自由鍛造車間工業爐布置分析

呂增印，劉軍偉

（機械工業第六設計研究院有限公司 國際工程院，河南 鄭州 450007）

在工業生產中，利用燃料燃燒產生的熱量或者將電能轉化成熱量對工件或物料進行加熱的設備，稱為工業爐[1]。工業爐普遍應用于鍛造車間、熱處理車間、鑄造車間等熱工車間，是工業工程重要裝備之一。工業爐布置是工藝平面設計及工廠設計的重要組成內容，與建筑、結構、給排水、暖通及供配電等專業設計相互關聯，相互制約，遵守系統化設計理念。當前，我國正處于供給側結構改革，經濟提質升級的新發展階段，在工業爐布置設計時，充分考慮節能減排措施和舒適性工作環境不僅是鍛造企業的需求，也是工廠設計企業響應國家號召、遵守相關法律法規的應有之義。

1 系統化設計

筆者以工廠設計作為系統整體，以工業爐布置作為研究對象，力圖揭示其與各專業設計相互聯系及制約的關系，并運用系統化設計理念，提出工業爐與關聯對象的合理化布置方案。

1.1 爐體與吊具的相關性

根據裝載量、裝載方式以及爐門開啟方式的不同，臺車式工業爐爐體高度可達4m 以上，爐門開啟后高度可達5m 以上。如果工業爐布置不當，將會導致爐門提升機構與在車間內往復穿行的起重機吊具發生碰撞，造成爐體破損。如圖1 所示。圖中，C1為主鉤到司機室對側（右側軌道中心線）的極限距離，mm；C2為副鉤到司機室對側（右側軌道中心線）的極限距離，mm；C3為工業爐爐門到起重機右側軌道距離，mm。

工業爐布置時，必須同時滿足C3＜C1，C3＜C2，即：

在滿足式（1）前提下，C3取值還要綜合考慮其他方面因素，見本文1.2 節。

1.2 爐體與廠房鋼構相關性

1.2.1 爐口與鋼柱的相關性

工業爐爐內溫度約1300℃，開爐時大量熱量外溢，經熱輻射，廠房鋼柱溫度升高，當溫度超過100℃時，鋼材的強度、彈性模量發生變化，對于依靠預應力工作的構件或連接帶來不可靠性，對鋼結構帶來安全風險。因此，工業爐窯布置時，應當避免爐口正對且靠近柱子，如圖2 虛線所示。圖中，C4為工業爐爐口到鋼柱壁距離，mm；Δl 為起重機軌道中心線到鋼柱壁距離，可為負值，mm。

結合圖1、圖2 可推出：

圖1 工業爐與起重機吊具位置關系圖

圖2 工業爐口與鋼柱的位置關系圖

合理布置條件下C4=C3-Δl＞0，這樣C3取值范圍確定如下：

理論上，工業爐爐口所處的垂直平面與鋼柱壁（朝向爐口側，下同）平行，爐門提升且臺車不出爐情況下，爐口對鋼柱壁熱輻射為零[2]；大多數情況下，爐門提升后臺車出爐，臺車上熾熱鋼件對廠房鋼柱壁產生熱輻射，輻射量計算復雜，本文不作贅述。為降低工業爐出爐對鋼柱熱輻射的影響，經驗上，爐口到廠房鋼柱外壁的距離不小于1000mm，即：

1.2.2 爐體與柱距的相關性

廠房柱距一般由工藝物流要求、受力安全性、建造經濟性等因素確定。對自由鍛造車間而言，工業爐爐體寬度、布置方式既對柱距確定產生影響又受柱距的制約。一般情況下，自由鍛造車間柱距通常為6m、9m、12m 等，根據選定的工業爐規格，結合常規柱距可先行擬定布置方案，最后由結構專業綜合各方面因素確定。

1.3 工業爐與廠房維護相關性

工業爐爐口、裝出爐工作區域散發巨大熱量，通過輻射、對流等方式對廠房屋面產生強烈烤蝕現象，因此熱工車間一般采用耐高溫、耐腐蝕的大型混凝土屋面板或發泡水泥復合板作為屋頂維護材料。

1.4 工業爐與動力管線相關性

（1）熱工車間起重機滑觸線一般采用安全滑觸線，絕緣外套由具備韌性、耐磨、抗老化及阻燃性能的工程塑料組成，正常工作溫度40℃左右。特殊型號的滑觸線可具有耐腐蝕、耐磨損、耐重壓、耐高溫等特點，即使如此，若條件許可，工程設計時仍要優先采用本質安全設計，把安全滑觸線優先布置到工業爐口的對面，與起重機駕駛室同側。這樣可以避免長期高溫烤蝕對滑觸線的破壞。

（2）熱工車間燃氣管道服務于工業爐窯，根據工藝要求，燃氣輸送管道需要設置在爐體上方的專用吊架上，沿鋼柱敷設到爐體燃氣進口。為保證安全，燃氣管道需要進行隔熱設計。

2 宜人化設計

工廠設計應當遵守“以人為本”的原則[3]，考慮工人、設備和環境的協調，采取必要的技術措施改善作業環境，提高操作者舒適性。工業爐布置的宜人化主要指工業爐與起重機駕駛室以及工業爐與壓機操作室的相對位置合理，便于工人操作，保障生產安全。

2.1 爐口與起重機駕駛室宜人化布置

工業爐臺車出爐后，起重機利用四爪吊鉗把1200℃左右的熾熱鋼件抓起并運輸到鍛造壓機型砧處，整個運輸過程主要由駕駛室內的司機控制。因此，合理確定工業爐和駕駛室空間位置，保證司機視野開闊，視線不受遮擋非常重要。如圖1 所示，工業爐與起重機駕駛室相對布置，可以充分保證吊鉗抓取、運輸鋼件的過程均在司機視線所及的范圍內，便于司機隨時調整控制動作，保證運輸安全。

2.2 爐體與壓機操作室的宜人化布置

與地上式布置不同，液壓站全地下布置的鍛壓機組，壓機操作室的設置更加靈活，這種情況下，優先選用工業爐與壓機操作室斜對面布置，保證壓機操作人員可以隨時觀察鋼件運輸、上砧狀態，提前做好預控操作。

3 綠色化設計

高效、節能、環保是綠色鍛造的具體表現[3]。工業爐布置的綠色化設計主要體現在縮短工業爐與壓機的相對距離以及工業爐的集群化布置方式。

3.1 爐后物流短捷化

大型自由鍛造車間工業爐按功能分為加熱爐、熱處理爐，按照爐型分為長爐、短爐。一般情況下，短爐負責鋼錠加熱，容量小，在頻繁開爐的情況下熱量損失相對較少；長爐負責多火鍛件加熱，容量大，頻繁開爐熱量損失大。鍛造車間短爐（鋼錠加熱爐）出爐量（鋼件出爐數量）大，開爐頻次高，工業爐布置時應當優先把短爐設于最靠近壓機的位置，縮短鋼錠運輸時間，增加砧上鍛造時間，盡可能在鍛件達到終鍛溫度前，一火鍛造成形，減少物流成本、燃料消耗和爐體損耗。

3.2 工業爐集群式布置

鍛造車間加熱爐、熱處理爐分別集中布置便于集中控制[4]和排煙系統設計。另外，工業爐集中布置為二次余熱利用創造了條件，以筆者承接的陜西某石油機械公司鍛造單元為例，該公司對鍛造單元23臺工業爐排放的高溫煙氣余熱進行回收利用生產熱水。回收的熱量用于涂裝設備生產用熱和全廠洗手及熱工單元淋浴等生活用熱。項目采集熱水溫度:95℃（最高110℃）；采集熱水量:142m3/h；回收熱量:4950kW；生產熱水溫度:90℃；生活熱水溫度:60℃。項目建成后實現了節能減排目標，經濟效益顯著，社會效益良好。

4 結論

鍛造車間工業爐布置是工廠設計的重要組成部分，必須貫徹系統化、宜人化、綠色化設計理念。通過分析工業爐與吊具、廠房結構、動力管線、起重機駕駛室、壓機及其操作室的相關性，提出合理化建議及措施；同時把工業爐煙氣余熱利用理念前置到工業爐布置方案中去，采取工業爐集群式布置模式等，對鍛造車間工廠設計具有較大參考價值。