1.外罩
外罩由钢板外壳、炉衬、炉顶吊梁、烧嘴、管道系统和排烟管组成。有的外罩上还包括助燃风机、预热器和喷射排烟装置。外罩下方的开口部分通常用刚度较大的型钢圈梁加固,圈梁上的托板用以支承外罩下部炉衬。圈梁本身有时做成封闭截面兼作煤气(或空气)集管,煤气由此引向烧嘴。外罩下部还焊有一对导向环,扣外罩时用以套在炉台两侧高度稍有不同的导向柱上以确保外罩和炉台的中心线重合。
外罩顶部需设有带吊孔的横梁。吊孔位置应与外罩的重心一致。
设计中尚应注意:外罩钢结构要有足够的刚度,要轻巧;起吊部分必须根据强度计算确定,下部托板应考虑受热膨胀的补偿问题,例如间隔一定距离开一条窄缝(缝长不超过板宽之半)以防变形。确定外罩底部开口部分尺寸时必须考虑内罩受热膨胀的影响等。
图12-83 裙形结构的单层圆内罩
2.内罩
内罩的作用是将烟气流动空间与工件所处的可控气氛流动空间隔开,同时又是传热过程中的热交换面,因此内罩必须是密封性的、耐温抗氧化的,并且还要具有一定的刚度。内罩一般用耐热钢板焊制,个别情况下用铸钢件。采用波形钢板(圆形罩在中段设横向波形钢板,矩形罩设纵向波形钢板)可以增大换热面积,同时能减少变形并延长使用寿命。
圆形罩式炉的内罩有单层和双层之分,单层内罩是由5~6mm的不锈耐热钢板焊成一个圆筒,顶部是碟形封头,底部开口处加厚或做成喇叭形,或者是带有法兰的裙形结构,如图12-83所示,加工面压在炉台法兰的橡胶圈上用人工或液压机构压紧。加工面外圈焊有六个凸台以便当内罩闲置时用以保护密封面。法兰顶面焊上一圈深100mm的砂封槽,以免内罩和外罩间的烟气外泄,再在碟形封头处焊一圈圆环供吊运内罩用。在内罩法兰外缘还需焊两个导向爪,以便与炉台上的短桩配合定心。
双层内罩由圆柱形外筒、碟形封头和内筒组成,内外筒直径一般相差200mm。气流先沿内外筒之间的环隙上升,然后翻转向下流入料垛。料垛环隙内的流速较高且保持不变,有利于气流与外罩间的传热。双层圆内罩结构示意图如图12-84所示。
3.炉台
带燃烧装置及循环风扇的矩形单内罩罩式炉炉台(图12-85)便于与煤气管道连接,但烧嘴数量增多。
图12-84 双层圆内罩结构示意图
图12-85 带燃烧装置及循环风扇的矩形单内罩罩式炉炉台
a)烧嘴平放 b)烧嘴立放
带循环风扇的圆形罩式炉炉台是用厚钢板焊成的圆槽,放置在钢梁组成的格栅上,中央有圆孔用来安装循环风扇。图12-86a所示是无可控气氛冷却装置的炉台,外罩、内罩和炉台之间分别用砂封密封,分流盘放在炉台面上使可控气氛能均匀地沿内罩壁面向上流动。炉台上还同心布置若干个支承环,由4mm的1Cr18Ni9钢带制成,内外环是平的,中环呈波纹形,环间空隙填入硅藻土砖碎块作隔热材料。图12-86b所示是装有可控气氛分流冷却系统的炉台,支承分流盘的支承环是耐热铸件,共四圈。通过若干钢管将载荷传递到炉台钢梁,各支承环间的空隙同样填入颗粒状重晶石或硅藻土砖碎块,再用钢板包上以免被气流带走。炉台上还设置了六个内罩压紧装置、内罩密封胶管的冷却水箱、可控气氛出入口和炉台热电偶接口。
炉台中央装有可控气氛循环风扇,加热过程中循环流动的可控气氛从内罩取得热量并传给工件;在冷却阶段可控气氛从工件带走热量传给内罩和分流冷却系统中的翅片管式冷却器。带油脂或乳化液的工件退火升温时,蒸发出的气体随可控气氛一起排出。图12-86b所示炉台的循环风扇,流量为24000m3/h,叶轮直径ϕ750mm,转速1500r/min,压力2kPa,功率30kW。
炉台下方的分流冷却系统主要由翅片管冷却器、分流风机以及波纹管膨胀补偿器、连接管路和相应的监控仪表组成。加热期内分流冷却系统与炉台隔断。炉料冷到500~550℃时,起动循环风扇,缓缓打开阀门,从炉膛内抽取20%~25%的可控气氛,用水经翅片管冷却到50℃以下再重新鼓入内罩中,这样可明显缩短冷却时间并提高生产能力。
图12-86 带循环风扇的圆形罩式炉炉台
a)无可控气氛冷却装置 b)装有可控气氛分流冷却系统
1—可控气氛出口 2—冷却水出口 3—冷却水入口 4—循环风扇 5—可控气氛入口 6—分流盘 7—内罩压紧装置 8—冷却水箱 9—内罩密封胶管 10—底座
4.烧嘴布置
圆形外罩的烧嘴多在炉罩下方沿切线方向布置,有利于均匀炉温和减少内罩的局部过热。矩形罩式炉如只有一个内罩,通常是在外罩的长边上布置多个小烧嘴,并在烧嘴前设置挡砖。有时也将烧嘴布置在炉台上以减轻炉罩质量(图12-85)。也有在外罩长边上布置若干平焰烧嘴,能减少内罩的局部过热。
对于烧嘴布置在炉台上并采用自然排烟的无内罩矩形罩式炉,将工件装在炉台的铸造支座上使炉台与工件间留出约300mm间隙。将部分烧嘴燃烧室的正面和侧面挡住,使火焰向上流动加热工件的侧面和顶面;将另一部分烧嘴燃烧室的顶面和侧面挡住,使火焰向前流动加热工件的底面,两部分烧嘴交错布置并各自独立调节。烟气由均匀分布的支烟道进入主烟道和烟囱,能使工件下部受到良好加热,但因工件要与炉台同时冷却,因而冷却速度慢。
烧嘴的调节范围应能满足热处理工艺的需要,一般选取的调节范围是1∶6~1∶10。
5.循环风扇及分流盘
可控气氛强制循环系统包括进气口、风扇叶轮、分流盘(导向器)、转向结构、对流环或双层内罩环隙的进口和出口,这些配件的形状、大小和配置位置对循环能力影响甚大。分流盘要承受炉料的质量,在热处理过程中还要反复受热和冷却,因此要求分流盘要具有强度大、热变形小、寿命长、流动阻力小等特性。炉台风扇则要求保证所需的流量及压力,炉台风扇的传动方案有:
1)用法兰直联变速电动机,使用加长轴,电动机内通氢气。
2)V带传动,叶轮下面是氢气气密的风扇轴承座,变速电动机分开。
3)氢气气密的风扇轴承座,用联轴器和变速电动机直接相连时,要有可靠的冷却措施。
罩式炉专用炉台风扇现有的型号是:W9-55-11型№6C通风机,带传动,风量为11000m3/h及26500m3/h,风压800Pa及900Pa,功率11kW及22kW,最高使用温度850℃。(www.xing528.com)
6.对流环
对流环包括中间对流环、底部和顶部对流环三类。中间对流环两面带肋,底部和顶部对流环只有面向钢卷的面带肋。由于带钢以成卷方式加热和冷却,径向传热时要穿过许多气层,热阻大,使用对流环后可控气氛沿钢卷边缘均匀流入,缩短了加热和冷却时间,提高了热效率。对流环上肋的形状分螺旋线型、放射型(肋条指向圆心)、切线型(肋条与内圆相切)等,如图12-87所示。对流环外径应大于钢卷外径50~70mm,过大则易使外缘变形;对流环内径应小于钢卷内径30~80mm。对流环外缘处气流入口速度已由过去的10m/s左右(按750℃计)增大到20~30m/s。
对流环内氮气流速v(m/s)与气流对钢卷端面的对流传热系数α[W/(cm2·℃)]的关系式是:v>11m/s时,α=52.5v0.21;而v≤11m/s时,α=19.0v0.63。
图12-87 对流环
a)螺旋线型 b)切线型
7.预热器
为了提高炉子的热效率,每个烧嘴或每组烧嘴配置一个预热器,直接装在外罩的排烟管路上可保持较高的烟气入口温度,空气预热温度达350~400℃。图12-88所示为罩式炉预热器结构示意图,直接埋设在外罩上部的炉衬内。空气自上而下流过带肋片的管体内,然后引向每一个烧嘴。烟气由炉衬内侧沿圆周等距离设置的小孔流入预热器内,向下流经管体外表面与预热器衬体之间的间隙排出。
图12-88 预热器结构示意图
8.密封结构
外罩及内罩与炉台之间要求密封。通可控气氛并强制循环时,内罩与炉台之间的密封要求更高。密封结构形式有砂封、水封、胶封和耐火纤维密封等多种形式,通常多组合使用。
砂封结构简单、成本低、能承受高温,但严密性差,因而气氛泄漏量高于其他密封形式。内罩内气氛压力过高,砂子易被吹走;过低,则易附着在工件表面。所用砂子多为河砂,或用硅砂及锆砂。
外罩采用水封和砂封复合结构,效果较好,外罩上倒置一根U形管,一端开口位于砂封槽的上方,另一端开口插入外侧水封槽的水内,插入深度随炉压上限设定值而定,结构如图12-89所示。
采用胶垫或胶管作密封材料称为胶封,特点是借罩子质量压紧,故操作简便,但胶垫不耐热,必须采用水冷结构。图12-90和图12-91所示分别为外罩胶垫和内罩胶管的密封方式。用耐火纤维毯或毡作密封材料是新出现的结构,不需要水冷,密封性能也好。为了减少封刀对耐火纤维的机械损伤,可用0.5~0.8mm孔径的金属丝网将纤维包覆。在胶管密封的基础上,将砂封槽内改填以耐火纤维毯或毡,如图12-92所示,成为纤维-胶封复合结构。
图12-89 水封和砂封复合结构
1—外罩 2—螺钉 3—炉压调整管 4—水封 5—砂封 6—炉台
图12-90 外罩胶垫密封
a)形式一 b)形式二
1—外罩 2—冷却水管 3—胶垫 4—冷却水箱
图12-91 内罩胶管密封
1—内罩 2—外罩砂封槽 3—内罩压紧装置 4—胶管 5—炉台冷却水箱
图12-92 纤维-胶封复合结构
1—内罩 2—炉料 3—炉台 4—水冷框 5—内罩密封处 6—外罩密封处 7—炉台
9.导向柱
沿罩式炉的对角线在炉台外侧设置一对导向柱或称定位桩,供升降外罩和冷却罩时导向和定位之用。导向柱由ϕ140~ϕ245mm、壁厚6~9mm的无缝钢管制成。顶端呈圆锥形,底部固定在基础上。两根导向柱在高度上相差200~400mm,便于套外罩时先后套入。在外罩和冷却罩的相应位置上设有一对套筒,套管下口呈喇叭形,较高的罩式炉将套筒换成半个圆环,或使用一对小辊子,这样在升降外罩和冷却罩时,即使起重机吊钩和炉罩重心位置有偏差时也不至于卡住。
10.冷却罩
冷却罩分为风冷、水冷和风水双冷三种。基本结构是一个圆柱形的钢板套筒,用型钢加固,下部开口,外面焊有支架可支撑在炉台上。风冷冷却罩在罩顶装轴流风机。内罩与冷却罩之间的净空约100~150mm,内罩外侧的空气流速达15~20m/s。水冷冷却罩在罩顶装水喷头或底面有小孔的水箱向内罩顶喷水,同时在冷却罩上部装环形集管向内罩壁面喷水,加速内罩的冷却。目前多采用风、水双冷冷却罩,其结构是:冷却罩顶部设有冷却水喷淋系统,在冷却罩上部侧面倾斜安装2~3台轴流风扇,通过风扇向上抽取内罩表面的热空气。
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