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钢铁厂设计原理 炼铁部分 武汉科技大学材冶学院何环宇 参考数目 1 钢铁厂设计原理 上册 张树勋2 炼铁设计原理赵润恩3 现代高炉炼铁生产薛正良 绪论一 高炉冶炼概况及车间组成 1 1前言1 2高炉冶炼概况1 3炼铁车间组成 1 1前言一 高炉炼铁方式是最主要的铁的生产方式 二 经济的飞速发展促进炼铁规模的扩大 我国生铁产量 2000年1 26亿吨 2003年2 22亿吨 2007年4 8亿吨 1 2高炉冶炼概况 以一座有效容积为4000m3的高炉为例 日生产 生铁10000吨炉渣3000 5000吨煤气16 18Mm3 日消耗 铁矿石约16500吨燃料4500 5500吨热风13 14Mm3 铁矿石 热风 煤粉 铁水 炉渣 高炉煤气 焦碳 熔剂 1 3炼铁车间组成 高炉本体 blastfurnaceproper 原料系统 BFfeedsystem 送风系统 blastsystem 喷吹系统 BFinjectionsystem 渣铁系统 slag ironsystem 煤气系统 BFgascleaningsystem 返回 烧 返回 返回 球磨机 原煤仓 收集罐 储煤罐 喷吹罐 高炉 返回 返回 烧炉 送风 返回 二 炼铁工艺设计内容高炉冶炼主要技术经济指标车间规模及组成主要设备选型高炉数目及容积的确定车间平面布置 三 炼铁工艺设计原则先进性经济性可靠性 第一章高炉车间设计一 主要技术经济指标的确定 1 有效容积利用系数 v t m3 d 每立方米高炉有效容积每天生产的合格生铁量 反映高炉生产率的一个重要的指标 其确定与使用的风温 风量 炉顶压力 原燃料质量有关 一般大高炉该指标优于小高炉目前 2 2武钢08年平均 2 6 2 焦比K Kg t铁 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400 600Kg t 大炉取小值 小炉取大值 喷吹辅助燃料可有效降低K 武钢06年300 350Kg t 3 煤比 喷煤量 Y kg tFe 冶炼每吨生铁所喷吹的燃料量主要决定于高炉的操作条件武钢 170kg tFe宝钢 260kg tFe 4 冶炼强度I t m3 d 每立方米高炉有效容积每天燃烧的燃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 操作条件等有关一般值在1 0 1 5 小高炉取大值 5 生铁合格率合格生铁产量 生铁总产量在进行炼铁工艺计祘时 除了要确定以上几个主要指标外 还要对风温 炉顶压力 熟料率等有一个初步确定 二 车间规模的确定由全厂金属平衡决定 并考虑与原燃料资源条件相适应 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 检修时影响全厂铁水和煤气供应太多 运输紧张 生产率低一般以2 4座为宜 2 高炉有效容积 Vu 的确定 有效容积 Vu 钟式高炉 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无钟高炉 溜槽垂直位置下沿距铁水中心线这段距离所对应的容积 Vu是根据生铁日产量和利用系数祘出 Vu P v生铁日产量的计算 P Q N C P 生铁日产量t dN 高炉座数Q 生铁年产量 任务计划书中给出 C 年工作日d 四 高炉车间平面布置1 平面布置应遵循的原则两大原则 安全 方便 安全 车间应在主风向及水源下方 下游 各铁路尽量避免交叉等方便 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 铁水罐 修罐库 转炉三者在同一侧 喷煤紧靠高炉等 2 高炉车间平面布置形式 对于只有一个出铁场 产量不很多的中 小高炉可采用 一列式并列式 对于多铁口的大 中型高炉多采用 岛式半岛式 1 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 并列式布置 特点 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 缩短了高炉间距 但热风管道延长 增加了热损失 3 岛式 特点 每座高炉与其热风炉 出铁场 渣铁罐车停放线组成一独立系统 铁路线较多 有两条渣线和两条铁线 渣线和铁线间还有联络线相连 极大提高铁路的运输能力和灵活性 杂物 炮泥 检修渣铁沟料等 有专用杂物线运到出铁平台 4 半岛式 其特点与岛式相似 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 5 武钢5 高炉环形出铁场布置 特点 出铁场呈环形 下面铺有四条铁水运输线 运输灵活能力大 是一种新型的适用于多铁口出铁的平面布置 第二章高炉本体设计高炉本体的设计包括 高炉炉型的设计高炉内衬设计高炉冷却设计高炉钢结构及基础的设计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 1高炉炉型的设计与发展高炉炉型 高炉内部工作空间的形状现代高炉内型 五段式炉型 炉喉 炉身 炉腰 炉腹 炉缸这种炉型已存在了200多年 它适应了高炉内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 一 高炉炉型的特征参 如图 一高二角三径Hua d D d1Hu 有效高度Hu h1 h2 h3 h4 h5 原则 参数选择是否符合两股料流运动规律 物态变化 固体炉料和煤气 组成体积等 的变化热能和化学能是否充分利用温度与速度分布是否合理 二 炉型的设计与计祘按照设计任务书 已知炉容 Vu 设计内型尺寸方法 对比法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 经验法或统计法通过经验和统计 回归出一系列方程 再校核 修正 Vu允许误差 1 1 炉缸 炉底部位的设计与计祘 d h1 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d经验回归式 d2 1 277 Vu I i i 燃烧强度 t m2 d 表示炉缸截面的燃烧能力i的合适值取决于风机能力和原燃料条件 固C含量 透气性等 i过大 负荷太重 燃烧不完全i过小 燃烧慢 下料慢一般i 30t m2 d 取24 28t m2 d 在可能条件下 取大一点 日本 对大型高炉进行统计 回归方程 d2 20 0 04Vu在Vu 2000m3时用这个公式更好一些 计祘出炉缸d后可用Vu A炉缸来校核 Vu m3 Vu A100 30015 18600 100022 241000 200024 262000 400026 28 400028 30 炉缸高度h1 回归式 2h1 d 078 0 85大炉子取上限日本式 h1 0 00788 0 426d计祘完后用Vu V缸 5 8倍来校核上式 风口数目N与风口高度hf确定风口数目 N 考虑因素 燃烧下料炉子强度保证风口间距以安装风口大套N d ss 风口间距 1 1 1 2m 经验式 1000 2000m3BF N 2 d 1 2000m3BF N 3 d 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 aa 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hz的确定 渣分为 上渣 由渣口出来的渣 占总渣量的70 下渣 随铁水从铁口出来的渣hz计祘按上渣量计祘 书上有参考公式 注 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 熔渣全部从铁口排出 铁口数目的确定基准 1个铁口的承受能力为3000t d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 生产调度决定 最多不超过4个 死铁层高度ho的确定 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侵蚀 其相对固定的热容 有利于炉底温度的均匀稳定 经验式 1000 2000m3ho 0 16 0 18 d 2000m3ho 0 18 0 2 d 目前的发展趋势是增加ho 如 宝钢3 BF Vu 4350m3d 14mho 2 985m 0 2d 2 炉腹部位的设计h2 设计时考虑 减少煤气流对炉墙的冲刷 减小 炉料有充分的还原空间 h2不致于过短 因而这部分最重要的就是选取适当的 值来满足以上要求 一般80o 82o 大高炉取小值h2 h2 D d tga 2 3 炉腰部位的设计D h3D 炉腰部位是软熔带开始形成部位 透气性较差 因而D稍大些为好 一般用D d值来确定Vu100 300600 10001000 2000 2000D d1 28 1 151 15 1 131 13 1 101 10 1 07 日本式 D2 24 0 048Vu 2000m3的高炉多用此经验式 h3 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h3对冶炼无重大影响 因而h3在设计时用来调节高炉容积的大小 一般 2000m3 h3 2 3m 4炉身部位的设计 h4 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 一般80 5 85 大高炉取小值h4 h4 D d1 tg 2 5 炉喉部位的设计h5 d1 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 d1 我国经验 由d1 D 0 65 0 70确定日本式d12 11 0 022Vu 大高炉 H5 高度选择应能保证炉喉布料及其调节的需要 一般取1 3m 大高炉取大值 三 高炉炉型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 大型化 矮胖型发展 瘦长型 Hu D 4 5矮胖型 Hu D 1 9 2 1随着各方面条件的改善 精料 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Hu增加缓慢 呈现出大型化 矮胖型发展趋势 如武钢 VUHU4 2516m330m老1 1386m326 7m VU 82 H 13 5 矮胖型的优点 a 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和炉胶的冲刷 b 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 c 风口数目增加有利于高沪的强化冶炼 2 炉缸直径d 及炉缸体积V缸所占比例 随着高炉强化冶炼 要求焦碳燃烧量 炉缸直径 炉缸体积VU V也逐渐增大 如 BFVU m3 HU m HU Ddh1V缸 VU武钢1 138626 72 878 23 212 18 武钢3 320030 62 2812 24 817 53 宝钢3 435031 52 0714 05 419 1 俄罗斯捷钢 558034 82 1015 15 718 28 世界最大高炉 设计年代较老 指标不是很好 3 风口数目 铁口数目 渣口 随着冶炼强化 I 风数数目 目前最多42个 随高炉大型化及冶炼强化及精料等 产量 铁口数目 目前最多4个 随精料及多铁口全天侯出铁 渣口 甚至不设渣口 4 炉身角 随着炉容增加 料柱直径增大 炉料膨胀量 炉身角有减少的趋势 2高炉炉衬设计 一 概述炉衬是由耐火砖 耐火材料组成的衬里 高炉炉衬的作用 减少高炉的热损失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化学侵蚀 注 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 砌筑方式和厚度选择上也各不相同 高炉内衬的材质 砌筑方式 厚度等是否合理 是决定高炉一代表寿命的关键因素 二 高炉炉壁结构的发展 捷克式薄壁高炉 厚壁高炉 炉壳喷水 冷却板冷却 炉衬厚300mm 炉衬厚800 1000mm 20世纪80年代开始 新型薄壁高炉 设计炉型即为操作炉型 薄壁炉衬 全冷却壁 软水密闭循环 如武钢1号高炉 150mm 二 炉衬材质 根据Al203含量 高铝砖 A12O3 48粘土砖 A12O3 48刚玉砖 A12O3 95 烧结刚玉砖电熔刚玉砖Al203含量越高 耐火度越高 1 陶瓷质耐材主要由Al203组成 特点 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 2 C质耐材 i 热压微孔小C砖特点 气孔小 0 5 0 2 m 一般C砖气孔3 5 m 体积小 长为514或779 一般C砖800 1200 抗侵蚀能力强 ii 石墨C砖 特点 高温石墨化处理 外理温度2300 2400 导热性好 抗热震能力强 iii 自焙C砖 特点 砌筑前没经过高温处理 砌到高炉内 烘炉时自焙 成本低 iV 碳化硅砖 SiN4 SiC特点 耐磨性好 多用在炉身中下部 除了有以上的定型耐材以外 还有不定型耐火材料如 浇注料捣打料喷涂料耐火泥浆 V 铝C砖 54 Al2O3 12 15 C 6 8 SiC特点 耐磨 抗热震 总结 C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 三 高炉内衬设计 1 炉底 炉缸部位 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 1 炉底 炉缸的工作环境及破损原因 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 a 热应力破损和铁的渗透大块C砖热端 与铁水接触 温度1200 1400 冷端 有冷却设备接触 温度仅100 150 所以其温差 t很大 可以达到1300 因而产生热应力变化 产生了裂缝 而铁水 比重6 8 7 0 比C砖 比重1 5 2 重 易渗入裂缝形成Fe3C为一疏松的结构 加速了铁水的渗透 由此看来 要想法降低 t 并防止铁水渗透 b 高温渣铁环流破损高温渣铁环流引起炉底炉缸呈蒜头型侵蚀 引起环流的原因 热驱动 中心铁和边缘铁的温差引起的 机械力 中心焦的沉浮 目前高炉使用全C砖炉底 t大 因而蒜头型很严重 环流因素表现的更突出 而过去使用陶瓷质炉底 侵蚀情况为锅底式的 往下侵蚀 c 碱金属 重金属的沉积碱金属与C砖反应生成碱性碳化物 引起体积变化 强度降低 破坏C砖 重金属如Pb的沉积更加速了炉底铁水的渗透 d 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i 原则 考虑主要的破坏机理 设计时考虑 a 加快热传递 降低温差 tb 降低铁水渗透侵蚀ii 炉底 炉缸内衬发展厚度 厚炉底 5 6m 薄炉底 2 3m 是一个消极态度 改进材质 强化冷却 材质 陶瓷质陶瓷 C质 粘土高铝高铝 粘土 环砌C质 底砌陶瓷 全C综合 陶瓷杯 iii 典型结构 a 法国 SAVOIC 为代表的陶瓷杯结构特点 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 2 2 5 保温型 b 美国 VCAR 为代表的热压小C砖结构要点 利用小块C砖 气孔率很小 导热好 迅速的把热量传出去 小块C砖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却 散热型 武钢8高炉陶瓷杯炉底结构 杯底 2900碳捣料 400 1平高导热石墨砖 1000 2立碳砖 400 2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 i 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 ii 初渣的侵蚀初渣含大量FeO MnO等 流动性好 易与砖中SiO2反应而侵蚀耐材 iii 碱金属和锌蒸汽造成的碳素沉积和化学反应 如900 1020 时Zn CO ZnO C 设计指导思想这部分的设计要求耐材有a 良好的耐磨性b 抗渣铁熔蚀能力强c 较好的抗碱金属侵蚀能力 该部位多采用高铝砖 也有用C砖或SiC砖的 3炉身上部与炉喉 破损机理a 机械力破损 最主要的原因 包括固体炉料的撞击与磨损 气流的冲刷等 b 炉喉部位 还有装料时温度的剧变 设计指导思想 这个部位采用的耐材要耐磨损而无需高温要求 多采用粘土砖 炉喉直接与炉料碰撞部位 要用耐磨和耐热铸钢制成的炉喉钢砖 如图 如武钢5 BF 48块钢砖 举例 武钢4 BF第三代炉役耐材使用情况 从上到下 1 炉喉 炉喉钢砖 配水冷 2 炉身上部 粘土砖 抗打击3 炉身中 下部 炉腰 SiN SiC砖 抗煤气冲刷 抗碱金属侵蚀4 炉腹 同3 但目前出现增加Al2O3的趋势以应对高热容 侵蚀和冲刷 5 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 强度大 抗侵蚀能力强 6 炉底 为水冷薄炉底 散热型 兰州 半石墨碳砖 3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 二冷却介质 对冷却介质的要求 热容量大 导热能力好 价廉 易获得 常用冷却介质 主要用水 和电 风 汽化等 工业水 过滤 稍微处理 Ca2 Mg2 含量仍较高 硬度高 软水 经离子交换器处理后 基本不含Ca2 Mg2 纯水 只含少量的H 和OH 三冷却方式1工业水冷却工艺简单 投资省 但富含Ca2 Mg2 易形成水垢 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 冷却器易烧坏 寿命一般2 3年 中小钢厂一般采用 2 软水循环冷却软水开路循环 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1号BF部分 软水闭路循环 卢PW公司 软水闭路循环 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果 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 防止气塞及加强了冷却效果 脱气罐 脱气 防止气塞 加快水速 膨胀罐 内通过氮气加压 这种方式冷却效果好 水量蒸发损失少 冷却器寿命10 15年 武钢1 4 5 及以后新建高炉 3纯水闭路循环 纯水是最好的冷却介质 但纯水制备系统造价很高 宝钢1 BF某些部位 四 冷却设备 光面冷却壁镶砖冷却壁 镶砖冷却壁带凸台镶砖冷却壁 1 炉体冷却设备 1 冷却壁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 用螺栓固定在炉壳上的壁形冷却器 是无缝钢管铸入生铁中制成的 光面冷却壁 如图 厚 80 110长 2000宽 700 800特点 冷却强度大 冷却均匀 多用于炉底 炉缸部位 镶砖冷却壁 如图 厚 150 230特点 耐磨 耐冲刷 易结渣皮代替炉衬的工作 多用于炉腹 炉腰以及炉身中下部 带凸台的镶砖冷却壁 特点 除具有一般镶砖冷却壁的优点以外 还起到了对上部砖衬的支托作用多用于炉腹 炉腰 炉身中下部 砌筑时 冷却壁之间的间隙 上下 10mm 左右 20mm 块数多为风口数的2倍 炉腰 炉腹部位 使用冷却壁的优点 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 现在大量使用的铜冷却壁 如武钢8 BF从第2 9段 炉身下部 均使用铜冷却壁 2 插入式冷却器是一种埋没在高炉砖衬之内的冷却器 材质多用铸铜 内铸钢管 主要包括两大类 冷却板 厚70 110mm支梁式水箱 前端厚230 450mm 冷却板特点 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 冷却效果较好 同时也能支承砌体 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 宝钢1号高炉炉体采用冷却板冷却 冷却板分46层 每层50个 共2300个 适合于厚炉衬 常压高炉现在薄炉衬高压高炉多用冷却壁 2 炉底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 过去多用风冷 安全 但动力消耗大 冷却强度低 现在多采水冷炉底 3 发展趋势 过去 北 鞍钢 上板下壁南 武钢 全壁现在 全壁过去 炉身上部不冷却现在 全冷 在设计时根据冷却制度确定水冷管管径 多少 布置等Eg 武钢4 BF炉底水冷管 66根 110 12mm无缝钢管 炉底水冷管是数十根水平平行排列的无缝钢管 水冷管之间石墨碳质捣打料捣实 3 风口冷却风口的结构如图P104图5 23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个套主要是小套的冷却 风口在高炉内是较易损坏的设备 损坏原因主要是铁水的熔损和炉料 焦炭 煤粉 的磨损目前 风口正常寿命不到半年 1 风口冷却结构的发展 1 空腔式 用紫铜铸造而成 冷却水流速很低 0 5 1m s 角部存在涡流区 因而冷却强度小 风口寿命短 经常被烧坏 2 螺旋式 包钢为代表 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13 82m s 3 贯流式 宝钢为代表 把风口分成若干个区域 每个区域根据热流情况不同 前端水速高 后端水速低 前端水速 14m s 2 延长风口寿命的措施过去是由于水流速度不够造成风口熔损 喷煤后 由于煤粉磨损 又造成风口磨损 延长风口寿命的措施有 1 提高水速 水压 提高冷却强度 2 改进材质 结构 即要考虑导热好 如用纯度高的Cu 又要考虑耐磨 可喷涂耐磨涂料 3 改进水质 如用纯水闭路循环 4 改进喷枪结构 减少磨损 4 武钢5 BF炉体冷却 冷却方式 引进卢森堡PW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水密闭循环系统 特点 全冷却壁 从炉基到炉身上部一共16段冷却壁 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 冷却壁安装取消螺柱固定而借用冷却壁套管与炉壳弹性结合 消除热应力 防止了热应力将水管剪坏 从91年开炉10年间直管坏5根 带凸台的管子坏12根 整个运行情况良好 5 武钢1 BF 2200m3 砖壁合一的薄内衬结构和联合软水密闭循环冷却系统 90年代末世界先进水平 1 薄内衬结构 国内首次使用 a 取消冷却壁的凸台 消灭冷却壁薄弱环节 b 薄内衬 内衬厚度仅150mm c 在炉腰和炉身下部采用2段铜冷却壁 在不采取其它措施 寿命可达15 20年 2 联合软水密闭循环冷却系统软水密闭循环冷却系统的优点 不洁垢 无污染 冷却强度高 冷却效果好 补充水量少 运行可靠 武钢4 5 高炉 冷却壁 炉底和风口及热风阀采用三个独立软水密闭循环冷却系统武钢1 BF 采用联合软水密闭循环系统 将冷却壁 炉底 风口及热风阀采用串联和并联的方式组合在一个软水密闭循环系统中 优点 I 冷却水量少 节约水量50 II 投资少 节约14 管道 泵 阀 脱气罐 热交换器 占地 III 运行成本低 节约18 高炉长寿 高炉长寿是一个系统工程 按照考虑先后顺序 1 设计2 冷却系统3 耐材4 操作5 维护 4高炉钢结构与基础 一高炉本体支撑结构高炉支撑结构的区分具体体现了其载荷如何传递到基础的 支撑结构设计的原则 承重部位不受热 受热部位不承重 同时还要考虑到炉前工作空间的大小 这样才能保证钢结构工作可靠 长寿 高炉的钢结构包括两大部份 本体 炉壳 支柱 框架辅助 走梯 平台 管道 支撑结构的五种典型形式 P115 2 炉缸支柱式 图b 特点 载荷 炉身炉壳 炉腰托圈 炉缸支柱 基础炉腰以下的炉壳不承重 1 自立式 图e 特点 全部载荷 炉壳 基础投资少 炉缸周围空间大 好操作 但炉壳既承重 又受热 这是一种较早期的结构 只适合于小高炉 目前最大的是昆钢620m3 3 炉身 炉缸支柱式 图c 特点 炉顶的部分载荷 炉身支柱 炉腰托圈 炉缸支柱 基础还有部分载荷 炉身炉壳 炉腰托圈同样 炉腰以下的炉壳不承重 4 大框架炉缸支柱式 图a 特点 一部分载荷 大框架 基础一部分载荷 炉身炉壳 炉腰托圈 炉缸支柱 基础 总结 以上2 3 4基本做到了受热部分不承重 炉腹 炉缸 承重部分不受热 炉身 但风口平台窄小 不利于风口平台的操作 5 炉体框架式 又名大框架自立式 图d 特点 绝大部分载荷 除煤气上升管 大框架 基础煤气上升管等的载荷 炉壳 基础这种结构基本做到 承重不受热 受热不承重的原则 而且风口周围空间大 有利于出渣铁 换风口等操作 大高炉多采用 如武钢2 4 5 BF 宝钢2 BF 二 炉壳炉壳在内衬和冷却设备的外部 起到承受炉顶载荷 炉内压力和密封的作用 其外型与炉衬和冷却设备配置相适应 其厚度要与工作条件相适应 厚度 KD其中K f 部位 Vu 如大炉子 P顶大 K要取大些 风口部位或采用冷却板 开孔多 K亦更大些 取值有参考 D 炉壳内径材质 A3钢或低合金钢 碳素钢 三 高炉基础高炉基础由两部分组成 基墩 地面部分 耐热混凝土 基座 地下部分 钢筋混凝土 其面积取决于地基的耐压强度及载荷情况 第四章高炉车间原料系统来料 矿山 外购 送到 炉顶中间包括 混料 贮存 漏料 筛分 称量 上料 1原料的贮存与运输一 混料1 目的 采取平铺直取法 以稳定入炉成分要求 TFe 0 5 0 3 SiO2 0 05 2 工艺流程 整个混料过程是在混匀场实现的来料 混匀配料槽 圆盘配料 混匀堆料机 混匀料堆 混匀取料机 混匀取料 用户 二 贮存 矿槽 1 目的 平衡料流量 便于集中控制 2 容积 数目矿槽容积与数目主要决定于矿石用量和种类 种类越多 矿糟数目越多 高炉越大 用料量越多 贮存时间越长 矿槽总容积就越大 一般矿槽要求能贮存12 18h的矿石用量 焦槽要求能贮存6 8h的用量 矿槽若干个焦槽料车上料 2个皮带上料 另绞一排 例如 宝钢1 BF 满足1万tFe d 烧结矿 贮存10h 6个 566m3球团矿 块矿 贮存12h 6个 140m3辅助料 贮存12h 2个 170m32个 60m3焦炭 贮存6h 6个 450m3 3 位置由车间布置及上料方式决定 料车上料斜桥倾角50 65 焦槽和矿槽 均靠近斜桥布置 与炉列一致 与高炉距离较近 皮带上料由于皮带倾角10 12 焦槽和矿槽个数按Vu容积定 布置可远离高炉 三 漏料筛分与称量这些操作与储存设备是属于一组设备 一般在矿槽下端漏斗口设置 漏料 多用电磁振动给料器 并与称量设备组成一体安装在漏料口上 筛分 目的是减少原料的含粉率 筛分用的筛子种类很多 如首钢的共振式概率筛 武钢的自定中心振动筛效果均较好 称量 多采用电子秤 具有体积小 结构简单 易于自动控制的特点 2高炉上料方式 一 料车上料 它包括上料卷扬机 上料斜桥 及料车等主要设备 斜桥倾角50 65 取决于斜桥下面铁路多少 料车上料能力有限 不适合大高炉 但其基建运行费用相对较低 二 皮带机上料1950年比利时最先出现 70年代末我国采用1 设备 如图 特点 结构简单 运转可靠 生产能力大 易于自动控制 布置灵活 2 皮带上料比料车上料的优点 连续上料能力大 满足大高炉供料要求 改善了炉顶受力状态 使之不受钢绳水平力 皮带上料料流均匀 设备维修简单 寿命长 矿槽远离高炉 有利于高炉炉前布置 3 皮带及其参数皮带是高强度 夹钢丝绳的胶带 皮带规格 a b c f da 粗股数b 细股数c 细股单数f 单丝直径如首钢2号高炉 7 7 7 0 25 6 75 皮带的几个参数 1 带宽B 1m 2 4m 2 带速S 2 2 5m s 3 承料宽 0 8B 4 承料面积S 如图 S S1 S2 梯形面积 扇形面积 面积 5 运输能力Q t h Q 3600S V Y C1 C式中 Y 堆比重 焦 0 45 0 55t m3 烧结矿 1 8 1 9t m3 块矿 2 0t m3 C1 皮带的倾角系数 倾角越小 C1越大 C 料流不连续系数 每批料的矿石和焦炭有间隔 t距离 料与料批之间相隔 tz距离 距离大小与料批大小 装料设备型式有关 一般取0 7 总结 在满足上料能力前提下宜选择适合于地形布置 节省投资节省运费的上料方式 一般推荐 1500m3的高炉多采用料车上料 第二章高炉炉顶装料及探料设备 1炉顶装料装置的任务与发展一 任务1 布料将炉料合理的分布入炉喉 要求在半径方向合理分布 在圆周方向上尽量均匀2 密封实现良好的煤气密封条件 满足高压操作的要求 二 炉顶裝料装置的发展单钟式 频繁装料 散失大量煤气 给煤气用户造成很大不便双钟式 双钟交错启闭 密封炉顶 随着P顶增大 又增设均压放散阀以调整压力 增加布料器改善布料 但存在气密性差 大钟寿命短等问题 钟阀式及三钟四钟式 随着Vu和P顶增大 大钟上下表面承受压差过大 增设中间钟分担压差 并在小钟上部增设阀门改善气密性但随着Vu进一步增大 大钟直径进一步增大 料越难布到喉中心 分布越来越不合理 同时炉顶结构太过复杂 沉重 无钟炉顶 这是一项革命 1970年卢森保PW公司开发研制 2双钟炉顶 一 结构特点 1 结构 如图所示 2 布料设备布料器及可调炉喉 1 布料器料车式高炉最大缺点是由于斜桥在高炉一侧 炉料在小料斗中产生偏析现象 大块料集中在料车对面 小块料集中在料车方向 堆尖也在这边 这个偏析若不采取措施 将会在大料斗和料面继续存在 这个问题可用布料器来解决 高炉上采用的布料器多为三种 马基式布料器快速布料器空转定点布料器 马基式旋转布料器布料器由小料斗改造而成 小料斗分内外两层 旋转部分包括小料斗和小料钟 在小料斗中受料后 布料器旋转角度每批料增加60 即0 60 300 进行六点式布料 存在的问题 I 每次旋转时 小斗 小钟均要动 而且还是带料转 动力消耗大 II 小斗的内外环之间 小钟杆和大钟杆之间必须注意密封 快速布料器在上斗上加旋转漏斗构成 旋转漏斗转 小斗不动 料车卸料时 料通过正在快速旋转的料斗 使炉料在小钟上分布均匀 消除偏析 它不存在密封问题 且动力消耗少 存在问题 是利用离心力来控制漏料 但离心力不好控制 漏料速度难以控制 空转定点布料其结构与快速布料器相同 但工作原理不同 它是下料口转到哪里 再在哪里下料 不带料旋转 优点 下料准确 空转 动力消耗少 布料器基本解决了炉料偏析问题 2 可调炉喉解决炉料难以布到炉喉中心的问题 结构 如宝钢 24组炉喉导料板存在问题 要求各组导料板同步运行比较困难 3 高压操作设备 包括 密封设备均压放散装置有钟炉顶 由于密封面积大 炉料磨损密封件 所以密封效果不好 寿命短 随P顶上升 大钟上下表面承受压力大 开启困难 大钟寿命短 1 5 2y 因而随着Vu上升 钟式炉顶越发显出其缺陷 3无钟炉顶 1970年 卢森堡PW公司开发研究的无钟炉顶是装料设备上突破性的革命 一 结构 1 并罐式无钟炉顶 2 串罐式无钟炉顶 1 上料皮带 2 挡料板 3 旋转料罐 4 下料罐 5 上密封阀 6 导料器 7 大齿轮 8 闸阀 9 节流阀 10 下密封阀 11 波纹管 13 旋转溜槽 1 料罐 2个功能 储料 密封 上密 下密 料罐大小 按料批中体积最大的 焦批 来算 如武钢5 BF 焦批 27吨 则V 27 0 5k K 体积系数2 节流阀 功能 调节料流大小 并罐 八角形节流阀串罐 光圈式直径随形状增加 中心与炉子中心一致 3 中心喉管其直径应与节流阀 下密封阀内径相适应 直径太大 对料没有结束作用 会使料面高低不一 布料不均 直径太小 漏料时间太长 影响装料能力 且可有卡料 4 溜槽功能 布料两种运动方式 1 倾动 在一定范围内 如武钢5 BF 工作倾角与高炉中心线夹角2 53 2 旋转 多环 两个功能结合 能实现各种布料方式 定点 扇形 螺旋 多环溜槽的长度L L R 0 8 0 9R 炉喉半径 5 气密箱气密箱是溜槽旋转的传动装置 为了防止煤气阻塞及高温 采用氮气密封 软水冷却 二 无钟炉顶 相对钟式炉顶 的特点1 以溜槽代钟布料 布料方式灵活 布料合理 2 以阀代钟密封 以小面积代替大面积密封 密封效果好 3 造价低 资金回收快 约2年 维修量少 工作可靠 实际生产日期长 三 并罐与串罐的比较1 并罐的最大缺陷就是存在料的偏析 并罐由于卸料口远离高炉中心线 料流流经中心喉管时 明显偏向卸料罐所在位置的对面 导致其粒度和重量在高炉圆周上分布不均 呈椭圆型 2 并罐的称量的准确度没有串罐的高 并罐的二个罐是支撑在一个支梁架上 相互影响 3 串罐所用的料流阀 光圈式 布料性能好 4 串罐的上罐可以旋转 使炉料的堆尖成一圆环 以减少粘度偏析 5 串罐的缺点就是高度高 料的落差大 6 并罐优点是高度比串罐低 且一个出事故 另一个罐可以维持工作 经过以上比较 现在大高炉多采用串罐式无钟布料 四 工作流程1 并罐流程 受料斗 料罐 节流阀 叉型漏斗 中心喉管 溜槽 炉内2 串罐流程 受料斗 上罐 下罐 节流阀 中心喉管 溜槽 炉内 4探料设备探料设备是探测料面深度 料线 以确定炉料下降速度以及控制下料一 料线无钟 溜槽垂直位置下端距料面高度 钟式 大钟开启位置下沿距料面高度 二 探料设备探料设备有很多种 以下介绍两种最常用的 1 探料尺 2根 也有3根 是一种直接测量的方式探头 重锤 链条 链轮特点 设备简单 运行方便 直接 但只能测点 2 红外热图像仪 间接法 如武钢5 BF 引进瑞士的红外热图像仪 工作原理 炉料温度不同 其放射的红外线所对应颜色亦不同 将红外热图像仪摄取高炉炉顶料面 温度分布不同所放射的红外线 再将其变换为相应的温度信号 进而可以知道整个料面分布情况 第六章高炉送风系统 风 高炉冶炼的物质基础高炉行程的运动基础 送风系统流程 2003年我国平均风温 1078 各厂相差较远 低 800 900 高 1200 1300 如宝钢 1高炉用风机 风机的能力 风量 设计时根据物料平衡计算风压 根据炉料组成 风管布置 热风炉结构等决定 一高炉对鼓风机的要求 1要有足够的风量高炉所需风量大小 不仅与炉容成正比 还需适应高炉冶炼进一步强化的需要 风量计算 V Vo 1 k V 式中 Vo 高炉入炉风量 K 管路漏风损失系数 10 15 V 热风炉换炉充风量 8 10 2要有足够的风压 高炉所需风压 应满足高炉炉顶压力 炉内料柱阻损和送风系统阻损的要求 即 P P顶 P料柱 P管道P料柱取决于炉料结构和VuP管道取决于管道的布置和管道大小 3有一定的调节范围 高炉冶炼过程由于各种因素的影响 要求风量和风压能在一定范围内变动 即要求风机能力有一定的调节范围 二 高炉用鼓风机现代大中型高炉所用的鼓风机 多是离心式和轴流式的 这两种鼓风机就其工作原理看都属于透平式 都是使气体产生转动 并将此转动能量转换为压力而送气的 工作原理 利用装有许多叶片的工作轮高速旋转所产生的离心力来挤压空气 以达到一定的风量和风压的 一般说来风机的风量与转速成正比 风压与转速的平方成正比 1 风机类型 1 离心式鼓风机 2 轴流式风机随着Vu的增大 需要风量的增多 离心式鼓风机由于体积大 制造运输困难 消耗功率多等缺点逐渐被轴流式风机所代替 气体在轴流式风机中被叶片螺旋推进沿轴向流动 由于叶片与气体的相互作用 叶片对气体做功 气体获得能量 2蓄热式热风炉 前言 自1859年考贝式热风炉问世以来 高炉生产使用热风炉操作已有一百多年的历史 高风温已越来越成为降低焦比 提高产量 强化冶炼的重要手段 特别是提高喷煤量以来 这个手段的重要性越来越明显 热风炉的工作式间歇式的 一个周期分为两个阶段 一热风炉分类 按燃烧装置所在位置分 内燃式 燃烧室和蓄热室在一个外壳内 考贝式 改造型 霍戈文式 外燃式 将燃烧室独立出来 科泊式 地得式 马琴式 新日铁式顶燃式 燃烧室在蓄热式的顶部 我国用得最多的是内燃式热风炉 2001年68 71 二内燃式热风炉的结构 1 结构 工作原理 燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳内 之间用隔墙隔开 煤气和空气由管道经阀门送入燃烧器并在燃烧室内燃烧 燃烧的热烟气向上运动经过拱顶时改变方向 再向下穿过蓄热室 然后进入大烟道 经烟囱排入大气 在热烟气穿过蓄热室时 将蓄热室内的格子砖加热 格子砖被加热并蓄存一定热量后 热风炉停止燃烧 转入送风 送风时冷风从下部冷风管道经冷风阀进入蓄热室 空气通过格子砖时被加热 经拱顶进入燃烧室 再经热风出口 热风阀 热风总管送至高炉 燃烧室是煤气和助燃空气燃烧产生高温废气的地方 燃烧室的形状 利于气流分布并结构稳定 三种主要形状 燃烧室大小保证燃烧室内气体流速 V Q A燃 2 燃烧器金属套筒燃烧器 V 3 3 5m s陶瓷燃烧器 V 6 7m s 金属套筒燃烧器 助燃空气和煤气两股流平行 混合效果不好 混合距离长 火焰长 燃烧室高度高 且气流冲刷隔墙 隔墙温差大 隔墙掉砖 短路 难以达到高风温 随着对风温水平的要求越来越高 目前大中型高炉多采用陶瓷燃烧器 陶瓷燃烧器陶瓷燃烧器是针对金属目的不足而设计的 它由耐火砖砌成 其轴向与燃烧室一致 结构 特点 a 空气分布帽细分流股细分空气流股与煤气大流股呈25 30度交叉混合 在这种燃烧器中 空气环流速度大 煤气流速低 它们的混合是利用其流股的交角和速度差 特别是利用粗流细割后的细小空气流股对煤气流的交叉穿透 强化了空气和煤气的混合 b 燃烧室高度降低c 燃烧废气垂直向上不转弯 对隔墙的冲刷和破坏作用大大降低 宝钢1 BF 三孔陶瓷燃烧器 其最高风温达1350度 3 蓄热室 核心 蓄热室是由格子砖砌成的耐火材料空间 热风炉多采用五孔或七孔格砖 特别是目前为加大传热多采用七孔格砖 格子砖的性能参数a 加热面积 m2 m3格砖 1m2格砖具有的加热面积 表示传热能力的参数 越大 传热越好 24 40b 活面积 m2 m2格砖 1m2格砖横截面中格孔所占的通道面积 0 3 0 45c 当量厚度d当 m m2格砖 单位加热面积具有的格砖厚度 表示格砖储热能力的参数 格砖的选择要求 a要有较大的受热面 以加大传热 b要有足够的当量厚度 保证储热能力使周期温降不要太大 c尽可能的引起气流的扰动 提高传热效率d有较好的建筑稳定性e抗高温 抗渣性能好 蓄热室材质选择 依据温度分布不同 部位温度材质上部1300 1400 硅砖 SiO2 90 中部 1000 高铝砖下部 800 粘土砖 拱顶 环境 连接燃烧室和蓄热室的通道 所处温度是热风炉最高温度区 t顶 t风 150 200 且是一个热震区 材质 这部分材质要求较高 关键是热稳定性好 多采用硅砖 结构形式 过去 半球形结构缺陷 水平侧压力大 拱顶砖直接座在热风炉大墙上 不稳定 随着大墙的热胀冷缩而变化 易开裂 现在 悬链形拱顶 炉篦子和支柱作用 支撑格子砖 并将荷重传给炉底 材质 耐热铸铁 工作温度 T 500 要求 炉篦子和支柱的结构 数目应与格砖配合适应 以免堵塞砖孔 2 内燃式热风炉结构衡量指标 1 主要尺寸 H全 D外其数据决定于Vu I和t风 H全 最高 60m D外 4 10m 超过10m用外然H全 D外 4 6目前 该值有增大的趋势 因为热风炉越高 热量分布越好 热传递效果好 2 加热能力热风炉的加热能力可用每m3高炉有效容积所具有的蓄热面积表示 一般70 90m2 m3Vueg 武钢5 BF A蓄 86m2 m3 三改造型内燃式热风炉 Hoogovens 考贝式内燃式热风炉由于结构上的一些原因 特别是隔墙易开裂形成短路 难以达高风温的要求 而新建外燃式热风炉则占地多 投资多 因而 在原内燃式热风炉基础上进行改造 是获得高风温的一个很好的途径 我国大多数钢厂都走这个途径 特点 采用悬链式拱顶悬链式是一种非常稳定的结构 增加了拱顶的稳定性 拱顶与大墙分离拱顶不座在大墙上 而是通过托圈座在炉壳上 避免了大墙体积变化 引起拱顶不稳定 大量采用相互独立的砌体结构 留有膨胀缝避免了由于温度不同使砌体产生的的内应力而造成砌体破坏 隔墙 大量采用组合砖以提高砌体的稳定性和整体性 拱顶 在隔墙下部两层砖之间夹一块钢板和耐材填料 降低 t 防止短路 从矩形陶瓷燃烧器代替金属套筒燃烧器 改善燃烧 另外 在耐火材料的选样上 格砖的结构上也作了一些改进 武钢通过这样的改革 使T顶达到1350 四外燃式热风炉 外燃式热风炉一个主要的优点就是将蓄热室和燃烧室完全分开 避免了内燃式隔墙短路的问题 宝钢 鞍钢 11座 本钢部分使用的是外燃式热风炉 外燃式的特点 结构稳定 两室分开 且有波纹管相连可以单独胀缩 燃烧室及拱顶结构形式有利于烟气分布 T风高 占地多 投资多 五顶燃式热风炉 1979年 首钢1327m3BF使用 目前首钢2536m3BF 特点 蓄热室面积大 气流分布均匀 可获得高风温 消除了内燃式热风炉隔墙开裂的问题 燃烧器装在拱顶 整个结构简练合理 投资少 但较小的燃烧空间无法保证大量煤气的充分燃烧 所以限制了其在大高炉上的应用 球式热风炉为顶燃式热风炉的一种 其特点是将蓄热格子砖替换为耐火材料球由于球之间对流换热改善 能降低拱顶温度与热风温度之间的温差 100 120 也就是说在相同煤气热值条件下 球式热风炉比格子砖热风炉可提高40 50 风温 3送风系统的管道和阀门 要求了解 鼓风机高炉经过了哪些管道 哪些阀门 结构如何热风炉换炉操作顺序 4 热风炉烟道废气余热利用 t废气 300 450 预热助燃空气和煤气是提高 风的有效措施之一 t助增加 则t风增加约 因此 人们开发出很多利用废气预热助燃空气和煤气的装置 一 热管换热器 工作原理 工质 水或导热油 受热汽化 在上部冷凝放出汽化热 加热助燃空气或煤气 这种换热器具有结构简单 热效率高 能耗少的优点 在炼铁生产中得到广泛的应用 二热煤式换热器 工作原理 是利用废气温度加热热煤后 用输运泵将热煤沿管道输送去加热助燃空气和煤气 热煤在管内 气体在管外 热煤没发生相变 工质多用导热油 三热轮式换热器 属气 气式周期性吸热 放热的蓄热性换热器 其周期与热风炉周期一致 当烟气通过转子时 烟气通道侧蓄热板吸收了烟气的热能 随转子旋转 被加热了的蓄热板转到与烟气分隔的助燃空气通道侧 常温空气逆向通过时 蓄热板将所蓄热量传给空气 加热空气 四板式换热器 其换热元件由若干薄板焊成集成块以增大换热面积 它依靠薄板吸收废气热量并通过板壁将热量传递给空气 5高风温热风炉的设计 低温热风炉 1000 1100 中温热风炉 1100 1200 高温热风炉 1200 以上目前我国只有宝钢稳定为高温热风炉 一改造热风炉 Hoogovens 在原有内燃式热风炉的基础上 对其进行改造 Hoogovens 拱顶隔墙燃烧器高效格子砖砌体方式 增大蓄热面积A蓄 m2 m3 u或 m2 m3风 三采用煤气和助燃空气双预热 配加高热值煤气如 天然气 转炉煤气 焦炉煤气 五改善操作采用交叉并联送风制度 2快烧炉 快送风随燃烧期延长 格砖表面和中心的温差不断减小 换热速度减慢 热效率降低 而适当缩短送风期 风温降落少 风温水平高 3采用自动化操作 快速 准确 第六章高炉喷煤工艺设计 喷煤的发展与工艺流程 高炉喷煤是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细小的煤以代替焦炭起提供热量和还原剂的作用 一发展高炉喷吹煤粉自 年法国马恩省炼铁厂喷吹木炭屑开始 上世纪 年代开始用于生产 我国于 年在鞍钢和首钢开始喷吹煤粉研究 80年代后 我国炼铁厂普及喷煤90年代 由喷无烟煤到无烟煤 烟煤现代 我国喷煤技术处于世界先进水平 其中宝钢 kg以上 二工