CN109990280A - 一种辐射管加热装置及用于加热装置的圆环制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辐射管加热装置及用于加热装置的圆环制备方法，通过连接法兰固定在炉墙内，包括燃烧器和辐射管，其中辐射管为定向辐射管，其内表面设置有圆环，辐射管一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为穿透炉墙或固定于炉墙上的开口端；燃烧器包括燃气管道、助燃气体管道、烟气排出管道、燃烧室以及连接法兰，燃烧器通过定向辐射管开口端伸入定向辐射管中。本发明在燃气辐射管内表面的低温区设置圆环结构，燃气辐射管外表面采用平滑光管，能保证辐射管外表面的散热量保持不变，该位置获得更多的辐射热流量，从而显著改善了定向辐射管整体的温度均匀性，增加了辐射管强度，减少了热应力引起的形变，同时延长了辐射管的寿命。

Description

一种辐射管加热装置及用于加热装置的圆环制备方法

技术领域

本发明涉及一种加热装置，具体为一种辐射管加热装置。

背景技术

在对各种工件进行热处理时，为了使工件具有较好的表面质量，减少氧化烧损，不可用明火直接加热。因此，人们发明了许多间接加热装置，辐射管是热处理行业普遍使用的一种间接加热装置。辐射管利用管内燃烧气体燃烧产生的热量，通过受热的管表面以热辐射为主要形式，将热量传递到被加热物体，在工作过程中，辐射管内的烟气与被加热的物料并不接触，可有效避免氧化、脱碳等加热缺陷，因此，被广泛应用于金属热处理、钢坯加热等工艺环节。

目前辐射管主要有燃气辐射管和电加热辐射管两种，因为电能是二次能源，成本较高，所以在热处理行业中使用最多的是燃气辐射管，目前各种热处理炉和连续退火炉加热段一般采用燃气辐射管加热，根据燃气辐射管的管型，可以分为直管型、套管型、U型、W型、三叉型、P型、双P型等。燃气辐射管表面温度分布均匀性是其重要的性能指标，表面温度分布越均匀越好。不论是何种类型的燃气辐射管，在燃烧过程中，由于在火焰区烟气温度较高，辐射热流密度大，燃气辐射管壁温较高，形成燃气辐射管的高温段；而在火焰区后烟气与燃气辐射管沿程换热过程中，烟气温度逐渐降低，辐射热流减小，燃气辐射管壁温较低，形成辐射管的低温段，这种燃气辐射管的温度分布规律已被实验及理论研究所证实。因此不可避免的造成燃气辐射管表面温度的不均匀性，从而影响燃气辐射管整个结构的稳定性，安全可靠性，降低了辐射管的使用寿命，而且这些辐射管存在结构复杂、造价昂贵、火焰传播受限制，及燃烧状况差等问题。

发明内容

针对现有技术中辐射管表面温度的不均匀、使用寿命短等不足，本发明要解决的问题是提供一种可提高产品的加热质量、延长使用寿命的辐射管加热装置及用于加热装置的圆环制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种辐射管加热装置，通过连接法兰固定在炉墙内，包括燃烧器和辐射管，其中辐射管为定向辐射管，其内表面设置有圆环，辐射管一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为穿透炉墙或固定于炉墙上的开口端；燃烧器包括燃气管道、助燃气体管道、烟气排出管道、燃烧室以及连接法兰，燃烧器通过定向辐射管开口端伸入定向辐射管中。

所述圆环与辐射管同轴设置并固紧贴敷在辐射管内表面低温区，间距为圆环截面直径的两倍，低温区长度与间距之比为(6～8)∶1。

设有圆环的内表面占定向辐射管全部内表面的20％～35％。

所述辐射管外表面采用平滑光管。

所述圆环为采用耐高温、导热性好的非金属陶瓷材料加工而成，圆环截面为圆形，直径占辐射管内径的10％～12％。

所述定向辐射管的壁面安装镍铬-镍硅型热电偶。

所述定向辐射管为I型、P型或W型。

所用燃气为天然气，在燃烧过程中，天然气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合。

本发明一种用于辐射管加热装置的圆环制备方法，其特征在于：采用碳化硅材料制作，将SiC、SiO₂、石油焦粉、木屑、煤沥青或树脂按比例混合，经过混炼、成型、干燥、高温烧结而成，其中黑碳化硅含SiC 95％～98.5％，显微硬度为2840～3320kg/mm²，莫氏硬度为9.5级。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提出一种新型辐射管加热装置，在燃气辐射管内表面的低温区设置圆环结构，燃气辐射管外表面采用平滑光管，能保证辐射管外表面的散热量保持不变，该位置获得更多的辐射热流量，从而显著改善了定向辐射管整体的温度均匀性，增加了辐射管强度，减少了热应力引起的形变，同时延长了辐射管的寿命。

2.本发明中的辐射管以天然气为燃气，此燃烧过程中，天然气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合，属于预混燃烧，有效的防止了燃烧过程中因任何一点的气流速度大于燃烧速度而造成的脱火现象或因某一处局部的燃烧速度大于气流速度而造成的回火现象。

3.本发明采用合理的结构组合，生产工艺简单，维护简单，价格便宜，更方便用户的使用，利用定向辐射传热技术对普通辐射管结构进行改进，在辐射管内设置圆环结构，起到强化传热作用。

附图说明

图1是本发明在应用实例中的主视方向的结构示意图；

图2是本发明在应用实例中的俯视方向的结构示意图；

图3是本发明在应用实例中的左视方向的结构示意图；

图4是本发明在应用实例中的辐射管表面测温示意图；

图5A为本发明中的I型定向辐射管结构示意图；

图5B为本发明中的P型定向辐射管结构示意图；

图5C为本发明中的W型定向辐射管结构示意图。

其中，1为燃烧器，2为辐射管，3为燃气管道，4为助燃气管道，5为烟气排出管道，6为燃烧室，7为连接法兰，8为圆环，9为镍铬-镍硅型热电偶，10为I型定向辐射管，11为P型定向辐射管，12为W型定向辐射管。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1～3所示，本发明一种辐射管加热装置，通过连接法兰7固定在炉墙内，包括燃烧器1和辐射管2，其中辐射管2为定向辐射管，其内表面设置有圆环8，辐射管2一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为穿透炉墙或固定于炉墙上的开口端；燃烧器1包括燃气管道3、助燃气体管道4、烟气排出管道5、燃烧室6以及连接法兰7，燃烧器1通过定向辐射管2开口端伸入定向辐射管2中，并同轴安装。

本实施例中，燃烧器包括一个燃烧室6，一个燃气管道3，一个助燃气管道4，一个烟气排出管道5和一个连接法兰7。燃气由燃气管道3进入燃烧室6，助燃气通过助燃气管道4进入燃烧室6；在燃烧室6内，燃气与助燃气体发生燃烧化学反应，燃烧产生的烟气由燃烧室6出口进入辐射管2内。烟气与辐射管2进行热交换，在火焰区烟气温度较高，辐射热流密度大，辐射管2壁温较高，形成辐射管2的高温段；而在火焰区后烟气与辐射管2沿程换热过程中，烟气温度逐渐降低，辐射热流减小，辐射管2壁温较低，形成辐射管2的低温段，在低温区辐射管2内表面设置圆环8结构，使得低温区辐射管2内表面吸收率增大，因而相对于平滑表面，该位置将获得更多的辐射热流量，从而显著改善了定向辐射管整体的温度均匀性；同时，辐射管2外表面保持平滑表面，可保证辐射管2外表面的散热量不变。

本发明在辐射管2的低温段设置圆环结构8，其圆环截面为圆形。圆环截面直径按照辐射管内径设计，每个圆环截面直径设置为标准尺寸。辐射管内圆环的放置个数依据辐射管的长度及辐射管内的排烟能力来确定。所述辐射管内表面低温区设置圆环，其低温区长度与间距之比为(6～8)：1，这样具有较好的紊流效果，也便于制作。

设有圆环的内表面占定向辐射管全部内表面的20％～35％。辐射管2外表面采用平滑光管。

本发明中，辐射管2基于定向辐射传热技术，该技术是通过改变结构形式或辐射特性，将燃烧室6内的漫辐射调整为辐射能沿固定方向传递的，一方面可显著强化物料表面的传热，另一方面可实现物料表面温度分布的有效调控。根据辐射管2管壁温度的分布，在辐射管2内表面高温区采用平滑光管，而在低温段采用设置圆环的结构形式，辐射管2外表面采用平滑光管，保持外表面散热量不变。相对于平滑光管，设置圆环的壁面有效辐射面积和表面辐射特性值都较大(主要是黑度)，基于齐莫菲耶夫公式：

Q_s＝ε_gwsσ(T⁴ _g-T⁴ _s)A_s+q_cA_s

式中，Q_s为钢坯表面热流，W；σ为Stefan-Boltzmann常量，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；T_g为炉气温度，K；T_s为被加热物料的表面温度，K；A_s为有效受热面积，m²；q_c为对流换热量，W/m²；ε_gws为系统黑度，它表示由炉气发射的能量经过炉墙的中介作用(反射或吸收再发射)最终到达物料表面的部分；ε_g为炉气的黑度；ε_s为物料的黑度；X_ws为炉墙对物料的角系数。由齐莫菲耶夫公式可知，辐射管内表面设置圆环结构的地方，表面辐射热流也较大。因此，这种结构形式可提高燃气辐射管低温区的辐射热流，进而使辐射管表面温度趋于均匀。另外，这种结构也有利于增加辐射管的强度，减小热应力引起的形变，进而延长辐射管的寿命。

本发明中的辐射管可直接固定于炉墙上，也可贯穿炉墙并通过固定件固定在炉墙上；所述燃烧器的的燃烧室、助燃气管道的出口端、烟气排出管道入口端均位于炉墙内。烟气排出管道的出口端可连通引射器，用于将烟气由烟气排出管道排出。

如图3所示，燃烧器1的长管状主体、燃气管道、辐射管内表面圆环结构同轴设置。

如图4所示，为本发明新型辐射管的表面测温示意图，辐射管为I型定向辐射管，采用镍铬-镍硅型热电偶9对辐射管的壁面温度分布进行测量，测量方式为点接触式。本实施例中，测点沿着辐射管长度分布，一共10个测点，分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀。

本发明中的辐射管2是基于I型定向辐射管(如图5A所示)，但不仅限于此，也可基于P型定向辐射管(如图5B所示)和W型定向辐射管(如图5C所示)。

定向辐射管2部分表面设置圆环结构，设置圆环的内表面占定向辐射管全部内表面的20％～35％，设置的圆环采用耐高温、导热性好的碳化硅加工而成，通过焊接使圆环固定连接在辐射管内表面。

本发明中设置于内表面的圆环8采用非金属陶瓷材料制备，以耐高温，方法如下：

本实施例采用黑碳化硅加工而成，需保证黑碳化硅含SiC在95％～98.5％，显微硬度为2840～3320kg/mm²，莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石(10级)，具有优良的导热性能。所述用于制作圆环的碳化硅材料是将SiC、SiO₂、石油焦粉、木屑、煤沥青或树脂按一定比例混合，经过混炼、成型、干燥、高温烧结而成。

本实施例中，采用I型定向辐射管，如附图4所示：燃烧器的长度L₁为840mm，助燃气管道的入口直径为50mm，燃气管道的入口端直径为40mm，烟气排出管道的出口端直径为50mm。燃气采用天然气，流量为3.05m³/h，氧气流量为1.85m³/h，辐射管采用I型定向辐射管，管长为1500mm，管内径为190mm，定向辐射管材质为1Cr18Ni9Ti。基于上述定向辐射传热技术和齐莫菲耶夫公式，在辐射管内表面的低温段，设置圆环结构，辐射管外表面为平滑表面。根据辐射管内径设计圆环截面直径为20mm，占辐射管内径的10％～12％；根据合理的间距设计圆环结构，每个圆环之间的间距为圆环截面直径的两倍，即每隔40mm设置一个圆环；根据辐射管的管长设计圆环个数，辐射管低温区长度为300mm，可设置5个圆环。如图4所示。为保证此热过程属于均匀制度，烟气温度与辐射管壁面的温度之差最好小于5℃，即maxΔt＜5℃；若maxΔt＞5℃，则可通过修正系数进行修正。根据数字显示表读取这10个测点的温度，得出辐射管管长方向的最大温差。

对比燃烧实验如下：实验采用同尺寸、同材质的的普通辐射管及本发明的辐射管。实验结果表明，本发明采用部分内表面带圆环的定向辐射管，定向辐射管表面温度均匀性有所提高，管长方向最大温差约为8℃，温度不均匀性小于普通的辐射管。温度不均匀性ε定义为：

ε＝ΔT/T_max＝1-T_min/T_max

式中，ΔT为辐射管工作长度上的表面最大温差(℃)，T_min为辐射管表面最低温度(℃)，T_max为辐射管表面最高温度(℃)。

本发明利用定向辐射传热技术，相较于传统的普通辐射管，本发明提出的辐射管加热装置起到强化传热的作用。本发明在低温区辐射管内表面设置圆环结构，使该位置将获得更多的辐射热流量，并保证辐射管外表面的散热量不变，显著改善定向辐射管整体的温度均匀性，增加辐射管强度，减少热应力引起的形变，同时延长辐射管的寿命。本发明所述的燃气为天然气，此燃烧过程中，天然气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合，属于预混燃烧，有效的防止了燃烧过程中的脱火或回火现象。本发明合理的结构组合，生产工艺简单，维护简单，价格便宜，更方便用户的使用。

Claims (9)

1.一种辐射管加热装置，其特征在于：通过连接法兰固定在炉墙内，包括燃烧器和辐射管，其中辐射管为定向辐射管，其内表面设置有圆环，辐射管一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为穿透炉墙或固定于炉墙上的开口端；燃烧器包括燃气管道、助燃气体管道、烟气排出管道、燃烧室以及连接法兰，燃烧器通过定向辐射管开口端伸入定向辐射管中。

2.根据权利要求1所述的辐射管加热装置，其特征在于：所述圆环与辐射管同轴设置并固紧贴敷在辐射管内表面低温区，间距为圆环截面直径的两倍，低温区长度与间距之比为(6～8)∶1。

3.根据权利要求1或2所述的辐射管加热装置，其特征在于：设有圆环的内表面占定向辐射管全部内表面的20％～35％。

4.根据权利要求1所述的辐射管加热装置，其特征在于：所述辐射管外表面采用平滑光管。

5.根据权利要求1或2所述的辐射管加热装置，其特征在于：所述圆环8为采用耐高温、导热性好的非金属陶瓷材料加工而成，圆环截面为圆形，直径占辐射管内径的10％～12％。

6.根据权利要求1所述的辐射管加热装置，其特征在于：所述定向辐射管的壁面安装镍铬-镍硅型热电偶。

7.根据权利要求1所述的辐射管加热装置，其特征在于：所述定向辐射管为I型、P型或W型。

8.根据权利要求1所述的辐射管加热装置，其特征在于：所用燃气为天然气，在燃烧过程中，天然气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合。

9.一种用于辐射管加热装置的圆环制备方法，其特征在于：采用碳化硅材料制作，将SiC、SiO₂、石油焦粉、木屑、煤沥青或树脂按比例混合，经过混炼、成型、干燥、高温烧结而成，其中黑碳化硅含SiC 95％～98.5％，显微硬度为2840～3320kg/mm²，莫氏硬度为9.5级。