冶金爐-百科詞條

　　冶金生產過程中對各種物料或工件進行熱工處理的工業爐。熱工處理是以物料或工件的升溫為重要特徵的處理過程，例如焙燒、熔煉、加熱、熱處理、乾燥等。鋼鐵冶金和有色冶金的大部分生產環節都離不開爐子。歷史上，許多生產環節的革新，產品的產量和品質的提高，都同舊冶金爐的改革和新冶金爐的應用緊密相關。平爐的出現，曾有力地推進瞭煉鋼生產的發展。冶金工業的能源消耗，在很大程度上取決於各種冶金爐的能耗。

　　冶金爐爐簡史　堆火是爐子的前身，用於燒制食物或取暖，也用於燒制陶器。後來，用掘地生火或堆石砌灶方法，築成最原始的爐子。更後，出現瞭坑式爐（原始的豎爐）和坩堝爐。皮囊鼓風方法的出現，擴大瞭爐子尺寸，並提高瞭爐溫，為青銅冶鑄創造瞭條件。中國商代的坑式爐直徑已達1米，可冶煉大型青銅器。中國在戰國初期，已開始用豎爐冶煉生鐵，鑄造工具。東漢時，開始使用“水排”即水力驅動的皮風囊。北宋使用懸扇式鼓風器，明代使用活塞式木風箱，風量、風壓均顯著提高，有力地強化瞭冶煉過程。燃料方面，最初用木材或木炭，公元10世紀前後，中國冶鐵業已應用煤炭（比歐洲早數百年）。明代，掌握瞭煉焦技術，冶鐵爐改用焦炭作燃料，進一步提高瞭產量（見冶金史）。

　　18世紀以來，西方國傢隨著航海業、機械工業、貿易的發展，冶金業取得瞭迅速進展，改進瞭各種熔煉爐、加熱爐和熱處理爐，出現瞭多種多樣的爐型。20世紀以來，冶金爐朝著大容量、高產量和高熱效率的方向發展。以軋鋼連續加熱爐為例，先是把室狀爐延長一段，以便利用廢氣餘熱，繼而把爐子改進成為兩段式。後來，由於軋機能力不斷增大，加熱爐朝著大容量、高產量的方向發展。30年代出現瞭三段式爐，爐子產量最高達每小時150噸，單位爐底面積產量為500～600公斤/(米²·時)。50年代末，開始采用五段式爐，在提高爐尾煙氣溫度（達1000～1200℃）的同時，采用高溫換熱設備回收餘熱，爐子產量提高到每小時150～250噸，單位爐底面積產量達700～800公斤/(米²·時)，同時，為瞭滿足產量和質量的要求，推廣應用瞭步進梁式爐，有的爐子采用全爐頂平焰燒嘴，爐子產量達每小時250～400噸，單位爐底面積產量達800～1000公斤/（米²·時）。70年代中期，主要工業國出現石油危機以來，降低燃料消耗已成為爐子設計的中心問題。延長不供熱的預熱段的長度和降低煙氣排出溫度，是這個時期加熱爐爐型和熱工工藝改變的主要趨勢。

　　冶金爐種類　現代冶金工業用爐，按熱源不同，可分為燃料爐、電爐、自熱爐三大類。此外，以新能源（如太陽能、原子能）為熱源的冶金爐正處於研制階段。

　　燃料爐　以燃料的燃燒熱為熱源，冶金工業中使用最為廣泛。由於爐內的熱工特征不同，燃料爐又可分為火焰爐、豎爐、流態化爐和浴爐等四類：

　　① 火焰爐特征是火焰或燃燒產物占據爐膛的一部分空間，物料或工件占據另一部分空間。一般情況下，火焰與物料直接接觸；但在有些情況下，例如為防止工件的氧化，將火焰與工件隔開，火焰的熱量通過隔墻傳給物料。

　　② 豎爐特征是爐身直立，大部分空間堆滿塊狀物料，爐氣通過料層的孔隙向上流動，與爐料間呈逆流換熱。

　　③ 流態化爐特征是爐內為細顆粒物料的流態化床。氣體由下部通入。使物料“沸騰”成流態化（見流態化焙燒）。

　　④ 浴爐特征是爐內盛液體介質（熔融鹽類或熔融金屬）。將工件浸入此介質中進行加熱，主要用於熱處理。浴爐熱源可用燃料，也可用電。

　　電爐　特征是以電為熱源。由於電熱轉換方法不同，又分為電阻爐、感應爐、電弧爐三種。

　　自熱爐　特征是靠爐料自身產生的熱量維持爐子的正常工作，除爐料的預熱或預熔化外，爐內不需要或基本上不需要外加熱量。例如：煉鋼轉爐，銅、鎳吹煉轉爐和鋁熱法冶煉爐。硫化礦的焙燒爐也往往是自熱爐。

　　冶金爐還有間歇式爐和連續式爐的區別。間歇式爐的特征是分批裝料、出料，爐子溫度在生產過程中呈周期性變化。連續式爐特征是物料或工件連續穿爐運行，按工藝要求控制爐內各部分的溫度，並保持穩定。連續式爐在產量、質量、燃料消耗、機械化、自動化等方面都比間歇式爐優越。此外還有按裝料和出料方法、裝料和出料機械、爐體形狀、附屬設備如空氣預熱器的名稱、溫度高低等稱呼爐子的。冶金工業各主要生產環節常用爐子的名稱和簡單說明見表所示。

冶金工業主要用爐

　　冶金爐生產設備　一般由爐子熱工工藝系統、裝出料系統和熱工檢測控制系統等三部分組成。

　　冶金爐的熱工工藝系統　包括爐子的工作室(爐膛)、燃料的燃燒裝置或電熱轉換裝置、空氣和(或)煤氣的預熱器，以及風機、管道、煙道、餘熱鍋爐和煙囪等。工作室是爐子的核心。主要的熱工和工藝過程都在工作室內完成。其他部分的任務是為工作室內的熱工工藝過程提供有利條件。

　　冶金爐裝出料系統和熱工檢測控制系統　現代化冶金爐不可缺少的兩個工作系統。前者包括：爐前爐後的裝料、出料機械和爐內的運料機械。後者包括：熱工參數的測量儀表、顯示儀表或記錄儀表、過程控制儀表和執行機構等。配備這兩個系統，可以實現爐子的自動化操作，從而提高爐子的生產指標。

　　對冶金爐的基本要求　對爐子的基本要求為：能滿足產品的質量和產量要求；燃料和其他能源的消耗量低；建爐投資和運行費用低；耐用，勞動條件好，污染物的排放量符合環境保護要求。

　　一座好的爐子應同時滿足上述要求。為瞭使產品質量好，應控制爐內溫度和氣氛，選擇適宜的築爐材料。爐子的生產能力必須與生產過程所要求的產量相適應。為瞭節約燃料，在爐子的設計和操作中，必須重視熱量在爐膛內充分利用，並充分利用餘熱。為瞭降低建爐投資和運行費用，應提高爐子單位容積（或爐底面積）的生產能力，簡化爐子結構。爐子的廢氣、廢水、廢渣中往往含有污染物質，必須采取措施，使各種污染物的排放量不超過國傢或地區的規定值。

　　爐子大型化、連續化、機械化和自動化，是全面滿足上述要求的重要途徑。目前，高爐的最大容積超過5000米³，氧氣轉爐的最大爐容量超過300噸。有些爐子已采用計算機控制，自動化程度很高。

　　冶金爐理論　格日邁洛（Г．Гржимайло）1911年提出爐子的水力學原理，把一座正在工作的爐子，看成是一條“倒置的河床”，提出瞭爐子設計方面的若幹重要原則。對當時爐子的單位產量不高，爐內氣體呈自然流動的情況是適用的，在生產上也發揮瞭作用。後來，為使爐子不斷提高產量，逐步采用液體和氣體燃料的燃燒裝置，爐內氣體變成強制流動，這一理論就不適用瞭。50年代初，思林(M.W.Thring)、格林科夫(M.A.Глинκов)等人，較全面地研究瞭爐內的燃燒、氣體運動、傳熱等熱工過程。1959年，格林科夫提出爐子的一般原理。他把爐子的工作制度分為三類：輻射制度、對流制度和層狀制度。在討論每一種工作制度時，都從熱交換出發，對燃料的選擇、燃燒過程、氣流的組織等提出相應的要求。

　　近年來，冶金爐熱工理論發展的主要特點是：在進一步明確研究對象的前提下，對爐子設計和操作（包括過程控制）的最優化問題進行瞭更深入的研究；利用計算機和現代實驗技術及模擬技術對爐內的燃燒、氣體運動、傳熱等熱工過程進行更全面的分析和研究。

　　冶金爐熱工的研究對象是：在考慮到冶金生產工藝要求的前提下，研究下列(1)(2)(3)三類變量之間相互的關系：

(1)　　　　　　(2)　　　　　　(3)

爐子結構（幾何形狀、尺寸、築爐材料的種類等）和熱工操作（燃料量、空氣量、閘門開啟度等）的變動，會影響到爐內的熱工過程（傳熱、燃燒、氣體運動）。而熱工過程的變動又會影響到爐子的生產指標（單位生產率、單位熱耗、爐子使用壽命等）。人們的目的是提高生產指標，但人們所能直接規定或操縱的因素，既不是熱工過程參數，也不是生產指標，而是結構和操作參數。所以重要的是，要在研究熱工過程的基礎上，弄清(1)(3)兩類變量之間的關系。爐子的結構和操作之間，必須互相適應；各個熱工過程之間也必須互相配合。同樣，各生產指標之間也互相關聯。在爐子熱工理論的研究工作中，要十分重視同一類變量之間的相互關系。在其他條件不變的情況下，爐子的生產率的變動將引起爐子熱效率的變動。為瞭提高爐子熱效率，爐子生產率的波動必須限制在某一合理范圍內。

　　研究冶金爐的最優化問題，不應孤立地著眼於爐子本身，還應包括爐子前後的冶金設備，因為它們在生產流程中是互相關聯的。如研究軋鋼廠的加熱爐，應該與軋機聯系起來考慮。降低鋼坯的加熱溫度，一方面能減少加熱爐的燃耗，另一方面則會增加軋機的電耗。如加熱溫度的降低在合理范圍之內，可使加熱爐和軋機的總能耗下降；如加熱溫度過低，就會使總能耗增加。所以應權衡得失，尋求最優方案。（見彩圖）