冶金热工基础推钢式加热炉课程设计

目 录

前 言????????????????????????2 设计任务书??????????????????????4 内容摘要???????????????????????5 第一部分 : 推钢式加热炉的概述

一、加热炉的应用及其优越性????????????7

二、推钢式加热炉的分类?????????????? 三、推钢式加热炉的工作原理及工艺?????????10 四、推钢式加热炉的主要结构????????????11 五、联想近几年我国轧制技术的发展?????????12

第二部分 : 推钢式加热炉的相关计算

一、炉膛内的辐射的计算?????????????? 二、炉子的基本尺寸的设计及相关计算???????? 三、金属加热的计算???????????????? 四、燃料燃烧的相关计算?????????????? 五、炉子热平衡的计算??????????????? 第三部分 : 换热器设计????????????????

一、换热器的介绍???????????????? 二、换热器设计计算???????????????

第四部分 ：主要参考文献及附表????????????

第五部分 : 总结???????????????????

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前 言

本学期我们进行了冶金本专业的一些设计，特别是在我们的冶金热工基础，也有一门设计，这无疑让我们学习了一些在我们的课堂上学不到的知识，这让我们很高兴。时间虽不是那么长，只有两个星期的时间，但是这两个星期却对我们的学习有了很大的帮助，让我们认识到学习是从一步一步开始的，没有一个很好的基础，是不可能把我们想要的东西得到的。以下是我的个人学习和设计的全部内容。

加热炉是我们冶金行业里的一个不能少的机械设备，所以我们这次的主要设计就是设计加热炉。通过设计可以使我们初步掌握炉子设计的步骤、原则与方法，并进而了解一般工业炉设计的基本规律，可以使我们将各专业知识进行综合应用的能力，理论联系实际、解决实际问题的能力，读图、制图及查阅资料的能力得到锻炼并加以提高。在国民经济的很多生产部门中，工业炉作为一个重要设备而存在，要使炉子达到优质高产、低耗的要求，有一个合理的炉体结构是必不可少的条件之一；工业炉是工业原材料的冶炼、加工或成员的精制过程中，为实现预期的物理变化或化学变化所需要的加热装置。因此，对于我们这些将来有可能成为一个热工工作者的学生来说，应具备有设计先进、结构完善的工业炉的能力。

工业炉设计的一般程序是：初步设计；技术设计；施工设计。炉子的初步设计是按提出的任务，初步选定炉子的结构，热源和各种重要辅助装置及其在炉子上的布置等。在综合考虑炉子的技术经济指标和生产规模及特点的基础上，确定炉子应采用的机械化和自动化程

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度。炉子的技术设计是在初步设计的基础上，作全面的热工计算和炉体总图的绘制，以及某些重要辅助装置图。炉子的施工设计是要求详细绘制炉体各部砌砖图以及各种装置的零件分图，并要完成土建基础，各种机械附属装置及安装、热工和自动自动调节系统及其安装的设计。在此，由于时间关系只完成炉子的技术设计内容和换热器的设计。

所以我们在设计加热炉时一定的遵守以下设计原则：

1.加热炉设计必须符合国家有关的技术政策，炉子的技术性能应满足生产工艺的要求，保证机器在工作之中有一定的安全性。 2.运用不断发展的热工及机械理论（如燃料燃烧、流体力学、传热学、机械原理等）指导炉子的设计工作；引进并吸收国外炉子的先进技术，不断完善和提高炉子的技术性能及机械化程度。

3.设计新的炉型结构时，应注意提高炉子生产率，提高产品质量，降低燃料消耗，改善操作条件和提高炉子的使用寿命。

4.设计炉子时，对材料选用、设备选型、通用构件的规格尺寸等，应尽可能全厂或全车间通用，以使维修方便。

5.在设计炉子时，应尽量改善工人的操作环境，减轻工人的劳动强度，要采取保护环境和防止污染的必要措施。

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设 计 任 务 书

题 目：推钢式加热炉的设计 炉子用途：用于加热扁钢坯

被加热的钢坯尺寸（m）：厚度s = 0.12 ；宽度b =0.12 ；

长度L = 2.6

金属材质：20#碳素结构钢 钢材入炉温度：20 ?C 生钢温度：1210 ?C 生钢断面误差：25 ?C 烟气与炉膛温度：780 ?C 炉子生产能力：P = 50 t/h 燃 料：混合燃气

成分（%）:CO2(9.65)、H2(9.92)、CH4(12.77)、CO(21.56)、O2(0.13)、C2H6(0.59)、N2(45.30)、C3H8(0.13) 空气预热温度：ta = 250?C

采用二段式加热制度：高温段1300 ?C；预热段温度1000?C上升到

1300?C

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摘 要

近几年随着节能降耗意识的提高，节能挖潜越来越引起人们的重

视。在轧钢生产过程中，加热炉作为最大的耗能设备，同时也是整个工艺流程中最关键的设备之一。运行的稳定与否将影响后面轧钢生产质量。如何解决加热炉合理燃烧的问题，如何保证加热炉的最佳状况，是当今一直在研究的课题。

推钢式加热炉由于可以很好的处理上述问题而适时推出。但大多数冶金厂的轧钢机都没有推钢式加热炉，因而有必要设计推钢式加热炉。其设计过程基于冶金炉热工理论。包括： 燃料燃烧计算 钢的加热制度的确定 炉子基本尺寸的确定 炉膛内辐射的计算 金属的加热计算 炉子热平衡的计算 以及换热器的设计计算。

【关键词】

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节能降耗、推钢式加热炉、冶金厂、轧钢机、燃料燃烧、钢的加热制度、炉子基本尺寸、炉膛内辐射、金属加热、炉子热平衡、换热器。

Abstract

In the rensent years, more and more people become aware of the important of saving sources. So as a intending engineer, we must creat a equipment which will live up to the situation of our country and the require of whole world.

Today there is not a push the steel type heating furnace in the most of roll mills in the metallurgic plan. Therefore, designing a push the type heating furnace is imperative under the situation. The procedures and cor -relative calculation is list as follows:

The calculation of radiation in the burner hearth. The caculation of basic size of the stove. The caculation of burning fuel. The caculation of thermal balance. The caculation of heated metal.

[Key words]

Energy saving、Push the steel type heating、 furnaceMetal--lurgical factory、Rolling mill、Radiation in the burner hearth、Basic size of the

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stove、The metal is heated、The burning fuel、Sectional view.

[第一部分]

推钢式加热炉概述

工业炉在冶金、建材、机械、石化、轻工、电子工业等生产部门被用于各种加热目的,成为不可缺少的重要热工设备。加热炉是用来把初轧坯或连俦坯等热轧到热到所需温度的热工设备。 一、加热炉的应用及其优越性

加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

以下便是加热炉在冶金行业中几种常见的应用。

在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。

连续加热炉广义来说，包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。

主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，

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炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。

按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。50～60年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的生产率。用这种炉子加热板坯，炉底的单位面积产量达900～1000公斤／（米2·时），热耗约为(0.5～0.65)×106千卡／吨。70年代以来，由于节能需要，又由于新兴的步进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段,最佳的炉底单位面积产量在600～650公斤/(米2·时),热耗约为(0.3～0.5)×106千卡/吨。 连续加热炉是轧制车间应用最普遍的炉子。

通常使用气体燃料、重油或粉煤，有的烧块煤。为了有效地利用废气热量，在烟道内安装预热空气和煤气的换热器，或安装余热锅炉。 在锻造和轧制生产中，钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。采用不完全燃烧的还原性火焰(即“自身保护气氛”）来直接加热金属，可以达到无氧化或少氧化的目的。这种加热方式称为明火式或

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敞焰式无氧化加热，成功地应用于转底式加热炉和室式加热炉。 推钢式连续加热炉：靠推钢机完成炉内运料任务的连续加热炉。料坯在炉底或在用水冷管支撑的滑轨上滑动，在后一种情况下可对料坯实行上下两面加热。炉底水管通常用隔热材料包覆，以减少热损失。为减小水冷滑轨造成的料坯下部的“黑印”，近年来采用了使料坯与水管之间具有隔热作用的“热滑轨”。有的小型连续加热炉采用了由特殊陶质材料制成的无水冷滑轨，支撑在由耐火材料砌筑的基墙上，这种炉子叫“无水冷炉”。

步进式连续加热炉 靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。70年代以来，由于轧机的大型化，步进梁式炉得到了广泛应用。同推钢式炉相比，它的优点是：运料灵活，必要时可将炉料全部排出炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。中国1979年投产的步进梁式炉长为32.5米，生产能力为每小时270吨。

加热炉操作是通过在一定温度下加热工件来完成其工艺过程的。节能的本质就是提高能源利用率，提高热效率，达到消耗最少能源的目的。

二、推钢式加热炉的分类

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推钢式加热炉根据炉温制度可分为两段式加热炉、三段式加热炉、多点供热式加热炉。

两段式连续加热炉按炉温制度又可分为加热期和预热期，炉膛也相应的分为加热段和预热段。三段式连续加热炉采取预热期、加热期、均热期的三段温度制度。在炉子的结构上也相应的分为预热段、加热段和均热段。一般有三个供热点，即上加热、下加热与均热段供热。多点供热的连续加热炉有多个供热点。

按加热炉供热方式可分为顶不加热、底部加热、侧部加热。

金属加热时，在二段式加热制度下，高温段的炉温应当这样选择：金属表面只要达到给定的最终温度的那一瞬间，沿金属表面的温差就不会超过允许值。因此在二段式温度制度下，金属的加热强度受到限制。

金属在三段式加热状态下，沿金属的进行方向在预热段和高温段之外补充第三工程----恒温均热段。由于在均热段中金属接近与燃烧产物的温度，因而当金属在炉内保温时，使金属表面过热的愈厚，要求沿断面的温度越小，使用三段式制度也就越合理。炉内的供热段与其它工艺区有所不同，因为高温段通常是由几个供热段组成的。炉内的这些区段按金属移动的方向分为：第一高温段，第二高温段等。但是，首先在金属沿高温段行进方向上，还有预热段，当供热段的尺寸受炉子结构的限制不能不改变时，在炉子工作制度变化的情况下，炉子的边界区移动，使工艺段变化，可能由一个区段转移到另一个区段，比如，由均热段和预热段转移到高温段等。

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三、推钢式加热炉的工作原理及工艺

推钢式加热炉，其钢坯在炉内是靠推钢机的推力沿炉底滑道不断向前移运。燃烧产生的炉气一般是对着被加热的料坯向炉尾流动，料坯移到出料端时，被加入到所需要的温度，经过出料口出炉，再沿辊道送往轧机。

推钢式加热炉的任务是把热量传给被加热的物体或按照金属加热或热处理的工艺要求，从被加热的金属上出去热量。

由于金属具有到热性，可以通过导热中热传导的基本计算，可以求出炉子的生产率和必要炉膛尺寸，以及加热或冷却性质的热工性能。

一种新型推钢式加热炉滑轨，其特征是：滑轨水平方向的形体结构为折线形。从而可以变更钢料在滑轨顶面上滑动行进接触点(区域)的位置，缩短定点接触的时间，即变更、缩短遮蔽影响接触点(区域)钢料吸热、带走接触点(区域)钢料热量的区域的位置与时问，从而改变钢料的加热工艺，减小钢料的加热黑印温差，提高钢料的加热质量、钢材产品质量，提高企业经济效益。

加热的基本工艺要求是保证被加热的金属加热到给定的温度和保证给定的温差范围，加热过程可能有某些限制，比如：给定的加热速度，金属在加热时的最大温差，金属表面的最高温度下最短的停留时间等。

为了实现规定的工艺，采用各种不同的加热和冷却方式，主要采用什么方法则要取决于加热和冷却的气氛。

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四、推钢式加热炉的结构

推钢式加热炉一般呈长条形、炉温是固定的、炉气沿长方向流动、炉子的生产操作的整个过程是连续的。

推钢式连续加热炉在同一平面加热具有一定垂距的上下两个加热段，以坯料为界每个加热段又分成上下加热区，上下段分别由作支撑滑道用的冷却水管及炉墙围成的空间作烟道，并通往排烟口，上下段喷嘴分别朝炉头及炉尾方向倾斜，在上段横水管底部装有下推臂，顶钢机装有上推臂，上下推臂之间装有传动臂，来传动下推臂将坯料推出炉头钢坯是用推钢机推进炉内的，并沿炉底滑道移动，经过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ加热段加热后从炉底滑出。 推钢式加热炉的主要结构有：

水冷系统：炉膛四周水冷壁管全部采用直径为60*6(mm)的鳍片制成的密闭的模式水冷壁。水冷系统主要是由大直径下降管、分配集箱及其支管水冷壁、上升管、汽水引出管、上下集箱、气包组成的循环回路。整个水冷壁以及敷设其上的炉墙，均通过集箱上的吊杆悬吊在炉顶钢架上，受热面作向下自由膨胀。水冷壁上设有入孔、看火孔、大焦孔、防爆门孔、点火孔、测量孔等。燃烧时为防止由于炉膛负压波动所引起的水冷壁及炉墙壁结构振动引起水冷壁结构振动而造成的损坏，在水冷壁外面布置了刚性梁。

燃烧器：燃烧器为正四角大小切圆布置。为适应煤种变化和调整燃料燃烧工况，煤粉喷燃器各喷嘴出口截面做成可调节的。 过热器：采用辐射、半辐射和对流形式。蒸汽在过热器中的流程

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为在气包中经分离后的干燥蒸汽，经炉顶及尾后包覆过热器，继而进入低再悬吊管过热器及尾部包覆管过热器。

再热器：再热器分为高温再热器和低温再热器两部分。高温再热器布置在对流过热器的水平烟道中，低温再热器和旁路省煤器作并联布置在尾部竖井中。在低温再热器进口管道上设有事故喷水装置，为紧急事故时作降温用。

省煤器：省煤器由主省煤器、阁墙省煤器和旁路省煤器三部分组成。

五、联想近几年我国轧制技术的发展

上世纪60年代以前，传统生产钢材方法是先将钢水模铸成大型钢锭，经加热、轧制成坯，钢坯经冷却、清整后再加热，轧成用户所需断面的成品钢材。近40多年来经历了三次飞跃式发展：一是将模铸改为连铸，取消开坯机；二是由一般连铸改为近终形连铸，减少加热、轧制次数；无头轧制技术是钢铁加工流程的第三次飞跃，即钢材生产不再是单块的、间隙性的，而是连续进行轧制，然后根据用户需求剪切成所需长度或卷重。无头轧制的好处是：

1.钢材全长以恒定速度进行轧制，生产率有较大提高； 2.因对钢材全长施加恒定张力，使钢材断面形状波动减少，钢材质量改善，这点对热轧扁平材生产特别重要；

3.由于成品长度不受限制，根据交货状态要求剪切，成品率显著提高；

4.由于轧材运行稳定性提高，对热轧带钢来说，有利于生产薄规

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格带钢；

5.和单块轧制不同，钢品啮入次数减少，减小对轧辊冲击，有利于提高轧辊寿命。

在施行无头轧制技术中分扁平材和长材两类，其中又有无头轧制和半无头轧制的区别；就技术类型来说分为焊接型和铸轧型两种。 近年来，轧制技术学科所取得的新进展也在社会经济发展中取得了巨大成就。例如：先进的轧制技术过程为经济建设提供性能优良的材料；为社会提供与环境友好、易于循环使用的ECO材料；其本身在向着节省能源和资源方向发展（如上所述的无头轧制等）。

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[第二部分]

推钢式加热炉的相关计算

一、炉膛内辐射计算

1、燃烧产物温度（oC）

炉子热制度的确定，是进行物料加热计算的前提，也是炉子投产后热工操作制度的依据。采用二段加热制度，燃烧产物温度：高温段

1300C,预热段温度1000C，上升到1300C。

o

o

o

故每段温度为：

Ⅰ区——非加热区，燃烧产物温度由1000

o

C

上升到1100

o

o

C

o

Ⅱ区——第一加热区，燃烧产物温度由1100 Ⅲ区——第二加热区，燃烧产物温度为1300

CC

上升到1300

o

C

o

Ⅳ区——单层炉底单面加热区，燃烧产物温度为12102、炉膛宽度的计算B（cm）

其中几区的宽度B均相等，且B?nL?(n?1)a

C

B—炉膛宽度 L—加热坯料长度 n—炉内坯料排数 a—扁钢同炉壁间间隙

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取n = 1时，a = 0.25

故BⅠ = BⅡ = BⅢ = BⅣ = nL?(n?1)a=

1×2.6＋（１＋１）×0.25 =3.1

3、炉膛平均高度计算（经验值）H（cm ）

比值（%） Lc1尺寸（m） Ln1 Lc2Ln2 LTLnHcB 2.6-3.0 HcH HT hB hH hk 22-28 27-32 24-26 2.2-2.6 1.5-1.7 0.7-0.8 1.0-1.2 1.0-1.4 取Ⅰ区 hB?0.8m Hn?1.2m H??1.0m Ⅱ区 HCB?3.0m HCH?2.6m H???2.8m Ⅲ区 HCH?2.6m HCB?2.6m H????2.6m Ⅳ区 HT?1.5m H?V?1.5m

4、炉衬对金属辐射的角度系数（每米长度上）

??L(Bi?2Hi)其中L表示被加热钢坯长度

)?10.0?0.78

?1?L(B?2H1(10.8?2?1.0)?2?L(B?2H2)?10.0(10.8?2?2.8)?0.61Φ3?L(B?2H3(B?2H)?10.0(10.8?2?2.6)?0.625?0.72Φ4?L)?10.04(10.8?2?1.5)5、燃烧产物的最终容积计算（m3）（每米长度）

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V?BHV1?B?H1?10.8?1?10.8V2?B?H

234?10.8?2.8?30.24?10.8?2.6?28.08 ?10.8?1.5?16.2V3?B?HV4?B?H6、限定燃烧产物容积的表面积（m2）（每米长度）

F=2(B+H)

FⅠ=2(B+HⅠ)=2×(10.8+1.0)=23.6 FⅡ=2(B+HⅡ)=2×(10.8+2.8)=27.2 FⅢ=2(B+HⅢ)=2×(10.8+2.6)=26.8 FⅣ=2(B+HⅣ)=2×(10.8+1.5)=24.6

7、平均射线长度（m）

S=3.6×V/F

SⅠ=3.6×VⅠ/FⅠ=3.6×10.8/23.6=1.65 SⅡ=3.6×VⅡ/FⅡ=3.6×28.08/27.2=4.00 SⅢ=3.6×VⅢ/FⅢ=3.6×30.24/26.8=3.77 SⅣ=3.6×VⅣ/FⅣ=3.6×16.2/24.6=2.37

8、燃烧产物中空气过剩系数（把吸入空气考虑进去后选用）

???1.25???? ??

?1.2??1.2 ?V

????0.81??1.259、修正系数?

???0.81

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??0.84 ?????0.84 ?V

10、燃烧产物层换算厚度（m） 由公式：σ=S×β

σⅠ=SⅠ×βⅠ=1.65×0.81=1.34 σⅡ=SⅡ×βⅡ=4.00×0.81=3.24 σⅢ=SⅢ×βⅢ=3.77×0.84=3.17 σⅣ=SⅣ×βⅣ=2.37×0.84=1.99

11、燃烧产物的黑度

查图可得各区段黑度分别为

???0.305 ????0.30 5?????0.28 3 ??V?0.28 3序号计算段 名称测量单位 符号 Ⅰ Tr , Ⅱ Ⅲ Ⅳ 燃烧产物温度?C 1 初始 Haq Tr , 最终 1000 1100 1300 1250 1100 1300 1300 1250 Hcm 平均 炉膛宽度（m） 炉膛平均高度 tr B H 1050 1200 1300 1250 10.8 10.8 10.8 10.8 1.0 2.8 2.6 1.5 2 3 18

炉衬对金属辐射的角4 度系数 燃烧产物的最终容积5 （m） 限定燃烧产物容积的6 7 8 系数 9 10 度（m） 11 燃烧产物的黑度 修正系数 燃烧产物层的换算厚表面积（m） 平均射线长度（m） 燃烧产物中空气过剩33? V 0.78 0.61 0.625 0.72 10.8 30.24 28.08 16.2 F S α β σ ? 23.6 27.2 26.8 24.6 1.65 3.77 4.00 2.37 1.25 1.25 1.20 1.20 0.81 0.81 0.84 0.84 1.34 3.24 3.17 1.99 0.305 0.305 0.28 0.283

二、炉子的基本尺寸计算

1. 炉子计算生产能力

P=1125(t/h)

2. 炉子装载量G

G=pt=pzS/0.6=（1125×7.1×0.15）/0.6=1996.86

其中z为单位加热时间（min/cm）；s 为被加热金属厚度(cm)； 3.有效炉底总长度

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Ln=G/nSl?k3=1996.86/(0.15×1×10.0×7.85×0.98)=173

其中S为坯料厚度；l为坯料长度；k3为炉底有效长度内的填充系数；?为金属的密度；轧制钢材密度为7.85；n=1。 4. 炉子的台数

N=P/P1=1125/225=5（台）

5. 一台炉子的有效炉底长度（m）

Ln1=Ln/N=173/5= 34.6(m)

6.推进的最大长度（m）

LT=250S=250×0.15= 37.5(m)

7.一台炉子的最大有效长度（m）

Ln1max=LT—Le

查图可得Le=2.5m(由装料琨道轴线到装料口外缘的距离)， 故 Ln1max=LT—Le=37.5—2.5=35(m) 8.炉底砌筑长度（m）

Lr=Ln1+Lk

查图可得Lk=1.4(m)(扁钢极限位置与短部出料口之间的距离) 故Lr=Ln1+Lk=34.6+1.4=36（m） 9.炉子区段长度

Li=Lni×ti/t n Ⅰ Ln（m） 34.6 tn/t 15% L0 5.19 20

Ⅱ ??? 34.6 34.6 34.6 30% 30% 25% 10.38 10.38 8.65 Ⅳ 10.炉膛宽度

由公式得：B=nL+（n+1)a=10×1+(1+1)×0.4=10.8(m) 11.炉子区段平均高度(m)

可知HⅠ=1.0(m) HⅡ=2.8(m) HⅢ=2.6(m) HⅣ=1.5(m) 12. 炉底有效面积(m2)

Fa=K3Ln1L=0.98×34.6×10= 339.1

13.炉底砌筑面积(m2)

Fp=LrB=36×10.8=388.8

14.炉底有效强度[kg/(m2h)]

Ha=1000P/Fa=1000×225/339.1= 663.5

15.按炉底砌筑面积炉底强度[kg/（m2h）]

Hp=1000P1/FF=1000×225/388.8=578.7

三、炉子的基本尺寸计算值如下

计算段 序号 1 2 序号 名称（测量单位） 符号 计算值 名称（测量单位） 炉子区长度（m） 炉子区段平均高度（m） 符号 Ⅰ L H 5.20 1.0 Ⅱ 10.5 2.8 Ⅲ Ⅳ 10.5 9.00 2.6 1.5 21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

炉子计算生产能力（t/h） 炉子装载量（t） 有效炉底长度（m） 炉子台数 一台炉子有效长度（m） 推进最大长度（m） 一台炉子最大有效长度（m） 炉底砌筑长度（m） 一台炉子的计算生产能力（t/h） 炉膛宽度（m） 炉底有效面积（m2） 炉底砌筑面积（m2） 炉底有效强度[kg/(m2h)] 按砌筑面积炉底强度[kg/(m2h)] P G Ln N Ln1 LT Ln1max Lr P1 B Fa Fp Ha Hp 1125 1996.86 173 5 34.6 37.5 35 36 225 10.8 339.1 388.8 546.97 578.7 三、金属加热计算

1. 金属加热计算

Ⅰ、Ⅱ、区是在温度线性上升的介质中双面加热 Ⅰ、区初始温度均匀分布 Ⅱ、区初始温度抛物线分布

Ⅲ、Ⅳ、区是在恒温介质中初始温度抛物线分布

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Ⅲ、 双面加热 Ⅳ、区单面加热 2. 加热时间 (1)总加热时间的计算 t=zS/0.6

z为单位加热时间，据附表1选择（min/cm）;S为被加热金属的厚度（m）

故 t=7.1×0.15/0.6=1.78(h) (2) 各计算段加热时间计算

（按照所采用的加热区相对长度选取，见炉膛平均高度经验表） Ⅰ区:t1=t×15%=1.78×15%=0.27(h) Ⅱ区:t2=t×30%=1.78×30%=0.53(h)

Ⅲ区:t3=t×30%=1.78×30%=0.53(h)

Ⅳ区:t4=t×25%=1.78×25%=0.45(h) (3)各计算段加热时间的选顶（据前面计算选定）

t1=0.27h t2=0.53h t3=0.53h t4=045h

3.假设的金属表面温度

Ⅰ 20 430 225 Ⅱ 430 950 690 Ⅲ 950 1220 1085 Ⅳ 1220 1230 1225 初始 终止 平均 4. 表面平均温度时金属导热率[w/mk]

23

λ= λ0+α t (t表示平均温度） 查图得到不同的温度下钢的导热系数

??=51.3千卡/米时℃ ??? =34.7千卡/米时℃ ????=27.9千卡/米时℃ ??V=29.8千卡/米时℃

5. 表面平均温度时金属热扩散系列(m2/h) 查表得：碳素钢的平均热容量CP值为：

CⅠ=0.146千卡/公斤*℃ CⅡ=0.246千卡/公斤*℃ CⅢ=0.170千卡/公斤*℃ CⅣ=0.190千卡/公斤*℃ 由公式得： α=λ αⅠ=0.045(m2/c×ρ (c为比热）

) αⅡ=0.018 (m) αⅣ=0.02 (

m22hhhh)

αⅢ=0.021(

6.金属厚度计算

m2)

S1= S2=S3=0.125m S4=0.25m 7.傅立叶准数

由公式F0=αt/S2得：

F0Ⅰ=αⅠtⅠ/SⅠ=0.045×0.50/(0.125)=1.44 F0Ⅱ=αⅡtⅡ/SⅡ=0.018×1.15/(0.125)=1.325

22

2

2

2

2

2

F0Ⅲ=αⅢtⅢ/SⅢ=0.021×1.10/(0.125)=1.478 F0Ⅳ=αⅣtⅣ/SⅣ=0.02×0. 80/(0.25)=0.256

计算值 序号 名称（单位） 符号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 2

24

1 计算各计算段（h） 选定各计算段加t 0.27 0.53 0.53 0.45 2 热时间（h） 金属表面平均温3 t 0.50 1.15 1.10 0.80 t 度（℃） 表面平均温度的225 690 1085 1225 4 金属导热率kg/m2h℃ 表面平均温度的λ 51.3 34.7 27.9 29.8 5 金属热导扩散率m2/h α 0.045 0.018 0.021 0.02 6 7 金属计算厚度(m) 傅立叶准数 S F0 0.125 0.125 0.125 0.25 1.44 1.325 1.478 0.256 图1 推钢式加热炉中的温度分布

25

1—燃烧产物的温度 2、3—金属心部和表面温度 4—已考虑炉底管冷却影响的金属截面平均温度

四、燃料燃烧及计算

给定气组成成分（湿成分）

组成成分 CH4 C2H6 4.0 C3H8 2.5 CO2 0.5 H2 0.8 N2 1.2 H2S 0.7 H2O 1.3 体积含89.0 量（%） 1、 气体需要量：

26

L0=

4.762?1100?2?COw?12H1w2?2CHw4?(n?m4)CnHwm?32H2Sww??O2??

=0.04762×??1?2?0?683??0．8?2?89．0?(2?)?4．0?(3?)?2．5??0．7?0?2442?=0.04762×205.9 =9.8(标米3标米3)

2、 实际空气需要量 Ln=nL0=1.2×9.8=11.76 3、 理论燃烧产物

1?m??wwwwwwww?V0??CO?H2?3CH4??n??CnHm?2H2S?CO2?N2?H2O??0.79L0100?2???1?68?0?0．8?3?89．0?(2?)?4．0?(3?)?2.5?2?0．7?1．2?0．5?1．3?＋0.79?9.8 =?100?22?(标米3标米3)

(n取1.2)

=3.097+7.742 =10.839(标米3标米3)

4、 实际燃烧产物

Vn=V0+(n-1)L0=10.839+(1.2-1) ×9.8

=12.799(标米3标米3)

5、 燃烧产物成分 CO?'2VCO2Vn(COw?100%

ww?CH4?nCnHm?CO2)Vnw1100?100%

?

27

(0?89.0?2?4.0?3?2.5?0.5)?1100?100% = =8.20%

12.799

m?wwwwwH?2CH?CnHm?H2S?H2O?242?'H2O?Vn(0.8?2?89.0?4.0?31????100?100%

==14.73%

212.799?2.5?0.7?1.3)?1100?100%

SO2?'?H2Sw?SO2Vnw??1100?100%

(0.7?0)?1100?100%=

12.799

=0.0547%

1?0.79?LnVn?100%N2`=

100

1.2

?100?0.79?11.7612.799?100%

?87.10%O2`=

0.21(n?1)L0Vn?100%

?100%

=

0.21(1.2?1)?9.812.799=3.22%

28

6、 燃烧产物重度：

?0?44CO2'?28N2'?32O2'?64SO2'?18H2O22.4*100

=

122.4?100(44?8.2?18?14.73?64?5.47?28?72.68?32?3.22)

标米3 =1.39 公斤

7、 燃烧计算值如下： 序号 1 2 名称 测量单位 理论空气需要量Nm实际空气需要量Nm3符号 计算值 9.80 11.76 Nm33L0 Nm3Ln 3 理论燃烧产物量Nm3Nm3 V0 10.839 4 实际燃烧产物量Nm3Nm3 Vn 12.799 5

燃烧产物重度Nm3Nm3 ρ0 SO2O21.39 燃烧产物成分 CO2 H2O N2 体积百分率

8.20% 14.73% 0.0547% 3.22% 87.10% 29

五、关于炉子热平衡计算：

（一）热量收入项 1.燃料燃烧的化学热 Q1=AQDW

A---每吨如炉物料消耗的燃料量 取A=250m3/t 故 Q1=AQDW=250×35=8750（KJ/T） 2物料放热反应放出的热 Q放热=G料q放（kJ/h)

式中 G料--每小时处理的物料量，（kg/h)

Q

放

--单位物料反应放出热，（KJ/kg)

3.预热空气带入的热量 Q2=AnL0(CkTk-CKete)

其中n---空气消耗系数 Ck---空气在tk时的比热 Te---环境温度 CKe---空气在te 时的比热 取n=1.2

因为tk=400℃ 查表得 Ck=1.068KJ/kg℃ te=20℃ 查表得 Cke=1.005kJ/kg℃ L0=9.80

故Q2=AnL（Cktk-CkeTe)

=250×1.2×9.80×(1.068×400-1.005×20) =1196874kJ/t

30

4.物料带入的物理量。 5.物料化学反应放出的热量。 6.预热燃料带入的热 (二)、热量支出项 1.出炉钢坯带的热量 Q1=1000(C2T2-C1T1)

其中t2---钢坯出炉温度（1100~1225℃）。

C2--钢坯在t2温度下的比值

T1---钢坯入炉温度 C1--钢坯在t1温度的比热 取t1=20℃ 查表得 C1=0.486(KJ/Kg℃) t2=1200℃ 查表得 C2=0.7071(KJ/Kg℃)

故Q’=1000×（0.7071×1200-0.486×20)=838795(kJ/t) 2.出炉烟气带走的热量

Q2’=AVn(CyTy-Cyete) Vn=12.669 (1)取ty =900℃

查得各种气体在900℃的热容量C（KJ/M3℃）分别为 CC02=2.18 CH2o=1.70 CSO2=2.18 CO2=1.47 CN2=1.39 换算成kJ/kg℃为

CC02=0.072 CH2o=0.056 CSO2=0.072 CO2=0.0485 CN2=0.046 故900℃时

Cy=CC02×CO2'+CH2o ×H2O'+ CSO2 ×SO2'+CO2×O2'+CN2×N2'

=0.072×8.20%+0.056×14.73%+0.072×0.0547%+0.0485×3.2

31

2%+0.046×87.10% =0.05578kJ/kg℃ 3. 烟尘带走的热 G尘=G尘C尘t尘（KJ/h）

式中G尘---每小时生产的烟尘量，Kg/h C尘--烟尘的平均热容 KJ/kg℃ t尘--烟尘出炉时的温度t尘

(2)查得各气体在0℃和100℃时的热容量C（kJ/m℃） 温度/比CC02 热 0℃ 100℃ 1.61 1.80 1.50 1.51 1.73 1.89 1.31 1.34 1.30 1.31 CH2o CSO2 CO2 CN2 用插入法可计算出各种气体在20℃时的热容为：

CC02=1.62 CH2o=1.50 CSO2 =1.874 CO2=1.337 换算成KJ/kg℃为

CC02=0.054 CH2o=0.05 CSO2 =0.062 CO2=0.044 CN2=0.043 故20℃时

Cye=CC02 ×CO2'+CH2o× H2O'+ CSO2×SO2'+CO2×O2+'CN2× N2'

=0.054×8.20%+0.05×14.73%+0.062×0.0547%+0.044×3.22%+0.043×87.10% =0.050697(KJ/kg℃)

32

故Q2'=AVn(CyTy - Cyete)

=250×12.799×(0.055775×900 - 0.050697×20) =157375.096kJ/t 3.物料吸收，带走的热量 4.物料吸热反应带走的热量 5.炉渣带走的热量 6.烟尘，飞灰带走热量 7.燃料化学不完全燃烧的热损失 8.燃料机械不完全燃烧热损失 9.冷却介质带走的热量

10.开启炉门或炉墙孔洞辐射热损失 11.炉体表面散热损失 12.炉门和炉墙孔洞逸气损失 炉子的热平衡计算数值如下： 热量吸收项 热量支出项 出炉烟气带走热量 热 Q1=8750kJ/t

33

燃料燃烧化学预热空气带入热出炉钢坯带走量 热量 Q2=1196874kJ/t Q1'=838795kJ/t Q2'=157375.096kJ/t

第三部分

换热器设计

一、换热器的介绍

换热器作为一种热交换设备广泛用于动力，交通，石油化工，冶金等工业领域。根据不同的用途，其种类及机构繁多。

按参与热交换两流体的形态可分为气---气，气---液，液---液三种类型。按一种介质向另一种介质传递热量的过程分为直接式，半直接式和间接式三类。直接式是冷热两流体直接接触或混合进行热交换，如热水风冷冷却塔；半直接式是热流体先将热量传给某中间介质，一定时间后截断热流体而流过冷流体，中间介质再把积蓄的热量传给冷流体，如再生器，蓄热器等；间接式是两流体之间有一固体壁面隔开彼此进行热交换，如表面式换热器等。按热流体对冷流体传热主要方式分为对流式，辐射式，对流---辐射式。按换热器材质分为金属和非金属（陶瓷）两类。冶金行业长按换热过程分为换热式和蓄热式。换热式是指参与换热的两流体同时流过间壁各自流到热交换的表面式换热器；蓄热式是按周期切换操作的蓄热器，如蓄热式热风炉等。 金属表面式换热器的种类很多。如列管式（平滑钢管式，套管式，针/翅片管式，组管辐射式），整体式，环缝辐射式，管状喷流式，箱式喷流式，旋流式等。

换热器选型是主要参考下列因素：

1、被预热介质的种类。2、预热温度的高低。3、烟气温度。4、烟

34

气成分及含沙量。5、流体压降。6、换热效率。7、流体压力及两流体压力差。8、换热器的造价及使用寿命。9、便于制造，安装及检修。

二、换热器的设计计算

（一）、原始数据及要求 1、烟气温度：t烟=960℃ 2、 烟气量 ：V烟=45500Nm3/h

3、空气温度：空气进换热器温度t1=20℃，空气出换热器温度t2=400℃ 4、预热空气量：V空=34600Nm3/h

（二）、设计方案

选择“V”型管状金属换热器。

管子规格Φ=60×40mm按直通式布置管子间距离x1/d=x2/d=2 1.求烟气与空气的对数平均温 (1)通过换热器的实际烟量 V′烟=mV烟（1+ΔΦ）Nm3/h

V′烟=0.8×45500×(1+0.1)=40040Nm3/h (2) 换热器前烟气的实际温度t烟 I烟=CP烟t烟=310×960=297.6KJ/Nm3 则在按换热器前烟气的热含量I、烟为：

I′烟=I烟/（1+△Ф）=297.6/(1+0.1)=270.545KJ/Nm3由此查得：

35

t′烟=910℃

(3)换热器的烟气温度 按换热器后烟气的热含量I“烟

I″烟=I′烟-V空（I″空- I′空）/ V烟ε =270.545-45500×(127-6)/45500×0.9 =136.10 K卡/Nm3 由此差得：t″烟=493℃ (4) 烟气与空气的对数平均温度

△tm=[( t′烟- t″空)-(t″烟 -t′空)]/㏑[( t′烟- t″空)/(t″烟 -t′空)]

=[(910-400)-(493-20)] /㏑[(910-400)/(493 -20)] =491.27℃

说明：V烟=45500Nm3/h取换热器烟气损失系数m=0.8。吸入冷气使烟气增加系数△Ф=0.1

CP烟=310KJ/Nm3在t烟=960℃时的烟气比热

I为空气进换热器前的热含量当t′空=20℃，查得 t′空=6KJ/Nm3，t″空为进换热器后的热含量。 当t″空=400℃

查得I″空=127K卡/Nm3，ε为换热器的换热系数 ε=0.9。

2、换热器的总传热系数 K=1/(1/a1+1/a2) KJ/Nm2h℃ (1)α1的计算

36

在烟气侧有辐射传热和对流传热两个部分 故：α1=α

1辐

+α

1对

KJ/Nm2h℃

由烟气管道内有效气层的厚度计算公式 S={1.87×(X1+X2)/d-4.1}×d ={1.87×(4d/d)-4.1}×d =3.4d(m)

∴d=S/3.4=0.2/3.4=0.059(m) 在换热器内烟气的平均温度为

\\t烟=1/2（t烟’+t烟″）=1/2（910+493）=701.5℃ 由S=0.2 \\t烟=701.5℃ 查图7得α由α

1对

1辐

= 7.6KJ/m2h℃

=（4.22+0.0056t）C×(W0.65烟/d0.35外)

又由C=1+0.1×x1/d=1+0.1×2=1.2

说明：a1——烟气侧的换热系数，a2——空气侧的换热系数，d_管子外径(m)，x1x2——管子中心线的距离(m)，x1+x2=2d的（设计方案），d=0.057(m)

W烟——烟道内的气流速度（标准态）在此取 W烟=2m/s,d外=0.057(m)（管外径） ∴α

1对

=（4.22+0.00565×701.5）×1.2×(20.65 /0.0570.35)=41.99

1辐

由此：a1=α(1) α2的计算

+α

1对

=7.6+41.99=49.59 KJ/Nm2h℃

在空气侧只有对流传热

37

由α2=（3.02+0.016/t空）C×(W0.8空/d0.2内)

/

t空=1/2（t空’+t空″）=1/2（20+400）=210℃

所以α2=（3.02+0.016×210）×80.8/0.050.2=32.3 KJ/Nm2h℃ (2) 换热器的总传热系数

K=1/(1/a1+1/a2)= 1/(1/49.89+1/32.3) =19.61 KJ/Nm2h℃ 3、确定换热面积和管子数目 (1)换热面积F=Q/K△tm

F=V空(I″空-I‘空)/ K△tm=34600×（127-6）/19.6491.27

=434.796m2

为了可靠：可扩大换热面积，可取F=615m2

说明：d内=0.05(m)管道内径/t空-换热器内的平均温度（℃），W空-换热器内空气的流速（标态）m/s 取W空=8 m/s。 (2)管子数目

Z=4V空/3600W空d2内=4×34600/3600×3.14×8×0.052

=612（根） (3)每根管子的平均长度

\\

l=(F/Z)×(l/∏\\d) (m)

管子平均直径\\d=1/2（d内+d外）=1/2（0.05+0.059）=0.0545(m) 所以\\l=615/603×3.14×0.0545=5.96m (4)管子布置

垂直于烟气流方向的断面上的管子数

Z1=2V烟/3600（x1-d外）IW烟=2×45500/3600×0.059×5.96×2=35.9

38

≈36(根)

所以沿烟气流动方向每组管子的数目 Z2=Z/Z1=612/36=17(根) (5)管子排列简图 换热器的气壁温度

t = t''空+（t'烟-t''烟）/（1+α2/α1）

=400+[（910－400）/（1+32.3/49.89) ]=709.57℃ 根据《有色冶金炉设计手册》第四章4-2

在（650-750）之间，可选镍铬合金钢Gr5Mo其最高允许使用温度为750℃

5. 换热起的经济指标：

(1)换热器的热效率 η

换

=[V空（I\空 - I'空)/V'烟I'烟]×100%

=[34600×(127 - 6)/40040×297.6]×100% =35.13%

(2)换热器的温度效率 ηt=t\空/t'空=400/910=43.96% (3)换热器的热回收效率 η

回

=V空（I\空 - I'空)/V烟I烟

=34600×(127 - 6)/40040×297.6 =35.13%

39

换热器

名称 材料（镍铬合金） 外径 管子规格 内径 总的换热系数 管子数目 管子平均长度 垂直烟气流动方向管子数 沿流动方向每组管子数 换热器的器壁温度 允许使用最大温度 换热面积

40

符号 Gr5Mo d外(m) d内(m) K(k卡/m2h℃) Z根 L(m) Z1 Z2 t(℃) t(℃) F(m2) 数据 0.057 0.05 19.6 612 5.7 36 17 709.57 750 585

[第四部分]

主要参考文献及附表

一、 主要参考文献及附表

1、钢铁厂工业设计参考资料，冶金工业出版社－1979； 2、耐火材料工厂资料，冶金工业出版社－1990；

3、贵州工业大学参考资料、有色冶金炉设计手册、筑炉手册，冶金

工业出版社；

二、 附表

1、

金属尺寸要求

表 一 金属材质 低碳钢 2、 表 二 加热特点 炉型 金属厚度 s (cm) 0.12－0.15 扁钢上下受推钢式 热 0.255－0.3 3、

常见隔热材料主要参数 材料名称 硅藻土生料粉 体积参数 660－680 允许温度 900 导热系数 0.105+0.28×10-3 8.7 0.155－0.25 8.0 加热时间 min/cm 7.1 厚度s (cm) 0.15 宽度 b(cm) 1.85 长度 l (cm) 10.00 金属加热时间参考表

41

硅藻土熟料粉 硅藻土砖 泡沫硅藻土砖 石棉网 黏土质隔热耐火砖 矿渣棉 硅酸钙隔热板 硅藻土石棉粉 碳酸镁石棉粉

420－700 500 500 340 400 900－1000 300 240 320 900 900 900 500 900 500 750 650 800 0.083+0.21×10-3 0.110+0.145×10-3 0.100+0.233×10-3 0.087+0.233×10-3 0.081+0.211×10-3 0.103+0.174×10-3 0.621+0.11×10-3 0.085 0.093－0.116 42

[第五部分]

总 结

通过本次课程设计，使我们对课程设计方案的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识，在这几天大家的共同努力下，我们顺利的在愉快的合作中完成了这次课程设计。

这次课程设计不仅仅让我对科学研究有了进一步的认识，同时也让我深深的认识到合作精神的重要性，因为在这个过程中我们要翻阅大量的资料，要计算大量的数据，但这巨大的工作量对于我们这个团结的团队来说却显得如此的渺小，虽然我们的课程设计结束了，但是它留给我的印象是不可磨灭的，对我的影响将也是深远的。总结

为什么我们要进行课程设计呢?事实上,课程设计,是一门复杂的带有总结性的课程,它不仅可以加深我么对所学专业课本的了解,更重要的是它可以对所学专业的课本的了解,更重要的是它可以提高我么的动手.动脑能力---------查阅相关资料,积累更多的经验的知识,以便拓宽我们的视野,夯实我们的专业基础,提高我们的应对多边的社会的能力.因此,学完专业课本之后进行相应的课程设计,我学到了很多东西.计算机真的很重要,作为当代的大学生我们每个人都应该用心的学好它,努力的掌握它,只有这样我们才能在当代的社会激烈的竞争中获得胜利.课程设计是严肃的,要求我们拿出干劲,拿出热心,要严谨的作风,一丝不苟的精神,全身心的投入我们的设计当中.

43

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