2900m3高炉设计 高炉本体设计.doc

辽宁科技学院课程设计绪论在近代国家是否发达的主要标志是其工业化及生产自动化的水平，即工业生产在国民经济中所占的比重以及工业的机械化、自动化程度。而劳动生产率是衡量工业化水平极为重要的标志之一。为达到较高的劳动生产率需要大量的机械设备。钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的材料，属于基础材料工业的范畴。钢铁还可以直接为人民的日常生活服务，如为运输业、建筑业及民用品提供基本材料。故在一定意义上说，一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。衡量钢铁工业的水平应考察其产量、质量、品种、经济效益及劳动生产率等各方面。纵观当今世界各国，所有发达国家无一不是具有相当发达的钢铁工业的。钢铁工业的发展需要多方面的条件，如稳定可靠的原材料资源，包括铁矿石、煤炭及某些辅助原材料，如锰矿、石灰石及耐火材料等；稳定的动力资源，如电力、水等。此外，由于钢铁企业生产规模大，每天原材料及产品的吞吐量大，需要庞大的运输设施为其服务。一般要有铁路或水运干线经过钢铁厂。对于大型钢铁企业来说，还必须有重型机械的制造及电子工业为其服务。此外，建设钢铁企业需要的投资大，建设周期长，而回收效益慢。故雄厚的资金是发展钢铁企业的重要前提。 第一章 高炉炉型设计计算1.1定容积选定高炉座数为1座，高炉利用系数为v=2.5t/(m3 d),高炉容积Vu=2900m3 1.2确定年工作日和日产量年工作日为36595%=347天,日产量P=Vuv=7250t1.3炉缸尺寸（1）炉缸直径d= 0.4087 Vu 0.4205=11.68m 取11.7m校核Vu/A=26.99.一般大型高炉在2228之间，计算合理。（2）炉缸高度渣口高度hz=1.57m 取1.6m风口高度hf=2.86m 取2.9m风口数目：n=2(d+2)=2(11.7+2)=27.4 取28。h1=1.4206Vu0.159-34.8707Vu-0.841=5m 1.4死铁层厚度h=0.0937Vud-2=1.99m 取2m1.5炉腰直径、炉腰角、炉腹高度D=0.5684Vu0.3942=13.1m D/d=1.12h=（1.6818Vu+63.5879）（Vu0.7848+0.719Vu0.8129+0.517Vu0.841）=3.5m 炉腹角 tan=5.0 =78.691.6炉喉直径、炉喉高度d1=0.4317 Vu 0.3771=8.7m d1 /D=0.67h=0.3527 Vu 0.2446+28.3805 Vu -0.7554=2.55m 取2.6m1.7炉身角、炉身高度、炉腰高h=（6.3008 Vu -47.7328）（Vu 0.7848+0.7833 Vu 0.7701+0.5769 Vu 0.7554）=16.2m 炉身角 tan=7.36 =82.26h= 0.3586 Vu 0.2152-6.3278 Vu -0.7848=1.98m 取2mHu=h1+h2+h3+h4+h5=29.3mHu/D=2.241.8有效容积校核V= hd=537.29mV= h(D+Dd+d)=422.9mV= h D=269.43 mV= h(D+Dd+d)=1531.42mV= h d=154.48mV= V+V+V+V+V=2915.52m误差U=100%=0.5%1% 所以，设计合理。表1.1高炉内型参数序号项目数值1有效容积Vu /m32915.522炉缸直径d/mm117003炉腰直径D/mm131004炉喉直径d1/mm87005渣口高度hz/mm16006风口高度hf/mm29007死铁层深度h0/mm20008炉缸高度h1/mm50009炉腹高度h2/mm350010炉腰高度h3/mm200011炉身高度h4/mm1620012炉喉高度h5/mm260013有效高度Hu/mm2930014炉腹角 78.6915炉身角 82.2616Hu/D2.2417D/d1.1218铁口数/个319风口数/个28第二章 高炉炉衬的设计炉缸、炉底承受高温、高压、渣铁冲刷侵蚀和渗透的作用，工作条件非常恶劣高炉耐火材料的选择主要考虑冶炼过程中各种物理、化学反应对其的侵蚀。主要考虑六项指标：抗碱金属性、导热性、抗爆裂性、碳素氧化性、抗热震性和抗渣耗侵蚀性能。炉缸、炉底是高炉重要部分，被侵蚀破坏程度是决定高炉大修的关键。2.1高炉炉衬作用按照设计，以耐火材料砌筑的实体称为高炉炉衬。高炉炉衬的作用在于构成高炉的工作空间，减少热损失，并保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。高炉炉衬的寿命决定高炉一代寿命的长短。高炉内不同部位发生不同的物理化学反应，所以需要具体分析各部位炉衬的破损机理。2.2耐火材料分类高炉常用的耐火材料主要有陶瓷质材料和碳质材料两大类。陶瓷质材料包括粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定形耐火材料等；碳质材料包括碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖等。（1）粘土砖和高铝砖 粘土砖是高炉上应用最广泛的耐火砖，它有良好的物理机械性能，化学成分与炉渣相近，不易和渣起化学反应，有较好的机械性能，成本较低。高铝砖是Al2O3含量大于48%的耐火制品，它比粘土砖有更高的耐火度和荷重软化点，由于Al2O3为中性，故抗渣性较好，但是加工困难，成本较高。（2）碳质耐火材料1.耐火度高，碳是不熔化物质，在3500升华，在冶炼温度下碳质耐火材料不熔化也不软化2.碳质耐火材料具有很好的抗渣性，对酸性与碱性炉渣都有很好的抗蚀能力3.具有高导热性，抵抗热震性好，可以很好的发挥冷却器的作用，有利于延长炉衬寿命4.线膨胀系数小，热稳定性好5.致命弱点是易氧化，对氧化性气氛抵抗能力差2.3侵蚀破坏机理研究了高炉炉腹、炉身下部、炉缸耐火材料的破损机理.前两者是由于化学侵蚀、热震和机械磨损等综合原因造成的，后者主要是由热应力裂缝引起的一防止高炉炉衬破损的方法有二:一是采用小尺寸的耐火砖和适当软的火泥;二是开炉时升温速度要慢.炉缸应采用美国设计的小块碳砖.。炉炉衬处于不同的温度、压力和气氛环境中，所以不同区域的高炉的破损机理也不相同，耐火材料的破损，主要是由于化学侵蚀、热震和机械磨损等综合因素造成的。化学侵蚀是指氧化、碳的沉积、碱蒸气和碱冷凝液、炉沦及热金属的侵蚀所产生的化学作用。热震是指耐火材料的热面温度高于其材料本身的反应停止温度，或者说达到了临界反应温度后，因炉况变化温度波动所形成的热应力的作用。机械磨损是指炉内煤气流中所带颗粒对炉衬的冲刷、炉料下降对炉墙的磨损和炉墙渣皮脱落对下面炉衬的冲击。化学侵蚀的速度取决于温度，而且目前使用的耐火材料高铝砖和粘土砖只能在耐火材料的内表面温度低于600700时才能保证不受化学侵蚀，对碳化硅砖而言也只能低于800900才免受化学侵蚀。如果不是炉况稳定使炉衬内表面形成渣皮或结痴，其内表面温度达到或低于反应停止温度，单靠冷却强度来实现炉衬的内表面温度低于耐火材料的反应停止温度是不经济的。在实际生产中高炉炉况是不可能长期不变的，炉况的波动就会引起温度的波动，对耐火材料就产生了热冲击。热冲击的温度高于耐火材料的反应停比温度，一且冲击的次数超过了耐火材料能够承受的能力，就必然产生应力裂纹。裂纹的扩大会使冷却壁与耐火材料的热面之间形成间隙，热阻增大而阻碍了热传递，使热面温度进一步提高，促使耐火材料出现裂缝。当已有裂缝的耐火材料承受不了外力时，原来形成的渣皮必然将粘附在一起的耐火材料破裂层脱落掉，使新的耐火材料暴露在炉内而承受新的热冲击。同时，耐火材料的应力裂缝又促使碱蒸气和冷凝物有机会接触到耐火材料的内表面，更加快了砖内部的化学侵蚀。随着时间的推移，热冲击、化学侵蚀以及渣皮的脱落将使炉衬厚度逐渐减薄，最后全部被侵蚀掉，使冷却壁暴露在高炉内部环境中。当冷却壁受到与耐火材料相同的温度冲击时，铸铁的表面同样也会产生裂纹和散裂，最后导致损坏。由此可见，高炉炉衬只能抵抗化学侵蚀是不够的，还要能够抵杭热冲击。我国目前的耐火材料，在温度大幅度波动情况下都承受不了高炉内部的热冲击，这也是高炉寿命低的原因。设计的耐火砖和火泥砂浆配合好，可以消除热应力或使其减炉缸耐火材料的破损因素很多，但主要是热应力造成的裂纹所产生的影响。例如耐火材料的热膨胀补偿不足、热梯度过大、以及没有调节微分热膨胀的能力等，都促使耐火材料形成裂纹，从而导致铁水的化学侵蚀。当然，碱性氧化和碱的沉积也是不可忽视的因素，但这里强调的是炉衬被热金属和化学物质的侵蚀，这种侵蚀是由耐材的裂纹引起的。如果在设计中寻求一种能防止产生裂缝的耐火材料，这种破损就可以减少和防止。这就要求耐火材料具有很高的导热系数，以降低炉缸的温度梯度，并且能够吸收炉衬的径向热膨胀，调整炉衬厚度方向造成的差热膨胀。这种差热膨胀是炉衬热面温度高于冷面温度所致。因温差较大炉衬热面膨胀比冷面更快，此温差所引起的体积增长率差值诱发出大型砌块(例如我国的大块碳砖)中的巨大应力，使应力最大处出现了裂缝，造成大型砌块的横向断裂。裂缝的热阻又使碳砖热面加速受铁水及化学物质的侵蚀。根据解剖碳砖的调查结果，炉底碳砖横向断裂造成的损坏外，还受铁水侵蚀和碱金属析出的影响，既造成组织松驰形成疏松区，又发生了物理化学作用的质变。碳砖的气孔直径越大，碳向铁水中溶解越快。日本研制的微孔碳砖，防止了碳向铁水中溶解与铁水向碳砖侵蚀，从而提高了碳砖的寿命。高沪的高压操作和炉缸中铁水深度对碳砖中碳向铁水中溶解渗透都有直接影响。近年来碳砖中的空洞现象已经出现几次，这是因风口和冷却壁破损，大量向炉内漏水而造成的局部氧化所致。碳砖在炉底被侵蚀最严重之处，也是炉底铁水流动最活跃的地方，铁水的流动冲刷助长了侵蚀作用。2.4砌筑方式2.4.1炉底和炉缸高炉炉底、炉缸内衬承受着高炉内气体高压和铁水压力、高温和温度波动的作用,还承受着渣铁冲刷、化学侵蚀,有害元素的作用产生脆化、剥落上浮,还有可能因漏水而造成的氧化,其工作环境复杂。炉缸、炉底工作情况好坏,关系到一代高炉寿命。本设计借鉴水钢1350m高炉设计方案，在炉底水冷封板上铺三层400mm厚的大块炭砖,第4、5层满铺400mm厚的半石墨碳砖,其上铺两层400mm厚的石墨炭砖,炉底、炉缸靠近冷却壁侧环砌石墨碳砖,陶瓷杯底及下部砌刚玉莫来石砖,陶瓷杯壁环砌复合棕刚玉砖。风口区采用热震稳定性好的复合棕刚玉组合砖。铁口通道、风口区采用刚玉大块组合砖砌筑，加强结构上稳定性。2.4.2炉腹炉腹区域采用砖壁合一薄内衬结构形式。耐火砖内衬采用冷镶方式直接与冷却壁砌成整体,砖衬与冷却壁采用燕尾槽连接。2.4.3炉腰和炉身炉腰紧靠炉腹，侵蚀作用也相似。所以本设计同样采用砖壁合一薄内衬结构形式。耐火砖内衬采用冷镶方式直接与冷却壁砌成整体,砖衬与冷却壁采用燕尾槽连接。炉身下部与炉腰炉腹采用相同的炉衬形式，炉身上部砌筑耐火砖厚度通常为690805 mm，目前趋于向薄的方向发展，本设计的炉衬厚度采用575mm。2.4.4炉喉本设计采用长条式炉喉钢砖，其优点是生产中不易变形、脱落，且结构稳定，拆装方便。炉喉有几十块保护板，在炉喉的刚壳上装有吊挂座，座下装有横的挡板，板之间留20mm的间隙，保证保护板受热膨胀时不相互碰挤。第三章 高炉冷却设备本高炉采用新型冷却壁。从炉底至炉喉的16段冷却壁按照不同区域的工作条件和工艺要求，采用了不同结构型式的冷却壁。3.1高炉冷却设备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。(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。3.2分类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壁、冷却板、板壁结合冷却结构及炉底冷却。（1）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50150mm，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。喷水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。（2）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3.3冷却方式3.3.1炉底和炉缸部分高炉内砌筑导热性良好的碳砖，冷却设备要尽量把砌体中的热量传递出来，将1150铁水的凝固温度线远离冷却设备，维持更厚的砖衬，使之不被侵蚀。在这部分设置了高冷却强度的新式横型冷却壁、铁口冷却壁、风口冷却壁。3.3.2炉腹、炉腰和炉身中下部高炉这部分是热负荷很高、温度波动最大、热震剧烈、碱金属侵蚀严重等工作条件极严酷的区域。在炉腹、炉腰和炉身中下部采用了新日铁第三代冷却壁。3.3.3炉身上部大型高炉炉身上部砌体受炉料的磨损，以及装料时温度的波动，而遭到损坏。因此，本高炉炉身上部采用水冷壁。合理的水冷壁设置方式能够保证炉料在下降过程中的正常分布，从而达到合理地控制煤气气流分布的目的。3.3.4炉顶冷却本设计的炉顶冷却系统采用喷水冷却。喷水冷却结构轻便简单易行。我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。目前国外一些极薄炉墙或大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖，以喷水作为唯一冷却手段，效果也不错。3.3.5炉喉冷却炉喉两层钢砖,采用汽化冷却。汽化冷却有如下优点：冷却水介质为软水，防止结垢;自然循环不需要动力，在停电情况下仍能继续运行。第四章 高炉钢结构及基础设计4.1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上常生产的重要设施。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，钢结构设计必须考虑到各种设备安装、检修、更换的可行性要考虑到大型设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性。(2)高炉是高温高压反应器，某些钢结构件有耐高温高压、耐磨和可靠的密封性。(3)运动装量运动轨迹周围，应留有足够的净主尺。要考虑到安装偏差和受力变形等因素。(4)对于支撑构件，要认真分析荷载条件，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。4.2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。4.3高炉钢结构设计设计高炉本体钢结构，主要是解决炉顶荷载、炉身荷载传递到炉基的方式方法，本设计采用炉身框架式。其特点是；由4根支柱连接成框架，而框架是一个与向炉本体不相连接的独立结构。框架下部固定在高炉基础上，顶端则支撑在炉项平台。因此炉顶框架的重量、煤气上升管的重量、各层平台及水管重量，完全由大框架直接传给基础。只有装料设备重量经炉壳传结基础。（1）炉壳炉壳一般分支圈式和自立式两种。本设计采用自立式，该设计除炉衬外均由炉壳将其荷载传给基础。炉壳用16mMn钢板焊接而成，加工时，结合高炉高度分为24段。先将钢板弯卷好，然后预装、焊接。（2）框架本设计框架跨度为18m，炉体框架由下部框架、上部框架和炉顶框架组成，在炉体不同高度设置12层平台，其中由炉体框架支撑的有10层平台，每层都由不同用途，主要用于维修和更换设备。（3）炉缸支圈、炉腰支圈和支柱座圈炉缸支圈上端与炉腰支圈连接，下端则支撑到基座面上的座圈上，采用35mm厚的钢板，焊成工字型断面支柱，长度14m。支柱数目为13，均匀分布炉缸周围。炉腰支圈用几块30mm后的扇形钢板焊接成水平环圈。上下部与炉壳相接处都用角钢加固，外侧边缘也用角钢加固，提高刚性。炉身支柱是支持炉顶框架及炉顶平台上的荷载以及炉身部分的平台走梯、给排水管道等。4.4高炉基础设计高炉基础是高炉下部的承重结构，它的作用是将高炉全部载荷均匀地传递到地基。高炉基础由埋在地下的基座和地面上的基墩组成。结构如图4.1图4.1高炉基础结构示意图它由耐热混凝土基墩和钢筋混凝土基座组成。高炉陆地和基座之间的耐热混凝土，起隔热和传力作用，形状为圆柱形直径与炉底相同，都包于炉壳之内高度3m。基墩用硅酸盐水泥耐火混凝土，采用硅酸盐水泥做胶结料，粘土熟料粉、废耐火砖粉做掺合料黏土熟料、废耐火粘土砖做骨料整体浇灌而成。在其周围砌筑一圈345mm厚的耐火砖，再外壳即为炉壳，在耐火砖和炉壳之间留100mm宽的缝隙，内填铬碳质填料。为防止基墩周围开裂和保证足够的强度，整体基墩应配以环形钢筋，基座的水平截面设计成十六边形，以使温度分布平均减小热应力。基座较小上表面过渡到较大下表面的倾斜角设计为25。基墩与基座之间留有缝隙，缝中填以纯石英砂和白色耐火粘