自由锻造车间工业炉布置分析

吕增印，刘军伟

（机械工业第六设计研究院有限公司 国际工程院，河南 郑州 450007）

在工业生产中，利用燃料燃烧产生的热量或者将电能转化成热量对工件或物料进行加热的设备，称为工业炉[1]。工业炉普遍应用于锻造车间、热处理车间、铸造车间等热工车间，是工业工程重要装备之一。工业炉布置是工艺平面设计及工厂设计的重要组成内容，与建筑、结构、给排水、暖通及供配电等专业设计相互关联，相互制约，遵守系统化设计理念。当前，我国正处于供给侧结构改革，经济提质升级的新发展阶段，在工业炉布置设计时，充分考虑节能减排措施和舒适性工作环境不仅是锻造企业的需求，也是工厂设计企业响应国家号召、遵守相关法律法规的应有之义。

1 系统化设计

笔者以工厂设计作为系统整体，以工业炉布置作为研究对象，力图揭示其与各专业设计相互联系及制约的关系，并运用系统化设计理念，提出工业炉与关联对象的合理化布置方案。

1.1 炉体与吊具的相关性

根据装载量、装载方式以及炉门开启方式的不同，台车式工业炉炉体高度可达4m 以上，炉门开启后高度可达5m 以上。如果工业炉布置不当，将会导致炉门提升机构与在车间内往复穿行的起重机吊具发生碰撞，造成炉体破损。如图1 所示。图中，C1为主钩到司机室对侧（右侧轨道中心线）的极限距离，mm；C2为副钩到司机室对侧（右侧轨道中心线）的极限距离，mm；C3为工业炉炉门到起重机右侧轨道距离，mm。

工业炉布置时，必须同时满足C3＜C1，C3＜C2，即：

在满足式（1）前提下，C3取值还要综合考虑其他方面因素，见本文1.2 节。

1.2 炉体与厂房钢构相关性

1.2.1 炉口与钢柱的相关性

工业炉炉内温度约1300℃，开炉时大量热量外溢，经热辐射，厂房钢柱温度升高，当温度超过100℃时，钢材的强度、弹性模量发生变化，对于依靠预应力工作的构件或连接带来不可靠性，对钢结构带来安全风险。因此，工业炉窑布置时，应当避免炉口正对且靠近柱子，如图2 虚线所示。图中，C4为工业炉炉口到钢柱壁距离，mm；Δl 为起重机轨道中心线到钢柱壁距离，可为负值，mm。

结合图1、图2 可推出：

图1 工业炉与起重机吊具位置关系图

图2 工业炉口与钢柱的位置关系图

合理布置条件下C4=C3-Δl＞0，这样C3取值范围确定如下：

理论上，工业炉炉口所处的垂直平面与钢柱壁（朝向炉口侧，下同）平行，炉门提升且台车不出炉情况下，炉口对钢柱壁热辐射为零[2]；大多数情况下，炉门提升后台车出炉，台车上炽热钢件对厂房钢柱壁产生热辐射，辐射量计算复杂，本文不作赘述。为降低工业炉出炉对钢柱热辐射的影响，经验上，炉口到厂房钢柱外壁的距离不小于1000mm，即：

1.2.2 炉体与柱距的相关性

厂房柱距一般由工艺物流要求、受力安全性、建造经济性等因素确定。对自由锻造车间而言，工业炉炉体宽度、布置方式既对柱距确定产生影响又受柱距的制约。一般情况下，自由锻造车间柱距通常为6m、9m、12m 等，根据选定的工业炉规格，结合常规柱距可先行拟定布置方案，最后由结构专业综合各方面因素确定。

1.3 工业炉与厂房维护相关性

工业炉炉口、装出炉工作区域散发巨大热量，通过辐射、对流等方式对厂房屋面产生强烈烤蚀现象，因此热工车间一般采用耐高温、耐腐蚀的大型混凝土屋面板或发泡水泥复合板作为屋顶维护材料。

1.4 工业炉与动力管线相关性

（1）热工车间起重机滑触线一般采用安全滑触线，绝缘外套由具备韧性、耐磨、抗老化及阻燃性能的工程塑料组成，正常工作温度40℃左右。特殊型号的滑触线可具有耐腐蚀、耐磨损、耐重压、耐高温等特点，即使如此，若条件许可，工程设计时仍要优先采用本质安全设计，把安全滑触线优先布置到工业炉口的对面，与起重机驾驶室同侧。这样可以避免长期高温烤蚀对滑触线的破坏。

（2）热工车间燃气管道服务于工业炉窑，根据工艺要求，燃气输送管道需要设置在炉体上方的专用吊架上，沿钢柱敷设到炉体燃气进口。为保证安全，燃气管道需要进行隔热设计。

2 宜人化设计

工厂设计应当遵守“以人为本”的原则[3]，考虑工人、设备和环境的协调，采取必要的技术措施改善作业环境，提高操作者舒适性。工业炉布置的宜人化主要指工业炉与起重机驾驶室以及工业炉与压机操作室的相对位置合理，便于工人操作，保障生产安全。

2.1 炉口与起重机驾驶室宜人化布置

工业炉台车出炉后，起重机利用四爪吊钳把1200℃左右的炽热钢件抓起并运输到锻造压机型砧处，整个运输过程主要由驾驶室内的司机控制。因此，合理确定工业炉和驾驶室空间位置，保证司机视野开阔，视线不受遮挡非常重要。如图1 所示，工业炉与起重机驾驶室相对布置，可以充分保证吊钳抓取、运输钢件的过程均在司机视线所及的范围内，便于司机随时调整控制动作，保证运输安全。

2.2 炉体与压机操作室的宜人化布置

与地上式布置不同，液压站全地下布置的锻压机组，压机操作室的设置更加灵活，这种情况下，优先选用工业炉与压机操作室斜对面布置，保证压机操作人员可以随时观察钢件运输、上砧状态，提前做好预控操作。

3 绿色化设计

高效、节能、环保是绿色锻造的具体表现[3]。工业炉布置的绿色化设计主要体现在缩短工业炉与压机的相对距离以及工业炉的集群化布置方式。

3.1 炉后物流短捷化

大型自由锻造车间工业炉按功能分为加热炉、热处理炉，按照炉型分为长炉、短炉。一般情况下，短炉负责钢锭加热，容量小，在频繁开炉的情况下热量损失相对较少；长炉负责多火锻件加热，容量大，频繁开炉热量损失大。锻造车间短炉（钢锭加热炉）出炉量（钢件出炉数量）大，开炉频次高，工业炉布置时应当优先把短炉设于最靠近压机的位置，缩短钢锭运输时间，增加砧上锻造时间，尽可能在锻件达到终锻温度前，一火锻造成形，减少物流成本、燃料消耗和炉体损耗。

3.2 工业炉集群式布置

锻造车间加热炉、热处理炉分别集中布置便于集中控制[4]和排烟系统设计。另外，工业炉集中布置为二次余热利用创造了条件，以笔者承接的陕西某石油机械公司锻造单元为例，该公司对锻造单元23台工业炉排放的高温烟气余热进行回收利用生产热水。回收的热量用于涂装设备生产用热和全厂洗手及热工单元淋浴等生活用热。项目采集热水温度:95℃（最高110℃）；采集热水量:142m3/h；回收热量:4950kW；生产热水温度:90℃；生活热水温度:60℃。项目建成后实现了节能减排目标，经济效益显著，社会效益良好。

4 结论

锻造车间工业炉布置是工厂设计的重要组成部分，必须贯彻系统化、宜人化、绿色化设计理念。通过分析工业炉与吊具、厂房结构、动力管线、起重机驾驶室、压机及其操作室的相关性，提出合理化建议及措施；同时把工业炉烟气余热利用理念前置到工业炉布置方案中去，采取工业炉集群式布置模式等，对锻造车间工厂设计具有较大参考价值。