工业炉设计要点

工业炉砌体、工业炉排烟系统、工业炉预热器、工业炉驱动装置和工业炉燃烧装置等。

一般工业炉的结构组成：

1、工业炉本体，包括框架支撑结构、炉膛结构、物料输送系统等。

2、供热系统，包括向工业炉内物料提供热源的设备系统，如能源介质管道和设备系统、电力输送系统变压设备等。

3、排烟系统，包括烟道、烟囱、换热器和排烟辅助设备等。

4、其他配套设备。

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。

工业炉按热工制度分为两类:一是间断式炉，又称周期式炉，其特点是炉膛内不划分温度区段，炉子按一班或两班生产，在每一加热周期内炉温是变化的，如各种室式炉、台车式炉、井式炉、罩式炉等;二是连续式炉，其特点是炉膛内划分温度区段，一般由预热、加热(高温)、均热(保温)三个区段组成，炉子为三班连续生产，在工业炉加热过程中每一区段内的温度可认为是不变化的，如二段或三段连续式加热炉、推杆式加热炉和热处理炉、环形炉、步进式炉、振底式炉、冲天炉及石灰窑等。

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。

应用其他工业，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。

1、改善燃料的燃烧状况。

燃料作为能源具有很大的特殊性，第一，资源的总量是有限的，燃料的总量是有限的总有一天会枯竭。第

二，燃料的使用具有不可重复性，燃料的使用是单方向的具有不可逆性。第三，能源的使用效率低下。燃料在使用过程中常常会发生一定的损失，损失的程度根据使用的方式和控制水平的不同而不同。第四，燃料在使用过程中会对环境产生负面影响，燃料在使用过程中常常会伴有废弃物的产生，对环境造成不同程度的污染。

燃料在工业炉中燃烧时通过安装在工业炉上的燃烧器上完成的，因而燃烧器的性能直接关系到工业炉燃料的消耗量。因此，应该提高燃烧器的性能，因为只有保证燃烧器的性能满足工业炉的供热能力，使其有较低和稳定的空气过剩系数，才能使燃料在使用过程中充分提高燃烧效率，使燃烧器能够适应温度较高的助燃空气。

2、优化炉衬结构。

工业炉的炉衬可以分为砖砌炉衬、烧注料炉衬和纤维炉衬。当前国内的加热炉大部分都是采用传统的内火砖砌形式，炉衬的散热和蓄热可以占到总能耗的30%-40%。筑炉材料的发展趋势是高温、高强和轻质方向。合理选择炉衬材料和优化复合炉衬结构就可以起到减少炉体散热、减少蓄热损失达到节能的良好效果。首先，烧注料炉衬的导热系数较之砖体炉衬的导热系数小很多，炉体气密性较好，因而可以起到延长使用寿命的、达到节能的目的。近年来浇注料在品种、质量上均有长足的进步，这样可以起到满足炉子内高温、耐急冷急热的要求，使用浇注炉衬可以比砖砌炉子节约3%左右的能源。其次，内火纤维是一种超轻质内火材料，它的基本性能密度小、导热系数小，这种材料的筑炉可以起到节能、省材提高炉子生产能力的效果。使用耐火纤维炉衬比砖砌炉子可以节约7%的能源。耐火纤维制品的研制，耐火纤维可以在1200度的高温中使用，因而促进了耐火纤维的使用。

耐火纤维的施工方法可以在很大程度上影响其使用效果和使用寿命，传统的锚固方法在使用中经常会发生各种问题。新的施工方法可以将纤维棉的高压风送出喷枪，将结合剂与纤维棉外混使用这种方法消除了炉衬的接缝大大提高了其节能效果，可以起到延长炉子寿命的目的。红外节能涂料的节能效果非常高，这种涂料可以在炉温1800度的各种燃料炉上使用，如果将其喷到炉衬表面，可以形成0.5毫米的涂层，利用涂层的红外辐射性能可以起到增加热效、减少能耗的良好效果。

3、提高控制水平。

提高控制水平的方法：第一，控制燃料燃烧。对工业炉进行计算机控制要实现炉温、供燃料量、燃料量与空气量的合理配比，控制这几个量的核心就是合理对燃料进行配比。用测量烟气中含氧量的方法来进行控制配比。第二，优化数学模型。为了控制炉内的温度要合理优化数学模型，炉内温度利用数学模型最好将炉内温度控制为曲线，提高炉内燃料的使用效率。

1、要使用节能的燃烧技术

工业炉能源浪费的主要原因之一是不完全燃烧所造成的热能损失。它是由化学不完全燃烧和机械不完全燃烧引起的。化学不完全燃烧可以引起由于排烟中一氧化碳，氢和氨的可燃气体的不完全燃烧造成的热损耗，从而引起以散煤为燃料的工业炉冒黑烟。这种黑烟中的高温粉尘以及二氧化硫、二氧化碳等都会对大气环境造成污染。机械不完全燃烧的热损失主要体现在未完全燃烧的煤粒、灰渣和飞灰颗粒上面。这些灰渣和颗粒同样会造成对环境的极大损害。富氧燃烧技术可以大幅度提高燃烧温度，减少助燃的空气量，以此来实现烟气量的减少和燃气热的损失，既节约燃料，也能延长工业炉炉窖的使用寿命，提高工业炉的产量等。但富氧燃烧技术由于分离空气时会产生氮气等大量的副产品，对空气污染情况的改善不仅起不到作用，反而可以加剧空气质量的恶化，同时相关设备还会增加电耗，其大范围的使用还有待改进和研究。工业上我们还可以采用高温空气燃烧技术以及燃料入炉前进行磁化处理等技术来达到节能减耗的目的。

2、工业炉的余热回收和利用技术

工业炉产生的大量的烟气会带走大量的热能，这些热能被称之为余热。对这些余热的回收与利用，可以在节约能源的同时，减少对大气的污染。目前我们可以装配预热器，用烟气助燃。也可以装配余热锅炉来利用烟气的余热烧热水，工业用或者生活用均可。我们还可以利用烟气余热来预热早已冷却的器件或用作低温炉的热源。而应用范围最广也是最有效的是使用换热器，排放温度在200℃以下时，其节能效果可以达到30%以上。目前我国应用范围较广的换热器有片装、喷流式、组合式以及旋流管式换热器等类型，其应用后，节能效益大有提高。

3、热工制度与检测技术

目前我国工业炉的能源耗损以及污染严重主要是由于对燃料和空气的调节和检测技术不到位或者相对落后造成的。这种状况对工业炉的热工检测与控制技术提出了更高的要求。先进的微机控制系统和先进的自动化控制技术的使用可以实现对系统及其相关部件的精准控制和调控，如控制工业炉的炉温以及燃料的流量、控制烟道废气的含氧量等。

4、炉型结构与筑炉材料的改进

为了达到节能减排的目的，我们可以对工业炉进行炉型结构的改进或者选择新型的节能材料来提高能源的使用效率。一般来讲，如果不能增大炉膛空间的话，我们可以选择增大炉膛与器件之间的热交换面积，或者采用圆形的炉体，以减少工业炉外壁的面积从而减少炉壁的散热损耗。我们还可以在工业炉的炉膛内设置风扇来实现工业炉内对流传热功能的加强。工业炉内高速气流的流转会破坏工件表面阻碍传热来实现缩短工件的加热时间，达到快速提高工件温度的目的，此方法应用在小型加热炉上作用将更为明显。

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（见下图《测温仪表》所示）、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。

在工业炉的绿色发展之路中．首先需要解决的就是热能转化吸收问题。目前比较先进的措施有以下几点：

（1）以强化炉内传热为核心，优化工业炉整体设计。

（2）强化预热回收技术，扩大技术应用领域。比如：使用自身预热烧嘴；蓄热式烧嘴等提高预热温度，或采用双预热等方式。

（3）采用轻型炉衬材料，优化炉衬结构。比如热处理炉炉顶和侧墙的耐火材料都选用纤维模块及新型纳米材料，不仅完全满足工艺要求，而且也安装方便．节省了现场安装人员的施工时间。

目前的工业炉技术发展方式已经发生了巨大变化。从感性设计到经验设计，到经验加理论，再到现在的理性设计，其实每一步都是在“绿色之路”的轨道上前行。

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。

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。

序言

编写说明

第1章 国内外工业炉的现状与发展

1.1　工业炉的现状与发展趋势是什么？

1.2　大型锻造液压机用加热炉的现状与发展是什么？

1.3　电炉炼钢技术的新发展有哪些？

1.4　机械工业节约和替代燃料油的途径是什么？

1.5　电炉炼钢法在现代炼钢生产中的发展的趋势如何？

第2章 工业炉维修必备的基本知识

2.1　工业炉的名称、构造、规格与用途

2.2　工业炉的检查和修理方法

2.3　工业炉运行与维护

2.4　工业炉技术质量标准

2.5　工业炉修理质量验收要求

第3章 工业炉维修的技术准备

3.1　设备维修前的技术准备工作有哪些？

3.2　施工现场安全技术规程有哪些？

3.3　高空作业安全技术规程有哪些？

3.4　机电设备安全技术有规程有哪些？

3.5　筑炉工具有哪些？

3.6　筑炉设备有哪些？

第4章 热处理炉的结构、使用与维修

4.1　热处理炉的基本知识

4.2　台式热处理炉的修理及改进

4.3　热处理炉的维护、故障排除、节能措施等

第5章 加热炉的结构、使用与维修

5.1　加热炉的基本知识

5.2　加热炉炉衬的修理及改进

5.3　台车、轨道及砂封的修理及改进

5.4　排烟系统与炉前管道的修理及改进

5.5　加热炉的维护、故障排除、节能措施等

第6章 电炉的结构、使用与维修

第7章 冲天炉的结构、使用与维修

第8章 炉用材料

第9章 工业炉设备常用操作规程

第10章 工业炉的新技术的应用

附录

附录A　工业炉砌筑工程施工及验收规范（摘自GB50211-2004）

附录B　工业炉窑大修理及新建通用技术条件（摘自JB/ZS2.11-1994）

附录C　不同牌号各种耐火制品的性能指标

参考文献

工业炉是工业加热的关键设备，在推动我国经济发展和科技进步方面起着十分重要的作用，广泛应用于国民经济的各行各业，量大面广，品种多，同时工业炉又是高能耗装备。工业炉设计得是否合理对促进我国工业炉技术的发展，进一步节约能源，提高能源利用水平至关重要。

本手册集设计研究、制造安装和操作管理于一体，是一本简明实用的工业炉设计工具书。本手册的最大特点是突出了常用炉型和蓄热式炉设计技术。为了提高手册的实用性，尽量避免一些理论性较强和设计计算过程较繁琐的内容，由此使手册变得更加简明实用，方便了读者对所需内容的查找和正确运用。

本手册的另一特点是，在精练内容和精简篇幅的同时，保证了工业炉设计核心内容的全面性和完善性，这些核心内容是：燃料与燃烧计算、钢材加热计算、燃料消耗量计算、燃烧装置及设计、预热器设计、筑炉材料与炉衬设计、炉用结构件与炉用机械设计、炉前管道与排烟系统设计、常用炉型与蓄热式炉设计、工业炉节能与环境保护等。

本手册编写方法采用了以图表为主导、辅以文字论述的方式，十分便于读者阅读和应用。在编写过程中，我们关注了近年来在工业炉领域采用的新技术内容，采用了最新国家标准，缜密审核了全部计算公式，对具有一定难点和特点的设计计算内容列举了一些计算例题以便读者对照应用。为了适应新时期的政策要求，手册编入了蓄热式燃烧和低氧化氮燃烧技术，有助于减少工业炉生产运行中所生威C02和NOx的排放量。

本手册由中国中元国际工程公司（原机械工业部设计研究院）的王秉铨、姜生远和哈尔滨松江电炉有限责任公司的王秋编写。其中，第2章、第7章、第10章、第11章由姜生远编写，第8章、第12章的12.4节由王秋编写，其他章节内容由王秉铨编写。

限于编者的水平，对于手册中存在的错误和不当之处，敬请读者批评指正，更希望提出改进意见，以使手册在内容丰更加完善、正确、简明和实用。