1Cr3Al4钢回火炉的设计
1Cr3Al4钢回火炉的设计
1 绪论
1．1 回火炉的发展现状
回火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%。以锻造生产为例，2003年年产锻件约250万t ，供制造业务部门使用，其水平直接影响到汽车等支柱产业的发展。工业炉加热技术及装备水平对满足工艺要求，提高产品质量，降低生产成本，合理利用能源，保护环境，改善劳动条件，实现文明生产等都有很大的影响。上世纪末，联合国会议提出了“可持续发展”的崭新观念。具体地说，是要建立信息意识、科技意识、市场意识、资源意识和环境意识。这是人类发展观念的根本转变。可持续发展观念不是权宜之计，而应成为每一个国家的国策。工业炉的发展也必须服从这一观念，它必须与全球化、信息化、绿色化，提升制造业的总需求同步前进。工业加热技术，与人类文明的三大支柱——能源、材料、信息息息相关，它是燃烧学、传热学、流体力学等学科交叉的科学，可以说工业炉是高技术的载体，从某种意义讲，工业炉的技术水平反映了一个国家工业的综合水平，工业发达国家不予以高度关注。据不完全统计，全国12个行业县以上企业，工业炉装备11万台以上，机械行业占7.5万台(占炉窑总数66%)。工业炉中燃料炉约6 万台，占炉窑总数55 %以上，电炉约5 万台。工业炉是耗能大户，能耗占全国总能耗的1/ 4，占工业总能耗的60%。
1．2 回火炉的常用优化措施
1.2.1 减少生产工序
减少生产工序减少生产工序等于减少了该工序的一切消耗，当然也包括节约了该工序100%的能耗，因此可以取得巨大的节能效益。例如，国内外普遍采用的以连续铸锭来替代铸锭、均热和初轧等工序，生产率大大提高，而燃料消耗却大幅度降低，成为目前钢铁工业技术改造的重要措施之一。又如，在我国大多数钢铁企业生产热轧圆钢时，将小钢锭开坯成小钢坯。两次加热都要使钢温达到1200℃左右，需要消耗大量的能源，钢材和设备的损耗都较大。如果采用直接轧制，一次加工轧成圆钢，就可以大幅度地增加产量，降低消耗，当然也包括主要的能源消耗，效果显著。再如，在热处理生产中，将退火工序和淬火工序结合起来，减少一个工序，少一次加热，也可以取得很好的节能效果。
1.2.2 充分利用炉料的余热
在上一个加热工序后，炉料中尚有一定的温度，保存其余热，在下一个工序中加以利用，可以明显地降低该工序的能源消耗。
1.2.3 炉料、助燃空气预热
一般认为，空气预热温度每提高100℃，即可提高燃烧温度50℃左右，增加产量2% ，节约燃料5%。如果装入的炉料经过预热，可以节约大量的高质量燃料，尤其是利用高温烟气来实现时，其意义更为重要。工业炉排放的烟气温度一般在600℃到1200℃，占热平衡的30% ~ 60%，只要回收其部分余热，即可节约可观的能源，显著地提高炉子的热效率。烟气余热的回收设备分两大类：一种是间壁式换热器，用钢材制造，主要用于600℃以下的预热温度， 它的应用最广；另一种是蓄热式换热器，用耐火材料制造，主要用于800℃以上的预热温度。
1.2.4 充分利用烟气的余压
如果工艺过程是在密闭的空间进行，随着燃烧过程的发生，除了产生热能升高温度外，还因体积膨胀、压力升高而产生压力能。目前，已有了同时充分利用热能和压力能的生产工艺，这就是现代高炉炼铁及其炉预压差发电。它利用燃料燃烧产生的高温热量来熔化和还原矿石以生产生铁，同时利用燃烧产生的压力能来发电。
1.2.5 降低加热工艺温度
在不影响或者很少影响加工产品质量的前提下，适当降低加热工艺的出炉温度，可以明显减少燃料消耗，如实施棒材低温轧制技术。据统计，棒材开轧温度从1000~1 100℃降低到950~1050℃时能耗有所提高，但由于加热炉燃料消耗减少，因而可综合节能20%左右。这不仅降低了生产成本，同时细化了晶粒，提高了产品的力学性能，改善了产品的表面质量。
1．3 研究的问题及手段
1.3.1 研究的问题
回火炉供一般金属机件回火以及铝合金压铸件、活塞、铝板等轻合金机件淬火、退火时效热处理之用。而化工设备在制造过程中，焊接为主要工序，焊接过程中会产生较大的焊接应力，焊接应力存在会给设备安全运行带来很大危害，所以必须进行消除，热处理回火炉是完成此过程的主要设备。本课题要求学生熟悉热处理工艺，进行能量核算，在老师指导下独立完成热处理炉的设计，绘制热处理炉的图纸，编写设计说明书。
1.3.2 拟采用的研究手段
1) 利用江苏科圣化工机械有限公司的原有的回火炉进行加工试验，分析装置特点及其不足之处；
2) 测量其相关尺寸，查找相关资料找出可行方案；
3) 分析比较不同的方案的优缺点；利用CAD进行结构设计及其仿真，最终确定方案。绘制回火炉的装配图及部分零件图，编写设计说明书。
2 总体设计方案
2．1 本设计的技术要求
1) 主要用于材料为Q235钢制成的大型化工设备的回火。
2) 最高工作温度640℃。
3) 工件生产率6000kg/h。
4) 绘制400KW消除应力热处理回火炉的装配图及部分零件图。
2．2 适用方案的比较及确定
2.2.1 适用方案的比较
课题为400KW消除应力热处理回火炉的设计；炉子的生产任务是中大型的化工设备；作业制度为周期式生产；工件的热处理工艺为600℃左右的回火。热处理电阻炉可以满足其使用条件，而燃料炉对坏境污染严重，且回火质量差不易于控制，因此优先选用电阻炉。
表1：方案比较
优点 缺点
方案一：热处理电阻炉 容易实现机械化和自动化操作，劳动条件好，对坏境没有污染，也便于通过可控气氛，实现光亮保护加热和化学热处理。
炉子造价高，耗电量大，工件加热速度慢。
方案二：热处理燃料炉 炉子造价较低，适用于一般质量要求的大型机械。
燃料炉对坏境污染严重，且回火质量差不易于控制。
1 绪论
1．1 回火炉的发展现状
回火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%。以锻造生产为例，2003年年产锻件约250万t ，供制造业务部门使用，其水平直接影响到汽车等支柱产业的发展。工业炉加热技术及装备水平对满足工艺要求，提高产品质量，降低生产成本，合理利用能源，保护环境，改善劳动条件，实现文明生产等都有很大的影响。上世纪末，联合国会议提出了“可持续发展”的崭新观念。具体地说，是要建立信息意识、科技意识、市场意识、资源意识和环境意识。这是人类发展观念的根本转变。可持续发展观念不是权宜之计，而应成为每一个国家的国策。工业炉的发展也必须服从这一观念，它必须与全球化、信息化、绿色化，提升制造业的总需求同步前进。工业加热技术，与人类文明的三大支柱——能源、材料、信息息息相关，它是燃烧学、传热学、流体力学等学科交叉的科学，可以说工业炉是高技术的载体，从某种意义讲，工业炉的技术水平反映了一个国家工业的综合水平，工业发达国家不予以高度关注。据不完全统计，全国12个行业县以上企业，工业炉装备11万台以上，机械行业占7.5万台(占炉窑总数66%)。工业炉中燃料炉约6 万台，占炉窑总数55 %以上，电炉约5 万台。工业炉是耗能大户，能耗占全国总能耗的1/ 4，占工业总能耗的60%。
1．2 回火炉的常用优化措施
1.2.1 减少生产工序
减少生产工序减少生产工序等于减少了该工序的一切消耗，当然也包括节约了该工序100%的能耗，因此可以取得巨大的节能效益。例如，国内外普遍采用的以连续铸锭来替代铸锭、均热和初轧等工序，生产率大大提高，而燃料消耗却大幅度降低，成为目前钢铁工业技术改造的重要措施之一。又如，在我国大多数钢铁企业生产热轧圆钢时，将小钢锭开坯成小钢坯。两次加热都要使钢温达到1200℃左右，需要消耗大量的能源，钢材和设备的损耗都较大。如果采用直接轧制，一次加工轧成圆钢，就可以大幅度地增加产量，降低消耗，当然也包括主要的能源消耗，效果显著。再如，在热处理生产中，将退火工序和淬火工序结合起来，减少一个工序，少一次加热，也可以取得很好的节能效果。
1.2.2 充分利用炉料的余热
在上一个加热工序后，炉料中尚有一定的温度，保存其余热，在下一个工序中加以利用，可以明显地降低该工序的能源消耗。
1.2.3 炉料、助燃空气预热
一般认为，空气预热温度每提高100℃，即可提高燃烧温度50℃左右，增加产量2% ，节约燃料5%。如果装入的炉料经过预热，可以节约大量的高质量燃料，尤其是利用高温烟气来实现时，其意义更为重要。工业炉排放的烟气温度一般在600℃到1200℃，占热平衡的30% ~ 60%，只要回收其部分余热，即可节约可观的能源，显著地提高炉子的热效率。烟气余热的回收设备分两大类：一种是间壁式换热器，用钢材制造，主要用于600℃以下的预热温度， 它的应用最广；另一种是蓄热式换热器，用耐火材料制造，主要用于800℃以上的预热温度。
1.2.4 充分利用烟气的余压
如果工艺过程是在密闭的空间进行，随着燃烧过程的发生，除了产生热能升高温度外，还因体积膨胀、压力升高而产生压力能。目前，已有了同时充分利用热能和压力能的生产工艺，这就是现代高炉炼铁及其炉预压差发电。它利用燃料燃烧产生的高温热量来熔化和还原矿石以生产生铁，同时利用燃烧产生的压力能来发电。
1.2.5 降低加热工艺温度
在不影响或者很少影响加工产品质量的前提下，适当降低加热工艺的出炉温度，可以明显减少燃料消耗，如实施棒材低温轧制技术。据统计，棒材开轧温度从1000~1 100℃降低到950~1050℃时能耗有所提高，但由于加热炉燃料消耗减少，因而可综合节能20%左右。这不仅降低了生产成本，同时细化了晶粒，提高了产品的力学性能，改善了产品的表面质量。
1．3 研究的问题及手段
1.3.1 研究的问题
回火炉供一般金属机件回火以及铝合金压铸件、活塞、铝板等轻合金机件淬火、退火时效热处理之用。而化工设备在制造过程中，焊接为主要工序，焊接过程中会产生较大的焊接应力，焊接应力存在会给设备安全运行带来很大危害，所以必须进行消除，热处理回火炉是完成此过程的主要设备。本课题要求学生熟悉热处理工艺，进行能量核算，在老师指导下独立完成热处理炉的设计，绘制热处理炉的图纸，编写设计说明书。
1.3.2 拟采用的研究手段
1) 利用江苏科圣化工机械有限公司的原有的回火炉进行加工试验，分析装置特点及其不足之处；
2) 测量其相关尺寸，查找相关资料找出可行方案；
3) 分析比较不同的方案的优缺点；利用CAD进行结构设计及其仿真，最终确定方案。绘制回火炉的装配图及部分零件图，编写设计说明书。
2 总体设计方案
2．1 本设计的技术要求
1) 主要用于材料为Q235钢制成的大型化工设备的回火。
2) 最高工作温度640℃。
3) 工件生产率6000kg/h。
4) 绘制400KW消除应力热处理回火炉的装配图及部分零件图。
2．2 适用方案的比较及确定
2.2.1 适用方案的比较
课题为400KW消除应力热处理回火炉的设计；炉子的生产任务是中大型的化工设备；作业制度为周期式生产；工件的热处理工艺为600℃左右的回火。热处理电阻炉可以满足其使用条件，而燃料炉对坏境污染严重，且回火质量差不易于控制，因此优先选用电阻炉。
表1：方案比较
优点 缺点
方案一：热处理电阻炉 容易实现机械化和自动化操作，劳动条件好，对坏境没有污染，也便于通过可控气氛，实现光亮保护加热和化学热处理。
炉子造价高，耗电量大，工件加热速度慢。
方案二：热处理燃料炉 炉子造价较低，适用于一般质量要求的大型机械。
燃料炉对坏境污染严重，且回火质量差不易于控制。
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