多功能爐襯工業(yè)爐的設(shè)計

多功能爐襯工業(yè)爐的設(shè)計

1建立多功能爐襯自節(jié)能機制的深入研究和技術(shù)的廣泛應(yīng)用以來，它一直是一個成熟可靠的技術(shù)。形成了一系列多功能烤箱，適用于不同溫度范圍內(nèi)的各種能源（電、氣、油、煤等）和各種加熱爐。現(xiàn)就強輻射傳熱節(jié)能的機理,并結(jié)合多功能爐襯的運用實踐,作全面介紹如下。2用熱容小的小質(zhì)筑爐材料熱容比目前,熱處理電阻爐的節(jié)能技術(shù),基本上是通過熱平衡計算或測試,發(fā)現(xiàn)爐體蓄熱和散熱損失高達(dá)60%~70%,而加熱工件的有效熱僅為25%~30%,以此為依據(jù),采用熱容較小的輕質(zhì)筑爐材料,以減少散熱和蓄熱損失,降低電耗。這種節(jié)能方法只是將熱量堵在了爐膛里,并沒有改變爐膛內(nèi)熱射線呈“漫反射”的狀態(tài),這正是加熱工件有效熱低的重要原因。如何改變這種狀況呢?2.1tg、tw與爐襯內(nèi)表面溫度的關(guān)系中、高溫電阻爐是輻射型的爐子,工件獲得的熱量1式中:εM、εW分別為工件和爐墻的黑度;FM、FW分別為工件和爐墻的面積;α0f是εM=εW=1時的輻射換熱系數(shù)。在燃料爐內(nèi),高溫爐氣與爐襯內(nèi)表面輻射換熱熱流量式中:TG、TW分別為爐氣和爐襯內(nèi)表面溫度;αG、αGW分別為爐氣在TG和TW時的黑度;αW為爐襯內(nèi)表面的黑度;FW為爐襯內(nèi)表面的面積。當(dāng)TG與TW相差不大時,可近似認(rèn)為:αG=αGW,這時上式可簡化為在燃料爐里,火焰流不斷流過爐壁和物料,在輻射能量的同時還進(jìn)行著對流,可以說火焰流是以對流和輻射兩種方式向爐內(nèi)提供熱量的。由于αW、FW增大后,強化了爐氣與爐襯間的輻射換熱,使?fàn)t襯內(nèi)表面溫度增高,從而也就強化了爐襯與被加熱工件的輻射換熱,于是工件的升溫時間縮短了,出爐的廢氣溫度降低了,燃料消耗就將減少。從式(1)、式(2)可以看出:要增加爐內(nèi)工件吸收的熱量,就應(yīng)當(dāng)提高爐墻的黑度αW和增大爐膛的面積FW。2.2輻射傳熱量與爐內(nèi)溫度的關(guān)系對燃料爐來講,爐內(nèi)火焰流在不斷流動,它以對流和輻射兩種方式向爐內(nèi)提供熱量。輻射的熱量是熱射線(電磁波)以光速(30萬km/s)傳遞的,極其迅速,不需中間介質(zhì),傳熱效率高。式(1)、(2)表明:輻射傳熱量隨爐子溫度的升高而迅速增加,與爐子的絕對溫度呈4次方的關(guān)系,所以,輻射傳熱在高溫爐內(nèi)占有重要地位,據(jù)計算:軋鋼加熱爐內(nèi)鋼坯吸收的熱量90%來自輻射?？梢娫诟邷貭t內(nèi),應(yīng)該增大輻射傳熱比例。2.3強輻射元件的增加和對工件的輻射傳熱爐膛內(nèi)壁是一般的工程材料表面,輻射能投射上去都會形成漫反射,熱射線的這種漫反射分布狀態(tài),對于被加熱的工件而言,到位率低,有許多熱量通過爐襯散熱損失了。采用什么手段來改變熱射線漫反射的狀態(tài),使之集中地、有效地射向被加熱工件呢?這是提高爐子熱效率應(yīng)該解決的問題。我們根據(jù)黑體理論,制成集增大爐膛面積、提高爐膛黑度和增加輻照度三項功能于一體的空腔結(jié)構(gòu)元件——強輻射元件,安裝于爐膛內(nèi)壁適當(dāng)部位,實現(xiàn)多重增強對工件的輻射傳熱。對于諸如井式爐、氣體滲碳爐、坩堝爐以及大型加熱爐的側(cè)墻及后墻,為了便于工件進(jìn)出爐膛,或?qū)τ诠ぜc爐壁相距很近的爐窯(如某些陶瓷燒成窯),我們開發(fā)了強輻射隱形元件,這些隱形元件或完全設(shè)置在爐襯里面,或在爐襯表面稍有突起。由眾多突出的或凹入的強輻射元件與爐墻共同組成了多功能爐襯。2.4強輻射元件熱射線的特征(1)增大了爐膛傳熱面積FW顯然,按現(xiàn)有的爐窯設(shè)計規(guī)范,當(dāng)爐膛尺寸確定后,爐膛內(nèi)表面積FW即已確定,這個面積當(dāng)然就是參與爐內(nèi)傳熱的面積。當(dāng)我們在爐膛內(nèi)設(shè)置眾多的強輻射元件后,它們的存在大幅度地增加了爐膛的傳熱面積,其數(shù)值可以達(dá)到原爐膛面積的1倍以上。(2)提高了爐膛黑度εW傳統(tǒng)的提高爐膛黑度的方法,是采用發(fā)射率高的紅外涂料對其進(jìn)行涂裝,迄今能達(dá)到的水平為ε=0.88~0.92,但其老化現(xiàn)象難以從根本上解決,失效快,工業(yè)運用不能持久。強輻射元件是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體,其全發(fā)射率ε=0.96(1078K,中國測試技術(shù)研究院測試),它有以下特征:(1)元件的高發(fā)射率由其幾何參數(shù)和表面特性獲得,具有高穩(wěn)定性,基本不老化;(2)元件本身不是熱源,工業(yè)實施方便可靠。強輻射元件具有調(diào)控?zé)嵘渚€的功能:對爐膛內(nèi)呈漫射狀的熱射線,元件以其高吸收特性盡快吸收,當(dāng)其再以高發(fā)射特性重新發(fā)射時,借其自身的幾何結(jié)構(gòu)和布置的位置,完成了熱射線從無序到有序的調(diào)控過程,使熱射線直接射向工件,提高了對工件的輻照度,大大地增加了熱射線的到位率。(4)增大了輻射傳熱的比例在燃料爐中,火焰流流經(jīng)強輻射元件時,元件吸收對流傳遞的熱量后,再以輻射的方式向工件傳熱,實現(xiàn)了傳熱方式的轉(zhuǎn)換:即把爐內(nèi)的一部分對流傳熱轉(zhuǎn)化成輻射傳熱,增大了輻射傳熱的比例,提高了傳熱效率。3新型多功能烤箱3.1多功能爐襯的技術(shù)優(yōu)勢眾所周知,按傳統(tǒng)的觀念,爐膛是作為被加熱物料接受熱源發(fā)出的熱能,完成加熱過程的場所。要求其爐壁(爐襯)保持良好的密封狀態(tài),并且有較長的壽命;從傳熱的觀點來看,爐壁起著熱量的中間傳遞作用。建造爐襯采用的材料,經(jīng)歷了由重質(zhì)到輕質(zhì)的發(fā)展過程:即重質(zhì)耐火磚→輕質(zhì)耐火磚→耐火纖維,這一過程旨在減少爐襯的蓄熱損失和散熱損失。爐子設(shè)置保溫層是減少散熱損失的有力措施,硅酸鋁耐火纖維在這方面發(fā)揮了非常好的作用。在追求優(yōu)化爐襯結(jié)構(gòu)的過程中,由強輻射傳熱節(jié)能技術(shù)形成的多功能爐襯,呈現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢,以發(fā)展的眼光再回過頭去看全纖維爐,使我們感到:恰當(dāng)?shù)厥褂媚突鹄w維非常重要,那種在耐火磚襯內(nèi)表面粘貼一層耐火纖維,甚至采用全纖維的爐襯,并不是最優(yōu)秀的筑爐方案,這是因為:(1)從加強爐子的保溫性能,減少爐襯的蓄熱損失和散熱損失而言,耐火纖維有突出的優(yōu)勢,但要使用得當(dāng),這是經(jīng)過計算早已解決了的問題。(2)從傳熱的觀點來說,耐火纖維作為爐膛內(nèi)襯,接觸火焰直接向工件傳熱卻并不好,因為耐火纖維的發(fā)射率一般比耐火磚低,其輻射傳熱的能力比耐火磚差。(3)對燃料爐,尤其對采用高速燒嘴的燃料爐來說,還因為耐火纖維耐沖刷能力較差,亦不適合作為爐膛內(nèi)襯,這對壽命來說是不利的,一般而言,耐火纖維本身的壽命也不及耐火磚長。(4)耐火纖維的價格比耐火磚高,筑爐造價高,維修不如耐火磚方便。根據(jù)中國第二重型機械集團公司和攀鋼集團成都無縫鋼管公司對全纖維爐的測試,耐火纖維爐襯的綜合節(jié)能率為11%;而強輻射傳熱的多功能爐襯節(jié)能率卻穩(wěn)定在20%~30%,因此,全纖維爐并不是最優(yōu)秀的筑爐方案。綜合耐火纖維的優(yōu)勢和弱點認(rèn)為,采用輕質(zhì)耐火磚作內(nèi)襯,在其上設(shè)置強輻射元件,并以40~60mm厚的耐火纖維作為內(nèi)層和保溫層之間的夾層,形成新穎的多功能爐襯結(jié)構(gòu),可以獲得優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的綜合性效果。具有多功能爐襯的爐子見圖1。3.2對熱源裝置燒圓磚作保護(1)在爐壁上設(shè)置眾多的強輻射元件——工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體,這些黑體有的突出在爐壁之外,有的凹入在爐壁的里面;(2)對熱源裝置(電熱體或燒嘴磚等)作保護性處理;(3)整體爐墻進(jìn)行強化處理。處理的目的之一是強化爐襯并增強爐襯的氣密性;目的之二是提高爐襯的發(fā)射率。眾多的強輻射元件和爐襯共同組成一個基本不老化,且壽命又得以延長的紅外加熱系統(tǒng)——多功能爐襯。3.3輻射能元件的布置lambert定律式中:E(θ,β)為定向輻射力;θ,β為方向;I為輻射強度。上式表明:熱源向空間各方向發(fā)射的輻射能,是按余弦規(guī)律分布的,即法線方向的能量最多,切線方向的能量為零,在兩者之間任一方向輻射能的多少,與該方向同法線方向夾角的余弦成正比,因此元件的布置要以選擇法線方向為原則。根據(jù)爐型及裝料不同,爐子常用工藝對熱惰性及對爐溫均勻性的要求,酌情取兩種形式(突起或凹入)的元件,分別以相應(yīng)的數(shù)量,安裝在爐頂、爐墻或爐底上。4多功能設(shè)備的效率多功能爐襯增大了εW和FW,強化了輻射換熱,使工件的升溫時間縮短,能耗減少。4.1提高地面爐身生產(chǎn)率黑體本是一個純物理的概念,我們把它加以技術(shù)化,形成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體,并將其運用于爐膛,成為爐膛內(nèi)熱交換的有效裝置,它們在爐膛內(nèi)非常出色地進(jìn)行著熱量的傳遞,其巧妙過程如下:(1)每個黑體首先高效率地吸收爐膛內(nèi)的熱射線,使其自身熱量增加并積累,形成一個個新的熱量發(fā)射體;(2)每個具有發(fā)射能力的黑體,定向地、不斷地向工件發(fā)射熱射線,將熱量有效地送達(dá)工件。從表1可以明顯看出爐子升溫時間縮短,生產(chǎn)率提高。成都工程機械總廠的RT2-90-10臺車爐,在強輻射節(jié)能改造之前,每個工作日處理裝載機的正火件及調(diào)質(zhì)件4t,改造后,每個工作日處理6t,爐子的生產(chǎn)率提高50%;大連大山結(jié)晶器廠的RX3-75-9電阻爐,加熱1.5t銅錠,從室溫升溫至920℃耗時3h,經(jīng)強輻射節(jié)能改造之后,僅耗時100min,節(jié)時率為44.4%。4.2發(fā)射過程中的調(diào)控效果爐墻上眾多的黑體猶如排球二傳手一般,對爐膛內(nèi)的漫射狀熱射線,經(jīng)過其吸收后再發(fā)射的過程,進(jìn)行調(diào)控,收到了以下效果:(1)熱射線及時到位,加快了傳熱速度;(2)相對而言,減少了爐子外壁的散熱損失。表1、表2和表3說明,經(jīng)強輻射傳熱節(jié)能改造的電阻爐、燃料爐的多功能爐襯,均取得了節(jié)能率20%以上的效果。4.3橫向高差和垂直高差根據(jù)各種不同的爐型結(jié)構(gòu),在爐壁的適當(dāng)部位,設(shè)置恰當(dāng)數(shù)量的黑體,這眾多的黑體恰似許多溫柔的燒嘴,使被加熱工件得到熱量而被均勻加熱。由表4可見,工件本體的縱向溫差和垂直溫差均為5℃,能滿足對工件高質(zhì)量、高性能的工藝要求。四川都江機械廠的RX3-75-9電阻爐,加熱細(xì)長的汽車本體件,在強輻射節(jié)能改造前,工件出爐時,肉眼明顯可見靠爐門端發(fā)暗,改造后工件一端發(fā)暗的現(xiàn)象消除,硬度趨于均勻,工件加熱質(zhì)量提高。4.4爐溫的降低加裝有強輻射元件的爐子,具有極佳的保溫性能,這要歸功于這些強輻射元件。例如在東方汽輪機廠4#天然氣退火爐的爐頂上,設(shè)置了1000多個突起的元件,在四周爐墻上又制作了1000多個隱形元件。當(dāng)爐子停止供熱后,這2000多個黑體卻保有著相當(dāng)數(shù)量的熱量,此時在黑體的里面,熱射線(熱量)的輻射不斷反復(fù)地被它自己吸收著,這就是熱量散失很慢的原因。表5顯示出,在保溫階段爐子降溫速度極慢,有利于滿足產(chǎn)品高溫或低溫緩冷的工藝要求,改善工件的組織,徹底消除應(yīng)力。箱式周期作業(yè)爐每一爐出料后,爐溫要降低。因其保溫性好,此時溫度下降的幅度減小,一般可以少降低60~80℃,從而使下一爐起始溫度較高,爐溫回升快。大冶鐵礦機械動力公司的電阻爐,爐子850℃時斷電,經(jīng)過14h后,爐溫降至250℃左右;采用強輻射傳熱節(jié)能技術(shù)改造過的爐子,在相同條件下,斷電14h爐膛溫度降為400℃,可見此時爐子多保存著一些熱量,因此可使周期作業(yè)爐的空爐升溫時間明顯縮短,啟動快,亦有利于節(jié)能。4.5強輻射節(jié)能改造爐壁強化處理后,其氣密性增強,既可減緩其內(nèi)層的氧化速度,又能有效阻止?fàn)t墻漏氣。在燃料爐上,能顯著增強爐墻對氣流的耐沖刷能力。成都工程機械總廠的RT2-90-10臺車爐,在強輻射節(jié)能改造之前的使用壽命為15個月,改造后爐子使用時間達(dá)到了4.5年,延長壽命2.6倍。顯而易見爐子具有環(huán)保功能,減少了CO2的排放量和對大氣的熱污染。在河北冶金科技公司的40t煤氣退火爐上,強輻射節(jié)能改造前后對比測試,廢氣溫度降低了70℃。5提高爐襯熱概念的控制爐子必須滿足對工件不同加熱速度和冷卻速度的要求,在建造多功能爐襯時,可以對癥配合采用以下措施解決:(1)用設(shè)置強輻射元件數(shù)量的多少,以及設(shè)置隱形元件數(shù)量的多少,來調(diào)節(jié)爐襯本身的熱惰性;(2)用計算機程序控制溫度變化;(3)燃料爐,通過煙道閘門開啟度進(jìn)行調(diào)節(jié);(4)當(dāng)爐溫<500℃后,可適當(dāng)開啟爐門進(jìn)行調(diào)節(jié),此時工件既不氧化也不會產(chǎn)生應(yīng)力。6燃料爐和熱爐襯余熱回收技術(shù)多功能爐襯解決的是改變熱射線分布、提高輻照度的問題,與熱射線產(chǎn)生于哪一種熱源無關(guān)。因此,對電、氣、油、煤無論什么熱源,都能適用。凡對需要在爐膛內(nèi)完成加熱過程的各類加熱爐、熱處理爐,即箱式、臺車式、井式電阻爐、真空爐、可控氣