蓄热式加热炉设计

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河北XX大学毕业设计说明书（论文）

2 技术设计

2.1 燃料燃烧计算

2.1.1 燃烧计算的目的及内容

燃烧计算包括如下内容：燃料的低位发热量（Q）；

d单位燃料完全燃烧失的空气需要量(L)；

n单位燃料完全燃烧时的燃烧产物量（V）；燃烧产物的成分及其密度（ρ）；

n理论燃烧温度（tL）

燃烧计算的目的是为加热炉设计提供必要的参数。计算空气需要量的目的在于合理有效地控制燃烧过程，合理地选择燃烧设备及鼓风机和供风管道系统、设计燃烧装置提供必要的依据。燃烧产物生成量及其密度的计算是设计烟道、烟囱系统，选用引风机等必不可少的依据。

由燃烧产物成分的计算可以进行炉气黑度的计算，进而可做传热计算。

理论燃烧温度是计算炉温的重要原始数据之一。在炉子的热量总消耗已知的情况下，根据燃料的发热量即可求出总的燃料消耗量。 2.1.2 燃烧计算的已知条件燃烧计算中必需的已知条件如下：

1. 燃料的种类及成分：燃料种类：高炉煤气和转炉煤气高炉煤气成分：（％）

CO2 H2 CH4 N2

20 20 1.6 0.48 57.92 转炉煤气成分：（％）

CO2 H2 CH4 N2

55 6 1.8 0 37.2

COCO河北XX大学毕业设计说明书（论文）

2. 燃烧方法及空气消耗系数n

由于采用蓄热式烧嘴，空气消耗系数取n＝1.05 3. 空气、燃料的预热温度。

采用双预热空气煤气都预热到1000℃。 2.1.3 燃料燃烧计算步骤

1. 换算燃料成分

3 空气消耗系数的确定。

燃烧计算中应合理地选取空气过剩系数n 。空气消耗系数的选取与燃料的种类、燃烧方法以及燃烧装置的形式有关，参考如下：

固体燃料：n＝1.20～1.50

气体燃料：无焰烧嘴n＝1.02～1.05；有焰烧嘴n＝1.10～1.20 液体燃料：低压烧嘴n＝1.10～1.15；高压烧嘴n＝1.20～1.25 蓄热式烧嘴属有焰烧嘴，取n＝1.11

6 理论燃烧温度 tl 实际燃烧温度 ts 1000℃时空气的平均定压比热＝1.439120℃时空气的平均定压比热

ck?eckkJ/m·℃3

＝1.3256

kJ/m·℃3预热空气带入的物理热

Qk ＝n ck×1000-nck?e×20

＝1.11×1.4391×1000-1.11×1.3256×20

3＝1567.97kJ/m

1000℃时煤气的平均定压比热

cr＝

(cH2O?H2O?cCO?CO?cCO2?CO2?cCH4?CH4?cN2?N2)?1100

＝ (1.7250×2.3＋1.398×56.59＋1.415×19.54＋1.331×1.56＋2.700×0.47＋2.215×19.54)/100

3kJ/m·℃＝1.5736

20℃时煤气的平均定压比热

cr.e＝

(cre.H2O?H2O?cre.CO?CO?cre.CO2?CO2?cre.CH4?CH4?cre.N2?N2)?1100

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＝(1.6463×19.54＋1.2995×56.59＋1.5270×2.3＋1.3022×19.54＋1.2795×1.56＋1.5835×0.47)/100

3kJ/m·℃＝1.374

高炉煤气带入物理热量Qr ＝cr×1000-cr?e×20

＝1.5736×1000-1.374×20

3＝1546.12kJ/m

先假设温度为2000℃，可查手册计算得燃烧产物的平均比热

Cp ＝

(cH2O?VH2O?cCO2?VCO2?cO2?VO2?cN2?VN2)?1100

＝(1.9449×4.09＋1.4851×69.53＋1.5714×0.84＋

2.3715×25.72)/100

3kJ/m·℃＝1.735

查得2000℃时CO2和H2O蒸汽分解度分别为：f ＝5.5％；f ＝5.55％

可得 Q＝12645?f?(V)?10802?f?(V)

＝12645×5.5％×25.72×1.54/100＋10802×5.55％

×4.09×1.54/100

3＝313.23kJ/m

可得理论燃烧温度：

CO2CO2fCO2CO2未HO2HO2未tl??Qd?Qk?Qr?QfVn?Cp

1.54?1.7352831.75?1567.97?1546.12?313.23

＝2108 ℃

与假设温度2000℃相比，理论温度高出108℃，所以理论燃烧温度再假设为2050℃。

当燃烧温度为2050℃，可查手册计算得燃烧产物的平均比热

Cp ＝

(cH2O?VH2O?cCO2?VCO2?cO2?VO2?cN2?VN2)?1100

＝(1.9633×4.09＋2.4699×69.53＋1.5785×0.84＋

2.3715×25.72)/100

3kJ/m·℃＝1.7506

由手册查得2050℃时CO2和H2O蒸汽分解度分别为f ＝7.4％；f

CO2CO2河北XX大学毕业设计说明书（论文）

＝7.025％

可得Q＝12645?f?(V)?10802?f?(V)

＝12645×7.4％×25.72×1.54/100＋10802×7.025％

×4.09×1.54/100

3＝418.40kJ/m

可得理论燃烧温度：

fCO2CO2未HO2HO2未tl??Qd?Qk?Qr?QfVn?Cp

1.54?1.75062831.75?1567.97?1546.12?418.40

＝2050 ℃

于假设温度相同，所以理论燃烧温度取2050℃。实际燃烧温度（ts）

ts ＝ηL?tl

＝0.72×2050 ＝1476℃

式中：ηL ——炉温系数，一般由如下经验数据选取：

室状加热炉：ηL ＝0.75～0.8 均热炉： ηL ＝0.68～0.73

2kgm?h，ηL＝0.75～0.8 连续加热炉：炉底强度 200～300

2kgm?h，ηL ＝0.7～0.75 炉底强度 400～600

热处理炉：ηL ＝0.65～0.7

2kgm?h 所以可取 ηL ＝0.72 本次加热炉炉底强度为5702.2 炉膛热交换

炉膛热交换计算的主要目的是确定炉气经炉膛到炉料的总导来辐射系数C值，为钢坯加热计算提供必要的数据。工程上应用的计算式都是根据加热炉实际工况进行假设简化后的理想情况下得出的公式。这些假设条件是：(1)炉气充满炉膛，且在整个炉膛内的温度是均匀的。炉气对于炉膛和钢坯的辐射线和反射线在任何方向上的吸收率相等；(2)炉壁和钢坯表面温度都是均匀的；(3)炉气以对流传热方式传给炉壁的热流在数值上等于炉壁向外的散热。在炉膛辐射热交换中炉壁只是辐射传热的中间体，既不获得热量也不失去热量，即炉

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壁的辐射差额热流等于零。炉壁有效辐射等于炉气、钢坯辐射给它的热量；(4)炉膛看作是一个封闭体系。

由计算可知加热炉的炉温高于1000℃，且炉气为自然流动，所以炉膛热交换以辐射传热为主。 2.2.1 预确定炉膛主要尺寸

1 炉子的宽度

取决于料坯的排数和长度，可利用下式来进行计算

B＝nl＋（n＋1）a…………………………………………… (2－1)

式中: B ——炉子的内宽，m

a ——每排料坯之间的间隙，一般去a＝0.2～0.3m

对某些小钢坯考虑到脱模后残留尾部的影响，a值可适当取大些，但不应过大，否则会造成下部热气体严重上浮，下加热不足影响加热质量。

因炉内为双排料，a值取0.25，可得加热炉炉宽 B＝nl＋（n＋1）a

＝2×3.300＋（2＋1）×0.25 ＝7.35 m 2 炉膛各段高度

查表，对燃气中型加热炉，取H上＝1500㎜，H＝1800㎜

下3 炉膛各段长度：设加热段长度为H，预热段长度为H。 2.2.2 各段平均有效射线行程

加预炉气平均射线行程S决定于炉气容积大小，可按聂夫斯基的近似公式计算：

S＝

?4VF m…………………………………………………………… (2－2)

式中：V——充满炉气的炉膛体积，m3；

F——包围炉气的炉膛内表面，㎡；

η——气体辐射有效系数，一般取η＝0.85～0.9 。 1. 计算各段充满炉气得炉膛体积，

V预＝H预上 BL预……………………………………………………

V加＝H加上 BL加V均＝H均上 BL均 (2－3a)

……………………………………………………

(2－3b)

……………………………………………………

(2－3c)

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由上式可得：

1.500×7.35×L＝11.025LV＝1.500×7.35×L＝11.025LV均＝1.500×7.35×L均＝11.025L均2. 计算各段包围炉气的炉膛内表面

V预＝加预加预加 3m 3m

FK预＝(2H预上? B)L预………………………………………………FK加＝(2H加上 ?B)L加FK均＝(2H均上 ?B)L均 (2－4a)

………………………………………………

(2－4b)

………………………………………………2

(－4c)

由上式可得：

F＝(2×1.5＋7.35)L预＝10.35L预 F＝(2×1.5＋7.35)L＝1.035L F＝(2×1.5＋7.35)L均＝1.035L均

将计算结果分别带入式(2-2)，并取η＝0.9，得：

K预K加加加K均S加＝

0.9?4V加F加＝

0.9?4?11.025L预10.35L预＝3.83 m

S预＝S均＝S＝3.83 m

加2.2.3 炉气中CO2和HO2(汽)分压由燃料计算得：

PCO2＝25.72/100＝0.2572大气压＝4.09/100＝0.0409大气压

PH2O2.2.4 预确定各段炉气温度

设加热段温度比加热终了时钢坯表面温度高60℃，即：

tg加＝t表终＋50＝1190＋60＝1250℃

g预设预热段温度t＝950℃：设均热段温度为1250℃ 2.2.5 各段炉气的黑度

1. 炉气的黑度是指实际气体的辐射能力与同温度下黑体气体辐射能力的比值。气体中具有辐射能力的充分是CO2、

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H2O(汽)等三原子气体。所以炉气的黑度?是CO2气体黑度与

g2OH2O(汽)黑度?H之和，即：＝?CO?g2＋??H2O－??…………………………………………

(2－5)

式中：?——水蒸气黑度修正系数；

——CO2与H2O(汽)共存时炉气黑度的修正系数。预热段炉气黑度

??由

PCO2S预＝0.2572×3.83＝0.985米?大气压

CO查手册可得：?PH2OS预2＝0.21；

＝0.0409×3.83＝0.157米?大气压

H2O由手册查得??PH2OPH2O?PCO2＝1.02×0.122＝0.16

＝0.04090.0409?0.2572＝0.115

p?s＝0.2981×3.83＝1.142米?大气压，由手册查得：??＝0.045

所以，预热段炉气黑度：

?g＝?CO2＋??H2O－??

＝0.21＋0.16－0.045 ＝0.325

2. 均热段炉气黑度由

PCO2S加＝0.2572×3.83＝0.985米?大气压

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查手册可得：?PH2OS加CO2＝0.185；

＝0.0409×3.83＝0.157米?大气压

H2O由手册查得??PH2OPH2O?PCO2＝1.02×0.12＝0.124

0.0409＝0.0409?0.2572＝0.137

p?s＝0.2981×3.83＝1.142米?大气压

由手册查得：??＝0.044 所以，加热段炉气黑度：

?g＝?CO2＋??H2O－??

＝0.185＋0.124－0.044 ＝0.265

2.2.6 各段炉墙和炉顶对钢坯的辐射角度系数对于平顶加热炉：

FM预nLM…………………………………………

?KM预＝FK预＝2H预上＋ＢFM加nLM (2－6a)

?KM加＝FK加＝2H加上＋ＢFM均nLM…………………………………………

(2－6b) (2－6c)

?KM均由式(2－6a)、

＝FK均＝2H均上＋Ｂ…………………………………………

(2－6b)、(2－6c)可得

2?3.3?KM预＝2?1.5＋7.32?3.35＝0.6377

?KM加＝2?1.5＋7.35＝0.6377

2?3.3?KM均＝2?1.5＋7.35＝0.6377

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2.2.7 按炉气温度计算导来辐射系数C 的计算式：

CgKM＝20.43?g?M[1＋?KM(1－?g)]?g＋?KM(1－?g)[?M＋?g(1－?g)]……………………………

(2－7)

取钢坯的黑度?M＝0.8，由式(2－7)可得：

预热段导来辐射系数

CgKM预＝20.43?0.259?0.8?[1＋0.6377?(1－0.259)]0.259＋0.6377(1－0.259)[0.8＋0.259(1－0.259)]

＝9.948 kJ加热段导来辐射系数

CgKM预＝(㎡?h?K)

420.43?0.312?0.8?[1＋0.6377?(1－0.312)]0.312＋0.6377?(1－0.312)?[0.8＋0.312?(1－0.312)]

＝8.702 kJ(㎡?h?K)

4均热段导来辐射系数与加热段辐射导来系数相等：

CgKM均＝CgKM预＝8.702kJ(㎡?h?K)

42.3 钢坯加热时间计算

首先将三段连续加热炉用四个界面分成三个区段，即：钢坯入炉处(炉尾)为0界面；预热段终了、加热段开始处为1界面；加热段终了、均热段开始处为2界面；均热终了钢坯出炉处为3界面。则：0－1为预热段，1－2为加热段，2－3为均热段。计算顺序为界面3、2、1。

2.3.1 均热段钢坯加热有关参数

已知钢坯表面温度和最大断面温差，求算均热段炉气温度。计算依据(由加热工艺给出)：钢坯表面温度i表终＝1190℃ 钢坯最大断面温差?i终＝50℃

1. 均热段为（第三类边界条件）所以其热传导微分方程式

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的解为：

tg?t表tg?t均tg?t中?a?as? ………………………………………… (3－1) ＝?表?2，????s?a?as?＝?中?2，?tg?t均?? ………………………………………… (3－2) ?s式中： t——炉气温度，℃；

gt表——加热终了时钢坯表面温度，℃； ——加热终了时钢坯中心温度，℃； ——加热开始时钢坯断面平均温度，℃。

t中t均若钢坯加热开始时断面温度呈抛物线分布，则钢坯断面平均温度可按下式求得：

t均＝t表－0.7?t终………………………………………………… (3－3)

已知：t表＝1190℃，?t终＝50℃由式(3－3)可得：

t均3＝1190－0.7×50＝1155℃

2. 计算钢坯表面热流

q表＝2??t终2s kJ(㎡?h)……………………………………… (3－4)

式中： λ——钢坯在加热终了时平均温度下的导热系数，

kJ(m?h?℃)；

?t终——钢坯在加热终了时的断面温差，℃；

2s——透热深度，m 。

查表可得钢坯平均温度为1155℃时的导热系数

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λ＝29.35×3.6＝105.66kJ(m?h?℃)

又已知?t终＝50℃，2s＝0.18m，故由式(3-4)可得：

q表3＝2?105.66?500.18＝117400kJ(㎡?h)

3. 计算均热段炉气温度炉气温度可按下式计算：

tg＝100?4q表Cgkm?T＋?表?100????273??4 ℃…………………………………… (3－5)

???273??4由式(3－5)可得

tg3＝100?458700?1190?273＋??8.521100?＝1258℃

计算结果与假设均热段炉气温度相差很小(1250－1258＝－4℃)，可以不必重新设定和计算，故取t＝1258℃

g34. 钢坯在均热段加热时间：

?＝s??iKiq表……………………………………………………………

(3－6)

式中： s——透热深度，m；

?i——钢坯密度，kgm3

kg——钢坯在加热过程中热焓增量，kJ——钢坯形状系数：

平板：Ki＝1 圆柱：Ki＝2 球体：Ki＝3

；

Ki河北XX大学毕业设计说明书（论文）

q表——通过钢坯表面热流密度，kJ(㎡?h)

假设均热段开始时钢坯断面温差为150℃，则其断面平均温度为

1190-0.7×150＝1085℃

1085℃时钢坯的比热c＝0.6879 kJp(kg?℃)

1155℃时钢坯的比热c＝0.6904 kJp(kg?℃)

kg钢坯热焓增量?i＝0.6904×1155－0.6879×1085＝61 kJ1155℃时钢坯密度为

7497 kgm3

由式(3－6)可计算出钢坯在均热段加热时间

?均＝0.09?7497?611?117400＝0.45 h

2.3.2 加热段钢坯加热有关参数

加热段终了钢坯表面温度为1190℃，?t终＝150℃由式(3－3)可得

t均3＝1190－0.7×150＝1085℃

计算钢坯表面热流

查表可得钢坯平均温度为1085℃时的导热系数

λ＝28.35×3.6＝102.06kJ(m?h?℃)

又已知加热段?t终＝150℃，2s＝0.18m，故由式(3-5)可得：

q表2＝2?102.06?1500.09＝117010kJ(㎡?h)

1. 计算加热段炉气温度由式(3－3)可得

tg2＝100?4?1085?273170100＋??8.702100?????273?4＝1248℃

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计算结果与假设加热段炉气温度相差很小(1250－1248＝2℃)，可以不必重新设定和计算，故取t＝1248℃

g32 钢坯在加热段加热时间：加热段开始时钢坯温度900℃

断面温差为100℃，则其断面平均温度为900-0.7×100＝830℃ 830℃时钢坯的比热c＝0.7034 kJpp(kg?℃)，

1085℃时钢坯的比热c＝0.6879 kJ(kg?℃)

kg钢坯热焓增量?i＝0.6879×1085－0.7034×830＝162.6 kJ830℃时钢坯密度为7618 kgkgm3

m3，1085℃时钢坯密度为7497

m3所以加热段钢坯平均密度?＝7557.5kg

由式(3－6)可计算出钢坯在均热段加热时间

?加＝0.09?7557.5?162.61?117010＝1.06 h

2.3.3 预热段钢坯加热有关参数

查表可得钢坯平均温度为830℃时的导热系数

λ＝25.9×3.6＝93.24kJ(m?h?℃)

又已知预热段?t终＝90℃，2s＝0.09m，故由式(3-5)可得：

q表1＝2?93.24?900.09＝186480kJ(㎡?h)

1. 计算预热段炉气温度由式(3－5)得：

tg1＝100?4?800?27358700＋??9.948100?????273?4＝953℃

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计算结果与假设加热段炉气温度相差很小(953－950＝3℃)，可以不必重新设定和计算，故取t＝953℃

g32. 钢坯在预热段加热时间：

预热段终了时钢坯温度比加热段开始时低30℃即：预热段终了温度为870℃

断面温差为100℃，则其断面平均温度为870-0.7×100＝800℃ 钢坯装炉温度为600℃ 600℃时钢坯的比热c＝0.5903

pkJ(kg?℃)

800℃时钢坯的比热c＝0.6034

pkJ(kg?℃)，

kJkg钢坯热焓增量?i＝0.7034×800－0.5903×600＝209 800℃时钢坯密度为7624

kgm3

kgm3，600℃时钢坯密度为7857

m3所以加热段钢坯平均密度?＝(7624＋7857)/2＝7740.5kg由式(3－6)可计算出钢坯在均热段加热时间

?预＝0.09?7740.9?2091?186480

＝0.9 h

总的加热时间

?＝?预＋?＋?＝0.9＋1.06＋0.45＝2.41h

加均

2.4 炉膛基本尺寸的确定

炉膛的基本尺寸主要包括炉膛空间的长、宽、高等尺寸，它是炉体结构设计的重要数据，它与炉型、炉子产量、技术工艺操作、物料的尺寸、形状及其在炉内的布置等因素有关，一般根据经验方法计算而定。

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2.4.1 炉子的基本尺寸

连续加热炉的基本尺寸包括炉子的内宽和有效长度。 1. 炉长的确定

炉子的长度可分为有效长度和全长。有效长度是指炉内被物料覆盖的长度，全长是指加热炉两端墙间的砌砖长度。侧出料加热炉，其有效长度为炉尾砌砖外缘至出料口中心线间的距离；端出料加热炉，其有效长度为炉尾砌砖外缘至出料端滑坡折点间的距离。

有效长度可按下式确定

L效Gng??b ……………………………………………………… (4－1)

式中：L ——炉子的有效长度, ㎜；

效G——炉子的生产率，kgτ——加热时间，h； n ——炉内料排数； b——料坯的宽度，㎜

h；

g——炉内钢坯平均单重，kg根

已计算出加热时间为1.97h，钢坯平均单重为 g＝7500×0.18×0.18×3.3＝801kg由式(4－1)得：

L效根

?80?1032?801?2.41?180＝21662 ㎜

预热段长度

L预＝L效?预?效＝21662?0.92.41＝8110 ㎜

加热段长度

L加＝L效?加?效＝21662?1.062.41＝9280 ㎜

均热段长度

L均＝L效?均?效＝21662?0.452.41＝4044 ㎜

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由于均热段计算值较小，所以加热段实际长度根据烧嘴布置等具体情况适当增加。炉子均热段实际长度为：

均热段实际长为4044＋3066＝7110㎜

炉子有效长度为：8110＋9280＋7110＝24500㎜炉子全长L为：

L＝L＋（500～4000）㎜…………………………… (4－2 )

效本加热炉为侧出料所以尽量取500，由式(4－2)可得炉子全长

L＝24500＋500＝25000 ㎜

2.4.2 炉门数量和尺寸

连续加热炉炉门有进料炉门、出料炉门、操作炉门、窥视炉门、人孔等。这些炉门的数量和尺寸确定总的原则时：在满足操作要求前提下，炉门数量越少，开门尺寸越小越好，可减少经炉门的散热损失，提高炉子热效率。主要炉门确定如下：

1. 进料炉门

炉门宽度B：对采用端进料方式，其宽度等于炉膛内宽B，即

进等于7350㎜；

炉门高度H：是指推钢滑道上表面至炉门上沿下表面之间的距

进离。为防止推钢炉在炉门处发生拱钢事故而撞坏炉门上沿，一般来说，对方坯取2～3倍钢坯厚度。本设计为推钢式炉，进料炉门高度

H进取450㎜(H＝180×2.5＝450㎜)。

进2. 出料炉门

由于采用端出料方式，出料炉门与进料炉门尺寸取相同值B＝

出7350㎜，H＝450㎜

出3. 操作炉门

用作操作之用，如进出返回钢坯，清除氧化铁皮等三段连续加

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热炉一般设在均热段和加热段。每侧开设2～3个操作炉门，其结构一般为60°拱顶结构，炉门开孔尺寸以操作方便为准，通常为464～580㎜(宽)×400～1030㎜(高)。本设计设4个操作炉门。两侧各2个。具体尺寸为580㎜(宽)×1030㎜(高)。操作炉门坎标高一般同钢坯滑轨标高。

4. 人孔

供操作人员检修炉内设备时进出之用，开设位置通常在加热段。人孔下沿为车间地平面以上100～150㎜，其结构一般为180°拱顶，尺寸一般为580(宽)×800～1000㎜(高)。

人孔与其它炉门不同，当炉子正常工作时，用耐火砖砌堵封严，只有停炉检修时才拆开。

5. 扒渣口

扒渣口是为了清除炉底氧化铁皮而设计，开设在加热段末端和均热段，一般每个支撑水管一侧设一个。具体尺寸一般为464(宽）×406㎜，结构为方孔。

2.4.3 炉子结构及其操作参数

有效炉底面积：F钢压炉底面积：F效＝L效?B＝21.07×7.350＝154.86㎡＝21.07×3.3×2＝139.06㎡

钢＝L效?LM炉底利用系数：?＝F有效炉底强度：H钢压炉底强度：H效钢F效＝139.06/154.86＝0.89 ＝80000/154.86＝517kg＝80000/139.06＝575kg(㎡?h)

＝GF效钢＝GF钢(㎡?h)

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2.5 燃料消耗量计算 2.5.1 热量收入

1. 燃料燃烧的化学热量Q 假设高炉煤气用量为B

1已知高炉煤气低位发热量：Qdw转炉煤气的用量为140m转炉煤气低位发热量：燃料燃烧的化学热量：12339.6kJ/t

3s＝2831.75 kJ/m

Qdw2s＝7051.2 kJ/m

3sQ1?B?Qdw＋140/80×7051.2＝2831.75B＋

2. 燃料带入的物理热量Q2 1000℃时煤气的平均比热

1Cr＝100?(Cco?CO?Cco2?CO2?CO2?O2?CH2?H2?CCH4?CH4?

CN2?N2?CH2O?H2O)

1＝100(1.3586×21.8＋1.9235×15.1＋1.3938×0.4＋1.2775×3

＋2.1261×0.6＋1.3632×57＋1.6024×2.2）＝1.574

kJ/m·℃3

20℃时煤气的平均比热

1Cre＝100?(Cre.co?CO?Cre.co2?CO2?Cre.O2?O2?Cre.H2?H2?Cre.CH4?CH4?

Cre.N2?N2?Cre.H2O?H2O)

1＝100×(1.3021×21.8＋1.6303×15.1＋1.3088×0.4＋1.2789×2.9＋1.5656×0.6＋

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1.3295×57＋1.4924×2.2）＝1.374

kJ/m·℃3

燃料带入的物理热量

＝B（C?t－C?t）

＝B×（1.574×1000-1.374×20）

Q2rrrere＝1572.6B kJ/t

33. 空气带入的物理热量Q 空气系数取α＝1.11 湿空气量＝0.636m查手册得：

L0s3/m3

1000℃时空气的平均比热：20℃时空气的平均比热：

Q3Ck＝1.3677

kJ/m·℃3

Cke＝1.0605

kJ/m·℃3

＝Bα

L0s（Cktk－Cketke）

＝B×1.11×0.573×（1.3677×1000＋1.0605×20）＝883.4B kJ/t

54. 钢坯带入的物理热量Q 本设计为钢坯冷装，所以Q5＝0。 5. 钢坯氧化反应热量Q

6?Fbc?钢坯烧损率a ＝

g…………………………………………

(5－1)

式中: δ——氧化铁皮的平均厚度，m，一般取1.5㎜。

Fb——钢坯的表面积，㎡

C——氧化铁皮的含碳量的质量分数约为75％ ρ——氧化铁皮的密度约为5000kg/mg——每个钢坯的质量，㎏

1.5　?10?33

?（180?180?180?3300?3300?180）?2?10801?6?75%?5000

所以a ＝

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＝0.0171 kg/kg

钢化反应热

Q6＝5652×

10103a

＝5652×

3×0.0171

＝96649.2kJ式中 5652——每千克钢氧化放热量，

kJ/kga ——钢的氧化烧损，kg/kg 6. 收入热量之和?Q

?Q＝Q＋Q＋Q＋Q＋Q

12356＝2831.75＋1572.6B＋883.4B＋0＋96649.2 ＝108988.8＋5287.75B kJ2.5.2 热量支出

1. 出炉钢坯带出的物理热量查手册得1190℃时钢坯比热20℃时钢坯的比热

Cpe'/t

Q1'Cp'＝0.6890

kJ/m·℃3kJ/m·℃3

＝0.4488

''CptpQ1＝1000（1－a）（

－

'Cpete）

＝1000×（1－0.0146）×（0.6890×1190－0.4488×20）＝799094.4kJ/t

2. 烟气带出的物理热量由前面计算得高炉煤气生成烟气量：

VCO2Q2'＝ 0.396m3/m3

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VHO2＝ 0.063m3/m3

VO2＝0.013m3/m3 ＝1.068m3VN2/m3

————————————

Vn＝1.54m3/m3

查表计算得：1250℃时烟气平均比热：＝1.671920℃时烟气平均比热：烟气带出的物理热量：

'Q2＝BVn(CytycykJ/m·℃3

cye＝1.3978

kJ/m·℃3

－Cyete)

＝B×1.54×（1.6719×1250－1.3979×20）＝1587.67BkJ/t

Q7'3. 炉体表面散热量

加热段(包括均热段)炉墙表面温度：

已知环境温度为20℃，F墙＝(1.8＋1.5)×(8.631＋5.247)×2＝91㎡，

S耐＝0.23 m， S耐＝0.1 m，

设耐火浇注料热面温度为t壁表＝1160℃，耐火浇注料与轻质浇注料交界处温度t＝680℃，轻质浇注料外表温度t外＝80

交则：耐火浇注料的平均温度t耐均＝(1160＋680)/2＝920℃

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轻质浇注料的平均温度t那么：λ耐＝5.392kJλ轻轻均＝(920＋80)/2＝490℃

(m?h?℃)

?91＝3.976kJ(m?h?℃)1160?200.23所以：

Q顶＝5.392?0.13.976?0.014＝1282195kJ/h

验算假设砌体平均温度的正确性：

t耐均＝

t壁表?Q顶2F顶?S耐?耐…………………………………………

0.235.392( 5－2a)

＝

1160?12821952?91?

＝920℃

t壁表?Q顶2F顶?2S耐S???轻???轻?耐???…………………………………?( 5－2b)

t轻均＝

＝

1160?12821952?910.1??2?0.23????5.3923.976??

＝380℃

可见，计算结果与假设数据相差很小(＜0.5％)，不必再重算。那么，耐火浇注料与轻质浇注料交界处实际温度：

t交＝2t耐均?t壁表

＝2×920－1160＝680℃

＝2×380－680＝80℃

t外＝2t轻均?t交保温层温度在允许使用范围之内（680℃＜800℃）。

同理可计算出其他部位保温层温度都在允许范围之内，炉壁导热损失，计算结果列于表1

表1 炉壁导热损失

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炉壁部位加热段炉顶加热段炉底加热段炉墙预热段炉顶预热段炉墙合计

炉壁内表面积（㎡） 102 102 92 53 47 294

导热损失炉壁外表面温度（℃）（kJh）

101 99 90 80 75 89.2

1891383.16 1891383.16 1782195.47 1692313.55 1598313.55 8855588.89

由表1计算结果可得炉体表面散热量：

8855588.89Q'7＝

Q8'＝110694.86 kJ4. 炉门及孔洞辐射的热量由于炉子的窥视孔等孔很少打开。所以辐射热量主要时进料口和出料口的辐射热量。

1??60tj?273100te?273100则：Q＝G'8?1Fi?3.6?5.67[()?(4)]?4

1250＋273100）4450?7350＝

20＋27380×｛

106×1×3.6×5.67×［（－

（

100）4）

450?7350800＋273＋

0.9

106×1×5.67×［（

/t100）420?273－（

100)4］｝×

＝ 81725.7 kJ

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式中：

F ——炉门、孔开启面积，㎡；

i——炉门及空洞处的温度，℃，进料口温度取800℃，出料

口温度取1250℃；

tjφ ——角度系数；

??——1小时内开启门、孔时间，min。

Q9'5. 通过炉门及小孔逸气热损失

本加热炉炉内气体要来压力为微负压，出料炉门面积较小，且操作炉门很少打开，故逸气量较少，可忽略。

6. 汽化冷却的吸热量

Q11'

q按照同类设计取汽化冷却产生蒸汽量为：G0.35 MPa，W?0'?11t/h，汽包压力：P＝

，r?2260.98kJ/kg''

查手册知饱和蒸汽比焓值为：20℃时，水的比热为：C汽化冷却的吸热量

Q＝'11\hq?2734.9kJ/kg?4.183kJ/(kg?℃)

Q7'

'q\\GqGp3(h?Ct?rW100'') …………………………………… (5－3)

2260.98?0100)11?10＝

80?(2734.9?4.183?20?/t

＝363220kJ

7. 氧化铁带出物理热Q12

1100℃时氧化铁的比热C1220℃时氧化铁的比热

Ce'

kJ/m·℃3 ＝0.601

＝0.450

kJ/m·℃3

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'tC1212 ＝1000·a(

Q12''－Cete)

＝1000×0.0171×（0.601×1100-0.45×20）＝11150.91kJ/t

8. 其它热损失?Q

其他热损失按经验公式选取3％

?Q＝0.03 ＝0.03×(108988.8＋5287.75B)

＝3269.66＋158.63B kJ/t

因此：炉膛热支出为：

'?Q＝796132.25＋1587.67B＋110694.86 ＋81725.7

＋363220＋11150.91 ＋3269.66＋158.63B ＝1366193.38＋1746.3B

2.5.3 炉膛热平衡与燃料消耗量

1. 炉膛热平衡式

?Q＝?Q'

即： 108988.8＋5287.75B＝1366193.38＋1746.3B

3541.45 B＝1257204.58

2. 燃料消耗量

由炉膛热平衡式可得燃料消耗量

B＝1257204.58/3541.45＝355 m3?Q1'Qt

由燃料消耗量即可得出炉膛热量的收支，如表2。 2.5.4 炉膛热效率

?t??100%炉膛热效率

?100y6132.2＝1986140.5＝40.1 %

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Q1'炉子热效率?炉＝B?Qdw?100，％

796132.2＝1017610.85＝78 ％

?100％为了给炉子提高生产率留有余地，在选择烧嘴数量及燃烧能力时，炉子实际燃料消耗量可按计算值的1.1倍计算，即：B×355＝391m3实＝1.1B＝1.1

表2 炉膛热平衡表

收

入

支

出

项符号

目

热量

符号

项热量

kJ/t

% 目

kJ/t

出炉钢坯

燃料燃烧

带出

的

Q1017610.85 51.2

的物理热

796132.2 40.1

化学热量

量

烟气带出

燃料带入的

物理热量

Q558273.0 28.1

'2 的

563624.65 28.4

物理热量

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空气带入的 Q3炉体表面

物理热量

Q313607.0 15.8

'7 散热量

110694.86 5.6

炉门、孔洞

钢坯氧化

Q6辐

反应热量

96649.2 4.9 Q'8

射散失热

81725.7 4.1

量

汽化冷却

Q11'

的吸热量

363220 18.3

氧化铁

Q12'

带出物理热量

其它热损

11150.9 0.6

失

59591.74 3.0

热收入总和

1986140.5 100

?Q 热支出总和

'1986140.5 100

2.6 燃烧装置的布置 2.6.1 选择依据

燃料种类：高炉煤气，转炉煤气；

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3高炉煤气低位发热值：2831.75kJ炉子最大燃料消耗量：

Bmax＝m；

380×391＝31280 mh；

3炉子最大湿空气需要量：

V空＝0.636×31280＝313049mh；

h烟气生成量：V烟＝1.54×31280＋2.254×140＝48486 m高炉煤气预热温度：≥1000℃；空气预热温度：≥1000℃；

供热量分配：上加热40％，下加热60％。上下烧嘴的供热量可以通过手动阀门适当改变。 2.8.2 烧嘴布置

加热炉炉温高，炉温均匀性好，因此烧嘴燃烧火焰要有一定的长度和铺展面。初步设置为每侧下烧嘴数量取15个，上烧嘴数量为16个，总烧嘴数量为15×2＋16×2＝62个。点火用转炉煤气烧嘴每侧布置4个。

烧嘴具体数量可根据炉子实际长度

上加热每个煤气烧嘴流量：30080×0.4/(16×2)＝376m加热每个煤气烧嘴流量：30080×0.6/(15×2)＝602m33h，下

上加热每个空气烧嘴流量：313049×0.4/(16×2)＝240m383m3h，下加热每个空气烧嘴流量：313049×0.6/(15×2)＝

2.7 砌体设计

不同类型的加热炉以及炉体的不同部位，工作条件各不相同。炉体各部位构造的砌筑材料的选用要充分考虑砌体的工作条件（如炉

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温、炉气等）、加热炉尺寸和加热炉操作工艺等，进行正确选择，从而使加热炉在生产中能取得高产、优质、低消耗、少污染的效果。

加热炉工作层为浇注料整体浇注，与隔热砖、硅酸铝纤维组成负荷炉衬，以提高炉体的整体性、严密性和隔热性。各部位砌筑机构如下：

2.7.1 炉底的砌筑

炉底的工作条件式非常恶劣。它不仅要承受钢坯的机械负荷、碰撞与摩擦等作用，有时还要受到氧化铁皮的化学侵蚀及熔体的渗透等炉底的结构型式和所用材料，决定于工艺过程和炉内的工作温度及化学反应的性质。具体砌筑材料为：

116㎜高铝砖（立砌）； 272㎜耐火粘土砖；

272㎜轻质粘土砖（QN－0.6）； 120㎜红砖 2.7.2 炉墙的浇注

加热炉的炉墙是垂直的，其中内层为耐火材料外层为绝热材料，外部采用6㎜的钢板作为保护外壳。加护炉外钢板的目的除了可使炉体坚固外，还可以保证加热炉的气密性良好。具体炉侧墙砌筑为：由超低水泥高强浇注料整体浇注。炉墙上设置炉门以便装入和取出被加热钢坯以及观察和调拨炉料。炉墙上还留有窥视孔、测量孔以及设置燃烧装置等。

20㎜耐火纤维＋耐火浇注料230㎜＋轻质浇注料100㎜ 2.7.3 炉顶的砌筑

炉顶是炉膛组成的薄弱环节。炉顶是否牢固可靠，对加热炉工作有重大影响。加热炉跨度大于4米，所以采用悬挂顶，炉顶砌筑为：250㎜超低水泥高强浇注料直接浇注＋70㎜玻璃丝耐火纤维。这种炉顶的优点式使用寿命长，便于机械化施工，能适应结构复杂的形状等。炉顶靠锚固砖将炉顶吊挂在钢结构上，吊顶上敷设大面积加热层，绝热密封性能很好。具体炉顶砌筑为：

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粘土浇注料230㎜耐火纤维毡30㎜轻质浇注料80㎜ 2.8 炉子的钢结构

加热炉的钢结构的主要作用是维持炉体的外部形状，保持加热炉砌体的严密性，承受吊挂炉顶的荷重及砌体因热膨胀产生的热应力，并承受加热炉砌体的重量和安装炉用部件。由于加热炉钢架结构的特点式紧靠高温炉体，有时甚至受到火焰的直接冲刷，所处环境温度较高，工作温度也常有变化，因此工作条件较为恶劣。在加热炉生产过程中很难检修或更换构件，一般只能和炉体本身的检修配合进行，所以要求金属结构有较长的使用寿命。

炉墙和端墙采用立柱支撑。侧墙采用1400㎜和1100㎜的不等柱距，使用20组立柱，立柱采用组合槽钢结构

炉顶采用圈梁上加吊炉顶横梁组成箱式结构。炉顶圈梁和吊炉顶横梁分别采用组合槽钢和工字钢，有用以吊挂炉顶的小型工字钢、钢管构成的吊挂构件，用以吊挂炉顶的锚固砖。

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D1?1120×0° 6 90° 90° H2 L1?4.5m 煤气总管道 3.6m 1.6m 烧嘴室图5 煤气管路系统布置示意图

蓄热

结论

本设计在满足工艺的条件下，努力实现加热炉的优化设计。根据燃料种类，选择良好的节能性燃烧装置和与之配套的设备以及热工检测与自动控制系统，保证良好的燃烧条件和控制的调节能力。

蓄热燃烧技术是一种高效节能的实用技术，蓄热式加热炉不仅大大提高了热回收的效率，而且增加了对流给热的强度，提高了加热效果和生产率，同时还减少了对空气的污染。

本设计采取了减少氧化烧损的高炉煤气烧嘴靠近钢坯表面的布置形式，蓄热体采用蜂窝体增加了换热面积，提高了换热效率，同时采取汽化冷却，全架空炉底，换向系统采用小型二位三通阀使换向更为灵活，减少了高炉煤气损失。

本设计的加热炉投入生产使用后，可以达到节能、高效、优质的预期目标。

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参考文献