步进式加热炉设计计算模板.docx
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步进式加热炉设计计算模板
步进式加热炉设计计算
2.1热工计算原始数据
（1）炉子生产率：
p=245t/h
（2）被加热金属：
1）种类：
优质碳素结构钢（20#钢）
2）尺寸：
250>2200>3600（mm）（板坯）
3）金属开始加热（入炉）温度：
t始=20r
4）金属加热终了（出炉）表面温度：
t终=1200C
5）金属加热终了（出炉）断面温差：
t<15C
（3）燃料
1）种类：
焦炉煤气
2）焦炉煤气低发热值：
Q低温=17000kJ/标m
3）煤气不预热：
t煤气=20°C
表1-1焦炉煤气干成分（％）
成分
CO2
O2
C2H4
CO
H2
ch4
N2
焦炉煤气
3.1
0.4
2.9
9
57.9
25.4
1.3
⑷出炉膛烟气温度：
t废膛=800C
⑸空气预热温度（烧嘴前）：
t空=350C
2.2燃烧计算
2.2.3计算理论空气需要量Lc
1
1m
Lo4.76—CO-H2（n—）CnHm
224
把表2-1中焦炉煤气湿成分代入
11
L0.768.7939険5741224・818432・8336。
碍
224计算实际空气需要量Ln
查《燃料及燃烧》，取n=1.1代入
LnnLo1.14.30454.7317标m3/标m3
实际湿空气消耗量
Ln湿（10.00124g）nLo
=（10.0012418.9）4.7317
=6.0999标m3/标m3
标m3/标m3
2.2.5计算燃烧产物成分及生成量
Vc°2（COnCnHmCO2）100
=0.4231标m3/标m3
VN2N2
100100Ln标说标m
=1.2526
（56.57412
1
24.818422.83362.2899）
100
0.0012418.9
4.7317
标m3/标m3
179
1.2702丄794.7317
100100
=3.7507
标m3/标m3
V02
（LnL0）标m/标m
100
21
4.73174.3045
100
=0.0897标m3/标m3
燃烧产物生成总量
0.42311.25263.75070.08975.5161标m3/标m3
燃烧产物成分
VCoi100%6.145%
Vn5.5161
VHO12526上上空6100%19.132%
Vn5.5161
皿37507100%72.977%
Vn5.5161
O2纟00897100%1.746%
Vn5.5161
100%
将燃烧产物生成量及成分列于下表
表2-2焦炉煤气燃烧产物生成量（标m3/标m3）及成分（%）
成4
名称7^
CO2
H2O
N2
O2
合计
生成量（标m3）
0.4231
1.2526
3.7507
0.0897
5.5161
体积含量（%）
7.6703
22.7081
67.9955
1.6261
100
2.2.6计算煤气燃烧产物重度按燃烧产物质量计算
把表2-2中燃烧产物体积百分含量代入
Kg/m3
44CO264SO218H2O28N232O2
10022.4
447.67031822.70812867.9955321.6261
10022.4
=1.2063Kg/m3
2.2.7计算燃料理论燃烧温度
由t空=350C，查《燃料与燃烧》表得C空=1.30kJ/标m3,由《燃料与燃烧》Pas,
得燃烧室（或炉膛）内的气体平衡压力接近1个大气压（大多数工业炉如此）,那么式中
各组分的分压将在数值上与各组分的成分相等）即
Pco2CO2%
PcoCO%
所以PCO27.6703%,
Ph2o22.7081%
由《燃料与燃烧》附表8,附表9,得
fco219.81%,fH2o4.938%
所以Q分12600fco2（Vco2）未10800fH2o（VH2o）未
108004.938%0.227081126000.076703%0.1981
140.2487KJ/KgK
t17790.49932152.9335140.2487所以理5.51611.67
2149.7413C
2150
误差%21502100100%2.38%5%
2100
在误差范围内，故不必再假设。
因此，可满足步进式加热炉加热工艺要求
2.3炉膛热交换计算
2.4金属加热计算
金属加热计算是连续加热炉全部热工计算的核心。
按炉子有效长度分成三个区段
（即预热段、加热段、均热段）分别进行计算。
计算方法简述如下：
预热段和加热段采用热流等于常数的边界条件求解。
均热段计算有两种方法①根据经验直接确定均热段实底段长度。
②选定均热度求均热时间。
后一种方法用于均热床架空的时候，它与实际情况相差很大，应根据经验修正。
241均热段
该金属加热开始时，断面温度呈抛物线分布（《设计手册下》，P89）,取出炉时,钢的断面温差为10C，采用抛物线的理想平均值求法。
加热终了时，钢坯的平均温度
——22
tg1&t1200101193.33oC
33
S
0.1
4q表1
（t表均273）4
均热段炉气温度
在此温度下，钢的导热系数29.733.6107.04kJ/mh°C
求热流密度
2tqS
式中：
s—钢材厚度（m）,对于双面加热，厚度取丄S，
2
q表1
2t2107.°4101712.64KJ/（m2h）
前面假设温度为1250C，误差为
故不必再重新假设
求热焓
在1193C时，Cp=0.68716kJ/（kg「C）
热焓i=Cp*t=1193.33*0.68716=820.0109kJ/kg
242加热段
设加热段加热终了时，金属断面温差t=50C
（1）钢坯平均温度
22
tg2t表t1200501167oC
33
（2）加热段末端钢坯表面热流
mhoC
查设计手册，在1167C时，29.473.6106.08kJ/
（3）
2t2106.0850
q表2
0.125
84864KJ/（m2h）
加热段炉气温度
（12°°273）4273
100
tg21004
yCgKM加
“c4'84864
1004
V10.20
J表终273）4273
100
1261.64C
与前面假设炉气温度1300r仅相差20c
13001261.64
误差%2.95%v5%
1300
故不必再假设。
（4）均热度
式中：
一均热度
tk—金属均热开始时的表面与中心温度差
tz—金属均热终了时的表面与中心温度差
查《钢铁厂工业炉设计参考资料》P288,图8—25,
对于大平板：
=0.2时,
a
S2
0.68
S2
a
2
0.680.1252/0.0210.506h
（5）加热段内钢坯热焓
加热段内钢坯平均温度1167C，查表Cp=0.6894kJ/（kg「C）
i加1167C0.6894804.497KJ/Kg
2.4.3燃料利用系数及钢坯热焓分配
（1）加热段燃料利用系数
Q烧Q预Q废加Q低LnC空VnC废加T废加
4加•
Q烧Q预Q低LnC空T空
式中：
Q低17790.49993KJ/m3，Ln4.7317m3/m3，t空350°C，
c空1.296kJ/m3，Vn5.5161m3/m3，t废1300°C，ca1.61656kJ/m3gD
代入得
Q低LnC空T空VnC废加T废加
Q低LnC空T空
17790.49934.73171.2963505.51611.616561300
17790.49934.73171.296350
=0.42
（2）炉膛燃料利用系数
Q烧Q预Q废膛
Q烧Q预
本设计中Q预只预热助燃空气，所以上式可以写为
Q低LnC空T空VnC废膛T废膛
Q低LnC空T空
17790.49934。
3171.2963505.51611.53356800
17790.49934.73171.296350
=0.6606
（3）金属在炉膛中的总热焓增量
ii终i始t均1Cp11930.68716820.0109kJ/kg
（4）金属在预热段的热焓增量
式中：
Q辐qF,加热段向预热段辐射热量;
q—辐射热流，一般q=10000旷130000千卡/m3,这里取q=110000千卡/m3;
F—界面面积;
（5）求金属平均温度
设t均3=550C，查《火焰炉设计计算参考资料》表3-3得,
cp=0.5736kJ/（kg「C）
设计值与计算值相差很小，因此不必重算
2.4.4预热段热流及加热时间
（1）预热段始端热流
式中：
CgkM加加热段导来辐射系数，CgkM加=10.20kJ/mhk
tg2—加热段炉气温度，tg2=1261.64C
S—热透深度，S=0.125m
查《火焰炉设计计算参考资料》表3-1得，t均3=525.4358C时,
0.125q表3
3.638.5138.6kJ/（mhC）
（525.4358273）
，1261.64273,31386
q表310.20（）43138.6
100100
对上式采用顺序渐进法求解：
反复迭代，
得
q表31
480533.82kJ/（m2
h），
0.125q表31
144.46
3138.6
0.125q表32
q表32
485129.91kJ/（m2
h）
145.84
3138.6
q表33
484656.88kJ/（m2
h）
0.125q表33
145.7
3138.6
这里取q表3484656.88kJ/（
m2h）
q表3S
式中:
K1—金属形状系数；平板K11，圆柱K12，球体K13
i预i预i0714C0.63976456.79kJ/kg
i预S301.390.1257863
Kiq均预
24855695
1.18h
2.4.5加热段内热流及加热时间
（1）
加热段热流
q2
平均热流的计算，通常预热段采用几何平均值，加热段采用对数平均值
q均加
q表3q表2484656.8884864
229450.86KJ/（m2h）
.q表3In
q表2
484656.88In
84864
（2）加热时间
i加
i加i预
804.497525.4358
0.5673506.42KJ/Kg
i加S
506.420.1257863
力口
2.169h
K1q均加
229450.86
综上所述：
预
1.18h
加2.169h
均0.506h
总加热时间：
总均
加预3.855h
注:
由于步进梁式加热炉料坯之间有间隙,
受热面增大，加热时间有所缩短，但单
位面积上料坯数量减少了
故它对生产率的影响
应综合考虑，
修正加热时间：
炉膛（既间隙开口）对间隙内炉底的角度系数
式中：
s—料坯厚度；
a—间隙宽；取间隙a约为料坯厚度的0.4〜0.5倍,
a=0.4250mm=100mm
所以:
1（）2—0.1926
¥aa
因为,在假定金属黑度&=1的条件下，分析间隙内料坯侧面与炉膛及间隙内炉底
之间的辐射热交换，可以导出有间隙和无间隙两种条件下的金属获得热量比，它的倒
数即为有间隙和无间隙的加热时间比；
1
t2a
1（12）-
b
式中：
nt—相对加热时间，即有间隙和无间隙的加热时间之比；
a,b,分别为间隙宽,料坯宽度,料坯厚度;
0.958
2100
1（10.1926）
1000
各段加热时间为:
2.5炉子主要尺寸确定
2.5.1长度计算
（1）有效长度
L效
Pb
ng
式中：
P—炉子生产率，
P=245t/h
b—料坯宽度；b=2200mm
g—料坯平均单重
ng2（3.62.20.257863）
63875mm
（2）
预热段长度
（3）加热段长度
L加L效』63875216937546mm
总3.69
（4）均热段长度
L均L效—638750.48758439mm
总3.69
2.5.2炉门数量和尺寸及炉膛各部分用耐火材料的确定
（1）连续式加热炉炉门有进料炉门，出料炉门，操作炉门，窥视炉门，人孔等;这些炉门数量和尺寸的确定总的原则是：
在满足操作要求的条件下，炉门数量越少，开门尺寸越小越好,这样可以减少炉门的散热损失，提高炉子的热效率.主要炉门的确定如下：
（a）装料门：
炉门宽度B进：
连续步进梁式加热炉通常都是采用端进料，其宽度等于炉膛内宽
B,即B进=B=8.12m
炉门高度H进：
是指步进炉固定梁上表面至炉门上沿下表面之间的距离，对于步进
炉可取大于料坯（方坯或板坯）厚度与步进高度之和.这里取250mm+200mm=400mm;
（b）出料门：
炉门宽度B:
若采用侧出料时，则需很大炉门，且容易卡钢，结构和操作上都很困
难.从尺寸上考虑，因板坯教宽，故多用端出料.其宽度等于炉膛内宽B=8.12m,由于出料端温度很高，所以出料门带有水冷管.
炉门高度H进：
同装料门一样.
（c）操作炉门：
用做操作之用，如进出返回钢坯，清除氧化铁皮等。
三段连续加热炉一般设在均
热段和加热段，每侧2〜3个操作炉门，炉门开孔尺寸以操作方便为准，通常为：
464〜
580mm宽）x400〜500mm高），本题设6个操作炉门,两侧各3个,具体尺寸580mm宽）x464mm高）,采用60。
拱顶结构.
（d）人孔
结构一般为180。
拱顶,尺寸一般为580mm宽）x（800〜1000）mm高）,人孔与其它炉门不同,当炉子正常工作时,用耐火砖砌堵封严,只有停炉检修时才拆开.
（2）炉膛各部分耐火材料的确定
炉顶：
当B＞3.5m时，一般采用吊顶.吊顶根据温度条件多选用各种浇注料，与使用可塑料相比,可缩短修炉周期,提高炉子作业率,从而降低燃料消耗,＜＜工业炉设计手册＞＞,P658页，本设计采用耐火混凝土浇注料,它强度高,材料易得,施工方便,适用与无酸碱侵蚀及一般炉子或热工设备内衬,本设计在加热段和均热段采用磷酸耐火混凝土,它的最高使用温度＞1450度;预热段采用矾土水泥耐火混凝土,它的最高使用温度＞1350度,厚450mm其热导率可参考＜＜耐火材料实用手册＞＞P25页,图1—9.
炉墙：
当炉墙不太高时,一般用232〜464mm粘土砖和116〜232mm绝热砖双层结构.＜＜钢铁厂工业炉设计手册＞＞上册P349页,侧墙一般厚464〜580mm;
故本设计选用348mm（3块）粘土砖和116mm（1块）绝热砖，其中绝热砖选用硅藻土砖。
2.5.3步进式加热炉水梁的设计与选取：
参照＜＜钢铁厂工业炉设计参考资料＞＞下册P107页的布料情况,根据＜＜钢铁厂工业炉设计参考资料＞＞下册P70页,固定梁与活动梁的中心距一般》600mm如果再小就会阻挡从炉子下部传到料坯下表面的热量,使固定梁和活动梁的下表面加热不充分,加剧了料坯与梁接触部分的黑印,间距过大将会加大热损失。
钢坯在水梁上的最小悬臂为200mm一般取200〜350mm这里取a=300mm;
综上所述和前面的计算,这里取料坯端头至炉墙的距离为300mm。
固定梁之间的距离为3000mm;
活动梁之间的距离为1000mm;
固定梁的悬臂长度为300mm;
活动梁的悬臂长度为300mm+1000mm=1300mm;
验算：
间距：
amax5000..二
amax5000..0.2
=
50000.44721
2236.068mm
故间距
1300mn在最大范围内,合理
本设计取4根固定梁,4根活动梁,如图所示
I3600mm
300160
300mm30C
炉膛中心线
图2-1步进式加热炉梁分布
的右侧
2.6炉膛热平衡与燃料消耗量计算
基准温度为车间内环境平均温度，设其为20C
2.6.1炉膛热收入Q入
1炉料燃烧化学热Q烧
设炉膛燃料消耗量为B（标m3/h），则
Q烧BQ低17790.4993BkJ/h
2预热空气进入炉膛物理热Q空,
Q空BLnC空t空C环t环kJ/h
查表,空气在350°C时C空=1.296kJ/标m3°C,
Q空BLn（C空t空C环t环）
4.7317B1.296（35020）
2023.65Bkj/h
3金属氧化放热Q放
Q放1350G^千卡/时
100
式中：
G—炉子产量,kg/时
a—氧化烧损率％，氧化烧损率一般为1〜3%,这里取1.5%,
q放1350G0k卡/时
4.18
2450001.5
1350-
100
7
2.07410kj/h
17790.4993B2023.65B2.074107
2.6.2炉膛热支出Q出
①加热金属带出物理热Q产
P（C产t产C料t料）
式中：
t产,t料一分别为产品出炉温度和物料入炉平均温度
C产,c料一分别为产品在0〜t产C和物料在0〜t料C之间的平均比热容
由t产1193.33C时钢的比热为C产=0.68716kJ/（kg「C），贝匚
=9.840107KJ/h
②出炉膛废气带出的物理热损失Q废膛
Q废BVnC废t废C废t环
式中：
Vn—单位燃料燃烧时产生的烟气量
t废膛一炉膛废气温度
C废膛，C废膛—分别为废气在0〜t废膛0和0〜t环之间的平均比热容
t废膛=800C,t环=20r
C废'1.379
C废''1.505
Q废5.5161B（1.5058001.37920）
6489.25BkKJ/h
①壁导热损失
式中:
t壁一炉壁内表面温度，
T环一炉子周围环境温度
S—各层耐火材料砌筑厚度
入一各层耐火材料的导热系数
0.014—炉墙外表面向周围大气传热热阻，
F—炉壁外表面积
144
TgT表273KMM1g
g1KM1g1M
（A）炉膛内表面平均温度t壁表的计算
a）加热段
已知
Tg加1261.642731534.64K
km加=0.5119g加=0.266125m加=0.8，代入得
0.26612510.511910.26612510.8
1121.58（b）预热段
已知：
T表预671.14°273608.57K
2
（c）均热段
已知：
Tg均12182731474.46K
T表均12002731473K
1474.46414734
0.2371610.570310.2371610.8
1200.62C
（B）环境平均温度：
t环均=20C
（C）炉膛导热损失的计算
1）炉墙导热损失的计算
本设计炉墙选用348mm（缺）粘土砖和116mm（块）绝热砖，其中绝热砖选用硅藻土砖
H预下）219.568（12）
①预热段炉墙导热损失
F壁21预（H预上
2
117.408m
S粘0.348mS藻0.116m
设交界处t交650C
4.98150.7219
验算
与假设结果相差无几，故不必再假设。
那么：
预热段炉墙粘土砖与硅藻土砖交界处实际温度:
t预墙交2t粘均t均预
29301081.29
778.7C
预热段炉墙外表温度：
t预墙外2t藻均t预墙交
2429778.7
79.379C
同理可计算出其他部位炉墙导热损失，计算结果列于下表
表2-3炉墙导热损失
炉壁部位
炉壁内表面积（m）
导热损失（kJ/h）
炉壁外表温度
（C）
预热段炉墙
117.408
509627.55
79
加热段炉墙
285.35
1324956.559
85
均热段炉墙
54
270441.923
91
2）炉顶导热损失的计算
本设计在加热段和均热段采用磷酸耐火混凝土，它的最高使用温度＞1450度；预
热段采用矶土水泥耐火混凝土,它的最高使用温度＞1350度。
厚450mm其热导率可参考＜＜耐火材料实用手册＞＞P25页，图1—9。
炉顶导热损失可仿照炉墙导热损失的计算，将计算结果填入下列表格中。
表2-4炉顶导热损失
炉壁部位
炉壁内表面积（m）
导热损失（kJ/h）
炉壁外表温度
（C）
预热段炉顶
158.89
693757.19
81
加热段炉顶
304.87
1397250.9
84
均热段炉顶
68.52
343152.03
88
所以：
Q炉壁4.54106kJ/h
4炉子水冷构件的吸热损失
炉子水冷构件采用双层绝热包扎，它的热损失包括两个方面：
梁的吸热损失和立柱的吸热损失。
其中计算立柱的吸热损失时，首先要确定立柱在各个加热段内的分布及根数，具体见CAD图。
（A）均热段
已知t均1225C
F梁nDL83.140.1338.43928.19m2
F立柱nDH163.140.2192.124.16m2
查《钢铁厂工业炉设计参考资料》下册，
Q梁（55tL18600）F千卡/时
（55122518600）28.194.1855.75106kJ/h
Q立柱16.8tLF千卡/时
16.8122517.334.1852.08106kJ/h
Q均Q梁Q立柱7.5810kJ/h
（B）加热段
由前面的计算得，t加
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