步进式铜锭加热炉设计理念

井玉娟　冮云龙

【摘 要】步进式加热炉在步进机构运行平稳可靠，自动化程度高，热效率高。步进炉的设计理念对步进炉是至关重要的，步进炉的设计计算更是这重中之重。

【关键词】步进式；加热炉；设计理念

1.加热时间和炉子主要尺寸的计算

1.1加热时间计算

铜坯的加热时间与铜坯在炉内的放置情况、铜坯的材质及直径（或厚度）有关。此外，炉内的温度位差对加热时间的影响则更为显著。

考虑到各种加热因素后的铜坯加热加热时间按下式计算

τ=Mτ1

式中 τ1-基本加热时间

M-置放系数

一般来说，越厚的铜坯加热时间越长，具体加热所需时间则根据具体工艺规程确定。

1.2炉子主要尺寸计算

a、有效炉底长度是指炉子总长度中工件在炉内受热的一段长度。由于是端部炉口装料，习惯上以炉口外缘为起点。出料采用的是端面出料，则以炉内工件的前沿为终点。

计入工件间隔后，有效炉底长度的经验计算式如下

L=（1.10G/K）3[14.25s（b+e）/8.9lfn（1.232-S）] （m）

式中 K-修正系数；

G-要求达到的炉子生产能力（t/h）；

s-工件厚度或直径（m）；

b-工件宽度（m）；

e-工件间的间隔（m）；

l-工件长度（m）；

f-工件截面积（m2）

n-装料列数；

8.9-铜坯的密度（t/m3）

1.10-考虑到经验公式本身的误差而引起的安全系数。

b、炉底宽度工件工件长度l和工件在炉内的列数n决定。工件两端之间和工件端头与侧墙之间的距离取0.2～0.3m，如工件特别长，则取0.4～0.5m，炉底特别长时，考虑到工件在运行中的跑偏量，炉底宽度应适当加大。

c、确定炉膛高度时，应考虑以下因素：

（1）炉膛对工件的传热能力，即炉气能否充满炉膛以保证足够大的辐射层厚度和足够长的气流滞留时间。

（2）炉膛热负荷应处于115～290KW/m3范围内。

（3）烧嘴喷出的火焰应尽量接近工件但不宜直接喷到工件表面上。

（4）加热段内炉气流速为2～5m/s，预热段内为5～8m/s。

（5）便于对炉膛的维修。

2.供热和热耗计算

由于此炉的生产能力比较大，所以采用三段式加热，即预热段、加热段与均热段。接近出料端的为均热段，其温度低于加热段而略高于工件的表面温度，以期工件表面与中心温差缩小到允许范围。加热段炉膛较高以保证燃料的燃烧空间及增强辐射传热。预热段炉膛较低以增强对流传热。在预热段与加热段的炉顶之间设有一个压下段，以减少两段之间温度的相互干扰。

为了确定燃料消耗量，选取燃烧装置的大小进行以下热平衡计算

收入项：

1.1燃料化学热Q1：

Q1=BQd（kJ/h） B---燃料消耗量

=35530B Qd---燃料低发热量

1.2预热空气带入物理热Q2

Q2=（1-K）BL0 CK（tk-t0）

K---燃料机械不完全燃烧损失率；对于固体燃料K=0.03～0.05；对于气体及液体燃料K=0.01～0.02；

L0---单位燃料空气消耗量

ck---空气平均比热容

tk---进入烧嘴或燃烧室时的空气预热温度

t0---预热前空气温度

1.3预热燃料带入物理热Q3

Q3=（1-K）B Cr（tr-t0）（kJ/h）

Cr---燃料的平均比热容

tk---进入烧嘴或燃烧室时的燃料预热温度

t0---预热燃料温度

1.4金属氧化热Q4

Q4=Gδqy（kJ/h）

G---炉子生产能力

qy ---金属氧化放热

δ---金属氧化损失率

支出项：

2.1金属吸收的有效热Q5

Q5=G（J2-J1）（kJ/h）

J2---加热终了时金属的比能

J1---加热前金属的比能

2.2加热辅助件所需热量Q6

Q6=G6（J2-J1）（kJ/h）

G6---辅助件

2.3冷却水带走热量Q7

Q7=3.6A7q7（kJ/h）

A7---水冷构件冷却面积

q7---单位面积热损失，水冷构件表面无隔热层时q4≈Cs（TL/100）4

Cs---导出辐射系数 Cs≈4.07

TL---炉温 K2

2.4 开启炉门或炉墙开孔的辐射热损失Q8

Q8=3.6C0（TL/100）4 A8Фψ（kJ/h）

C0 ---黑体辐射系数，C0=5.675

A8---炉门口或炉墙开孔面积

Ф---遮蔽系数

ψ---炉门或炉墙开孔开启时间比

2.5炉门及其它不严密处逸处气体损失热Q9

Q9=V′cy（ty-to） （kJ/h）

V′---逸出气体量V′=0.82X3600AψX（2h/ρy）1/2

{273/（273+ty）}Nm3/h

cy---逸出气体量平均比热容

ty---逸出烟气温度

to---周围大气温度，可忽略不计

A---炉门口及缝隙面积

0.82---流量系数

h---炉门口或缝隙中心处炉内正压，h=（ρk-ρy）Hg+Pd （Pa）

ρk、ρy---周围空气及逸出烟气在各自温度下的密度

Pd---炉底平面处炉压

H---炉门口或缝隙中心离炉底高度

g---重力加速度 g=9.81（m/s2）

2.6 烟气带走的热量Q10

Q10=（1-K）BVa cy（ty-to） （kJ/h）

Va---单位燃烧生成气量

cy---离炉烟气平均比热容

ty---离炉烟气温度

to---周围大气温度，可忽略不计

2.7燃料的机械不完全燃烧热损失Q11

Q11=KBQd （kJ/h）

2.8燃料的化学不完全燃烧热损失Q12

Q12=（K-1）BVa（126.4CO+107.6H2+358CH4） （kJ/h）

2.9炉墙热损失Q13

Q8=3.6ΣA8q8 （kJ/h）

A8—包括炉墙、炉顶、炉底及炉门在内的计算面积

q8—炉墙单位面积热损失

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4=Q5+Q6+Q7+Q8+Q9+Q10+Q11+Q12+Q13

通过以上热平衡计算可以得出炉子的总供热量，并可以按以下方式对步进炉进行各段炉长及供热量分配。

经过此两个部分的理论设计，就可以确定炉子的形状尺寸及能耗，炉子最基本、最重要的部分完成，加上其它的辅助传动部分和控制部分就可以形成一个完整的炉子了。