淺談工業(yè)爐發(fā)展、分類及熱工性能分析

王選濤 田 冰 閆永霞

(1.丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118000；2.亞泰集團(tuán) 丹東交通水泥有限公司，遼寧 丹東 118000；3.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118000)

0 引言

20世紀(jì)是工業(yè)爐迅速發(fā)展的年代，加熱工藝對(duì)工業(yè)爐提出了愈來(lái)愈高的要求。在鍛壓生產(chǎn)中為了降低金屬的變形阻力所采用的加熱爐，在升溫速度、溫度場(chǎng)的均勻性、減少金屬氧化和防止過(guò)燒方面均有嚴(yán)格的要求、例如：為了獲得尺寸精確和表面光潔的工件，或者為了減少金屬氧化達(dá)到保護(hù)模具、減少加工余量、簡(jiǎn)化工藝過(guò)程等目的而采用了各種少、無(wú)氧化加熱爐；將人工制備的保護(hù)性氣氛，如放熱式和吸熱醒氣氛、氮分解氣氛、滴注式氣氛、氮基氣氛等通入爐內(nèi)以進(jìn)行氣體滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、正火、退火等熱處理工藝，以達(dá)到改變金相組織、提高機(jī)械性能為目的而發(fā)展了可控氣氛爐；由于生產(chǎn)力的提高，出現(xiàn)了能夠提高爐子生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件的各種機(jī)械化、自動(dòng)化連續(xù)式爐；由于電的供應(yīng)量逐漸增加出現(xiàn)了各種電阻爐、感應(yīng)爐和電子束爐等。

工業(yè)爐的燃料也隨著燃料資源的開發(fā)和燃料轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步而由采用塊煤、焦炭、煤粉等固體燃料而逐步改用發(fā)生爐煤氣、城市煤氣、天然氣、燃料油、液化石油氣等氣體和液體燃料，并且研制出了與原用燃料相適應(yīng)的各種燃燒裝置，如往復(fù)爐排燃燒室，高、低壓煤氣燒嘴和油嘴，平焰燒嘴，高速燒嘴，自身預(yù)熱燒嘴，自身預(yù)熱燒嘴，比例調(diào)節(jié)燒嘴及旋流煤粉燒嘴等。

1 工業(yè)爐分類

在工業(yè)生產(chǎn)中利用燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化的熱量對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱、熔煉、干燥、燒結(jié)等作業(yè)的熱工設(shè)備稱為工業(yè)爐。

機(jī)械工業(yè)應(yīng)用的工業(yè)爐有許多類型，在鑄造車間內(nèi)有熔煉金屬的電弧爐、平爐、沖天爐、坩堝爐，有烘烤砂型、砂芯及各種合金的干燥爐，有鑄件退火爐時(shí)效爐等；在鍛壓車間內(nèi)有對(duì)鋼錠或鋼坯進(jìn)行鍛前加熱的各種加熱爐和鍛后消除內(nèi)應(yīng)為的熱處理爐；在熱處理車間內(nèi)有改善工件機(jī)械性能的各種退火、正火、淬火、回火和滲碳用的熱處理爐；在焊接車間內(nèi)有焊件的焊前預(yù)熱爐和焊后熱處理爐，有沖壓件的沖壓前鋼板加熱爐等。此外還有其他車間使用的木材干燥室和油漆干燥室等。

按供熱方式工業(yè)爐分為兩類：一是，火焰爐，或稱燃料爐，是用各種燃料的燃燒熱量在爐內(nèi)對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱的；二是，電爐，是在爐內(nèi)將電能轉(zhuǎn)化為熱量對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱的。

火焰爐所用燃料來(lái)源廣泛，價(jià)格較便宜，便于因地制宜地建造不同結(jié)構(gòu)和不同用途的爐子，在妥善操作和科學(xué)管理的條件下有利于降低生產(chǎn)費(fèi)用。但火焰爐難于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，易造成環(huán)境污染，熱效率也較低，電爐的最大特點(diǎn)是爐溫均勻，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，加熱質(zhì)量好。

按熱工制度工業(yè)爐也分兩類：一是間斷式爐，又稱周期式爐，其特點(diǎn)是爐膛內(nèi)不同溫度區(qū)段，爐子按一般或兩班生產(chǎn)，在每一加熱周期內(nèi)爐溫是變化的，如各種寬式爐、臺(tái)車式爐、井式爐、罩式爐等；二是連續(xù)式爐，其特點(diǎn)是爐質(zhì)內(nèi)劃分溫度區(qū)段，一般由預(yù)、加熱、均熱（保溫）三個(gè)區(qū)段組成，爐子為三班連續(xù)生產(chǎn)，在加熱過(guò)程中每一區(qū)段內(nèi)的溫度可認(rèn)為是不變化的，如二段或三段連續(xù)式加熱爐，推桿式加熱爐和熱處理爐，環(huán)形爐，步進(jìn)式爐，原底式爐，沖天爐及石灰窯等。

淬火爐用于鋁合金管棒型材擠壓制品的淬火處理。在淬火前，擠壓制品的加熱應(yīng)均勻，溫差應(yīng)小于±2.5℃；淬火時(shí)，要求過(guò)渡時(shí)間短，不超過(guò)15秒。過(guò)去，鋁合金擠壓制品采用硝酸鹽（KNO3）浴槽處理。隨著鋁合金擠壓制品長(zhǎng)度的增加，這種淬火方式已被淘汰。有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的一種立式淬火爐，可用于鋁合金擠壓制品的淬火處理，但最大料長(zhǎng)不能大于8米，實(shí)用于中、小型鋁加工廠，年處理能力為1000噸。蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的立式淬火爐，內(nèi)部均設(shè)有熱風(fēng)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。可用于處理大型鋁合金管棒型材，料長(zhǎng)可從4米至20米，甚至還可長(zhǎng)些。目前國(guó)內(nèi)、外用得比較普遍的是立式淬火爐，淬火池直接設(shè)在爐子下面。這種淬火爐具有如下特點(diǎn)：

①淬火前，擠壓制品可以均勻而快速加熱；

②可用最短時(shí)間將料放入淬火池內(nèi)；

③可以避免由于自重和加熱引起的擠壓制品的彎、扭變形，有利于保持制品遠(yuǎn)行；

④淬火后的擠壓制品機(jī)械性能均一。

整個(gè)爐體封在一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)。淬火池設(shè)在爐下，是防水混凝土結(jié)構(gòu)，直徑為4米，深20米，或根據(jù)淬火擠壓制品的長(zhǎng)度再深些。加熱爐的中心相對(duì)于淬火池偏心1.2米，以便利用電葫蘆將料捆吊到淬火池中。然后平移至爐下，再用吊鏈（用卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)）拉到爐內(nèi)的一定高度，直到卷?yè)P(yáng)自動(dòng)斷電。提升速度為0.4米/秒。淬火時(shí)下降速度為0.4-0.6 米/秒。

2 對(duì)于大型擠壓制品，可單根進(jìn)行淬火處理

淬火爐的加熱段中，每段均可由三角形連接變換成星形連接。爐子的主要缺點(diǎn)是土建工程量大，地坑深、房架高。在建廠房前，就需完成地坑混凝土工程。

反應(yīng)爐子熱工性能的主要參數(shù)是：爐子裝載量、爐子生產(chǎn)力、爐子生產(chǎn)率、燃料單位熱耗及爐底熱強(qiáng)度等。

①爐子裝載量

每一加熱周期內(nèi)，一次可裝入爐內(nèi)的工件或物料重量稱為爐子裝載量，單位為噸（t）。對(duì)于干燥爐，一次裝入爐內(nèi)的物料（砂箱、砂型、砂芯等）體積占爐室溶劑的百分?jǐn)?shù)稱為爐子填充率。爐子裝載量或填充率代表了爐子的負(fù)荷量大小，也是計(jì)算爐體結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)承載能力的因數(shù)之一。

②爐子生產(chǎn)力

對(duì)于加熱爐和熱處理爐，按單位時(shí)間計(jì)算的爐子加熱能力稱為生產(chǎn)力，單位為千克/時(shí)（kg/h）；對(duì)于充填爐則習(xí)慣稱為爐子熔化率，單位為噸/時(shí)（t/h）。爐子升溫速度愈快，則生產(chǎn)力愈高。

③爐子生產(chǎn)率

對(duì)于加熱爐和熱處理爐，按單位時(shí)間單位爐底面積計(jì)算的爐子加熱能力稱為爐子生產(chǎn)率，單位為千克/米2.時(shí)（kg/（m2.h））；對(duì)于沖天爐則習(xí)慣稱為爐子熔化強(qiáng)度，單位為噸/米2.時(shí)（t/（m2.h））。爐子裝載量愈大，升溫速度愈快，則爐子生產(chǎn)率愈高。一般情況下，爐子生產(chǎn)率愈高，則加熱每千克工作的單位熱量消耗亦愈低，所以要想降低能源消耗，首先應(yīng)該滿負(fù)荷生產(chǎn)，盡量提高爐子生產(chǎn)率。

④單位熱耗與爐底熱強(qiáng)度

在一個(gè)加熱周期內(nèi)，加熱每千克工作玩消耗的熱量稱為工件的單位熱耗，單位為千焦/千克（kj/kg）。單位熱耗與爐子生產(chǎn)率相乘即為爐底熱強(qiáng)度，單位為千焦/米2.時(shí)[kj/（m2.h）]。利用單位熱耗與爐底熱強(qiáng)度指標(biāo)可較為準(zhǔn)確地計(jì)算爐子燃料消耗量。要想降低燃料消耗除應(yīng)滿足負(fù)荷生產(chǎn)、盡量提高爐子生產(chǎn)率以外，還要減少爐子砌體的置熱和散熱損失，水冷構(gòu)件熱損失、各種開口輻射熱損失、逸出爐外煙氣和吸入爐內(nèi)冷空氣造成的熱損失，以及離爐煙氣帶走的熱損失等。

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高爐子的熱工性能，除必須根據(jù)工藝要求、預(yù)熱器及爐用機(jī)械形式、燃料及燃燒裝置類別、適宜的爐子排煙方式等設(shè)計(jì)優(yōu)良的爐型結(jié)構(gòu)外，還需對(duì)爐溫、爐壓進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)燃料與助燃空氣進(jìn)行自動(dòng)接比例調(diào)節(jié)。需要指明：實(shí)現(xiàn)爐子最佳性能不能單獨(dú)依靠自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)有嚴(yán)格的操作管理制度。

［1］魏軍.有色金屬擠壓車間機(jī)械設(shè)備[M].冶金工業(yè)出版社,1988,8.