一種連續作業爐高溫區爐襯溫度的計算

翟家海

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052）

概述

隨著科技的快速發展，工程材料、高溫結構陶瓷、功能陶瓷、粉末冶金等產品已開始了廣泛的應用研究。這些材料、產品的研制和生產要求在1700℃左右、甚至更高的溫度下燒制。一般的火焰爐易造成被燒結材料、制品的污染、氧化等，故對爐子的結構型式及特性提出了更高要求，也對耐火和隔熱材料的布置與計算提出了新的技術要求。本文對高溫室耐火與隔熱材料的布置與爐襯溫度計算方式給出了積極的參考意見。

1 材料布置與材料特性

高溫室內層磚由高純剛玉磚構成，從內向外依次降低耐火材料的等級，即依次采用高純剛玉磚→氧化鋁空心球制品→輕質高鋁磚。

2 穩定傳熱狀態下的爐襯溫度計算

連續作業爐達到穩定生產狀態后，各處溫度基本上保持穩定不變，屬于穩定傳熱，可采用穩定導熱計算爐襯的熱損失。在該階段，通過各耐火材料層的熱流相同。因為耐火材料的導熱系數是溫度的函數，故采用迭代法進行計算：首先假設各層耐火材料交界面上的溫度，依次計算出各層平均溫度下的導熱系數，再計算出熱流密度和交界面溫度的第一次近似值。若與第一次假設值的相對誤差大于5%時，則重復上述計算。

表1 高純剛玉磚技術特性

表2 氧化鋁空氣球制品的性能表

表3 輕質高鋁磚性能表

【已知條件：高純剛玉磚兩層，115mm/層；氧化鋁空氣球制品一層64mm厚；輕質高鋁磚LG-1.0一層80mm厚；輕質高鋁磚LG-0.8一層64mm厚；輕質高鋁磚LG-0.6兩層，分別為64mm、80mm厚。室溫20℃，爐壁溫度控制在80℃】

計算步驟如下：

2.1 假設各耐火材料的平均溫度：

高純剛玉磚第一層：

T1=1760℃，δ1=0.115m；

高純剛玉磚第二層：

T2=1700℃， δ2=0.115m；

氧化鋁空心球制品：

T3=1550℃， δ3=0.064m；

輕質高鋁磚LG-1.0：

T4=1200℃， δ4=0.08m；

輕質高鋁磚LG-0.8：

T5=850℃， δ5=0.064m；

輕質高鋁磚LG-0.6：

T6=400℃， δ6=0.144mm；

鋼板：

T7=80℃， δ7=0.008mm；

2.2 根據設定的平均溫度計算各層耐火材料的導熱系數：

λ1=2.1+215×10-5t=2.1+215×10-5×1760=5.884W/（m·℃）

λ2=2.1+215×10-5t=2.1+215×10-5×1700=5.755 W/（m·℃）

λ3=0.8 W/（m·℃）

λ4=0.656+8×10-5t=0.656+8×10-5×1200=0.752 W/（m·℃）

λ5=0.656+8×10-5t=0.656+8×10-5×850=0.724 W/（m·℃）

λ6=0.656+8×10-5t=0.656+8×10-5×400=0.688 W/（m·℃）

λ7=48 W/（m·℃）

圖1 高溫室爐襯溫度分布圖

圖2

故得到各交界面的溫度（單位： ℃）：

?

根據以上數據，求得各層材料的平均溫度Ti’=（ti+t1+1）/2（單位： ℃）：

?

2.3 計算單位面積（1m2）的爐墻熱損失和各交界面溫度：

以上結果數據，與假設的平均溫度的相對誤差小于5%，結果滿足可信度要求。

實際上，第一次假設的平均溫度是非常不準確的，只能根據計算結果重新調整假設值，重新計算。必要的時候，采用第二次乃至第三次有限差分法進行計算。

根據以上計算結果，可以得到如圖1所示。

3 爐墻內部溫度分布計算及溫度場隨時間的變化率

連續加熱爐加熱后，各點溫度先后升高，直到建立新的穩定狀態（穩定傳熱狀態），然而升溫的過程屬于不穩定導熱過程。通過不穩定傳熱計算，可以得到一定時間后爐墻內部溫度分布狀態和溫度場隨時間的變化率，便于制訂工藝條件，核算部件等承受的熱應力和溫度，擬訂安全操作規程。

本例的爐襯是由七層不同的材料組成，我們按多層平壁進行有限差分計算，得到了爐墻升溫曲線及達到穩定狀態后各層的溫度分布圖，如圖2所示。從圖中可知爐襯各層經過一定時間后的溫度分布狀態及溫度場隨時間的變化率。經核算，各種耐火材料的技術特性可滿足工藝要求，爐襯的設計是合理的。

結語

本文對某種連續作業爐的高溫區爐襯進行了量化分析，運用兩種計算方法得出了爐墻各層的溫度分布，驗證了爐墻結構設計的合理性，給連續作業爐高溫室耐火與隔熱材料的布置與爐襯溫度計算提供了參考。

[1]江堯忠.工業電爐[M].北京：清華大學出版社，1993.

[2]李紅霞.耐火材料手冊[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[3]王秉銓.工業爐設計手冊（第2版）[M].北京：機械工業出版社，1996.