CN1548912A - 自带黑体筑炉材料及其加热炉窑 - Google Patents

Abstract

自带黑体筑炉材料及其加热炉窑，属工业加热炉窑。本发明是在炉墙及炉顶上设有工业标准黑体，其发射率为0.96，且基本不老化，并在炉墙面向炉膛一侧的表面，烧结有高发射率层，构成一个红外加热系统。能增大传热面积一倍以上；黑体对漫射的热射线进行调控，使之从无序到有序直接射向被加热工件，提高其到位率和辐照度，强化了辐射传热。无论采用电、气、油、煤哪种能源的加热炉窑都适用。电阻炉、燃气炉节能率20％～30％，燃油炉、燃煤炉节能率18％～25％；炉子生产率提高10％～20％；炉温均匀性改善，炉膛垂直温差减少50％，且炉温稳定；炉衬寿命延长一倍以上；具有环保效应，减少废气排放，尾气温度下降70℃左右。

Description

自带黑体筑炉材料及其加热炉窑

所属技术领域

本发明涉及筑炉材料及运用该类材料筑成的工业加热炉窑，特别是冶金、机械、建材、石油、化工等行业适用的热处理炉、锻造加热炉、轧钢加热炉、电弧炼钢炉盖、陶瓷烧成窑、玻璃池窑、熔铸炉、锅炉等。

背景技术

截至目前，为了提高工业加热炉窑的热效率，采取了旨在减少蓄热损失和散热损失的轻型筑炉材料，亦或是用增大炉膛面积来强化传热，或是在炉膛内壁涂以高发射率涂层、也有在炉膛内加装改变传热方式的装置等技术。筑炉材料轻型化，是以容重很小的耐火纤维作炉墙的表层或夹层，甚至建造成全纤维炉。全纤维炉确实减少了炉窑的蓄热损失和散热损失，综合节能率最高达11％。但这一技术措施只是将热量堵在炉膛内，但并没有解决炉膛内热射线呈漫反射分布的状态，热射线的到位率低，且耐火纤维的发射率也不高，所以，节能率不高；英国《玻璃》No.10(1992)报导，Didier Fornital蜂窝状耐火砖在玻璃池窑顶使用，砖与炉气接触界面比标准砖大三倍，理论上可节能5％～8％。但此砖不能调控热射线，热射线不能直接射向被加热物料，也未能提高发射率，故节能率不高；上海科学技术出版社1993年4月第一版《实用节能技术》所述，日本川崎钢铁公司水岛厂在轧钢加热炉上设置“改变传热方式的装置”，它将部分对流传递的热量转换为辐射传热，以提高传热效率，使加热炉的热耗下降5％左右，但这种办法的传热面积增加甚微，不能调控热射线，也未能提高发射率，故节能率也不高，而且其技术实施难度较大，有的部位很难设置；专利号为Z L94236755.3的“强辐射传热节能工业炉”，虽然解决了增大传热面积、提高发射率，使热射线呈束并直接射向工件，有效地强化了辐射传热，节能率达20％以上，但其实施方式为在已建成的炉窑之上加装强辐射元件，对那些不能够或不便于安装强辐射元件的炉型，例如井式炉、渗碳炉、坩埚炉、玻璃池窑等，应用受到限制。

发明内容

针对以上技术的不足，本发明首次提出把众多的工业标准黑体直接设置到砖体或炉墙上，多方位地调控炉膛内的热射线，提高其到位率和辐照度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

根据节能原理：  中、高温电阻炉是辐射型炉子，其数学模型是：

式中：Q为工件获得的热量

     ε_M、ε_W分别为金属、炉墙的黑度

     F_M、F_W分别为金属、炉墙的面积

     α_0辐是ε_M＝ε_W＝1时的辐射换热系数

燃料炉的数学模型是：高温炉气与炉衬内表面辐射换热热流量为：

$Q=\frac{5.675}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_G}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_W}-1}\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_G}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{GW}}}{\left(\frac{T_G}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_W}{100}\right)}^4\]F_W---\left(W\right)$

式中：T_G、T_W分别为炉气和炉衬内表面温度

      ε_G、εG_W分别为炉气在T_G和T_W时的黑度

      ε_W为炉衬内表面的黑度

       F_W为炉衬内表面的面积。

当T_G与T_W相差不大时，可近似认为：ε_G＝ε_GW，这时上式可简化为：

$Q=\frac{5.675}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_G}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_W}-1}\[{\left(\frac{T_G}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_W}{100}\right)}^4\]F_W,\left(W\right)---\left(2\right)$

对燃料炉来讲，焰流在不断流动、循环的过程中同炉壁和物料接触，传导、对流同时进行，且焰流不断地辐射能量，可以说焰流是以对流和辐射两种方式向炉内提供热量的。由于ε_W、F_W增加后，强化了炉气与炉衬间的辐射换热，使炉衬内表面温度增高，从而也就强化了炉衬与被加热工件的辐射换热，于是工件的升温时间缩短，出炉的废气温度降低，燃料消耗就将减少。从(1)(2)两式可以看出：当ε_W和F_W增大时，Q就增加，即提高炉墙发射率和增加炉墙传热面积，就能使炉内传热量增加，工件获得的热量增多。在传统的工业炉窑设计中，当炉膛尺寸确定后，炉墙面积亦随之相应确定，若拟用增大炉墙面积FW来强化传热，就势必要加大炉膛尺寸，而这样将引起一系列设计参数变化，并导致增大炉子功率或增多燃料消耗；现今提高炉墙发射率ε_W的通用方法，是在其表面涂复高发射率涂料，其根本性的缺陷是解决不了涂层老化的问题。根据红外物理的黑体理论，绝对黑体是能全部吸收投射辐射能的物体，其发射率为1。黑体的性质代表了物体热辐射规律的共性，它是实际物体热辐射性质的极限。根据基尔霍夫定律，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率，也就是说物体的吸收本领大，其发射本领一定强。又根据兰贝特定律，空间各方向发射的辐射能中，法线方向的能量最多，切线方向的能量等于零，向空间任一方向所发出的辐射能的多少与该方向同法线方向夹角的余弦成正比。本发明是这样实现的：在工业加热炉炉墙特别是炉顶上，设置有工业标准黑体，其法线方向正对工件，黑体在炉墙上可以是凸出的、部分凸出的，也可以是凹入的，黑体是一个空腔锥台，锥台有确定的长径比L/R；在空腔锥台表面要保持一定的粗糙度；空腔锥台表面烧结有高发射率层；锥台底部具有波浪式坑槽。黑体可以先设置在建造炉墙的耐火砖上，还可以在用其它方法建造炉墙过程中同时设置，在耐火砖或炉墙面向炉膛一侧的表面，还烧结有高发射率层，这样，炉膛就形成了一个红外加热系统，众多的黑体以0.96的比率不断地吸收漫射的热射线，同时又以同样的比率连续不断地发射出热射线，因空腔锥台几何形状的规范，使这些再被发射出来的热射线，完成了从无序到有序直接射向工件的调控过程。

本发明与已有技术相比，其突出的效果是，以此自带黑体筑炉材料建造的炉窑，籍炉墙上众多凸凹的空腔锥台，勿需变动原设计的任何参数，即可增大传热面积一倍以上；由于空腔锥台几何形状及参数的保证，所形成的这种黑体达到了工业使用标准，经中国测试技术研究院测试，其发射率高达到0.96，与国内外通常使用的红外涂层技术相比，其特别优势是基本上不老化；如前所述，众多的黑体在完成了对热射线调控后，直接射向被加热工件，提高了热射线的到位率和辐照度，强化了辐射传热。本发明在电、气、油、煤不论哪种能源的加热炉窑上都适用。实践证明，以本发明建造的工业加热炉窑可以达到如下性能指标：电阻炉、燃气炉节能率20％～30％，燃油炉、燃煤炉节能率18％～25％；炉子生产率提高10％～20％；炉温均匀性改善，与传统筑炉材料相比，炉膛垂直温差减少50％左右，且炉温稳定；烧结的高发射率层的强化作用，使炉衬寿命延长一倍以上；具有环保效应，减少与节能率相应的废气排放，尾气温度下降70℃左右，减少大气污染。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明自带部分凸出黑体耐火砖的主视图。

图2是本发明自带部分凸出黑体耐火砖的俯视图。

图3是本发明自带凹入黑体耐火砖的主视图。

图4是本发明自带凹入黑体耐火砖的俯视图。

图中，耐火砖(1)，黑体(2)，高发射率层(3)。

具体的实施方式

在图中黑体是一个空腔锥台，锥台具有确定的长径比L/R；为保证每个黑体辐射出足够的能量，以适应工业上的需要，锥台必须有必要的开口面积；在空腔锥台表面烧结有高发射率层，高发射率层的材料采用黑化锆系、锆系、铁系、碳化硅系、稀土系，以粘结剂结合，并在850℃下完成烧结；锥台表面要保持一定的粗糙度；锥台底部具有波浪式坑槽，以增大发射率。黑体可以先设置在建造炉墙的耐火砖上，还可以在用其它方法建造炉墙过程中同时设置，如直接设置在捣打成型的、浇注成型的炉墙及其预制件上，同时在耐火砖或炉墙面向炉膛一侧，还烧结有高发射率层，自带黑体筑炉材料可以用粘土质、高铝质、硅质、镁铝质、各种耐火纤维材质的材料，成型方式包括烧结成型的、熔铸成型的，适用范围极其宽广。

Claims (4)

1.自带黑体筑炉材料及其加热炉窑，包括自带黑体的筑炉材料及炉墙上的黑体。本加热炉窑的特征为：在加热炉窑炉墙特别是炉顶上，设置有工业标准黑体，其法线方向正对工件，黑体在炉墙上可以是凸出的、部分凸出的，也可以是凹入的。

2.自带黑体筑炉材料及其加热炉窑，其自带黑体筑炉材料的特征为：黑体是一个空腔锥台，锥台有确定的长径比L/R；空腔锥台表面保持一定的粗糙度；空腔锥台表面烧结有高发射率层；锥台底部具有波浪式坑槽。

3.按权利要求1所述自带黑体筑炉材料及其加热炉窑，其特征在于：黑体可以先设置在建造炉墙的耐火砖上，也可以在用其它方法建造炉墙过程中同时设置，在耐火砖或炉墙面向炉膛一侧的表面，还烧结有高发射率层。

4.按权利要求2所述自带黑体筑炉材料及其加热炉窑，其特征在于：自带黑体筑炉材料可以用粘土质、高铝质、硅质、镁铝质、各种耐火纤维材质的材料，成型方式包括烧结成型的、熔铸成型的。

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