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河北工业大学
毕业设计说明书
题目：步进式燃气加热炉结构及控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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毕业设计中文摘要
步进式燃气加热炉结构及控制系统设计
摘要：
工业炉的设计的目的是参考现有炉型，以热工理论为指导，设计出结构更完善的炉体结构。本设计充分考虑了工业炉系统的各个方面。对于炉膛，采用一般的平顶结构，使整体成本造价和安装费用大幅度降低。对于烟道，由于加热圆形工件时，工件下方尚有一定空间且工作间距固定可在装料侧墙下部排烟。对于天然气的预热，采用烟气加热天然气。对于燃烧器，采用半喷射式烧嘴，与喷射式烧嘴相比，不仅缩短了烧嘴长度，而且通过调节一、二次空气量，从而在一定范围内可调节火焰长度。对加热炉自动控制系统的设计，使加热炉更易于使用。
关键词：步进式燃气加热炉控制系统
毕业设计外文摘要
the design of walking-beam gas furnace structure and control system
Abstract
the design purpose of Industrial furnace is to reference existing furnace,With thermodynamic theory as the guide,designed structure more perfect furnace construction.This design is considered with the fully industrial furnace system.For furnace, The roof structure,make the whole cost and installation cost significantly reduced.For flue,when heated circular workpiece due,below are some workpiece and work in feeding fixed spacing of the lateral wall smoke.For gas preheating,Using the natural gas to heating.For burner,using half a jet burner,compared with the jet burner,not only shorten the length of burner,and through adjusting the first and the second air quantity,thus, adjustable flame length within a certain range.For the design of automatic control system of reheating furnace, make more easy to use. Keywords: walking-beam furnaces Gas furnace The control system
目次
1 引言.............................................................
2 设计任务书 .......................................................
3 工业炉设计概论 ...................................................
3.1 工业炉概念..................................................
3.2 工业炉性能参数介绍..........................................
3.3 工业炉基本分类..............................................
3.4 设计内容....................................................
3.5 工业炉设计原则..............................................
3.6 本课题设计思路..............................................
3.7 设计时间规划................................................
4 加热炉系统的具体设计 .............................................
4.1 燃料燃烧的计算..............................................
4.2 炉体基本结构的设计..........................................
5 热平衡计算 .......................................................
5.1 加热段的热平衡..............................................
5.2 预热段的热平衡..............................................
6 预热器的设计计算 .................................................
6.1 预热器的选用................................................
6.2 空气预热器的设计计算........................................
6.3 天然气预热器的设计计算......................................
7 燃烧装置的设计 ...................................................
7.1 烧嘴的选择..................................................
7.2 空气管道的设计..............................................
7.3 天然气管道的设计............................................
8 排烟系统的设计计算 ..............................................
9 自动控制系统的设计 ..............................................
9.1 坯料的侧长称重与入炉定位....................................
9.2 坯料的装卸..................................................
9.3 炉内步进机构的传动..........................................
9.4 炉内燃烧状况的检测..........................................
9.5 炉温炉压控制................................................
9.6 炉膛含氧量检测..............................................
10 加热炉系统的其它细节介绍........................................
10.1 进料工具的设计.............................................
10.2 传动装置的设计.............................................
10.3 钢件出口及炉门的设计.......................................
10.4 炉底的设计.................................................
10.5 炉子启动时注意事项.........................................
10.6 对于环境的影响.............................................
10.7 燃烧系统程序控制...........................................
10.8 步进机械运行过程原理.......................................
10.9 出渣系统...................................................结论..............................................................参考文献............................................................致谢................................................................附录1－1........................................... C AD附图－加热炉系统附录1－2........................................... C AD附图－加热炉系统附录2 .................................................CAD附图－炉膛简附录3 ............................................... C AD附图－预热器简
附录4 ............................................... C AD附图－烧嘴形式附录5 ......................................... C AD附图－自动控制系统简1 引言
作为一种重要的热工设备，工业炉广泛应用于物料的焙烧、干燥、
熔化、熔炼、加热和热处理等各种生产过程中，不仅数量众多，而且
种类繁多。工业炉工作的好坏将直接关系到产品的产量、质量、能耗、
成本和环境污染等多项技术经济指标，因而在各工业部门的生产中都
占有重要的地位。
对工业炉的基本要求是：产品的质量和产量首先要满足要求；燃
料或其他能源的消耗要低；建炉投资和运行费用要低；使用寿命长；
操作人员的生产条件要好；污染物的排放量要符合环保的要求。一座
好的工业炉应尽可能满足上述各项要求。为保证产品的质量，要准确
的控制炉内的温度和气氛。选择合适的筑炉材料。
工业炉按工艺用途分，有冶金工业中的各种冶炼炉、加热炉、热
处理炉，机电工业中的锻造炉、干燥炉、热处理炉，陶瓷工业中的各
种隧道窑、各种玻璃熔炼炉、热处理炉，石化工业中的焦化炉、加热
炉、裂解炉，环保工业中的废料焚烧炉，建材工业中的水泥窑等。按
能源分，有煤气炉、油炉、煤炉、电炉；按热工制度及操作方式分，
有恒温炉、周期炉及连续炉等。按结构形式分，由于涉及各个行业，
更是不胜枚举。由于工业炉所涉及的工业过程繁多，我们可以通过掌
握工业炉的基本原理来学习工业炉设计的基本方法。
虽然工业炉的范畴如此之宽，涉及的工业过程如此众多，但作为
工业炉，热源向物料的传热是一个基本过程，每一个工业炉都会有此
过程。因此，要使工业炉的工作达到“优质、高产、低消耗、少污染”
的基本目标，除了掌握正确的工艺操作之外，还必须要有合理的炉体
结构予以保证。
工业炉的设计从来都离不开工艺而单独进行。设计人员在设计时，首先必须根据工艺的要求进行设计，使工业锅炉能够满足工艺制度所规定的要求。而从能源角度看，工业炉又是国民经济中的耗能大户。因此，如何提高工业炉热效率，合理使用一次能源，充分而有效地回收并利用二次能源，在当今能源紧缺的形势下，更显出其必要性。在工业炉的设计中，所有降低能耗的有效措施，都应力图采用。
工业炉的设计的目的是参考现有炉型，以热工理论为指导，设计出结构更完善的炉体结构。优秀的设计者不应是现有工业炉的抄袭者，而应该是把现有工业炉变成更新、更完善的工业炉的创造者。对以定型的有成熟经验的工业炉，有时设计时不进行理论计算，而是凭借经验数据直接确定加热时间或者通过选用有效炉底强度，从而确定出工业炉的基本尺寸。这样不仅简单易算，而且排除了理论计算时因各种系数或参数选取不当而造成的误差，这种方法稳妥可靠。但当设计新炉型或采取新的温热制度的工业炉，理论计算是必须的。对一般连续加热炉，理论计算虽然只具有一定的参考价值，但是作为一种设计方法，特别是科技水平快速发展的今天，理论计算法仍然相当重要。即使是凭借经验设计，也是要在专业理论的基础上，广泛采纳国内外先进经验，进行优化设计并加以改进。
2 设计任务书
课题任务：某锻造厂，需对加热后的圆柱形实心钢坯进行锻造处理。要求为其设计工业加热炉，包括炉体结构及控制系统，炉温控
制在1000 ℃，并且每隔30秒出炉一次。
钢件的具体数据为：钢件长L=1000mm，直径D=80mm；钢件
进炉前温度t
1=20 ℃，出炉温度t
2
=800 ℃。
使用燃料为天然气，干气体体积成分（％）为：＝98，＝0.4，
＝0.3，＝0.3，＝1。
技术要求：1.控制燃料消耗量以满足不同尺寸钢坯的加热要求；
2.选取合适的鼓风机和引风机；
3.设计的燃烧器能满足热量需求；
4.尽量使系统节能降耗，提高经济性。
3 工业炉设计概论
3.1 工业炉概念
在工业生产中,利用燃料燃烧产生的热量,或者将电能转化成热量对工件或物料进行加热的设备,称为加热炉[1]。
加热炉是进行锻压生产不可缺少的重要设备之一，他在很大程度上影响着锻件质量和技术指标。锻压生产前，通常要对金属坯料进行加热，其目的是为了提高坯料的温度，降低塑性变抗力，使之适应于锻压加工，当坯料加热到锻压温度时，对坯料实施较小的变形力，消耗较小的能量，就能获得所需形状，尺寸和符合机械性能要求的锻件。步进炉依靠专用的步进机械是工件在炉内移动的一种机械化炉。利用耐火材料炉底支撑工件，主要向工件上部单面供热的称步进底式炉，也是一种连续作业的加热炉。
工业炉主要由炉衬、炉膛、排烟系统、预热器、炉内机械、烧嘴、自动控制等装置组成[2]。按形式可分为步进炉、推钢炉、室式炉等等，按用途可分为轧钢加热炉、锻造加热炉及热处理炉等几种，其中以步进式炉为代表炉型，步进式加热炉[2]是靠专用步进机构使钢坯在炉内移动的一种机械化炉子。按其步进机构类别分为步进梁式、步进底式、步进梁底组合式三种炉型。其工作原理是依靠油缸的推力使步进梁作
上升、前进、下降、后退周期循环运动，将装入炉内加热的钢坯一步一步地向出料端运送。反之，它又能作前进、上升、后退、下降逆循环运动将炉内钢坯一块一块地从进料端退出。步进梁式加热炉因具有加热速度快，生产能力大、温度均匀、烧损少等优点，特别是可步进送钢、步进退钢、踏步控制、易于排空炉料时和更换钢种的优点，成为目前冶金和锻造行业普遍采用的一种先进炉型。
天然气的主要成分是，气体燃料燃烧完全且易于控制，容易实现烧嘴的空气、燃料自动比例调节，为了提高燃烧效能和有效的节约燃料，我在我的设计中采用天然气加热器将天然气进行预热。此时天然气的燃烧效率就会有很大的提高[3]。
3.2 工业炉性能参数介绍
反映炉子热工性能的主要参数[2]是：炉子装载量、炉子生产能力、炉子生产率、单位热耗、炉底加热强度与炉子热效率等。
炉子装载量指每一加热周期内，一次可在装入炉内的工作或物料重量，单位为吨。
炉子生产能力指对于加热炉和热处理炉指按单位时间计算的炉子加热能力，单位为kg/h；对于冲天炉则习惯称为熔化率，单位为t/h。
炉子生产率指对于加热炉和热处理炉，按单位时间，单位炉底面积计算的炉子加热能力；单位为kg/（h）对于冲天炉则习惯称为炉子熔化强度，单位为t/( h)
单位热耗是指在一个加热周期内，加热每千克工件所消耗的热量，单位为千焦/千克。单位消耗与炉子生产率相乘即为炉底热强度，单位为----
工件或物料加热时吸收的有效热量与供入炉内的热量之比，称为
炉子的热效率，用下式表示
炉子热效率
对于间断式加热炉： (kJ/h)
式中
G----炉子生产能力（kg/h ）；
， ------工件出炉与入炉时的平均比热容[kJ/kg]
（2）对于连续式加热炉：
式中-----钢材最高加热温度时的平均比热容[kJ/(kgK)]
G----炉子生产能力
----钢材最高加热温度（K ）
（3）.对于熔化炉:[()()]g r g y c r y
G R Q c t t c t t =-++-(kJ/h) 为了提高炉子的热工性能,除必须根据工艺要求、预热器及炉用机械形式、燃烧及燃烧装置类别、适宜的炉子排烟方式等设计优良的炉型结构外,还需对炉温、炉压等进行自动控制,对燃料与助燃空气量进行自动比例调节。需要指明：实现炉子最佳性能不能单独依靠自动控制来实现，还应有严格的操作管理制度。
3.3 工业炉基本分类
3.3.1 按供热方式分类
按供热方式工业炉分为两类[4]: 一是火焰炉,是用各种燃料的燃烧热量在炉内对工件或物料进行加热; 二. 是电炉,是在炉内将电能转化为热量对工件或物料进行加热。
3.3.2 按热工制度
工业炉也分为两类：一是间断式炉，有称周期性炉，起特点是炉膛内部不划分温度区段，炉子按一班或两班生产，在每一加热周期内
炉温是变化的，如各种室式炉、台车史炉、井式炉、罩式炉等；二是连续式炉，其特点是炉膛内划分温度区段，一般由预热、加热（高温）、均热（保温）三个区段组成，炉子为三班连续生产，在加热过程中每一区段内的温度可认为是不变化的，如二段或三段连续式加热炉、步进式炉、振底式炉等。
3.4 设计内容
本次设计中要求设计一个步进式加热炉,并在设计过程中采用一些节能措施和自动控制系统,以提高热量利用率、减少燃烧的消耗。根据设计要求，我计划设计一个步进梁式加热炉，它是连续加热炉的一种，它是依靠步进梁有循序的运动使加热的料坯在炉内逐步地从炉尾移动到出料端，使钢坯达到规定的温度后出炉。
3.4.1 步进梁式炉优点
我们选择步进炉作为设计炉型，主要是因为它和推钢式连续加热炉相比有如下的优势性：
⒈加热灵活性
在炉长一定情况下，炉内料坯数目是可变的，而推钢式炉中则是不可变的，那样加热时间就会受到限制。而步进式炉在炉子小时产量变化的情况下可以通过改变料坯间距离来达到或保持加热时间不变的目的。
⒉加热质量好
因为步进式炉内可以使料坯间保留一定的空隙,这样扩大了受热面,加热容易均匀,断面温差小,钢坯表面没有划伤的情况。
⒊炉长不受限制
对推钢式连续加热炉来说炉长受到最大推钢长度的限制，而步进炉则不受限制。而且对于不利于推钢的细长料坯、圆棍、弯曲料坯等
均可在步进炉内加热。
⒋操作方便，改善了劳动条件如不容易混钢号，在必要时可以将炉内料坯全部或部分退出炉外，开炉时间可缩短，由于不会粘钢，可以减轻繁重的体力劳动；和轧机配合比较方便、灵活。[5]
⒌于实现自动化操作
3.5 工业炉设计原则
⒈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。
⒉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程度。
⒊炉子结构尺寸应根据生产实际或科学实践数据加以确定,不应照旧有结构按比例放大或缩小。
⒋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预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。
⒌熟悉各种炉用机械传动方案，熟悉炉子控制原理，不断革新炉子构件。
⒍设计炉子时，对材料选用、设备选型、通用构件的规格尺寸等，应尽可能全厂或者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。
⒎在一定时期内,有条件有步骤地进行工业炉的三化(典型化、系列
化、完善化)设计工作,及时总结和推广新技术。
⒏要采取保护环境和防止烟尘、噪声污染的治理措施。
3.6 本课题设计思路
按实际工况要求，本课题要设计一台步进式锻造加热炉,并在设计过程中采用一些节能措施和自动控制系统,以提高热量利用率、减少燃烧的消耗。我计划采用步进梁式加热炉，作为连续加热炉的一种，它是依靠步进梁有循序的矩形运动使加热的料坯在炉内逐步地从炉尾移动到出料端，使钢坯达到规定的温度后出炉。而连续式炉又有如下这些优点：
⒈加热灵活
在炉长一定情况下，炉内料坯数目是可变的，步进式炉在炉子小时产量变化的情况下可以通过改变料坯间距离来达到或保持加热时间不变的目的。
⒉加热质量好
步进式炉内可以使料坯间保留一定的空隙,从而能扩大受热面,物料加热快且均匀,断面温差小,钢坯表面没有划伤的情况。步进梁采用锯齿型，在设计时我在步进长度与锯齿尺寸有一定的尺寸间距，当步进梁托起工件时，工件并非直接落在锯齿中心，而是落在前一个矩尺面上，进而滑落在矩尺中心，实现了刚件在加热过程中的反转。从而更充分的均运匀受热。
⒊炉长不受限制
对推钢式连续加热炉来说炉长受到最大推钢长度的限制，而步进炉则不受限制。而且对于不利于推钢的细长料坯、圆棍、弯曲料坯等均可在步进炉内加热。
⒋采用悬臂辊出料
考虑到工件的截面积较小，当采用端出料时炉门较大，热量损失较多，因此我采用侧出料，由悬臂棍的滚动带动工件出炉，但由于工件为600mm长，炉墙为232mm的耐火层，116mm的隔热层，4mm的钢板组成，600mm的钢件不能独立的又内外两个悬臂辊支撑出料，因此我在炉墙内镶嵌了2个特制的悬臂辊，与其他悬臂辊合作出料。图1简单的示意了采用悬臂辊出料。
图1悬臂辊出料
⒌操作方便，改善了劳动条件
如不容易混钢号，在必要时可以将炉内料坯全部或部分退出炉外，亦可根据需要原地踏步；开炉时间可缩短，由于不会粘钢，可以减轻繁重的体力劳动；和锻造设备的配合比较方便、灵活。
⒍然气的二次加热
采用烟气预热，一般有两个优点，一是有利于燃烧，其次是节约燃料。通过预热，用于提高炉温，提高热工性能。[6]
⒎便于实现自动化操作
炉膛简图见附录2。
3.7 设计时间规划
为保证在规定时间内圆满完成设计任务，对此次设计和研究途径做如下规划：
⒈前期阅读相关工业炉文献资料，完成外文翻译，通过设计手册的翻阅，对步进式天然气锻造加热炉工业炉的结构、特性、工作原理及行业动态有一个较深入的了解。历时两周。
⒉明确设计任务、内容，撰写开题报告。历时一周。
⒊查阅《燃料与燃烧技术》、《锅炉及锅炉房技术》等，进行燃料燃烧空气需要量和烟气生成量的计算。历时一周。
⒋参阅《工业炉设计手册》进行加热炉基本结构的初步设计，确定燃烧器的布置，确定排烟方式和烟道位置。历时一周。。
⒌进行钢材加热的传热计算，炉膛的热力计算，风烟系统的阻力计算。历时两周。
⒍设计燃烧器，选择传送机构、自动控制系统及辅助设备。历时两周。
⒎绘制相关图纸，CAD出图。历时四周。
⒏完成毕业设计说明书。历时一周。
4 加热炉系统的具体设计
4.1 燃料燃烧的计算
4.1.1 燃料的选择
由于天然气热量高,容易控制燃烧,且是一种清洁能源,不会对环境造成很大污染,所以炉子燃料选择天然气。[6]
4.1.2 燃烧所需的空气量计算
，
单位燃料完全燃烧后，燃料生成气中水蒸气冷凝为0℃的水时，燃料所放出的全部热量称为高位发热量Q g..
42638410
3397.7696.6991.21284.7 =397.798+696.60.4991.20.31284.70.3
=39936.01kJ/Nm g Q CH C H C H C H =+++??+?+?
燃烧生成器中水中气冷却为20℃气态水时燃料所反出的全部热量称为低位发热量
42638410
d 3
Q =359.6CH +636.3C H +910.8C H +1204.3C H =359.698636.30.4910.80.31204.30.3 =36129.85/kJ Nm ?+?+?+?
对于气体燃料我们取
燃料所需空气量计算
气体燃料的单位理论空气消耗量
[]
030.01 4.764 =0.01 4.76298 3.50.450.3 6.50.3 =9.56046/m n n L m C H Nm kg ????=??+ ???????
???+?+?+?∑
计入空气中水分时的单位实际空气量
℃时 （查工业炉设计手册）
31.19.56046(10.0012419.0)12.58/n L Nm kg =??+=
4.1.3 燃烧生成气量及燃烧生成气密度的计算
1. 单位理论燃烧生成气量（）