在工业炉设计中计算机辅助设计的有效应用分析

庞 敏

（宝鸡职业技术学院，陕西 宝鸡 721000）

工业炉在我国国民经济各行业中实现了普遍应用，量大面广，品类繁多，但是同时也是高能耗设备。当前我国各类型工业炉能耗占据了总能耗的大约60%，尽管我国工业炉技术也在不断优化更新，但是能源利用率依旧不高，热效率也非常低[1]。而在机械制造行业中，计算机辅助设计技术已经演变成了常规必备技术手段之一，这就直接为相关软件有效应用奠定了基础。而且在全球制造行业逐渐向我国转移的趋势下，计算机辅助设计技术应用已经成为了机械制造行业不可或缺的主要辅助设计手段[2]。

1 工业炉设计的注意细节

1.1 强度设计

工业炉需要承受巨大高温与高压，想要保证其可靠性与安全性，需进行强度设计，即受压元件与受力结构等，以使得工业炉具备科学的设计结构，受压元件强度与标准要求相符，保证工业炉可以承受压力负荷。严格计算并设计工业炉受力构件材料，需对其抗荷载能力与塑性变形力进行计算，防止其因为难以承受荷载发生异常。就受力构件材料选择来说，要经过全方位计算才能得以确定，应计算构件壁温、温度变化影响、制造工艺影响，据此进一步确定构件材料应力，促使其为受压元件强度设计提供一定的数据依据，进而满足工业炉正常运行需求。

1.2 管路设计

工业炉管路设计主要包含水箱、给水泵、水处理设施、阀门、凝结水回收设施等等，应全面科学设计布置各管路，确保其合理性与稳定性，特别是要注重工业炉管路的开孔与转角焊缝位置，促使其处于相分离状态。就管路封头而言，应在设计中重视焊接、厚度与应力等细节部分，使得其具备较高的密封性。还要加强对管路壳体位置开孔设计的关注，提高管路内径与位置的合理性，从而提高工业炉运行效率与水平。

1.3 水位设计

在工业炉水位设计中，应避免水位表接口位置不恰当问题，防止最低水位超出或者不足最高火界，需要切实依据工业炉的运行环境加以设计。

1.4 焊缝位置设计

工业炉焊缝焊接不合理会直接导致质量下降，因此为了保证焊缝位置设计的合理性，需要防止两节锅筒之间的焊缝距离太小，一节锅筒利用两块以上钢板，以及辐射热比较强的位置上出现纵向焊缝。

1.5 防爆装置设计

在工业炉持续运行时，炉膛内燃烧不充分或存在未燃烧燃料，点火的时候会产生很大压力，造成炉体所承受压力明显小于爆燃压力，从而导致炉膛爆燃。因此，在防爆装置设计时，应保证炉膛可以外泄压力，并且小于内部压力，使用全自动点火控制程序与灭火保护装置，并设计科学的、高效的防爆门装置，防止既有重力式防爆门密封不良，出现漏火等现象。

1.6 排污孔与上水位设计

在工业炉设计中，排污孔设计是非常重要的细节部分，如果排污孔设计缺乏科学性与合理性，就会造成工业炉内部沉积物积淀不能彻底清除，大大降低工业炉运行效率与质量[3]。

2 在工业炉设计中计算机辅助设计的应用优势

2.1 设计图纸形象生动

三维立体软件的关键性优势就是图纸完成之后，在安装调试设备时，能够全面形象地展现出来，具有良好的立体效果。就设备结构而言，能够严格按照图纸完成施工，整体视觉效果是非常突出的。为机械加工行业重视设备性能的基础上，也注重设备外观的设计行业带来了更加有效的参考依据，进一步优化了设备的视觉效果。

2.2 设计方案与加工工艺优化

三维立体绘图能够直接体现出设备细节部分在机械加工或安装中的科学性与合理性。三维图纸可以直观地展现出细节中所存在的问题，因此有利于优化设计方案与加工工艺，保证设备安装的工艺性与经济性。

2.3 二维图纸修改效率与水平提高

三维绘图软件还有一大优势，就是由其构成的三维图纸，在此软件上就三维图纸内容为依据可以绘制二维工程施工图纸，在有类似设备需要进行局部尺寸修改的时候，只需要在三维图上修改即可，二维工程施工图纸会随之自动修改。由于三维图纸的修改效率与水平较高，使生产效率与质量得到了提升[4]。

3 在工业炉设计中计算机辅助设计的有效应用

3.1 利用Auto CAD软件绘制图纸

工业炉施工图纸绘制需要以Auto CAD 软件为辅助，严格按照定位线条、标准尺寸、绘制剖面一系列流程，在不同结构安置相应图层，依次进行区分，并利用电子文档形式保存并管理图纸。Auto CAD 图纸管理框具体如图1所示。

图1 Auto CAD图纸管理框

3.2 利用Auto lisp语言扩展专用功能

以Auto CAD 软件为载体，利用Auto lisp 语言进行二次开发，扩展绘制工业炉施工图纸的专用项，并添加与工业炉相适应的绘图与标注命令，允许用户编辑修改图层、文字、文件。Auto CAD 软件编辑功能的扩展命令具体如图2所示。

图2 菜单层次结构

3.3 工业炉类型择取专家系统

就工业炉选型来说，在既有经验为主的模式中吸收人工智能理论，并搜集专家设计经验，构建知识库，就设计需求逻辑推理，基于制作专家调查与推理策略进一步确定炉型，切实应用到工业炉类型择取中，为缺乏经验的企业提供有力帮助。专家系统结构具体如图3所示。

图3 专家系统结构

3.4 计算机辅助设计计算程序的制定

根据工业炉设计计算过程的复杂、多元化等特性，利用计算软件开发的手段，在程序中添加工业炉设计的相关公式，并应用程序批处理计算功能快速计算，具体模块划分如表1所示。

表1 计算模块划分

3.5 换热器报价系统

所谓换热器报价系统主要包括三大部分，即设计计算、统计计算、价格计算。以统计金属耗材进一步确定换热器制造成本与价格。换热器报价系统主要是用来对比不同换热器生产指标、制造成本，从而为合理设计与选型提供有效依据。报价系统结构具体如图4 所示[5-6]。

图4 报价系统结构

4 基于受力变形优化改进结构设计

在工业炉设计中，由于炉口属于活动密封的位置，备受内部热量影响，钢板很容易发生变形。在变形之后，炉口密封出现裂缝，导致炉内循环热量向外流出，以此对钢板形成二次受热影响，进一步加剧钢板变形。而且炉口密封出现裂缝还会对炉膛内部与炉口位置的温度均匀性造成影响，从而大大降低热处理工件产品质量。所以，钢板结构十分关键。例如，位于炉体底部位置的炉口钢板不同结构形式处于相同受热状况时发生变形。钢板在炉口保温层的外部，炉门压紧钢板处于密封状态，设备最高温为550 ℃，在优化之前，炉口钢板是整体的，但是在优化之后钢板高温区域开始出现热膨胀裂缝，而且在具体位置添加加固槽钢，以此加强固定，经过热应力分析优化之后，钢板变形明显较小了，其平面度变化尺寸也实现了全面密封，根据图纸施工的设备结构应用效果较好，与三维受力模拟分析结构相一致[7-8]。

5 需要进一步解决的关键性问题与对策

（1）工业炉的炉型各式各样，设计计算内容十分繁杂，过程比较复杂，并且不同的炉型结构变化非常大，设计方式并未构成统一标准，这就直接加大了计算机辅助设计的应用难度。我国目前还未出现可以广泛利用的工业炉设计软件，也没有开发出可以集设计计算、图纸绘制、管理一体化的智能化工业炉计算机辅助设计体系，所以，制定统一的设计标准与规范，促使图形与符号也实现标准化，势在必行。

（2）就炉型相同的工程来说，炉体的结构差异主要看尺寸变化，既有二维设计根本无法满足工程的快速制图要求，而三维设计以特征建模为基础，可以进一步吸取以前的丰富经验。所以，在工业炉设计中吸收三维设计，是有效提高设计效率与质量的主要途径。而且大部分三维设计软件都具备开放式的编程接口，能够根据实际需求进行二次深入开发，设计出专业用于工业炉计算机辅助设计软件，以此提高工业炉设计水平和质量。

（3）在工业炉设计中计算机辅助设计的应用主要体现在结构绘制上，但是对于与设计结构响应的热工参数分析并不完善，所以说设计与分析之间是相分离的，因为在设计中过于注重经验，很有可能会造成实际热工参数与预期存在巨大差异。因此，研发工业炉设计与分析相融合的集成系统，使得设计人员全方位评价设计结构的相关热工参数，并以此作为依据，优化新型工业炉设计，改造旧工业炉设计，促使炉体结构更具科学性与合理性，大大缩短设计周期，提高设计效率和质量，降低成本，为企业带来良好的经济效益和社会效益[9-10]。

6 结 论

综上所述，工业炉设计直接影响着其后续运行的安全性与可靠性，因此切实发挥计算机辅助设计的优势作用，保证工业炉设计效率与质量已经成为必然趋势。现阶段，我国工业炉设计水平有所提高，但是与发达国家相比依旧存在明显差异，由于工业炉具有一定的复杂性，想要切实实现计算机辅助设计在工业炉设计中的应用具有一定的难度，需要遵守全面规划、阶段实施的原则。因此，在进行热处理设备设计生产与实际应用时，以三维绘图工具与计算机模拟分析软件为辅助，不仅能够进一步检验设备整体设计方案的科学合理性，提高结构设计的安全性与可靠性，还能够有效保障生产效率，大大节省资源成本，为企业实现可持续稳定发展奠定坚实的基础。