冶金炉(卷名：矿冶)
furnaces in metallurgical industry
冶金生产过程中对各种物料或工件进行热工处理的工业炉。热工处理是以物料或工件的升温为重要特征的处理过程，例如焙烧、熔炼、加热、热处理、干燥等。钢铁冶金和有色冶金的大部分生产环节都离不开炉子。历史上，许多生产环节的革新，产品的产量和质量的提高，都同旧冶金炉的改革和新冶金炉的应用紧密相关。平炉的出现，曾有力地推进了炼钢生产的发展。冶金工业的能源消耗，在很大程度上取决于各种冶金炉的能耗。
冶金炉简史 堆火是炉子的前身，用于烧制食物或取暖，也用于烧制陶器。后来，用掘地生火或堆石砌灶方法，筑成最原始的炉子。更后，出现了坑式炉（原始的竖炉）和坩埚炉。皮囊鼓风方法的出现，扩大了炉子尺寸，并提高了炉温，为青铜冶铸创造了条件。中国商代的坑式炉直径已达1米，可冶炼大型青铜器。中国在战国初期，已开始用竖炉冶炼生铁，铸造工具。东汉时，开始使用“水排”即水力驱动的皮风囊。北宋使用悬扇式鼓风器，明代使用活塞式木风箱，风量、风压均显著提高，有力地强化了冶炼过程。燃料方面，最初用木材或木炭，公元10世纪前后，中国冶铁业已应用煤炭（比欧洲早数百年）。明代，掌握了炼焦技术，冶铁炉改用焦炭作燃料，进一步提高了产量（见冶金史）。
18世纪以来，西方国家随着航海业、机械工业、贸易的发展，冶金业取得了迅速进展，改进了各种熔炼炉、加热炉和热处理炉，出现了多种多样的炉型。20世纪以来，冶金炉朝着大容量、高产量和高热效率的方向发展。以轧钢连续加热炉为例，先是把室状炉延长一段，以便利用废气余热，继而把炉子改进成为两段式。后来，由于轧机能力不断增大，加热炉朝着大容量、高产量的方向发展。30年代出现了三段式炉，炉子产量最高达每小时150吨，单位炉底面积产量为500～600公斤/(米2·时)。50年代末，开始采用五段式炉，在提高炉尾烟气温度（达1000～1200℃）的同时，采用高温换热设备回收余热，炉子产量提高到每小时150～250吨，单位炉底面积产量达700～800公斤/(米2·时)，同时，为了满足产量和质量的要求，推广应用了步进梁式炉，有的炉子采用全炉顶平焰烧嘴，炉子产量达每小时250～400吨，单位炉底面积产量达800～1000公斤/（米2·时）。70年代中期，主要工业国出现石油危机以来，降低燃料消耗已成为炉子设计的中心问题。延长不供热的预热段的长度和降低烟气排出温度，是这个时期加热炉炉型和热工工艺改变的主要趋势。
冶金炉种类 现代冶金工业用炉，按热源不同，可分为燃料炉、电炉、自热炉三大类。此外，以新能源（如太阳能、原子能）为热源的冶金炉正处于研制阶段。
燃料炉 以燃料的燃烧热为热源，冶金工业中使用最为广泛。由于炉内的热工特征不同，燃料炉又可分为火焰炉、竖炉、流态化炉和浴炉等四类：
① 火焰炉 特征是火焰或燃烧产物占据炉膛的一部分空间，物料或工件占据另一部分空间。一般情况下，火焰与物料直接接触；但在有些情况下，例如为防止工件的氧化，将火焰与工件隔开，火焰的热量通过隔墙传给物料。
② 竖炉 特征是炉身直立，大部分空间堆满块状物料，炉气通过料层的孔隙向上流动，与炉料间呈逆流换热。
③ 流态化炉 特征是炉内为细颗粒物料的流态化床。气体由下部通入。使物料“沸腾”成流态化（见流态化焙烧）。
④ 浴炉 特征是炉内盛液体介质（熔融盐类或熔融金属）。将工件浸入此介质中进行加热，主要用于热处理。浴炉热源可用燃料，也可用电。
电炉 特征是以电为热源。由于电热转换方法不同，又分为电阻炉、感应炉、电弧炉三种。
自热炉 特征是靠炉料自身产生的热量维持炉子的正常工作，除炉料的预热或预熔化外，炉内不需要或基本上不需要外加热量。例如：炼钢转炉，铜、镍吹炼转炉和铝热法冶炼炉。硫化矿的焙烧炉也往往是自热炉。
冶金炉还有间歇式炉和连续式炉的区别。间歇式炉的特征是分批装料、出料，炉子温度在生产过程中呈周期性变化。连续式炉特征是物料或工件连续穿炉运行，按工艺要求控制炉内各部分的温度，并保持稳定。连续式炉在产量、质量、燃料消耗、机械化、自动化等方面都比间歇式炉优越。此外还有按装料和出料方法、装料和出料机械、炉体形状、附属设备如空气预热器的名称、温度高低等称呼炉子的。冶金工业各主要生产环节常用炉子的名称和简单说明见表所示。
冶金炉生产设备 一般由炉子热工工艺系统、装出料系统和热工检测控制系统等三部分组成。
冶金炉的热工工艺系统 包括炉子的工作室(炉膛)、燃料的燃烧装置或电热转换装置、空气和(或)煤气的预热器，以及风机、管道、烟道、余热锅炉和烟囱等。工作室是炉子的核心。主要的热工和工艺过程都在工作室内完成。其他部分的任务是为工作室内的热工工艺过程提供有利条件。
冶金炉装出料系统和热工检测控制系统 现代化冶金炉不可缺少的两个工作系统。前者包括：炉前炉后的装料、出料机械和炉内的运料机械。后者包括：热工参数的测量仪表、显示仪表或记录仪表、过程控制仪表和执行机构等。配备这两个系统，可以实现炉子的自动化操作，从而提高炉子的生产指标。
对冶金炉的基本要求 对炉子的基本要求为：能满足产品的质量和产量要求；燃料和其他能源的消耗量低；建炉投资和运行费用低；耐用，劳动条件好，污染物的排放量符合环境保护要求。
一座好的炉子应同时满足上述要求。为了使产品质量好，应控制炉内温度和气氛，选择适宜的筑炉材料。炉子的生产能力必须与生产过程所要求的产量相适应。为了节约燃料，在炉子的设计和操作中，必须重视热量在炉膛内充分利用，并充分利用余热。为了降低建炉投资和运行费用，应提高炉子单位容积（或炉底面积）的生产能力，简化炉子结构。炉子的废气、废水、废渣中往往含有污染物质，必须采取措施，使各种污染物的排放量不超过国家或地区的规定值。
炉子大型化、连续化、机械化和自动化，是全面满足上述要求的重要途径。目前，高炉的最大容积超过5000米3，氧气转炉的最大炉容量超过300吨。有些炉子已采用计算机控制，自动化程度很高。
冶金炉理论 格日迈洛（Г．Гржимайло） 1911年提出炉子的水力学原理，把一座正在工作的炉子，看成是一条“倒置的河床”，提出了炉子设计方面的若干重要原则。对当时炉子的单位产量不高，炉内气体呈自然流动的情况是适用的，在生产上也发挥了作用。后来，为使炉子不断提高产量，逐步采用液体和气体燃料的燃烧装置，炉内气体变成强制流动，这一理论就不适用了。50年代初，思林(M.W.Thring)、格林科夫(M.A.Глинκов)等人，较全面地研究了炉内的燃烧、气体运动、传热等热工过程。1959年，格林科夫提出炉子的一般原理。他把炉子的工作制度分为三类：辐射制度、对流制度和层状制度。在讨论每一种工作制度时，都从热交换出发，对燃料的选择、燃烧过程、气流的组织等提出相应的要求。
近年来，冶金炉热工理论发展的主要特点是：在进一步明确研究对象的前提下，对炉子设计和操作（包括过程控制）的最优化问题进行了更深入的研究；利用计算机和现代实验技术及模拟技术对炉内的燃烧、气体运动、传热等热工过程进行更全面的分析和研究。
冶金炉热工的研究对象是：在考虑到冶金生产工艺要求的前提下，研究下列(1)(2)(3)三类变量之间相互的关系：
炉子结构（几何形状、尺寸、筑炉材料的种类等）和热工操作（燃料量、空气量、闸门开启度等）的变动，会影响到炉内的热工过程（传热、燃烧、气体运动）。而热工过程的变动又会影响到炉子的生产指标（单位生产率、单位热耗、炉子使用寿命等）。人们的目的是提高生产指标，但人们所能直接规定或操纵的因素，既不是热工过程参数，也不是生产指标，而是结构和操作参数。所以重要的是，要在研究热工过程的基础上，弄清(1)(3)两类变量之间的关系。炉子的结构和操作之间，必须互相适应；各个热工过程之间也必须互相配合。同样，各生产指标之间也互相关联。在炉子热工理论的研究工作中，要十分重视同一类变量之间的相互关系。在其他条件不变的情况下，炉子的生产率的变动将引起炉子热效率的变动。为了提高炉子热效率，炉子生产率的波动必须限制在某一合理范围内。
研究冶金炉的最优化问题，不应孤立地着眼于炉子本身，还应包括炉子前后的冶金设备，因为它们在生产流程中是互相关联的。如研究轧钢厂的加热炉，应该与轧机联系起来考虑。降低钢坯的加热温度，一方面能减少加热炉的燃耗，另一方面则会增加轧机的电耗。如加热温度的降低在合理范围之内，可使加热炉和轧机的总能耗下降；如加热温度过低，就会使总能耗增加。所以应权衡得失，寻求最优方案。（见彩图）
参考书目
尹加禾译：《工业炉》，上册，冶金工业出版社，北京，1979。（W.Trinks & M.H.Mawhinney， Industrial Furnaces，Vol.Ⅰ，5th ed.，John Wiley & Sons， NewYork，1961.）
东北工学院冶金炉教研室译：《工业炉》，下册，冶金工业出版社，北京，1979。(W.Trinks et al.，Industrial Furnaces，Vol.Ⅱ，4th ed.，John Wiley & Sons， NewYork，1967.)
东北工学院冶金炉教研室:《冶金炉热工及构造》，中国工业出版社，北京，1962。