大容積熱風箱式爐設計

臧福海

（中國電子科技集團第43 研究所恒力公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

熱風循環箱式電阻爐，是一種借助高溫循環風機使爐內氣氛強制流動的加熱設備，通過加強對流傳熱，提高爐溫均勻性，加快升溫速率。

本文所述熱風循環電阻爐的電熱元件均勻布置在爐膛兩側，與爐膛內工件之間有耐熱不銹鋼隔板，隔板與爐膛側壁形成氣流通道，循環氣流入口處設置有控溫熱電偶，出口處設置有測溫熱電偶。爐膛外側與爐架之間采用全陶瓷纖維保溫材料。保溫材料與外掛板之間留有空氣夾層，以降低設備表面溫度。圖1 所示為該設備的結構簡圖（俯視）。

圖1 熱風循環箱式電阻爐

1 結構及控制系統設計

1.1 結構設計

爐膛采用SUS304 不銹鋼板制作，圍成加熱及熱風循環腔體；爐膛有效使用容積約為1100×1200×1275mm。熱空氣在爐膛內流動，大大提高溫度均勻性。由于熱風的攪拌，加強了爐膛內氣氛的對流和均熱作用。

爐膛和爐架為分離設計，爐膛置于爐架底部的6 個承重滾輪上，前后可自由滑動。當爐膛受熱時，可沿長度方向自由伸長。

圖2 爐門示意圖

為防止爐膛內熱氣泄漏，爐門處從內到外共設計了2 層密封。內層采用陶瓷纖維繩密封結構，外層采用硅橡膠密封圈密封，為延長其使用壽命，在爐膛口密封處設計有不銹鋼冷卻水套，用于冷卻降溫。門鎖采用多點手輪旋轉方式鎖緊機構，可以同時對門四周均勻鎖緊。另外爐門固定裝置安裝于爐膛端面，采用活動雙鉸鏈機構，可隨爐膛自由伸長而移動，密封效果更好。

設備頂部設計有排氣煙囪，用于排放加熱過程中產生的大量廢氣及煙霧，可通過風門調節把手來控制排放流量。

圖3 熱風爐外形示意圖

1.2 控制系統

控制系統集成在爐體上。選用日本島電FP93 智能程序溫控儀，該儀表可帶4 組曲線最大40 段可編程，6 組專家PID 參數，更高級的區域PID 算法，溫度曲線的調節通過設定自動控制進行。

圖4 自整定示意圖

PID 將偏差比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制[1]。溫控儀接受熱電偶檢測的信號，控制電力模塊。該儀表具有PID 參數自整定功能，如圖4 所示為自整定示意圖。

2 參數計算

2.1 功率計算

最大加熱功率是指爐內電熱元件在單位時間內所能提供最大加熱能力。根據爐膛容積或單位爐膛內表面積，按表1 所列公式和數據可概略計算最大功率。根據設備使用率的高低來選擇表中的上限值及下限值。

表1 爐膛內表面積與加熱功率的關系

本文所述設備爐膛內表面面積總和大約為8m2，設備最高使用溫度為400℃，取單位表面積功率值為6kW，根據公式可計算出加熱功率大概為8×6kW=48（kW）。

熱風爐的循環風機驅動爐膛內氣體在爐膛內循環流動，沿途克服這些阻力所消耗的電能，最終都轉化為熱量，其中大部分為循環氣體吸收，少部分被風道所吸收。式中：P—電機功率（kW）；

n—電能轉化系數，離心風機為0.65～0.75；軸流風機為0.7～0.8。

由式1 可見，熱風電機的大部分機械能都轉化為了熱量。確定設備加熱功率時，應考慮該部分熱量的作用。

2.2 循環風量計算

氣流速度與爐膛溫度均勻性有密切關系，流速越大，越有利于提高爐溫均勻度。由于氣流沿途有溫降，用氣流在爐膛內的循環次數能更確切地反映氣流速度與爐溫均勻度的關系。

循環次數是指氣流在爐膛內每秒鐘流動的周期數。循環次數越高，爐溫均勻度越好。循環次數一定時，氣流流動路途越長，所需氣流速度則越大，因而所需循環空氣量也越多[2]。

已知氣流速度或氣流循環次數以及爐膛氣流通道的截面積，即可算出循環風量：

式中ω—氣流速度（m/s）；

A—氣流通道截面積（m2）；

K—氣流換算系數，查詢相關資料對于此類爐型取K=1

按圖2 所示尺寸，可得出通道截面積A=0.15*1.274≈0.2m2，通道長度約1.4m，取循環次數為0.5，可知ω=1.4/2=0.7m/s，通道數取9。可得出

圖5 爐膛風道尺寸

3 加熱元件

3.1 加熱元件類型

圖6 加熱管

本文所述電阻爐的加熱元件為管狀電熱元件，由金屬管、螺旋狀電阻絲及導熱性、絕緣性好的結晶氧化鎂等組成。具有熱效率高、壽命長、機械強度好、安裝方便、使用安全等優點。

3.2 加熱元件安裝

加熱元件布置于爐壁與爐膛內隔板之間的氣流通道內，以橫向排布方式均勻布置在爐膛兩側（如圖1 所示）。為便于底部溫度的調節，也可額外在爐膛底部布置加熱元件。

4 熱風循環裝置設計

4.1 風機位置設計

風機位于爐膛后部，通過蝸殼及兩側風道將空氣吹過加熱元件，氣氛加熱后。水平進入爐膛內對工件進行均勻加熱，然后經后部吸風口吸入循環風機，充分循環攪拌。

圖7 風機位置圖

4.2 導流裝置設計

蝸殼對風機性能影響很大，若去掉蝸殼，風機性能將下降50%以上。本文所述熱風箱式爐采用雙循環方式，風機置于爐體后部，兩側共兩個循環風道，后部蝸殼雙向出風。

在熱風腔體中，由于空間有限，蝸殼的擴張段較短，出口面積大，氣流壓力損失較大。在設計蝸殼時，導流片的形狀應力求擴散合理，導流片數量以4～8 片為宜，導流片安裝角度根據葉輪形狀和流量大小而定。蝸殼的寬度設計時以不碰到葉輪為準。蝸殼結構示意圖如圖8 所示。

圖8 蝸殼結構示意圖

5 小結

對于熱風爐，爐膛內的循環風起著至關重要的作用。因此，設計的關鍵是確定爐膛內氣流速度和循環風量，合理的流速和風量直接影響著爐溫均勻性和燒結產品的質量。而影響循環風的因素，除了風機本身性能之外，導流裝置的結構亦至關重要[3]。

采用理論計算法確定流速較繁瑣，而經驗法較直觀，在工程設計計算中，一般我們傾向于用經驗法，理論法只作為設計合理性的驗證。

［1］呂小紅.電阻爐智能溫度控制系統的設計與應用[D].武漢科技大學，2008.

［2］王秉銓.工業爐設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010，784-788.

［3］付德興.空氣循環電爐的設計與計算[J].科學與財富，2013（7）.