工业电炉安装功率的优化设计

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　　内容摘要:工业电炉是工业上用于给各种工件加热的主要设备,这种设备的安装功率都较大。安装功率的大小也直接影响设备制作成本和使用性能。可以说只有准确的安装功率才能保证处理后得到合格的工件。而实际生产中最佳功率数值很难确定,于是大多数人只好计算出功率后再加大1到2倍,结果造成制造成本和电能上的极大浪费。本文通过实例对工业电炉安装功率的各种计算方法进行推敲,并提出新的优化设计方法即经验计算法。
　　关键词:工作温度;电炉;炉衬
　　中图分类号:U261.15文献标识码:A
　　
　　安装功率是指炉内电加热元件在单位时间内应具有的最大加热功率[1]。为满足工件的工艺需要,工业炉在功率设计方面应满足如温升速度、最高使用温度等要求。便于工件处理后得到想要的微观组织和宏观上的强度、硬度等指标。下面对安装功率的几种计算方法举例介绍如下:
　　首先假定电炉参数:炉膛φ8000×8000mm,炉子最高工作温度1100℃,最大载重(含辅具)300T,固定炉台为砖衬,炉体为对开式。移动炉体炉衬为全纤维结构,厚度350mm,容重230kg/m3。炉衬重量:M= ;其中=230kg/m3 ;
　　 =V1+V2=73.41+20.8=94.21 m3 所以:M= =94.21m3×0.23T/ m3=21.67T砖衬重量:M= =1.7T/ m3×27.13m3=46.12T。结构方案图如下:
　　
　　一、热平衡计算法
　　
　　设定升温速度:20℃--1100℃满负荷70℃/h。 Q吸=Q放,Q放即电热安装功率。Q吸包括工件及辅具升温吸收的热量Q1、炉衬吸收的热量Q2、承重炉台吸收的热量Q3及炉体炉衬外表损失的热量Q4。下面分别计算各项热支出项目:
　　①工件及辅具升温吸收的热量Q1
　　Q1=GCpt=305.8×160×56=2739968(kcal/h)= =3182.93(KW)
　　式中, G―工件及垫铁的重量,垫铁采用50mm厚ZG4Cr24Ni7Si2NRe,辅具及工件按最大载重300T计算.G=300+5.8=305.8T
　　Cp―工件等炉内金属20～1100℃加热过程中的平均比热Cp=160kcal/T℃
　　t1―炉子满负荷时工件等金属最大升温速度t1= t=56℃/h
　　②炉衬吸收的热量Q2
　　Q2=G/C/pt/=21.67×240×42=218416.46(kcal/h)=253.73(KW)
　　式中,G/―纤维炉衬的重量,G/=21.67T(94.21m3);C/p―纤维炉衬的平均比热C/p=240kcal/T℃;t/―纤维炉衬的最大平均升温速度t/=0.6t=42℃/h
　　③承重炉台吸收的热量Q3
　　Q3=G//C//pt//=46.12×240×49=542371.20(kcal/h)
　　P= =630.66(KW)。式中,G//―台车砖衬的重量,G//=46.12T ;砖衬的平均升温速度t//=0.7t=49℃/h;C//p―砖衬的平均比热C//p=240kcal/T℃。
　　④设定炉体外炉壁温升在小于40℃情况下对升温过程中炉子散热损失Q4进行估算:炉衬热损失的热量Q4.
　　Q4=q×S,(KW)其中q= =
　　所以 Q4=q×S,=407.95×301.44=122.97(KW)
　　其中:当 时, (W/m.℃)
　　式中: -耐火纤维毯热导率(W/m.℃); s-炉衬厚度(m);
　　q-单位炉衬面积在单位时间内的散热损失(W/m2)
　　t1-近似炉衬内表面温度(℃);tb-炉衬外表面温度(℃)
　　 -炉衬外表面对空气的给热系数(w/m. ℃); S,炉衬内表面积(m2)。
　　安装功率确定
　　综上 Q放 = Q吸= Q1+ Q2+ Q3+ Q4=3182.93+253.73+630.66+122.97 =4190.29(KW)
　　考虑到观察孔、炉体对接处、电热元件引出端等其它方面的热损失和电压波动因素对功率的影响,炉子的安装功率适当增大,
　　即4190.29×1.15=4818.50KW,取安装功率4800KW。
　　
　　二、根据炉膛容积V计算法
　　
　　对于最高工作温度1100℃情况下,P= ; 其中V=3.14 42 8=401.92 m3
　　代入公式得:P= = =5446(KW)
　　
　　三、根据单位炉膛内表面积法
　　
　　最高工作温度1100℃情况下;P=15 S;(其中15为温度系数);S为炉膛内表面积,S=3.14 42 2+3.14 8 8=300m2 ,代入公式:P=15 S=4500 KW
　　
　　四、实践经验计算法
　　
　　根据实践经验和已安装使用的电炉使用情况进行总结,考虑最近几年保温耐火材料业的发展,得出经验计算法,这种方法是在热平衡功率计算方法的基础上发展而来,经验证,这种方法快速可靠,P=[M J/(h 3600)]R =4700 KW;
　　其中M是加热工件和垫铁附具等的重量,J是金属的比能,此温度下碳钢的比能大致在760KJ/Kg左右,h为加热升温段时间。这里为14小时。R为经验系数。
　　总结:以上这些方法都在生产中被工业炉制作厂家使用,我们对照一下看看,
　　1、热平衡计算法: P=4800(KW) 2、根据炉膛容积V计算P=5446(KW)
　　3、根据单位炉膛内表面积计算P=4500(KW)4、实践经验计算P=4700(KW)
　　我们考虑的除了这些方法,最重要的是哪个合理,哪个在满足使用的情况下最优化节能。我在这个行业从事设计工作5年有余。从最初的采用热平衡计算法起步,逐步总结了自己的一套计算方法即第四种实践经验计算法。应该讲这些方法是各有优缺点的,热平衡计算法是比较准确的,但不足是计算繁琐,当工作任务量很大时,往往没有充足的时间让你计算。根据炉膛容积V计算安装功率的方法计算快,但往往所得结果偏大,这个公式没有考虑工件重量的影响;根据单位炉膛内表面积计算安装功率的方法适用于方案设计步骤中的初步估算,也对装载量缺少考虑;经验总结计算法只是一个大致公式,实际上要综合各方面因素,其中R这个系数就很难确定,如使用温度,有无炉底板、有无风循环系统、什么样的密封方式、工件形状类型、有无垫铁附具和炉衬保温材料性能等各方面因素都对其有影响。宗旨是遵循能量守恒定律,安装功率释放的总能量和所有吸收热量及损失热量之间达到一个平衡。所以最后一种方法实际上没有固定的公式可供参考。但往往用于实际生产最准确。这里就对从事这个行业的设计者的能力有一定的要求。我所举的例子是实际发生的,此设备为齐齐哈尔中国一重集团的一万五千吨水压机配套设备。最后生产采用的安装功率为4700KW,投产几年来运行良好,对以上的几种计算方法也是一种实际的验证。
　　结束语:电炉安装功率的优化一直是困扰设计者的一个难题,因为它直接影响电炉的各项指标,电路设备的造价和以后使用的用电成本等。与能否顺利验收投产也密切相关。我根据实践生产经验总结出,安装功率的计算切勿完全复制各种设计手册的计算公式,它们有两方面缺陷,其一,公式往往夸大炉衬材料的蓄热和热损失,忽视了隔热保温材料等行业在不断发展,如全硅酸铝耐火纤维结构的炉体,与普通的耐火砖相比,在同等保温效果下,全纤维炉衬其重量仅为耐火砖的1/30,比同规格的砖体炉节能30～38%,升温速度提高一倍[2]。而在炉围内壁涂高温高辐射涂料,强化炉内的辐射传热,有助于热能的充分利用,其节能效果为3%～5%,也是近期较先进的节能方法[3]。其二,公式无法充分考虑你所对应的加热工件的实际情况,电炉一般是非标设备,对加热工件需要量体裁衣,照搬公式有脱离实际的倾向。真正的安装功率计算需要设计者有较丰富的经验,综合各种因素在公式的计算结果基础上切实考虑。
　　
　　参考文献:
　　1、王秉铨. 《工业炉设计手册》. 机械工业出版社.1996.8 (750)
　　2、许广清.工业炉节能措施探讨.工程建设与设计,2005(11)
　　3、李治岷,魏玉文.工业加热炉的节能关键技术.机械工人.2005(2)
　　
　　作者简介:马庭柱(1981-)男,哈尔滨工业大学材料工程专业工程硕士,从事工作的研究方向为工业电炉机械结构优化设计。

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