包头地区下2200m3高炉本体 设计.doc

【论文】包头地区下2200m3高炉本体 设计 摘 要提出了长寿高炉的基本设计思想为了适应这一发展趋势长寿高炉设计对高炉合理内型合理内衬结构和不同部位耐火材料的选择冷却方式和冷却系统 包括冷却器的结构材质与水质等 及其它有关方面综合考虑Design of Long Life BFABSTRACT BF campaign life is continuously increased as unceasing development of iron making technology It is being used more and more abroad The long campaign technologies of blast furnace is one of the most important measures which reduce the iron making production cost and improve the economic profits of Iron and Steel Company In the design of large BF the technologies like optimized BF profile reasonable hearth lining copper stave soft water closed circulating cooling system and thin-walled lining etc were applied to prolong BF campaign life The basic concept of designing long campaign blast furnace was put forward In order to adapt to the trend during designing long campaign blast furnace the rational furnace profile rational furnace lining structure and selection of different refractories for various areas cooling method and system including cooler structure and material cooling water and so on and concerned aspects must be comprehensively consideredKey WordsBFLongevity Design of Furnace Body目 录摘 要I411 研究背景4613 高炉用耐火材料的发展814 高炉冷却10com 高炉冷却方式的发展10com 高炉冷却器的发展1115 高炉炉体结构14com 炉缸14com 炉腹14com 炉腰14com 炉身15com 炉喉1516 国内外高炉钢结构设计技术15com 高炉钢结构16炉壳16炉体框架16高炉结构荷载认识的深入16我国在钢结构设计上的现状17高炉基础18高炉基础的负荷18对高炉基础的要求182021 高炉冶炼条件20com 烧结矿的成分补齐计算整理20com 球团矿成分补齐计算整理21com 澳矿成分补齐计算整理22com 硅石的成分补齐计算整理2322 配料计算2523 物料平衡计算2724 物料平衡计算31com 热收入31com 热支出3125 高温区热平衡计算34com 高温区热收入351碳素在风口前燃烧放出的热量Qhs135com 高温区热支出3526 理论焦比的计算36第三章 2200m3高炉本体设计3931 高炉内型设计39com 炉缸设计40com 炉腹炉腰炉身部位的设计41com 炉喉设计42com 校核炉容校核高径比HuD和h4Hu4232 高炉耐火材料44com 高炉各部位耐火材料的选择45com 砖衬设计及砖量计算4633 高炉炉体设备设计49com 炉体冷却设备设计49com 高炉钢结构设备5234 炉壳设计56参考文献60致谢61文献综述研究背景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20510000 吨年大多是木炭铁增加到1806年25100000吨年几乎全是焦炭铁估计每生产一吨焦炭需煤33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 10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135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 为了进一步提高劳动生产率降低成本增加生铁产量从60年代初世界制造出容积为2000m3以上的高炉从最早的热风小高炉容积约50m3发展到现在的大型高炉经历了将近一百年高炉炼铁的基本原理没有变但是高炉炉体以及外围设备却大大地革新了六十年代后期大型高炉日产量已经超过4000吨七十年代以来大型高炉发展的迅速甚至超过人们的预料从1970年到1976年的几年中世界已建成投产104座大型高炉容积在4000立方米以上的有18座可以说从七十年代开始高炉大型化的发展就达到历史上未有的高潮如表11主要产铁国家的高炉座数和生产能力表1-1 七十年代世界主要产铁国家的高炉座数和生产能力 日本 美国 苏联 西德 英国 法国项目 1971 1970 1971 1970 1971 1970 1971 1970 1971 1970 1971 19701970年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年高炉座数 64 65 228 219 113 132 104 93 71 80 97生产能力万吨 7734 7475 10000 8979 9000 3704 2343 2000年 到1972年为止日本有30座大于2000m3高炉投入生产日本钢管福山四高炉炉容4197m3于1971年4月25日开炉日产能力10000吨日本已建和计划兴建的大型高炉如下表所示大于2000m3高炉数量约占国外总数的一半3苏联大于2000m3高炉有17座1971年最大的为3000m3日前正在设计5000m3的美国大型高炉有2427m3美国七十年代日产7000吨的高炉炉容都在2210-2830m3荷兰加拿大波兰法国也有大型高炉炉容分别为215620062000和2100m3高炉越建越大1970-1977年日本已有12座4000-5000立方米高炉投产1976年日本4000立方米以上高炉生产的生铁占全国总产量306表1-2表1-2 日本高炉座数与炉容情况高 炉 内 容 积 1976年 1977年2000立方米以下 35 302000-3000立方米 19 193000-4000立方米 7 74000立方米以上 11 12共计 72 68 近些年国外钢铁工业已经完成结构调整专业分工技术升级正处于企业购并资源整合阶段规模扩张已从发达国家转向以亚洲为主的发展中国家日本韩国及欧洲国家的大型钢铁企业通过加大科技投入开发核心技术实施知识产权战略等方式巩固自身在国际竞争中的地位并借助规模资金专有技术服务网络等优势通过出口装备向发展中国家输出技术获得高额利润 我国高炉大型化的发展现状 我国刚毅额工业底子薄刚解放时全国只有7座高炉1949年的钢产量仅为158万吨居世界第26位设备水平极为落后改革开房以前由于种种原因高炉大戏规划发展速度一直比较缓慢改革开放以后我国话大力气投资建造了一大批高炉其中也有一些总体设备水平较高的大型特大型高炉然而虽然新建的高炉星罗密布但1000m3以上的高炉座数与1000m3一下的中小型高炉座数相比却为数很少且这些中小型高炉的装备水平大多都比较落后 到1989年50m3一下的小高炉座数比1983年翻了两番多占全国高炉总容积的比例也翻了一番多1989年后我国虽又陆续投产了一些大中型高炉但小高炉的见着速度也不落后据冶金部统计1994年我国重点企业有100-4350m3的高炉79座总容积86153m3骨干企业有36-1260m3的高炉139座总容积33788m3地方和乡镇小企业大多为30-50m3的高炉而在1994年的全国生铁总产量9642万吨中重点企业占54这一比例同10年前的1984年相比却下降了16地方企业和乡镇小铁厂的生铁产量则上升了16这些小高炉不仅生产工艺和设备技术水平落后生产效益低对环境污染严重而且能耗高能源浪费严重小高炉的入炉焦比大多在800kg左右有的甚至在1000kg以上比我国较好水平的高炉高出一倍多送风系统漏风严重节能环保等综合利用更谈不上生产出的生铁质量也无保证虽然这批小高炉在我过钢铁供求矛盾紧张的情况下为我国的钢铁生产予以补充但其给能源和矿产资源造成的浪费十分可观 可见我国高炉大型化虽有发展但总体看高炉技术装备水平低其特点是大中小高炉并存炉子多分布广平均炉容小生产效益低能耗高经济技术指标差产品质量较低环境污染较严重 图11 日本美国前苏联以及我国1949-1995年的钢产量发展情况 图11为日本美国前苏联以及我国1949-1995年的钢产量发展情况我国近十几年来虽然相继投产了一批大中型和特大型高炉以及相配套的炼钢轧钢等钢铁生产设备使我国的钢铁产量有了大幅度提高1995年的钢产量达到9400万吨名列世界第二生铁产量达到10171万吨跃居世界第一但人均拥有量仍处落后地位目前我国人均粗钢拥有量不足70kg远低于人均粗钢拥有量约1吨的日本和约05吨的美国甚至低于约150kg的世界平均水平因此我国钢铁工业仍需大力发展 针对我国情况来看我国的炼铁工业在发展如COREX熔融还原等短流程炼铁新工艺的同时高炉炼铁在今后相当长的一段时间内仍是生产生铁的主要工具因此各地应根据情况建造1000m3以上甚至3000-4000m3左右具有现代化水平的高炉以形成具有一定规模的大中型钢铁企业为宜同时要注意提高原燃料质量对现有的300m3及其以上的生产指标较好的中小型高炉应提高原燃料质量加强精料综合鼓风节能环保综合利用等工艺和设备方面的改造提高现代化程度提高效益 由于历史发展原因我国高炉容积过小座数过多环境污染严重的问题非常突出据统计我国高炉总数有3229座其中炉容在 1000-4350的48座00-983m3的181座 100的3000座平均炉容仅83即便是按我国通称的大中型高炉 100计算平均炉容也只有625平均单炉年产铁量约43万t在我国不论是大型钢铁厂还是中小型钢铁厂都存在着高炉座数过多炉容过小的问题一个厂的高炉座数少则4座5座多则达10座既造成劳动生产率低下生产组织管理困难并且有些高炉因装备过 于陈旧对环境污染也很严重这种状况不改变无法参与国际市场竞争在我国有一种观点认为建小高炉投资少建设快那怕高炉座数多一点多用点人还是合算的因为我国人口多工资水平低这种观点 是不正确的简单算一笔账就能看清间题以大型高炉转炉等没备构成的宝钢人均年产钢约 800t而国内多数其他钢铁厂人均年产钢仅100200t若年均工资同为每人20000元则前者吨钢人工费为25元后者为100-200元差别明显据统计我90年代建设的一批不同容积的高炉300-4000m3 无论按单位炉容或吨铁能力投资计算都在同一个范围并未表现出小高炉的投资比大高炉有明显降低提高劳动生产率除高炉大型化以外还可以从提高利用系数着手目前我国一大批中小高炉利用系数已高达25-35大型高炉已达到20左右潜力己经不大了在炉容大型化方面却有很大的空间当今我国市场经济的发展特别是经济全球化的发展为我国高炉大型化提出了迫切的要求而科学技术的进步又为我国高炉大型化创造了充分的条件首钢从上世纪70年代改造2号高炉开始到90年代初 完成了高炉大型化改造平均炉容从原来的832增加到2005鞍钢正着手将装备非常陈旧的座600960的高 炉改建为2座3200的现代化大高炉改造完成后 高炉将从10座减少到5座平均炉容将从原来的 1407增加到228m3同时还要将8台陈旧的75烧结机改建为2台360的烧结机马钢原有9座300级高炉上世纪90年代建起1座2500高炉停了几座小高炉己经向高炉大型化迈出了第一步1 炉底炉缸耐火材料 我国大中型高炉的炉缸炉底自50年代末采用碳砖综合炉底以来在相当一段时期内其寿命都在10年以上但随着高炉冶炼强度的不断提高炉缸寿命依然存在着问题炉缸炉底烧穿而导致高炉停炉的现象在国内外屡见不鲜如邯钢1260m高炉1992年7月投产1995年4月炉缸烧穿7炉缸炉底的破损是由于炉墙砖衬的厚度减薄到一定程度时导致冷却水温度升高高炉的安全受到威胁炉缸炉底破损最主要的特征是在炉缸炉底交界处产生蒜头状侵蚀蒜头状异常侵蚀的发展使炉墙耐火材料的厚度减薄冷却水温度升高发展到一定程度时必须停炉否则可能会造成炉缸烧穿因此蒜头状侵蚀是限制炉缸炉底寿命的一个十分重要的因素炉缸的侵蚀机理主要有铁水和碱金属的侵蚀和渗透耐火材料冷热端的巨大温差造成的热应力同时出铁时铁水的流动对此部分耐火材料产生冲刷为提高炉缸的使用寿命一方面是加大死铁层的深度抑制铁水环流对耐火材料的冲刷另一方面是采用高质量的耐火材料目前炉缸炉底的耐火材料的选用主要有两种方案一种是在优质高导热碳砖上砌筑陶瓷质耐火材料一种是采用高导热的微孔超微孔碳砖防止铁水和碱金属的侵入炉缸炉底用耐火材料的很重要的一点是实现微孔 或超微孔减少孔径大于lm的气孔实现气孔封闭消除或减少铁水向碳砖内的渗透使铁水对碳砖的侵蚀只能在碳砖表面进行从而减缓对碳砖的侵蚀速度延长高炉的寿命其次耐火材料的导热系数对其的冷却效果有重要的影响提高导热系数可降低耐火材料的温度提高其抗侵蚀能力2 高炉炉腹至炉身下部耐火材料 炉腹至炉身下部是高炉内衬最薄弱的环节该部位的耐火材料在生产中 由于受到高温及强热震初成渣和铁水的侵蚀碱金属及锌的侵蚀炉料磨损和煤气流的冲刷以及CO及H20的氧化等许多高炉在炉役早期砖衬便受到严重的侵蚀高炉只能靠冷却器及形成的渣皮维持生产随着冷却设备的烧坏炉壳红热变形甚至烧穿高炉只好被迫停炉中修从理论上来讲高炉砖衬维持的时间越长冷却器工作的环境也越好冷却器的寿命就越长高炉的寿命也就越长因此根据炉体不同部位炉衬的侵蚀机理合理地选用优质的耐火材料是保证高炉长寿的重要途径之一 此区域耐火材料的选择主要有两种观点8一种是追求高导热系数通过冷却使内衬热面温度低于800 即对耐火砖破坏作用出现时的临界温度 将800等温线推至耐火砖衬热表面或渣壳内这样的砖衬可视为永久砖衬其代表产品是美国UCAR公司的小块热压碳砖它导热系数高 32WmK 抗热冲击性能好抗渗透性抗碱性好对于原料条件不稳定大量使用球团矿炉况经常波动的高炉是比较适用的另一种观点正好相反认为应该通过选择耐火材料使炉内热损失减到最低而耐火材料本身应该能在高温下经受住任何侵蚀这样就对耐火材料提出了更高的要求其代表性产品为法国SAVOIE公司产品SIALON结合的刚玉砖和碳化硅砖 导热系数分别为3 5WmK和15WmK 这种砖具有良好的抗碱性和抗氧化性9目前这一部位国内普遍采用抗铁水渗透性抗渣性抗碱性抗氧化性较好并有优良机械性能的SiC系列耐火砖但是在国内使用国产氮化物结合的SiC砖没有获得明显的效果炉墙的温度场和耐火材料的性能是决定炉身下部炉衬寿命的两个重要方面设计操作等因素对炉身下部寿命的影响均通过这两个方面反应出来对于炉墙的设计有两种不同的观点一是采用高导热性的耐火材料使炉墙的总热阻较小这样可以有效地冷却炉衬另一种观点是采用低导热系数的耐火材料使炉墙的总热阻较高认为这样可以减少热量的损失有效地保护冷却系统和炉壳J Van Laar等人认为8高炉炉衬一冷却系统的热负荷是由高炉操作方式决定的与炉衬一冷却系统高炉冷却实践证明冷却方式冷却器的结构参数材质布置方式以及水质等对高炉寿命有极大的影响高炉冷却方式的发展高炉冷却方式的发展大致可分为三个阶段直流供水冷却系统敞开式供水冷却系统闭环式循环冷却系统 含汽化冷却系统和软水密闭循环冷却系统 与之联系在一起的高炉冷却水的发展经历了工业水 即未经处理的地表水或地下水 净化水软水或纯水几个阶段 1直流供水冷却系统这是一种最廉价的方式但有许多缺点造成水管腐蚀结垢由于水中微生物多而在冷却水管内繁殖造成水管堵塞耗费大量的水资源和电能对地表水体的热污染非常严重这种供水冷却方式己基本上被淘汰 2 敞开式供水冷却系统这种供水方式与直流供水冷却方式相比耗水量少对环境污染轻经处理后水的结垢能力和腐蚀性大为降低对冷却器冷却能力的破坏较小但因冷却水常暴露在空气中易被污染水质的腐蚀性及微生物造成的破坏仍不可忽视水质的稳定成为突出的问题3 闭环式循环冷却系统闭环式循环冷却系统有两种形式汽化冷却系统和软水密闭循环冷却系统其工作原理是把经软化的水变成汽水二相混合物利用它比水大几倍到几十倍的热交换系数从冷却构件中吸收大量的热量除了水升温吸收的显热外还有水汽化吸收的潜热强化了热交换由于饱和汽的比重小仅为水的11000因而汽水混合物与水的比重差形成了自然循环的推动力所以它又被称为自然循环冷却系统这种冷却方式的优点是耗水量小基本不需要动力即使在事故停电的情况下也可保证冷却系统的正常运行因使用软水可保证构件水管不结垢冷却强度稳定但因用汽化冷却的平均冷却壁温度高达250 水流冷却时平均为130左右 在高炉强化生产炉内出现高热负荷冲击时冷却构件有可能会因过热而被烧毁为适应高炉强化生产的需要世界范围内的高炉冷却方式都在向软水密闭循环冷却系统方向发展高炉冷却器的发展1 冷却板 冷却板的材质有铸铁钢和铜几种类型目前普遍应用的主要是铜冷却板铜冷却板的优点为对耐火材料提供良好的支撑作用由于铜的高导热性使冷却强度大大增加砌体寿命延长损坏的冷却板易于从炉体外部更换其缺点为只能冷却所在炉壳的局部位置冷却面积相对狭小炉役后期炉衬失去后冷却板突出侵占炉容阻碍炉料运动铜的机械强度在温度超过130时很快降低破损极快对于全冷却板高炉炉壳因开孔较多而导致应力集中尽管有这些缺点全冷却板高炉也取得了较好的炉龄指标如日本君津3号高炉寿命为10年零8个月单位产铁量达7906 tm3改进后预计寿命可达15年宝钢1号和攀钢4号高炉也引进了新日铁密集式冷却板使用情况良好12在冷却板形式方面最早的设计是双通道冷却板该冷却板的冷却水通道面积大水流速低换热系数低冷却板的前端常因冷却强度不足导致其温度升高而破损为保证铜冷却板的机械强度必需使冷却板温度低于130要达到这种冷却效果则需使冷却板前端通道内水流速达到1 11 5ms 因而产生了多通道冷却板以保证在耗水量不变的条件下提高冷却水流速从而提高其冷却强度为解决因冷却板前端破损导致的冷却板失效问题又设计出了双室多通道冷却板 即两路进水两路出水 当一室破损时另一室可继续起冷却作用目前最新设计的冷却板是单室六通道铜冷却板冷却强度极高常用于风口至炉身下部之间的高热负荷区域2 冷却壁冷却壁能够在大部分热量到达炉壳之前将其带走从而能有效地保护炉壳使其免受热影响目前国内外高炉冷却设备发展的趋势是以冷却壁和板壁结合为主目前传统的灰铸铁材质的高炉冷却壁正在逐步淘汰现多为球墨铸铁材质随着高炉强化熔炼水平的提高球墨铸铁冷却壁越来越难以满足要求铸钢冷却壁作为新一代高炉冷却壁由于材质与冷却水管材质相近与球墨铸铁冷却壁相比具有伸长率高抗拉强度大熔点高抗热冲击性强及整体导热性能好等优点应用范围逐步扩大高导热性的紫铜冷却壁的国产化及应用也得到很快的发展 国外早在1982年就开始对铸钢冷却壁进行了研究和开发国内武钢设计院钢铁研究总院等单位在八五九五期间对钢冷却壁进行了大量的研究开发工作现在国内有部分钢铁企业使用钢冷却壁如济钢南钢和鞍钢等效果较好但由于钢液温度高在浇注凝固过程中冷却水管很容易发生变形和熔化穿透这一难题一直没有得到有效解决使铸钢冷却壁工业规模化生产应用受到一定的影响近年来尽管国内有不少单位在冷却壁的结构材质制造方法及提高冷却效果上作了不少有益的探索但囿于原有的认识基础和制造条件还没有形成一整套有效的生产长寿型冷却壁的设计及制造技术国外高炉冷却壁的设计及制造技术发展较快尤其以日本新日铁为代表在引进前苏联冷却壁制造技术的基础上经过不断完善和开发已把高炉一代炉役寿命提高到15年以上铜冷却壁自开发至今20余年已经在多达40余座高炉上使用这说明此项新技术在生产中已经得到了充分的考验 已经被大家所认同在高炉上试用成功使人们对铜冷却壁有了新的认识在高炉上的 使用也从开始时的一段逐步扩大到3段5段甚至更多从炉身下部扩大到炉腹炉腰根据有关资料介绍不莱梅钢铁厂2 号高炉 3550 在大修时使用了8段铜冷却壁除了炉腹炉腰炉身各两段外炉缸还用了两段其中部分铜冷却壁为上一代使用过的旧铜冷却壁磨损仅为1mm经清洗后重新使用这些情况说明了铜冷却壁已进入普遍推广阶段使用范围也在扩大更令人们振奋的是它可以用到第2代炉役上是一种长寿的冷却设备2005年武钢机制公司生产的铸铜冷却壁已经用于武钢7 号高炉并计划在4号2号5号高炉的新建或大修中使用由于铜冷却壁的成本太高与中小企业现有的承受能力不相适应推广应用铸钢冷却壁将会取得了较好的效果铜冷却壁不仅具有性能优势而且在实际应用过程中可以显著降低炼铁成本呈现出极强的应用后劲随着铜冷却壁的国产化进程的加快成本的不断降低和技术的不断成熟可以预见铜冷却壁在我国的使用特别是在大型高炉上的使用将会不断加快 冷却壁材质的优化经历了从普通灰口铸铁低铬耐热铸铁到铁素体球墨铸铁的演变过程炉腰和炉身下部是冷却壁工作环境最恶劣的部位这里存在着强烈的渣铁侵蚀剧烈的温变冲击以及碱金属侵蚀和煤气流冲刷等在如此恶劣的环境中工作的冷却壁要想获得较长的寿命必须对冷却壁本体材料的抗拉强度抗热冲击性能抗裂性能韧性等提出更高的要求普通灰铁和低铬铸铁很难满足冷却壁长寿的要求目前高炉冷却壁大都采用铁素体球墨铸铁与灰铸铁相比铁素体球墨铸铁具有如下优点抗拉强度和延伸率高目前制造冷却壁的铁素体球墨铸铁的抗拉强度一般要求 400Nmm2延伸率一般为20以上球墨铸铁具有优良的抗热疲劳性能800水冷次数可达400次以上方出现裂纹而灰铸铁一般小于50次但球墨铸铁的导热系数低于灰铸铁这是其一大缺点在冷却壁的结构改进过程中主要做了如下几方面的工作通过改变冷却水管的布置提高冷却壁的冷却能力同时增强冷却壁内部温度分布的均匀性以降低热应力对冷却壁的损坏增加凸台以加强对砖衬的支撑延长砖衬的寿命通过改进镶砖材质降低冷却壁肋区温度增强其挂渣能力通过减薄凸台厚度提高凸台内部冷却的均匀性以利于保护凸台通过将砖衬和冷却壁本体铸造在一起加强对砖衬的支撑延长砖衬的寿命冷却壁结构改进的目的主要有两方面一是在提高其冷却能力的同时改善冷却壁温度分布的均匀性以增强冷却壁自身抵抗热流的能力这方面的措施有增加角部冷却水管增加背部蛇形管等另外非常重要的一方面是尽量改善对砖衬的支撑以延长砖衬的寿命靠砖衬来保护冷却壁 由于冷却板和冷却壁各自的优缺点单独使用它们难免顾此失彼为了充分发挥这两种冷却器的优点克服它们的缺点可采用冷却板和冷却壁结合的形式以达到最佳的冷却效果 综合来看冷却板与冷却壁结合的形式有以下优点 在对整个炉壳提供冷却的同时又能对炉衬提供深冷 由冷却板对炉衬提供良好支撑弥补了冷却壁对炉衬支撑不足的缺点 冷却板与冷却壁呈棋盘式布置当冷却壁前的耐火材料侵蚀到一定程度时在冷却壁上下伸入炉内较深的冷却板之间形成凹陷区此区域内易于形成渣皮或堆积渣铁炉料的混合物形成自衬作用保护冷却壁前的炉衬减轻冷却壁的热负荷 冷却壁上下左右的四块冷却板以其较强的冷却能力对冷却壁前的耐火材料提供较好的冷却作用降低炉衬的温度减缓各种侵蚀作用产生的危害从而延长炉衬冷却系统的寿命因此冷却板与冷却壁结合的形式是高炉高热负荷区域较理想的冷却器形式国内外板壁结合冷却器高炉的生产和寿命的各项指标也证明了这一点梅山冶金公司1号高炉采用冷却箱和冷却壁结合的形式自1986年一月以来无中修至1993年9月底高炉寿命达七年九个月单位炉容产铁达5446 t m-3创造了国内设计及制造冷却设备高炉无中修的长寿记录高炉炉体结构炉缸高炉炉型下部圆筒部分为炉缸炉缸的上中下部位分别装有风口渣口铁口炉缸下部容积盛装液态渣铁上部空间为风口的燃烧带炉缸直径d截面积A应能保证一定数量的焦炭和喷吹燃料的燃烧炉缸截面燃烧强度th是高炉冶炼一个重要指标12 炉缸高度的确定包括渣口高度hz风口高度hf的确定以及风口安装尺寸d的确定炉腹炉腹在炉缸上部呈倒截圆锥形炉腹的形状适应该部位炉料已熔化滴落而引起的物料体积的收缩未定下料速度炉腹的存在对上部料柱而言燃烧带向中心移动可减弱煤气流的边缘效应并使燃烧带出于炉喉边缘的下方有利于松动炉料促进冶炼顺行燃烧带产生的煤气量近似为鼓风量的14倍理论燃烧温度可达1800-2000气体体积激烈膨胀炉腹的存在适应这一变化炉腹的结构尺寸是炉腹高度h2和炉腹角Vu2000m3以上大型高炉炉腹高度取值30-36m炉腹过高有可能炉料尚未熔融就进入收缩段易造成难行和悬料炉腹过低则可能减弱炉腹应有的作用炉腹角一般取值为79-83度过大不利于煤气分布过小使得炉腹部位对下降炉料阻力增加不利于顺行炉腰炉腹上部的圆柱形空间是炉腰是高炉炉型直径最大部位炉腰处恰是冶炼的软熔带炉料透气性在此处变坏有炉腰存在扩大了该部位的横向空间改善了通气条件因此当冶炼渣量大时应适当扩大炉腰直径在炉型结构上炉腰起着承上启下的作用使得炉腹向炉身过渡来得平缓减小死铁角经验表明炉腰高度h3对冶炼的影响不甚显著设计一般取值于1-3m之间炉容大向上取值设计中亦可调整h3修定炉容炉腰直径D与炉缸直径d和炉腹角炉腹高度A2几何关系并决定下部炉型的结构特点大型高炉Dd取值109-115中型高炉115-125小型高炉125-15炉身炉身呈正截圆锥形向下扩张以适应往下运动的炉料因温度升高所产生体积的膨胀有利于减小炉料下降的摩擦阻力避免形成料拱炉身高度h4占高炉有效高度的50-60保障了煤气与炉料之间传热和传质过程的进行炉身角对炉料下降和炉身部位煤气流分布有重要影响炉身角取小值时有利于炉料下降但易发展边缘煤气流炉身角取大值时有利于抑制边缘煤气流不利于炉料下降高炉炉型设计护身角取值于805-855间原料燃料条件好护身角可向大取值相反原料粉末多燃料强度差炉身向下取值高炉冶炼强度高风口喷吹量大炉身角取小值一般大高炉炉身角取小值小高炉去大值Vu4000-5000m3高炉犀角取值为8130左右前苏联Vu5580m3高炉角取值794217炉喉炉喉呈圆柱形它的作用是承接炉料稳定料面保证炉料分布告理炉喉直径d1与炉腰直径D炉身角炉身高度A4几何相关并决定了高炉上部炉型的结构特点d1D取值于064-073之间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要考虑到安装偏差和受力变形等因素 4 对于支撑构件要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围管有 250mm间距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2104荷载不对称系数 p 0609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 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上的基墩部分组成高炉基础的负荷 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 2530m设计时时可以利用基墩高度调节铁口标高Mn计算MnO MnO Mn7155 1007由P计算P2O5 P2O5 P14262 0156由S计算FeS FeS SFeOFeS及TfeO3 Fe FeO FeO5672 669Fe FeS FeS5688 0105Fe2O3 中的含铁量为Fe Fe2O3 TFe-Fe FeS Fe FeO 46405Fe2O3 含量为Fe2O3 Fe Fe2O3 160112 66293 2 烧结矿矿石成分的平衡计算烧结矿中几种化合物的总含量为n19 99648 100- 99648 nin19100 由此求出平衡各项成分含量n Fe2O3 6629399648100 6653n FeO 860099648100 863n CaO 1156099648100 1160n MgO 228099648100 229n SiO2 665099648100 667n Al2O3 048999648100 049n RexOy 098099648100 098n Na2O 035099648100 035n K2O 028999648100 029n P2O5 015699648100 016n MnO 100799648100 101n FeS 016599648100 166均衡成分后各化合物的成分和为100球团矿成分补齐计算整理 1 球团矿成分计算由Mn计算MnO MnO Mn7155 0052由P计算P2O5 P2O5 P14262 0055由S计算FeSFeS S8832 0083由FeOFeS及TfeO3 Fe FeO FeO5672 187Fe FeS FeS5688 0053Fe2O3 中的含铁量为Fe Fe2O3 TFe-Fe FeS Fe FeO 59177Fe2O3 含量为Fe2O3 Fe Fe2O3 160112 84539 2 球团矿矿石成分的平衡计算烧结矿中几种化合物的总含量为n19 97032 100- n19 nin19100 由此求出平衡各项成分含量n Fe2O3 8453997032100 8712n FeO 240097032100 247n CaO 08297032100 085n MgO 010897032100 011n SiO2 81597032100 840n RexOy 00397032100 0031n Al2O3 038797032100 040n P2O5 005597032100 0057n MnO 005297032100 0054n FeS 008397032100 0086均衡成分后各化合物的成分和为100澳矿成分补齐计算整理 1 澳矿成分计算由Mn计算MnO2 MnO2 Mn8755 0261由P计算P2O5 P2O5 P14262 0110由S计算FeS FeS2 S12064 0039由FeOFeS及TfeO3Fe FeO FeO5672 145Fe FeS2 FeS256120 0018Fe2O3 中的含铁量为Fe Fe2O3 TFe-Fe FeS Fe FeO 63882Fe2O3 含量为Fe2O3 Fe Fe2O3 160112 91264 2 澳矿矿石成分的平衡计算烧结矿中几种化合物的总含量为n19 97360 100- n19n Fe2O3 9126497360100 93739n FeO 186097360100 1910n CaO 010097360100 0103n MgO 012897360100 0131n SiO2 271897360100 2792n Al2O3 080797360100 0829n K2O 001397360100 0014n P2O5 011097360100 0113n MnO2 026197360100 0268n FeS2 003997360100 0040均衡成分后各化合物的成分和为100硅石的成分补齐计算整理Fe2O3 含量为Fe2O3 TFe160112 1546各化合物的成分和为995751平衡各成分误差n Fe2O3 154699575100 1553n CaO 016599575100 0166n MgO 007699575100 0076n SiO2 9600099575100 96410n Al2O3 221299575100 2221均衡成分后各化合物的成分和为100表2-2 原料成分补齐表成分TFeMnPSFFeOFe2O3CaO烧结矿53200078000680060040486006629311560球团矿6110000400024003000562400845390820生矿6535001650048002100291860912640100混合矿5520506810062005305087306707529340硅石10830000000000000000000011220165石灰石000000000005003000000000000056000续表2-2 原料成分补齐表成分SiO2MgOAl2O3RexOyK2ONa2OMnO2MnO烧结矿66502280048909800289035000001007球团矿81500108038700300100019300000052生矿27180128080700000013000002610000混合矿640718480511081