井式炉炉壁砌体的优化设计

2015-07-18王晓红哈尔滨电机厂有限责任公司能源管理部黑龙江哈尔滨150000

中国新技术新产品 2015年14期

王晓红（哈尔滨电机厂有限责任公司能源管理部，黑龙江　哈尔滨　150000）

井式炉炉壁砌体的优化设计

王晓红
（哈尔滨电机厂有限责任公司能源管理部，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：近年来，随着能源供需矛盾的进一步加剧，降低热处理加工炉中的能量损耗，在热处理炉设计中采用新材料、新技术势在必行，并且通过这些改进也取得了一定的社会经济效益。本文从井式炉炉壁砌体的热力传递损失问题入手分析，采用了不同方法对炉壁砌体进行优化设计，以期达到节省筑炉材料、提高生产效率的目的。

关键词：井式炉；炉壁；砌体；优化；设计；计算机；数学模型

坚持开放与节约并重、努力追求能源节约是建设社会主义和谐社会、资源节约型社会、环境友好型社会的重点，也是贯彻国家节能改造指令的关键。锅炉作为社会能源消耗大户，目前我们已经对各种不同的锅炉结构进行了改造，且这些锅炉改造后节能效果良好。为此，我们这里有必要对井式炉炉壁砌体优化改造工作进行分析，并提出有关优化设计要点。

1　数学模型对井式炉炉壁砌体优化改造分析

目前，为了更好的解决锅炉生产、加工中热能量损耗大的问题，在锅炉设计优化工作中已经采用了许多新材料、新技术，也取得了明显的社会经济效益。但在井式炉中效果并不明显，究其原因是炉壁太薄而造成巨大的热损失，这一能量损失甚至占整个井式炉能耗的1/3以上，因此为了更好的控制井式炉热能损耗、降低生产加工成本、提高企业效益，做好井式炉热处理炉壁优化设计迫在眉睫，也是未来工作者研究重点所在。在常规的热处理电阻炉设计中，炉壁砌体的尺寸主要是根据锅炉功率和工作温度设置，然后通过锅炉炉壁表面温度变化值加以确定的，但是这种方法在目前仅仅适用于条件稳定的锅炉热处理中。事实上，时至今日很少有完全处于稳定状态的井式炉，因此即便在锅炉正常运行中采用连续式轧钢、开炉、停炉以及调整井式炉蓄热变化的方式进行控制，也不可能有效的实现完全稳定、持续运行的理想工作状态，面对周期式作业炉，常常都是在工作之后的一个周期内，炉壁的温度还没有达到稳定，因此就需要我们采用一定的计算方式对热传递不稳定状态进行计算。

2　优化设计方法应用

2.1优化设计方法。优化设计方法是当今计算机技术领域广泛采用的一种现代设计技术，这一技术在利用过程中需要根据最有原理和方法综合处理，全面统筹、前后兼顾的利用人机互动、人机配合、人际交流和自动探索等方式进行综合计算的模式。通常都是在计算机上采用半自动或者全自动设计的方式，利用现有的工程条件选择出最大、最有效的设计方案。面对此情况，以有限差分热传计算公式进行优化效果明显，同时这一技术和计算方法在炉壁热损失最小值的基础上对单层炉壁结构进行优化，从而达到一维优化计算要求。

（1）单层炉壁优化设计。单层炉壁结构的优化设计需要提前设定一个炉壁的厚度，将该厚度值应当选择数值较小的一些，然后将炉壁的厚度分成几个不同成分，并且给出一个标准的薄层厚度值，然后在利用上述计算方法进行计算，最终求取出最佳热损失。这种计算方法是一种循环计算的过程，一直到求得最小热损失厚度之后为止，这个时候我们还需要优化炉壁厚度尺寸。

（2）双层炉壁结构优化设计。对于双层炉壁结构，则需要选择最优方法进行计算，这种计算方法的应用是在传统坐标轮换法的基础上达到一个多维无约束最优化处理模式，将多维问题转变为一维无约束问题处理，然后利用上述方法解决。在双层炉壁衬砌结构分析中，先给出一个耐火层的厚度值，优化并确定保温层的厚度，这个过程与单层炉壁优化设计大致相同，然后找出总体热损失最小值，再将这一数值进行优化，反过来计算耐火层的厚度，这样反复进行计算，一直到优化结果给出的要求为止。

（3）优化设计计算公式。由于热损失的计算量本身很大，且计算之中还会存在反复计算、大量运算且循环计算的过程，因此要想更好、更快的得到优化计算数值，必须要在炉壁上不同位置、不同时间衡量温度继续拧计算，从而求出最佳、最合理的炉壁散热和蓄热数值，确定热损失与炉壁之间的具体关系。在计算中，热损失与路壁厚度之间的关系可以用下面计算公式表示。

在公式中，Q总损失—炉墙砌体在升温、保温时间内总的热损失；Q蓄—炉墙砌体在升温、保温时间内蓄热热损失；Q散—炉墙砌体在升温、保温时间内散热热损失；m—耐火层炉墙份数。n—保温层炉墙份数；Δγm—耐火层每薄层厚度；Δγn—保温层每薄层厚度；ρm—耐火层砌体材料的容重；ρn—保温层砌体材料的容重；Cm—耐火层砌体材料的热容；Cn—保温层砌体材料的热容；thm—耐火层第h层在工作结束时的平均温度；thn—保温层第h层在工作结束时的平均温度；t0—室温；αm—耐火层综合给热系数；αn—保温层综合给热系数。

2.2井式炉炉壁砌体优化设计。由于在井式炉炉壁砌体优化设计中，虽然层数不同，但是具体的设计优化方法是一样的，因此在这里我们不再对这些计算方法进行深入阐述。

3　优化结果

3.1炉墙厚度对热损失的影响。根据上述非稳态传热有限差分法的计算公式，无论是对于全纤维的单层结构的炉墙，还是由不同材料所组成的双层结构的炉墙，均可求出其总的热损失，由此分析出炉墙厚度尺寸对热损失影响的一般规律。

3.2炉墙厚度对界面温度的影响。经研究，我们可适当增加保温层的厚度和减少耐火层的厚度，其热损失和炉外壳温度变化不大，但界面温度升高。在耐火层厚度一定的情况下，增大保温层的厚度，界面温度也随着增加，而且增加的幅度越来越小，此时炉外壁温度则随着保温层厚度的增加而不断地下降；在保温层厚度一定的情况下，增加耐火层的厚度，界面温度呈下降的趋势，炉外壁温度与固定耐火层增加保温层有同样的规律，也是随着厚度的增加而下降。