空气循环电炉的设计与计算

摘要：本文介绍电炉炉气循环中几个主要参数的确定方法，以及在实际计算的应用。

1 前言

空气循环电炉是借助高温风机使炉内空气强制流动，以加强对流传热，提高炉温均匀性，加快升温速度。广泛用于铝合金的热处理或铝合金锻压、轧制前退火加热。这种电炉的热空气温度一般在100～600℃之间，炉内的传热主要靠对流传热。在炉温一定时，对流给热系数α的大小，主要决定于炉气的流动速度w。流速最低值应能使炉气流过工件表面时呈紊流状态，以保证有较高的传热效果。但炉气流速也不宜过高，否则传热效果增加不多，而过多地增加风机的动力消耗，对风机机械构件的要求也会更严格。在炉气循环电炉中，根据炉气沿程阻力损失的大小，可选用高温轴流式风机和高温离心式风机。

2 炉气流速的确定

炉气循环电炉的设计要点，是确定炉气的流动速度w。从而确定循环炉气量Vq，选用风机。确定炉气流速的方法有理论计算和经验选取法两种。

2.1 理论计算法

在设计计算中先算出对流给热热系数α，然后再算出所需的炉气的流速w。对流给热热系数α W/（m2·℃）：

2.2 经验选取法

由于各类循环炉结构尺寸的差别及工件形状于装料方式的不同。作为参考，在计算炉气流速W时，W可取4～14m/s（指炉气流经炉膛有效尺寸横截面的流速）。炉膛高度小于2.5m，炉气循环路程较短的箱式炉和在顶部或在侧面安装风机的连续式炉，取流速W可小于5m/s；对于炉膛高度在2.5～5m的箱式炉、深度大于5m的井式炉，取流速W可小于10m/s；对于炉膛有效长度在8～30m的铝型材时效炉，流速W可取10～14m/s。

3 风机的选取

在计算出炉气流速W后，根据式（3）来确定风机的风量VF，选择风机时，为了有一定储量，VF还应增加10%左右。另外，炉气在循环时。会受到炉壁、电热元件、炉内构件、弯道和工件等阻力（即摩擦阻力和局部阻力），风机叶轮在旋转时所产生的压力，所产生的压力，必须克服上述阻力损失，炉气才能顺利循环流动，而阻力损失的大小，主要取决于炉气流速W，W越大产生的各种阻力损失也越大，要求风机的风压也越大，风机的动力消耗也就越大。所以在选择风机时，必须综合考虑风机的风量和风压这两个主要参数，使得选择的风机最经济。

炉气循环时的阻力损失包括摩擦阻力损失和局部阻力损失，局部阻力损失最大。在设计炉气循环电炉中，应从结构上尽量减少各种阻力损失。据我们的经验，炉气循环路程较短、结构筒单的箱式炉和顶都安装风机的连续式炉，其阻力损失不超过600Pa（20℃），可选用轴流风机，因为轴流风机较离心式风机具有风量大、静压高、动力消耗低的特点；对于炉气循环路程较长的铝型材时效炉，其阻力损失大于600Pa （20℃），可选用风压较高的离心式风机，风机全压应大于1800Pa （250℃）。

4 设计实例

例1：30t铝合金铝棒均质炉，炉膛有效尺寸（m）：7000×1770×1550（长×宽

x高），设计炉子额定功率1200kW，工作温度480±5℃，最高温度650℃，铝棒的尺寸（mm）φ203×7000，一次装炉量48根，每根单重610kg/根，铝棒在高度方向 布置6层，每层8根卧式方式安放，炉子加热周期为15h.计算炉气流速W和循环空气量Vq。

4.1 理论计算法

由式（3） Vq =3600×W×Sy=3 600×4.1×7×1.77=182880m3/h考虑给风机增加一定储量，再增加10%，风机鼓风量为201170 m3/h，炉气循环过程总阻力计算小于600Pa，风机可选用轴流式风机。在炉温控制方面，我们采用了2区控温，2支控温热电偶设在炉顶，通过热调试，炉膛炉温均匀度在±5℃以内，完全达到了设计要求。

4.2 经验选取法

例2. 台车式30m铝型材时效炉，炉子功率320kW，炉膛有效尺寸（m） 30×2.2×1.8 （长×宽×高），工作温度180±3℃，热风从炉门后端导流板进入炉膛经过铝型材进入炉膛后端导流板、炉膛上部导流隔板、离心风机室组成热风循环系统。炉膛风速按经验法取W =14m/s

由式（3） Vq=3600×W×Sy=3600×14×2.2×1.8=199584 m3/h。

对于炉气循环路程较长的铝型材时效炉，其阻力损失大于600Pa （20℃），可选用风压较高的离心式风机，风机全压取240Pa （250℃）。通过热调试，实测炉膛温度均匀度小于±3℃，满足了生产工艺的要求。

5 结论

5.1 设计炉气循环电炉的关键是确定炉膛内炉气流速和炉气循环风量，合理的流速和风量直接影响着炉温均匀性和产品的质量。用理论计算法确定流速较繁琐，而经验法较直观，在工程设计计算中，一般我们倾向于用经验法，理论法只作为设计合理性的验证。

5.2 本文的计算方法不仅适应于炉气循环电炉，而且也适应于燃料炉中的低温废气循环加热炉和热处理炉。

参考文献

1 机械工业部设计研究院.工业炉设计手册.北京.机械工业出版2000.6

2 铝加工技术实用手册。北京.冶金工业出版社，2004.12

3 冶金工程设计第3册机电设备与工业炉窑。北京.冶金工业出版社，2005.12