4.2 炉子生产率及影响因素——热工因素对炉子生产率的影响在线视频

接下来 我们首先学习一下

热工因素对炉子生产率的影响

也就是本章第二小节的内容

炉内热工过程主要包括

炉内燃烧 气体流动和传热三个方面

其中 影响炉子生产率最基本因素

是传热过程

炉内燃烧和气体流动

是通过传热过程来影响炉子生产率

影响炉子生产率的传热因素

分为外部传热因素

比如炉膛空间内的热交换

和内部传热因素

比如物料的物性 尺寸 规格等

在工艺过程

也就是说进出料温度一定的情况下

物料在炉内所需获得的热量

是一定的

由物料热平衡可知

物料表面获得的净热流密度Q

乘以物流受热面积F

再乘以物料加热时间τ

就等于总的物料热焓增加量

以公式的形式表达为

QAτ=m△i

其中m为物料的总质量

△i为单位质量物料热焓的增量

由此可知

加热时间等于△iρV/QA

可以看出物料的加热时间

取决于单位时间传给物料的热量Q

所以改善炉内热交换

增加对物料的传热

就能缩短生产时间

提高炉子的生产率

以火焰炉为例

在火焰炉炉膛中

运用传热学知识

单位时间传给物料的热流量

为Q等于Cgwm

乘以Tg比上100的四次方

减去Tm比上100的四次方

再乘以Am

加上h乘以Tg减去Tm

再乘以Am

其中 Tg为炉气温度 单位为K

Tm为物料温度 单位为K

四次方之差定义为辐射温压

Am为物料受热面积

单位为平方米

h为炉气对物流的对流传热系数

方程右侧第一项为炉气炉壁

对物料的辐射传热热流量

第二项为炉气对物料的对流传热

热流量

由上式可见

影响炉子生产率的热工因素主要有

下列四点

第一 炉气和物料间的辐射温压

Tg比上100的四次方

减去Tm比上100的四次方

第二 炉气 炉壁对物料的

导来辐射系数 Cgwm

第三 物料受热面积Am

第四 炉气对物料的对流传热

热流量

下面我们逐一进行分析

首先来看

炉气与物料间的辐射温压

辐射温压是炉膛内辐射热交换的

温度条件

是影响辐射传热量的最重要因素

当炉气温度和物料温度

都是某一固定值时

运用辐射温压的概念就足够了

但是在实际的炉子上

炉气和物料的温度

不是固定不变的

而是随时间或位置而变化的

所以 有一个取平均值的问题

也就是平均辐射温压

平均辐射温压的计算

根据炉型不同有不同的计算式

主要可分为连续式炉和周期式炉

连续式炉内

炉气温度Tg和物料温度Tm

都随炉的长度而变化

在整个炉子长度方向上

炉气和物料温度以及辐射温压

都是不同的

平均辐射温压是炉子长度方向上

辐射温压的平均值

周期式炉内炉气温度Tg

和物料温度Tm都随时间而变化

在向炉内装入冷料的过程中

炉气温度有所下降

然后 炉气温度逐渐升高

物料温度也随着升高

平均辐射温压是加热过程

各瞬间辐射温压的平均值

在一般火焰炉中

炉内各点的温度

也可能是很不一致的

因此 就应该对空间

求平均辐射温压

然后再对时间求平均辐射温压

鉴于炉子的供热 燃烧 气体流动

及传热规律等因素的不确定性

还很难从理论上进行一般分析

在实际计算平均辐射温压时

通常采用一些经验公式

例如对于端部供热连续式加热炉

可采用几何平均值来计算

平均辐射温压

对于逆流热交换平均辐射温压

等于Tg′的四次方

减去Tm′′的四次方

乘以Tg′′的四次方

减去Tm′的四次方再开根号

对于顺流热交换

平均辐射温压等于Tg′的四次方

减去Tm′的四次方

再乘以Tg′′的四次方

减去Tm′′的四次方再开根号

其中 Tg′ Tg′′分别为

燃料燃烧温度和出炉膛废气温度

Tm′和Tm′′

分别为物料进出炉的温度

单位均为K

对于室状炉加热物料

表面温度均匀的情况

可采用平方平均值来计算

平均辐射温压

平均辐射温压等于Tg′的平方

乘以Tg′′的平方

减去Tm的四次方

其中 Tm为物料温度 单位为K

在其他条件一定的情况下

平均辐射温压的数值越大

单位时间内传给物料的热量越多

炉子生产率越高

所以提高炉子的平均辐射温压

是提高炉子生产率的一个重要途径

由上述分析可知

平均辐射温压数值的大小

主要取决于炉气和炉料

四个端点温度

以及炉气和物料曲线的形状

在工艺一定的条件下

影响平均辐射温压的热工因素

主要有

燃料入炉时的燃烧温度

出炉膛废气温度

以及炉内析热场

也就是说炉气温度曲线形状

下面逐一进行分析

首先 是燃料入炉时的燃烧温度

我们用Tg′来表示

燃料入炉时的燃烧温度越高

炉内平均辐射温压越大

炉子生产率越高

如果燃料在入炉开始瞬间

就完全燃烧

而炉内无燃烧析热现象

就可以认为

燃料入炉时的燃烧温度

取决于燃料的理论燃烧温度

影响理论燃烧温度的因素有

一 燃料特性

如燃料的种类

也就是说用什么燃料

燃料的预热温度

二 助燃介质特性

如空气消耗系数

空气的预热温度 富氧率等

对于轧钢加热炉

要求燃料理论燃烧温度不低于

1800摄氏度

过低的理论燃烧温度

会导致燃料消耗量增加

甚至达不到加热工艺的要求

根据生产实际经验

炉温和燃料理论燃烧温度之间关系

可以粗略用炉温系数来表示

炉温系数的大小

主要取决于炉子热损失的大小

和炉子产量的高低

对于连续加热炉

取值为0.7至0.8

对于锻造用室式加热炉

取值可取0.75至0.85

要注意的是

即使理论燃烧温度很高

燃料用量很小时

炉温还是会很低

提高理论燃烧温度

以提高平均辐射温压

是在热负荷一定的条件下而言的

第二个影响辐射温压的因素是

出炉膛废气温度Tg′′

由辐射温压的经验计算公式可见

在其他条件一定的情况下

除了废气温度越高

平均辐射温压越大

炉内热交换越强烈

炉子生产率也越高

在空气及燃料不预热时

炉膛热平衡可写成下列形式

Q废膛=Q燃-Q效-Q失膛

又有Q废膛=BVnCg′′tg′′

Q燃=BQD可得

BVnCg′′tg′′

=BQD-Q效-Q失膛

整理可得

tg′′等于t理减去小括号

Q效+Q失膛再比上BVnCg′′

由上式可以看出

在燃料特性 燃烧条件

和有效热一定的情况下

废气出炉温度主要取决于

一 向炉内供入的燃料量B

在燃料的低发热量QD一定时

它代表炉子的热负荷

热负荷越大

废气出炉温度越高

二 炉膛热损失

这项热损失越大

废气出炉温度越低

由此可见

加大炉子热负荷和减少炉膛热损失

是提高废气出炉温度

及炉子生产率的主要途径

炉子热负荷也不可以无限制加大

其限制因素有

一 烧嘴能力的限制

烧嘴要能保证燃料完全燃烧

二 炉膛压力的限制

要避免炉膛压力过高

这就需要保证排烟顺畅

能够及时将增加的烟气量排出炉外

三 排烟温度的限制

烟道上设置有预热器时

要避免排烟温度过高

烧坏预热器

四 炉温的限制

要考虑炉体寿命

氧化烧损 过热过烧等

必须指出随着炉子热负荷的加大

废气温度的提高

或废气量的增加

废气热损失也随之加大

有炉膛热效率计算式可知

废气热损失的增大

将导致炉膛热效率的降低

此时 必须注意

加强废热余热的回收和利用

只有这样 才能获得满意的

技术经济效果

第三个影响辐射温压的因素是

炉内析热场

在第二章的学习中

我们知道

燃料和空气入炉后

在炉膛内边混合 边燃烧 边放热

最终达到完全燃烧

这种燃烧放热现象叫做析热现象

炉内的这种析热现象

必然影响到炉气温度的分布

进而影响到平均辐射温压

火焰的析热规律是很复杂的

主要取决于燃料的种类 燃烧方法

燃烧装置的构造及炉内的燃烧条件

宏观的看

可以近似认为服从指数方程规律

也就是说

qx=q0乘以1减x/L0的p次方

其中q0为火焰开始端

燃料不完全燃烧的热量

占燃料化学热的百分数

qx为开始端x处燃料不完全燃烧

热量的百分数

L0为火焰长度

p为代表燃烧速度特性的指数

p值越大

表明燃烧进行的越快

将析热量分布与温度分布相关联

沿火焰长度方向运用面积积分近似

可得析热场对平均辐射温压的影响

如图所示

图中纵坐标代表在

同样供热量的条件下

有析热的平均辐射温压

和无析热的平均辐射温压的比值

横坐标代表始端未完全燃烧的份额

可见

一 在炉子始端

燃料未完全燃烧的份额越大

平均辐射温压越小

二 在炉内燃烧进行的越快

也就是说p值越大

平均辐射温压越大

因此 为了提高平均辐射温压

炉子应该采用端头集中供热

并实现快速燃烧

但在实际生产条件下

往往要受到一些条件的限制

例如 在端部供热

逆流加热的推钢式连续加热炉上

就受到了下列加热工艺等方面的

严格限制

一 如果炉子出料端炉温过高

就会造成钢坯出炉时

具有较大的断面温差

产生硬芯或阴阳面

达不到所要求的断面温差

影响加热质量

二 如果高温端炉温过高

就难以控制加热钢坯的表面

特别是当轧机停轧 待轧时

容易使钢温过高

造成烧化和粘钢事故

严重时甚至使钢坯烧毁

而造成废品

综上 单纯从提高辐射温压

从而提高生产率的方法有

提高燃料的理论燃烧温度

提高废气的出炉温度

采用端部供热快速燃烧的供热方法

但这些措施会受到热效率

和加热质量的限制

生产率 热效率与加热质量

是互相矛盾统一的

应做到在满足生产率

和加热质量的前提下

热效率最高 能耗最低

我们再来看火焰炉炉膛中

单位时间传给物料的热量

Q计算公式

可知在其他条件一样的情况下

导来辐射系数Cgwm越大

传给物料的热量越多

炉子生产率越高

炉气在炉膛中的分布

对辐射热交换有重大的影响

它不仅影响平均辐射温压

也影响导来辐射系数

当炉气均匀的充满炉膛时

炉内的传热为均匀分配的辐射传热

假定炉墙内壁的差额热流等于0

根据第二章所学的内容

由导来辐射系数的计算公式为

Cgwm等于5.67乘以εgεm

乘以1加φ乘以1减εg

除以εg加上φ乘以1减εg

乘以εm加上εg乘以1减εm

单位为瓦每平方米每k的四次方

由该式可以看出

Cgwm是炉气黑度εg

物料黑度εm

和炉壁对物料的角系数φ三者函数

物料的黑度εm

取决于物料的物性和表面状态

对于一定性质的物料而言

物料黑度可以近似的认为是个常数

我们取物料黑度为0.85和0.6

两个数值

分析一下炉气黑度和角系数

对导来辐射系数的影响

由图中可以看出

当φ一定时

炉气黑度越大

导来辐射系数越大

当φg比较小时

增加φ可使导来辐射系数C值

得到比较显著的提高

当εg大于0.4时

再继续增加炉气黑度

C值的增加并不明显

增加炉气黑度的方法

可参考第二章火焰辐射特性

相关内容

炉壁对物料的角系数减小C值增加

也就是说

在炉气能够充满炉膛的前提下

适当的增大炉壁面积

以降低φ值

也可以得到导来辐射系数的值

当炉膛过大

炉气不能均匀的充满炉膛时

会出现不均匀分配的辐射传热

不均匀分配的辐射传热

有两种类型

直接定向辐射传热

和间接定向辐射传热

直接定向辐射传热时

低温气层存在于火焰

也就是说

高温气层与炉顶之间

间接定向辐射传热时

低温气层存在于火焰与物料之间

不均匀分配的辐射传热

是个较复杂的问题

下面我们用一个简化的模型

进行定性的分析

如图是两块无穷大的平行平面

上部平面代表炉顶

下部的平面代表被加热

或被熔化的物料

两者之间有两层温度和黑度

均不相同的炉气层

利用辐射传热的公式

可得到物料获得的总热流量为

Q等于б乘以Tg的四次方

减去Tm的四次方

加上б′乘以Tg′的四次方

减去Tm的四次方

其中 б和б′分别为火焰

对物料的导来辐射系数

和低温气层对物料的导来辐射系数

它们是火焰 低温气层

物料黑度的函数

Tg Tg′和Tm分别为火焰

低温气层和物料表面的温度

首先 我们分析直接定向辐射传热

也就是说低温气层存在于

火焰与炉顶之间

假定物料表面的温度为1600摄氏度

物料黑度为0.65

火焰温度为1750摄氏度

火焰黑度为0.3

计算所得的结果绘制成曲线

如图所示

纵坐标为物料获得的总热流量Q

横坐标为低温气层的温度

当火焰上部低温气层的黑度为0时

Q在图中呈水平直线

低温气层的存在对换热没有影响

当低温气层黑度大于0时

低温气层的温度越低

物料获得的总热流量越小

当低温气层温度低于一定值时

Q值可减小到0

甚至出现负值

这时物料不仅不能吸取到热量

反而对低温炉顶进行放热

该种情况下

将物料假设到规定温度是不可能的

低温气层温度一定时

当低温气层温度高于物料温度时

低温气层的黑度越大

物料吸热量越大

当低温气层温度低于物料温度时

低温气层的黑度越大

物料吸热量越小

接着 分析一下间接定向辐射传热

也就是说

低温气层存在于火焰和物料之间

其他条件保持不变

计算所得的结果制成曲线

如下图所示

这里纵坐标仍然是物料获得的

总热流量

横坐标仍为低温气层的温度

可以看出低温气层的温度与黑度

对Q的影响

与直接定向辐射传热类似

但对比二者可以发现

间接定向辐射传热

低温气层的温度和黑度对Q的影响

比直接定向辐射传热低温气层

要强烈些

例如 当低温气层黑度为0.2时

对直接定向辐射传热而言

低温气层温度为1200摄氏度时

Q值等于0

对于间接定向辐射传热而言

低温气层温度为1270摄氏度时

Q值已经等于0了

综上所述

低温气层的存在

不利用对物料进行传热

从而影响到炉子的生产率

在设计和操作炉子时

为避免不均匀分配

辐射传热现象产生

可采用压低炉膛高度

缩小炉膛容积的方法

减小或消除炉内低温气层

第三个影响炉子生产率的热工因素

是物料的受热面积

在其他条件一定时

传给物料的热量与物料受热面积

成正比

所以 增加物料受热面积

是提高炉子生产率的重要途径

在增大物料受热面积的同时

最好不增加炉底面积

也就是说不改变炉子构造

对物料采用双面加热

就是在不增加炉底面积的条件下

加大物料受热面积的方法

它的炉底强度

可比单面加热提高50%到70%

在步进炉 转底炉或室式加热炉中

可采用留设物料间隙的方法

来增大物料的受热面积

减小加热时间

但间隙的存在

会造成单位炉底面积上

装钢量的减小

这时炉子生产率是升高还是降低

取决于加热时间和装钢量

两个因素的综合

如图 为小方坯单面加热时

相对间隙对相对加热时间

和相对生产率的影响图

图中横坐标为相对间隙

也就是说相邻物料之间的间隙a

与物料宽度b的比值

纵坐标为相对加热时间

和相对生产率

也就是说

有间隙时物料的加热时间或生产率

与无间隙时

物料的加热时间或生产率的比值

从图中可以看出

无论方坯表面黑度是0.6还是1.0

方坯相对加热时间

均随着相对间隙的增加而逐渐减小

对于相对生产率来说

当方坯黑度为1时

相对生差率在相对间隙

取0到0.45时基本保持不变

后随着相对间隙的增加逐渐降低

当方坯黑度为0.6时

相对生产率在相对间隙为

0.4至0.5左右时取得最大值

因此 对于黑度为0.6的方坯而言

物料之间的最佳间隙

约为钢坯宽度的40%到50%

当方坯上下双面加热时

最佳生产率对应的间隙

比单面加热时减小

研究表明

最佳间隙约为0.2至0.25

对断面为长方形的扁坯或板坯

钢坯间隙增大

加热时间缩短并不明显

生产率的降低反而比较明显

钢坯的宽厚比越大

间隙作用越小

对于间歇生产的室状炉

增加钢坯装入量

是增加金属受热面积的办法之一

但在热负荷一定的条件下

增加装入量时

有可能降低炉温

导致生产率降低

可见 对于某一具体的炉型

和供热情况都存在一个最佳装入量

最佳装入量的数值因炉而异

可通过炉内传热计算或者生产实践

来获得

下面 我们来看影响生产率的

第四个热工影响因素

对流传热量

对流传热量主要取决于

炉内气体的流动速度和温度

在大多数工业炉内

炉气的流动速度较小

约为1到3米每秒

而炉温较高

约为1000摄氏度左右

对流换热量与辐射换热量相比而言

比较小

仅占总热量的5%到10%

采用高速烧嘴加热时

炉内气流速度可达100至300米每秒

此时 对流换热的比重将增加到70%

这时 炉内热交换以对流换热为主

好 今天的课程就到这里

谢谢大家