工業爐是在工業生產中,利用燃料燃燒或電能轉化的熱量,將物料或工件加熱的熱工設備。廣義地說,鍋爐也是一種工業爐,但習慣上人們不把它包括在工業爐范圍內。

  在鑄造車間,有熔煉金屬的沖天爐、感應爐、電阻爐、電弧爐、真空爐、平爐、坩堝爐等;有烘烤砂型的砂型干燥爐、鐵合金烘爐和鑄件退火爐等;在鍛壓車間,有對鋼錠或鋼坯進行鍛前加熱的各種加熱爐,和鍛后消除應力的熱處理爐;在金屬熱處理車間,有改善工件機械性能的各種退火、正火、淬火和回火的熱處理爐;在焊接車間,有焊件的焊前預熱爐和焊后回火爐;在粉末冶金車間有燒結金屬的加熱爐等。

  應用其他工業,如冶金工業的金屬熔煉爐、礦石燒結爐和煉焦爐;石油工業的蒸餾爐和裂化爐;煤氣工業的發生爐;硅酸鹽工業的水泥窯和玻璃熔化、玻璃退火爐;食品工業的烘烤爐等。

設計要點

  1.爐型的選擇 2.燃料的選擇

  3.燃燒裝置,燃燒器的選擇

  4.爐子設計者須對爐子的熱能利用知識較全面理解

  5.爐子輻射段和對流段的熱負荷合理分配以及傳熱面的排列布置

  6.采用新技術,新材料時,尚要注意采用的新技術,新材料的先進性與可靠性,經濟性想結合

7.用增加傳熱面積方法來提高爐子熱效率的時候,除要防止低溫煙氣腐蝕之外,還需要注意增加面積后對系統阻力的影響工業爐的熱效率和燃料消耗量。

發展歷程

  工業爐的創造和發展對人類進步起著十分重要的作用。中國在商代出現了較為完善的煉銅爐,爐溫達到1200℃,爐子內徑達0.8米。在春秋戰國時期,人們在熔銅爐的基礎上進一步掌握了提高爐溫的技術,從而生產出了鑄鐵

  1794年,世界上出現了熔煉鑄鐵的直筒形沖天爐。后到1864年,法國人馬丁運用英國人西門子的蓄熱式爐原理,建造了用氣體燃料加熱的第一臺煉鋼平爐。他利用蓄熱室對空氣和煤氣進行高溫預熱,從而保證了煉鋼所需的1600℃以上的溫度。1900年前后,電能供應逐漸充足,開始使用各種電阻爐、電弧爐和有芯感應爐。

  二十世紀50年代,無芯感應爐得到迅速發展。后來又出現了電子束爐,利用電子束來沖擊固態燃料,能強化表面加熱和熔化高熔點的材料。

  用于鍛造加熱的爐子最早是手鍛爐,其工作空間是一個凹形槽,槽內填入煤炭,燃燒用的空氣由槽的下部供入,工件埋在煤炭里加熱。這種爐子的熱效率很低,加熱質量也不好,而且只能加熱小型工件,以后發展為用耐火磚砌成的半封閉或全封閉爐膛的室式爐,可以用煤,煤氣或油作為燃料,也可用電作為熱源,工件放在爐膛里加熱。

  為便于加熱大型工件,又出現了適于加熱鋼錠和大鋼坯的臺車式爐,為了加熱長形桿件還出現了井式爐。20世紀20年代后又出現了能夠提高爐子生產率和改善勞動條件的各種機械化、自動化爐型。

  工業爐的燃料也隨著燃料資源的開發和燃料轉換技術的進步,而由采用塊煤、焦炭、煤粉等固體燃料逐步改用發生爐煤氣、城市煤氣、天然氣、柴油、燃料油等氣體和液體燃料,并且研制出了與所用燃料相適應的各種燃燒裝置。

  工業爐的結構、加熱工藝、溫度控制和爐內氣氛等,都會直接影響加工后的產品質量。在鍛造加熱爐內,提高金屬的加熱溫度,可以降低變形阻力,但溫度過高會引起晶粒長大、氧化或過燒,嚴重影響工件質量。在熱處理過程中,如果把鋼加熱到臨界溫度以上的某一點,然后突然冷卻,就能提高鋼的硬度和強度;如果加熱到臨界溫度以下的某一點后緩慢冷卻,則又能使鋼的硬度降低而使韌性提高。

  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以達到保護模具、減少加工余量等目的,可以采用各種少無氧化加熱爐。在敞焰的少無氧化加熱爐內,利用燃料的不完全燃燒產生還原性氣體,在其中加熱工件可使氧化燒損率降低到0.3%以下。

  可控氣氛爐是使用人工制備的氣氛,通入爐內可進行氣體滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、正火、退火等熱處理:以達到改變金相組織、提高工件機械性能的目的。在流動粒子爐中,利用燃料的燃燒氣體,或外部施加的其他流化劑,強行流過爐床上的石墨粒子或其他惰性粒子層,工件埋在粒子層中能實現強化加熱,也可進行滲碳、氮化等各種無氧化加熱。在鹽浴爐內,用熔融的鹽液作為加熱介質,可防止工件氧化和脫碳。

  在沖天爐內熔煉鑄鐵,往往受到焦炭質量、送風方式、爐料情況和空氣溫度等條件的影響,使熔煉過程難于穩定,不易獲得優質鐵水。熱風沖天爐能有效地提高鐵水溫度、減少合金燒損、降低鐵水氧化率,從而能生產出高級鑄鐵。

  隨著無芯感應爐的出現,沖天爐有逐步被取代的趨勢。這種感應爐的熔煉工作不受任何鑄鐵等級的限制,能夠從熔煉一種等級的鑄鐵,很快轉換到熔煉另一種等級的鑄鐵,有利于提高鐵水的質量。一些特種合金鋼,如超低碳不銹鋼以及軋輥和汽輪機轉子等用的鋼,需要將平爐或一般電弧爐熔煉出的鋼水,在精煉爐內通過真空除氣和氬氣攪動去雜,進一步精煉出高純度、大容量的優質鋼水。

  火焰爐的燃料來源廣,價格低,便于因地制宜采取不同的結構,有利于降低生產費用,但火焰爐難于實現精確控制,對環境污染嚴重,熱效率較低。電爐的特點是爐溫均勻和便于實現自動控制,加熱質量好。按能量轉換方式,電爐又可分為電阻爐、感應爐和電弧爐?!∫詥挝粫r間單位爐底面積計算的爐子加熱能力稱為爐子生產率。爐子升溫速度越快、爐子裝載量越大,則爐子生產率越高。在一般情況下,爐子生產率越高,則加熱每千克物料的單位熱量消耗也越低。因此,為了降低能源消耗,應該滿負荷生產,盡量提高爐子生產率,同時對燃燒裝置實行燃料與助燃空氣的自動比例調節,以防止空氣量過?;虿蛔?。此外,還要減少爐墻蓄熱和散熱損失、水冷構件熱損失、各種開口的輻射熱損失、離爐煙氣帶走的熱損失等。

  金屬或物料加熱時吸收的熱量與供入爐內的熱量之比,稱為爐子熱效率。連續式爐比間斷式爐的熱效率高,因為連續式爐的生產率高,而且是不間斷工作的,爐子熱制度處于穩定狀態,沒有周期性的爐墻蓄熱損失,還由于爐膛內部有一個預熱爐料的區段,煙氣部分余熱為由于爐膛內部有一個預熱爐料的區段,煙氣部分余熱為入爐的冷工件所吸收,降低了離爐煙氣的溫度。

  為了使爐溫恒定和實現規定的升溫速度,除必須根據工藝要求、預熱器和爐用機械型式、燃料和燃燒裝置類別、工業爐排煙方式等確定優良的爐型結構外,還需要對燃料和助燃空氣的流量和壓力,或對電功率等可控變量通過各種控制單元進行相互調節,以實現爐溫、爐氣氛或爐壓的自動控制。

  燃氣為液化氣,天然氣,焦爐煤氣,城市煤氣,轉爐煤氣,混合煤氣,發生爐煤氣,高爐煤氣等。

設備分類

  工業爐按供熱方式分為兩類:一類是火焰爐(或稱燃料爐),用固體、液體或氣體燃料在爐內的燃燒熱量對工件進行加熱;第二類是電爐,在爐內將電能轉化為熱量進行加熱。

  工業爐按熱工制度又可分為兩類:一類是間斷式爐又稱周期式爐,其特點是爐子間斷生產,在每一加熱周期內爐溫是變化的,如室式爐、臺車式爐、井式爐等;第二類是連續式爐,其特點是爐子連續生產,爐膛內劃分溫度區段。在加熱過程中每一區段的溫度是不變的,工件由低溫的預熱區逐步進入高溫的加熱區,如連續式加熱爐和熱處理爐、環形爐、步進式爐、振底式爐等。

燃氣工業爐

  工業爐按供熱方式分為兩類:一類是火焰爐(或稱燃料爐),用固體、液體或氣體燃料在爐內的燃燒熱量對工件進行加熱;第二類是電爐,在爐內將電能轉化為熱量進行加熱。

膛式火焰爐

  膛式火焰爐的工作室叫做爐膛,由爐底、爐墻和爐頂組成。用作或時,爐底的結構有多種型式,并可按爐底結構稱為車底爐、推料式爐、步進爐、輥底爐、鏈式爐、環形爐等。熔煉用火焰爐(如、煉銅)的爐底是凹下的熔池,用以存放熔融金屬。熔池的形狀,呈長方形、圓形或橢圓形。熔池底部有液體金屬的排出口。爐墻上有爐門、窺視孔、出渣口等。爐頂結構有拱頂和吊頂兩種;前者用于寬度較小的爐子,后者用于較寬的爐子。在高溫火焰爐上,火焰直接進入爐膛。如以塊煤為燃料,則需單獨設置固體燃料的燃燒室,火焰翻過火口進入爐膛。如以粉煤、煤氣或燃料油為燃料,則需用燃燒器。

回轉爐

  回轉爐或稱回轉窯,在冶金工業中用于鐵礦石的直接還原、氧化鋁礦物的焙燒、粘土礦物的焙燒,以及各種散狀原料的焙燒揮發、離析和干燥作業?;剞D爐的爐體呈圓筒形,用厚鋼板制成,筒內襯以耐火材料。爐體橫架在支座的滾輪上,稍傾斜(46)。爐體長度與直徑之比在12:130:1之間。操作時爐體勻速轉動。由于爐體的傾斜和轉動,爐料由高處逐漸移向低處。爐料在運動過程中逐漸升溫,并依次發生物理、化學變化?;剞D爐的溫度一般控制在爐料熔點以下。

電爐

  電爐利用電熱效應供熱的冶金爐神光電爐。電爐設備通常是成套的,包括電爐爐體,電力設備(電爐變壓器、整流器、變頻器等),開閉器,附屬輔助電器(阻流器、補償電容等),真空設備,檢測控制儀表(電工儀表、熱工儀表等),自動調節系統,爐用機械設備(進出料機械、爐體傾轉裝置等)。大型電爐的電力設備和檢測控制儀表等一般集中在電爐供電室。同燃料爐比較,電爐的優點有:爐內氣氛容易控制,甚至可抽成真空;物料加熱快,加熱溫度高,溫度容易控制;生產過程較易實現機械化和自動化;勞動衛生條件好;熱效率高;產品質量好等。

  工業爐按熱工制度又可分為兩類:一類是間斷式爐,又稱周期式爐,其特點是爐子間斷生產,在每一加熱周期內爐溫是變化的,如室式爐、臺車式爐、井式爐等;第二類是連續式爐,其特點是爐子連續生產,爐膛內劃分溫度區段。在加熱過程中每一區段的溫度是不變的,工件由低溫的預熱區逐步進入高溫的加熱區,如連續式加熱爐和熱處理爐、環形爐、步進式爐、振底式爐等。

電爐式工業爐

  工業爐以單位時間單位爐底面積計算的爐子加熱能力稱為爐子生產率。爐子升溫速度越快、爐子裝載量越大,則爐子生產率越高。在一般情況下,爐子生產率越高,則加熱每千克物料的單位熱量消耗也越低。因此,為了降低能源消耗,應該滿負荷生產,盡量提高爐子生產率,同時對燃燒裝置實行燃料與助燃空氣的自動比例調節,以防止空氣量過?;虿蛔?。此外,還要減少爐墻蓄熱和散熱損失、水冷構件熱損失、各種開口的輻射熱損失、離爐煙氣帶走的熱損失等。

  金屬或物料加熱時吸收的熱量與供入爐內的熱量之比,稱為爐子熱效率。連續式爐比間斷式爐的熱效率高,因為連續式爐的生產率高,而且是不間斷工作的,爐子熱制度處于穩定狀態,沒有周期性的爐墻蓄熱損失,還由于爐膛內部有一個預熱爐料的區段,煙氣部分余熱為入爐的冷工件所吸收,降低了離爐煙氣的溫度。

  提高爐子熱效率的基本措施是:充分提高燃燒效率,強化對工件的傳熱盡可能地連續生產和滿負荷工作;設置預熱器,對空氣及煤氣進行預熱,以回收煙氣余熱;采用比熱容和熱導率低的耐火材料,以減少爐墻蓄熱和散熱損失。

  為了使爐溫恒定和實現規定的升溫速度,除必須根據工藝要求、預熱器和爐用機械型式、燃料和燃燒裝置類別、工業爐排煙方式等確定優良的爐型結構外,還需要對燃料和助燃空氣的流量和壓力,或對電功率等可控變量通過各種控制單元進行相互調節,以實現爐溫、爐氣氛或爐壓的自動控制。


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