摘 要：随着热处理技术的不断进步， 对于热处理前元件的加热工艺提出了更高的要求， 传统的电阻炉由于耗电量大、控温精度差等原因， 已不能满足日益发展的高精度热处理工艺要求， 因此， 设计和应用精度高、能耗低、污染少的转底式电阻加热炉具有重要的现实意义。文章所设计的转底式电阻加热炉是用于不锈钢、高温合金及钛合金的锻造前加热。依据现场提供的原始条件， 运用理论计算和工程计算相结合的方法， 对炉子的内衬进行了热工计算和相关参数的选择。
关键词：转底式加热炉； 炉子直径； 耐火纤维；
Abstract: With the continuous progress of heat treatment technology, higher requirements are put forward for the heating process of components before heat treatment. The traditional resistance furnace is due to large power consumption and poor temperature control accuracy, which can not meet the requirements of the increasingly high precision heat treatment process. Therefore, it is of great practical significance to design and apply the rotary bottom resistance heating furnace with high precision, low energy consumption and less pollution. The rotary bottom resistance furnace designed in this paper is used for preforging heating of stainless steel, superalloy and titanium alloy. According to the original conditions provided by the field, the thermal calculation and the selection of related parameters of the lining of the furnace are carried out by the method of combining theoretical calculation with engineering calculation.
Keyword: Rotary bottom furnace; furnace diameter; refractory fiber;
1、 概述
工业炉是工业加热的关键设备， 广泛应用于国民经济的各行各业， 量大面广， 品种多， 影响极大。工业加热是制造业的重要组成部分， 制造业是工业的主体。我国制造业占GDP比重的1/3, 占工业的78.2%[1].工业炉中燃料炉约6万台， 占炉窑总数55%以上， 电炉约万台[2].转底式加热炉是借炉底的旋转， 使放置在炉底上的坯料在炉内有装料口移到出料口的一种机械化炉子。根据需要采用不同炉衬结构。耐火纤维炉衬结构一般有两种：一种是在原耐火砖炉衬结构表面粘贴50mm左右耐火纤维；另一种是炉衬全部采用耐火纤维， 称作全耐火纤维炉衬结构。全耐火纤维炉衬施工有层铺式结构和叠板式结构， 还可在耐火纤维表面喷涂耐高温涂料等提高抗冲刷能力。国内使用叠板式结构较多， 可消除其他方法产生的接缝， 施工速度快[3].炉体密封也是炉内气氛控制的关键。由于耐火纤维制品的出现， 可以实现软密封， 为解决炉体密封创造了条件。[4]
2、 设计方案
2.1、 设计原则
（1） 工业炉设计必须符合国家有关技术政策， 炉子的技术性能应能满足生产工艺要求。 （2） 运用不断发展的热工及机械理论， 例如燃料燃烧、流体力学、传热学、机械原理、材料力学等， 指导炉子的设计工作， 引进并吸收国外工业炉先进技术， 不断完善和提高炉子的技术性能和机械化自动化程度。 （3） 炉子结构尺寸应根据生产实践或科学实验数据加以确定， 不应照旧有结构按比例放大或缩小。 （4） 设计新的炉型结构时， 要选用新材料、新装置以改进炉子结构。例如尽量采用适合炉子性能特点和方便施工的各种新型耐火材料和隔热材料， 选用各种新型燃烧装置和余热回收装置从而提高炉子的热效率， 提高产品质量， 降低燃料消耗， 改善操作维修条件和提高炉子的使用寿命。 （5） 设计炉子时， 对材料选用、设备选型、通用构件的规格尺寸等， 应尽可能全厂全车间通用以使维修方便， 尤其注意不要选用已被淘汰的产品。 （6） 要采取保护环境和防止烟尘、噪声污染的治理措施。例如， 对于煤炉应不断改进燃烧过程， 用煤气化燃烧代替层状燃烧， 用机械加煤代替人工加煤。对于冲天炉应采用高效除尘器代替重力除尘器， 进而采用带除尘系统的热风冲天炉以取得高温优质铁液， 并达到除尘和消除有害气体的目的。对中、高压风机要设置消声器以减少噪声危害[5].
2.2、 原始数据
根据某机械厂提供的原始产品数据：工件：锻件；长：直到500mm;宽：最大200mm;厚：最大100mm;工件材质：不锈钢&耐热钢&钛合金；装料温度：20℃；周期：约28件/小时 （参考件） ;代表规格：长度：400mm, 宽度：150mm, 厚度：55mm;重量：3kg;锻造温度：1165℃；保温区炉温均匀性：±5℃；最高炉温：1250℃；产量不低于：120kg/h.
3、 设计计算
3.1、 炉型的选择
根据实际任务的具体要求和生产特点， 进行综合技术经济分析。决定选用转底式电阻炉， 通入保护气氛， 炉子的最高工作温度1250℃。
3.2、 炉膛尺寸的确定
根据要求的小时产量、坯料单重、坯料间距和与坯料间距相应的加热时间， 可以求出炉内装钢块数和炉子直径。炉子直径除了决定于装钢量外， 还与装出料夹角布料角及装料排数有关。
3.2.1、 炉子直径的确定
根据炉内装钢块数和坯料在炉底布置情况， 可初步确定炉子直径。单排装料时炉子直径按公式 （3.1） 计算；多排时按 （3.2） 计算：
式中：D-炉底平均直径， 米；D1-布料直径， 既炉子在夹钢位置上的直径， 米；D2-多排装料时， 靠内墙一排坯料的布料直径， 米；B1, B2-炉底平均直径与布料直径D1, D2之差值， 米；n-炉内装钢块数；α-装出料夹钳中心线夹角， 度；t-钢坯中心距， 米。
在此转底炉我们采用单排布料：
3.2.2、 布料角、装料角
装出料夹角及装出料夹钳中心线夹角， 这部分炉底不能装料。因此夹角愈小炉底面积的利用愈充分。这个夹角的大小决定于装出料机和装出料辊道等安装、检修所必需的最小位置， 一般取20°~30°。
炉底上两相邻钢坯中心线的夹角称为布料角， 可按下式计算：
式中：θ-布料角， 度。
钢坯中心距t以及按公式 （3.3） 求出之布料角θ还应考虑以下因素。圆周角 （360°） 减去装出料夹钳中心线夹角成装出料角。装料角应为布料角的整数倍， 即在装料角内装装整数的钢坯， 使装出料机能同时进行装出料。如果装出料夹钳中心夹角亦能被布料交所除尽， 则装入的坯料， 正好放在原来的布料位置；如不能被布料角除尽， 则不在原来的布料位置。前者铁皮集中堆积在布料位置上， 易使炉底不平， 炉底铺镁砂时镁砂凹下会形成凹坑；后者较好。炉底出现不平时， 圆钢坯容易滚动。
目前转底设备采用机械电器控制， 所以炉底停位只能按单一的或几种角度机动停位， 这就使钢坯在炉底上的布置方式受到限制。对于坯料规格较多的炉子， 会造成炉底布料过稀的缺点。因此必须按不同规格的坯料归纳为几种布料角， 然后再按公式 （3.1） 或 （3.2） 确定炉子直径。
根据工件的最大尺寸和在炉膛内的堆料情况， 估计确定H效=1.0米。
3.3、 炉子内衬材料的设计与计算
电阻炉炉衬可采用砖砌炉衬或耐火纤维炉衬。由于耐火纤维炉衬的密度小、热惰性小、蓄热少， 保温性能好， 于是该加热炉采用全纤维炉衬。
3.3.1、 耐火纤维的热导性特性
耐火纤维的热导率随温度升高而剧烈增大， 温度只升高数百摄氏度， 而热导率却增加一倍， 这一特性使得用前述计算方法难以获得准确结果。热导率还因耐火纤维的密度而异：密度增大时热导率先随之变小， 待密度超过300~350kg/m3时， 热导率又逐渐变大。热导率与热的传导方向有关， 当传热方向垂直与耐火纤维毯 （或毡） 的主平面时 （以下简称平面方向） 热导率较小；当传热方向与毯 （或毡） 的主平面平行， 亦即从毯 （或毡） 的侧面方向传热 （以下简称侧面方向） 时， 热导率较大， 平均约为平面方向的1.3倍[6].故叠铺炉墙的热损失比同厚度、同密度的层铺炉墙为大。不同品种的玻璃态耐火纤维制品 （包括天然原料、高纯、高铝及含铬等） 只要温度、密度及传热方向相同， 热导率就十分接近， 可以近似地认为热导率不以品种而异。各种玻璃态耐火材料纤维毡或毯的热导率可以用式 （3.4） 表示。
式中：t-温度 （℃） .
3.3.2、 稳态热损失传热计算
将热导率表达式λ=e A+Bt代入传热方程q=-λdt/dx, 可得耐火材料炉墙稳定态传热公式为：
（1） 该炉墙采用的全纤维结构各层分别为：混和纤维板， 密度280kg/m3;硅酸铝耐火纤维毯， 密度128kg/m3;岩棉板， 密度100kg/m3.炉内温度1250℃， 炉外表面80℃， 环境温度20℃。
按上述计算， 可得各层厚度分别为60mm, 110mm, 60mm, 考虑到里面要通入保护气及一些其他热损耗， 在中间加100个厚， 即炉墙各层组成为：
（2） 炉底材料的选择
转底炉炉底处在高温状态下承受加热件重量及装、出料时受到碰撞和摩擦外， 还由于炉底的连续转动而受到高低温的交替变化影响， 因而转底材料需要有抗高温、抗氧化皮侵蚀、耐磨和耐急冷急热性能。
由内及外， 如图1.
第一层选用氮化硅结合碳化硅制品。
第二层选用特种隔热耐火砖WJM26.
第三层选用密度为1.0g/cm3的轻质粘土转。
图1 炉底耐火材料
第四层选用密度为0.8g/cm3的轻质粘土转。
第五层选用23号硅酸钙板。
4、 结束语
此文阐述的设计计算只是转底式电阻加热炉的最常规的设计计算方法， 还有很多值得改进的地方， 随着加热炉的广泛应用， 科研人员正在积极努力结合现场的实际运行经验， 力争能通过更准确的计算， 设计出经济实惠的节能产品。
参考文献：
[1]朱高峰。新世纪如何提高和发展我国制造业[J].机电产品开发与创新， 2003 （2） :5-6.
[2]夏德宏。中国的能源发展战略和“十五”期间的能源科技工程[J].水煤浆， 2000 （专刊） :2-3.
[3]郭廷杰。对21世纪工业炉发展的展望[J].工业炉， 1999, 21 （3） :2-4.
[4]宋堪苹， 史静。工业炉的现状与发展趋势[J].工业炉， 2004, 26 （6） :14-17.
[5]王秉铨。工业炉设计手册第二版[M].北京：机械工业出版社， 2004.
[6]钱之荣， 范广举。耐火材料使用手册[M].北京：冶金工业出版社， 1992.
