龐 敏

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721000）

工業(yè)爐在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了普遍應(yīng)用，量大面廣，品類(lèi)繁多，但是同時(shí)也是高能耗設(shè)備。當(dāng)前我國(guó)各類(lèi)型工業(yè)爐能耗占據(jù)了總能耗的大約60%，盡管我國(guó)工業(yè)爐技術(shù)也在不斷優(yōu)化更新，但是能源利用率依舊不高，熱效率也非常低[1]。而在機(jī)械制造行業(yè)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)演變成了常規(guī)必備技術(shù)手段之一，這就直接為相關(guān)軟件有效應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。而且在全球制造行業(yè)逐漸向我國(guó)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)下，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為了機(jī)械制造行業(yè)不可或缺的主要輔助設(shè)計(jì)手段[2]。

1 工業(yè)爐設(shè)計(jì)的注意細(xì)節(jié)

1.1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

工業(yè)爐需要承受巨大高溫與高壓，想要保證其可靠性與安全性，需進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，即受壓元件與受力結(jié)構(gòu)等，以使得工業(yè)爐具備科學(xué)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，受壓元件強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)要求相符，保證工業(yè)爐可以承受壓力負(fù)荷。嚴(yán)格計(jì)算并設(shè)計(jì)工業(yè)爐受力構(gòu)件材料，需對(duì)其抗荷載能力與塑性變形力進(jìn)行計(jì)算，防止其因?yàn)殡y以承受荷載發(fā)生異常。就受力構(gòu)件材料選擇來(lái)說(shuō)，要經(jīng)過(guò)全方位計(jì)算才能得以確定，應(yīng)計(jì)算構(gòu)件壁溫、溫度變化影響、制造工藝影響，據(jù)此進(jìn)一步確定構(gòu)件材料應(yīng)力，促使其為受壓元件強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)依據(jù)，進(jìn)而滿(mǎn)足工業(yè)爐正常運(yùn)行需求。

1.2 管路設(shè)計(jì)

工業(yè)爐管路設(shè)計(jì)主要包含水箱、給水泵、水處理設(shè)施、閥門(mén)、凝結(jié)水回收設(shè)施等等，應(yīng)全面科學(xué)設(shè)計(jì)布置各管路，確保其合理性與穩(wěn)定性，特別是要注重工業(yè)爐管路的開(kāi)孔與轉(zhuǎn)角焊縫位置，促使其處于相分離狀態(tài)。就管路封頭而言，應(yīng)在設(shè)計(jì)中重視焊接、厚度與應(yīng)力等細(xì)節(jié)部分，使得其具備較高的密封性。還要加強(qiáng)對(duì)管路殼體位置開(kāi)孔設(shè)計(jì)的關(guān)注，提高管路內(nèi)徑與位置的合理性，從而提高工業(yè)爐運(yùn)行效率與水平。

1.3 水位設(shè)計(jì)

在工業(yè)爐水位設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免水位表接口位置不恰當(dāng)問(wèn)題，防止最低水位超出或者不足最高火界，需要切實(shí)依據(jù)工業(yè)爐的運(yùn)行環(huán)境加以設(shè)計(jì)。

1.4 焊縫位置設(shè)計(jì)

工業(yè)爐焊縫焊接不合理會(huì)直接導(dǎo)致質(zhì)量下降，因此為了保證焊縫位置設(shè)計(jì)的合理性，需要防止兩節(jié)鍋筒之間的焊縫距離太小，一節(jié)鍋筒利用兩塊以上鋼板，以及輻射熱比較強(qiáng)的位置上出現(xiàn)縱向焊縫。

1.5 防爆裝置設(shè)計(jì)

在工業(yè)爐持續(xù)運(yùn)行時(shí)，爐膛內(nèi)燃燒不充分或存在未燃燒燃料，點(diǎn)火的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大壓力，造成爐體所承受壓力明顯小于爆燃?jí)毫Γ瑥亩鴮?dǎo)致?tīng)t膛爆燃。因此，在防爆裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證爐膛可以外泄壓力，并且小于內(nèi)部壓力，使用全自動(dòng)點(diǎn)火控制程序與滅火保護(hù)裝置，并設(shè)計(jì)科學(xué)的、高效的防爆門(mén)裝置，防止既有重力式防爆門(mén)密封不良，出現(xiàn)漏火等現(xiàn)象。

1.6 排污孔與上水位設(shè)計(jì)

在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中，排污孔設(shè)計(jì)是非常重要的細(xì)節(jié)部分，如果排污孔設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性與合理性，就會(huì)造成工業(yè)爐內(nèi)部沉積物積淀不能徹底清除，大大降低工業(yè)爐運(yùn)行效率與質(zhì)量[3]。

2 在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 設(shè)計(jì)圖紙形象生動(dòng)

三維立體軟件的關(guān)鍵性?xún)?yōu)勢(shì)就是圖紙完成之后，在安裝調(diào)試設(shè)備時(shí)，能夠全面形象地展現(xiàn)出來(lái)，具有良好的立體效果。就設(shè)備結(jié)構(gòu)而言，能夠嚴(yán)格按照?qǐng)D紙完成施工，整體視覺(jué)效果是非常突出的。為機(jī)械加工行業(yè)重視設(shè)備性能的基礎(chǔ)上，也注重設(shè)備外觀的設(shè)計(jì)行業(yè)帶來(lái)了更加有效的參考依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)備的視覺(jué)效果。

2.2 設(shè)計(jì)方案與加工工藝優(yōu)化

三維立體繪圖能夠直接體現(xiàn)出設(shè)備細(xì)節(jié)部分在機(jī)械加工或安裝中的科學(xué)性與合理性。三維圖紙可以直觀地展現(xiàn)出細(xì)節(jié)中所存在的問(wèn)題，因此有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與加工工藝，保證設(shè)備安裝的工藝性與經(jīng)濟(jì)性。

2.3 二維圖紙修改效率與水平提高

三維繪圖軟件還有一大優(yōu)勢(shì)，就是由其構(gòu)成的三維圖紙，在此軟件上就三維圖紙內(nèi)容為依據(jù)可以繪制二維工程施工圖紙，在有類(lèi)似設(shè)備需要進(jìn)行局部尺寸修改的時(shí)候，只需要在三維圖上修改即可，二維工程施工圖紙會(huì)隨之自動(dòng)修改。由于三維圖紙的修改效率與水平較高，使生產(chǎn)效率與質(zhì)量得到了提升[4]。

3 在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有效應(yīng)用

3.1 利用Auto CAD軟件繪制圖紙

工業(yè)爐施工圖紙繪制需要以Auto CAD 軟件為輔助，嚴(yán)格按照定位線條、標(biāo)準(zhǔn)尺寸、繪制剖面一系列流程，在不同結(jié)構(gòu)安置相應(yīng)圖層，依次進(jìn)行區(qū)分，并利用電子文檔形式保存并管理圖紙。Auto CAD 圖紙管理框具體如圖1所示。

圖1 Auto CAD圖紙管理框

3.2 利用Auto lisp語(yǔ)言擴(kuò)展專(zhuān)用功能

以Auto CAD 軟件為載體，利用Auto lisp 語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展繪制工業(yè)爐施工圖紙的專(zhuān)用項(xiàng)，并添加與工業(yè)爐相適應(yīng)的繪圖與標(biāo)注命令，允許用戶(hù)編輯修改圖層、文字、文件。Auto CAD 軟件編輯功能的擴(kuò)展命令具體如圖2所示。

圖2 菜單層次結(jié)構(gòu)

3.3 工業(yè)爐類(lèi)型擇取專(zhuān)家系統(tǒng)

就工業(yè)爐選型來(lái)說(shuō)，在既有經(jīng)驗(yàn)為主的模式中吸收人工智能理論，并搜集專(zhuān)家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建知識(shí)庫(kù)，就設(shè)計(jì)需求邏輯推理，基于制作專(zhuān)家調(diào)查與推理策略進(jìn)一步確定爐型，切實(shí)應(yīng)用到工業(yè)爐類(lèi)型擇取中，為缺乏經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)提供有力幫助。專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

圖3 專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算程序的制定

根據(jù)工業(yè)爐設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜、多元化等特性，利用計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)的手段，在程序中添加工業(yè)爐設(shè)計(jì)的相關(guān)公式，并應(yīng)用程序批處理計(jì)算功能快速計(jì)算，具體模塊劃分如表1所示。

表1 計(jì)算模塊劃分

3.5 換熱器報(bào)價(jià)系統(tǒng)

所謂換熱器報(bào)價(jià)系統(tǒng)主要包括三大部分，即設(shè)計(jì)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、價(jià)格計(jì)算。以統(tǒng)計(jì)金屬耗材進(jìn)一步確定換熱器制造成本與價(jià)格。換熱器報(bào)價(jià)系統(tǒng)主要是用來(lái)對(duì)比不同換熱器生產(chǎn)指標(biāo)、制造成本，從而為合理設(shè)計(jì)與選型提供有效依據(jù)。報(bào)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖4 所示[5-6]。

圖4 報(bào)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 基于受力變形優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中，由于爐口屬于活動(dòng)密封的位置，備受內(nèi)部熱量影響，鋼板很容易發(fā)生變形。在變形之后，爐口密封出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)循環(huán)熱量向外流出，以此對(duì)鋼板形成二次受熱影響，進(jìn)一步加劇鋼板變形。而且爐口密封出現(xiàn)裂縫還會(huì)對(duì)爐膛內(nèi)部與爐口位置的溫度均勻性造成影響，從而大大降低熱處理工件產(chǎn)品質(zhì)量。所以，鋼板結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。例如，位于爐體底部位置的爐口鋼板不同結(jié)構(gòu)形式處于相同受熱狀況時(shí)發(fā)生變形。鋼板在爐口保溫層的外部，爐門(mén)壓緊鋼板處于密封狀態(tài)，設(shè)備最高溫為550 ℃，在優(yōu)化之前，爐口鋼板是整體的，但是在優(yōu)化之后鋼板高溫區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)熱膨脹裂縫，而且在具體位置添加加固槽鋼，以此加強(qiáng)固定，經(jīng)過(guò)熱應(yīng)力分析優(yōu)化之后，鋼板變形明顯較小了，其平面度變化尺寸也實(shí)現(xiàn)了全面密封，根據(jù)圖紙施工的設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果較好，與三維受力模擬分析結(jié)構(gòu)相一致[7-8]。

5 需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵性問(wèn)題與對(duì)策

（1）工業(yè)爐的爐型各式各樣，設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容十分繁雜，過(guò)程比較復(fù)雜，并且不同的爐型結(jié)構(gòu)變化非常大，設(shè)計(jì)方式并未構(gòu)成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這就直接加大了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用難度。我國(guó)目前還未出現(xiàn)可以廣泛利用的工業(yè)爐設(shè)計(jì)軟件，也沒(méi)有開(kāi)發(fā)出可以集設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制、管理一體化的智能化工業(yè)爐計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)體系，所以，制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，促使圖形與符號(hào)也實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，勢(shì)在必行。

（2）就爐型相同的工程來(lái)說(shuō)，爐體的結(jié)構(gòu)差異主要看尺寸變化，既有二維設(shè)計(jì)根本無(wú)法滿(mǎn)足工程的快速制圖要求，而三維設(shè)計(jì)以特征建模為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步吸取以前的豐富經(jīng)驗(yàn)。所以，在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中吸收三維設(shè)計(jì)，是有效提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量的主要途徑。而且大部分三維設(shè)計(jì)軟件都具備開(kāi)放式的編程接口，能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行二次深入開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)出專(zhuān)業(yè)用于工業(yè)爐計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，以此提高工業(yè)爐設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。

（3）在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)繪制上，但是對(duì)于與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的熱工參數(shù)分析并不完善，所以說(shuō)設(shè)計(jì)與分析之間是相分離的，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中過(guò)于注重經(jīng)驗(yàn)，很有可能會(huì)造成實(shí)際熱工參數(shù)與預(yù)期存在巨大差異。因此，研發(fā)工業(yè)爐設(shè)計(jì)與分析相融合的集成系統(tǒng)，使得設(shè)計(jì)人員全方位評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)熱工參數(shù)，并以此作為依據(jù)，優(yōu)化新型工業(yè)爐設(shè)計(jì)，改造舊工業(yè)爐設(shè)計(jì)，促使?fàn)t體結(jié)構(gòu)更具科學(xué)性與合理性，大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，降低成本，為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[9-10]。

6 結(jié) 論

綜上所述，工業(yè)爐設(shè)計(jì)直接影響著其后續(xù)運(yùn)行的安全性與可靠性，因此切實(shí)發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)作用，保證工業(yè)爐設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。現(xiàn)階段，我國(guó)工業(yè)爐設(shè)計(jì)水平有所提高，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比依舊存在明顯差異，由于工業(yè)爐具有一定的復(fù)雜性，想要切實(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在工業(yè)爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有一定的難度，需要遵守全面規(guī)劃、階段實(shí)施的原則。因此，在進(jìn)行熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用時(shí)，以三維繪圖工具與計(jì)算機(jī)模擬分析軟件為輔助，不僅能夠進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)備整體設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與可靠性，還能夠有效保障生產(chǎn)效率，大大節(jié)省資源成本，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。