一種連續(xù)作業(yè)爐高溫區(qū)爐襯溫度的計(jì)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(fā)展，工程材料、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、粉末冶金等產(chǎn)品已開始了廣泛的應(yīng)用研究。這些材料、產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)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(jié)材料、制品的污染、氧化等，故對爐子的結(jié)構(gòu)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(jì)算提出了新的技術(shù)要求。本文對高溫室耐火與隔熱材料的布置與爐襯溫度計(jì)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(nèi)層磚由高純剛玉磚構(gòu)成，從內(nèi)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(zhì)高鋁磚。

2 穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下的爐襯溫度計(jì)算

連續(xù)作業(yè)爐達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)后，各處溫度基本上保持穩(wěn)定不變，屬于穩(wěn)定傳熱，可采用穩(wěn)定導(dǎo)熱計(jì)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?yàn)槟突鸩牧系膶?dǎo)熱系數(shù)是溫度的函數(shù)，故采用迭代法進(jìn)行計(jì)算：首先假設(shè)各層耐火材料交界面上的溫度，依次計(jì)算出各層平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，再計(jì)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(shè)值的相對誤差大于5%時(shí)，則重復(fù)上述計(jì)算。

表1 高純剛玉磚技術(shù)特性

表2 氧化鋁空氣球制品的性能表

表3 輕質(zhì)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(zhì)高鋁磚LG-1.0一層80mm厚；輕質(zhì)高鋁磚LG-0.8一層64mm厚；輕質(zhì)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(jì)算步驟如下：

2.1 假設(shè)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(zhì)高鋁磚LG-1.0：

T4=1200℃， δ4=0.08m；

輕質(zhì)高鋁磚LG-0.8：

T5=850℃， δ5=0.064m；

輕質(zhì)高鋁磚LG-0.6：

T6=400℃， δ6=0.144mm；

鋼板：

T7=80℃， δ7=0.008mm；

2.2 根據(jù)設(shè)定的平均溫度計(jì)算各層耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)：

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

?

2.3 計(jì)算單位面積（1m2）的爐墻熱損失和各交界面溫度：

以上結(jié)果數(shù)據(jù)，與假設(shè)的平均溫度的相對誤差小于5%，結(jié)果滿足可信度要求。

實(shí)際上，第一次假設(shè)的平均溫度是非常不準(zhǔn)確的，只能根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新調(diào)整假設(shè)值，重新計(jì)算。必要的時(shí)候，采用第二次乃至第三次有限差分法進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以得到如圖1所示。

3 爐墻內(nèi)部溫度分布計(jì)算及溫度場隨時(shí)間的變化率

連續(xù)加熱爐加熱后，各點(diǎn)溫度先后升高，直到建立新的穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)定傳熱狀態(tài)），然而升溫的過程屬于不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程。通過不穩(wěn)定傳熱計(jì)算，可以得到一定時(shí)間后爐墻內(nèi)部溫度分布狀態(tài)和溫度場隨時(shí)間的變化率，便于制訂工藝條件，核算部件等承受的熱應(yīng)力和溫度，擬訂安全操作規(guī)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(jìn)行有限差分計(jì)算，得到了爐墻升溫曲線及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后各層的溫度分布圖，如圖2所示。從圖中可知爐襯各層經(jīng)過一定時(shí)間后的溫度分布狀態(tài)及溫度場隨時(shí)間的變化率。經(jīng)核算，各種耐火材料的技術(shù)特性可滿足工藝要求，爐襯的設(shè)計(jì)是合理的。

結(jié)語

本文對某種連續(xù)作業(yè)爐的高溫區(qū)爐襯進(jìn)行了量化分析，運(yùn)用兩種計(jì)算方法得出了爐墻各層的溫度分布，驗(yàn)證了爐墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，給連續(xù)作業(yè)爐高溫室耐火與隔熱材料的布置與爐襯溫度計(jì)算提供了參考。

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