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工业炉

发布日期:2014-03-04    来源:中国窑炉网   浏览次数:142

    工业炉在工业生产中起着非常重要的作用,它是利用燃料燃烧或电能转化的热量,将物料或工件加热的一种热工设备。工业炉的主要组成部分有:工业炉砌体、工业炉排烟系统、工业炉预热器和工业炉燃烧装置等。
      
    1.设备简介
 
    工业炉的创造和发展对人类进步起着十分重要的作用。中国在商代出现了较为完善的炼铜炉,炉温达到1200℃,炉子内径达0.8米。在春秋战国时期,人们在熔铜炉的基础上进一步掌握了提高炉温的技术,从而生产出了铸铁。1794年世界上出现了熔炼铸铁的直筒形冲天炉。后于1864年法国人P.┵.马丁运用英国人K.W.西门子的蓄热式炉原理建造了用气体燃料加热的第一台炼钢平炉。他利用蓄热室对空气和煤气进行高温预热,从而保证了炼钢所需的1600℃以上的温度。1900年前后,电能供应逐渐充足,开始使用各种电阻炉、电弧炉和有芯感应炉。
 
   20世纪50年代,无芯感应炉得到迅速发展。后来又出现了电子束炉,利用电子束冲击固态燃料,能强化表面加热和熔化高熔点的材料。用于锻造加热的炉子最早是手锻炉,其工作空间是一个凹形槽,槽内填入煤炭,燃烧用的空气由槽的下部供入,工件埋在煤炭里加热。这种炉子的热效率很低,加热质量也不好,而且只能加热小型工件,以后发展为用耐火砖砌成的半封闭或全封闭炉膛的室式炉,可以用煤、煤气或油作为燃料,也可用电作为热源,工件放在炉膛里加热。
 
  为便于加热大型工件,又出现了适于加热钢锭和大钢坯的台车式炉,为了加热长形杆件还出现了井式炉。20世纪20年代后又出现了能够提高炉子生产率和改善劳动条件的各种机械化、自动化炉型。工业炉的燃料也随着燃料资源的开发和燃料转换技术的进步,而由采用块煤、焦炭、煤粉等固体燃料逐步改用发生炉煤气、城市煤气、天然气、柴油、燃料油等气体和液体燃料,并且研制出了与所用燃料相适应的各种燃烧装置。 机械工业应用的工业炉有多种类型。在铸造车间,有熔炼金属的冲天炉、感应炉、电阻炉、电弧炉、真空炉、平炉、坩埚炉等;有烘烤砂型的砂型干燥炉、铁合金烘炉和铸件退火炉等。
 
  在锻压车间,有对钢锭或钢坯进行锻前加热的各种加热炉和锻后消除应力的热处理炉。在金属热处理车间,有改善工件机械性能的各种退火、正火、淬火和回火的热处理炉。在焊接车间,有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉。在粉末冶金车间有烧结金属的加热炉等。工业炉还广泛应用于其他工业,如冶金工业的金属熔炼炉、矿石烧结炉和炼焦炉;石油工业的蒸馏炉和裂化炉;煤气工业的发生炉;硅酸盐工业的水泥窑和玻璃熔化、玻璃退火炉;食品工业的烘烤炉等。
         
    2、设备组成
 
    工业炉的主要组成部分有:工业炉砌体、工业炉排烟系统、工业炉预热器和工业炉燃烧装置等。机械工业应用的工业炉有多种类型,在铸造车间,有熔炼金属的冲天炉、感应炉、电阻炉、电弧炉、真空炉、平炉、坩埚炉等;有烘烤砂型的砂型干燥炉、铁合金烘炉和铸件退火炉等;在锻压车间,有对钢锭或钢坯进行锻前加热的各种加热炉,和锻后消除应力的热处理炉;在金属热处理车间,有改善工件机械性能的各种退火、正火、淬火和回火的热处理炉;在焊接车间,有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉;在粉末冶金车间有烧结金属的加热炉等。
 
  工业炉还广泛应用于其他工业,如冶金工业的金属熔炼炉,矿石烧结炉和炼焦炉;石油工业的蒸馏炉和裂化炉;煤气工业的发生炉;硅酸盐工业的水泥窑和玻璃熔化、玻璃退火炉;食品工业的烘烤炉等。
       
    3.设计要点
 
   (1)炉型的选择 
 
   (2)燃料的选择
 
  (3)燃烧装置,燃烧器的选择
 
   (4)炉子设计者须对炉子的热能利用知识较全面理解
 
   (5)炉子辐射段和对流段的热负荷合理分配以及传热面的排列布置
 
  (6)采用新技术,新材料时,尚要注意采用的新技术,新材料的先进性与可靠性,经济性想结合
 
  (7)用增加传热面积方法来提高炉子热效率的时候,除要防止低温烟气腐蚀之外,还需要注意增加面积后对系统阻力的影响工业炉的热效率和燃料消耗量。
 
    4.历史状况
    工业炉的创造和发展对人类进步起着十分重要的作用。中国在商代出现了较为完善的炼铜炉,炉温达到1200℃,炉子内径达0.8米。在春秋战国时期,人们在熔铜炉的基础上进一步掌握了提高炉温的技术,从而生产出了铸铁。 1794年,世界上出现了熔炼铸铁的直筒形冲天炉。后到1864年,法国人马丁运用英国人西门子的蓄热式炉原理,建造了用气体燃料加热的第一台炼钢平炉。他利用蓄热室对空气和煤气进行高温预热,从而保证了炼钢所需的1600℃以上的温度。1900年前后,电能供应逐渐充足,开始使用各种电阻炉、电弧炉和有芯感应炉。
 
  二十世纪50年代,无芯感应炉得到迅速发展。后来又出现了电子束炉,利用电子束来冲击固态燃料,能强化表面加热和熔化高熔点的材料。
 
  用于锻造加热的炉子最早是手锻炉,其工作空间是一个凹形槽,槽内填入煤炭,燃烧用的空气由槽的下部供入,工件埋在煤炭里加热。这种炉子的热效率很低,加热质量也不好,而且只能加热小型工件,以后发展为用耐火砖砌成的半封闭或全封闭炉膛的室式炉,可以用煤,煤气或油作为燃料,也可用电作为热源,工件放在炉膛里加热。
 
  为便于加热大型工件,又出现了适于加热钢锭和大钢坯的台车式炉,为了加热长形杆件还出现了井式炉。20世纪20年代后又出现了能够提高炉子生产率和改善劳动条件的各种机械化、自动化炉型。
 
  工业炉的燃料也随着燃料资源的开发和燃料转换技术的进步,而由采用块煤、焦炭、煤粉等固体燃料逐步改用发生炉煤气、城市煤气、天然气、柴油、燃料油等气体和液体燃料,并且研制出了与所用燃料相适应的各种燃烧装置。
 
    5.设备种类
   工业炉按供热方式分为两类:一类是火焰炉(或称燃料炉),用固体、液体或气体燃料在炉内的燃烧热量对工件进行加热;第二类是电炉,在炉内将电能转化为热量进行加热。
 
  膛式火焰炉
 
  膛式火焰炉的工作室叫做炉膛,由炉底、炉墙和炉顶组成。用作或时,炉底的结构有多种型式,并可按炉底结构称为车底炉、推料式炉、步进炉、辊底炉、链式炉、环形炉等。熔炼用火焰炉(如、炼铜)的炉底是凹下的熔池,用以存放熔融金属。熔池的形状,呈长方形、圆形或椭圆形。熔池底部有液体金属的排出口。炉墙上有炉门、窥视孔、出渣口等。炉顶结构有拱顶和吊顶两种;前者用于宽度较小的炉子,后者用于较宽的炉子。在高温火焰炉上,火焰直接进入炉膛。如以块煤为燃料,则需单独设置固体燃料的燃烧室,火焰翻过火口进入炉膛。如以粉煤、煤气或燃料油为燃料,则需用燃烧器。
 
  回转炉
 
  回转炉或称回转窑,在冶金工业中用于铁矿石的直接还原、氧化铝矿物的焙烧、粘土矿物的焙烧,以及各种散状原料的焙烧挥发、离析和干燥作业。回转炉的炉体呈圆筒形,用厚钢板制成,筒内衬以耐火材料。炉体横架在支座的滚轮上,稍倾斜(4~6%)。炉体长度与直径之比在12:1到30:1之间。操作时炉体匀速转动。由于炉体的倾斜和转动,炉料由高处逐渐移向低处。炉料在运动过程中逐渐升温,并依次发生物理、化学变化。回转炉的温度一般控制在炉料熔点以下。
 
  电炉
 
  电炉利用电热效应供热的冶金炉—神光电炉。电炉设备通常是成套的,包括电炉炉体,电力设备(电炉变压器、整流器、变频器等),开闭器,附属辅助电器(阻流器、补偿电容等),真空设备,检测控制仪表(电工仪表、热工仪表等),自动调节系统,炉用机械设备(进出料机械、炉体倾转装置等)。大型电炉的电力设备和检测控制仪表等一般集中在电炉供电室。同燃料炉比较,电炉的优点有:炉内气氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加热快,加热温度高,温度容易控制;生产过程较易实现机械化和自动化;劳动卫生条件好;热效率高;产品质量好等。
       工业炉按热工制度又可分为两类:一类是间断式炉,又称周期式炉,其特点是炉子间断生产,在每一加热周期内炉温是变化的,如室式炉、台车式炉、井式炉等;第二类是连续式炉,其特点是炉子连续生产,炉膛内划分温度区段。在加热过程中每一区段的温度是不变的,工件由低温的预热区逐步进入高温的加热区,如连续式加热炉和热处理炉、环形炉、步进式炉、振底式炉等。
      
    6.设备原理
 
    工业炉的结构、 加热工艺、 温度控制和炉内气氛都直接影响加工后的产品质量。在锻造加热炉内,提高金属的加热温度,可以降低变形阻力,但温度过高会引起晶粒长大、氧化或过烧,严重影响工件质量。在热处理过程中,如果把钢加热到临界温度以上的某一点,然后突然冷却,就能提高钢的硬度和强度;如果加热到临界温度以下的某一点后缓慢冷却,则又能使钢的硬度降低而使韧性提高。
    工业炉为了获得尺寸精确和表面光洁的工件,或者为了减少金属氧化以达到保护模具、减少加工余量等目的,可以采用各种少无氧化加热炉。在敞焰的少无氧化加热炉内,利用燃料的不完全燃烧产生还原性气体,在其中加热工件可使氧化烧损率降低到0.3%以下。可控气氛炉是使用人工制备的气氛,通入炉内可进行气体渗碳、 碳氮共渗、光亮淬火、正火、 退火等热处理,以达到改变金相组织、提高工件机械性能的目的。
    在流动粒子炉中,利用燃料的燃烧气体,或外部施加的其他流化剂,强行流过炉床上的石墨粒子或其他惰性粒子层,工件埋在粒子层中能实现强化加热,也可进行渗碳、氮化等各种无氧化加热。在盐浴炉内,用熔融的盐液作为加热介质,可防止工件氧化和脱碳。
    在工业炉内熔炼铸铁,往往受到焦炭质量、送风方式、炉料情况和空气温度等条件的影响,使熔炼过程难于稳定,不易获得优质铁水。热风冲天炉能有效地提高铁水温度、减少合金烧损、降低铁水氧化率,从而能生产出高级铸铁。随着无芯感应炉的出现,冲天炉有逐步被取代的趋势。
    工业炉的熔炼工作不受任何铸铁等级的限制,能够从熔炼一种等级的铸铁,很快转换到熔炼另一种等级的铸铁,有利于提高铁水的质量。一些特种合金钢,如超低碳不锈钢以及轧辊和汽轮机转子等用的钢,需要将平炉或一般电弧炉熔炼出的钢水,在精炼炉内通过真空除气和氩气搅动去杂,进一步精炼出高纯度、大容量的优质钢水。
         
    7.机械热工
    工业炉以单位时间单位炉底面积计算的炉子加热能力称为炉子生产率。炉子升温速度越快、炉子装载量越大,则炉子生产率越高。在一般情况下,炉子生产率越高,则加热每千克物料的单位热量消耗也越低。因此,为了降低能源消耗,应该满负荷生产,尽量提高炉子生产率,同时对燃烧装置实行燃料与助燃空气的自动比例调节,以防止空气量过剩或不足。此外,还要减少炉墙蓄热和散热损失、水冷构件热损失、各种开口的辐射热损失、离炉烟气带走的热损失等。
 
    金属或物料加热时吸收的热量与供入炉内的热量之比,称为炉子热效率。连续式炉比间断式炉的热效率高,因为连续式炉的生产率高,而且是不间断工作的,炉子热制度处于稳定状态,没有周期性的炉墙蓄热损失,还由于炉膛内部有一个预热炉料的区段,烟气部分余热为入炉的冷工件所吸收,降低了离炉烟气的温度。
 
    提高炉子热效率的基本措施是:充分提高燃烧效率,强化对工件的传热;尽可能地连续生产和满负荷工作;设置预热器,对空气及煤气进行预热,以回收烟气余热;采用比热容和热导率低的耐火材料,以减少炉墙蓄热和散热损失。
 
    为了使炉温恒定和实现规定的升温速度,除必须根据工艺要求、预热器和炉用机械型式、燃料和燃烧装置类别、工业炉排烟方式等确定优良的炉型结构外,还需要对燃料和助燃空气的流量和压力,或对电功率等可控变量通过各种控制单元进行相互调节,以实现炉温、炉气氛或炉压的自动控制。
    
    8.设备使用
    工业炉在其生产过程中经常会涉及熔炼、干燥、烘烤、加还化学反应等加热的工序。而工业炉窑就是用于这些工序的加热设备。而为这些设备提供热源的燃料主要有气体燃料、液体燃料、固体燃料和电。使用这些加热设备,容易发生烧伤、触电事故。如果使用气体、液体燃料,一旦发生泄漏或溢出,亦可能构成火灾、爆炸的危险。
 
    工业炉使用时炉门升降机构必须完好,钢丝绳断丝不准超过规定值。重锤配置适当,外露传动部分应设防护罩。 如果是水冷却的炉门,还要保证管道畅通,冬季管路不冰冻。炉门要有限位装置,进出炉时,要有切断电源的联锁装置,钢丝绳在节距内断丝数不得超过10%,平衡炉门的重锤悬挂应可靠。要求外露传动部分的防护装置应保持正确的安装位置,结构合理。 炉车钢丝绳滑轮应完整无损。 炉窑上所有滑轮、链轮结构完好,无缺损,转动灵活。
 
    工业炉炉体的炉墙、炉衬应严密,无泄漏。 要求耐火材料经受热、腐蚀、磨擦和化学浸蚀,炉体的炉墙要保持完整,不得有缺损;耐火材料及其制品连接的缝隙不得漏气;同时要求炉窑的整体性必须坚固。气阀应能按照操作要求使开关停在任一位置上,特别是在火焰熄灭时能迅速切断燃料供给。气阀要求无松动和泄漏现象,保持其整体性和可靠性。油管、风管及加热管应无裂纹、无泄漏现象。各种不同用途的管道都要保持无泄漏、无裂纹、畅通,油嘴应畅通,油温、油(风)压应保持正常。
 
    工业炉炉门巡回冷却水,必须畅通并在门安装排气管。 测温仪表、仪器应灵敏可靠,PE可靠。要求仪器、仪表反应灵敏、指示正确,并在检验周期内使用。氨气瓶严禁靠近热源、电源或在强日光下曝晒。保持通风良好,且布置在人员活动地点的下风侧。
   
    9.安全隐患
 
    工业炉是一种高温设备,它与燃油、煤气、电能、灰尘等密切联系在一起,容易引起火灾、烧伤、爆炸、中毒、触电等事故。因此,工业炉与一般冷加工设备相比,不安全因素要多得多。 一般说来,工业炉操作时的高温容易发生烫伤、灼伤和烧伤;高温熔盐和熔融金属遇到水后会发生爆炸;煤气和可控气氛是易爆气体,油路、油箱和油库都是易燃易爆设施,如使用不当,则将发生爆炸和中毒事故;电炉的安全保护装置失灵,接触后会发生触电;氰化炉的氰化物有剧毒;硝盐炉加热到550℃以上会产生自燃;硝盐与木炭、炭黑化合后会发生爆炸。
    工业炉修理的环境较差,许多修理作业是在炉内进行,空间十分拥挤,自然采光不足,通风条件很差。工人操作时不仅受到粉尘的侵害,有时还直接受到高温、烟尘、有毒气体和化工材料的腐蚀。有的炉子(如冲天炉)高达10m—20m,由于炉身现场狭窄,修理工作呈高空立体交叉、多层作业,危险性很大。因此,当操作和维修工业炉时,要十分重视安全问题。尤其是在组织工业炉时,要十分重视安全问题。尤其是在组织工业炉的抢修或热修时,更应注意这些不安全因素所可能引起的不幸事故。
    
   10.故障分析
 
    每个换向阀配有一个气动三联件,气动三联件应定期进行加油和清渣、排水。加油时先关闭气动三联件前手阀,然后卸下油杯加油,油杯的油量以不超过满刻度为宜。油料为气动三联件指定的雾化油,亦可用32#透平液压油替代。油的雾化速度调整至以3~5天雾化一杯油为宜,同时保证3~5天内加油一次。加油时如有必要,可一起进行清渣、排水。如气动三联件不雾化油,应及时对三联件进行检修或更换。 换向系统发生故障报警时,根据控制柜上显示的报警指示灯找出故障点,并经现场检查和确认后进行及时的处理,恢复换向阀的正常工作。如果属气管爆裂或脱落,关闭该换向阀的压缩空气供气阀门并立即更换相应的气管。如果属限位开关松动不能接触阀杆上的圆形铁片,可立即调整限位开关的旋转角度,保证换向阀阀板在前后极限位时和限位开关触轮的正常接触。如果不属上述1)、2)原因报警,检查电磁阀是否正常动作,必要时更换电磁阀。如果不属上述1)、2)、3)故障报警,检查气缸是否内漏、限位开关和电磁阀的接线是否正常。
 
    如果换向系统报警后不能及时排除故障并恢复运行,可采取如下处理措施:如换向系统报警后操作工在关闭手阀后仍不能及时排除故障而排烟温度超标时,关停引风机,并关小空煤气调节阀,组织相应的人员尽快处理故障。换向阀定期(可一年左右)打开检修孔,检查密封圈、阀板、连杆的使用情况,必要时可随时打开检查。
 
    工业炉行业采用脉冲燃烧的必要性 高档工业产品对炉内温度场的均匀性要求较高,对燃烧气氛的稳定可控性要求较高,使用传统的连续燃烧控制无法实现。随着宽断面、大容量的工业炉的出现,必须采用脉冲燃烧控制技术才能控制炉内温度场的均匀性。
 
   11.设备发展
 
    脉冲燃烧则不然,无论在何种情况下,烧嘴只有两种工作状态,一种是满负荷工作,另一种是不工作,只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节,所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷,需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。在使用高速烧嘴时,燃气喷出速度快,使周围形成负压,将大量窑内烟气吸人主燃气内,进行充分搅拌混合,延长了烟气在窑内的滞流时间,增加了烟气与制品的接触时间,从而提高了对流传热效率,另外,窑内烟气与燃气充分搅拌混合,使燃气温度与窑内烟气温度接近,提高窑内温度场的均匀性,减少高温燃气对被加热体的直接热冲击。
 
    工业炉行业中普及脉冲燃烧控制技术,由高速燃烧器和工业炉控制系统两部分组成,采用脉冲燃烧技术来完成工业炉的升温、控温。对于燃气窑炉内部温度场和温度波动力±2°C,对于燃油(柴油)窑炉内部温度场和温度波动为±3°C,在使用重柴油为燃料的窑炉上效果良好。普通燃烧器当窑炉内部温度低于燃料自燃温度时,燃烧器燃料间断后火焰立即熄灭,无法继续燃烧,对炉内温度不会产生影响,解决了熄火这一问题,并采用当今最先进的雾化技术——气泡雾化技术,使燃烧器的雾化效果更好、雾化介质使用量更少,原来烧轻柴油的窑炉现可烧重柴油。
 
    在实际应用过程中,采用普通的脉宽调制的方法调节燃烧占空比时,当占空比接近0%或100%时,间断或燃烧的时间太短,现场的运行效果不理想,于是我们引人了最小时间这一概念,将间断和燃烧的最小时间定为3秒,当占空比接近0%或100%时,延长相应的燃烧和间断时间即可解决这一问题。脉冲燃烧作为一项新技术有着广阔的应用前景,可广泛应用于陶瓷、冶金、石化等行业,对提高产品质量、降低燃耗、减少污染将发挥重大作用,是工业炉行业自动控制的一次革新,将成为未来工业炉燃烧技术的发展方向。
 
 
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