第二章 火焰炉内热过程的分析
2.1概述
1 火焰炉的内热过程是指：在火焰炉里进行着气体流动， 燃料燃烧和传热、传质的综合。（它属于一个复杂的以传热为中心的物理和物理化学过程，其中以物理过程为主）
2 炉子内热过程理论构成的基础： 经典流体力学，燃烧学和传热、传质学
2.2炉内气体运动及在循环
1火焰炉炉膛内的气体运动分为 气体射流运动和由它引起的气体回流运动两大部分。
2.2.1 气体再循环的方式
1 产生炉内气体再循环的方式有3种：内部循环（自然循环），外部循环(结构循环)，钝体循环
内部再循环：由于射流动量作用引起的射流前后静压差，从而产生气体在循环。
外部再循环：借助于外部专门的结构和设备来进行特定方式的在循环。
钝体再循环：发生在钝体后面尾流中的再循环
2.2.2 再循环气流的流动情况
回流中心的速度最小，边缘速度最大。
2.2.3 炉气再循环对燃烧的影响
1 产生两种相反的影响：
1） 缩短火焰，减少火焰中小碳粒的浓度，提高火焰温度
原因：由于再循环的作用，将大量高温炽热的燃烧产物带回到火焰根部，有助于燃料的蒸发，气化和着火，提高了该处的化学反应速度。
2） 延长火焰，增加火焰中心小碳粒的浓度，降低火焰最高温度。
原因：回流是从较冷的地方返回来的气体，降低了混合气体的温度，冲淡了气体混合物中的氧浓度。
2.3 火焰的基本特征
火焰的基本特征包括：火焰的几何特征，火焰的析热规律，火焰的辐射特性
2.3.1 火焰的几何特征
1 火焰的几何特征包括：张角，形状和长度。
冷等温自由射流的张角一般在18°22°，而火焰由于燃烧反应的影响，气流受热膨胀后密度下降，体积增加，张角随之增加，可以达到34°
扩散火焰的前沿面由该处的空气消耗系数n≈1来确定的。
火焰的形状决定于 燃料和空气气流的速度及速比、气流旋转和混合情况、喷嘴出口直径等因素。
可见火焰长度：从喷嘴出口至火焰轴线处不完全燃烧程度为qh=1%2%处的长度。
化学当量长度Lst：从喷嘴出口至火焰轴线处空气消耗系数n=1时所达到的长度。
2.3.3 火焰的辐射特性
火焰的辐射特性包括：火焰的辐射率和吸收率、火焰的温度及辐射热流密度。
影响火焰辐射特性的因素有：燃料的种类，火焰长短、燃烧完全程度等。
火焰在炉内辐射的热流密度的大小还与火焰与被加热物体间的相对位置有关
2.3.3.1 火焰的发射率（黑度）
CO2和H2O是燃烧产物中具有辐射能力的气体。火焰的发射率可以根据CO2和H2O辐射图表算出。(火焰中的小碳粒也具有辐射能力)
暗焰：亮度很小的火焰
火焰增碳：往纯冷焦炉煤气中加入部分重油，这种提高火焰发射率的方法称为火焰增碳。
原因：提高了火焰中碳氢化合物的含量，经过裂解后，提高了火焰中小碳粒的浓度，提高了火焰的发射率和辐射能力。
自动增碳：将冷焦炉煤气隔绝空气预热至1100℃以上，结果在高温下形成发射率较大的辉焰，这种方法称为自动增碳。
当使用天然气做燃料时，如果任凭高压煤气和周围空气剧烈的混合，得到的往往是发射率较小的暗焰。
2.3.3.2 火焰温度
1、火焰的温度分布是不均匀的。它和燃料与空气的直接混合状况有关。
2、重油机械雾化喷嘴的火焰温度：离喷嘴口相当一段距离内火焰温度中心处的温度几乎是最低的，与此相关的是气体成分中氧的浓度最高；火焰温度最高处的位置介于中心与边缘之间，只有到了火焰末尾，火焰中心的温度彩笔周围稍高一些。
3、平展旋流火焰的温度分布和它的气体力学特性有关。
4、平焰烧嘴的火焰温度：在紧靠烧嘴砖出口及其四周壁面（因燃料与空气的告诉混合及耐火材料炽热的粗糙表面对燃烧反应的有利作用），该处火焰层温度最高，愈往外由于回流燃烧产物的扩散掺混，冲淡了可燃混合成分的浓度，导致外层火焰温度的下降。
5、火焰的温度通过专门的一起测量，也可以由计算求出。
2.3.3.3 火焰辐射的热流密度
1、 由于火焰长度方向析热场的存在，导致其发射率温度分布的不均匀性，一次辐射热流密度的大小也就不同。
2、对于不光亮的火焰，随着火焰的增长，其辐射量在不断的下降，因为短火焰具有比长火焰更高的平均温度。
3、火焰的析热规律：对于一维流场来说，一般可以认为它服从指数规律，但具体的关系式则各不相同。对于某个炉子上燃烧器的析热规律，由于影响因素太多，要比较准确地知道它的析热规律还需测定燃烧产物中可燃气体的含量并计算其蕴含的可释放热量后求得。
2.4 炉内传热
2.4.1.1 炉气温度计炉温概念
1、燃烧产物的理论温度 P17
2、在实际测量中，采用抽气热电偶，再加以适当的误差修正后所得到的温度比较接近炉气的真实温度。（炉温与炉气温度是不同的，一般炉温低于炉气温度）
3、炉温：炉膛中热电偶测出的温度必然是炉气、炉衬、和被加热金属表面与热电偶端之间热交换处于热力平衡下的温度。（不是单纯的某一个部件的温度，而是一个综合温度。）
4、衡量炉气实际温度的方法，把炉膛划分成很多个区域，每个区域中用一个温度来衡量他，许多温度区域的综合就是该炉子的实际温度分布。
2.1.1.2 平均辐射温压
1、辐射温压：炉气和炉料之间的四次方温差 （辐射温压是影响辐射给热量Q最重要的因素）
2、几何平均值：适用于端部供热连续式加热炉加热段的炉温平均值计算。
3、平方平均值：适用于室状炉受热物体表面温度均匀的情况。
2.4.1.3 炉衬在炉膛传热中的作用
1、炉衬表面温度比金属表面温度高的原因： （1）炉衬由耐火材料砌筑而成，耐火材料的导热系数比被加热金属的导热系数小很多 （2）耐火材料的热容量比金属大很多（3）耐火材料表面发射率比炉气大很多，达0.8～0.9.
2、炉围伸展度ω：炉衬表面与经过辐射热交换以后金属表面的比值。
3、炉围伸展度的作用：一方面炉围伸展度增加，差额热流密度qm增加，炉气发射率增加，同时炉围伸展度增加的作用在减少；另一方面炉围伸展度增加，使炉气不充满炉膛，使金属表面温度外为冷气层占据，从而恶化了传热。 所以有一个最佳的路子高度。
4、对炉衬温度起主要影响的是炉气温度Tgl和金属温度Tm。
5、炉气的辐射换热：均匀辐射传热，定向辐射传热（直接定向，间接定向，图2-23）
6、射流冲击加热：当流速很大时（大于100m/s）时，对流传热量按累计量计算，远远大于辐射传递热量，这种加热方称为 射流冲击加热。
2.5 火焰加热炉数学模型
1、 数学模型的用途有：（1）炉子热工理论的研究；（2）炉子优化设计；（3）炉子热工计算机控制及自动检测。
2、 按炉内被加热工件外部传热参数空间特征，可将炉内传热模型分为零维模型、一维模型、二维模型和三维模型。零维模型：这类模型用于模化炉温比较均匀的室内炉。一般希望通过模型求出在已知条件下，炉气、炉墙、工件等等温度随时间的变化规律，并预测工件加热时间或燃料消耗量。
3、 一维模型：对于炉长比炉宽大的多的炉子来说，炉气温度沿长方向有明显的变化，而在炉宽及炉高方向炉气温度变化比较小，可以认为是均匀的，这属于一维模型。
4、 二维模型：炉长和炉宽方向炉气温度变化明显，而炉高方向可以认为炉气温度是均匀的。
5、 三维模型：三个方向的炉气温度都不均匀都要考虑的模型。
第三章：火焰炉热平衡及燃料消耗量
3.1 概述
1、炉子的热平衡是根据热力学第一定律建立起来的，表示在一定的时间内，炉子的热量收入和热量支出在数量上的平衡关系。
2、热平衡测定与计算的目的：a. 通过热平衡测定与计算，可以反应出炉子对热量利
用的好坏程度，找到炉子节能应该采取的措施。b. 设计炉子时，通过炉子热平衡计算，可以确定燃料消耗量。c. 热平衡作为一种基本的热工研究方法，可根据需要列出莫以热工设备或其中某一局部热平衡关系式，找出某些热工参数之间的关系，用来分析解决实际问题。
3、热量有效利用系数（热效率）：有效热与供给炉子或炉膛总热量之比。
4、供给炉膛总热量可归纳为：a. 燃料燃烧放热 b.物料带入炉膛的物理热 c.空、煤气预热代入炉内的热量 d. 氧化放热。
5、注意区分炉膛热量有效利用系数 和 炉子热量有效利用系数（分母不同）。
6、热量利用系数：留在炉膛的热量与总共热量之比
7、区分炉膛热量利用系数 和 炉子热量利用系数。
8、炉子的热量利用系数与烟气带走热量关系甚大，烟气带走的热量主要取决于烟气出炉温度与烟气量。
9、燃耗（能耗）的表示方法：a. 单位实物燃耗：生产单位产品所消耗的实际燃料量。 b.单位标准燃料消耗量 c. 单位热耗：生产单位产品所消耗的热量。d. 可比单耗。
10、降低炉子燃耗的主要措施：（1）采取增加供风量来提高空燃比，选用结构合理，能够保证空气和燃料充分混合、调节比较大的燃烧器，或是采用新的燃烧技术，实现空燃比的自动控制等。（2）减少烟气带走的物理热量，利用换热器或蓄热装置将其充分回收利用，重新返回炉膛。（3）减少炉膛的各项热损失。（4）控制炉子小时产量，提高炉子作业率。（5）调整生产结构，加强调度管理，采用新的工艺技术，加强节能意识，通过教育提
高生产人员素质等。
第四章 火焰炉的生产率及热效率
4.1 概述
1、火焰炉主要包括平炉、反射炉、均热炉、加热炉、锻造炉和部分热处理炉，炉温可达1000摄氏度以上，属于辐射传热为主的高温炉。
2、单位有效炉底强度：单位有效炉底面积单位时间的产量。
3、在加热时间不变的情况下扩大炉子的装入量，或者在炉子的装入量不变的情况下缩短加热时间，都能提高炉子的生产率。
4、热工因素主要是指影响金属加热外部传热和内部传热的诸因素。外部传热的影响，主要是指影响炉膛热交换的各种因素。内部传热的影响，主要是指和被加热物料有关的物理性质和料坯尺寸等因素。
5、.影响炉子生产率G的因素有：（1）炉膛热平衡a.炉子热负荷BQar.net；b.空气、煤气预热代人热量Qyu；c.钢加热所需单位焓增量ΔI；d.出炉废气带走的热量Qy；e.炉膛各项热损失ΣQsh。（2）炉内热过程a.平均辐射温差 b.综合导来辐射系数 c.对流传热系数 d.料坯厚度 e.被加热金属的热物理性质
6、炉子的负荷与炉子生产率的关系：增大炉子的热负荷，可以提高炉温从而提高金属的加热速度，缩短加热时间，提高炉子的生产率。
7、空炉热负荷：最小热负荷相相当于炉子保温时的热负荷。
8、影响炉膛容积热负荷的因素：燃烧因素，炉膛热交换，炉内气体运动、炉型结构，热工因素。
9、炉子的温度制度和给哦内热制度对生产率的影响：炉温制度分为两大类，一类是一段温度制度或一起温度制度，另一类是二段以上的多段制度或二期以上的多期制度。一段温度制度和供热制度的炉子，生产率最高，但实践起来会有很多困难。
10、废气出炉温度主要决定于炉子的供热负荷和炉膛各项热损失。
11、提高炉子的热负荷，降低各项热损失，废气（烟气）温度提高，炉子生产率提高
12、由图4-3，炉底强度随着料坯厚度的增加而降低。
14、均热炉加热大钢锭，炉底覆盖面在40%左右较为合适。
15、炉子附属设备是指与炉子生产率及热效率有关的其他设备。
16、间歇式装出料炉子的生产率比连续式装出料炉子低。
17、注意炉子生产率、热效率及单位燃料消耗量的关系。
第五章 预热器
1、 预热器的作用：a.节约燃料 b. 提高燃烧温度 c. 改善燃料的燃烧 d. 提高炉子
的生产率
2、 预热器与其他热回收装置相比具有的优点：a. 将会受热直接返回到炉内，使系统结构简化 b. 没有余热源变化与热用户之间的供需平衡问题，管理方便。c. 烟气量与空气量随炉子的热负荷变化，操作简单。
3、 预热器的分类：蓄热式，热管式，间壁式
4、 金属预热器的分类：辐射型，对流型，复合型
5、 辐射式预热器是以吸收高温烟气辐射热为主的换热装置，适宜在高温下工作。
6、 辐射式预热器的特点是烟气通路采用较大的截面积。
7、 辐射式预热器主的基本传热特性：吸收烟气的辐射热，最适宜回收1000摄氏度以上的高温烟气的余热。它不可能将烟气降低到很低的温度，出口烟气温度一般仍在600摄氏度以上，热回收率低。
8、 预热器的热回收率是指烟气具有的热焓中实际被有效回收的比例。
9、 提高预热器使用性能的措施：a. 正确选择原始数据 b. 正确进行设计计算 c. 精确制造和施工 d. 使用中注意维护。
第六章 金属加热工艺
1、 常用钢材结构：体心立方体，面心立方体，密排立方体
2、 金属加热工艺包括：金属的加热温度和加热的均匀性、加热速度和加热制度
3、 金属加热缺陷包括：过热、过烧、氧化和脱碳。
4、 钢内部的传导传热一方面决定于沿断面的温差，另一方面和它本身的热物理性质有关，即和导热系数λ，热扩散率α有关。
5、 钢的导热系数和其化学成分、温度、显微组织和夹杂物情况、热加工情况有关。
6、 随着合金化程度的增加，钢的导热系数是降低的。
7、 钢的显微组织是和钢的化学成分密切相关的，珠光体钢的导热性最好，其次为铁素体钢或马氏体钢，最差的是奥氏体钢。
8、 钢的比热容和化学成分、温度、组织结构等有关。a. 钢的化学成分对钢的比热容影响并不大 b. 随着温度的增加，碳钢和合金钢的比热容稍有增加 c. 在相变温度范围内比热容有较大的波动。
9、 碳钢在室温下的热扩散率和他的化学成分有关。
10、 随着温度的增加，弹性模量E是降低的，而泊松比可以认为是基本不变的。
11、 钢的加热温度是指加热完后，钢的表面温度。
12、 对于热处理炉来说，钢的加热温度主要是根据由相变温度确定的热处理工艺要求的温度来制定的。
13、 钢热加工最合适的温度主要是由钢的塑性和变形抗力来决定的。
14、 过烧是指钢晶界发生熔化而后遭到氧化，因而晶粒间失去塑性，热加工后表面出现严重裂纹，严重时甚至会断裂成数块，过烧后的钢是无法挽救的，只能报废
15、 .过热 是指钢加热温度太高而时间又长结果晶粒过分长大，因而使塑性降低，热加工后表面出现裂纹。
16、 钢的加热温度一般随钢中碳含量的增加而降低，这对碳钢及合金钢都是适用的。
17、 钢加热最理想的情况是能把它加热到例外温度都相等。
18、 由于温度差引起的内应力叫做温度应力。
19、 通常将0～600摄氏度作为温度应力加热区，在这温度范围内，加热必须采取较低的加热速度。
20、 加热速度通常指的是金属表面升温速度（摄氏度/小时），或者指加热单位厚度的金属所需要的时间（分钟/厘米），以及单位时间加热金属的厚度（厘米/分钟）
21、 对于薄材来说，加热速度仅仅受到炉子给热能力的，但对厚材来说，加热速度受到两方面的：一是金属本身允许的内部温差，二是炉子的加热能力。
22、 不同钢种的加热制度包括：钢的最终加热温度、断面允许温差，允许各段的加热速度及炉温制度和加热时间等。
23、 氧化铁皮大致分成三层：最外层为Fe2O3，占10%，接着Fe3O4占50%，最里面和金属表面相接的一层为FeO占40%。因此可以认为氧化铁皮的平均成分接近于Fe3O4，其含量为75%。
24、 氧化铁皮中FeO的熔点为1577摄氏度，Fe3O4的熔点为1538摄氏度，Fe2O3的熔点为1560摄氏度。
25、 影响氧化的因素：（1）温度的影响。钢在200摄氏度以前氧化是非常缓慢的，在200-500摄氏度时仅仅在钢表面上生成一层很薄的氧化层，当温度升到600-700摄氏度时，开始比较显著的氧化，并生成氧化铁皮，从900-1000摄氏度，氧化速度剧烈增长，当温度高于1300摄氏度时，氧化铁皮熔化，氧化进行的更为强烈。（2）加热时间的影响。钢的加热时间越长生成氧化铁皮量越多。（3）炉气成分的影响。炉气成分一般包括CO2、CO、H2O、N2、O2、H2、CH4等。（4）钢的化学成分的影响。钢中含有Cr、Ni、Si、Mn、Al、等元素时，由于这些元素氧化后能生成很致密的氧化膜，这样就阻碍了金属原子或离子想外扩散，结果使氧化速度大为降低。
26、 控制影响氧化的一些因素：1）要掌握好加热温度和时间这两个重要因素。2）减少冷空气吸入，特别是减少炉子高温区吸入冷空气。3）采取特殊措施，对减少氧化的收效较大。
27、 炉气中具有氧化钢中碳的作用的气体成分为：H2O，CO2，O2和H2。其中，H2O的脱碳能力最强，其次为CO2，H2的脱碳能力最弱。