包头地区1500m3高炉本体结构设计毕业设计论文.doc

内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书包头地区1500m3高炉本体结构设计毕业设计论文第一章文献综述绪论高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、冷却设备以及高炉炉型设汁等。高炉的大小以高炉有效容积表示，高炉有效容积和高炉座数表明高炉车间在欧洲高炉的发展过程中，有两的规模，高炉炉型设计是高炉本体设计的基础。近代高炉炉型向着大型横向发展，目前，世界高炉有效容积最大的是5580m，高径比2.0左右。高炉本体结构设计的先进、合理是实现优质、低耗、高产、长寿的先决条件，也是高炉辅助系统设计和选型的依据。1.1高炉发展史两种基本炉型相互竞争，一种是矮炉腹型高炉，和一种是高陡面炉腹型高炉。1750年，英国的工业革命开始了。在燃烧上用焦炭代替木炭，这种转变使炼铁业突破了束缚，不再为木炭的短缺而陷入困境。因为不仅民用燃烧需要大量木料，而且为了提高农业产量也在大量砍伐森林。因此，对于人口密度高的国家，要靠木炭来增加铁的产量是不易的。到18世纪末，煤和蒸汽机已使英国的炼铁业彻底改革，铁的年产量从公元1720年的2.0510000吨年（大多是木炭铁）增加到1806年2.5100000吨年（几乎全是焦炭铁）。估计，每生产一吨焦炭需煤3.3吨左右。但是，高炉烧焦炭势必增加碳含量，以致早期的焦炭生铁含碳在1.0以上，全部成为灰口铁即石墨铁。高炉的尺寸在18世纪内一直在增大。从公元1650年约7米，到1794年俄国的涅夫扬斯克高炉已增高到13.5米。因为焦炭的强度大，足以承担加入的炉料的重量。大多数的炼炉采用炉缸、炉腹和炉身三部分按比例构成。19世纪末，平滑的炉衬公认为标准的炉衬，这基本上已经是现在的炉型。炉底直径约10米，炉高约30米。全部高炉都设有两只以上的风嘴。另一个巨大的进步就是采用热风。20世纪后，现代钢铁业就蓬勃发展起来。1.2高炉炉型及展过程高炉是竖炉，高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或高炉内型。高炉冶炼的质是上升的煤气流和下降的炉料之间进行传热传质的过程，因此必须提供燃料燃烧的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空问。高炉炉型要适应原燃料条件的要求，保证冶炼过程的顺利。图11现代高炉剖面图主要受当时的技术条件和原燃料条件的限制。随着原燃料条件的改善以及鼓风能力的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展，炉型演变过程大体可分为3个阶段。(1)无型阶段又称生吹法。在土坡挖洞，四周砌行块，以木炭冶炼，这是原始的方法。(2)大腰阶段炉腰尺寸过大的炉型。由于工业不发达，高炉冶炼以人力、蓄力、风力、水力鼓风，鼓风能力很弱，为了保证整个炉缸截面获得高温，炉缸直径很小，冶炼以木炭或无烟煤为燃料，机械强度很低，为了避免高炉下部燃料被压碎，从而影响料柱透气性，故有效高度很低；为了人工装料方便并能够将炉料装到炉喉中心炉喉直径也很小，而大的炉腰直径减小了烟气流速度，延长了烟气在炉内停留时间，起到焖住炉内热量的作用。因此，炉缸和炉喉直径小，有效高度低，而炉腰直径很大。这类高炉生产率很低,一座28m3高炉日产量只有1.5 t左右。19世纪末，由于蒸汽鼓风机和焦炭的使用、炉顶装料设备逐步实现机械化，高炉内型趋向于扩大炉缸和炉喉直径，并向高度方向发展，逐渐形成近代五段式高炉炉型。最初的五段式炉型，基本上是瘦长型，由于冶炼效果并不理想，相对高度又逐渐降低。(3) 近代高炉 ，由于鼓风机能力进一步提高原燃料处理更加精细， 高炉炉型向着 “大型横向”发展。高炉内型合理与否对高炉冶炼过程有很大影响。炉型设计合理是获得良好技术经济指标，保证高炉操作顺行的基础1。1.3高炉用耐火材料在侵蚀性因素联合作用下引起高炉炉衬损毁，这些因素包括:炉渣、碱类物质、铁水、气体介质、炉料磨损、热应力等。高炉每个部位使用条件的不同，要求区别对待炉衬每个区段用相应耐火材料的选择。大体上假定将高炉分为两部分:上部风口区以上部分;下部风口区以下部分。同样地上部分还可分为若干小区段非冷却炉身的上部、冷却炉身的下部、炉腹、炉腰和风口区。目前这些小区段均采用牌号IUII 1-39及IuII1-41的粘土质耐火材料砌筑。对损毁因素影响条件不同的各区段炉衬采取如此笼统地对待方法不会得到有效的结果。炉衬的个别区段过早损毁。为了在炉子有节秦工作和最佳操作制度下组织其稳定的作业，必须将非冷却炉身的上部分砌为两层炉衬:第一层(工作层)由VIII及-41粘土质耐火材料砌筑，第二层由MKPII-340纤维板砌筑。该纤维板是由含50 % A1203的莫来石硅质纤维制造的。由两层材料组成的复合炉衬可以抵抗炉料的摩擦作用，而且可以减少透过炉壳的热量损失。对于炉身的冷却部分来说，近10年来国外广泛采用氮化硅结合、氧氮化硅结合和自结合碳化硅质耐火材料，其使用效果良好。我们推荐在炉身下部采用双层炉衬，即工作部分由IUII八-41粘土质耐火材料砌筑，第二层由氮化硅结合的碳化硅质耐火材料砌筑。推荐的复合炉衬可以保证达到更强化而均匀的冷却。对炉腰也推荐采用类似的炉衬，而炉腹则采用碳化硅质耐火材料砌筑。风口区下部的炉衬则推荐采用ILI17八-42粘土质耐火材料和刚玉碳化硅质耐火材料砌筑。对于炉缸的上部来说，推荐采用刚玉碳化硅质耐火材料。此种耐火材料由电熔刚玉及共同细粉碎混合物组成。共同细粉碎混合物中包括30 % Sic, 10 % Si及下列氧化物中的任何一种:MgO,A12O3及ZrO2 。含有氮化物结合剂的刚玉耐火材料对熔融炉渣及金属液的作用具有较高的抵抗性。耐火材料的开口气孔率介于14%一17%之间，体积密度2.83g/cm3一2.97g/cm3，耐压强度124MPa-187MPa。此类耐火材料中的结合剂为氮化硅、氧氮化硅及赛隆。为了砌筑高炉炉身内衬，采用碳化硅质耐材料，后者对化学因素及物理机械因素具有较高的抵抗性。碳化硅质耐火材料应用于炉身下部、炉腰、炉腹和炉缸上部。炉缸下部及炉底内衬的结构.其左侧为目前采用的结构，右侧为推荐的采用新型耐火材料的结构。内衬使用的持续时间在很大程度上受到膨胀缝放置的位置正确与否及用于充填该类缝的碳素泥料质量的高低等因素制约。由于沿着直径及高度方向炉衬受到的加热温度的不同，要求单独地区别对待每一个温度区和分区砌筑的砌体结构，并要考虑在加热及冷却时炉衬的体积变化。在操作过程中出现的热应力应使之分散。在整个砌体内要预留应力释放处，这便是膨胀缝。热导率为10w/(m.K)一15W/(mK)的碳素泥料便能满足此类要求。在一些钢铁厂中到目前为止一直沿用以粘土熟料、生粘土、焦炭和沥青为原料的水调的炮泥。此类炮泥的使用寿命较低，收缩率较高及附着强度低。乌克兰耐火材料科学研究院研制成功无水炮泥并在克里沃罗格钢铁公司进行推广应用。该炮泥由焦炭、煤焦油、煤沥青、生粘土及粘土熟料组成，其性能如下:体积膨胀率2. 5 %3 %;耐压强度镇9MPa;被铁水冲刷速度低1.0mg/( cm2min)1. 3 mg/ ( cm2min)。因此，炮泥的耗量下降50%一65%,泥套用泥的耗量下降90%以上。采用此种炮泥后，保证出铁口及出渣口封堵可靠，允许高炉每次出铁水1000吨以上及出渣400吨，而且未降低鼓风压力，并消除了出铁水时夹带焦炭的现象2。1.3.1高炉用耐火材料的演变炼铁技术的发展带动了高炉用耐火材料的进步。不过高炉炉衬的更新换代是十分缓慢的。由于近几十年高炉的大型化及其广泛采用强化冶炼的高炉操作，相应地高炉用耐火材料也出现了重大变化。在炉身上部这个区域温度较低，目前用耐火材料有：高铝砖、粘土砖、浸渍磷酸盐粘土砖、最上部紧靠钢砖部位国外也有用SiC砖的。这个部位并不是影响高炉寿命的决定因素，耐火材料基本都是Al2O3-SiO2系，没有发生太大变化。高炉中段用耐火材料，在50年代以前，全世界的高炉基本上都是Al2O3-SiO2系耐火制品。进入六十年代中后期，工业先进国家重点研究解决高炉中段用耐火材料重要进行了以下两个方面的工作：1）优质高纯高铝制品，包括刚玉砖、刚玉-莫来石砖和铬刚玉砖等；2）优质碳化硅制品，主要为自结合和氮化硅结合的碳化硅砖。进入80年代中期至今，研究开发了Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉砖。探索范围是从优质高纯高铝制品开始的。构思渊源是在传统粘土砖和高铝砖的基础上提高纯度和密度。工艺措施是采用高纯刚玉砂、合成莫来石和氧化铬原料、高压成型和高温烧成。这些制品气孔率低，高温强度较高，耐磨性强，抗CO和抗碱侵蚀性能也有一定提高。在七十年代国际上许多高炉先后采用它们来砌筑中段（宝钢从新日铁引进的大型高炉采用刚玉砖）。然而，十几年的实践说明，采用优质高纯高铝制品在提高中段寿命效果不够显著，一般只能提高1-2年，未能达到满意的技术经济效益。究其原因，关键在于Al2O3-SiO2系耐火材料无论是刚玉还是莫来石，其抗碱侵蚀性不够理想。它们容易被碱蒸气或碱凝聚物所分解，并伴随有较大的体积膨胀，从而导致材料损毁。例如它们在碱的作用下，600-900会形成钾霞石（KAS2）、白榴石（KAS4）、六方钾霞石（KAS2）、铝酸钾（KA）、-氧化铝（-Al2O3）等矿物并引进6-20%体积膨胀。几个主要化学反式如下：Al2O32SiO2+K2CO3K2OAl2O32SiO2+CO2Al2O32SiO2+2SiO2+ K2CO3K2OAl2O34SiO2+ CO3Al2O32SiO2+K2CO3K2OAl2O32SiO2+2Al2O3+CO2Al2O32SiO2+K2OSiO2K2OAl2O32SiO2+SiO23Al2O32SiO2+K2OSiO2K2OAl2O32SiO2+ Al2O3另一条途径是从金属非氧化物入手。考虑到非氧化物一般抗碱侵蚀性能较好，只要具有适当的抗氧化性，很可能成为较理想的中段材料。优质SiC制品被人们重视和大量采用是从七十年代中后期才开始，而且后来居上。1969年在比利时首先出现了高炉用SiC砖衬试验 。1971年美国在高炉的风口区试用过，1974年日本Muroran于炉身下部试用，1976年美国Spaiicw.Point,1977年法国Dunkerque用于炉腰。此后，它的优越性很快被实践所证明，因而得到迅速推广应用。高炉炉底和炉缸耐火材料，在50年代以前，基本上以铝硅质耐火材料为主，但使用寿命不长，经常出现炉缸、炉底烧穿事故。1939年德国第一次使用炭砖砌筑炉底，取得了好的效果，后来日本、美国改用炭砖和致密粘土砖实行综合炉底，使用寿命达到15年。在中国，1958年以后才采用炭砖砌筑炉底，解决了炉底炉缸烧穿的技术难题。60年代，使用全碳质炉底使高炉炉底损毁状况得到重大改进，降低了炉底的磨损，延长了炉底的寿命，但这种炉底的热损失很大，且对短暂的休风非常敏感。所以，对复风后恢复正常操作带来困难。1984年法国Savoie耐火材料公司首次在德国蒂森钢铁公司高炉上采用了一种新型复合式炉衬，称为“陶瓷杯”。从此以后，德国、法国、南非、瑞典、比利时、中国、南韩、印度等国家高炉广泛采用“陶瓷杯”技术。据统计，19841990年，有11座高炉采用陶瓷杯技术；19911994年有12座高炉采用陶瓷杯；1995年至今至少有11座高炉采用陶瓷杯技术3。1.3.2高炉炉衬新材料炉衬用耐火材料的寿命决定着高护的炉役年限。目前世界上采用的两种不同的办法是:A)砌筑昂贵的炉衬来满足高炉的整个炉役年限，B)砌筑不太昂贵的炉衬，而在高护的炉役内对炉衬进行一次或二次的“中间性修补”，尤其是在高炉的炉腰及炉身部位.在这两种情况下，设计的炉缸可以持续使用到整个炉役结束.高炉的使用寿命完全取决于高炉炉缸的寿命。为普遍延长高炉的炉役的年限和提高生产效率，新开发出的各种耐火材料是十分必要的。例如在炉底及炉缸璧使用的耐火材料新品种有:微孔碳质，特殊石墨质和其它改进的耐火材料。上述两种提高高炉使用寿命的策略有若干种可能性。但就如何在花费最低的情况下使高炉的护龄达到最长，进行设计研究将会获得最佳方案。在高炉重新换衬之前，人们就开始进行了对所有耐火材料及护衬设计的研究工作。过去，通常购买与上一个炉役中使用的耐火材料相类似的材料进行砌衬，而使用得以改进的材料却是谨小慎微的。在这篇文章中，我们将主要针对高炉炉底炉缸的设计进行叙述。这一次，主要对高炉的这一部位进行研究.采用较大幅度的改进和高度复杂化耐火材料，需要进行大量的设计工作。要进行炉衬计算及改进设计需要有大量的有关耐火材料的数据，而这些数据在过去耐火材料中都是未知的，它们类似或等同于炼钢工艺中所熟悉的数据。从事这项设计工作，不仅要具备耐火材料及其性能方面的知识，而且还要具备高炉及其操作方面的知识，同时还要了解原材料供货厂家。高炉的操作数据及其炉衬材料的侵蚀机理是完成昂贵的高炉的长炉役所有工作的础。炉缸用碳质耐火材料自从碳质材料被人们认识很久以来，它就被用在高炉炉底及炉缸部位。同时也被应用在炉腹部位。前些年，人们采用缩小气孔的方法来提高碳及石墨的等级，对此人们做了大量的调查和研究。这项开发的目的是为了降低和避免高炉炉衬用碳砖受铁水的侵蚀及改善炉衬用特种砖的热化学性能，Wilkening等人进行了这项研究。同时加入某些添加剂，一方面可以改善碳砖的抗铁水及炉渣侵蚀性，另一方面可以抵抗在熔池中以一定速度流动着的铁水的磨损。在八十年代，VAW, DIDIER及后来的DME公司先后开发了具有上述特性的新一代碳砖品种。碳质耐火材料的性能1）多微气孔如果一块碳砖，直径大于1 um孔体积不大于气孔总体积的30%则这块碳砖就被认为具有多微孔性。不同种类砖的气孔率取决于添加剂的种类。如加入A1和Si则会有很大的改进，2）铁水和炉渣的性能我们把不同的碳砖铁水侵蚀性的情况示于图2言，具有多微孔性及超微孔性碳质材料是最理想的。同样尽管渗透比较剧烈，但对渗透性，它们也是最理想的。 图12抗铁水侵蚀性溶解值3）热传导性不同类型的碳砖的热传导性示于图3图中出示三组材料：不同气孔率的标准碳质材料;不同气孔率的半石墨质材料;石墨质材料。 图13不同碳砖的热传导性4）热力学性能加入添加剂可以提高碳砖的常温耐压强度。微孔碳砖的弹性模量非常高，大约是标准碳砖弹性模量的3倍。在工艺设计中必须要考虑这种热力学性能，这一点在后面还要继续讨论4。五年以来在几座高炉砌筑了这种具有很高气孔率的新品种碳砖，其砌筑部位如下:炉底;b炉底边缘;。炉缸;d出铁沟;e炉腹。表4是砌筑了微孔碳砖的各厂家情况。到目前为止，这一实践是很成功的。自砌筑以来到目前为止，还未有一座高炉重新换衬。再过几年，我们就会对这种得以改进的材质的特性有更多的了解。1.3.3我国耐火材料的发展在中国，第一座砌筑Si3N4结合SiC耐火材料的鞍钢6#高炉于85年11月1日投产，不中修使用寿命达到7年，比鞍钢八十年代高炉炉身平均寿命3.9年延长了80%。为我国一代炉身寿命7年不中修提供了宝贵的经验。Si3N4结合SiC砖在鞍钢6#高炉使用成功，对SiC砖在我国高炉上的应用起了推动作用，自1985年来，先后在太钢、本钢、唐钢、攀钢、武钢、酒钢、首钢、宝钢等国内大中型高炉上得到普遍使用。其经济效益和社会效益已被人们所认识。SiC砖在高炉上使用对延长高炉一代炉龄发挥了重要作用。至1987年，一种采用Sialon/Si3N4结合SiC产品进入加拿大、美国和日本。它的耐氧化性和耐碱侵蚀性要比Si3N4结合SiC砖有所提高。欧洲的一些工厂也开发了第二代和第三代赛隆结合的产品。所有这种研究和试验都将继续加强含有赛隆的氮化硅结合的基本概念。在我国，洛阳耐火材料研究院自1986年开始进行了赛隆Si3N4结合SiC砖的开发研究，并和山东生建八三厂一起共同完成了100T这种产品砌筑到鞍钢4#高炉上。该高炉自九十年代初投产并连续运转10年。Sialon结合刚玉耐火材料得到研究和开发，它比Sialon结合SiC砖具有更好的抗碱性和抗氧化性，导热系数低，更适合用于高炉炉腹，炉腰部位炉衬材料，以减少热量损失。1.4高炉冷却设备的作用高炉冷却设备是高炉炉体结构的重要组成部分，对炉体寿命可起到如下作用：（1）保护炉壳。在正常生产时，高炉炉壳只能在低于80的温度厂长期工作，炉内传出的高温热量由冷却设备带走85以上，只有约15的热量通过炉壳散失。（2）对耐火材料的冷却和支承。在高炉内耐火材料的表面工作温度高达1500左右，如果没有冷却设备，在很短的时间内耐火材料就会被侵蚀或磨损。通过冷却设备的冷却可提高耐火材料的抗侵蚀和抗磨损能力。冷却设备还可对高炉内衬起支承作用，增加砌体的稳定性。（3）维持合理的操作炉型。使耐火材料的侵蚀内型线接近操作炉型，对高炉内煤气流的合理分布、炉料的顺行起到良好的作用。（4）当耐火材料大部分或全部被侵蚀后，能靠冷却设备上的渣皮继续维持高炉生产。1.4.1高炉冷却系统的结构形式由于同炉备部位热负荷不同，采用的冷却形式也不问。现代高炉冷却方式有外部冲却和内部冷却两种。内部冷却结构又分为冷却掳、冷却板、板壁结合冷却结构及炉底冷却。 外部喷水冷却在炉身和炉腹部位装设有环形冷却水管，水管直50-150mm，距炉壳约100mm水管上朝炉壳的斜广力钻有若干58mm小儿，小孔间距100mm。冷却水经小孔喷射到炉壳上进行冷却。为了防止喷溅，在炉壳上装有防溅板，防溅板与炉壳间团有810mm缝隙冷印水沿炉壳流下至集水槽再返凹水池。外部喷水冷却装置结构简单，检修方便，造价低廉。 喷木冷却装置适用于小型高炉，对于大型高炉，只有在炉龄晚期冷印设备烧坏的情况下使用，作为一种辅助性的冷却严段，防止炉壳变形和烧穿。冷却壁冷却壁设置于炉天与炉衬之间，有光面冷却壁和镶砖冷却壁两种。通过研究冷却壁的损坏机理和考虑它的结构合理性后，新日铁开发了第三代和第四代冷却壁，第三代和第四代冷却壁的主要特点是：(1)设置边角冷却水管，以防止冷却壁边角部位母材开裂。(2)采用双层冷却水管，即在原有的冷却水管背面设置蛇形冷却水管，不但加强了冷却强度，而且当内层冷却管损坏后，外层冷却管仍可继续1：作，从而保证了炉役末期继续维持正常冷却。(3)加强凸台部位的冷却强度，采用双排冷却水管冷却。并在凸台部位前端埋入耐火砖，防止强热负荷作用F的损坏。(4)第四代冷却壁的炉体砌砖与冷却壁一体化，即将氮化物结合的碳化硅砖与冷却壁合铸在一起，这样较好地解决了砖衬的支承问题，缩短丁施工工期。冷却壁的优点是：冷却壁安装在炉壳内部，炉壳石开口，所以密封性好；由于均布于炉衬之外，所以冷却均匀，侵蚀后炉衬内壁光滑。它的缺点是消费金属多、笨重、冷却壁损坏后不能更换。冷却板冷却板又称扁水稻，材质有铸钢、铸钢、铸铁和钢板等，以上各种材质的冷却板在国内南炉均有使用。冷却板厚度70110mm，内部持有别44.5mm6mm无缝钢管，常用在炉腰和炉身部位，呈棋盘式布置，般上下层间距500900mm，同层间距150300mm。炉腰部位比炉身部位要密集一些。冷却板前端距炉衬设计工作表面一砖距离230mm或345mm，冷却水进出管与炉壳焊接。密封性好。由于铜冷却板具方导热件好、铸造工艺较简单的特点，所以从18世纪末期就开始用于高炉冷却。在一百多年的使用中，进行了不断的改进，发展为现在的六室双通道结构。它是采用隔板将冷却板腔体分隔成6个室，即把冷却板断面分成6个流体区域，并采用两个进出水通道进行冷却。此种冷却板结构的特点：(1)适用于高炉高热负荷区的冷却，采用密集式的布置形式、如宝钢1号和2号高炉冷却板层距为312mm，霍戈文艾莫依登厂4号高炉冷却板层距为305mm。(2)冷却板前端冷却强度大，不易产大局部沸腾现象；(3)当冷却板前端损坏后可继续维持生产；(4)双通道的冷却水量可根据高炉牛产状况分别进行调整。(5)铜冷却板的铸造质量大大提高，为了避免铸造件内外部缺陷采用真空处理等手段，并选用了射线探伤标很(ASTME272)。(6)能维护较厚的炉衬便于更换，重量轻、节省金属。但是冷却不均匀侵蚀后高炉内表面凸凹不平、不利丁炉料下降。板壁结合冷却结构冷却板的冷邻原理是通过分散的冷却元件伸进炉内的长度来冷却周围的耐火材料，并通过耐火材料的热传导作用来冷却炉壳、从而起到延长耐火材料使用寿命和保护炉壳的作用。冷却壁的冷却原理是通过冷却壁形成一个密闭的围绕高炉炉壳内部的冷却结构、实现对耐火材料的冷印和对炉充的直接冷却。从而起到延长耐火材料使用寿命和保护炉壳的作用。在高炉炉身部位使用板壁结合冷却结构形式，是一种新型的冷却结构形式。它既实现了冷却壁对整个炉壳的覆盖冷却作用，又实现了冲却板对炉衬的深度方向的冷却，并对冷却壁上下层接缝冷却的薄弱部位起到了保护作用，因而有良好的适应性5。西方及日本冷却壁技术均由前苏联引进。日本是在1967年引进, 使用在新日铁名古屋3号高炉, 炉寿为5.4年, 新日铁称为第一代, 相当于我国的第二代冷却壁。经过12年的使用, 对其冷却壁进行了改进, 与我国目前使用的第三代冷却壁相当, 但冷却壁内的冷却水管尽量冷却角部, 镶砖仍为铸入砖。新日铁第三代冷却壁1977年在广烟4号高沪上开始采用, 于1993年6月停炉, 高炉寿命为16年。其特点是增加了背部蛇形管、上下角部管, 镶砖为铸入石墨碳化硅砖。用这种冷却壁高炉内不必砌砖。第三代冷却壁采用在新日铁大分1号高炉。从1979年8月开炉至1993年1月停炉, 工作了13年5个月,损坏水73管根, 约占冷却壁总水管量的1.6%, 炉腹上部、炉腰和炉身下部高热负荷区域被损坏。部和凸台水管占该区域同类水管总数的12%左右。全部竖水管只损坏了6根, 高炉由于炉缸侧壁碳砖仅剩500mm左右而被迫停炉大修6。1.4.2我国冷却技术的发展我国高炉寿命较国外高炉短, 特别是与日本高炉差距甚大。必须从设计、制造、施工、操作到维护进行综合治理, 从装备水平、技术、组织到管理全面提高。高炉炉体冷却技术是其中的重要环节。目前, 高炉炉体冷却技术有了长足的进步, 特别是冷却壁技术有大幅度的提高。西方国家包括日本在内在60年代,甚至到目前还有大量高炉采用纯铜冷却板。在50年代末, 日本采用了密集式铜冷却板,加强了对砖衬的冷却, 延长了炉体的寿命。梅山2号高炉采用了钢制冷却箱并用钢管托住冷却箱的结构, 延长了高炉炉腰和炉身的寿命, 至1993年9月底, 高炉寿命已经达6.75年, 单位炉容产铁量达4526t/m3。由此证明, 在搞好设计、制造、施工及操作维护等重要环节的情况下, 即使采用较低的材质也能达到1000m3 级的高炉长寿的目标。自宝钢1号高炉引进新日铁密集式铜冷却板以来, 高炉已生产9年, 1994至年4月高炉累计产量已达2707万t, 单位炉容产量达6663t/m3攀钢4号高炉,容积1350m3, 采用了相同冷却板结构形式。自1989年9月投产至1994年3月,铜冷却板仅损坏了12块, 并已全部更换。根据攀钢使用冷却板的成功经验,我们认为可以广泛采用和推广。目前国外主要发展方向是增加冷却板内的水通道数目,提高水流速度,增加冷却强度。在1958年,前苏联在斯大林之鹰厂1033m3高炉上试验了汽化冷却，并获得成功。我国在年代后期在少数高炉上采用了汽化冷却,如1970年建成的武钢4号高炉及鞍钢和首钢的高炉。这种冷却壁本体采用含Cr铸铁,冷却水管的进水管在下,排水管在上方,水流垂直向上,以满足汽化冷却的要求,镶砖仍然为粘土砖。这是我国的第二代冷却壁。在50年代后期由前苏联引进的武钢高炉及鞍钢高炉的炉身部分采用了支梁式冷却水箱,它与炉壳设有法兰联接,能够满足高压操作的要求,也是由普通铸铁制造的,水箱内铸冷却水管,能够很好地支承内衬。但是它也与铸铁冷却板一样,冷却强度低,承受不了热冲击而损坏。因此它在高炉占有的冷却部位不断上移,最后,只在冷却壁的最上部安装2一3层支梁式水箱,以支承炉身上部的砌体。但现在也不采用了。在1970年, 梅山冶金公司高炉由于铸造错误未将砖铸入冷却壁, 为补救损失, 创造了以碳素材料捣打料代替镶砖, 其结果是改进了镶砖材质, 改变了铸入砖的制造工艺。根据梅山冶金公司的经验和德国冷却壁制造的要点, 研究与设计了我国第三代冷却壁, 并在1989年以后投产的一批高炉中使用。我国第三代冷却壁的特点是冷却壁本体采用铁素体球墨铸铁, 冷却水管与第二代基本相同, 镶砖采用嵌砌的方式。我国目前第三代冷却壁与新日铁第三代冷却壁差距甚大。我们再把新日铁大分2号高炉第一代从1976年10月开炉至1988年8月停炉, 使用新日铁第二代冷却壁的损坏情况。损坏水管115根约占总水管量的2.9%。设计宝钢3号高炉前, 对国内外高炉冷却设备寿命进行了调查研究, 由于国外冷却壁技术的大幅度提高, 决定3号高炉采用全冷却壁冷却, 并选择了新日铁为合作对象, 引进了设计、制造技术及制造装备。宝钢集团公旬取得了在国内制造和销售新日铁第三代和第四代冷却壁的权利。目前已为宝钢3号高炉、鞍钢10号高炉及新日铁君津2号高炉提供了冷却壁。新日铁对宝钢冷却壁的质量进行了严格的检查, 认为质量优良。新日铁邀请宝钢的专家于今年8月赴日本进行指导。提出今后长期合作的意向。但是这些高炉还未投产, 相信在全套由新冷却壁专利、技术诀窍、工艺流程和装备, 以及通过现场实习和专家指导下生产的冷却壁, 必将使高炉寿命上一个新台阶7。1.5国内外高炉钢结构设计技术高炉在冶金工业中的重要地位, 决定了高炉钢结构设计技术的理论和经济价值。近十几年来, 随着高炉结构向现代化、大型化的发展, 高炉冶炼技术和冶炼强度不断提高, 要求愈来愈精细的炉壳结构与之相适应。因此,炉壳寿命的长短便成为冶金工业效益重要的衡量尺度, 同时也促进了世界特别是钢铁大国美、日、德、前苏联高炉钢结构设计技术的发展。这些成果, 对我国相关技术的进步具有较好的借鉴和吸收价值。相比之下, 我国高炉钢结构设计技术与国外的先进技术有着较大的差距。虽然历经几十年的发展, 已能独立完成象宝钢3号高炉这样的设计, 但目前, 我国还没有能代表国家水平的、有关高炉结构设计的、统一的技术标准、计算方法、计算程序和国家规范。现在的设计, 还只是停留在以经验为主、计算为辅的较低层次, 其中内在的技术含量和理论底蕴与国外有明显距离。这就要求我国有关部门及科研设计人员在此方面多做一些工作, 尽快提高我国亿吨钢铁大国相关的设计水准8。1.5.1高炉钢结构高炉钢结构包括炉壳、炉体框架、炉顶框架、平台和梯子等。高炉钢结构是保证高炉止常生产的重要设施。设计高炉钢结构应考虑的主要因素有；(1)高炉是庞大的竖炉，设备层层叠叠，钢纳构设计必须考虑到各种设备安装、检修、更换则可行K要考虑到大照设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性。(2)尚炉是高温高压反应器，某些钢结构件巾具有耐高温高压、耐磨和pJ靠的密封性。(3)运动装量运动轨迹周围，应留有足够的净主尺。J，升巴要考虑到安装偏差和受力变形等因素。(4)对于支撑构件，要队真分析荷载条件，做强度计算。主要荷载包括：工作中的静荷载、动荷载、事故荷载(例如崩料、坐料引起的荷载等)，检修、安装时的附加荷载，以及外荷载风载、地震等)。(5)露天钢结构和扬尘点附近钢结构应避免积尘积水。(6)合理设置走梯、过桥和平台，使操作方位，安全可靠9。1.5.2炉壳炉壳是高炉的外壳，里面有冷却设备和炉衬，顶部有装料设备和煤气上升管，下部坐落在高炉基础上，是不等截面的圆简体。炉壳的主要作用是固定冷却设备、保证高炉砌砖的牢固性、承受炉内压力和起到炉体密封作用，有的还要承受炉顶荷载和起到冷却内衬作用。因此，炉壳必须具有一定强度。炉壳外形与炉衬和冷却设备配置要相适应。存在着转折点，转折点减弱炉壳的强度。内于固定冷却设备，炉壳需要开孔。炉壳折点和开孔应避开在同一个截面。炉缸下部折点应在铁口框以下100mm以上，炉腹折点府在风口大套法兰边缘以上大于100mm处，炉壳开口处需补焊加强板10。1.5.3炉体框架炉体框架由四根支柱组成，上至炉顶平台，下至高炉基础，宅高炉中心成对称布置，在风口平台以上部分采用钢结构，有“工”字断面，也有圆形断面，圆筒内灌以混凝土。风口平台以上部分可以是钢结构，也可以来用钢筋混凝土结构。一般情况下应保证支柱与热凤围管有250mm间距1.5.4炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱座圈炉缸支柱是用来承担护腹或炉腰以上，经炉腰支因传递下来的全部荷载。它的上端与炉腰支圈连接，下端则伸到高炉基座的座圈上。大中型高炉一般都是用2440mm的钢板，焊成工字形断面的支柱，为了增加支柱的刚度，常加焊水平筋板。支柱向外倾斜6左右，以便炉缸周围宽敞。炉身支柱的作用是支撑炉顶框架及炉顶平台上的荷载、炉身部分的平台走梯、给排水管道等。般为6根，下端应与炉缸支柱相对应。在确定炉身支柱与高炉中心的距离时要考虑别炉顶框架的柱脚位置、炉身、炉腰部分冷却设备的布置和更换。炉腰支圈的作用是把它承托的上部均布荷载变成几个集中载荷传给炉缸支柱，同时也起着密封作用。它是几块3040mm厚的钢板铆接式焊接而戊的。在它与上下炉壳相接处，两侧都用角钢加固，在外侧边缘也用角钢加固以加强其刚性。支柱座圈是为了使支柱作用于炉基上的力比较均习。在每个支柱下面都有铸铁或型钢做成的单片垫板，并是彼此州拉杆或整环连接起来，以防止支柱在推力作用下或基础损坏时发生位移。1.5.5高炉结构荷载认识的深入高炉综合体结构承受多种作用, 荷载相当复杂, 但不外乎两类一类决定结构强度,另一类与结构耐久性相关。正是结构强度和耐久性综合决定了高炉结构的寿命。（1）煤气压力、炉衬和冷却系统的热膨胀力、炉料和铁水压力, 决定了正常操作条件下炉壳的结构强度。（2）炉内高温的周期作用或突然作用, 能使结构产生热疲劳或冲击应力, 降低钢材塑性并导致脆性破坏。服役后期, 内衬及冷却器的损伤, 可导致局部过热或大面积烧红, 将产生很大热应力, 加速炉壳开裂、美国内陆公司证明, 沿炉壳厚度的温度梯度是大应力的主要原因, 当最大热应力超过屈服应力, 炉壳就会开裂。（3）低周疲劳是影响高炉寿命的主要因素。据前苏联对高炉实际工作状态的研究,炉壳是在不同循环特征和不同变化幅度的周期荷载作用下工作的, 炉壳10年中荷载变化的循环次数为2*104, 荷载不对称系数p=0.60.9。在这种周期荷载作用下, 炉壳的应力集中区和焊缝缺陷处出现局部塑性变形, 从而产生低周疲劳破坏。因此, 日本在炉壳的计算中, 除考虑内衬膨胀等必须考虑的荷载外, 还计入炉壳外表温度为t=100-130 , 钢板内外温差10 。这表明国外炉壳设计不仅考虑了正常操作下的状况, 而且已将服役后期温度应力对寿命的降低计入在内。所以, 高炉结构的最终寿命, 就是正常条件下的结构强度, 抵御低周疲劳脆断的时限。大量的实验、分析、实践证实炉壳损坏有两种原因一是由于疲劳, 特别是局部过热引起的疲劳损伤另一种是突然的脆性断裂。因此,炉壳设计的应力控制标准应以断裂韧性和疲劳强度为据。以断裂韧性为结构抗裂性指标,记K=K1c作为防止脆断的依据, 当KK1c ，时结构安全反之亦然11。1.5.6国外先进的结构形式为使高炉长寿, 国外研究设计了新的结构形式和节点构造, 改善炉壳受力, 减少应力集中。（1）采用炉身高度较低、薄壁、外形简单、炉型变化小的新炉型。新日铁公司彻底消除炉体焊缝应力, 炉腹以下不弯折、炉底和炉缸作成直角, 保证炉壳应力沿高度均匀分布。（2）改进炉壳与冷却器的连接构造, 减少炉壳开孔的应力集中。前苏联将现有冷却器用四螺栓与炉壳固定, 改用一螺栓连接。并提出了改进风口, 出铁口和高炉加料装置的构造措施, 从而改善高炉受力。（3）优化炉壳孔型及分布。英国戴维公司对炉壳与冷却器连接处的孔型及分布的研究取得进展, 获得减少应力集中的最有效孔型布置, 经实验证明孔边缘必须磨光。1.5.7国内钢结构设计的发展将我国炼铁设计的发展, 有两次飞跃第一次飞跃时间为50和60年代。这时期, 我国设计人员在苏联专家指导下完成了鞍钢、本钢8座高炉施工图设计。苏联完成了武钢、包钢的初步设计, 并提供了整套、高炉定型设计图纸。据此, 我国相继建成了5座高炉, 正是这些工程实际, 为我国技术人员学习、消化、掌握现代化大型高炉的设计方法、计算理论、建设经验提供了契机。也基于此, 重庆钢铁设计研究院于60年代编制了我国高炉结构设计的基本依据高炉结构设计技术规定。该规定引入公式及边缘效应计算。尽管实践和理论早已证明该式存在明显局限, 直到现在, 我国的大多数设计单位,对炉壳的计算仍以此为据, 苏联在公式后建立的更为科学的理论和方法, 未能在我国设计界得到广泛应用和推广。第二次飞跃, 以计算机和大型结构分析通用程序, 引入整个高炉结构设计为标志, 时间为宝钢建设时期。宝钢1号高炉以日本君津厂3号高炉第一代原型为样板, 结构设计由日本新日铁完成。为搞好宝钢2号高炉设计, 重钢院在消化移植1号高炉技术的同时,引进了日本川崎公司的大型程序KBSD。随后, 北钢院从美国引进了通用分析程序GTSTRDL和NASTRAN, 用于工程设计。这些程序, 不仅能对高炉系统的热风炉、除尘器、炉体框架及炉壳等子系统进行独立的静动力分析, 也可考虑其相互作用, 进行综合动力分析, 既可作整体弹性分析, 还可对结构细部做静力弹塑性分析。表明, 我国高炉结构设计特别是炉壳开始进入电算时代12。1.5.8我国在钢结构设计上的现状（1）我国高炉结构设计, 还处在以经验为主、计算分析为辅的阶段。设计新建高炉时,技术人员往往参照已建的高炉或已往的经验, 确定炉壳厚度和用钢量, 决定炉壳的主体结构, 计算分析只是参考。其根本原因, 就在于没有明确掌握高炉内三项材料的运动规律、炉内化学变化对炉皮的真实压力, 以及高温作用、低周荷载对炉壳疲劳与脆断的影响,不得不把经验作为主要依据。（2）我国高炉结构设计, 已经进入电算时代, 已有较为完备、符合高炉工况的计算软件和细部分析能力, 能够在弹性薄膜理论和板壳有矩理论指导下, 对整体进行分析, 也可对局部进行弹塑性分析。但我国高炉结构的设计精度还不高, 落后于日本、前苏联等国家。由于我们缺乏对高炉, 特别是炉体内部的实验和研究, 很难对荷载做进一步的准确统计。因此, 不管拥有多么先进的计算设备和手段,校核的数据与使用总有一定距离。而且, 在实际设计中, 我们只考虑了炉役前期, 统计正常操作下的荷载, 尽管我们已经考虑内衬膨胀对炉壳的压力, 但对热疲劳, 低周荷载在炉役后期, 对高炉寿命减少的影响没有考虑。断裂力学对结构寿命的估计, 还未应用于设计。（3）我国还没有统一的高炉设计概念, 没有编制自己的设计规范和计算程序, 缺乏明确的炉壳设计控制标准。目前国内没有一本有关的专著, 基本沿用苏联理论和规范, 以及日本的一些做法, 加上各设计单位缺乏相互交流, 在市场利益机制的驱使下, 必然大部分沿袭旧有设计经验。所以, 结构设计进步迟缓13。1.6高炉基础高炉基础是高炉下部的承重结构，它的作用是将高炉全部荷载均匀地传递到地基。高炉基础由埋在地下的基座部分和地团上的基墩部分组成。1.6.1高炉基础的负荷高炉基础承受的负荷包括静负荷、动负荷、热应力作用，其中温度造成的热应力作用最危险。静负荷高炉基础承受的静负荷包括高炉内部的炉料重量、渣、铁液重量、炉体本身的砌砖重量、金属结构重量、冷却设备及冷却水重量、炉顶设备重量等，还有炉下建筑物、斜桥、卷扬机等分布在炉身周围的设备重量。就力的作用情况来看，前者是对称的，作用在炉基上，后者则常常是不对称的，是引起力矩的因素，可能产生不均勾下沉。动负荷生产中常有崩料、坐料等，加给炉基的功负荷是相当大的，设计时必须考虑。热应力作用炉缸中贮存着高温的铁液和渣液，炉基处于一定的温度下。由于高炉基础内温度分布不均匀，一般是里向外低，上高下低这就在高炉基础内部产生热应力。1.6.2对高炉基础的要求对高炉基础的要求如下：(1)高炉基础应把高炉全部荷载均匀地传给地基，不允许发生沉陷和不均匀的沉陷。高炉基础下沉会引起高炉钢结构变形，管路破裂。不均匀下沉将引起高炉倾斜，破坏炉顶正常布料，严重时不能正常生产。(2)具有一定的耐热能力。般混凝土只能在150以下工作，250便有开裂400时失去强度，钢筋混凝上700时失去强度。过去由于没有的热混凝土基墩和炉底冷却设施，炉底破损到一定程度后，常引起基础破坏，甚至爆炸。采用水冷炉底及耐热基墩后，可以保证高炉基础很好工作。基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为2.53.0m。设计时时可以利用基墩高度调节铁口标高2。第二章 包头地区1500m3高炉本体设计2.1高炉炉型设计计算2.1.1定容积从投资、生产效率、经营管理方面考虑，高炉座数少些为好，选定高炉座数为1座，高炉利用系数为v=2.6t/(m3 d)高炉容积Vu=1500m3 2.1.2确定年工作日和日产量年工作日为36595%=347天,日产量P总=Vuv=3900t2.1.3高炉车间年生铁产量PQ =MT vVv式中：PQ高炉车间年生铁产量，吨；M高炉座数；T年平均工作日，我国采用355天 。v高炉有效容积利用系数，t/(m3.d)；Vv高炉有效容积，m3；PQ =13552.61500=1384500 t2.1.4高炉有效高度(Hu)的确定 高炉的有效高度决定着煤气热能和化学能的利用，也影响着顺行。增加有效高度能延长煤气与炉料的接触时间，有利于传热与还原，使煤气能量得到充分利用，从而有利于降低焦比。但有效高度过高，煤气流通过料柱的阻力增大，不利于顺行。所以，实际确定高炉有效高度时，首先应考虑原燃料质量，其次是炉容和鼓风机性能。有效高度可用下述统计公式计算：620m3以下的中小型高炉： HU=4.05VU0.265对于大型高炉： HU=6.44VU0.2=6.4415000.2=27.8m2.1.5高炉全高的确定 H全=Hu+h0式中：H全高炉全高，m；Hu高炉有效高度，m；h0死铁层高度，m，选1.2m ；则H全=Hu+h0=27.8+1.2=29m2.1.6炉缸尺寸（1）炉缸直径由式t/(m3.h) 选定冶金强度I=1.1t（m3d）；燃烧强度i燃=1.2t/(m3h)则： d= 0.23=8.55 取8.6m（2）炉缸直径(d)的校核：炉缸直径确定的是否合适，可以由 VU /A 比值来校核，根据炉容大小，合适的 VU/A 比值为：大型高炉 2228，中型高炉 1522 ， A为炉缸截面积。校核Vu/A=25.84，计算合理。（3）炉缸高度炉缸高度设计分为三段考虑， 一般先求渣口高度 (hz) ， 然后求风口高度 (hf) ，最后求出炉缸高度 (h1)。a 渣口高度 (hz)可用公式 ： hz=Pb/ANVtf式中：P日产生铁产量，t/d; b生铁波动系数，取1.2；A炉缸截面积，m2；N 每昼夜出铁次数(平均每两小时出一次)；VT 铁水密度，7.1 t/m3；f 渣口以下炉缸容积利用系数,多采用0.550.60 ，本设计f取0.60。hz=PbANVtf=39001.258127.10.60=1.84mb 风口高度 (hf) (a 取1.25m ) hf=hz+a=1.84+1.25=3.1mc炉缸高度 (h1) h1=hf+b式中： b安装风口的结构尺寸，大中型高炉 0.35 0.5m ， 本设计b取0.35m 。h1=hf+b=3.1+0.35=3.45md 铁口数目 大型高炉可设 24 个铁口，一般中小型高炉设一个铁口。 f 风口数目 ：N= dS式中：d 炉缸的直径；S 相邻两风口中心线之间的弧长，取 1.2m ；N= dS=8.61.2=22.5 取22。g风口结构尺寸：a=0.4h= h+a=3.5m2.1.7炉腹的计算a 炉腹高度 (h2) 现代大中型高炉炉腹高度一般为2.83.6m，小型高炉一般为1.52.5m。本设计选取h2=2.8mb 炉腹角 ( )炉腹角一般为 8082 ，炉腹角过小不利于炉料下降，影响顺行 ；炉腹角过大不利于煤气流分布，容易使边缘煤气流过分发展，同时不利于产生稳定的渣皮保护炉衬。本设计选 =82。2.1.8 炉腰直径 ( D ) 可由 D/d 确定，一般大型高炉为 1.101.15 ，中型高炉为 1.151.25 ，小型高炉为 1.251.50 。本设计选取D/d=1.25。式中：d 炉缸直径，；D=1.25d=1.258.6=10.75m 取11m2.1.9炉喉高度 (h5)一般参照同类型高炉数据选取，大型高炉为 2.02.5 m ；中型高炉为 1.52.0m ；小型高炉为 0.61.5m 。本设计选 h5=2.0m 。2.2.10炉喉直径 (d1)炉喉直径可用 d1/D 的比值确定，大中型高炉d1/D 为0.650.70 ， D炉腰直径 ，取10.75m 。d1/D 取0.65， d1=0.65D ， 本设计 d1=6.988m。2.1.10炉身的计算 由公式 h4= (D-d1)tan2=16.5mh=Hu-( h+ h+ h+ h)=3m2.2各部分容积计算2.2.1炉缸部分容积计算： V1=4d2h1=197.40m32.2.2炉腹部分容积计算： V2=12h2(d2+D2+Dd)=195.21m3 2.2.3 炉腰部分容积计算：V3=4D2h3=144.69m32.2.4 炉身部分容积计算： V4=12h4(d12+D2+Dd1)=896.45m32.2.5 炉喉部分容积计算： V5=4d12h5=75.23