工业炉 inDUSTrial furnace

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工业炉(卷名：机械工程)
industrial furnace

　　在工业生产中利用燃料燃烧所产生的或电能转化的热量将物料或工件加热的热工设备。广义地说，锅炉也是一种工业炉，但习惯上人们不把它包括在工业炉范围内。工业炉的主要组成部分有：工业炉砌体、工业炉排烟系统、工业炉预热器和工业炉燃烧装置等。
　　机械工业应用的工业炉有多种类型。在铸造车间，有熔炼金属的冲天炉、感应炉、电阻炉、电弧炉、真空炉、平炉、坩埚炉等；有烘烤砂型的砂型干燥炉、铁合金烘炉和铸件退火炉等。在锻压车间，有对钢锭或钢坯进行锻前加热的各种加热炉和锻后消除应力的热处理炉。在金属热处理车间，有改善工件机械性能的各种退火、正火、淬火和回火的热处理炉。在焊接车间，有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉。在粉末冶金车间有烧结金属的加热炉等。工业炉还广泛应用于其他工业，如冶金工业的金属熔炼炉、矿石烧结炉和炼焦炉；石油工业的蒸馏炉和裂化炉；煤气工业的发生炉；硅酸盐工业的水泥窑和玻璃熔化、玻璃退火炉；食品工业的烘烤炉等。
　　简史 　工业炉的创造和发展对人类进步起着十分重要的作用。中国在商代出现了较为完善的炼铜炉，炉温达到1200℃，炉子内径达0.8米。在春秋战国时期，人们在熔铜炉的基础上进一步掌握了提高炉温的技术，从而生产出了铸铁。
　　1794年世界上出现了熔炼铸铁的直筒形冲天炉。后于1864年法国人P.┵.马丁运用英国人K.W.西门子的蓄热式炉原理建造了用气体燃料加热的第一台炼钢平炉。他利用蓄热室对空气和煤气进行高温预热，从而保证了炼钢所需的1600℃以上的温度。1900年前后，电能供应逐渐充足，开始使用各种电阻炉、电弧炉和有芯感应炉。20世纪50年代，无芯感应炉得到迅速发展。后来又出现了电子束炉，利用电子束冲击固态燃料，能强化表面加热和熔化高熔点的材料。
　　用于锻造加热的炉子最早是手锻炉，其工作空间是一个凹形槽，槽内填入煤炭，燃烧用的空气由槽的下部供入，工件埋在煤炭里加热。这种炉子的热效率很低，加热质量也不好，而且只能加热小型工件，以后发展为用耐火砖砌成的半封闭或全封闭炉膛的室式炉，可以用煤、煤气或油作为燃料，也可用电作为热源，工件放在炉膛里加热。为便于加热大型工件，又出现了适于加热钢锭和大钢坯的台车式炉，为了加热长形杆件还出现了井式炉。20世纪20年代后又出现了能够提高炉子生产率和改善劳动条件的各种机械化、自动化炉型。
　　工业炉的燃料也随着燃料资源的开发和燃料转换技术的进步，而由采用块煤、焦炭、煤粉等固体燃料逐步改用发生炉煤气、城市煤气、天然气、柴油、燃料油等气体和液体燃料，并且研制出了与所用燃料相适应的各种燃烧装置。
　　作用 　工业炉的结构、 加热工艺、 温度控制和炉内气氛都直接影响加工后的产品质量。在锻造加热炉内，提高金属的加热温度，可以降低变形阻力，但温度过高会引起晶粒长大、氧化或过烧，严重影响工件质量。在热处理过程中，如果把钢加热到临界温度以上的某一点，然后突然冷却，就能提高钢的硬度和强度；如果加热到临界温度以下的某一点后缓慢冷却，则又能使钢的硬度降低而使韧性提高。为了获得尺寸精确和表面光洁的工件，或者为了减少金属氧化以达到保护模具、减少加工余量等目的，可以采用各种少无氧化加热炉。在敞焰的少无氧化加热炉内，利用燃料的不完全燃烧产生还原性气体，在其中加热工件可使氧化烧损率降低到0.3％以下。可控气氛炉是使用人工制备的气氛，通入炉内可进行气体渗碳、 碳氮共渗、光亮淬火、正火、 退火等热处理，以达到改变金相组织、提高工件机械性能的目的。在流动粒子炉中，利用燃料的燃烧气体，或外部施加的其他流化剂，强行流过炉床上的石墨粒子或其他惰性粒子层，工件埋在粒子层中能实现强化加热，也可进行渗碳、氮化等各种无氧化加热。在盐浴炉内，用熔融的盐液作为加热介质，可防止工件氧化和脱碳。
　　在冲天炉内熔炼铸铁，往往受到焦炭质量、送风方式、炉料情况和空气温度等条件的影响，使熔炼过程难于稳定，不易获得优质铁水。热风冲天炉能有效地提高铁水温度、减少合金烧损、降低铁水氧化率，从而能生产出高级铸铁。随着无芯感应炉的出现，冲天炉有逐步被取代的趋势。这种感应炉的熔炼工作不受任何铸铁等级的限制，能够从熔炼一种等级的铸铁，很快转换到熔炼另一种等级的铸铁，有利于提高铁水的质量。一些特种合金钢，如超低碳不锈钢以及轧辊和汽轮机转子等用的钢，需要将平炉或一般电弧炉熔炼出的钢水，在精炼炉内通过真空除气和氩气搅动去杂，进一步精炼出高纯度、大容量的优质钢水。
　　分类 　工业炉按供热方式分为两类：一类是火焰炉（或称燃料炉），用固体、液体或气体燃料在炉内的燃烧热量对工件进行加热；第二类是电炉，在炉内将电能转化为热量进行加热。
　　火焰炉的燃料来源广，价格低，便于因地制宜采取不同的结构，有利于降低生产费用，但火焰炉难于实现精确控制，对环境污染严重，热效率较低。电炉的特点是炉温均匀和便于实现自动控制，加热质量好。按能量转换方式，电炉又可分为电阻炉、感应炉和电弧炉。
　　工业炉按热工制度又可分为两类：一类是间断式炉，又称周期式炉，其特点是炉子间断生产，在每一加热周期内炉温是变化的，如室式炉、台车式炉、井式炉等;第二类是连续式炉，其特点是炉子连续生产，炉膛内划分温度区段。在加热过程中每一区段的温度是不变的，工件由低温的预热区逐步进入高温的加热区，如连续式加热炉和热处理炉、环形炉、步进式炉、振底式炉等。
　　热工性能 　以单位时间单位炉底面积计算的炉子加热能力称为炉子生产率。炉子升温速度越快、炉子装载量越大，则炉子生产率越高。在一般情况下，炉子生产率越高，则加热每千克物料的单位热量消耗也越低。因此，为了降低能源消耗，应该满负荷生产，尽量提高炉子生产率，同时对燃烧装置实行燃料与助燃空气的自动比例调节，以防止空气量过剩或不足。此外，还要减少炉墙蓄热和散热损失、水冷构件热损失、各种开口的辐射热损失、离炉烟气带走的热损失等。
　　金属或物料加热时吸收的热量与供入炉内的热量之比，称为炉子热效率。连续式炉比间断式炉的热效率高，因为连续式炉的生产率高，而且是不间断工作的，炉子热制度处于稳定状态，没有周期性的炉墙蓄热损失，还由于炉膛内部有一个预热炉料的区段，烟气部分余热为入炉的冷工件所吸收，降低了离炉烟气的温度。提高炉子热效率的基本措施是：①充分提高燃烧效率，强化对工件的传热；②尽可能地连续生产和满负荷工作；③设置预热器，对空气及煤气进行预热，以回收烟气余热；④采用比热容和热导率低的耐火材料，以减少炉墙蓄热和散热损失。
　　为了使炉温恒定和实现规定的升温速度，除必须根据工艺要求、预热器和炉用机械型式、燃料和燃烧装置类别、工业炉排烟方式等确定优良的炉型结构外，还需要对燃料和助燃空气的流量和压力，或对电功率等可控变量通过各种控制单元进行相互调节，以实现炉温、炉气氛或炉压的自动控制。
　　参考书目
　刘人达编：《冶金炉热工基础》，冶金工业出版社，北京，1980。
　特林克斯著，尹加禾译：《工业炉》上册，冶金工业出版社，北京，1978。(W. Trinks，Industrial furnaces，Vol.I，5th ed.，John Wiley & Sons Inc.，New York，1961.)
　特林克斯著，东北工学院冶金炉教研室译:《工业炉》下册， 冶金工业出版社， 北京，1979。（W.Trinks，Industrial furnaces，Vol.Ⅱ， 4th ed.，John Wiley& Sons，Inc.， New York，1967.）