高炉本体设计总结稿等待审定.doc

目录目录 摘要 一 前言 高炉炉的发展 二 高炉的炉型选择 高炉炉型设计 炉型设计要求 高炉有效容积计算 高炉内型尺寸计算 三 高炉炉体设计 四 高炉炉衬结构高炉炉衬结构 高炉炉衬耐火材料 高炉炉底及炉缸耐火材料 高炉内壁侵蚀原理 高炉各部位使用的耐火材料 高炉内壁衬砖设计及结构特点 炉底炉缸的砌筑方法 砖量的计算 五 高炉冷却系统设计与选择 六 高炉的钢结构 七 结束语 八 参考文献 高炉本体设计高炉本体设计 2 1 1 高炉炉型设计 2 1 1 1 1 1 1 炉型设计要求炉型设计要求 3 1 1 2 炉型设计方法炉型设计方法 3 1 1 3 炉型设计与计算 4 2 风口 渣口及铁口设计 7 3 高炉炉体设计 8 3 1 高炉炉衬结构 8 3 2 高炉炉衬耐火材料 9 3 3 高炉炉底及炉缸耐火材料 10 4 高炉各部位使用的耐火材料 11 7 炉体冷却设备设计 18 8 炉体钢结构设计 22 高炉本体设计高炉本体设计 1 1 高炉炉型设计 高炉是竖炉的一种 高炉内部工作剖面的形状为高炉炉型或高炉内型 高 炉冶炼的实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间 高炉炉 型要适应原燃料条件的要求 保证冶炼过程的顺利进行 本设计采用五段式高炉炉型 五段式高炉炉型的内型简图如图 5 1 所示 图 5 1 高炉内形简图 h1 炉缸高度 h2 炉腹高度 h3 炉腰高度 h4 炉身高度 h5 炉喉高度 1 1 1 1 1 1 炉型设计要求炉型设计要求 高炉炉型的合理性 是高炉能实现高产 优质 低耗 长寿的重要条件 合理炉型应该是使炉型能够很好地适应于炉料的顺利下降和煤气流的上升运动 在设计炉型时 尽可能地使设计炉型接近于合理炉型是设计工作者的重要 任务和努力方向 炉型设计应当满足下列要求 1 与原燃料条件和送风制度等操作条件相适应 有利于炉况的顺行 2 能够燃烧较多数量的燃料 提高冶炼强度 增加生铁产量 3 有利于煤气的热能和化学能的充分利用降低焦比 4 适应于采用喷吹等强化操作的新技术 5 能与炉衬结构及冷却方式配合 易于生成保护性渣皮 防止炉衬的迅 速烧坏和侵蚀 有较长的一代寿命 炉型设计的总原则是合理确定炉型各部分尺寸之间的比例 高炉的合理炉 型应该满足冶炼强度 降低焦比 有利于炉况顺行和长寿的要求 随着冶炼条 件的改善 装备水平和操作水平的提高 高炉内型尺寸逐步向矮胖型发展 另外 高炉鼓风机能够提供高炉冶炼足够的风量和风压 高炉炉顶设备的 改进和发展 能够满足高炉炉顶高压操作和各种布料方式的要求 高炉富氧喷 吹煤粉 高风湿的使用等等 为高炉大型化和炉型向矮胖型方向发展提供了有 利条件 因此 在设计合理炉型 必须综合考虑 保证高炉炉型合理的情况下 更好地适应于 炉料顺行和煤气运动 1 1 2 炉型设计方法炉型设计方法 由于高炉冶炼过程和工作条件十分复杂 用理论计算方法设计出来的炉型 难以满足生产条件 因此 迄今为止炉型设计仍然是采用分析比较和经验公式来计算的 即根 据同类型高炉的生产实践数据 对所设计的高炉具体原料和操作条件 进行分 析和比较 确定高炉各部分尺寸之间的比例值 进而设计出高炉的经验公式 进行初步计算取值 最后确定出炉型尺寸 炉型设计的总规则是合理确定炉型各部分尺寸之间比例 这是因为炉型各部分尺寸之 间的比例是相互影响 相互制约的 片面过分强调扩大或缩小某部分尺寸 都会给高炉生 产带来不利影响 并且这些比例关系中的合适比值 是随着炉子有效容积 炉衬结构 原 燃料及操作条件的变化而改变的 1 1 3 炉型设计与计算 本设计采用经验公式 其它参考现有高炉炉形确定 炉型设计计算如下 高炉有效容积计算 1 确定高炉全年的生铁任务 已知本设计年产量为 380 万吨炼钢生铁 即全年生铁任务为 t a3800000 P 2 计算高炉日产量p 355 M P p 式中 高炉座数 座 本设计为 2 M 355 高炉年工作日 则高炉日产量为 t254 7042 355 2500000 355 P p 3 计算高炉有效容积 u V u pp K V nI 式中 每吨生铁的焦比 t t 本设计取 0 45 K 冶炼强度 t m3 d 本设计取 1 1 I 则高炉的有效有效容积为 m3227 2881 11 5 40254 7024 I u Kp V 取 2900 m3 1 1 4 高炉内型尺寸计算 1 炉缸直径 它是决定焦碳燃烧量和出铁能力的重要参数 大型高 炉一般采用经验公式 d 0 4087 0 408729000 4205 11 677 m 0 4205 Vu 取 d 11 7m 2 炉腰直径 决定于炉缸直径 炉腰高炉和角度 炉腰直径稍大些 好 它有利于改善初成渣的透气性 可 D d 来确定 可用经验公式 D 0 5684 0 568429000 3942 12 981m 0 3942 Vu 取 D 13 0 m 3 炉喉直径 0 431 0 431729000 377 8 769 m 1 d 0 3777 Vu 取 8 8m 4 炉缸高度 要求能储存一次铁水量和下渣量 加上出铁量波动系数 一般应使炉 缸的容积占高炉有效容积的一个比例范围 现代大型高炉一般在 17 18 左右 1 4206 5 004 m 1 h 0 159 Vu 0841 34 8707Vu 取 5 0m 1 h 5 炉腹高度 在炉腹部位炉料下降缓慢 未还原的矿石在此经过充分还原后进入炉 缸 所以在冶炼铸造生铁和使用难还原的矿石的时候 炉腹要高一些好 1 6818Vu 63 5879 3 497 m 2 h 07848 Vu 0 8129 0 719Vu 0 841 0 517Vu 1 取 3 5 m 2 h 6 炉身高度 主要炉料粒度和焦炭强度等对煤气流分布的影响 也要考虑和其他比 为的相互关系 6 3008Vu 47 7323 16 23 m 4 h 0 78480 77010 75541 0 78330 5769 VuVuVu 取 16 2 m 4 h 7 炉喉高度 炉喉起到控制炉料和煤气流分布的作用 炉喉过高使炉料挤紧 影响 下降速度 过低 不便于改变装料制度调节煤气流分布 一般在3m 1 0 3527 2 548 m 5 h 0 24460 7554 28 3805VuVu 取 2 5m 5 h 8 炉腰高度 在炉腹部位炉料下降缓慢 未还原的矿石在此经过充分还原后进入炉 缸 因此 炉腹的高度应与炉容向适应 炉腹过高 可能是炉料还未熔化就过 早的进入炉腹 容易导致悬料 炉腹过低有无法发挥作用 0 3586 1 982 m 3 h 0 21520 7848 6 3278VuVu 取 2 0 m 3 h 9 有效高度 高炉有效高度直接影响到高炉的还原能力和热交换能力 并对料柱的 透气性带来影响 29 2m u h 12345 hhhhh 10 死铁层高度 0 0937 2900 2 10 4 m 1 933 m 0 h 2 0 0937 u V d 取 2 0 m 0 h 11 风口数目 风口数目用相邻风口之间的中心距计算 n 3 14 d 1 3 28 23 本设计取 28 12 炉腰角 07 5 7 11 0 13 3 322 tan 2 2 dD h 579 13 炉身角 76 7 8 8 0 13 2 1622 tan 1 4 dD h 2 68 14 校核炉容 炉缸体积 2 11 4 VD h 656 3353 01 4 2 3 m 炉腹体积 22 22 12 Vh DDdd 419 44 22 11 71 711313 53 12 3 m 炉腰体积 2 33 4 VD h 265 332 013 4 2 3 m 炉身体积 22 4411 12 Vh DDdd 22 8 88 8311316 2 12 1429 60 3 m 炉腹体积 2 515 4 Vd h 151 97 3 m 高炉容积 u V 12345 VVVVV 656 33 419 44 265 33 1429 60 151 97 2893 2 3 m 相对误差 V uu u VV V 计算符合要求 1 0 23 2900 29000893 22 经计算得到高炉尺寸见表 5 1 表 5 1 高炉尺寸表 项目参数项目参数 炉缸直径 m11 7炉身高度 m16 2 炉腰直径 m13 0炉喉高度 m2 5 炉喉直径 m8 8炉腹角 m 579 死铁层高度 m2 0炉身角 m 2 68 炉缸高度 m5 0高径比 m2 25 炉腹高度 m3 5风口数目 m28 有效高度 m29 2铁口数目 m4 炉腰高度 m 2 0 有效容积 m3 2893 2 2 2 风口 渣口及铁口设计风口 渣口及铁口设计 2 1 风口 风口装置是向高炉送风的设备 封口装置包括 热风围管以下的鹅颈管弯 管 直吹管和风口各水套及吊挂装置等 均为铸钢制成 内部砌筑耐火砖或捣 打不定形耐火材料 以隔热和体温 采用常压操作高炉的弯头 直吹管及风口 小套之间的联络均为球面接触压紧连接 球面接触是为了适应热变形 防止漏 风 风口是有风口大套 二套和三套组成 风口大套一般用铸铁或铸钢制成 内有蛇形无缝钢管通水冷却 用法兰盘与炉壳连接 风口三个水套之间均为以 磨檫接触压紧固定 因此接触面必须精加工 避免漏气 风口小套的通风道一 般为锥状 其通风道前端内径应该根据高炉操作对风速的要求来确定 风口装 置不仅要求封闭性好 耐高温和隔热而要求拆换风口水套应该方便迅速 以免 影响高炉操作 2 2 渣口 渣口装置由大套 二套 三套和渣口等四个部分组成 渣口各套的材质 结构及固定方式均于风口基本相同 只是渣口二套和渣口小套 由于热负荷不 如风口大 均为空腔式结构 渣口小套内直径 一般常压为 50 60mm 高压高 炉为 30 45mm 2 3 铁口 铁口装主要是指铁口套 铁口套的作用是保护铁口处的炉壳 铁口套一般 用铸钢制成的 并于炉壳馏结或焊接 理论不使应力集中 铁口套的形状 一 般作成椭圆形或回角大圆弧半径方形 1000m3以上高炉 原则上一个铁口只能负 担 1000 m3炉容出铁 这应该是个极限 超过这个极限应当增加一个铁口 若 超过 4000 m3炉容 设 4 个铁口就够用 因为 4 个铁口轮换出铁 能够满足生 产要求 1000 m3以下高炉 都是按时出铁 增加铁口数量可增加出铁次数 有 利于强化高炉冶炼 另外 铁口炮泥改进后 允许渣铁液体全部从铁口流出 虽 然在国际上 1000 m3以下高炉将逐渐被淘汰 而在中国和一些第三世界国家和 地区 在相当一段时间内可能还要建一些 1000 m3以下高炉 500 m3以上高炉 应设计两个出铁口和两个出铁场 以发挥小容积高护容易强化的优越性 增加一 个铁口可增加 8 10 的产量 这是一个可观的数值 多建一个出铁场所用的投资 估计在两年内即可回收 对国内已建的 5000 m3以上高炉 在大修时如有条件 建议增加一个铁口 或扩大出铁场或增加一个出铁场 3 高炉炉体设计 3 1 高炉炉衬结构 高炉炉衬是用能够抵抗高温和化学侵蚀作用的耐火材料砌筑而成的 炉衬 的主要作用是构成工作空间 减少损失 以及保护金属结构免遭热应力和化学 侵蚀作用 延长炉衬寿命是高炉设计的重要任务 也是高炉操作的重要任务 高炉耐火材料的选取主要考虑其抵抗炼铁过程中的 6 种主要物理热 化学侵蚀的性能 即抗碱金属性 导热性 抗爆裂性 碳素氧化性 抗热振性和抗渣铁侵蚀性 3 2 高炉炉衬耐火材料 随着炼铁技术的发展 砌筑高炉用的耐火材料品种不断增加 质量要求也 不断提高 目前 高炉内的耐火材料主要有硅酸铝质材料和炭质材料两类 3 2 1 硅酸铝质耐火材料 高炉用的硅酸铝质耐火材料主要包括粘土砖和高铝砖 两者比较 高铝砖 比粘土砖含的 Al2O3成分高 Al2O3 48 其中耐火材料度及负荷重软化开始 温度均比粘土砖高 其抗渣性能及抗腐蚀性能 特别是靠磨性能更加好 并随 着高铝砖 Al2O3含量增加 这些性能也随之提高 高铝砖的缺点是热稳定性不 如粘土砖的好 成本也高 总之 粘土砖和高铝砖都具有理化性能良好 化学 成分与高炉渣相似 不易被渣化及成本较底等优点 高铝砖和粘土砖应该满足下列要求 1 Al2O3含量要高 以保证有足够高的耐火度 使砖在高温下工作强 2 Fe2O3要求低 主要是为立刻限制碳黑的沉积和防止它由于 SiO2生成低 熔点物质而降低耐火度 3 荷重软化开始温度要高 因为高炉砌体是在高温和很大压力条件下工作 的 4 重烧线收缩要小 使砌体在高温下产生裂缝的可能性减少 避免渣 铁 及其他沉积物渗入砖缝侵蚀耐火砌体 5 气孔率 特别是显气孔率要低 防止碳黑等沉积和增加抗磨性 3 2 2 碳质耐火材料 碳质耐火材料主要包括碳砖石墨 碳化硅和碳捣料泥其特点是 1 耐火度高 碳实际上是不熔化的物质 在 3500 升华 所以用在高炉 不 熔化也不软化 2 碳质耐火材料具有很好的抗渣性 3 有良好的导热性和导电性 4 热膨胀系数小 热稳定性好 不易发生开裂 防止渣铁渗透 5 碳和石墨在氧化气氛中氧化成气态 400 能被氧化 500 时和水 气作用 700 开始和 CO2作用 均生成 CO 气体被损坏 碳化硅在高 温下也缓慢发生氧化作用 这些都是碳质耐火材料的主要缺点 碳硅的优点多 所以目前已广泛用于高炉炉底和炉缸的砌筑 有部分高炉 在炉腹及其以上部位也采用碳质耐火材料 3 3 高炉炉底及炉缸耐火材料 随着高炉炼铁技术的发展 进一步强化冶炼 降低焦比 广泛采用精料 大风量 高风温 大喷吹的操作方法 高炉炉体特别是炉缸炉底工作条件日趋 恶劣 不适应性与日俱增 炉缸炉底是高炉最关键的部位 同时高炉炉龄长短 主要取决于炉缸炉底耐材的损耗状况 为了延长炉役寿命 必须了解炉缸炉底 耐材的损耗机理 并设法检测其侵蚀过程 从而找到更为适合现代高炉炉底炉 缸结构的炭砖结构 延长高炉寿命 3 4高炉内壁侵蚀原理 为了设计出合理的炉底炉缸结构 有必要了解炉底 炉缸的侵蚀机理 主 要有以下几种原因 1 化学侵蚀 包括碱金属侵蚀和铁水对炭砖的渗透以及炭砖中的碳向铁水中 的溶解所导致的侵蚀 2 铁水流动对炭砖的冲刷 3 炭砖的氧化 4 热膨胀和热应力造成裂纹 这几种侵蚀在炉缸区同时发生 特别是炉底 炉缸过渡区域 铁水对炭砖 的侵蚀和冲刷尤为严重 对于普通无烟煤基炭砖 其抗铁水炉渣侵蚀性能差 热膨胀系数大 抗压强度低 因此 很容易被侵蚀而形成所谓的 象脚状 或 蒜头状 侵蚀 威胁高炉安全生产 针对上述侵蚀机理 从20世纪80年代开 始 炭砖制造商们开始致力于抗侵蚀炭砖的研制开发 如微孔炭砖的研究 从 而弥补了无烟煤基普通炭砖的缺陷 同时 人们也开始不断对炉缸结构进行探 讨 通过改进炉底 炉缸结构或采取有效控制措施来减轻上述各种侵蚀的程度 炉底及炉缸不同区域侵蚀程度见表5 2 表 5 2 炉底及炉缸不同区域侵蚀程度 侵蚀机理炉底底 墙界面铁口 炉缸 墙体 风口 热负荷高高中等中等最高 热震低低中等 高高 最高高 机械应力低最高高中等 高中等 碱 锌侵蚀中等中等 高中等 高高低 中等 炉渣侵蚀低低中等 高高中等 磨损低 中等中等 高高中等高 氧化低低中等 高高高 铁水静压力最高最高高低 中等低 4 4 高炉各部位使用的耐火材料高炉各部位使用的耐火材料 4 1 炉缸 炉缸的主要作用之一是安全地容纳铁水 炉缸耐火材料在温度大于 1500 时 必须保持足够的稳定 因而炉缸炉底部位要选用抗铁水渗透 熔蚀性好 抗碱金属侵蚀 导热性好的炭砖 可用热压小块碳砖取代大块碳砖 或在碳砖 上面砌筑陶瓷环 陶瓷杯材料主要技术性能碱表 1 另外 半石墨产品已经用 于炉缸 炉墙 半石墨砖具有较强的应力吸收特性和较高的导热性 可以大大 减少耐火材料炉衬的径向温度梯度 化学成分 材质体积密度 g cm3 显气 孔率 抗压强 度 MPa 抗压强 度 MPa 荷重软 化温度 重烧线 变化率 热导率 W m K w Al2O3 w Fe2O3 莫来石质 2 50 20 60 1600 0 1 70 1 0 刚玉莫来 石质 3 35 18 55 20 1650 1 0 2 25 88 0 3 表 1 陶瓷杯耐火材料主要物理性能 国外新建及新近大修的大型高炉炉底 炉缸结构形式主要有以下几种 在 炉底炭块上砌陶瓷垫材料 炉缸采用热压小块碳砖 典型的陶瓷杯结构 炉底 碳砖上砌莫来石砖 炉缸侧壁砌筑刚玉质大型预制块或塞隆结合刚玉砖 炉缸 砌筑优质碳砖或微孔碳砖 炉底 炉缸耐火材料主要采用大块碳砖 石墨碳化 硅砖和大块碳砖的主要技术性能见表 2 关键部位采用微孔或超微孔碳砖 炉底 碳砖上砌 1 2 层陶瓷砖 化学成分 材质体积密度 g cm3 显气孔 率 抗压强 度 MPa 抗压强 度 MPa 热导率 W m K w SiC w F C AdVd 普通碳砖 1 5 20 0 35 8 90 8 0 1 0 石墨 SiC 砖 1 9 19 0 35 7 20 0 20 0 50 表 2 普通大块碳砖和石墨碳化硅主要技术性能 4 2 风口区和炉腹 风口区和炉腹是高炉内温度最高的区域 风口前产生的高温煤气以很高的 速度上升 其温度在 1600 以上 1450 1550 的高温铁水和炉渣经炉腹流向 炉缸 各种冶金反应在这个区域剧烈进行 这个区域要求耐火材料耐高温 耐 炉渣的侵蚀 抗碱性好 抗二氧化碳和水的氧化 用于这个部位的耐火材料有 刚玉砖 铝碳砖 热压半石墨碳砖 SiC 砖 Si3N4结合 SiC 砖 Sialon 结合 SiC 砖 Sialon 结合刚玉砖 现在 SiC 系列砖表现出了较长的使用寿命 4 3 炉腰和炉身下部 炉腰的炉身下部是高炉软熔带根部所在位置 这里温度高 但形不成渣皮 或形不成稳定的渣皮 自我保护 耐火材料经受剧烈的温度波动 初成渣的侵 蚀 碱金属 锌的侵蚀 高温煤气流的冲刷 下降炉料的磨损 二氧化碳 水 的氧化 一氧化碳的侵蚀等 要求耐火材料热震稳定性好 耐高温 抗碱性好 抗胡渣侵蚀能力强 抗氧化 耐磨 导热性号 曾用于该部位耐火材料有高铝 砖 刚玉砖 铝碳砖 SiC 砖 Si3N4结合 SiC 砖 Sialon 结合 SiS 砖 热压石 墨碳砖 半石墨碳 碳化硅砖 Sialon 结合刚玉砖等 迄今为止 还没有找到 一种完全能够满足这个部位工作条件的耐火材料 目前这个部位所以能持续工 作十年以上 主要是靠控制边沿气流和强化冷却 相对来说 铝碳砖 SiC 砖 Si3N4结合 SiC 砖 Sialon 结合 SiS 砖 Sialon 结合刚玉砖等有较好的使用效 果 如果能保证足够强的冷却系统配置 采用石墨砖也是应用趋势 炉腹 炉 腰和炉身下部用耐火材料的主要技术性能见表 3 化学成分 材质体积密度 g cm3 显气孔 率 抗压强 度 MPa 抗折强 度 MPa 热导率 W m K w Al2O3 w SiC w F C 刚玉砖 3 2 15 55 20 85 Si3N4结合 SiC 砖 2 6 16 170 40 70 Sialon 结合 SiC 砖 2 65 16 170 16 70 Sialon 结合刚玉 砖 3 15 120 80 石墨砖 1 75 15 30 17 100灰分 0 25 95 表 3 炉腹 炉腰和炉身下部用耐火材料的主要技术性能 4 4 炉身中部和上部 炉身中部的温度较炉身下部低 一般选择高铝砖 刚玉砖和碳化硅 炉身上部温度较 低 耐火材料主要受到炉料的磨损和冲击 上升煤气流的冲刷以及碱金属 锌和碳沉积的 侵蚀 这个部位要求耐火材料耐磨 抗碱性能好以及拥有较好的热震稳定性 选用的耐火 材料有粘土砖 高铝砖 硅线石砖 刚玉砖 国外也有用 SiC 砖和浇注料的 现在一些大 高炉炉身上部有采用冷却壁来代替耐火砖的趋势 日本新日铁在高炉上的实验表明 SiC 砖用于炉身下部 其蚀损速度最慢 炉身中 下 部铝碳砖的热导率 抗碱性 透气性及抗压强度仅次于 SiC 砖 优于其他耐火材料 而抗 氧化性 抗热震性及抗铁水熔蚀性比 SiC 砖好 炉身上部及炉喉部 破损调查证明 高铝 砖和粘土砖抗碱性很差 而且抗渣性 导热性 热震稳定性均很差 不适合高炉 目前 宝钢运行的 4 座高炉中 1 号和 2 号高炉均为大修后的第二代 每座高炉的建 设或大修改造设计都曾对使用寿命提出过不同的要求 1 3 号高炉设计时分别提出了 8 10 12 年的一代炉龄寿命目标 到 1 号高炉大修时则提出 12 15 年 在 4 年高炉建设 和 2 号高炉大修时又提高到 18 20 年 一代炉龄的单位炉容产量目标从目前的 1 3 104t m3提高到 1 6 104t m3以上 达到世界先进水平 为实现高炉一代炉龄寿命目标 宝钢采用了内衬耐火材料的不同设计配置 且适应于高炉的冷却方式 每座高炉的耐火材 料和冷却方式配制见 项目1 号高炉 第 1 代 2 号高炉 第 1 代 3 号高炉1 号高炉 第 2 代 4 号高炉1 号高炉 第 2 代 炉容 m3406340634350406347474706 投产时间1985 91991 61994 91997 52005 42006 12 冷 却 方 式 炉底不锈钢 管纯水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 炉底不锈钢 管纯水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 不锈钢管纯 水 炉缸炉壳洒水炉壳洒水铸铁冷却壁炉壳洒水铸铁冷却壁铸铁 铜冷 却壁 炉腹至炉身中 部 铜冷却壁铜冷却壁铸铁冷却壁铜冷却壁铜冷却板 小块铸铁冷 却壁 密集式铜冷 却板 冷 却 方 式 炉身上部无铸铁冷却壁铸铁冷却壁铸铁冷却壁铸铁冷却壁铸铁冷却壁 炉底大块碳砖大块碳砖大块碳砖大块碳砖大块碳砖大块碳砖耐 火 材 炉缸大块碳砖大块碳砖热压小块碳 砖 大块碳砖 陶瓷杯 热压小块碳 砖 热压小块碳 砖 出铁口硅线石砖A S C 砖热压小块碳 砖 超微孔碳砖热压小块碳 砖 热压小块碳 砖 风口硅线石砖子结合 SiC 砖 热压小块碳 砖 刚玉预制块硅线石砖硅线石砖 炉腹 炉腰刚玉砖刚玉砖镶 b Al2O3 结合 SiC 砖 Sialon 结合 刚玉砖 石墨砖石墨砖 炉身下部 中部 刚玉砖刚玉砖镶堇青石结 合硅线石砖 Sialon 结合 SiC 砖 石墨砖 Sialon 结合 SiC 砖 石墨砖 Sialon 结合 SiC 砖 炉身上部致密粘 土砖 致密粘土砖无硅线石砖Si3N4结合 SiC 砖 Si3N4结合 SiC 砖 料 炉喉钢砖下部 硅线石砖水冷板水冷板水冷板水冷壁水冷壁 表 4 宝钢高炉的冷却方式及耐火材料配置 目前 世界各国选用沟衬耐火材料 沟的结构方式 施工方法都各有不同 但现在最普遍的高铝出铁沟的工作层主要采用氧化铝 碳化硅 碳素组成的材 料 根据高炉的规格和出铁口数量其主沟料又各有不同 在大中型高炉主沟上 主要为水泥结合浇注料 以纯铝酸钙水泥作为结合 剂 根据高炉规格和使用部位的不同所选择的材质也不同 由于高炉容积越大 压力大 铁水的出铁冲击力也大 对沟衬的冲刷和磨损也增加 骨料的材质档 次也要求越高 一般选择为致密刚玉 亚白刚玉 棕刚玉中的一种或复合使用 在此基础上 适当配入碳化硅 碳质材料 高铝水泥 超微粉 外加剂等制成 低水泥浇注料 重视用后耐火材料再利用研究工作 利用废弃物的铁沟料再生 ASC 质材料 这不仅节约国家的矿物资源和能源 也减少了环境污染 大大降 低了耐火材料的成本 这也是未来几年铁沟浇注料和炉前应用的发展方向和趋 势 5 5 高炉内壁衬砖设计及结构特点高炉内壁衬砖设计及结构特点 5 1 高炉内壁衬砖设计及结构特点 为了延长炉底炉缸部位的寿命 必须使用优质耐火材料和保证良好的冷却 即应采用优质耐火材料和良好的冷却设备 本次设计采用国产大块碳砖加热压 小炭块加陶瓷杯垫综合的炉底炉缸结构 这一结构的出发点是利用陶瓷质材料的低导热性能 防止大块碳砖产生环 裂 此外由于陶瓷质材料热阻大有利于降低铁水的热损失 对高炉正常生产十 分有利 同时 热压小块碳砖具有很强的耐铁水渗透性和耐炉渣侵蚀性 并具有较 高导热性 在炉缸 炉底容易形成稳定的渣铁凝固层 保护砌体不被侵蚀 热 压小块碳砖与冷却设备之间无需捣料层 避免了形成间隙而减小砌体热阻 同 时也减少了维护工作量 热压小块碳砖单块体积小 在炉缸形成多层环状配置 在特制胶泥配合下 有效吸收碳砖自身的热膨胀 使作用于每块碳砖上的温度 应力大大减小 有效避免了炉缸砌体环裂现象的发生 有利于提高炉缸寿命 对于本设计高炉炉缸直径 11700 mm 死铁层深度 2000 mm 2 个铁口 铁 口水平深度 1800 mm 炉底采用水冷炉底结构 炉缸 炉底内衬主要由 6 部分 组成 炉底 4 层国产满铺大块炭砖 炉底 3 层陶瓷垫 第 1 层为国产奠来石砖 第 2 3 层为 SAVOIE 公司的莫来 石砖 MS4 炉缸壁内侧 5 层陶瓷壁 全为 SAVOIE 公司的棕刚玉制块 炉缸壁外侧铁口中心线以下 炉缸炉底交界处 即 象脚状 异常侵蚀区 紧贴冷却壁共砌筑 26 层 UCAR 公司的热压炭砖 NMA 炉缸壁外侧铁口中心线以上 共砌筑 6 层国产环形大块炭砖 炉缸环形炭砖和陶瓷壁以上 风口组合砖以下 砌筑高铝砖 三氧化二铝 80 对于本设计高炉热压炭砖 陶瓷杯组合炉缸炉底结构的特点如下 防止铁水渗透 由于采用低导热的陶瓷质耐火材料 加之陶瓷杯特殊的设 计结构和材料的热膨胀 使砖缝紧缩 最大限度减少了铁水对炭砖的渗透侵蚀 减轻铁水的流动冲刷 采用陶瓷杯应有合理的死铁层深度 一般约为炉缸 直径的 20 使铁水在炉缸内的流动方向有所改变 而且在铁口区和炉缸炉底 交界处均增加了陶瓷壁的厚度 因而可减轻铁水流动对炉底和炉缸壁的机械磨 损 提高炉缸热稳定性 减少炉缸热损失 采用陶瓷杯后 能够提高铁水温度 改善铁水质量 可降低工序能耗 并为炼钢生产创造有利条件 有利于高炉操作 由于炉缸热储备量增加 使高炉易于操作 为高炉稳定 顺行 活跃炉缸 冶炼低硅低硫生铁 复风操作等提供了良好的条件 并可减 少炉缸堆积 风口灌渣等操作事故 大幅度延长炉缸 炉底寿命 高炉开炉以后 陶瓷杯对炭砖起到保护作用 使其不直接和铁水接触 从而使炭砖免受铁水的渗透 机械冲刷以及碱金属的 化学侵蚀等破坏 而且热压小炭砖的优良配方和特殊的成型工艺及构型 使它 具有优异的的导热性 抗铁水渗透性和优良的抗碱性 可为陶瓷杯提供有效的 冷却 从而延长陶瓷杯的寿命 即使在陶瓷杯出现破损 热压炭砖直接同铁水 接触时 仍可依靠有效的冷却作用 使炭砖热面生成保护性渣皮或铁壳 最大 限度地延长高炉寿命 炉底 炉缸铁口处 炉腹 材质厚度 mm材质厚度 mm材质厚度 mm 炭砖2560炭砖940高铝砖375 表 5 3 续表 炉腰 炉身下部 炉身上部 材质厚度 mm材质厚度 mm材质厚度 mm 高铝砖600黏土砖595黏土砖480 表5 3 高炉内衬材质与厚度 5 2 炉底炉缸的砌筑方法 高炉炉底炉缸砖衬的砌筑质量与砖衬材质具有同等的重要性 因此 对砌 筑砖缝的厚度 砖缝的分布都有严格的要求 对于本设计炉缸炉底均采用光面 冷却壁 满铺国产炭砖炉底砌筑 炭砖砌在水冷管的炭捣层上 有厚缝和薄缝 两种连接形式 薄缝连接时 各列砖缝不大于1 5mm 各列间的垂直缝和两层间 的水平缝不大于2 5mm 厚缝连接时 砖缝为35 45mm 缝中以炭素料捣固 目 前的砌法是炭砖两端的短缝用薄缝连接 而两侧的长缝用厚缝连接 相邻两行 炭砖必须错缝200mm以上 两层炭砖的砖缝成90度 最上层炭砖砖缝与铁口中心 线成90度 5 3 炉缸砌筑 炉缸砌砖从铁口开始向两侧进行 出铁口通道上下部侧砌 风口和渣口部 位砌砖前先安装好水管 靠水管的砖应做精加工 砌砖的水管之间保持 1 5 2 5mm 的缝隙 填充泥浆 铁口 渣口和风口砌砖紧靠冷却壁 缝隙为 1 5mm 缝内填充浓泥浆 炉缸各层皆平砌 同层相邻砖环的放射缝应错开 上下 砖层的垂直缝与环缝应错开 砖缝小于 0 5mm 环缝 5mm 热压小炭砖砌筑热压碳砖必须紧靠冷却壁砌筑 防止间隙热阻 若因炉壳或冷 却设备不规整而不能顶砌时 缝隙应不大于 25mm 缝隙必须用 RP 5 捣实 在 热压小炭砖与高铝砖复合使用的情况下 由于高铝砖的受热膨胀大于碳砖 所 以砌筑时应在高铝砖与小炭砖之间放纸板和 UCAR 公司的 C 34 胶泥 受热后将 其烧毁就成了膨胀缝 关于热压小炭砖缝宽度的设置 一般垂直缝小于 2mm 环缝小于 4mm 紧靠冷却壁砖缝大部分为 2mm 另外 风口 渣口和铁口砖衬应 设计异型炭砖 5 4炉腹 在炉腹区 一般炉料已逐渐软熔 料柱主要是焦炭 其间为渣铁液体的 滴落区 护腹区主要作用是排出为鼓风量 1 35 1 42 倍的煤气量 风口回旋区 发生的煤气温度高达 2000 以上 煤气经过炉腹上升时 温度急剧下降 进入 炉腰时只有 1000 多度 炉腹承受最大煤气量应该说主要与炉腹容积和炉腹角 有关 角越小 煤气上升越顺利 同时 也容易挂上渣皮 保护炉腹内衬和冷 却设备 70 年代以前有的国家将角定为常数 79 也不无道理 一般情况下 角在 78 83 之间 由于炉腹部位工作条件十分恶劣 开炉后不久耐火砖衬即被侵蚀掉而靠形成的渣皮来 维持工作 因此 炉腹部分主要是靠加强冷却而不是靠增加衬砖的厚度来维持一代炉龄寿 命 国内部分高炉的炉腹部分一般采用一层厚度为 345mm 的粘土砖或高铝砖 周围采用 镶砖冷却壁 只有少数高炉在炉腹砌碳质耐火材料 高炉炉腹以上区域采用砖壁合一 薄 内衬 150mm 结构形式 耐火砖衬采用冷镶方式直接与冷却壁砌成整体 砖与冷却壁采用 燕尾槽连接 铸铁冷却壁燕尾槽深 75mm 耐火砖凸出壁体表面 150mm 冷却壁上耐火砖 在炉外砌筑 砌筑完毕并固结好后再进行安装 冷却壁与冷却壁之间的水平缝和竖缝分区 域采用不同材质的填料填充捣实 5 5 炉腰和炉身 炉腰容积在炉型中起着承上启下的作用原料在护腰以上主要进行间接还原 且 在下降时 体积是膨胀的 尤其使用较多球团矿时更是如此 在炉腰以下主要进 行气接还原 难还原的炉料有时降至炉腹 特殊情况甚至会降至风口回旋区 一 般来讲 冶炼条件好的原料 炉腰以下应为滴落区 软熔带原 则上应在炉腰及炉 身下部 炉腰和炉腹是炉身的过渡段 炉身和炉腰的炉衬结构在设计时 主要考虑能形成合理 的 较为稳定的操作炉型 为此 炉衬的砌砖厚度有厚墙和薄墙两种 厚墙一般为 805mm 1035mm 厚的粘土砖或高铝砖 并且配置冷却板或支梁式水箱冷却 薄墙为 345mm 575mm 或 690mm 活的粘土砖 高铝砖及碳砖等 并配置镶砖冷却壁冷却 5 6 炉喉 炉喉是处于高炉最上部位 主要是受炉料的冲击和煤气流的冲刷 炉喉内侧一般都是 采用吊挂式金属板结构 国外部分采用钟阀式高炉的炉喉也有设计成可调径活动炉喉板结 构 在炉喉上面的炉头部分 一般都采用紧靠炉壳砌筑一层粘土砖或高铝砖 有的高炉炉 头采用耐火泥料浇注 其作用是隔热和保护金属炉壳 6 砖量的计算 6 1 砖形的选择 砖型 abB1c 块数 直形砖 G 1 230250 75 楔形转 G 5 2301501207548 6 2 计算公式 nz d Nsb b 注 nz 直形砖的数量 Ns 楔形转的数量 b1 楔形转小头的宽度 1 b 直形砖的宽度 d 环形内径 根据 1 2 以及高炉相应尺寸的数据得 炉喉用砖量 144 466 X 27 16470 块 炉身用砖量 144 X 217 163944 块 757 466 2 炉腰用砖量 144 757 X 29 26129 块 炉腹用砖量 144 X 53 44732 块 643 757 2 炉缸用砖量 144 643 X 60 47220 块 总计 298495 块 7 7 炉体冷却炉体冷却设备设计设备设计 高炉炉衬必须经过冷却 其冷却介质通常为水 汽水混合物及空气 高炉 各部位由于工作条件不同 冷却的作用不完全相同 总起来说高炉冷却有以下 几方面的作用 1 降低耐火砖衬温度 使其能保持足够的强度 维持高炉合理工作空间 2 使衬表面形成保护性渣皮 并依靠渣皮保护或代替炉衬工作 维持合理 的操作炉型 3 保护炉壳及金属构件 使其不致于在热负荷作用下遭到损坏 因此 冷却系统设计也是高炉设计重要组成部分 7 1 冷却结构冷却结构 根据国归内外高炉大中修调查情况及高炉长寿生产的需要炉体采用全冷却 壁形式 高炉采用全冷却壁冷却元件 取消冷却壁凸台 为确保高炉长寿 冷 却设备采用如下技术措施 1 在炉腹 第 5 段 炉腰 第 6 段 和炉身下部 第 7 段 采用铜冷却壁 2 适当增加冷却壁水冷管直径和每段冷却壁块数 提高水冷管比表面积 3 双层水冷管冷却壁安装部位延伸至炉身中部 从炉底到炉身上部共设 16 段冷 却壁 第 1 5 段为光面冷却壁 炉 底和炉缸区域 壁厚为 140mm 材 质为灰口铸铁 从炉腹第 6 段到炉 身中上部第 13 段为全覆盖或镶砖冷 却壁 镶砖冷却壁设计厚度为 450mm 其中冷却壁本体 材质为铁 素体基球墨铸铁 厚度为 150mm 炉 身上部第 14 段到炉喉下沿第 16 段 冷却壁为倒 C 型冷却壁 壁厚为 170mm 材质为铁素体基球墨铸铁 第三代和第四代冷却壁第三代和第四代冷却壁 a 第三代冷却壁 第三代冷却壁 b 第四代冷却壁 第四代冷却壁 板壁交错布置 结构 7 2高炉冷却目的 1 维持炉衬在一定的温度下工作 使其不失去强度 保持炉型 2 形成渣皮 保护炉衬代替炉衬工作 3 保护炉壳及各种钢结构 使其不因受热而变形或破坏 高炉炉衬的冷却 是由插入砌体或置于砌体外缘表面的金属冷却器件的内 部通过冷却介质完成 常用的冷却介质是水 空气 汽水混合物 即水冷 风 冷和气化冷却 7 3冷却设备 由于高炉各部位热负荷不同 加上结构上的要求 高炉冷却设备有 外部 喷水冷却 风口和渣口的冷却 冷却壁 冷却水箱以及风冷或水冷炉底等 1 喷水冷却装置 在炉身和炉腹部位设有环形冷却水管 水管直径50 150mm 约距炉壳100mm水管上朝炉壳的方向钻有直径5 8mm的小孔若干 小孔间 距100mm 冷却水经过小孔喷射到炉壳上进行冷却 喷水冷却装置实用于碳质炉 衬和小型高炉 对于大型高炉 粘土质炉衬 只有在炉龄晚期冷却设备烧坏的 情况下使用 是一种辅助性的冷却手段 2 风口和渣口 风口由三个套组成 其中小套为腹腔式贯流风口 一般高 炉的风口中小套由紫铜或青铜制成 空腔式结构 风口大套由铸铁铸成 内部 铸有蛇形钢管 渣口装置一般由四个套组成 即大套 二套 三套和渣口小套 可在高炉 铁口的上方和两侧插入冷却板 3 冷却壁 冷却壁设置于炉壳炉衬之间 有光面冷却壁和镶砖冷却壁 其 基本结构是铸铁板内铸有无缝钢管 光面冷却壁厚80 120mm 镶砖冷却壁包括 镶砖在内厚250 350mm 砖厚一般113 230mm 管距100 200mm 光面冷却壁用于 炉底炉缸 风口区冷却壁的块数为风口数目的两倍 渣口周围上下段各两块 由四块冷却壁组成 镶砖冷却壁用于炉腹 炉腰和炉身下部 镶砖的目的在于 易结渣皮 代替炉衬工作 冷却壁宽度一般为700 1500mm 圆周个数最好取偶 数 冷却壁高度视炉壳折点而定 一般小于3000mm 应方便吊运和易送入炉壳 内 冷却壁用方头螺栓固定在炉壳上 每块四个螺栓 同段冷却壁间竖直缝 20mm 上下段间水平缝300mm 两段竖直缝相互错开 冷却壁的优点是不损坏炉 壳强度 密封性好 冷却均匀 炉衬表面光滑平整 炉身部位可以用带额头的 倒 L 字形镶砖冷却壁 亦可以采用 鼻形 镶砖冷却壁 这两种冷却壁的优点 是砖衬有支撑作用 可以延长炉衬寿命 冷却壁的额头和鼻子处均采用单独冷 却 4 冷却水箱 冷却水箱是埋置于炉衬内的冷却设备 用于厚衬炉壁 有扁 水箱和支柱式水箱两种 扁水箱 或称冷却板 厚度70 110mm 由铸铁铸成 内部铸有无缝钢管 常用在炉腰和炉身 成棋盘式布置 一般上下层间距500 900mm 同层间距150 300mm 炉腰部位比炉身部位要密集一些 水箱前端与炉衬设计工作表面的距离 炉身中上部为230mm 炉腰和炉身下部为345mm 扁水箱冷却水进出管与炉壳焊 接 密封性好 支梁式水箱为内部铸有无缝钢管的契形铸铁水箱 一般用在炉身中部 成 棋盘式分布 插入炉衬内 上下层间距600 800mm 通层横向间距1300 1700mm 水箱前端距炉衬设计工作表面230 450mm 支梁式水箱用螺栓固定在炉 壳上 5 风冷 水冷炉底 大型高炉炉缸直径较大 径向周围冷却壁的冷却 已 不足以将炉底中心部分的热量散发出去 如不进行冷却 炉底向下侵蚀严重 因此 大型高炉炉底中心部位要冷却 冷却方式是风冷和水冷 风冷炉底结构形式很多 其中最常见的一种是 风冷管中心线以下埋置在 炉基耐火混泥土基墩上表面中 中心线以上为碳素捣固层 风管炉底中心部分 管间距200 300mm 边缘较疏 为350 500mm 风冷管两端伸出炉壳外50 100mm 炉壳开孔后加垫板加固 开孔处避开炉壳折点150mm 以上 水冷炉底比风冷炉底的冷却强度大 耗电也较低 炉底厚度可以进一步减 薄 目前 大型高炉 多采用炉底封板 水冷管设置在封板以上 则炉壳开孔降 低强度和密封性 但冷却效果好 水冷管设置在封板以下 对炉壳没有损伤 但冷却效果差 7 4高炉各部位冷却设备选择 7 4 1 炉底 炉缸 均采用光面冷却壁冷却 冷却壁设置于炉壳炉衬之间 其优点是 不损坏 炉壳强度 密封性好 冷却均匀 炉衬表面光滑平整 风口区光面冷却壁的块 数为风口数目的两倍