在工業爐設計中計算機輔助設計的有效應用分析

龐 敏

（寶雞職業技術學院，陜西 寶雞 721000）

工業爐在我國國民經濟各行業中實現了普遍應用，量大面廣，品類繁多，但是同時也是高能耗設備。當前我國各類型工業爐能耗占據了總能耗的大約60%，盡管我國工業爐技術也在不斷優化更新，但是能源利用率依舊不高，熱效率也非常低[1]。而在機械制造行業中，計算機輔助設計技術已經演變成了常規必備技術手段之一，這就直接為相關軟件有效應用奠定了基礎。而且在全球制造行業逐漸向我國轉移的趨勢下，計算機輔助設計技術應用已經成為了機械制造行業不可或缺的主要輔助設計手段[2]。

1 工業爐設計的注意細節

1.1 強度設計

工業爐需要承受巨大高溫與高壓，想要保證其可靠性與安全性，需進行強度設計，即受壓元件與受力結構等，以使得工業爐具備科學的設計結構，受壓元件強度與標準要求相符，保證工業爐可以承受壓力負荷。嚴格計算并設計工業爐受力構件材料，需對其抗荷載能力與塑性變形力進行計算，防止其因為難以承受荷載發生異常。就受力構件材料選擇來說，要經過全方位計算才能得以確定，應計算構件壁溫、溫度變化影響、制造工藝影響，據此進一步確定構件材料應力，促使其為受壓元件強度設計提供一定的數據依據，進而滿足工業爐正常運行需求。

1.2 管路設計

工業爐管路設計主要包含水箱、給水泵、水處理設施、閥門、凝結水回收設施等等，應全面科學設計布置各管路，確保其合理性與穩定性，特別是要注重工業爐管路的開孔與轉角焊縫位置，促使其處于相分離狀態。就管路封頭而言，應在設計中重視焊接、厚度與應力等細節部分，使得其具備較高的密封性。還要加強對管路殼體位置開孔設計的關注，提高管路內徑與位置的合理性，從而提高工業爐運行效率與水平。

1.3 水位設計

在工業爐水位設計中，應避免水位表接口位置不恰當問題，防止最低水位超出或者不足最高火界，需要切實依據工業爐的運行環境加以設計。

1.4 焊縫位置設計

工業爐焊縫焊接不合理會直接導致質量下降，因此為了保證焊縫位置設計的合理性，需要防止兩節鍋筒之間的焊縫距離太小，一節鍋筒利用兩塊以上鋼板，以及輻射熱比較強的位置上出現縱向焊縫。

1.5 防爆裝置設計

在工業爐持續運行時，爐膛內燃燒不充分或存在未燃燒燃料，點火的時候會產生很大壓力，造成爐體所承受壓力明顯小于爆燃壓力，從而導致爐膛爆燃。因此，在防爆裝置設計時，應保證爐膛可以外泄壓力，并且小于內部壓力，使用全自動點火控制程序與滅火保護裝置，并設計科學的、高效的防爆門裝置，防止既有重力式防爆門密封不良，出現漏火等現象。

1.6 排污孔與上水位設計

在工業爐設計中，排污孔設計是非常重要的細節部分，如果排污孔設計缺乏科學性與合理性，就會造成工業爐內部沉積物積淀不能徹底清除，大大降低工業爐運行效率與質量[3]。

2 在工業爐設計中計算機輔助設計的應用優勢

2.1 設計圖紙形象生動

三維立體軟件的關鍵性優勢就是圖紙完成之后，在安裝調試設備時，能夠全面形象地展現出來，具有良好的立體效果。就設備結構而言，能夠嚴格按照圖紙完成施工，整體視覺效果是非常突出的。為機械加工行業重視設備性能的基礎上，也注重設備外觀的設計行業帶來了更加有效的參考依據，進一步優化了設備的視覺效果。

2.2 設計方案與加工工藝優化

三維立體繪圖能夠直接體現出設備細節部分在機械加工或安裝中的科學性與合理性。三維圖紙可以直觀地展現出細節中所存在的問題，因此有利于優化設計方案與加工工藝，保證設備安裝的工藝性與經濟性。

2.3 二維圖紙修改效率與水平提高

三維繪圖軟件還有一大優勢，就是由其構成的三維圖紙，在此軟件上就三維圖紙內容為依據可以繪制二維工程施工圖紙，在有類似設備需要進行局部尺寸修改的時候，只需要在三維圖上修改即可，二維工程施工圖紙會隨之自動修改。由于三維圖紙的修改效率與水平較高，使生產效率與質量得到了提升[4]。

3 在工業爐設計中計算機輔助設計的有效應用

3.1 利用Auto CAD軟件繪制圖紙

工業爐施工圖紙繪制需要以Auto CAD 軟件為輔助，嚴格按照定位線條、標準尺寸、繪制剖面一系列流程，在不同結構安置相應圖層，依次進行區分，并利用電子文檔形式保存并管理圖紙。Auto CAD 圖紙管理框具體如圖1所示。

圖1 Auto CAD圖紙管理框

3.2 利用Auto lisp語言擴展專用功能

以Auto CAD 軟件為載體，利用Auto lisp 語言進行二次開發，擴展繪制工業爐施工圖紙的專用項，并添加與工業爐相適應的繪圖與標注命令，允許用戶編輯修改圖層、文字、文件。Auto CAD 軟件編輯功能的擴展命令具體如圖2所示。

圖2 菜單層次結構

3.3 工業爐類型擇取專家系統

就工業爐選型來說，在既有經驗為主的模式中吸收人工智能理論，并搜集專家設計經驗，構建知識庫，就設計需求邏輯推理，基于制作專家調查與推理策略進一步確定爐型，切實應用到工業爐類型擇取中，為缺乏經驗的企業提供有力幫助。專家系統結構具體如圖3所示。

圖3 專家系統結構

3.4 計算機輔助設計計算程序的制定

根據工業爐設計計算過程的復雜、多元化等特性，利用計算軟件開發的手段，在程序中添加工業爐設計的相關公式，并應用程序批處理計算功能快速計算，具體模塊劃分如表1所示。

表1 計算模塊劃分

3.5 換熱器報價系統

所謂換熱器報價系統主要包括三大部分，即設計計算、統計計算、價格計算。以統計金屬耗材進一步確定換熱器制造成本與價格。換熱器報價系統主要是用來對比不同換熱器生產指標、制造成本，從而為合理設計與選型提供有效依據。報價系統結構具體如圖4 所示[5-6]。

圖4 報價系統結構

4 基于受力變形優化改進結構設計

在工業爐設計中，由于爐口屬于活動密封的位置，備受內部熱量影響，鋼板很容易發生變形。在變形之后，爐口密封出現裂縫，導致爐內循環熱量向外流出，以此對鋼板形成二次受熱影響，進一步加劇鋼板變形。而且爐口密封出現裂縫還會對爐膛內部與爐口位置的溫度均勻性造成影響，從而大大降低熱處理工件產品質量。所以，鋼板結構十分關鍵。例如，位于爐體底部位置的爐口鋼板不同結構形式處于相同受熱狀況時發生變形。鋼板在爐口保溫層的外部，爐門壓緊鋼板處于密封狀態，設備最高溫為550 ℃，在優化之前，爐口鋼板是整體的，但是在優化之后鋼板高溫區域開始出現熱膨脹裂縫，而且在具體位置添加加固槽鋼，以此加強固定，經過熱應力分析優化之后，鋼板變形明顯較小了，其平面度變化尺寸也實現了全面密封，根據圖紙施工的設備結構應用效果較好，與三維受力模擬分析結構相一致[7-8]。

5 需要進一步解決的關鍵性問題與對策

（1）工業爐的爐型各式各樣，設計計算內容十分繁雜，過程比較復雜，并且不同的爐型結構變化非常大，設計方式并未構成統一標準，這就直接加大了計算機輔助設計的應用難度。我國目前還未出現可以廣泛利用的工業爐設計軟件，也沒有開發出可以集設計計算、圖紙繪制、管理一體化的智能化工業爐計算機輔助設計體系，所以，制定統一的設計標準與規范，促使圖形與符號也實現標準化，勢在必行。

（2）就爐型相同的工程來說，爐體的結構差異主要看尺寸變化，既有二維設計根本無法滿足工程的快速制圖要求，而三維設計以特征建模為基礎，可以進一步吸取以前的豐富經驗。所以，在工業爐設計中吸收三維設計，是有效提高設計效率與質量的主要途徑。而且大部分三維設計軟件都具備開放式的編程接口，能夠根據實際需求進行二次深入開發，設計出專業用于工業爐計算機輔助設計軟件，以此提高工業爐設計水平和質量。

（3）在工業爐設計中計算機輔助設計的應用主要體現在結構繪制上，但是對于與設計結構響應的熱工參數分析并不完善，所以說設計與分析之間是相分離的，因為在設計中過于注重經驗，很有可能會造成實際熱工參數與預期存在巨大差異。因此，研發工業爐設計與分析相融合的集成系統，使得設計人員全方位評價設計結構的相關熱工參數，并以此作為依據，優化新型工業爐設計，改造舊工業爐設計，促使爐體結構更具科學性與合理性，大大縮短設計周期，提高設計效率和質量，降低成本，為企業帶來良好的經濟效益和社會效益[9-10]。

6 結 論

綜上所述，工業爐設計直接影響著其后續運行的安全性與可靠性，因此切實發揮計算機輔助設計的優勢作用，保證工業爐設計效率與質量已經成為必然趨勢。現階段，我國工業爐設計水平有所提高，但是與發達國家相比依舊存在明顯差異，由于工業爐具有一定的復雜性，想要切實實現計算機輔助設計在工業爐設計中的應用具有一定的難度，需要遵守全面規劃、階段實施的原則。因此，在進行熱處理設備設計生產與實際應用時，以三維繪圖工具與計算機模擬分析軟件為輔助，不僅能夠進一步檢驗設備整體設計方案的科學合理性，提高結構設計的安全性與可靠性，還能夠有效保障生產效率，大大節省資源成本，為企業實現可持續穩定發展奠定堅實的基礎。