构和布置的位置,完成了热射线从无序到有序的调控过程,使热射线直接射向工件,提高了对工件的辐照度,大大地增加了热射线的到位率。(4)增大了辐射传热的比例在燃料炉中,火焰流流经强辐射元件时,元件吸收对流传递的热量后,再以辐射的方式向工件传热,实现了传热方式的转换:即把炉内的一部分对流传热转化成辐射传热,增大了辐射传热的比例,提高了传热效率。3新型多功能烤箱3.1多功能炉衬的技术优势众所周知,按传统的观念,炉膛是作为被加热物料接受热源发出的热能,完成加热过程的场所。要求其炉壁(炉衬)保持良好的密封状态,并且有较长的寿命;从传热的观点来看,炉壁起着热量的中间传递作用。建造炉衬采用的材料,经历了由重质到轻质的发展过程:即重质耐火砖→轻质耐火砖→耐火纤维,这一过程旨在减少炉衬的蓄热损失和散热损失。炉子设置保温层是减少散热损失的有力措施,硅酸铝耐火纤维在这方面发挥了非常好的作用。在追求优化炉衬结构的过程中,由强辐射传热节能技术形成的多功能炉衬,呈现出了明显的技术优势,以发展的眼光再回过头去看全纤维炉,使我们感到:恰当地使用耐火纤维非常重要,那种在耐火砖衬内表面粘贴一层耐火纤维,甚至采用全纤维的炉衬,并不是最优秀的筑炉方案,这是因为:(1)从加强炉子的保温性能,减少炉衬的蓄热损失和散热损失而言,耐火纤维有突出的优势,但要使用得当,这是经过计算早已解决了的问题。(2)从传热的观点来说,耐火纤维作为炉膛内衬,接触火焰直接向工件传热却并不好,因为耐火纤维的发射率一般比耐火砖低,其辐射传热的能力比耐火砖差。(3)对燃料炉,尤其对采用高速烧嘴的燃料炉来说,还因为耐火纤维耐冲刷能力较差,亦不适合作为炉膛内衬,这对寿命来说是不利的,一般而言,耐火纤维本身的寿命也不及耐火砖长。(4)耐火纤维的价格比耐火砖高,筑炉造价高,维修不如耐火砖方便。根据中国第二重型机械集团公司和攀钢集团成都无缝钢管公司对全纤维炉的测试,耐火纤维炉衬的综合节能率为11%;而强辐射传热的多功能炉衬节能率却稳定在20%~30%,因此,全纤维炉并不是最优秀的筑炉方案。综合耐火纤维的优势和弱点认为,采用轻质耐火砖作内衬,在其上设置强辐射元件,并以40~60mm厚的耐火纤维作为内层和保温层之间的夹层,形成新颖的多功能炉衬结构,可以获得优质、高效、节能、环保的综合性效果。具有多功能炉衬的炉子见图1。3.2对热源装置烧圆砖作保护(1)在炉壁上设置众多的强辐射元件——工业标准黑体,这些黑体有的突出在炉壁之外,有的凹入在炉壁的里面;(2)对热源装置(电热体或烧嘴砖等)作保护性处理;(3)整体炉墙进行强化处理。处理的目的之一是强化炉衬并增强炉衬的气密性;目的之二是提高炉衬的发射率。众多的强辐射元件和炉衬共同组成一个基本不老化,且寿命又得以延长的红外加热系统——多功能炉衬。3.3辐射能元件的布置lambert定律式中:E(θ,β)为定向辐射力;θ,β为方向;I为辐射强度。上式表明:热源向空间各方向发射的辐射能,是按余弦规律分布的,即法线方向的能量最多,切线方向的能量为零,在两者之间任一方向辐射能的多少,与该方向同法线方向夹角的余弦成正比,因此元件的布置要以选择法线方向为原则。根据炉型及装料不同,炉子常用工艺对热惰性及对炉温均匀性的要求,酌情取两种形式(突起或凹入)的元件,分别以相应的数量,安装在炉顶、炉墙或炉底上。4多功能设备的效率多功能炉衬增大了εW和FW,强化了辐射换热,使工件的升温时间缩短,能耗减少。4.1提高地面炉身生产率黑体本是一个纯物理的概念,我们把它加以技术化,形成了工业标准黑体,并将其运用于炉膛,成为炉膛内热交换的有效装置,它们在炉膛内非常出色地进行着热量的传递,其巧妙过程如下:(1)每个黑体首先高效率地吸收炉膛内的热射线,使其自身热量增加并积累,形成一个个新的热量发射体;(2)每个具有发射能力的黑体,定向地、不断地向工件发射热射线,将热量有效地送达工件。从表1可以明显看出炉子升温时间缩短,生产率提高。成都工程机械总厂的RT2-90-10台车炉,在强辐射节能改造之前,每个工作日处理装载机的正火件及调质件4t,改造后,每个工作日处理6t,炉子的生产率提高50%;大连大山结晶器厂的RX3-75-9电阻炉,加热1.5t铜锭,从室温升温至920℃耗时3h,经强辐射节能改造之后,仅耗时100min,节时率为44.4%。4.2发射过程中的调控效果炉墙上众多的黑体犹如排球二传手一般,对炉膛内的漫射状热射线,经过其吸收后再发射的过程,进行调控,收到了以下效果:(1)热射线及时到位,加快了传热速度;(2)相对而言,减少了炉子外壁的散热损失。表1、表2和表3说明,经强辐射传热节能改造的电阻炉、燃料炉的多功能炉衬,均取得了节能率20%以上的效果。4.3横向高差和垂直高差根据各种不同的炉型结构,在炉壁的适当部位,设置恰当数量的黑体,这众多的黑体恰似许多温柔的烧嘴,使被加热工件得到热量而被均匀加热。由表4可见,工件本体的纵向温差和垂直温差均为5℃,能满足对工件高质量、高性能的工艺要求。四川都江机械厂的RX3-75-9电阻炉,加热细长的汽车本体件,在强辐射节能改造前,工件出炉时,肉眼明显可见靠炉门端发暗,改造后工件一端发暗的现象消除,硬度趋于均匀,工件加热质量提高。4.4炉温的降低加装有强辐射元件的炉子,具有极佳的保温性能,这要归功于这些强辐射元件。例如在东方汽轮机厂4#天然气退火炉的炉顶上,设置了1000多个突起的元件,在四周炉墙上又制作了1000多个隐形元件。当炉子停止供热后,这2000多个黑体却保有着相当数量的热量,此时在黑体的里面,热射线(热量)的辐射不断反复地被它自己吸收着,这就是热量散失很慢的原因。表5显示出,在保温阶段炉子降温速度极慢,有利于满足产品高温或低温缓冷的工艺要求,改善工件的组织,彻底消除应力。箱式周期作业炉每一炉出料后,炉温要降低。因其保温性好,此时温度下降的幅度减小,一般可以少降低60~80℃,从而使下一炉起始温度较高,炉温回升快。大冶铁矿机械动力公司的电阻炉,炉子850℃时断电,经过14h后,炉温降至250℃左右;采用强辐射传热节能技术改造过的炉子,在相同条件下,断电14h炉膛温度降为400℃,可见此时炉子多保存着一些热量,因此可使周期作业炉的空炉升温时间明显缩短,启动快,亦有利于节能。4.5强辐射节能改造炉壁强化处理后,其气密性增强,既可减缓其内层的氧化速度,又能有效阻止炉墙漏气。在燃料炉上,能显著增强炉墙对气流的耐冲刷能力。成都工程机械总厂的RT2-90-10台车炉,在强辐射节能改造之前的使用寿命为15个月,改造后炉子使用时间达到了4.5年,延长寿命2.6倍。显而易见炉子具有环保功能,减少了CO2的排放量和对大气的热污染。在河北冶金科技公司的40t煤气退火炉上,强辐射节能改造前后对比测试,废气温度降低了70℃。5提高炉衬热概念的控制炉子必须满足对工件不同加热速度和冷却速度的要求,在建造多功能炉衬时,可以对症配合采用以下措施解决:(1)用设置强辐射元件数量的多少,以及设置隐形元件数量的多少,来调节炉衬本身的热惰性;(2)用计算机程序控制温度变化;(3)燃料炉,通过烟道闸门开启度进行调节;(4)当炉温<500℃后,可适当开启炉门进行调节,此时工件既不氧化也不会产生应力。6燃料炉和热炉衬余热回收技术多功能炉衬解决的是改变热射线分布、提高辐照度的问题,与热射线产生于哪一种热源无关。因此,对电、气、油、煤无论什么热源,都能适用。凡对需要在炉膛内完成加热过程的各类加热炉、热处理炉,即箱式、台车式、井式电阻炉、真空炉、可控气