專利名稱：金屬熱處理方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明包括涉及冶金和機械工程的多個改型的發(fā)明。本發(fā)明可用 于燃燒爐中的金屬的熱處理(例如，熔化、加熱變形、熱處理)，其中
所述燃燒爐直接用氣體或液體燃料加熱(fire)。在金屬加熱之后，燃 料燃燒的最終產物與正在被加熱的材料(產品)接觸，也就是與負載 接觸。本發(fā)明還用于間接燃燒加式爐中的金屬熱處理。在這些爐中， 來自火焰和燃燒產物的溫度通過金屬輻射管或坩堝的壁傳遞至被加熱 的材料或產品(負載)。本發(fā)明還用于諸如陶瓷的非金屬產品的燃燒、 烘焙以及其它類型的熱處理。
背景技術：
直接燃燒加熱式爐中的鋼加熱(熱處理)的已知的方法是基于加 熱區(qū)域中的氣體燃料和空氣的混合物的燃燒。加熱區(qū)域同時被用作為 爐本體(furnace proper)。為了完全使用(燃燒)燃料，燃料在空氣過 量系數(shù)接近一 (a^l.O)時被燃燒，也就是在標準化學計量燃料空氣 比日寸'燃'燒(B.①.KonwTOB， HarpeB CTajin b neqax， MeTajiJiyprH3flaT, M., 1955, CTp.152-153 (V.F. Kopytov, Steel Heating in Furnaces, Metallurgizdat, M., 1955, pages 152-153))。在高爐中的混合物燃燒的情 況中，其中例如以a=1.05-1.15使用天然氣作為燃料(熱值2000 kcal/m3)，供至燃燒器的空氣的容積比燃料的容積大2.25倍。并且， 在天然氣以同一 a值被用作為燃料時的情況中，所消耗的空氣的容積 比天然氣的容積大大約十倍。
該方法具有以下的缺點。燃燒導致了位于爐本體的可處理金屬的 大量損失。這是由于以下原因而出現(xiàn)，即在金屬所位于的爐本體中、 對于可處理的金屬具有影響的燃燒產物的氧化媒介也被使用作為爐的 力口熱源(above-mentioned work of V.F. Kopytov, pages 5-6， 162-163)。
在直接燃燒加熱式爐中的鋼加熱之后，在軋制與熱處理爐中的金 屬的廢品率可達到2~5%的級別。以俄羅斯的制鋼的標準，這等于每年超過2百萬噸鋼的廢品。而且，存在機加工以及從產品去除結據的附
加的成本。利用各種不同的方法可以去除結堀水除結坭(water descaling)、蝕刻、使用噴砂機、刷等。
除了經由爐本體中的燃料燃燒的金屬直接熱(熱學)處理的廢品 以外(空氣過量系數(shù)處于0.9 1.2的范圍內)，鋼坯件的表面層最終被 脫碳 (K.M.naxanyeB, B.M.MeflBeaeBa， MccJieaoBaHne OKHCJieHna n o6e3yrjiepo)KHBaHHfl CTajieH b nposyicrax cropaHHa npnpoflHoro ra3a， c6op服K HarpeB MeTajuia h pa6cvra HarpeBaTejibHbix neqeH， c6.Hayq.Tp. JN"26， MeTaJinyprn3AaT, CBep朋oBCKoe OTfleneHHe， 1960， CTp.87, pnc.6 (K.M. Pakhaluev， V丄Medvedeva, Study of Steel Oxidation and Decarbonization in Products of Natural Gas Combustion, collected book Heating of Metal and Operation of Heating Furnaces, collection of scientific papers No. 6, Metallurgizdat, Sverdlovsk Branch, 1960, page 87, Fig. 6)。取決于鋼等級以及加熱溫度，脫碳處理可以延伸至最大3.0 自的深度。鋼產品的表面層的脫碳導致了硬度降低、對于周期負載的 抵抗性減低、以及工具切削性能的降低。經由連續(xù)的火焰表面清理 (scarfing)以及磨光而從最終制品去除脫碳的層導致了金屬的材料損 失以及制造成本的增加。
另一缺點是，在鈦合金的加熱后(例如，使用特定的方法)，不僅 具有顯著的金屬廢物，在較大的深度處還出現(xiàn)產品的氫吸收。因而， 在具有30mm直徑的Ti-5Al-1.7V合金試樣中氫的含量(在電爐與由空 氣過量系數(shù)a等于1.25的天然氣加熱的燃燒爐中加熱10小時之后) 從0.007%增加最大至0.025% 、也就是3.6倍(C.H.Xomob, M.A.rpnropi>eB, G.M.IIIyjn>KHH， HaBo卯pa^cnBaHne TirraHOBfcix cnnaBOB npn HarpeBe b njiaMeHHMX neqax, TexHOJiorns JierKHx cruiaBOB， JST22, 1980: ctp.57~62 (S.N. Khomov, M.A. Grigoriev， S.M. Shulkin， Hydrogen Absorption of Titanium Alloys upon Heating in Combustion Furnaces, Tekhnologiya Legkikh Spla雨，No. 2， 1980， pages 57~62))。
使用直接和間接燃燒加熱式爐而不是電爐的原因是因為，燃燒爐 中的熱處理的較低的生產成本。然而，利用已知的直接燃燒加熱式爐制造鍛鈦、半成品需要機加工容差以及靠近熱處理產品的表面和橫截 面上的氫含量檢測成本的顯著增加。超過氫濃度的最大與安全可接受 的值將導致沖擊強度的減小以及傾向于靜態(tài)金屬疲勞的增加。為了從 金屬除去多余的氫，使用長期真空退火。這導致了最終產品的明顯增 值。
直接燃燒加熱式爐中的鋼的處理(加熱)的方法被提供，并可用
于減少金屬廢物(metal waste)以及鋼的脫碳。該方法是基于燃氣與 空氣混合物的燃燒。燃料以空氣過量系數(shù)小于一的方式被點燃(所謂 的無氧化或低氧化加熱)(K.M.naxanyeB, B.M.Me卵e取Ba, Mccjie卯BaHne oKHCJie匪fl n 06e3yruepo^cnBaHHfl CTajiefi b npoflyKTax cropaHna npnpo耶oro ra3a， c6op冊K HarpeB MeTajiJia m pa6oTa HarpeBaTejiijHbix neqefi, c6.Hayn.Tp. JM"26, MeTajiJiyprn3flaT, CBep朋OBCKoe OTflejieHHe, 1960, CTp.91 (K.M. Pakhaluev, V.I. Medvedeva, Study of Steel Oxidation and Decarbonization in Products of Natural Gas Combustion, collected book Heating of Metal and Operation of Heating Furnaces, collection of scientific papers No. 6， Metallurgizdat, Sverdlovsk Branch, 1960， page 91)， as well as the above-mentioned work of V.F. Kopytov， page 185)。
低氧化加熱的缺點包括由于燃料的不完全燃燒而導致的燃燒產物 中一氧化碳(CO)量的增加。這導致了明顯的投資成本以及燃料的浪 費。因此，必須密封直接燃燒加熱式爐的整個結構，以確保壁襯、爐 頂以及旁路槽的氣密性，并且形成用于燃燒產物后期燃燒的系統(tǒng)。
根據存在火焰的金屬氧化過程研究的已經出版的結果，在超過800 。C溫度的氧化的金屬的熱量增加。這與在0.8至1.6范圍內的空氣過量 系數(shù)a的增力口匹酉己(K.M.riaxajiyeB， B.M.MeaBeAeBa, HccneAOBaHMe 0Kncj1eHna n 06e3yn1epo腦BaHHa CTajieS b 叩0flyKTax cropaHiw 叩Hpo卵oro ra3a, c6opHHK HarpeB MeTanjia n pa60Ta HarpeBaTejibH&ix neqe貸，c6.Hayq.Tp. JSfe6， MeTajiJiyprn3aaT， CBepa刀OBCKoe 0T7tejieHne， I960. CTp.80+91 (K.M. Pakhaluev, V.I. Medvedeva, Study of Steel Oxidation and Decarbonization in Products of Natural Gas Combustion, collectedbook Heating of Metal and Operation of Heating Furnaces, collection of scientific papers No. 6， Metallurgizdat， Sverdlovsk Branch, 1960， pages 80~91))。更早期的研究是在a系數(shù)的值等于0.88~1.32的范圍內 進行 (M.A.rjiMHKOB, ITpoKaTHwe n Ky3HeHHbie neHH， 06"be卵HeHHoe HayqHO-TexHHHecKoe H3flaTentcTBO CBep朋OBCK-MocKBa, 1936, CTp.44 (M.A. Glinkov， Rolling and Forge Furnaces, Joint Scientific and Technical Publishing House Sverdlovsk-Moscow, 1936， page 44))。禾艮據這些出版 物，燒損的值達到其最大級別，這是在空氣過量系數(shù)達到從1.2至1.6 范圍的值時。金屬廢物還隨著加熱溫度的增加而增加。確信的是(the above-mentioned work of V.F. Kopytov， page 182, and M.A.KaceHKOB, HarpeBaTenbHwe ycTpoficTBa Ky3HeHHoro npon3BO^CTBa， MauirM3， 1962， CTp.159-160 (M.A. Kasenkov, Heating Devices of Forging Production, Mashgiz, 1962, pages 159-160))，在燃料以超過1.1 1.2的空氣過量系 數(shù)燃燒之后，燒損的量并不改變。這解釋為，"結垢形成的速度并不取 決于空氣過量系數(shù)，因為氧化過程開始而不通過接近產品的表面的氧 化氣體分子的密度被控制，而通過氧經由結垢的表面層至金屬的擴散 冬皮J空制(the above-mentioned work of V.F. Kopytov, page 182)。這還解
釋為，"垢塊由氧被飽和，這就是爐氣體中的氧含量的進一步增加并不 在材料方面影響氧化速度的原因"(the above-mentioned work of M.A. Kasenkov, pages 159-160)。
此外，已知的是，在燃料與冷(環(huán)境溫度)空氣混合之后，空氣 過量系數(shù)具有針對燃燒的極限值Umin) (rafiHyjijiHH (D.r. H卯., npHpo耶biH ra3 KaK MOTopHoe TonjiHBO Ha TpaHcnopTe, M.: He即a, 1986, CTp.34 (F.G. Gainullin and others, Natural Gas as Engine Fuel for Transport, M.: Nedra, 1986, page 34))。 amin系數(shù)的值針對甲烷為2.0; 針對丙烷為1.7;針對天然氣為1.8 2.0;并且針對汽油為1.65 1.75。 因此，(正如在俄羅斯專利公開文獻No. 2098717中所公開的那樣)在 這些空氣過量系數(shù)值時，將存在空氣與燃料混合物將不點燃的局部區(qū) 域。這減少了能量單元的效率。這是利用所指的冷空氣過量系數(shù)的燃 料燃燒方法并不通常被使用的原因。無需預加熱空氣而采取燃燒加熱 處理，這是因為燃燒產物溫度下降以及因而爐操作溫度的下降。這出
現(xiàn)是由于，大量供應的"冷"空氣溫度(20 3CTC)相對于燃燒器與
爐邊而言比燃燒產物的溫度低幾倍。
已知的方法包括加熱這樣的爐，所述爐包括預加熱、最終加熱和
金屬保持階段的室(參見俄羅斯專利公開文獻No. 2139944)。這包括 利用借助于輔助空氣的加熱而在直接燃燒加熱式爐中的鋼熱處理的方 法。該方法是基于氣體燃料與空氣的混合物的燃燒。這包括供應燃料； 在最終加熱室的中間底部上方以主要空氣消耗(primary air consumption)(過量)(ai等于0.30—0.40)的系數(shù)的隨后不完全燃燒； 供應附加空氣，以便整個容積的不完全燃燒產物的完全后期燃燒；以 及在高導熱性中間底部下方的主要空氣的加熱。在加熱主要空氣的過 程中，預加熱室的工作空間內的完全燃燒產物的溫度維持在不超過500 一55(TC的級別。在最終加熱室內中間底部上方所用的燃料的總消耗量 的10—100%的燃燒是不完全的。剩余容積的燃料在中間底部下方完全 燃燒。從上底部空間所供應的不完全的燃燒產物與附加的空氣后期燃
燒。這樣，燃料與空氣消耗的總比例接近化學計量值(0C2等于1.5
1.10)。
所指出的方法包括這樣操作，所述操作包括以下在中間底部上
方(在最終加熱與保持室的次底部空間內)的60 100%燃料的不完全
消耗之后，僅僅附加的空氣供應至加熱區(qū)域中的燃燒器。在其余的燃
燒器中，燃料以a—.05 1.10被燃燒。在該保持區(qū)域中，燃燒器關閉。 在中間底部上方(保持區(qū)域的次底部空間中)的10 60%燃料的不完 全燃燒之后，燃料以接近化學計量值的空氣消耗(過量)系數(shù)被完全 燃燒。在加熱區(qū)域中，燃料在明顯過量空氣的條件下(a等于1.10 2.00)被燃燒。過量空氣被用作為附加的空氣，以便不完全燃燒產物 的后期燃燒。
也就是說，如果根據俄羅斯專利公開文獻No. 2139944采用金屬 熱處理方法，則空氣與燃料混合物將以最大2.0的附加的空氣過量系 數(shù)被燃燒。在該發(fā)明的專利公開文獻中，與a等于1.10 2.00對應的空
ii氣過量被認為是顯著過量的空氣。而且，該說明書指出"最終加熱室 的次底部空間內的一些燃燒器的燃料供應系統(tǒng)被關閉，這是因為為了 確保燃料的完全燃燒以及不完全燃燒產物的后期燃燒，必須以超過2.0 的流速將附加的空氣供應至次底部空間的燃燒器。這與氣體與空氣混 合物的明顯損耗(小于5%的燃料)有關，并可能熄滅燃燒器。"。該說 明書還涉及了己知的認識，即不必并甚至不可能在金屬加熱之后使用 附加空氣過量系數(shù)的較高的值。
尤其用于鋯產品燃燒的、高溫工業(yè)直接燃燒加熱式爐(主要隧道 窯中)的天然氣燃燒的已知的方法是燃燒爐中的金屬熱處理方法。該
方法包括利用燃料噴嘴將空氣沖擊波(airblast)供應至爐膛(加熱空 間)(主要燃料與空氣混合)，并且將熱的、也就是加熱的附加的空氣 添加至所述的爐膛內的主要燃料與空氣混合物。這確保了空氣過量系 數(shù)的特定的值。
根據俄羅斯專利公開文獻No. 2099661的說明書，由于采用這樣 的方法，在具有形成爐膛的延伸部的可處理的產物的爐操作槽(工作 空間)內產生燃燒產物的氧化媒介。 一氧化碳(CO)的空氣排放被減 小至最小(如上所述，這還在低于一的空氣過量系數(shù)值的低氧化加熱 之后出現(xiàn))。換句話說，這證實了如上所述預想的概念，即燃燒產物的 氧化能力并不在增加的空氣過量系數(shù)的值減小。
隧道爐中的燃料燃燒的另一已知的方法(參見俄羅斯專利公開文 獻No. 2166161)是一種加熱直接燃燒加熱式隧道爐的方法。該方法包 括在加熱區(qū)域(爐膛)內燃燒燃料與空氣混合物，并且將燃燒產物轉 移至爐本體。該方法在陶瓷產品退火時采用。該方法還可用在針對金 屬熱處理的燃燒爐的加熱中。該方法包括將燃料與空氣混合物和附加 的空氣供應至爐膛，并且它們以范圍從0.75至1.5的空氣過量系數(shù)燃 燒。另外，附加的空氣被加至包含每lMJ燃料能量0.1 0.2cm的加熱
的或未加熱的主要空氣的燃料與空氣混合物。附加的空氣在700 1400 。C的溫度以每1MJ燃料能量0.1 0.2cm的量被添加。
在等于0.75 1.0的a，所考慮的方法確保了在燃燒產物中獲得低 氧化媒介，并且在等于1.0 1.5的a，確保了獲得氧化媒介。爐內的
12媒介類型的選擇通過處理相關產物的必要性被確定。
針對金屬熱處理的所指出的方法的缺點如下金屬廢物的最大級 別由燃燒產物的成分確定(在使用氧化媒介時，也就是在等于1.0 1.5 的Ot)，特別地在提高的溫度，以及(使用低氧化媒介時)鈦和其合金 的氫吸收(例如，由于燃料的不完全燃燒所導致的一氧化碳的高濃度)， 和燃料的浪費。高濃度的一氧化碳使得必須密封燃燒爐的結構，并且 需要很大的投資成本。
正如在所考慮的方法的說明書中所指出的那樣，根據俄羅斯專利
公開文獻No.2166161，符合0.75至1.5極限內的a值的范圍針對工業(yè) 實踐而言是足夠的。這與關于在金屬熱處理時不必使用較高值的a系 數(shù)的上述現(xiàn)有的觀點一致。這還與在技術資料中缺少關于以超過1.6 2.0的空氣過量系數(shù)的值在燃燒爐中加熱金屬有關的信息對應。
間接燃燒加熱式爐中的金屬的熱處理的一個更加已知的方法已提 出燃燒產物與正被加熱的金屬分離，尤其利用了輻射管(隔焰爐)內 加熱空間中的燃料與空氣的隔焰-燃燒(美國專利公開文獻No. 4878480、 F24C 003/00, 126/91A, 431/353, 432/209)。另外，輻射管夕卜 側工作空間內的金屬加熱經由來自由內側加熱的輻射管的外壁的輻射 而實現(xiàn)。
在采用該間接加熱的方法時，輻射管外側工作工件內的可處理的 金屬并不位于燃燒產物的媒介中，并且不經受加熱負載和/或氫吸收。 然而，位于加熱空間內并暴露至燃燒產物的沖擊的輻射管的內壁的金 屬被浪費。這縮短了輻射管的使用期限，同時增加了金屬處理的操作 費用以及生產成本。這些是燃燒爐中間接輻射加熱的上述方法的缺點。
存在間接燃燒加熱式爐中金屬熱處理的另一已知的方法。在這種 情況中，燃料與空氣混合物在所處理的金屬所位于的工作空間中的坩 堝(隔焰爐)外側在加熱空間內被燃燒。坩堝內側工作空間內的金屬 經由來自坩堝內壁的輻射被加熱(例如，參見1996年9月27日公開 的俄羅斯實用新型專利申請No. 93052328)。有時候，坩堝的工作空間
充滿保護氣體。間接加熱的該方法還具有與上述方法類似的缺點。這 涉及暴露于燃燒產物的沖擊的坩堝外金屬壁的縮短的使用期限。最接近所提供的方法(原型)是蓄熱坑爐(regeneration pit furnace ) 的加熱方法(USSR Inventor's Certificate No. 1257110)。實際上，這是 一種在蓄熱坑形式的直接燃燒加熱式爐中金屬熱處理的方法。該方法 是基于在蓄熱室內被預加熱的空氣與燃料混合物的燃燒。在該方法中， 燃料與空氣混合物在爐本體直接燃燒。在該方法工作方式的實施例中， 3800 cm/h的高爐煤氣(blastfurnace gas)與120 cm/h的天然氣以及 4150cm/h的加熱的空氣被供應至燃燒器。這確保了等于大約1.1的空 氣過量系數(shù)a。該原型方法的另一改型是在間接燃燒加熱式爐中金屬 熱處理的方法，根據該方法，燃料與加熱的空氣的混合物在輻射管的 加熱空間中被燃燒(M.M.ancTepre巾T, r.M.apy>KHHHH, B.RIHep6nHHH， Ontrr BHMMMT b pa3pa6oTKe pereHepaTHBHUx CHCTeM oTon刀eHna MeTajiJiyprnHecKHx arperaTOB, "CTaub，，， 2000， W7, CTp.87-88, pnc.5 (I.M. Distergeft, G.M. Druzhinin， V丄Shcherbinin， Experience of All-Union Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering in Development of Regenerating Heating Systems for Metallurgical Plants, "Stal", 2000， No. 7, pages 87-88， Fig. 5))。工作空間中的金屬經由來自 由內側加熱的輻射管的外壁的對流而被加熱。
在該發(fā)明的方法的第一改型中，與類似的方法相比，燃燒產物的 溫度升高(以及因此在爐的操作溫度中)和燃料消耗的減少借助于預 加熱空氣被確保。
在直接燃燒加熱式爐內的金屬熱處理的原型方法的缺點在于，最 大級別的金屬的燃燒損失和/或氫吸收處于燃燒爐的加熱工作空間內。 燃燒損失尤其在升高的溫度導致了熱處理之后的金屬廢物。金屬的氫 吸收、主要是非鐵金屬(例如鈦與其合金)的氫吸收使得這些金屬的 品質變差。如實踐與研究證實，結果由燃燒產物的相關已知的成分被 確定，所述燃燒產物包括一定量的一氧化碳以及水和氧蒸氣(氧化媒 介)。在熱處理之后，它們影響了加熱的金屬，這導致了金屬的燃燒損 失和氫吸收。
間接燃燒加熱式爐內的熱處理原型方法的缺點在于，位于間接燃 燒加熱式爐的加熱空間內的隔焰爐壁內的金屬的浪費(輻射管的內表面或坩堝的外表面)。燃燒損失由在上述段落中所提及的原因被確定。 這導致了輻射管(坩堝)的更短的使用期限，以及金屬處理的操作費 用和制造成本的增加。
此外，利用在燃燒爐內的金屬熱處理的該方法中的空氣過量系數(shù) 的極限值，限制量的燃料與空氣混合物被供應至爐的加熱空間(并供 應至輻射管)。這還限制了加熱空間內或輻射管內側的燃燒產物的移動 速度。這導致了熱交換的對流分量的減小的值，加熱可處理的金屬和 非金屬產品的較長時間、以及爐的減小的性能。燃燒產物的限制的移 動速度還導致了在爐本體與負載(經受熱處理的產品)中的非均勻的 溫度分布。這降低了熱處理的產品的品質。
該原型方法的另一改型目前被使用。它是一種在明火加熱爐(直 接加熱)中金屬熱處理的多級方法。該方法是基于以最大1.2的空氣
過量系數(shù)的燃料與預加熱空氣的混合物的燃燒(the above-mentioned work of M.A. Kasenkov， pages 173-174, 162， 160)。該方法包括至少三 個加熱級(級加熱)在低溫加熱(至650 850'C之間的中間溫度) 同時在中間溫度保持，在高溫加熱(也就是，在超過85(TC的溫度) 至操作溫度，同時保持在該操作溫度。
該原型改型的缺點(利用直接加熱后的多級金屬熱處理方法)在 于，高級別的金屬廢物、尤其是在升高的溫度，以及尤其非鐵金屬的 氫吸收。換句話說，導致了金屬特性的相應變差。
所指出已知的多級金屬熱處理方法還用于利用隔焰爐(例如，輻 射管或坩堝)的間接加熱的方式。這種間接燃燒加熱式爐中多級金屬 熱處理的方法的缺點在于，位于間接燃燒加熱式爐的加熱空間內的隔 焰爐壁(輻射管、坩堝)中的金屬的廢物。這縮短了隔焰爐的使用期 限，并且增加了金屬處理的操作費用以及制造成本。
此外，利用燃燒爐中金屬熱處理的多級方法中的空氣過量系數(shù)的 極限值，限制量的燃料與空氣混合物被供應至爐的加熱空間(并供應 至輻射管)。這也限制了加熱空間內或輻射管內側的燃燒產物的移動速 度。這導致了熱交換的對流分量的降低值、加熱可處理的金屬和非金 屬產品的更長的時間、以及爐的降低的性能。燃燒產物的限制的移動速度還導致了爐本體與負載(經受熱處理的產品)中的非均勻的溫度 分布。這降低了熱處理的產品的品質。
該發(fā)明一一在直接與間接燃燒加熱式爐中的金屬熱處理的方法的 第一和第二改型的目的包括，減小來自可處理的金屬的廢物，并且在 直接加熱之后降低可處理的金屬的氫吸收的級別，其中所述可處理的 金屬包括鋁、鈦和鐵的合金。在間接加熱之后，旨在延長隔焰爐(輻 射管、坩堝)的使用期限，以減少金屬處理的操作費用和制造成本。 而且，該發(fā)明的目的在于增加爐產量，并提高金屬和非金屬產品的熱 處理的性能。
目前使用尤其用于燃燒鋯產品的高溫工業(yè)直接燃燒加熱式爐(主
要隧道窯)中的天然氣燃燒的上述方法(參見俄羅斯專利公開文獻No. 2099661)。該方法包括利用燃料噴嘴將空氣沖擊波(airblast)供應至 爐膛(加熱空間)(主要燃料與空氣混合)，并且將以空氣過量系數(shù)的 特定的值熱的、也就是加熱的附加的空氣添加至所述的爐膛內的主要 燃料與空氣混合物。
直接燃燒加熱式隧道爐中的燃料燃燒方法(參見俄羅斯專利公開 文獻No. 2166161)最接近所提供的該發(fā)明方法的第三改型。前者包括 在加熱空間(爐腔)內燃料與空氣混合物的燃燒，并且將燃燒產物轉 移至爐本體。該方法包括將燃料與空氣混合物和附加的空氣供應至爐 腔，并且它們以范圍從0.75至1.5的空氣過量系數(shù)燃燒。在a等于0.75
l.O的情況中，所考慮的方法確保了在燃燒產物中獲得低氧化媒介。如 果oc等于1.0 1.5，則確保獲得氧化媒介。爐內的媒介類型的選擇由 處理相關產品的必要性確定。在退火陶瓷產品時采用該方法。該方法 還可用于利用輻射管或坩堝在金屬熱處理之后以及在可處理的產品的 間接加熱之后加熱燃燒爐。
如果空氣過量系數(shù)所用的值并不超過1.5，則該方法預設定，限制 量的燃料與空氣混合物被供應至爐的加熱空間(或者供應至輻射管)， 這還限制了加熱空間和輻射管內的燃燒產物的移動速度。這導致了熱 交換的對流分量的減小的值、加熱可處理的金屬和非金屬產品的延長 的時間、以及爐的降低的性能。燃燒產物的限制的移動速度還導致了爐本體與負載(經受熱處理的產品)中的非均勻溫度分布。這降低了 熱處理產品的品質。
所提出的熱處理方法的缺點在于尤其在升高的溫度，基于燃燒 產物成分的金屬廢物的最高級別(在使用氧化媒介之后，也就是以等 于1.0 1.5的tX)，以及(在使用低氧化媒介之后)，鈦及其合金的氫 吸收，例如由于燃料的不完全燃燒所導致的一氧化碳的高濃度，以及 燃料的浪費。高濃度的一氧化碳使得必須密封燃燒爐的結構，并且需 要很大的投資成本。
以空氣過量系數(shù)的特定值在燃燒爐中液體或氣體燃料與加熱的空 氣的混合物的燃燒方法的第三改型的目的在于，增加爐產量，并且提 高金屬和非金屬產品的熱處理質量，并且減少加熱的金屬的燃燒損失、 脫碳以及氫吸收。
裝配有用于加熱這些爐的相關裝置的蓄熱燃燒爐被用于實現(xiàn)直接 或間接燃燒加熱式爐中的金屬和非金屬的熱處理的上述指出的已知方 法、以及直接或間接燃燒加熱式爐中的液體或氣體燃料與加熱的空氣 的混合物的燃燒。
目前使用用于直接燃燒加熱式爐的加熱的以下裝置(參見俄羅斯 專利公開文獻NO. 21卯170)。該裝置包括工作室(加熱的、也被稱為
工作空間)，其具有用于排出熱燃燒產物的窗(導管)；兩個燃燒器，
用于燃燒以燃料與加熱的空氣的化學計量比混合有預加熱空氣的氣體
燃料；以及加熱空氣和以所需的量將其供應至每個燃燒器的系統(tǒng)?；?學計量比其特征在于等于一的加熱的空氣過量系數(shù)的值?？諝饧訜崤c 供應的系統(tǒng)包括兩個蓄熱器，它們反過來由燃燒產物被加熱，其中所 述燃燒產物反過來還供應有加熱的空氣。該空氣然后供應至燃燒器(用 于加熱燃燒爐的系統(tǒng)的雙周期脈沖操作模式)。該系統(tǒng)具有連接管和導 管，它們具有換向(截止)閥，以確保燃燒產物和空氣交替流經蓄熱 器，并且燃燒產物排至煙塵收集系統(tǒng)。管和導管相應地連接至蓄熱器、 燃燒器和煙塵收集系統(tǒng)。氣體燃料容積與在系統(tǒng)內燃燒的加熱的空氣 容積的化學計量比(a"l)通過其相關的結構被確保。特別地，它通 過特征在于通至燃燒器的用于燃料和空氣供應的管線的橫截面的參數(shù)之間的關系被確定。確保所需量的加熱的空氣向燃燒器供應的裝置的
另一結構特征包括實現(xiàn)蓄熱頂梁(regenerating headpiece)、內部空間 的容積、充滿內部空間的傳熱元件的所需的容積(重量)、以及傳熱元 件的材料，例如而氺火石專(B.A.EayM n ap.， MeTajuiyprnqecKMe neqH, M.， 1951, cTp.665 (V.A. Baum and others, Metallurgical Furnaces, M.， 1951， page 665)) 或金屬 (the above-mentioned work: M.A.KaceHKOB， HarpeBaTejitHue ycTpo貸cTBa Ky3HeqHoro npon3BOflCTBa, Mauirn3, 1962， CTp.296 (M.A. Kasenkov, Heating Units in Forging Production, Mashgiz， 1962, page 296))。
該裝置(利用直接加熱而實現(xiàn)金屬熱處理，其結構確保了燃料和 空氣以它們的化學計量比(a=l)的燃燒)的缺點包括，由于燃燒損失 所導致的顯著量的金屬廢物，這是由于加熱(工作)空間內燃燒產物 的氧化媒介以及金屬的氫吸收。
目前還使用用于在間接燃燒加熱式爐內金屬熱處理的裝置(參見 美國專利公開文獻No. 4878480)。該裝置包括輻射管形式的加熱空間，
其具有兩個用于混合有空氣的氣體燃料燃燒的燃燒器，并裝配有用于 排出燃燒產物的窗。
在使用用于在燃燒爐內間接加熱的所指出的裝置之后，輻射管外 側工作空間內的可處理的金屬并不位于燃燒產物中間，并且不經受燃 燒損失和/或氫吸收。然而，來自位于加熱空間內的輻射管的內壁并暴 露于燃燒產物的沖擊的金屬被浪費。這縮短了輻射管的使用期限，并 且增加了金屬處理的操作費用和生產成本。這些是所述裝置的缺點。 目前使用了用于在間接燃燒加熱式爐中金屬熱處理的另一裝置 (1996年9月27日公開的俄羅斯實用新型專利申請No. 93052328，
C21C5/28)。該裝置包括加熱空間，其具有用于排出燃燒產物的窗(桶 樣容腔)；多個燃燒器，用于燃燒以燃料與加熱的空氣的特定比混合有 空氣的氣體燃料；以及坩堝(包括經受熔化的廢金屬)，其位于加熱空 間內。
該裝置的缺點包括坩堝的外金屬壁的較短的使用期限，其中所述 坩堝的外金屬壁暴露于燃燒產物，以及因此，金屬處理的操作費用和
18生產成本的增加。
用于非氧化加熱金屬坯件的明火爐(直接加熱)的加熱裝置最接
近該發(fā)明裝置的第一改型(the above-mentioned work: M.A.KaceHKOB, HarpeBaTejibHMe ycTpoficTBa Ky3HeHHoro npon3BOfl;cTBa, Mainrn3， 1962, cTp.296-297, 4>nr.l78 (M.A. Kasenkov， Heating Units in Forging Production, Mashgiz， 1962， pages 296-297， Fig. 178))。該裝置包括加熱 空間，也被稱為工作空間，具有用于排出熱燃燒產物的窗(導管)；兩 個燃燒器，用于燃燒混合有預加熱空氣的氣體燃料；以及用于加熱空 氣和以所需的量將空氣供應至至少一個燃燒器的系統(tǒng)。燃燒器反過來 以周期脈沖的模式工作?；旌衔镆匀剂吓c加熱的空氣之比燃燒，其中 所述比其特征在于小于一的加熱空氣過量系數(shù)的值(低氧化加熱)。空 氣加熱與供應系統(tǒng)包括兩個蓄熱器(蓄熱頂梁)。在用于加熱燃燒爐的 裝置的一個操作循環(huán)中，每個蓄熱頂梁被用于利用熱燃燒產物加熱傳 熱元件。在另一循環(huán)過程中，每個頂梁被用于利用傳熱元件加熱空氣， 其中所述傳熱元件在前一循環(huán)過程中被加熱。該裝置包括控制與交換 系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有連接至蓄熱頂梁、燃燒器以及排煙器的閥的導 管。它確保了燃燒產物和空氣流交替流經蓄熱頂梁，加熱的空氣供應 至兩個燃燒器中的至少一個，以及從排煙器排出燃燒產物。換句話說， 控制與交換系統(tǒng)的結構預設定，蓄熱頂梁可實現(xiàn)周期變化的功能。
確保了將低氧化加熱所需量的加熱的空氣供應至燃燒器(以小于 一的設定空氣過量系數(shù))的所考慮的裝置的結構已提出，在每個蓄熱 頂梁的內部空間內傳熱元件以金屬管或球的形式存在。這些元件的容 積(重量)足以用于在單位時間內加熱所需容積的空氣。
通過所指出的原型裝置確保金屬的低氧化加熱減少了金屬廢物。 然而，這例如并不防止鈦及其合金的氫吸收。該裝置還具有缺點。它 包括由于加熱空間內的燃料的不完全燃燒所導致的一氧化碳的高濃 度。必須密封燃燒爐的結構，這導致了增加的投資成本。另外，蓄熱 器的底部內的后期燃燒的過程(這在該裝置內實現(xiàn))導致了燃料的浪 費。
該發(fā)明的另一種類型的第一改型是一種用于加熱直接燃燒加熱式爐的導向裝置 (pilot device ) ( RM.AHCTep—T, r.M.ap戸HHMH， B.M.IHep6nHHH， OnuT BHMMMT b pa3pa60TKe pereHepaTHBHtix cucTeM OTonneHHfl 朋a MeTanjiyprnHecKHx arperaTOB， "CTajib，，, 2000， M7， CTp.86-87， pjic.2 (I旦Distergeft, G.M. Druzhinin， V.I. Shcherbinin， Experience of All-Union Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering in Development of Regenerating Heating Systems for Metallurgical Plants, "Stal"， 2000, No. 7, pages 86-87， Fig, 2))。該裝置包 括加熱空間，也被稱為工作空間(燃燒室)；蓄熱燃燒器，用于燃燒混 合有空氣的氣體燃料(其以雙周期脈沖模式操作)；用于在一個操作循 環(huán)過程中排出冷燃燒產物的氣體導管；以及用于在另一操作循環(huán)過程 中排出熱燃燒產物的煙道(flue)。該裝置還包括用于加熱空氣并將其 (以所需的量)供至脈沖操作模式的蓄熱燃燒器的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 蓄熱頂梁。傳熱元件設置在蓄熱頂梁的內部空間中確保了在單位時間 內加熱所需容積的空氣，以便維持所需的空氣過量系數(shù)。在用于加熱 燃燒爐的裝置的一個操作循環(huán)過程中，蓄熱頂梁被用于利用熱燃燒產 物加熱位于其中的傳熱元件，其中所述熱燃燒產物在頂梁內冷卻之后 從氣體導管排出。在另一循環(huán)過程中，頂梁被用于利用傳熱元件加熱 空氣，其中所述傳熱元件在前一循環(huán)過程中被加熱。該裝置包括控制 與交換系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括導管和閥。其結構預設定，蓄熱頂梁可實現(xiàn) 周期變化的功能。在一個循環(huán)的過程中，控制與交換系統(tǒng)確保了燃燒 產物從前爐混合室流至蓄熱頂梁，以便加熱頂梁中的傳熱元件，并且 從該循環(huán)將冷的燃燒產物排出至氣體導管。在另一循環(huán)的過程中，確 保了沿相反的方向通過蓄熱頂梁供應加熱的空氣?；旌嫌腥剂系募訜?的空氣然后送至蓄熱頂梁，以在燃燒室內形成燃燒產物。燃燒產物通 過煙道被轉移以便有利的應用?？刂婆c交換系統(tǒng)的結構預設定，蓄熱 頂梁可實現(xiàn)周期變化的功能。
這種原型的(用于直接加熱的金屬熱處理)裝置的第一改型的缺 點包括由于金屬的燃燒損失與氫吸收導致的來自負載的金屬的大量的 損失。金屬廢物的出現(xiàn)是由于燃燒產物的氧化媒介。在間接加熱所考 慮的裝置時，缺點包括來自隔焰爐的金屬廢物，這導致了隔焰爐(輻射管、坩堝)的更短的使用期限以及金屬處理的操作費用與生產成本 的增加。此外，因為空氣過量系數(shù)的極限值在用于加熱燃燒爐的裝置 中使用，所以限制量的燃料與空氣混合物被供應至爐的加熱空間或供 應至輻射管。這還限制了加熱空間和輻射管內的燃燒產物的移動速度， 導致了熱交換的對流分量的降低值、加熱可處理的金屬和非金屬產品 的更長的時間、以及爐的降低的性能。燃燒產物的限制的移動速度還 導致了在爐本體與負載(經受熱處理的產品)內的不均勻的溫度分布。 這降低了熱處理的產品的品質。
根據第一改型的用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的該發(fā)明的裝 置的目的在于，在燃燒爐的熱處理過程中(在負載的直接加熱之后) 減少燃燒損失、降低金屬的氫吸收的級別并延長隔焰爐(輻射管、坩 堝)的使用期限；減小金屬處理的操作費用和生產成本(在負載的間 接加熱之后)；增加爐產量；并且提高熱處理產品的品質。
用于加熱直接燃燒加熱式爐的裝置接近該發(fā)明裝置的第二和第三 改型(r.M.ap戸hhhh, M.M.3ncTepre々t, B.A.JleoHTbeB h即.，OcHOBHbie HanpaBJieHna peKOHCTpyKunn KOJibueBOH neqn朋a HarpeBa 3aroTOBOK， Crajit， 2005,船，CTp.65-67， pnc.l (GM. Druzhinin， I.M. Distergeft， V.A. Leontyev and others, Basic Trends in Reconstruction of Circular Furnace for Heating of Blanks, Stal, 2005， No. 3， pages 65-67， Fig.")。 所述的裝置包括加熱空間，其還被用作為用于容納加熱的金屬的工作 空間；兩個燃燒器，用于燃燒氣體或液體燃料(以燃料與加熱的空氣 的特定的比值混合有預加熱的空氣，其中所述比值其特征在于空氣過 量系數(shù)的相關值)；用于加熱空氣并以所需的量將空氣供應至每個燃燒 器的系統(tǒng)；用于供應氣體或液體燃料的導管；用于排出冷的燃燒產物 的導管；以及控制與交換系統(tǒng)。用于加熱空氣并以所需的量將其供應 至每個燃燒器的系統(tǒng)包括用于從外側供應空氣的導管以及兩個蓄熱頂 梁。每個頂梁具有內部空間，所述內部空間具有充滿一層特定量的傳 熱元件的兩個輸入輸出窗。在用于加熱燃燒爐的裝置的一個操作循環(huán) 的過程中，每個蓄熱頂梁被用于利用熱燃燒產物加熱所述的傳熱元件。 在另一個循環(huán)過程中，每個它們被用于利用在前一循環(huán)過程中被加熱
21的傳熱元件而加熱空氣。在用于加熱燃燒爐的裝置的一個操作循環(huán)過 程中，每個燃燒器用作為燃燒器，并在用于加熱燃燒爐的裝置的另一 操作循環(huán)過程中，每個它們用作為用于從加熱空間排出熱燃燒產物的 窗。另外，控制與交換系統(tǒng)的結構預設成，燃燒器與蓄熱頂梁可實現(xiàn) 周期變化的功能。也就是說，在用于加熱燃燒爐的裝置的每個操作循 環(huán)的過程中，控制與交換系統(tǒng)確保了用于供應氣體或液體燃料的導管 與一個燃燒器的相連、另一燃燒器與一個蓄熱頂梁的內部空間的一個 輸入輸出窗的相連、該蓄熱頂梁的另一輸入輸出窗與用于排出冷燃燒 產物的導管的相連、用于從外側供應空氣的導管與另一蓄熱頂梁的內 部空間的一個輸入輸出窗的相連、以及該頂梁的另一輸入輸出窗與用 于供應氣體或液體燃料的導管所連接至的燃燒器的相連。
充滿每個蓄熱頂梁的內部空間的磨料珠(corundball)形式的傳熱 元件的層的容積決定了將加熱的空氣供應至每個燃燒器的性能以及空 氣過量系數(shù)的值?？諝膺^量系數(shù)確保了加熱空間內(其中放置經受熱 處理的金屬)的氧化媒介。
該發(fā)明裝置(用于在直接燃燒加熱式爐中熱處理金屬)的所述類 型的第二和第三改型的缺點在于，大量金屬的浪費，這是由于由燃燒 產物的氧化媒介所導致的燃燒損失(a大約等于l)以及金屬的氫吸收。
該發(fā)明的第二和第三改型的另一種類型的裝置是一種用于在間接 燃燒加熱式爐中金屬熱處理的裝置(H.M.ancTepre巾T, r.M.flpymiHHH, B.H.LHep6冊hh, OnbiT BHPIP1MT b pa3pa6oTKe pereHepaTHBHWX cncTeM OTonjieHna MeTanjiyprnHecKHX arperaTOB， "CTajib，，， 2000, J^7，
CTp 87-88， pnc 5 (I旦Distergeft， G.M. Druzhinin, V.I. Shcherbinin, Experience of All-Union Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering in Development of Regenerating Heating Systems for Metallurgical Plants, "Stal", 2000, No. 7， pages 87-88， Fig. 5))。所述的裝 置包括輻射管形式的加熱空間，其具有用于燃燒氣體或液體燃料的兩 個燃燒器(其中燃料以特定的燃料與加熱空氣的比值混合有預加熱的 空氣，其中所述比值其特征在于空氣過量系數(shù)的相關值)；用于加熱空 氣并以所需的量將其供應至每個燃燒器的系統(tǒng)；用于供應氣體或液體燃料的導管；用于排出冷燃燒產物的導管；以及控制與交換系統(tǒng)。用
于加熱空氣并以所需的量將其供應至每個燃燒器的系統(tǒng)包括用于從外 側供應空氣的導管，以及兩個蓄熱頂梁。每個頂梁具有內部空間，其 具有兩個充滿特定量的傳熱元件層的輸入輸出窗。在用于加熱燃燒爐 的裝置的一個操作循環(huán)的過程中，每個蓄熱頂梁被用于利用熱燃燒產 物加熱所述的傳熱元件。在另一循環(huán)的過程中，每個它們被用于利用 在前一循環(huán)過程中被加熱的傳熱元件而加熱空氣。在用于加熱燃燒爐 的裝置的一個操作循環(huán)的過程中，每個燃燒器用作為燃燒器，并且， 在用于加熱燃燒爐的裝置的另一循環(huán)過程干，每個它們用作為用于從 加熱空間排出熱燃燒產物的窗。另外，控制與交換系統(tǒng)的結構預設成， 燃燒器和蓄熱頂梁可實現(xiàn)周期變化的功能。也就是說，在用于加熱燃 燒爐的裝置的每個操作循環(huán)過程中，控制與交換系統(tǒng)的結構確保了用 于供應氣體或液體燃料的導管與一個燃燒器的相連、另一燃燒器與一 個蓄熱頂梁的內部空間的一個輸入輸出窗的相連、該蓄熱頂梁的另一 輸入輸出窗與用于排出冷燃燒產物的導管的相連、用于從外側供應空 氣的導管與另一蓄熱頂梁的內部空間的一個輸入輸出窗的相連、以及 該頂梁的另一輸入輸出窗與用于供應氣體或液體燃料的導管所連接至 的燃燒器的相連。充滿每個蓄熱頂梁的內部空間的磨料珠形式的傳熱 元件的層的容積決定了空氣過量系數(shù)的值。空氣過量系數(shù)確保了輻射 管內側加熱空間內的氧化媒介。經受熱處理的金屬位于輻射管外側工 作空間內。
用于在間接燃燒加熱式爐內金屬熱處理的該發(fā)明的裝置的上述類 型的第二和第三改型的缺點在于，來自輻射管的壁的金屬廢物，其中 所述壁位于間接燃燒加熱式爐的加熱空間內。這導致了縮短輻射管的 使用期限，并且增加了金屬處理的操作費用和生產成本。此外，因為 在用于加熱燃燒室的裝置中使用了空氣過量系數(shù)的極限值，所以限制 量的燃料與空氣混合物被供應至爐的加熱空間或輻射管。這還限制了 加熱空間和輻射管內的燃燒產物的移動速度，導致了熱交換的對流分 量的減小值、加熱可處理的金屬和非金屬產品的延長的時間、以及爐 的降低的性能。燃燒產物的限制的移動速度還導致了爐本體和負載(經受熱處理的產品)中非均勻的溫度分布。這降低了熱處理的產品的品 質。
根據第二和第三改型的用于加熱燃燒爐的該發(fā)明的裝置目的在 于，減小燃燒損失并降低負載(可處理的金屬)的氫吸收級別，其中 負載包括用于直接燃燒加熱式爐的鋁、鈦和鐵的合金。間接燃燒加熱 式爐的目的在于，延長輻射管(坩堝)的使用期限，并且減小金屬處 理的操作費用和生產成本。而且，該發(fā)明的目的在于增加爐產量并且 提高熱處理產品的性能。
在用于由液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物加熱的金屬熱處 理的蓄熱燃燒爐中，使用了蓄熱頂梁。每個這些頂梁包括內部空間，
其具有充滿傳熱元件層的兩個輸入輸出窗(例如，the above-mentioned work ofM.A. Kasenkov， pages 296-297， Fig. 178)。蓄熱頂梁的結構以及 它們的操作原理類似于已知類型的直接和間接燃燒加熱式爐。蓄熱頂 梁被構造成用于在兩個循環(huán)周期中操作。在一個循環(huán)的過程中，頂梁 被用于利用正被燃燒的混合物的燃燒產物加熱傳熱元件。在另一循環(huán) 的過程中，頂梁被用于利用傳熱元件加熱空氣。在蓄熱頂梁被用于燃 燒爐中時，其輸入輸出窗與用于(從燃燒爐的加熱空間通過對應的切 換系統(tǒng)(換向、截止閥))供應熱燃燒產物的導管相連、與排出冷燃燒 產物的導管相連、與用于供應空氣的導管相連、并與用于將加熱的空 氣供應至燃燒器的導管相連。
已知的蓄熱頂梁被構造成用在用于加熱金屬的燃燒爐中，這是在 以化學計量比(a=l)的燃料與空氣的混合物燃燒之后、在低氧化加熱 (a小于1)之后、以及在空氣過量系數(shù)的通常實用范圍值內(如上所 指出的那樣，它們并不超過2.0)。它預期了每個已知的蓄熱頂梁的結 構缺點。它要求在這種頂梁的內部空間中設置特定量的傳熱元件。傳 熱元件的數(shù)量由這樣空氣的容積表示，其中所述空氣按照需要加熱以 確保以符合指定范圍的空氣過量系數(shù)的設定值、燃料與空氣混合物在 爐內的燃燒。畢竟，在用于加熱金屬的燃燒爐中使用已知的蓄熱頂梁 造成了由于燃燒損失導致的大量的金屬廢物，這是由于燃燒產物的氧 化媒介、坯件的表面層的脫碳、以及金屬的氫吸收。(由液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物加熱的)燃燒爐的下 述蓄熱頂梁最接近所提出的技術方案。該頂梁包括內部空間，其具有 兩個輸入輸出窗。空間充滿金屬或磨料珠形式的傳熱元件的層。在一 個操作循環(huán)的過程中，蓄熱頂梁被用于利用燃燒產物加熱所述的傳熱 元件。在另一循環(huán)過程中，其被用于利用在前一循環(huán)過程中加熱的傳
熱兀件力口熱空氣 (M.M.aHCTepre4)T h ap.， PereHepaTHBHbie cncTeMu OTonJieHH3 朋fl HarpeBaTejibHbix neHeg 叩OKaTHoro h Ky3HeqHoro npon3BoacTB (HCTopnfl pa3BHT叫Teopna H叩aKTHKa)， c6. HayH. Tp. MeTajiJiyprnqecKaa TenuoTexHHKa, tom 5, MnHHCTepcTBO oGpa30BaHHH n HayKH yKpaHHu/HaunoHajifcHaH MeTajiuyprnHecKaa aica;ateMHa yKpanHM, aHenponeTpoBCK， 2002， cTp.44 57 (I.M. Distergeft and others, Regenerating Heating Systems for Heating Furnaces of Rolling and Forging Production (History of Development, Theory and Practice), collection of scientific papers Metallurgical Heat Engineering, Volume 5, Ministry of Education and Science of Ukraine/National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2002, pages 44 57))。
所考慮的蓄熱頂梁與上述頂梁一起的結構缺點包括，內部空間中 特定量的傳熱元件。傳熱元件的數(shù)量由這樣空氣的容積表示，其中所 述空氣按照需要加熱以確保以符合如上所述大體已知范圍的空氣過量 系數(shù)的設定值、燃料與空氣混合物在爐內的燃燒(a的值并不超過2.0)。
在用于直接或間接加熱金屬的燃燒爐中使用這種蓄熱頂梁造成了由于 金屬的燃燒損失和氫吸收而導致的負載或隔焰爐中的金屬的廢物。像 其在燃燒爐中使用那樣，所指出的已知的蓄熱頂梁確保了供應限制的 容積的燃料與空氣混合物至爐的加熱空間或輻射管(由于限制容積的 傳熱元件、爐的加熱空間內的燃燒產物的限制移動速度、以及限制的 輻射管)。這導致了熱交換的對流分量的減小的值、加熱可處理的金屬 和非金屬產品的更長的時間、以及爐的降低的性能。燃燒產物的限制 的移動速度還導致了爐本體和負載(經受熱處理的產品)中不均勻的 溫度分布。這降低了熱處理的產品的品質。
該發(fā)明的目的一一用于由液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物
25加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁的三個改型一一旨在提高 經受熱處理的金屬(負載)的品質。這通過減少燃燒爐中熱處理過程 中的金屬廢物并降低包括鋁、鈦和鐵的合金的金屬的氫吸收而被確保。 在蓄熱頂梁在直接燃燒加熱式爐中被使用時，金屬廢物和氫吸收的所 指出的降低涉及在爐中處理的金屬和產品(也就是，負載)。在間接燃 燒加熱式爐的情況中，這涉及輻射管或坩堝的金屬壁。另外，該發(fā)明 的目的還在于延長所提及的輻射管和坩堝的使用期限，并且因此，在 于減小金屬處理的費用以及這些金屬的熱處理的生產成本。
所指出的目的針對所提出的發(fā)明的所有改型而言是共同的。 最終，該發(fā)明的目的一一用于燃燒爐的蓄熱頂梁的三個改型一一 在于增加爐產量并且提高熱處理產品的品質。
所提出的目的借助于以下指出的新的技術方案實現(xiàn)方法的改型 以及實現(xiàn)方法改型的多個裝置一一用于加熱燃燒爐的裝置的三個改型 以及燃燒爐的蓄熱頂梁的三個改型。

發(fā)明內容
包含一組改型的本發(fā)明包括金屬熱處理方法以及在直接或間接燃 燒加熱式爐內燃燒液體或氣體燃料與加熱空氣的混合物的方法，以及 用于實現(xiàn)所述方法的加熱裝置和蓄熱頂梁。本發(fā)明及其改型涉及冶金 和機械工程的技術領域。它們可在金屬熱處理時(例如，熔化、加熱 變形、熱處理)以及諸如陶瓷產品的非金屬產品的燃燒、烘烤以及其 它類型的熱處理時使用。
本發(fā)明及其改型的實質在新的技術特征中被確保，其中所述新的 技術特征確保了空氣過量系數(shù)的特定的值的實現(xiàn)，其中在實現(xiàn)本發(fā)明
之后，燃料與加熱空氣的混合物超過2.0并主要處于最大6.0的范圍內。
在實現(xiàn)本發(fā)明之后的技術效果包括，減少直接燃燒加熱式爐內處 理過程中的金屬廢物(圖4)，并且降低包括鋁、鈦和鐵的合金的金屬 的氫吸收的級別。在間接燃燒加熱式爐中應用本發(fā)明之后，技術效果 包括輻射管和坩堝的更長的使用期限。
由發(fā)明人所獲得的試驗證據表明，考慮到以下因此獲得所指出的 技術效果，即確保燃燒產物的大氣(氣相)的相關分量，也就是以超過2.0的空氣過量系數(shù)(X值的熱空氣與以液體或氣體燃料的混合物。


圖是用于加熱直接燃燒加熱式爐的裝置的示意圖，其中所述爐 用于實現(xiàn)具有根據第一改型的蓄熱頂梁的本發(fā)明的第一和第二改型；
圖2是在St IO鋼試件加熱后金屬廢物(Y軸，g/cm2)相對于空 氣過量系數(shù)a (X軸線，無量綱值)的曲線；
圖3是氧氣02、 二氧化碳C02、以及水蒸氣H20 (Y軸線，％) 相對于空氣過量系數(shù)a (X軸線，無量綱值)的曲線；
圖4是在鈦合金Ti-6AI試件加熱之后金屬廢物(Y軸線，g/cm2) 相對于空氣過量系數(shù)a (X軸線，無量綱值)的曲線；
圖5是具有20 mm直徑磨料珠形式的蓄熱頂梁中的傳熱元件的容 積(Y軸線，m3)相對于燃料消耗、在這種情況中以范圍從2.0至7.0 的空氣過量系數(shù)a的值的天然氣的消耗(X軸線，m3/h)的曲線；
圖6是根據第三改型用于加熱直接燃燒加熱式爐的裝置的簡化示 意圖，其包括兩個燃燒器、兩個蓄熱頂梁一一每個根據蓄熱頂梁的第 一改型而實施一一以及交換系統(tǒng)中的四輸入換向閥；
圖7是根據第二改型的蓄熱頂梁的示意圖，包括蓄熱頂梁的內部 空間的依次布置的并互連的區(qū)段，以便以不同的空氣過量系數(shù)a操作， 其中所述空氣過量系數(shù)在操作的過程中改變；
圖8是根據第三改型的蓄熱頂梁的示意圖，蓄熱頂梁的內部空間 設置成彼此平行，以便以不同的空氣過量系數(shù)a操作，其中所述空氣 過量系數(shù)在操作的過程中改變；
圖9是用于利用輻射管加熱間接燃燒加熱式爐的裝置；
圖IO是用于利用坩堝加熱間接燃燒加熱式爐的裝置；
圖11是用于實現(xiàn)所提供的方法的試驗方案的示意圖的左側部分；
圖12是用于實現(xiàn)所提供的方法的試驗方案的示意圖的右側部分。
具體實施例方式
以下方法和裝置與它們的原型不同，并且被提供成實現(xiàn)了上述目的?；谠诳諝膺^量系數(shù)的特定值的條件下的液體或氣體燃料與加熱 的空氣的混合物的燃燒的(方法的第一改型)直接或間接燃燒加熱式 爐中的金屬熱處理方法，其特征在于，所指出的燃料與空氣的混合物 在這樣的空氣過量系數(shù)的值的條件下被燃燒，其中所述空氣過量系數(shù) 的值超過2.0，并主要設定在最大6.0的范圍內。
基于液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物的燃燒的(方法的第 二改型)直接或間接燃燒加熱式爐中的金屬熱處理方法包括，將金屬 加熱至中間溫度，隨后將金屬加熱至操作溫度，并且將金屬保持在操 作溫度。另外，所指出的燃料與加熱的空氣的混合物至少在金屬加熱 至中間溫度之后在不超過2.0的空氣過量系數(shù)的值的條件下被燃燒。 該方法其特征在于，可處理的金屬被加熱至操作溫度，這是在空氣過
量系數(shù)增加至超過2.0并主要處于最大6.0范圍內的值之后。另外，將
金屬保持在操作溫度是在恒定的或可變的空氣過量系數(shù)的值的條件下
被實現(xiàn)，其中所述值超過2.0并主要處于最大6.0的范圍內。
以加熱空氣過量系數(shù)的特定值在直接或間接燃燒加熱式爐中燃燒 液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物的方法(方法的第三改型)，其 特征在于，所指出的燃料與空氣的混合物在超過2.0并主要處于最大 6.0范圍內的空氣過量系數(shù)的值的條件下被燃燒。
用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的裝置(爐結構的第一改型)， 包括加熱空間，其具有用于排出燃燒產物；至少一個燃燒器，用于燃 燒以特定的燃料與加熱空氣之比混合有加熱空氣的氣體或液體燃料， 所述之比特征在于空氣過量的相關值；以及用于加熱空氣并將其以所 需的量供應至每個燃燒器的系統(tǒng)一一所需的量是空氣過量系數(shù)的值超 過2.0并主要處于最大6.0范圍內的相關量。
用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的裝置(爐結構的第二改型) 包括加熱空間；兩個燃燒器，用于燃燒(以特定的燃料與加熱空氣之 比混合有加熱的空氣的)氣體或液體燃料；用于供應氣體或液體燃料 的導管；用于排出冷燃燒產物的導管；用于加熱空氣并將其供應至每 個燃燒器的系統(tǒng)；以及控制與交換導管、燃燒器和蓄熱頂梁的系統(tǒng)。 燃燒器包括用于從外側供應空氣的導管以及兩個蓄熱頂梁。每個頂梁包括具有兩個輸入輸出窗的內部空間，其充滿特定量的傳熱元件的層。 控制與交換系統(tǒng)的結構允許通過燃燒器和蓄熱頂梁實現(xiàn)周期變化的功 能。實際上，在用于加熱燃燒爐的裝置的一個操作循環(huán)過程中，每個 蓄熱頂梁被用于利用熱燃燒產物加熱傳熱元件。并且在另一循環(huán)過程 中，每個它們利用在前一循環(huán)過程中被加熱的傳熱元件加熱空氣。在 用于加熱燃燒爐的裝置的一個操作循環(huán)過程中，每個燃燒器實現(xiàn)燃燒 器的功能。并且在另一循環(huán)過程中，每個它們用作為用于從加熱空間 排出燃燒產物的窗。該裝置其特征在于，每個蓄熱頂梁的內部空間充 滿傳熱元件的層，其容積根據以下公式
V = K oc B！
其中，V代表充滿蓄熱頂梁的內部空間的傳熱元件的層的容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的裝置的 操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; oc代表取決于燃燒爐中熱處理所 需模式被選擇的空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要處于最大6.0的范圍 內，無量綱值；B,代表每燃燒器的燃料消耗(氣體或液體燃料)，其中 a =1 ， m3/h。
用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的裝置(爐結構的第三改型) 包括加熱空間；兩個燃燒器，用于燃燒(以由空氣過量系數(shù)的相關值 表示的特定的燃料與加熱空氣之比混合有加熱的空氣的)氣體或液體 燃料；以及兩個蓄熱頂梁。每個頂梁包括具有兩個輸入輸出窗的內部 空間，其充滿特定量的傳熱元件層。每個燃燒器通過精餾器(rectifier) 連接至用于供應氣體或液體燃料的導管，并還連接至一個蓄熱頂梁的 一個輸入輸出窗。每個頂梁的另一輸入輸出窗連接至用于供應空氣的 導管，并連接至用于排出燃燒產物的導管，這單獨地通過每個頂梁， 三輸入換向閥；或者通過組合的兩個頂梁，四輸入換向閥。該裝置其 特征在于，每個蓄熱頂梁的內部空間充滿這樣的傳熱元件的層，其容 積根據以下公式
V = K a B！
其中，V代表充滿蓄熱頂梁的內部空間的傳熱元件的層的容積，m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的裝置的 操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; OC代表取決于燃燒爐中熱處理所
需模式被選擇的空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要處于最大6.0的范圍 內，無量綱值；B,代表每燃燒器的燃料消耗(氣體或液體燃料)，其中 a=l， m3/h。
由以特定的燃料與加熱空氣之比的液體或氣體燃料與加熱空氣的 燃燒混合物加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁(頂梁的第一 改型)，所述特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表 示，并且所述蓄熱頂梁包括具有兩個輸入輸出窗的內部空間，其充滿 特定量的傳熱元件的層。其特征在于，所述蓄熱頂梁的內部空間充滿
傳熱元件的層，其容積根據以下公式
<formula>formula see original document page 30</formula>
其中，V代表充滿蓄熱頂梁的內部空間的傳熱元件的層的容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的裝置的 操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; a代表取決于燃燒爐中熱處理所 需模式被選擇的空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要處于最大6.0的范圍 內，無量綱值；B,代表每蓄熱頂梁的燃料消耗(氣體或液體燃料)，其 中a化m3/h。
由以特定的燃料與加熱空氣之比的液體或氣體燃料與加熱空氣的 燃燒混合物加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁(頂梁的第二 改型)，所述特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表 示，并且所述蓄熱頂梁包括內部空間，其充滿傳熱元件并連接至位于 其下方的下頂梁空間。另外，所指出的內部空間具有位于上側部分的 一個輸入輸出窗，并且所述的下頂梁空間具有帶有截止閥的另一輸入 輸出窗。頂梁其特征在于，充滿傳熱元件的內部空間被構造成一個位 于另一個之下的多個(至少兩個)區(qū)段的形式。每個區(qū)段(除了最底 側的以外)借助于位于這些區(qū)段之間的附加的下頂梁空間連接至下方 的區(qū)段。附加的空間包括具有附加的截止閥的附加的輸入輸出窗。內部空間的每個區(qū)段充滿特定容積的傳熱元件層，其總容積根據以下公 式
Vmax — K # CXmax B
其中Vm^代表蓄熱頂梁的內部空間的所有區(qū)段的傳熱元件層的總 容積，m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱 頂梁的輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的 裝置的操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; CX^x代表取決于燃燒爐中
熱處理所需模式被選擇的蓄熱頂梁的最大空氣過量系數(shù)，其超過2.0 并主要處于最大6.0的范圍內，無量綱值；B,代表每蓄熱頂梁的燃料 消耗(氣體或液體燃料)，其中a-l， m3/h;另外，蓄熱頂梁的最大空 氣過量系數(shù)以及針對蓄熱頂梁的內部空間的每個區(qū)段的空氣過量系數(shù) 通過以下公式彼此相關
amax — S (Xi
其中(Xi代表蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段i的空氣過量系數(shù)的所選 擇的值，無量綱值；i代表蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段的標號，從l改 變至n，其中，n等于蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段數(shù)；并且充滿內部空 間的每個區(qū)段的傳熱元件層的容積根據以下公式
Vi = K oti' B
其中，Vi代表蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段i的傳熱元件層的容積， m3 (變量i和參數(shù)K、 B,如上限定)。
由以特定的燃料與加熱空氣之比的液體或氣體燃料與加熱空氣的 燃燒混合物加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁(頂梁的第三 改型)，所述特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表 示，并且所述蓄熱頂梁包括充滿特定容積的傳熱元件層的第一內部空 間，其具有兩個輸入輸出窗。上窗連接至蓄熱頂梁的上輸入輸出窗。 下窗具有第一截止閥。頂梁其特征在于，蓄熱頂梁裝配有至少一個附 加的內部空間，其充滿特定容積的傳熱元件層。附加的空間具有其自 己的下頂梁空間，以及上和下輸入輸出窗。上窗連接至蓄熱頂梁的上 輸入輸出窗。下窗裝配有附加的截止閥。另外，在蓄熱頂梁的所有內 部空間中傳熱元件層的總容積根據以下公式-其中，Vn^代表蓄熱頂梁的所有內部空間的傳熱元件層的總容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的裝置的 操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; an^代表取決于燃燒爐中熱處理 所需模式被選擇的蓄熱頂梁的最大空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要
處于最大6.0的范圍內，無量綱值；B,代表每蓄熱頂梁的燃料消耗(氣 體或液休燃料)，其中a-l， m3/h;另外，蓄熱頂梁的最大空氣過量系 數(shù)以及針對蓄熱頂梁的每個內部空間的空氣過量系數(shù)通過以下公式彼
此相關<formula>formula see original document page 32</formula>
其中OCi代表蓄熱頂梁的內部空間i的空氣過量系數(shù)的所選擇的值，
無量綱值；i代表蓄熱頂梁的內部空間的標號，從l改變至n，其中， n等于蓄熱頂梁的內部空間數(shù)；并且充滿每個內部空間的傳熱元件層 的容積根據以下公式
其中，Vi代表蓄熱頂梁的內部空間i的傳熱元件層的容積，m、變 量i和參數(shù)K、 B,如上限定)。
所有所提出的方法和裝置的新穎性在引入原型中的新的技術特征 中體現(xiàn)。它們涉及確保超過2.0并主要處于最大6.0范圍內的空氣過量 系數(shù)a的值。對于方法而言，這些新的技術特征包括所提供的方法的 新的實施模式，并且對于裝置而言，它們涉及根據第一改型加熱裝置、 針對用于燃燒爐的空氣加熱系統(tǒng)所述功能的新的結構特征?？蛇x地， 它們涉及這樣的結構特征，其特征在于(針對其它改型的裝置)位于 燃燒爐的蓄熱頂梁的內部空間(或區(qū)段)中的傳熱元件的容積。
基于由本發(fā)明的申請者所獲得的試驗證據，我們以下提出了一種 新的、(針對技術水平)令人吃驚的以及無法想到的技術結果，該技術 結果來源于采用所提供的技術方案，據此，燃料在空氣過量系數(shù)的較 高值(a超過2.0)的條件下在直接或間接燃燒加熱式爐中被燃燒。所 獲得的令人感興趣的技術結果提供了新的亮點，用于控制結垢、以及金屬的脫碳和氫吸收的現(xiàn)有方法效率提高。還表明了解決這些問題的 全面的方法。
用于(尤其在直接或間接燃燒加熱式爐中)鋼和非鐵合金、以及 鈦合金的金屬和產品(坯料、坯件等)的熱處理的方法和裝置的所有 所提供的改型的采用確保了，與在實施方法的以下實施例中所示的原 型相比顯著減小了金屬廢物針對St鋼，減小量至40%;針對鈦合金，
Ti - 6 Al - 4V金屬廢物減小幾乎2.5倍。
根據所提供的發(fā)明，在加熱之后金屬廢物的減小級別可比得上在 電爐中空氣加熱之后燃燒的級別。然而，在利用天然氣的爐加熱中，1 噸產品的加熱單位成本比電加熱的單位成本低幾倍(the above-specified work of M.A. Kasenkov， pages 434-435， as well as article "BonpocM 3Heproc6epe^ceHHa npn HarpeBe M3Aennfi H3 THTaHOBbix n ajiK)MHHneBMX cnjiaBOB nepea 06pa60TK0貸 AaBJieHHeM,，, Ka3aeB MapKHH B.n., JlHCneHKo B.r.， JIoniKapeB H.E.， KncejieB E.B., CaBejibeB B.A.， UnMepnHHr B.iL， c60pHHK Tenjio(J)H3HKa h HH(j)opMaTHK:a b MeTajmyprnn: 叩06j1eMt1 h fl0CTH5KeHna, MaTepnajiM MeMgayHapoAHOH koh(|)epeHUHn k 300-jieTHK) MeTajiJiyprnH ypana, 80-neTHio MeTa"JiyprnqecKoro (J)aKyjibTeTa n Ka4)e雙pti "Tenjio(J)H3HKa n nH(j)opMaTHKa b MeTajiJiyprHH", EKaTepHH6ypr， 2000， crp.265 272 (Issues of Energy Saving upon Heating of Products of Titanium and Aluminium Alloys Prior to Chipless Shaping, M.D. Kazyaev, V.P. Markin， V.G. Lisienko， N.B. Loshkarev， E.V. Kiselev， V.A. Savelyev， V.Ya. Tsimerling, collected book Thermal Physics and Information Science in Metallurgy: Problems and Achievements, Materials of international conference devoted to the 300th anniversary of metallurgy in the Urals, the 80th anniversary of the Faculty of Metallurgy and Department of Thermal Physics and Information Science in Metallurgy, Ekaterinburg, 2000， pages 265 272))。
而且，確保了金屬和它們的合金、例如鈦及其合金、鎂及其合金、 鋼的氫吸收的減小。直接或間接加熱的所提出的方法和裝置的所指出的技術結果通過 以下措施被獲得，確保燃燒產物的媒介(氣相)的相關成分、以超過
2.0的空氣過量系數(shù)a的所提出的值的熱空氣與液體或氣體燃料的混
合。特別地，甚至在氧氣濃度(局部壓力)增加之后，水蒸氣的濃度 (局部壓力)的顯著減小是取決于金屬燃燒損失和氫吸收的減小。
在用于熔化非鐵金屬的反焰直接燃燒加熱式爐中采用所提供的方 法和裝置確保了隔焰爐(輻射管、坩堝)的更長的使用期限以及考慮 到坩堝壁的燃燒損失的減小而導致的金屬熱處理的操作費用和生產成
本的減小。
在具有超過2.0的空氣過量系數(shù)的直接或間接燃燒加熱式爐中利
用所提供的方法和裝置熱處理金屬和非金屬產品之后，增加容積的空 氣被供應至爐的加熱空間或者輻射管。另外，熱交換的對流分量考慮 到爐的加熱空間內或輻射管內的燃燒產物的移動速度的增加而增加。 該結果是從燃燒產物至燃燒爐中處理的產品的傳熱時間減小以及爐性 能的增加。加熱時間的減小確保了燃燒損失、加熱的金屬的脫碳以及 氫吸收的附加減小。
在燃燒加熱之后金屬熱處理的減小的成本以及燃燒損失級別的所 獲得的可比性(利用所提供的方法以及在電爐內金屬空氣加熱的已知 方法獲得)確保了，所提供的方法以及實現(xiàn)其的裝置的應用范圍的擴 展，以及所提供的方法替代電路中金屬熱處理的已知的方法。
用于在直接或間接燃燒加熱式爐中金屬熱處理的方法的第二改型
(利用a的不同值的三級加熱)與一級的第一改型(具有a的恒定值) 相比是更加經濟的。在第二改型方法的第一級實現(xiàn)中，在加熱至中間 溫度之后，其中在所述中間溫度時，金屬表面的溫度相當?shù)?例如， 針對鋼其并不超過650 800°C)，并且氧化過程進行緩慢，不實際的 是增加空氣過量系數(shù)的值，并且使用電源以供應/排出增加容積的空氣 與燃燒產物。燃燒損失隨著實施方法的第二和第三級(加熱至操作溫 度并保持在操作溫度)的溫度增加而增加(實際上指數(shù)方式)，并且必 須經由空氣過量系數(shù)a的值的增加以及向燃燒器供應相關附加量的加 熱的空氣而進行控制。另外，能量成本由以下因素偏差，即爐內金屬氧化的減小以及金屬產量的相應增加。類似的效果在含氫金屬的熱處 理之后獲得。
用于直接或間接燃燒加熱式爐的加熱裝置的第一改型是所有提供 的裝置中最常用的，解決了所要解決的任務。確保了加熱空氣并以所 需的量將其供應至每個燃燒器的系統(tǒng)的結構。允許加熱并以特定的量 供應空氣，所述特定的量確保了超過2.0并主要位于最大6.0范圍內的 空氣過量系數(shù)的值。該改型預設成，在燃燒爐內使用至少一個燃燒器。 加熱的空氣向該燃燒器的供應可借助于以下兩個措施被確保，借助于 交替以脈沖模式操作的蓄熱頂梁，并利用用于以連續(xù)模式加熱空氣的 蓄熱器或電加熱器。
用于直接或間接燃燒加熱式爐的加熱裝置的第二改型符合實現(xiàn)本 發(fā)明目的的燃燒爐的最佳結構。它包括兩個燃燒器，它們交替操作用
于燃燒燃料；兩個蓄熱頂梁；以及控制與交換系統(tǒng)，其確保用于加熱 供至燃燒器的空氣的每個蓄熱頂梁的交替操作(周期脈沖模式)。每個 頂梁確保了實現(xiàn)以超過2.0的空氣過量系數(shù)a (主要范圍最大6.0)加 熱燃燒爐的所提出的方法。
直接或間接燃燒加熱式爐的加熱裝置的第三改型符合實現(xiàn)本發(fā)明 目的的燃燒爐的結構。它包括兩個燃燒器，它們交替操作以便燃燒燃 料；以及兩個蓄熱頂梁和換向閥(兩個三輸入或一個四輸入)。所述閥 用作為交換系統(tǒng)的一個結構，確保了用于加熱供至燃燒器的空氣的每 個蓄熱頂梁以周期脈沖方式交替操作。每個頂梁確保了以超過2.0的 空氣過量系數(shù)a(主要范圍最大6.0)實現(xiàn)加熱燃燒爐的所提出的方法。
直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁的所提出的改型利用所提出 的用于加熱金屬的燃燒爐的元件(部件)解決了本發(fā)明的任務。
蓄熱頂梁的第一改型對應于該頂梁的最常見的所提出的結構，確 保了以超過2.0的空氣過量系數(shù)a (主要范圍最大6.0)實現(xiàn)直接或間 接燃燒加熱式爐的加熱的所提出的方法，這是針對權利要求書中所提 出的頂梁內部空間中的傳熱元件的容積。
蓄熱頂梁的第二改型包括這樣的蓄熱頂梁的結構，其中蓄熱頂梁 的內部空間(充滿傳熱元件)的多個區(qū)段以一個在另一個之下的方式定位。各區(qū)段借助于附加的下頂梁空間互連，從而所指出的區(qū)段彼此 相對依次定位，從而由于燃料與空氣混合物的燃燒的加熱的空氣或冷 的產物的流動經過頂梁，其中在頂梁的內部空間的每個區(qū)段中具有特 定容積的傳熱元件。輸入輸出窗的設置(在每個區(qū)段的每個附加下頂 梁空間中具有截止閥)允許可以使得一個或另一序列的區(qū)段進行操作， 并因此，在所提供的方法的第二改型中以包括值超過2.0 (范圍主要最
大6.0)的空氣過量系數(shù)a的不同值使用蓄熱頂梁。
蓄熱頂梁的第三改型是這樣一種結構的蓄熱頂梁，所述蓄熱頂梁 的內部空間充滿傳熱元件，它們彼此平行以便允許氣體流動。每個內 部空間具有其下頂梁空間，以及具有截止閥的輸入輸出窗。設置截止 閥確保了可以在頂梁的任何內部空間中停止空氣加熱的過程，也就是
說，可以以空氣過量系數(shù)a的不同值采用該頂梁，所述空氣過量系數(shù)
a在實施所提供的方法的第二改型的過程中變化，所述空氣過量系數(shù)a 包括超過2.0的值(范圍主要最大6.0)。
因此，蓄熱頂梁的第二和第三改型可用于實施在直接或間接燃燒 加熱式爐內金屬熱處理方法的第二改型，包括利用可變的a的值的三 級加熱。在加熱之后利用空氣過量系數(shù)a的可變值而采用這種蓄熱頂 梁減少了系數(shù)a變化之后的頂梁的熱慣量，這是因為這些頂梁的結構 確保了系數(shù)a的值的改變，這是經由操作中頂梁的傳熱元件的容積的 物理交替。這減小了 (在頂梁內加熱的)空氣對于爐內溫度的影響， 并且確保了熱處理金屬時預設溫度狀態(tài)的維持穩(wěn)定性的增加。
如圖1所示，用于金屬熱(熱學)處理的爐1以空氣過量系數(shù)的 恒定、不變的值(在熱處理的情況中)操作，其對應于用于加熱直接 燃燒加熱式爐的裝置的第一和第二改型。它包括兩個燃燒器；兩個蓄 熱頂梁一一每個根據第一改型的蓄熱頂梁而操作；以及兩個位于控制 與交換系統(tǒng)中的三輸入換向閥。這是以空氣過量系數(shù)a的恒定、不變 的值的金屬熱處理所提供的方法的第一改型(在熱處理的情況中)，并 且其被最佳地實施。
爐1設置在地基2上。其包括加熱裝置，所述加熱裝置包含加熱 空間3 (也稱為工作空間)，具有熱處理金屬6的平臺(底部)5位于輪(導軌)或輥4上。鐵或非鐵金屬以及它們的合金的產品可插入爐
1中以便熱處理。平臺5與加熱空間3壁之間的沙鎖件(sand lock)(密 封件)7確保了加熱空間3的密封。加熱裝置包括設置在爐1的襯砌 中的燃燒器第一燃燒器8位于左側，第二燃燒器9位于右側。每個 燃燒器(8、 9)具有火石(10、 11，分別)、點火裝置(在圖中未示出) 以及用于供應氣體燃料的導管(氣體噴槍)12、 13，其連接至用于將 氣體燃料供應至爐1的另一導管(共用的管線)16，并通過兩輸入、 導向操作的截止閥14、 15被操作。
在燃燒爐1的所述的結構中，每個燃燒器8、 9的輸出窗(火石) 17、 18被用作為燃燒器火源，如果燃燒器打開的話。如果燃燒器關閉， 則其用作為用于從爐1的工作空間(加熱空間)3排出熱燃燒產物的 窗。
在爐1的襯砌中，設置兩個蓄熱頂梁第一頂梁19位于爐的垂直 對稱軸線的左側，第二頂梁20位于軸線的右側。每個頂梁19、 20被 構造成具有內部空間21、 22的襯室的形式，其充滿傳熱元件，所述傳 熱元件例如形式為一層磨料珠或金屬珠。每個頂梁19、 20的內部空間 21、 22包括上輸入輸出窗23、 24和下輸入輸出.窗25、 26。每個頂梁 19 (20)的內部空間21 (22)中的傳熱元件嵌在爐柵上，在其下設有 具有下輸入輸出窗25 (26)的下頂梁空間。
在圖1中所示的每個蓄熱頂梁19 (20)涉及本發(fā)明的頂梁的第一 改型。其結構預設成，在其內部空間21 (22)內可包含傳熱元件容積， 這符合本發(fā)明。這確保了超過2.0的并主要位于最大6.0范圍內的空氣 過量系數(shù)的目標值。在這些頂梁(19、 20)中并未預見直接在金屬熱 處理中測量指定容積的傳熱元件的裝置。
在用于加熱燃燒爐的裝置的一個循環(huán)過程中，每個頂梁19、 20被 用于尤其利用熱燃燒產物加熱傳熱元件或磨料珠。在另一循環(huán)的過程 中，它們每個用于利用在前一循環(huán)過程中加熱的傳熱元件而加熱空氣。 為了可以實現(xiàn)頂梁的這種操作，頂梁19 (20)的上輸入輸出窗23 (24) 借助于另一導管27 (28)與燃燒器8 (9)的導管12 (13)相連，并 通過該導管12 (13)與輸出窗17 (18)相連。頂梁19 (20)的下輸入輸出窗25 (26)與用于從外側(空氣源、風扇并未示出)供應"冷"、
未加熱的空氣的導管33相連，并與排出冷燃燒產物的導管34相連。 這種連接通過三輸入、導向操作的換向閥31 (32)借助于管接頭29
(30)被確保。導管34與排煙器和煙囪(圖中未示出)相連。
截止閥14 (15)具有兩個位置——打開和關閉。打開閥14 (15) 確保了氣體燃料從導管16供應至燃燒器8 (9)。關閉閥14 (15)確保 了中斷燃料向燃燒器的供應。同時，關閉閥防止供應至燃燒器8 (9) 的窗17 (18)的燃燒產物從爐1的加熱空間3跑出，并且通過導管27
(28)和上輸入輸出窗23 (24)將這些燃燒產物引至頂梁19 (20)的 內部空間21 (22)。
三輸入換向閥31 (32)還具有兩個位置——第一和第二。在第一 位置，閥31 (32)確保了頂梁19 (20)的下輸入輸出窗25 (26)與 用于從頂梁19 (20)通過管接頭29 (30)排出冷燃燒產物的導管34 相連。在第二位置，閥31 (32)確保了頂梁19 (20)的下輸入輸出窗 25 (26)通過管接頭29 (30)與用于將冷空氣供應至頂梁19、 20的 導管33相連。
如果任一燃燒器8 (9)打開，則頂梁19 (20)的導管27 (28) 用于從頂梁19 (20)將加熱的空氣供應至燃燒器8 (9)。如果燃燒器 8 (9)關閉，則來自爐1的工作空間3的燃燒產物通過導管27 (28) 被供應至頂梁19 (20)。因而，在頂梁19、 20的內部空間21、 22內 加熱的空氣在每個頂梁中從下向上流動(根據圖l)，而熱燃燒產物在 頂梁19、 20的內部空間21、 22中從上向下移動。
為了從傳熱元件去除結垢并為了將它們從頂梁8 (9)排出，窗35 (36)位于每個頂梁的底部中，并且門37 (38)位于每個頂梁的上部 中，還用于新的傳熱元件的加載。借助于門37 (38)和窗35 (36)的 傳熱元件的取出或加載迸行大約20至30分鐘。實際中，這些操作大 體在使用爐1時、在金屬熱處理之間的停頓過程中被實現(xiàn)。
設有控制模塊39，以管理用于加熱爐1的裝置的操作。該模塊的 輸出40、 41、 42和43分別與闊31、 14、 15和32的控制輸入相連。 為了使得燃料同步供應至燃燒器8、 9，用于點燃燃料與加熱空氣混合物的控制模塊39具有與燃燒器8、 9的點火裝置對應的連接(在圖中 未示出)?？刂颇K39決定了燃燒器8、 9與蓄熱頂梁19、 20的操作周期。
在這種情況中，加熱空氣并以所需的量將其供應至燃燒器8 (9) 的系統(tǒng)包括用于從外側供應空氣的導管33;用于排出冷燃燒產物的導 管34以及兩個蓄熱頂梁19、 20。每個頂梁具有內部空間21、 22，其 具有兩個輸入輸出窗23、 25和24、 26，所述窗充滿特定容積的用作 為傳熱元件的磨料珠的層。蓄熱頂梁19、 20的輸入輸出窗23、 26與 用于從外側供應空氣的導管33、爐1內的加熱空間的輸出窗17、 18、 燃燒器8、 9、以及用于排出冷燃燒產物的導管34相連，如上所述。 本發(fā)明的最佳實施方式的細節(jié)、蓄熱頂梁充滿傳熱元件、蓄熱頂梁的 參數(shù)的計算以及裝置的操作在本申請文件中說明。
權利要求
1. 一種在直接或間接燃燒加熱式爐中金屬熱處理的方法，該方法基于在空氣過量系數(shù)特定值的條件下液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物的燃燒，其特征在于，所指出的燃料與空氣的混合物在超過2.0并主要處于最大6.0范圍內的空氣過量系數(shù)的值的條件下被燃燒。
2. —種在直接或間接燃燒加熱式爐中金屬熱處理的方法，該方法 基于液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物的燃燒，包括將金屬加熱 至中間溫度、隨后將金屬加熱至操作溫度、并且將金屬保持在所述操 作溫度；其中，所指出的燃料與空氣的混合物至少在將金屬加熱至中 間溫度之后在并不超過2.0的空氣過量系數(shù)的值的條件下被燃燒；其 特征在于，在空氣過量系數(shù)增加至超過2.0并主要處于最大6.0范圍內 的值的條件下，所處理的金屬被加熱至操作溫度，并且保持在所述操 作溫度的步驟是在超過2.0并主要處于最大6.0范圍內的空氣過量系數(shù) 的恒定值或可變值的條件下被完成的。
3. —種在空氣過量系數(shù)的特定值的條件下在直接或間接燃燒加熱 式爐中燃燒液體或氣體燃料與加熱的空氣的混合物的方法，其特征在 于，所指出的燃料與空氣的混合物在超過2.0并主要處于最大6.0范圍 內的空氣過量系數(shù)的值的條件下被燃燒。
4. 一種用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的裝置，包括具有用于 排出燃燒產物的窗的加熱空間；至少一個用于燃燒以特定的燃料與加 熱空氣之比混合有加熱的空氣的氣體或液體燃料的燃燒器，其中所述 特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表示；以及用于 加熱空氣并將其以所需的量供應至每個燃燒器的系統(tǒng)；其特征在于，加熱空氣并將其以所需的量供應至每個燃燒器的系 統(tǒng)的結構允許加熱空氣并以這樣的量供應空氣，其中所述量確保了空 氣過量系數(shù)的值超過2.0并主要處于最大6.0的范圍內。
5. —種用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的裝置，包括加熱空 間；兩個燃燒器，用于燃燒以特定的燃料與加熱空氣之比混合有加熱的空氣的氣體或液體燃料，其中所述特定的燃料與加熱空氣之比由空 氣過量系數(shù)的相關值表示；用于供應氣體或液體燃料的導管；用于排 出冷燃燒產物的導管；用于加熱空氣并將其供應至每個燃燒器的系統(tǒng)， 所述系統(tǒng)包含用于從外側供應空氣的導管以及兩個蓄熱頂梁；其中， 每個頂梁包括具有兩個輸入輸出窗的內部空間，其充滿特定量的傳熱 元件的層；以及用于特定的導管、燃燒器和蓄熱頂梁的控制與交換的 系統(tǒng)，并被構造成具有涉及燃燒器與蓄熱頂梁之間的周期變化功能的 性能；其中，每個蓄熱頂梁在用于加熱燃燒爐的單元的一個操作循環(huán) 過程中被用于利用熱燃燒產物加熱傳熱元件，特別地，所述蓄熱頂梁 被用于利用在前一循環(huán)過程中加熱的傳熱元件加熱空氣；其中，在用 于加熱燃燒產物的單元的一個操作循環(huán)過程中，每個燃燒器實現(xiàn)燃燒 器的功能，并且在另一循環(huán)過程中，每個它們用作為用于從加熱空間 排出燃燒產物的窗；所述裝置其特征在于，每個蓄熱頂梁的內部空間 充滿傳熱元件的層，其容積根據以下公式<formula>formula see original document page 3</formula>其中，V代表充滿蓄熱頂梁的內部空間的傳熱元件的層的容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的單元的 操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; a代表取決于燃燒爐中熱處理所 需模式被選擇的空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要處于最大6.0的范圍 內，無量綱值；B,代表每燃燒器的燃料消耗(氣體或液體燃料)，其中 a=l， m3/h。
6. —種用于加熱直接或間接燃燒加熱式爐的裝置包括加熱空間； 兩個燃燒器，用于燃燒由空氣過量系數(shù)的相關值表示的特定的燃料與 加熱空氣之比混合有加熱的空氣的氣體或液體燃料；以及兩個蓄熱頂 梁；每個頂梁包括具有兩個輸入輸出窗的內部空間，其具有充滿特定 量的傳熱元件層；每個燃燒器通過精餾器連接至用于供應氣體或液體 燃料的導管，并還連接至一個蓄熱頂梁的一個輸入輸出窗；其中，每 個頂梁的另一輸入輸出窗連接至用于供應空氣的導管，并連接至用于 排出燃燒產物的導管，這單獨地通過每個頂梁，三輸入換向閥；或通過組合的兩個頂梁，四輸入換向閥；所述裝置其特征在于，每個蓄熱頂梁的內部空間充滿傳熱元件的層，其容積根據以下公式V = K a Bi其中，V代表充滿蓄熱頂梁的內部空間的傳熱元件的層的容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的單元的 操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; a代表取決于燃燒爐中熱處理所 需模式被選擇的空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要處于最大6.0的范圍 內，無量綱值；B,代表每燃燒器的燃料消耗(氣體或液體燃料)，其中 a =1 ， m3/h。
7. —種由以特定的燃料與加熱空氣之比的液體或氣體燃料與加熱 空氣的燃燒混合物加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁，所述 特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表示，所述蓄熱 頂梁包括具有兩個輸入輸出窗的內部空間，其充滿特定量傳熱元件的 層；其特征在于，所述蓄熱頂梁的內部空間充滿傳熱元件的層，其容 積根據以下公式V = K ot B其中，V代表充滿蓄熱頂梁的內部空間的傳熱元件的層的容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的單元的操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; OC代表取決于燃燒爐中熱處理所需模式被選擇的空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要處于最大6.0的范圍 內，無量綱值；B,代表每蓄熱頂梁的燃料消耗(氣體或液體燃料)，其 中a化m3/h。
8. —種由以特定的燃料與加熱空氣之比的液體或氣體燃料與加熱 空氣的燃燒混合物加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁，所述 特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表示，所述蓄熱 頂梁包括內部空間，其充滿傳熱元件并與位于其下方的下頂梁空間相 連；其中，所述內部空間具有位于上側部分的輸入輸出窗，并且所述下頂梁空間具有帶有截止閥的另一輸入輸出窗；所述頂梁其特征在于， 充滿傳熱元件的內部空間被構造成一個位于另一個之下的、多個一一 至少兩個_一區(qū)段的形式，每個區(qū)段除了最底側區(qū)段的以外借助于位 于這些區(qū)段之間的附加的下頂梁空間連接至下方的區(qū)段；其中，每個 附加的空間包括具有附加的截止閥的附加的輸入輸出窗；其中，內部 空間的每個區(qū)段充滿特定容積的傳熱元件層，其總容積根據以下公式Vmax — K * a眼x * Bi其中Vmax代表蓄熱頂梁的內部空間的所有區(qū)段的傳熱元件層的總容積，m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的單元的操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; a^x代表取決于燃燒爐中 熱處理所需模式被選擇的蓄熱頂梁的最大空氣過量系數(shù)，其超過2.0 并主要處于最大6.0的范圍內，無量綱值；B，代表每蓄熱頂梁的燃料 消耗(氣體或液體燃料)，其中a-l， m3/h;其中，蓄熱頂梁的最大空 氣過量系數(shù)以及針對蓄熱頂梁的內部空間的每個區(qū)段的空氣過量系數(shù)通過以下公式彼此相關"max — S OCi其中CXi代表蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段i的空氣過量系數(shù)的所選擇的值，無量綱值；i代表蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段的標號，從l改 變至n，其中，n等于蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段數(shù)；并且充滿內部空 間的每個區(qū)段的傳熱元件層的容積根據以下公式Vi = K ex" B其中，V,代表蓄熱頂梁的內部空間的區(qū)段i的傳熱元件層的容積， m3 (變量i和參數(shù)K、 B,如上限定)。
9. 一種由以特定的燃料與加熱空氣之比的液體或氣體燃料與加熱 空氣的燃燒混合物加熱的直接或間接燃燒加熱式爐的蓄熱頂梁，所述 特定的燃料與加熱空氣之比由空氣過量系數(shù)的相關值表示，所述蓄熱 頂梁包括充滿特定容積的傳熱元件層的第一內部空間，其具有兩個輸 入輸出窗；上窗連接至蓄熱頂梁的上輸入輸出窗，并且下窗具有第一 截止閥；其中，所述頂梁其特征在于，蓄熱頂梁裝配有至少一個附加的內部空間，其充滿特定容積的傳熱元件層；其中，附加的空間具有 其自己的下頂梁空間，以及上和下輸入輸出窗；其中，上窗連接至蓄 熱頂梁的上輸入輸出窗，并且下窗裝配有附加的截止閥；其中，在蓄 熱頂梁的所有內部空間中傳熱元件層的總容積根據以下公式Vmax — K amax 其中，vm ax代表蓄熱頂梁的所有內部空間的傳熱元件層的總容積， m3; K代表取決于燃料的類型、傳熱元件的類型和尺寸、蓄熱頂梁的 輸入輸出窗中空氣與燃燒產物的溫度、以及用于加熱燃燒爐的單元的操作循環(huán)的持續(xù)時間的比例系數(shù)，h; OUax代表取決于燃燒爐中熱處理所需模式被選擇的蓄熱頂梁的最大空氣過量系數(shù)，其超過2.0并主要 處于最大6.0的范圍內，無量綱值；B,代表每蓄熱頂梁的燃料消耗(氣 體或液體燃料)，其中oc二l， m3/h;其中，蓄熱頂梁的最大空氣過量系 數(shù)以及針對蓄熱頂梁的每個內部空間的空氣過量系數(shù)通過以下公式彼-II.丄rt . 、/■財日大"max — S OCj其中OCi代表蓄熱頂梁的內部空間i的空氣過量系數(shù)的所選擇的值，無量綱值；i代表蓄熱頂梁的內部空間的標號，從l改變至n，其中， n等于蓄熱頂梁的內部空間數(shù)；并且充滿每個內部空間的傳熱元件層 的容積根據以下公式Vj = K a,其中，Vj代表蓄熱頂梁的內部空間i的傳熱元件層的容積，m"變 量i和參數(shù)K、 B如上限定)。
全文摘要
本發(fā)明及其改型組包括金屬熱處理方法、用于在直接或間接燃燒加熱式爐內燃燒液體或氣體燃料與熱空氣混合物的方法、以及用于實現(xiàn)所述方法的加熱裝置和蓄熱噴嘴。本發(fā)明及其改型涉及冶金和機械工程的技術領域，并且可用于金屬熱加工(例如，熔化、加熱變形、熱處理)，并用于諸如陶瓷的非金屬產品的燒結、干燥(以及其它類型的熱處理)。本發(fā)明的本質在于新穎的技術特征，使得可以在實現(xiàn)本發(fā)明的同時獲得大于2.0并主要處于等于或小于6.0的范圍內的燃料與熱空氣混合物的空氣過量系數(shù)(α)值。所述發(fā)明使得可以在直接或間接燃燒加熱式爐內在加工過程中減小金屬廢物。在間接燃燒加熱式爐內使用本發(fā)明使得可以延長輻射管和坩堝的使用期限。由發(fā)明人所獲得的試驗數(shù)據證明，技術效果通過液體或氣體燃料與熱空氣混合物的燃燒產物的環(huán)境(氣相)的相應的分量，其中空氣過量系數(shù)(α)值大于2.0。
文檔編號F28D19/00GK101432449SQ200780014748
公開日2009年5月13日 申請日期2007年2月21日 優(yōu)先權日2006年2月26日
發(fā)明者I·I·迪斯特爾蓋夫特, I·M·迪斯特爾蓋夫特 申請人:I·M·迪斯特爾蓋夫特;I·I·迪斯特爾蓋夫特