炼铁设计原理

1、钢铁厂设计原理钢铁厂设计原理 （炼铁部分）（炼铁部分） 参考数目：参考数目： 1 1、钢铁厂设计原理（上册）、钢铁厂设计原理（上册） 张树勋张树勋 2 2、炼铁设计原理、炼铁设计原理 赵润恩赵润恩 3 3、现代高炉炼铁生产、现代高炉炼铁生产 薛正良薛正良 绪绪 论论 一、高炉冶炼概况及车间组成一、高炉冶炼概况及车间组成 1.1 1.1 前言前言 1.2 1.2 高炉冶炼概况高炉冶炼概况 1.3 1.3 炼铁车间组成炼铁车间组成 1.1 1.1 前言前言 一、高炉炼铁方式是最主要的铁的生一、高炉炼铁方式是最主要的铁的生 产方式。产方式。 二、经济的飞速发展促进炼铁规模的二、经济的飞速发展促进炼铁

2、规模的 扩大扩大 我国生铁我国生铁产量：产量： 20002000年年1.261.26亿吨亿吨20032003年年2.222.22亿吨亿吨20072007年年4.84.8亿吨亿吨 1.2 1.2 高炉冶炼概况高炉冶炼概况 热风热风 (hot blast) 煤粉煤粉 (pulverized coal) 铁水、炉渣 (iron and slag) 高炉煤气高炉煤气 (BF gas) 焦焦 碳碳 (coke) 熔熔 剂剂 (flux) 铁铁 矿矿 石石 (ore) 以一座有效容积为以一座有效容积为4000m4000m3 3的高炉为例：的高炉为例： 日生产日生产: : 生铁生铁 1000010000吨吨

3、 炉渣炉渣 30003000 5000 5000吨吨 煤气煤气 1616 18 Mm 18 Mm3 3 日消耗：铁矿石约日消耗：铁矿石约 1650016500吨吨 燃料燃料 45004500 5500 5500吨吨 热风热风 1313 14Mm 14Mm3 3 铁铁 矿矿 石石 热风热风 煤粉煤粉 铁水、炉渣 高炉煤气高炉煤气 焦焦 碳碳 熔熔 剂剂 原料系统原料系统 煤气系统煤气系统 高炉本体高炉本体 送风系统送风系统 喷煤系统喷煤系统 渣铁系统 1.3 1.3 炼铁车间组成炼铁车间组成 高炉本体高炉本体 (blast furnace proper) 原料系统原料系统 (BF feed sy

4、stem) 送风系统送风系统 (blast system) 喷吹系统喷吹系统 (BF injection system) 渣铁系统渣铁系统 (slag-iron system) 煤气系统煤气系统 (BF gas cleaning system) 喷煤系统 返回返回 烧烧 返回返回 返回返回 球磨机球磨机 原煤仓原煤仓 收集罐收集罐 储煤罐储煤罐 喷吹罐喷吹罐 高炉高炉 返回返回 返回返回 烧炉 送风送风 返回 二、二、 炼铁工艺设计内容炼铁工艺设计内容 高炉冶炼主要技术经济指标高炉冶炼主要技术经济指标 车间规模及组成车间规模及组成 主要设备选型主要设备选型 高炉数目及容积的确定高炉数目及容积的

5、确定 车间平面布置车间平面布置 三、三、 炼铁工艺设计原则炼铁工艺设计原则 先进性先进性 经济性经济性 可靠性可靠性 第一章第一章 高炉车间设计高炉车间设计 一、主要技术经济指标的确定一、主要技术经济指标的确定 1 1、有效容积利用系数、有效容积利用系数v v （t/mt/m3 3d d） 每立方米高炉有效容积每天生产的合格每立方米高炉有效容积每天生产的合格 生铁量。生铁量。 反映高炉反映高炉生产率生产率的一个重要的指标，其的一个重要的指标，其 确定与使用的风温、风量、炉顶压力、确定与使用的风温、风量、炉顶压力、 原燃料质量有关。原燃料质量有关。 一般大高炉该指标优于小高炉一般大高炉该指标优于

6、小高炉 目前目前2.2.2 2 武钢武钢0808年平均年平均2.2.6 6 2 2、焦比焦比 K K （Kg/tKg/t铁）铁） 冶炼每吨合格生铁所消耗的焦碳量冶炼每吨合格生铁所消耗的焦碳量 这是反应高炉综合水平的指标。可根 据原燃料、风温、设备、操作条件进 行分析比较和计算确定。 一般焦比一般焦比400600Kg/t400600Kg/t，大炉取小值，小炉取大，大炉取小值，小炉取大 值，喷吹辅助燃料可有效降低值，喷吹辅助燃料可有效降低K K。 武钢武钢0606年年300300350350Kg/t。 3 3、煤比、煤比 （喷煤量）（喷煤量） Y（kg/tFe） 冶炼每吨生铁所喷吹的燃料量 主要决

7、定于高炉的操作条件 武钢：170kg/tFe 宝钢260kg/tFe。 4 4、冶炼强度、冶炼强度 I I（t/mt/m3 3d d） 每立方米高炉有效容积每天燃烧的燃每立方米高炉有效容积每天燃烧的燃 料量料量 是表示高炉作业强度的一个指标，在K 不变的情况下，I增大，产量增大 与原燃料条件，风机能力，操作条件等有与原燃料条件，风机能力，操作条件等有 关关 一般值在一般值在1 1.01.5.01.5？，小高炉取大值，小高炉取大值 5 5、生铁合格率、生铁合格率 合格生铁产量合格生铁产量/ /生铁总产量生铁总产量 在进行炼铁工艺计祘时，除了要确定以上在进行炼铁工艺计祘时，除了要确定以上 几个主要

8、指标外，还要对风温，炉顶压力，几个主要指标外，还要对风温，炉顶压力， 熟料率等有一个初步确定熟料率等有一个初步确定 二、车间规模的确定二、车间规模的确定 由全厂金属平衡决定，并考虑与由全厂金属平衡决定，并考虑与 原燃料资源条件相适应原燃料资源条件相适应。 三、高炉座数与有效容积的确定三、高炉座数与有效容积的确定 1、高炉座数的确定高炉座数的确定 高炉座数的确定必须考虑全厂的金属高炉座数的确定必须考虑全厂的金属 平衡和煤气平衡，即不可太多亦不能太少: 太少太少：检修时影响全厂铁水和煤气供应：检修时影响全厂铁水和煤气供应 太多太多：运输紧张，生产率低：运输紧张，生产率低 一般以一般以2424座座为

9、宜为宜 2 2、高炉有效容积（、高炉有效容积（VuVu）的确定）的确定 有效容积（有效容积（ Vu Vu ）：）： 钟式高炉：钟式高炉：大钟开启时大钟下沿距铁水大钟开启时大钟下沿距铁水 中心线这段距离所对应的容积中心线这段距离所对应的容积 无钟高炉：无钟高炉：溜槽垂直位置下沿距铁水中心溜槽垂直位置下沿距铁水中心 线这段距离所对应的容积线这段距离所对应的容积 VuVu是根据生铁日产量和利用系数祘出：是根据生铁日产量和利用系数祘出： Vu=P/ Vu=P/ v v 生铁日产量的计算：生铁日产量的计算： P=Q/P=Q/（N NC C） P P生铁日产量生铁日产量 t/d t/d N N高炉座数高炉

10、座数 Q Q生铁年产量（任务计划书中给出）生铁年产量（任务计划书中给出） C C年工作日年工作日 d d 四、高炉车间平面布置四、高炉车间平面布置 1 1、平面布置应遵循的、平面布置应遵循的原则原则 两大原则：两大原则：安全，方便安全，方便 安全：安全：车间应在主风向及水源下方（下游）车间应在主风向及水源下方（下游） ，各铁路尽量避免交叉等，各铁路尽量避免交叉等 方便：方便：整个布置要适应大的运输量，设备整个布置要适应大的运输量，设备 分布要紧凑，如风机靠近热风炉，分布要紧凑，如风机靠近热风炉， 铁水罐、修罐库、转炉三者在同一铁水罐、修罐库、转炉三者在同一 侧，喷煤紧靠高炉等侧，喷煤紧靠高炉等

11、 2 2、高炉车间平面布置形式、高炉车间平面布置形式 对于对于只有一个出铁场只有一个出铁场、产量不很多的、产量不很多的 中、小高炉中、小高炉可采用：可采用： 一列式一列式 并列式并列式 对于对于多铁口多铁口的的大、中型高炉大、中型高炉多采用：多采用： 岛式岛式 半岛式半岛式 1 1） 一列式布置一列式布置 其特点是热风炉与高炉中心线在同一列线 上，车间铁路线与高炉列线平行，渣铁线 少且不相联，相邻高炉和热风炉可共用某 些设备 2 2 ） 并列式布置并列式布置 特点：特点：一列式的简单变化，高炉与热风炉分一列式的简单变化，高炉与热风炉分 别设在两列线上，与一列式相比较，缩短了别设在两列线上，与一

12、列式相比较，缩短了 高炉间距，但热风管道延长，增加了热损失高炉间距，但热风管道延长，增加了热损失 4 4 ）半岛）半岛式式 其其特点特点与岛式相似（独立性），炉渣用专用处理与岛式相似（独立性），炉渣用专用处理 法（如冲水渣、皮带等）运走，取消了渣线，只法（如冲水渣、皮带等）运走，取消了渣线，只 有铁罐运行线，每个铁口设两条配车停放线，用有铁罐运行线，每个铁口设两条配车停放线，用 摆动流嘴，整个布置相对岛式更加简洁摆动流嘴，整个布置相对岛式更加简洁。 5 5）武钢）武钢5#5#高炉环形出铁场布置高炉环形出铁场布置 特点：特点：出铁场呈出铁场呈 环形，下面铺有环形，下面铺有 四条铁水运输线，四条铁

13、水运输线， 运输灵活能力大，运输灵活能力大， 是一种新型的适是一种新型的适 用于多铁口出铁用于多铁口出铁 的平面布置的平面布置 第二章第二章 高炉本体设计高炉本体设计 高炉本体的设计包括：高炉本体的设计包括： 高炉高炉炉型炉型的设计的设计 高炉高炉内衬内衬设计设计 高炉高炉冷却冷却设计设计 高炉高炉钢结构及基础钢结构及基础的设计的设计 高炉本体设计是否合理对于强化高炉本体设计是否合理对于强化 高炉冶炼，延长高炉寿命有重要关系高炉冶炼，延长高炉寿命有重要关系 1 1 高炉炉型的设计与发展高炉炉型的设计与发展 高炉高炉炉型炉型：高炉内部工作空间的形状：高炉内部工作空间的形状 现代高炉内型现代高炉内

14、型五段式五段式炉型：炉型： 炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸 这种炉型已存在了这种炉型已存在了200200多年，它适应了多年，它适应了 高炉内高炉内炉料流和煤气流的运动规律炉料流和煤气流的运动规律， 因而是现代广泛采用的高炉内型因而是现代广泛采用的高炉内型。 一一 、 高炉炉型的高炉炉型的 特征参特征参 ( ( 如图如图) 一高一高 二角二角 三径三径 Hu a. d.D.dHu a. d.D.d1 1 Hu Hu：有效高度：有效高度 Hu=hHu=h1 1+ h+ h2 2+ h+ h3 3+ h+ h4 4+h+h5 5 原则：原则： 参数选择是否符合两股料流运动规

15、律：参数选择是否符合两股料流运动规律： 物态变化：物态变化：固体炉料和煤气（组成固体炉料和煤气（组成 体积等）的变化体积等）的变化 热能和化学能是否充分利用热能和化学能是否充分利用 温度与速度分布是否合理温度与速度分布是否合理 二二 、 炉型的设计与计祘炉型的设计与计祘 按照设计任务书，已知炉容（按照设计任务书，已知炉容（VuVu）设计内型尺寸）设计内型尺寸 方法：方法： 对比法对比法 对比原燃料及操作条件相似的同类高炉，用对比原燃料及操作条件相似的同类高炉，用 对比法时一定要注意参考炉型的设计年代对比法时一定要注意参考炉型的设计年代 经验法或统计法经验法或统计法 通过经验和统计，回归出一系列

16、方程，再校通过经验和统计，回归出一系列方程，再校 核、修正，核、修正，VuVu允许误差允许误差1%1% 1 1、炉缸、炉底炉缸、炉底部位的设计与计祘：部位的设计与计祘：d.hd.h1 1 1）炉缸、炉底工作环境 高温 渣铁化学侵蚀 气固液粉多相冲击 该部位的工作条件恶劣，是高炉长寿的关键 部位 炉底、炉缸作用： 储存渣铁（随铁口数目增加，全天 候出铁，该作用逐减） 保证燃烧空间（随冶强增大，该作用 增强） 因而在设计时，必须将以上条件充 分考虑 炉缸直径炉缸直径d d 经验回归式：经验回归式： d d2 2=1=1.277(Vu.277(VuI/i)I/i) i i燃烧强度燃烧强度(t/m(t

17、/m2 2d),d), 表示炉缸截面的燃烧能力表示炉缸截面的燃烧能力 i i的合适值取决于风机能力和原燃料条件的合适值取决于风机能力和原燃料条件 （固（固C C含量、透气性等）含量、透气性等） i i过大：负荷太重，燃烧不完全过大：负荷太重，燃烧不完全 i i过小：燃烧慢，下料慢过小：燃烧慢，下料慢 一般一般i30t/mi30t/m2 2d. d. 取取2428 t/m2428 t/m2 2d. d. 在在 可能条件下，取大一点可能条件下，取大一点 日本日本( (对对大型高炉大型高炉进行统计进行统计) )回归方程：回归方程： d d2 2=20+0.04Vu=20+0.04Vu 在在VuVu2

18、000m2000m3 3时用这个公式更好一些时用这个公式更好一些 计祘出炉缸计祘出炉缸d d后可用后可用Vu/AVu/A炉缸来校核：炉缸来校核： Vu(mVu(m3 3) Vu/A) Vu/A 100300 1518 100300 1518 6001000 2224 6001000 2224 10002000 2426 10002000 2426 20004000 2628 20004000 2628 4000 28304000 2830 炉缸高度炉缸高度h h1 1 回归式：回归式： 2h2h1 1/d =078/d =0780.850.85 大炉子取上限大炉子取上限 日本式：日本式： h

19、h1 1=0.00788+0.426d=0.00788+0.426d 计祘完后用计祘完后用Vu/VVu/V缸 缸=58 =58倍来校核上式倍来校核上式 风口数目风口数目N N与风口高度与风口高度h hf f 确定风口数目（确定风口数目（N N）考虑因素考虑因素： 燃烧下料燃烧下料 炉子强度炉子强度 保证风口间距以安装风口大套保证风口间距以安装风口大套 N=N=d/s sd/s s风口间距（风口间距（1 1.1-1.2.1-1.2m m） 经验式：经验式：100010002000m2000m3 3BF: N=2BF: N=2（d+1d+1） 2000m2000m3 3BF: N=3BF: N=3

20、（d-1d-1） 风口高度（hf ）的确定： 风口高度：风口中心线到铁口中心线 的距离 hf=h1-a a安装风口的结构参数，0.35-0.5(大 炉取上限） 渣口（小炉子）中心线高度渣口（小炉子）中心线高度hzhz的确定的确定 渣分为渣分为: : 上渣上渣: :由渣口出来的渣，占总渣量的由渣口出来的渣，占总渣量的70%70% 下渣下渣: :随铁水从铁口出来的渣随铁水从铁口出来的渣 hzhz计祘按上渣量计祘（书上有参考公式）计祘按上渣量计祘（书上有参考公式） 注：注：现代大高炉由于原燃料条件好，冶炼吨铁渣现代大高炉由于原燃料条件好，冶炼吨铁渣 量少，铁口多，放铁次数多，因而不设渣口，熔量少，铁

21、口多，放铁次数多，因而不设渣口，熔 渣全部从铁口排出。渣全部从铁口排出。 铁口数目的确定铁口数目的确定 基 准 ：基 准 ： 1 1 个 铁 口 的 承 受 能 力 为个 铁 口 的 承 受 能 力 为 3000t/d3000t/d 铁口数目的确定可根据炉容大小，铁口数目的确定可根据炉容大小， 高炉每天产铁量，铁口维护，生产高炉每天产铁量，铁口维护，生产 调度决定调度决定, ,最多最多不超过不超过4 4个个 死铁层高度死铁层高度h ho o的确定的确定 死铁层作用：死铁层作用： 减少铁水环流速度（隔绝铁水流动对炉底的冲刷减少铁水环流速度（隔绝铁水流动对炉底的冲刷 侵蚀）侵蚀） ( (其相对固定

22、的热容）有利于炉底温度的均匀稳其相对固定的热容）有利于炉底温度的均匀稳 定定 经验式：经验式： 10002000m10002000m3 3 h ho o=(0.160.18)d=(0.160.18)d 2000m 2000m3 3 h ho o=(0.180.2)d =(0.180.2)d 目前的发展趋势是增加目前的发展趋势是增加h ho o， ， 如： 如： 宝钢宝钢3 3# #BF. Vu:4350 mBF. Vu:4350 m3 3 d:14m h d:14m ho o=2.985m0=2.985m0.2.2d d 2 2 、炉腹部位的设计、炉腹部位的设计 h h2 2， 设计时考虑：设

23、计时考虑： 减少煤气流对炉墙的冲刷减少煤气流对炉墙的冲刷( (减小减小） 炉料有充分的还原空间（炉料有充分的还原空间（h h2 2不致于不致于 过短）过短） 因而这部分最重要的就是选取适当因而这部分最重要的就是选取适当 的的 值来满足以上要求值来满足以上要求 D d ：一般一般8080o o8282o o，大高炉取小值，大高炉取小值 h h2 2 ：h h2 2= =（D-dD-d）tga/2tga/2 3 3、炉腰部位的设计、炉腰部位的设计 D D，h h3 3 D D：炉腰部位是软熔带开始形成部位，透气性较炉腰部位是软熔带开始形成部位，透气性较 差，因而差，因而D D稍大些为好。稍大些为好

24、。 一般用一般用D/dD/d值来确定值来确定 V Vu u 100300 6001000 10002000 100300 6001000 10002000 20002000 D/d 1.281.15 1.151.13 1.131.10 1.101.07D/d 1.281.15 1.151.13 1.131.10 1.101.07 日本式：日本式： D D2 2=24+0.048Vu=24+0.048Vu 2000 m2000 m3 3的高炉多用此经验式的高炉多用此经验式 h h3 3： 在结构上，炉腰起着承上启下的作用，在结构上，炉腰起着承上启下的作用， 使炉腹与炉身过度平缓，减小死角，而使炉

25、腹与炉身过度平缓，减小死角，而h h3 3 对冶炼无重大影响，因而对冶炼无重大影响，因而h h3 3在设计时用来在设计时用来 调节高炉容积的大小。调节高炉容积的大小。 一般：一般： 2000m 2000m 2000m3 3，h h3 3: 23m: 23m 4 4 炉身部位的设计：炉身部位的设计：h h4 4， 设计时考虑： 炉料和煤气的体积变化 煤气的合理分布及炉料的还原反应 如同炉腹部位一样，关键是选好值 d1 D ：一般一般80.580.58585，大高炉取小值，大高炉取小值 h h4 4： h h4 4= =（D-dD-d1 1）tg /2tg /2 5 5、炉喉部位的设计、炉喉部位的

26、设计 h h5 5，d d1 1 设计时考虑： 承接炉料及合理分布炉料 结构上与炉身配合好 d d1 1： ：我国经验：由 我国经验：由d d1 1/D=0.650.70/D=0.650.70确定确定 日本式日本式 d d1 12 2=11+0.022Vu =11+0.022Vu （大高炉）（大高炉） H H5 5： ：高度选择应能保证炉喉布料及其调节的 高度选择应能保证炉喉布料及其调节的 需要，一般取需要，一般取13m13m。大高炉取大值。大高炉取大值。 三、高炉炉型三、高炉炉型发展趋势发展趋势 随着高炉原、燃料质量、技术水平、设 备水平的进步，高炉的炉型逐渐有所发展： 1 1、大型化，矮胖

27、型发展：、大型化，矮胖型发展： 瘦长型：瘦长型：Hu/D=45 Hu/D=45 矮胖型：矮胖型：Hu/D=1.92.1Hu/D=1.92.1 随着各方面条件的改善（精料、随着各方面条件的改善（精料、 技术水平、设备水平（大风机）技术水平、设备水平（大风机） 高炉有效容积不断扩大，在炉容不高炉有效容积不断扩大，在炉容不 断扩大条件下，受焦炭强度的限制断扩大条件下，受焦炭强度的限制 及透气性的要求，有效高度及透气性的要求，有效高度HuHu增加增加 缓慢，呈现出大型化、矮胖型发展缓慢，呈现出大型化、矮胖型发展 趋势趋势 Hu与D的关系 Hu D 如武钢：如武钢： V VU U H HU U 4# 2

28、516m 4# 2516m3 3 30m 30m 老老1# 1386 m1# 1386 m3 3 26.7 m 26.7 m V VU U82% 82% H13.5%H13.5% 矮胖型的优点：矮胖型的优点： a a：有利于改善料柱的透气性，稳定炉料和煤：有利于改善料柱的透气性，稳定炉料和煤 气流的合理分布，并减轻炉料和煤气流对炉身气流的合理分布，并减轻炉料和煤气流对炉身 和炉胶的冲刷。和炉胶的冲刷。 b b：炉缸容积较大，死铁层较深，可减少渣铁：炉缸容积较大，死铁层较深，可减少渣铁 环流对炉底炉缸砖衬的冲刷。环流对炉底炉缸砖衬的冲刷。 c c：风口数目增加有利于高沪的强化冶炼。：风口数目增加

29、有利于高沪的强化冶炼。 2 2、炉缸直径、炉缸直径dd及炉缸体积及炉缸体积V V缸 缸所占比例 所占比例 随着高炉强化冶炼，要求焦碳燃烧量随着高炉强化冶炼，要求焦碳燃烧量，炉，炉 缸直径缸直径，炉缸体积，炉缸体积 V VU U/V/V也逐渐增大也逐渐增大 如： BF VU（m3） HU(m) HU/D d h1 V缸/ VU 武钢1# 1386 26.7 2.87 8.2 3.2 12.18% 武钢3# 3200 30.6 2.28 12.2 4.8 17.53% 宝钢3# 4350 31.5 2.07 14.0 5.4 19.1% 俄罗斯捷钢* 5580 34.8 2.10 15.1 5.7

30、 18.28% * *世界最大高炉，设计年代较老，指标不是很好。世界最大高炉，设计年代较老，指标不是很好。 3 3、风口数目、风口数目 , ,铁口数目铁口数目，渣口，渣口 随着冶炼强化，随着冶炼强化，II，风数数目，风数数目（目前最（目前最 多多4242个）。随高炉大型化及冶炼强化及精料等，个）。随高炉大型化及冶炼强化及精料等， 产量产量，铁口数目，铁口数目（目前最多（目前最多4 4个）。随精料个）。随精料 及多铁口全天侯出铁，渣口及多铁口全天侯出铁，渣口，甚至不设渣口，甚至不设渣口 4 4、炉身角、炉身角 随着炉容增加，料柱直径增大，炉料膨胀随着炉容增加，料柱直径增大，炉料膨胀 量量，炉身角

31、有减少的趋势，炉身角有减少的趋势 2 2 高炉炉衬设计高炉炉衬设计 一、概述一、概述 炉衬炉衬是由耐火砖、耐火材料组成的衬里是由耐火砖、耐火材料组成的衬里 高炉炉衬的高炉炉衬的作用作用： 减少高炉的热损失减少高炉的热损失 构成高炉的工作空间构成高炉的工作空间 保护炉壳和其它金属结构免受热应力和保护炉壳和其它金属结构免受热应力和 化学侵蚀化学侵蚀 注：注：高炉内衬各部位由于工作环境不同，破损高炉内衬各部位由于工作环境不同，破损 机理不同，因而在内衬的材质选择、砌筑方式和机理不同，因而在内衬的材质选择、砌筑方式和 厚度选择上也各不相同，高炉内衬的材质，砌筑厚度选择上也各不相同，高炉内衬的材质，砌筑

32、 方式，厚度等是否合理，是决定高炉一代表寿命方式，厚度等是否合理，是决定高炉一代表寿命 的关键因素的关键因素 二、高炉炉壁结构的发展二、高炉炉壁结构的发展 捷克式薄壁高炉捷克式薄壁高炉 厚壁高炉厚壁高炉 （炉壳喷水、（炉壳喷水、 （冷却板冷却、（冷却板冷却、 炉衬厚炉衬厚300mm300mm） 炉衬厚炉衬厚8001000mm8001000mm） 2020世纪世纪8080年代开始：新型薄壁高炉年代开始：新型薄壁高炉 （设计炉型即为操作炉型，薄壁炉衬，设计炉型即为操作炉型，薄壁炉衬， 全冷却壁全冷却壁, ,软水密闭循环）软水密闭循环） 如武钢如武钢1 1号高炉（号高炉（150mm150mm）。 二

33、、炉衬材质二、炉衬材质 根据根据A Al l2 20 03 3含量：含量： 高铝砖：高铝砖： A1A12 2O O3 3% %4848 粘土砖：粘土砖： A1A12 2O O3 3% %4848 刚玉砖：刚玉砖： A1A12 2O O3 3% %9595* * 烧结刚玉砖 烧结刚玉砖 电熔刚玉砖电熔刚玉砖 AlAl2 20 03 3含量越高，耐火度越高含量越高，耐火度越高 1 1、陶瓷质耐材、陶瓷质耐材 主要由主要由A Al l2 20 03 3组成组成 特点：特点：此类耐材具有耐磨，抗渣铁浸蚀能力强，此类耐材具有耐磨，抗渣铁浸蚀能力强， 但耐急冷急热性（热震）差，易剥落的特点。但耐急冷急热性

34、（热震）差，易剥落的特点。 2 2、C C质耐材质耐材 i) i) 热压微孔小热压微孔小C C砖砖 特点：特点：气孔小（气孔小（0.50.20.50.2m m，一般，一般C C砖气孔砖气孔3535m m）, , 体积小（长为体积小（长为514514或或779779，一般，一般C C砖砖80012008001200） 抗侵抗侵蚀能力强。蚀能力强。 ii)ii)石墨石墨C C砖砖: : 特点：特点：高温石墨化处理（外理温度高温石墨化处理（外理温度2300240023002400），）， 导热性好，抗热震能力强。导热性好，抗热震能力强。 iii)iii)自焙自焙C C砖：砖： 特点：特点：砌筑前没经

35、过高温处理，砌到高炉内，烘炉砌筑前没经过高温处理，砌到高炉内，烘炉 时自焙，成本低。时自焙，成本低。 iV)iV)碳化硅砖：碳化硅砖： S Si iN N4 4-SiC-SiC 特点：特点：耐磨性好，多用在炉身中下部耐磨性好，多用在炉身中下部 除了有以上的定型耐材以外，还有不定型除了有以上的定型耐材以外，还有不定型 耐火材料耐火材料 如如: : 浇注料浇注料 捣打料捣打料 喷涂料喷涂料 耐火泥浆耐火泥浆 V)V)铝铝C C砖：砖： （54%54%）AlAl2 2O O3 3（1215%1215%）C C（68%68%）SiCSiC 特点：特点：耐磨，抗热震耐磨，抗热震 总 结 ：总 结 ： C

36、 C 质 耐 材 具 有 导 热 性 高 ， 抗 渣 铁 能质 耐 材 具 有 导 热 性 高 ， 抗 渣 铁 能 力强，但易氧化的特点，所以风口附近不能用。力强，但易氧化的特点，所以风口附近不能用。 三、高炉内衬设计三、高炉内衬设计 1 1 、炉底、炉缸部位：、炉底、炉缸部位： 炉底、炉缸是高炉内的薄弱环节之一（另还炉底、炉缸是高炉内的薄弱环节之一（另还 有炉身中下部），因而也是设计的关键部位有炉身中下部），因而也是设计的关键部位 1 1）炉底、炉缸的）炉底、炉缸的工作环境工作环境及及破损原因破损原因 工作环境：工作环境： 高温 高压：气，载荷（静/动） 高温渣铁的熔损冲刷 碱金属 破损机理

37、：破损机理： a a：热应力破损和铁的渗透：热应力破损和铁的渗透 大块大块C C砖热端（与铁水接触）温度砖热端（与铁水接触）温度12001200 14001400，冷端（有冷却设备接触）温度仅，冷端（有冷却设备接触）温度仅 100150100150。所以其温差。所以其温差t t很大，可以达到很大，可以达到 13001300，因而产生热应力变化，产生了裂，因而产生热应力变化，产生了裂 缝。缝。 而铁水（比重而铁水（比重6.87.06.87.0）比）比C C砖（比重砖（比重1.51.5 2 2）重，易渗入裂缝形成）重，易渗入裂缝形成FeFe3 3C C为一疏松的结为一疏松的结 构，加速了铁水的渗透

38、。构，加速了铁水的渗透。 由此看来，要想法降低由此看来，要想法降低t t，并防，并防 止铁水渗透止铁水渗透 b b：高温渣铁环流破损：高温渣铁环流破损 高温渣铁高温渣铁环流环流引起炉底炉缸呈蒜头型侵蚀引起炉底炉缸呈蒜头型侵蚀 引起环流的引起环流的原因原因： 热驱动热驱动: : 中心铁和边缘铁的温差引起的。中心铁和边缘铁的温差引起的。 机械力机械力: : 中心焦的沉浮。中心焦的沉浮。 目前高炉使用全目前高炉使用全C C砖炉底砖炉底, ,（t t 大）因而蒜头型很严重，环流因大）因而蒜头型很严重，环流因 素表现的更突出，素表现的更突出， 而过去使用陶瓷质炉底，侵蚀情而过去使用陶瓷质炉底，侵蚀情 况

39、为锅底式的（往下侵蚀）况为锅底式的（往下侵蚀） c：碱金属，重金属的沉积：碱金属，重金属的沉积 碱金属与碱金属与C C砖反应生成碱性碳化物，引起体积砖反应生成碱性碳化物，引起体积 变化，强度降低，破坏变化，强度降低，破坏C C砖。砖。 重金属如重金属如PbPb的沉积更加速了炉底铁水的渗透的沉积更加速了炉底铁水的渗透。 d d：操作和原料成分的波动：操作和原料成分的波动 这些波动均会引起温度波动，产生热震，破这些波动均会引起温度波动，产生热震，破 坏炉衬坏炉衬。 在以上破坏机理中，热应力破损和铁的渗 透是最主要的破坏方式 炉底炉缸内衬设计炉底炉缸内衬设计 i)i)原则原则：考虑主要的破坏机理，设

40、计时考虑：考虑主要的破坏机理，设计时考虑： a.a.加快热传递，降低温差加快热传递，降低温差t t b. b.降低铁水渗透侵蚀降低铁水渗透侵蚀 ii)ii)炉底、炉缸内衬发展炉底、炉缸内衬发展 厚度厚度：厚炉底（厚炉底（56m56m） 薄炉底（薄炉底（23m23m） （是一个消极态度）（是一个消极态度） （改进材质，强化（改进材质，强化 冷却）冷却） 材质材质：陶瓷质陶瓷质 陶瓷陶瓷C C质质 （粘土（粘土 高铝高铝 高铝粘土）（环砌高铝粘土）（环砌C C质，底砌陶瓷）质，底砌陶瓷） 全全C C 综合（陶瓷杯）综合（陶瓷杯） iii)iii)典型结构 a a： 法国法国“SAVOICSAVOI

41、C”为代表的为代表的陶瓷杯结构陶瓷杯结构 特点：紧靠铁水用刚玉质砖，不让C砖与铁水直接 接触，利用其耐高温及较强的抗渣铁性能，起到使 碳砖免受高温渣铁侵蚀的作用。同时外层碳砖的高 导热性又可将陶瓷杯输出的热量很快导出，提高炉 衬寿命。其中刚玉和C质厚度1:22.5 （保温型） b:b:美国美国“VCARVCAR”为代表的为代表的热压小热压小C C砖结构砖结构 要点：要点：利用小块利用小块C C砖（气孔率很小，导砖（气孔率很小，导 热好）迅速的把热量传出去，小块热好）迅速的把热量传出去，小块C C砖砖 之间用高导热性的特殊的胶质粘结剂粘之间用高导热性的特殊的胶质粘结剂粘 结。这种结构一定要加强冷

42、却。结。这种结构一定要加强冷却。 （散（散 热型）热型） 武钢8高炉陶瓷杯炉底结构：杯底 2900碳捣料 4001平高导热石墨砖 10002立碳砖 4002立刚玉莫来石砖 炉底66根水冷管 杯壁： 500（400、450） 150（138、143、 140）99 微孔刚玉砖 2 炉腹、炉腰及炉身中下部 破损机理破损机理 i i） 下降炉料及上升高温、高压煤气的磨损下降炉料及上升高温、高压煤气的磨损 这里的磨损相当严重，特别是炉腹部位这里的磨损相当严重，特别是炉腹部位 iiii）初渣的侵蚀）初渣的侵蚀 初渣含大量初渣含大量FeO, MnOFeO, MnO等，流动性好，易等，流动性好，易 与砖中与

43、砖中SiO2SiO2反应而侵蚀耐材反应而侵蚀耐材 iii)iii)碱金属和锌蒸汽造成的碳素沉积和化学碱金属和锌蒸汽造成的碳素沉积和化学 反应。反应。 如如90010209001020时时 Zn+COZn+COZnO+CZnO+C 设计指导思想设计指导思想 这部分的设计要求耐材有这部分的设计要求耐材有 a.a.良好的耐磨性良好的耐磨性 b.b.抗渣铁熔蚀能力强抗渣铁熔蚀能力强 c.c.较好的抗碱金属侵蚀能力。较好的抗碱金属侵蚀能力。 该部位多采用高铝砖，也有用该部位多采用高铝砖，也有用C C砖或砖或SiCSiC 砖的砖的 3 3 炉身上部与炉喉炉身上部与炉喉 破损机理破损机理 a.a.机械力破损

44、机械力破损（最主要的原因）最主要的原因） 包括固体炉料的撞击与磨损；气流包括固体炉料的撞击与磨损；气流 的冲刷等。的冲刷等。 b.b.炉喉部位，还有装料时炉喉部位，还有装料时温度的剧温度的剧 变。变。 设计指导思想：设计指导思想： 这个部位采用的耐材要这个部位采用的耐材要 耐磨损而无需高温要求，耐磨损而无需高温要求， 多采用粘土砖。多采用粘土砖。 炉喉直接与炉料炉喉直接与炉料 碰撞部位，要用耐磨和碰撞部位，要用耐磨和 耐热铸钢制成的炉喉钢耐热铸钢制成的炉喉钢 砖（如图）。砖（如图）。 如武钢如武钢5#BF5#BF，4848块钢砖。块钢砖。 举例：举例： 武钢武钢4 4BFBF第三代炉役耐材使用

45、情况（从上到下）第三代炉役耐材使用情况（从上到下） 1 1、炉喉：炉喉钢砖（配水冷）、炉喉：炉喉钢砖（配水冷） 2 2、炉身上部：粘土砖，抗打击、炉身上部：粘土砖，抗打击 3 3、炉身中、下部，炉腰：、炉身中、下部，炉腰：SiN-SiCSiN-SiC砖，抗煤气冲刷，抗碱砖，抗煤气冲刷，抗碱 金属侵蚀金属侵蚀 4 4、炉腹：同、炉腹：同3 3，但目前出现增加，但目前出现增加Al2O3Al2O3的趋势以应对高热容、的趋势以应对高热容、 侵蚀和冲刷。侵蚀和冲刷。 5 5、风口：要求抗渣、抗碱。原来：刚玉莫来石（体积膨、风口：要求抗渣、抗碱。原来：刚玉莫来石（体积膨 胀大，不抗碱），目前：微孔刚玉砖，

46、强度大，抗侵蚀能胀大，不抗碱），目前：微孔刚玉砖，强度大，抗侵蚀能 力强。力强。 6 6、炉底：为水冷薄炉底，散热型，（兰州）半石墨碳砖。、炉底：为水冷薄炉底，散热型，（兰州）半石墨碳砖。 3 3 高炉冷却设计高炉冷却设计 一、冷却目的 保护耐材，维护合理炉型 确保形成稳定渣皮 保护钢结构（炉壳、支撑结构等） 冷却强度要合适： 太小：砖衬可能被侵蚀，破坏。 太大：炉料粘结，炉墙结厚 二二 冷却介质冷却介质 1 1 对冷却介质的要求：对冷却介质的要求： 热容量大，导热能力好，价廉，易获得热容量大，导热能力好，价廉，易获得 2 2 常用冷却介质：常用冷却介质： 主要用水，和电、风、汽化等主要用水，

47、和电、风、汽化等 工业水：工业水： 过滤，稍微处理，过滤，稍微处理，Ca2+Ca2+，Mg2+Mg2+含量仍较高，含量仍较高， 硬度高。硬度高。 软水：软水： 经离子交换器处理后，基本不含经离子交换器处理后，基本不含Ca2+Ca2+，Mg2+Mg2+。 纯水：纯水： 只含少量的只含少量的H+H+和和OH-OH- 三三 冷却方式冷却方式 1 1 工业水冷却工业水冷却 工艺简单，投资省，但富含工艺简单，投资省，但富含CaCa2+ 2+， ，MgMg2+ 2+易形 易形 成水垢，增大热阻，冷却水不能及时将冷却器承成水垢，增大热阻，冷却水不能及时将冷却器承 受的热流导出，致使冷却器基体温度升高，受的热

48、流导出，致使冷却器基体温度升高，冷却冷却 器易烧坏，寿命一般器易烧坏，寿命一般2 23 3年。年。 中小钢厂一般采用中小钢厂一般采用 2 2、软水循环冷却、软水循环冷却 软水开路循环：软水开路循环： 循环过程中冷却水大量蒸发，循环过程中冷却水大量蒸发， 补充水量大，水质容易受到污染。（宝钢补充水量大，水质容易受到污染。（宝钢1 1号号BFBF部部 分）分） 软水闭路循环软水闭路循环：( (卢卢PWPW公司公司) ) 软水闭路循环：软水闭路循环： 一、使系统压力大于炉内压力，使氧气、煤气和一、使系统压力大于炉内压力，使氧气、煤气和 颗粒物不能进入水管内而污染水质和影响冷却效颗粒物不能进入水管内而

49、污染水质和影响冷却效 果。果。 二、提高了冷却水的汽化温度以及系统的欠热度二、提高了冷却水的汽化温度以及系统的欠热度 冷却器中水温与汽化温度之差），减少了汽化量，冷却器中水温与汽化温度之差），减少了汽化量， 防止气塞及加强了冷却效果。防止气塞及加强了冷却效果。 脱气罐：脱气罐：脱气，脱气， 防止气塞，加快防止气塞，加快 水速。水速。 膨胀罐：膨胀罐：内通过内通过 氮气加压氮气加压 这种方式冷却效果好，水量蒸发损失少，冷却器这种方式冷却效果好，水量蒸发损失少，冷却器 寿命寿命10151015年（武钢年（武钢1#1#，4#4#，5#5#及以后新建高炉）。及以后新建高炉）。 3 3 纯水闭路循环：纯

50、水闭路循环： 纯水是最好的冷却介质，但纯水制备系统造纯水是最好的冷却介质，但纯水制备系统造 价很高（宝钢价很高（宝钢1#BF1#BF某些部位）。某些部位）。 四、冷却设备四、冷却设备 光面冷却壁光面冷却壁 镶砖冷却壁镶砖冷却壁 ： 镶砖冷却壁镶砖冷却壁 带凸台镶砖冷却壁带凸台镶砖冷却壁 1 1、炉体冷却设备、炉体冷却设备 （1 1）冷却壁）冷却壁 这是高炉中运用得最多的一种冷却设备，这是高炉中运用得最多的一种冷却设备， 它是包在炉衬外面，紧靠炉皮，用螺栓固定它是包在炉衬外面，紧靠炉皮，用螺栓固定 在炉壳上的壁形冷却器，是无缝钢管铸入生铁中在炉壳上的壁形冷却器，是无缝钢管铸入生铁中 制成的。制成

51、的。 光面冷却壁光面冷却壁（ 如如 图）图）。 厚：厚：8080110110 长：长：20002000 宽：宽：700700800 800 特点特点：冷却强度大，：冷却强度大， 冷却均匀。冷却均匀。 多用于炉底，炉缸部多用于炉底，炉缸部 位位 镶砖冷却壁镶砖冷却壁 （如图）（如图） 厚：厚：150150230 230 特点特点： 耐磨、耐冲刷，易结耐磨、耐冲刷，易结 渣皮代替炉衬的工作渣皮代替炉衬的工作 。 多用于炉腹、炉腰以多用于炉腹、炉腰以 及炉身中下部及炉身中下部 带凸台的镶砖冷却壁带凸台的镶砖冷却壁 特点：特点： 除具有一般镶砖冷却壁除具有一般镶砖冷却壁 的优点以外，还起到了的优点以外

52、，还起到了 对上部砖衬的支托作用对上部砖衬的支托作用 多用于炉腹，炉腰，炉多用于炉腹，炉腰，炉 身中下部。身中下部。 砌筑时，冷却壁之间的间隙，上下：砌筑时，冷却壁之间的间隙，上下：10mm10mm， 左右：左右：20mm20mm，块数多为风口数的，块数多为风口数的2 2倍（炉腰、倍（炉腰、 炉腹部位）。炉腹部位）。 使用冷却壁的使用冷却壁的优点优点： 炉壳开孔少，密封性和强度好，冷却均炉壳开孔少，密封性和强度好，冷却均 匀，炉衬内壁光滑，下料阻力小。匀，炉衬内壁光滑，下料阻力小。 现在大量使用的铜冷却壁，如武钢现在大量使用的铜冷却壁，如武钢8 8BFBF从第从第2 2 9 9段（炉身下部）均

53、使用铜冷却壁。段（炉身下部）均使用铜冷却壁。 （2 2）插入式冷却器）插入式冷却器 是一种埋没在高炉砖衬之内的冷却器，材质多是一种埋没在高炉砖衬之内的冷却器，材质多 用铸铜，内铸钢管。用铸铜，内铸钢管。 主要包括两大类主要包括两大类 ： 冷却板，厚冷却板，厚70-110mm70-110mm 支梁式水箱，前端厚支梁式水箱，前端厚230-450mm230-450mm 冷却板冷却板特点特点： 冷却强度大（铜），可维持较厚的砖衬，冷却强度大（铜），可维持较厚的砖衬， 由于插入砖衬中，故和砖的接触面较大，冷却效由于插入砖衬中，故和砖的接触面较大，冷却效 果较好，同时也能支承砌体。果较好，同时也能支承砌体

54、。 但冷却不均匀，炉衬侵蚀后凸凹不平，但冷却不均匀，炉衬侵蚀后凸凹不平， 影响炉料下降，炉壳开孔多，密封性差。影响炉料下降，炉壳开孔多，密封性差。（宝钢（宝钢 1 1号高炉炉体采用冷却板冷却，冷却板分号高炉炉体采用冷却板冷却，冷却板分4646层，层， 每层每层5050个，共个，共23002300个）个） 适合于厚炉衬，常压高炉适合于厚炉衬，常压高炉 现在薄炉衬高压高炉多用冷却壁现在薄炉衬高压高炉多用冷却壁 2 2、炉底冷却、炉底冷却 大型高炉炉底直径大，单靠炉底周围冷却大型高炉炉底直径大，单靠炉底周围冷却 不能使中心热量散出，必须进行炉底冷却。不能使中心热量散出，必须进行炉底冷却。 过去多用风

55、冷：安全，但动力消耗大，冷过去多用风冷：安全，但动力消耗大，冷 却强度低。却强度低。 现在多采现在多采水冷炉底水冷炉底。 （3 3）发展趋势：）发展趋势： 过去：北过去：北：（：（鞍钢）上板下壁鞍钢）上板下壁 南南：（：（武钢）全壁武钢）全壁 现在：全壁现在：全壁 过去：炉身上部不冷却过去：炉身上部不冷却 现在：全冷现在：全冷 在设计时根据冷却制度确定水冷管管径、多少、在设计时根据冷却制度确定水冷管管径、多少、 布置等布置等 EgEg：武钢：武钢4#BF4#BF炉底水冷管：炉底水冷管：6666根根11011012mm12mm无无 缝钢管缝钢管 炉底水冷管炉底水冷管是数十是数十 根水平平行排列的

56、根水平平行排列的 无缝钢管，水冷管无缝钢管，水冷管 之间石墨碳质捣打之间石墨碳质捣打 料捣实。料捣实。 热混凝土基础 中间密，边缘疏 水管 炉底炭砖 3 3、 风口冷却风口冷却 风口的结构如图风口的结构如图P104P104图图5 523 23 风口装置前端由大、中、小三个水套组成，小套风口装置前端由大、中、小三个水套组成，小套 有一部分伸入炉内，对风口的冷却就是指对这三有一部分伸入炉内，对风口的冷却就是指对这三 个套主要是小套的冷却。个套主要是小套的冷却。 风口在高炉内是较易损坏的设备，风口在高炉内是较易损坏的设备，损坏原因损坏原因主要主要 是铁水的熔损和炉料（焦炭、煤粉）的磨损是铁水的熔损和

57、炉料（焦炭、煤粉）的磨损 目前，风口正常寿命不到半年。目前，风口正常寿命不到半年。 （1 1）风口冷却结构的发展：）风口冷却结构的发展： 1 1）空腔式：）空腔式： 用紫铜铸造而成，冷却水流速很低，用紫铜铸造而成，冷却水流速很低， 0.51m/s0.51m/s，角部存在涡流区，因而冷却强度小，角部存在涡流区，因而冷却强度小， 风口寿命短，经常被烧坏。风口寿命短，经常被烧坏。 2 2）螺旋式：（包钢为代表）螺旋式：（包钢为代表） 它是由矩形紫钢绕制成的螺旋管状，然它是由矩形紫钢绕制成的螺旋管状，然 后焊接成整体。冷却水速达到了后焊接成整体。冷却水速达到了13.82m/s13.82m/s。 3 3

58、）贯流式：（宝钢为代表）贯流式：（宝钢为代表） 把风口分成若干个区域，每个区域根据热流把风口分成若干个区域，每个区域根据热流 情况不同，前端水速高，后端水速低，前端情况不同，前端水速高，后端水速低，前端 水速水速14m/s 14m/s （2 2）延长风口寿命的措施）延长风口寿命的措施 过去是由于水流速度不够造成风口过去是由于水流速度不够造成风口熔损熔损。 喷煤后，由于煤粉磨损，又造成风口喷煤后，由于煤粉磨损，又造成风口磨损磨损。 延长风口寿命的延长风口寿命的措施措施有：有： 1 1）提高水速、水压（提高冷却强度）提高水速、水压（提高冷却强度） 2 2）改进材质、结构（即要考虑导热好，如用纯）改

59、进材质、结构（即要考虑导热好，如用纯 度高的度高的CuCu，又要考虑耐磨，可喷涂耐磨涂料），又要考虑耐磨，可喷涂耐磨涂料） 3 3）改进水质（如用纯水闭路循环）改进水质（如用纯水闭路循环） 4 4）改进喷枪结构（减少磨损）改进喷枪结构（减少磨损） 4 4、武钢、武钢5#BF5#BF炉体冷却：炉体冷却： 冷却方式：冷却方式：引进卢森堡引进卢森堡PWPW公司软水密闭循环冷却公司软水密闭循环冷却 系统，冷却壁、风口热风阀和炉底三个独立的软系统，冷却壁、风口热风阀和炉底三个独立的软 水密闭循环系统。水密闭循环系统。 特点特点： 全冷却壁全冷却壁：从炉基到炉身上部一共：从炉基到炉身上部一共1616段冷却

60、壁（段冷却壁（ 下部光面冷却壁，上部镶砖冷却壁，炉身带凸台镶下部光面冷却壁，上部镶砖冷却壁，炉身带凸台镶 砖冷却壁）使整个炉体冷却均匀，冷却强度大。砖冷却壁）使整个炉体冷却均匀，冷却强度大。 冷却壁安装取消螺柱固定而借用冷却壁套管与炉冷却壁安装取消螺柱固定而借用冷却壁套管与炉 壳壳弹性结合弹性结合，消除热应力，防止了热应力将水管剪，消除热应力，防止了热应力将水管剪 坏。坏。 从从9191年开炉年开炉1010年间直管坏年间直管坏5 5根，带凸台的管子坏根，带凸台的管子坏1212根，整根，整 个运行情况良好个运行情况良好 5 5 、武钢、武钢1#BF1#BF（2200m2200m3 3） 砖壁合一