工业窑炉中几种炉衬耐火材料结构的传热分析2

1．2不同材质炉衬耐火材料结构的传热计算
　　典型的轧钢加热炉炉衬厚度为400-500mm，以炉 墙内表面温度为1250℃和炉衬厚度为450mm为例 计算，炉衬结构分别为：炉衬结构Ⅰ为全重质耐火浇注料；炉衬结构Ⅱ为50mm纤维板+400mm浇注 料的复合炉衬；炉衬结构Ⅲ为100mm纤维板+115mm 轻质粘土保温砖+235mm浇注料的复合炉衬；炉衬Ⅳ 为105mm纤维板+230mmJM23绝热保温砖+115 mm 轻质莫来石耐火砖。炉衬材料的计算热导率按各自平 均工作温度下的热导率取值。炉墙外壁的对流辐射综 合传热系数，取15～20W／(m2．K)[2]，炉墙外壁空气温 度即车间温度取值25℃，计算结果如表2所示。由 表2可知采用复合炉衬Ⅳ的炉墙散热为采用全重质浇 注料炉衬结构Ⅰ的8％左右。与炉衬结构Ⅰ相比，相同 厚度的炉墙，炉衬结构Ⅱ在400mm厚的低水泥浇注 料加贴50mm耐火纤维后，热流密度大幅度下降，仅为450mm全浇注料炉衬的50％。国内许多加热炉的节能改造方式为在原有炉衬加贴耐火纤维，即收到了较好的节能效果。 

　　图1为1250℃轧钢加热炉炉墙的一维温度场。 可以看出轧钢炉4种炉衬的炉墙外表面温度分别为 357，123，79和5l℃。炉衬结构Ⅰ和炉衬结构Ⅱ的 外表面炉墙温度太高显然不符合GB／T3486-93标准规定。目前轧钢加热炉的炉衬结构一般是复合炉衬Ⅲ 即纤维、轻质砖和重质低水泥浇注料的复合炉衬结构。 考虑到初始投资、使用寿命和节能的综合效益，轧钢 加热炉的炉衬结构105mm纤维板+230mmJM23绝热保温砖+115mm轻质莫来石耐火砖将具有更好的节能效果。

2隧道窑炉壁热传热计算
　　隧道窑是陶瓷、耐火材料、电瓷等企业关键的热 工设备，也是耗能较大的设备。在这些工业的通用工 艺流程中，能耗主要体现在原料的加工、成形、干燥 与烧成四大步骤，其中干燥和烧成工序的能耗约占总 能耗80％。有报道陶瓷工业能耗中约60％用于烧成工序[6]。高性能耐火保温绝热材料在隧道窑炉上的应用， 不仅可以减薄窑壁的厚度，更重要的是大大减少窑墙 的蓄热和散热达到节能。
　　以炉墙内壁温度为1600℃隧道窑为例，炉衬厚度 500mm，炉衬耐火材料分别为氧化镁砖、氧化铝空心球砖、轻质粘土保温砖、JM23绝热保温砖、轻质莫来石耐火砖、耐火纤维板。设计的1600℃隧道窑炉衬结 构如下：炉衬结构I为40mm纤维板+230mm轻质粘 土保温砖+230mm氧化镁砖的复合炉衬；炉衬结构Ⅱ 为40mm纤维板+230 mm轻质粘土保温砖+230mm氧 化铝空心球砖的复合炉衬；炉衬结构Ⅲ为40mm纤维 板+115 mm JM23绝热保温砖+1 15 mm轻质莫来石耐 火砖+230mm氧化铝空心球砖的复合炉村；炉衬Ⅳ为 采用110 mm纤维板+115 mm JM23绝热保温砖+115 mm轻质莫来石耐火砖+160 mm A1302空心球砖的窑 衬结构。炉墙外壁的对流辐射综合传热系数和计算环境温度数值同上(见表3)。

　　由表3可知，4种炉衬结构的最外层都加入了纤维板，其热流密度在1500～500W／m2之间。炉衬结构Ⅰ 和炉衬结构Ⅱ相比，炉衬内壁厚度为230mm的炉衬 材料不同，材质分别为氧化镁砖和氧化铝空心球砖， 可以看出，后者的外壁温度和热流密度均小于前者。 炉衬结构Ⅳ和炉衬结构Ⅲ相比，外层纤维板厚度增加 了70mm，而内层氧化铝空心球砖厚度减少了70mm， 总厚度相同，炉衬Ⅳ的热流密度为炉衬Ⅲ的70％。 
　　图2为隧道窑炉墙的一维温度场，可以看出4种 复合炉衬的炉墙外表面温度分别为122，108，79和 63℃。考虑到初始投资、使用寿命和节能的综合效益， 炉衬Ⅳ110mm纤维板+115mmJM23绝热保温砖+115 mm轻质莫来石耐火砖+160 mm A1302空心球砖具有 最好的节能效果。 

3结 论
　　以1250℃轧钢加热炉和1600℃隧道窑2种典型 的连续热工窑炉为实例，分别设计了4种炉衬耐火材 料结构。通过对不同炉衬耐火材料结构组合的综合传 热系数、热流密度和炉墙温度场的传热学计算，给出 了相应窑衬结构的热导率改变对热流密度和炉墙外表 面温度的影响，说明采用轻质绝热耐火材料和耐火纤 维的复合窑衬结构其炉墙热流密度大大降低。计算结 果显示体现工业窑炉炉衬耐火节能一体化优势的窑衬 结构为：1250℃轧钢加热炉采用105mm纤维板+230 mm JM23绝热保温砖+115 mm轻质莫来石耐火砖的窑衬结构；1600℃隧道窑采用110 mm纤维板+115mmJM23绝热保温砖+115 mm轻质莫来石耐火砖+160mmA1302空心球砖的窑衬结构。