从工厂设计角度谈锻造车间工业炉的布置

吕增印,田贵捷，迟晨阳

(机械工业第六设计研究院有限公司 国际工程院，河南 郑州 450007)

在工业生产中，利用燃料燃烧产生的热量或者将电能转化成热能，对工件或物料进行加热的设备，称为工业炉[1]。工业炉普遍应用于锻造车间、热处理车间、铸造车间等热工车间，是工业工程的重要装备。热工车间的工业炉布置设计是其他专业设计的前置性工作，也是热工车间设计的关键工作，将直接影响车间后续运营的效率和成本。当前，我国正处于供给侧结构性改革、经济提质升级的新发展阶段，工业炉布置设计时充分考虑落实节能减排措施和营造舒适性工作环境的要求，不仅是锻造企业的需要，也是工厂设计企业响应国家号召、遵守相关法律法规的应有之义。本文以锻造车间为例，拟从系统化、宜人化、绿色化设计理念出发，详细阐述工业炉布置需要综合考虑的因素。

1 系统化设计

本文以工业炉布置方案作为研究对象，研究工业设计与各专业设计的关系，运用系统化设计理念，提出工业炉与其关联对象的合理化布置方案。

1.1 炉体与吊具的相关性

台车式工业炉装载量、装载方式以及炉门开启方式不同，其炉体高度可达4 m多，炉门开启后高度可达5 m以上。如果工业炉布置不当，将会导致炉门提升机构与车间内往复穿行的起重机吊具发生碰撞，造成炉体破损。工业炉炉体与起重机吊具的位置关系如图1所示。

图1 工业炉炉体与起重机吊具的位置关系

若以C1表示主钩到司机室对侧(右侧轨道中心线)的极限距离，C2表示副钩到司机室对侧的极限距离，C3表示工业炉炉门到起重机右侧轨道的距离，则工业炉布置时必须同时满足C3

C3<(C1，C2)min

(1)

在式(1)成立的前提下，C3取值还要综合考虑其他有关因素。

1.2 炉体与钢构厂房柱子的相关性

(1) 工业炉炉内温度约1 300 ℃，炉口开启时大量热量将外溢。对于钢构厂房来说，受热辐射作用，其柱子的温度会升高。当温度超过100 ℃时，钢材的强度、弹性模量会发生变化，将造成依靠预应力工作构件或连接件可靠性的降低，对钢结构带来安全风险[2]。因此，工业炉布置时，应当避免炉口正对且靠近柱子。工业炉炉口与钢构厂房柱子(简称钢柱)的位置关系如图2所示。

图2 工业炉炉口与钢构厂房柱子的位置关系

若以C4表示工业炉炉口到钢柱外壁的距离，B表示起重机轨道中心线到钢柱外壁的距离(可为负值)；则有下列关系式：

C4=C3-B

(2)

在工业炉布置合理的情况下，C4>0。由式(1)和式(2)可推导出：

B

(3)

理论上，在工业炉炉口所处垂直平面与钢柱外壁(朝向炉口侧，下同)平行、炉门被提升且台车不出炉的情况下，炉口对钢柱外壁的热辐射为零[3]。但大多数情况下，炉门被提升后台车会出炉，台车上炽热的钢件对钢柱外壁要产生热辐射。该辐射量的计算较复杂，本文不做赘述。为降低工业炉炉口开启时钢柱受到的热辐射影响，经验上，炉口到钢柱外壁的距离不应小于1 000 mm。

(2) 钢构厂房的柱距一般根据工艺物流要求、受力安全性、建造经济性等因素来确定。对自由锻造车间而言，工业炉炉体宽度、布置方式既影响厂房柱距的确定又受柱距的制约。自由锻造车间的柱距通常为6 m、9 m、12 m，可根据选定的工业炉规格，结合常规柱距先行拟定布置方案，然后由结构专业综合考虑各方面因素后确定其最终布置方案。

1.3 工业炉与厂房维护的相关性

工业炉炉口和装出炉工作区域散发的热量巨大，会通过辐射、对流等方式对厂房屋面产生强烈烤蚀作用。因此，热工车间一般采用耐高温、耐腐蚀的大型混凝土屋面板或发泡混凝土复合板作为屋顶维护材料。

1.4 工业炉与动力管线的相关性

(1) 工矿企业车间的起重机通常采用安全滑触线[4]。该滑触线的绝缘外套用具备较好韧性、耐磨性、阻燃性且抗老化的工程塑料制成，正常工作温度在40 ℃左右。特殊的滑触线具有耐腐蚀、耐磨损、耐重压、耐高温等特点。若条件许可，工程设计时要优先采用本质安全设计方式，把安全滑触线优先布置到工业炉炉口的对面，与起重机驾驶室处于同侧，以避免长期高温烤蚀对滑触线的破坏。

(2) 根据工艺要求，热工车间的燃气输送管道应设在炉体上方的专用吊架上，沿厂房柱子敷设到工业炉炉体的燃气进口。为保证安全，需要对燃气管道进行隔热设计。

2 宜人化设计

工厂设计应当遵守“以人为本”的设计原则，充分考虑工人、设备和环境的协调性，采取必要的技术措施来改善作业环境、提高操作的舒适性。这里，工业炉的宜人化设计主要指通过设计，使工业炉与起重机驾驶室、压机操作室处于相对合理的位置，以便于工人操作，生产安全得到保障。

2.1 炉体与起重机驾驶室的相对位置

在台车式工业炉出炉后，起重机会用四爪吊钳把约1 200 ℃的炽热钢件抓起并运输到锻造压机型砧处。其整个运输过程主要由驾驶室内的司机控制。工厂设计时应合理确定工业炉和驾驶室的空间位置，以保证司机视野开阔，视线不受遮挡。工业炉与起重机驾驶室的相对位置应保证吊钳抓取和运输钢件的全过程在司机视线范围内，以便司机能随时调整控制动作，保证运输安全。

2.2 炉体与压机操作室的相对位置

与地上式布置不同，对于液压站全地下布置的锻压机组，其压机操作室的设置更加灵活，应优先选用工业炉与压机操作室斜对的布置方式，保证压机操作人员可以随时观察钢件运输、上砧状态，提前做好预控操作。

3 绿色化设计

高效、节能、环保是绿色锻造的具体体现。在锻造生产过程中，应最大限度地减少对环境的影响，高效利用原材料和配套能源，从而降低生产成本，减少污染，改善作业环境，提高工作安全性，使企业经济效益和社会效益得到协调和提升[5]。工业炉布置的绿色化设计主要体现在缩短工业炉与压机的距离以及集中布置工业炉两方面。

3.1 缩短工业炉与压机的距离

大型自由锻造车间的工业炉按功能可分为加热炉、热处理炉，按照炉型可分为长炉、短炉。一般情况下，短炉负责钢锭加热，容量小，在频繁开炉的情况下热量损失较小；长炉负责多火锻件加热，容量大，在频繁开炉的情况下热量损失较大。锻造车间的短炉(钢锭加热炉)出炉量(钢件出炉数量)大，开炉频次高，工业炉布置时应当优先把短炉设于最靠近压机的位置，缩短钢锭运输时间，增加砧上锻造时间，尽可能在锻件达到终锻温度前进行一火锻造成形，以降低物流成本，减少燃料消耗和炉体损耗。

3.2 集中布置工业炉

锻造车间加热炉、热处理炉的集中布置便于集中控制[6]和排烟系统设计。此外，工业炉的集中布置能够为二次余热利用创造条件。例如，陕西某石油机械公司对锻造单元集中布置的23台工业炉排放的高温烟气余热进行回收利用，生产热水，供涂装设备生产用热和全厂区域人员洗手及热工单元职工淋浴等生活用热。其所采集热水温度为95 ℃(最高达110 ℃)，热水量为142 m3/h，回收热量的功率达4 950 kW，生产热水温度为90 ℃，生活热水温度为60 ℃，实现了节能减排目标，经济效益显著，社会效益良好。

4 结束语

锻造车间工业炉布置是工厂设计的重要组成部分，应当全面贯彻系统化、宜人化、绿色化设计理念。本文通过分析工业炉与起重机吊具、厂房结构、动力管线、起重机驾驶室、压机及其操作室的相关性，提出了合理化建议及措施；同时，把工业炉烟气余热利用理念前置于工业炉布置方案中，对工业炉集中布置方式的实用性进行了讨论，认为工业炉的集中布置有利于二次余热利用，实现节能减排。