第3章-高炉本体设计(2)(1).ppt

3.2高炉炉衬,按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬。,概念：,作用：（1）构成高炉的工作空间,直接抵抗冶炼过程中的机械、热和化学浸蚀；（2）减少高炉的热损失；（3）保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。,3.2.1炉衬破损机理,（1）高温渣铁的渗透和浸蚀；（2）高温和热震；（3）炉料和煤气流的摩擦冲涮及煤气碳素沉积的破坏作用；（4）碱金属及其他有害元素的破坏作用。,炉底破损分两个阶段，初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑；铁水渗入的条件：（1）炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的1012；（2）砌砖存在砖缝和裂缝。开炉初期，铁水在高压下深入砖缝，1150时凝固，凝固过程析出石墨，体积膨胀，如此相互作用，形成“锅底”。,1.炉底：高温高压环境，机械冲涮与化学侵蚀,第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。锅底坑下的砖衬在长期的高温高压下，部分软化重新结晶，形成熔结层。气孔率显著降低，体积密度显著提高，熔结层中砖与砖已烧结成一个整体，能抵抗铁水的渗人。此时化学侵蚀成为破损主因。SiO2+2C+Fe=FeSi+2CO,（1）中心死料柱透气性和透液性差，铁水环流发展；（2）铁水渗入和碳熔损。,象脚形侵蚀：,(1)中心死料堆的透气性和透液性差炉缸内铁水环流发展。(2)死料堆坐落在炉底中心，使炉底铁水流动停滞，温度下降。(3)铁水渗入和碳熔损。(4)炭砖导热性能好、尺寸大，因此其承受的热应力相应增大，有产生环裂缝的风险。环裂缝会造成的气体间隙或渣铁裂缝，热阻增大导致炭砖热端的化学侵蚀加剧，如果侵蚀深入环缝炉缸就存在烧穿的危险。,（1）是承受的高压；（2）是高温；（3）是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷；（4）砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂；（5）在高温下渣铁对砖衬的化学侵蚀，特别是渣液的侵蚀更为严重。,影响炉底寿命的因素：,（1）渣铁的流动、炉内渣铁液面的升降，大量的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷是主要的破坏因素；（2）还原剂对砖衬Fe2O3、SiO2的还原作用化学侵蚀；（3）风口带为最高温度区，鼓风中O2、H2O、CO2的氧化作用。,2.炉缸：贮存渣铁和燃烧焦炭的地方,（1）高温热应力作用很大；（2）由于炉腹倾斜故受着料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响；（3）承受初渣（FeO、MnO、CaO）的化学侵蚀及机械冲涮。（4）煤气流和固态炉料的冲刷作用。,3.炉腹：,实际靠渣皮工作。,（1）初渣的化学侵蚀；（2）上、下折角处高温煤气流的冲刷磨损。（3）高温热应力的影响；,4.炉腰,炉身中下部：（1）炉料和煤气流的摩擦、冲刷；（2）受到初渣的化学侵蚀；（3）碱金属和Zn的化学侵蚀。在炉身上部：（1）下降炉料的磨损；（2）夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷。,5.炉身：,（1）炉料的冲击；（2）高速粉尘煤气流的冲涮；（3）热震。为保持完整形状，控制炉料和煤气流合理分布。用金属保护板加以保护，又称炉喉钢砖。,6.炉喉：,（l）炉衬质量，是关键因素。（2）砌筑质量。（3）操作因素。（4）炉型结构尺寸是否合理。（5）冷却设备及炉壳的保护作用。,7.决定炉衬寿命的因素：,3.2.2高炉用耐火材料,（l）耐火度要高、荷重软化温度要高、高温体积稳定性要好。耐火度是指耐火材料开始软化的温度。荷重软化点是指将直径36mm，高50mm的试样在0.2Mpa荷载下升温，当温度达到某一值时，试样高度突然降低，这个温度就是荷重软化点。热稳定性：对及冷及热温度波动的抵抗能力。,一.对耐火材料的要求：,（2）组织致密、体积密度大、气孔率要低；（3）Fe2O3含量要低。（与SiO2反应和加速碳素沉积）（4）良好的化学稳定性，提高抵抗化学侵蚀能力；（5）重烧收缩要小。重烧收缩也称残余收缩，是表示耐火材料升至高温后产生裂纹可能性大小的一种尺度。（6）机械强度要高，外形质量要好。,粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等；,陶瓷质材料：,碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖等。,碳质材料：,二.高炉常用耐火材料,基本特性：（1）良好的物理机械性能；（2）抗渣性好；（3）成本较低。,1.粘土砖和磷酸浸渍粘土砖,高炉用粘土砖比一般粘土砖具有优良性能。主要用于高炉炉身，要求常温耐压强度高，能够抵抗炉料长期作业磨损；在高温长期作业下体积收缩小，有利于炉衬保持整体性；显气孔率低和Fe203低，减少碳在气孔中沉积，避免砖在使用过程中膨胀疏松而损坏；低熔点物形成少。,AL2O3含量大于48%的耐火制品。基本特性：（1）比粘土砖有更高的耐火度和荷重软化点；（2）由于AL2O3为中性，故抗渣性较好；（3）耐磨性好，加工困难，成本较高。（4）不足是热稳定性差。,2.高铝砖：,粘土砖和高铝砖的外形质量也非常重要，对于制品的尺寸允许偏差及外形分级规定见下表。,粘土砖和高铝砖尺寸允许偏差及外形分级,主要特点：（1）耐火度高，极高的荷重软化温度；（2）抗渣性能好；（3）良好导热性和导电性；（4）热膨胀系数小，体积稳定性好；（5）致命弱点是易氧化，对氧化性气氛抵抗能力差。（O2、水蒸汽、CO2、FeO）,3.碳质耐火材料：,（1）高炉炭块,（2）半石墨炭砖,半石墨炭砖是采用高温燃烧无烟煤、石墨、添加剂为主要原料而制成的耐火制品。石墨质炭砖配方中一般不使用冶金焦为粉料，而使用磨碎的石墨为粉料半石墨炭砖的导热性能非常好，而且抗碱金属盐类腐蚀的能力也比普通炭砖好。,（3）碳化硅砖,碳化硅砖的主要特征是SiC为共价结合，不存在通常的烧结性，依靠化学反应生成新相达到烧结。,A、SI3N4结合碳化硅砖,Si3N4结合碳化硅砖是用SiC和Si粉为原料，经氮化烧成的耐火制品。在多级配的sic颗粒和细粉中，加人磨细的工业硅粉，Si与N2在高温下进行2N2+3SiSi3N4反应烧结。反应时生成的Si3N4与SiC颗粒紧密结合而形成以Si3N4为结合相的碳化硅制品。,B、Sialon结合SiC砖,在氮化硅结合碳化硅制品的生产过程中，加入适量加入物，使氧进入Si3N4晶格，生成一定数量的Sialon固熔体相，制出Sialon结合SiC砖。,C、自结合SiC砖,在工业SiC原料中加人工业硅和碳，在高温还原气氛下发生Si(s)+C=SiC(s)的反应生成SiC，与原生高温型SiC颗粒结合，制出自结合SiC材料，使制品具有良好的性能。,我国生产的SiC质耐火制品各方面指标均达到了国外同类产品的水平。,（4）铝炭砖,高炉铝炭砖采用特级高铝矾土熟料、鳞片状石墨及SiC为主要原料。一般大型高炉使用烧成(烧成温度不高于1450)铝炭砖。高炉铝炭砖具有气孔率低、透气度低、耐压强度高、热导率高、抗渣、抗碱、抗铁水溶蚀及抗热震性好等各种优良性能，且价格便宜。烧成微孔铝炭砖。烧成微孔铝炭砖是指平均孔径不大于1m的孔容积占开口气孔总容积的比例()不小于70的烧成铝炭砖。烧成微孔铝炭砖，按YBT1131997理化指标分为WLT1、WLT2和WLT3三个等级。,（5）国外炭砖,美国UCAR公司生产的热压小块炭砖，采用热压制砖法BP工艺(即热模压)成型。把配好的料经过加热混炼，与定量的糊料一起放到模具内进行模压，通电加热。脱模以后，焙烧结束。这种热压小块炭砖具省下列特点：优良的高温性能；热导率高，导电性好；良好的抗碱侵蚀性能：抗热震性、热冲击性好；低渗透性，孔陈皮小，气孔封闭，吸水性能极弱；炭砖尺寸小，单块炭砖的温差小。日本以电燃烧元烟煤、人造石墨为主要原料生产的炭块也具有良好的抗碱侵蚀性能以及优良的高温性能和导热性能。法国生产的AMI01、AMl02型炭砖，热导率向，抗碱侵蚀性能好。,目前回产炭砖的性能与国外产品相比存在一定差距，因此在大型高炉厂使用国产炭砖较少。,（6）石墨砖,高炉用石墨砖的主要原料是石油焦、沥青焦和煤沥青等。高炉用石墨砖除具右高炉炭块的一般特性外，还具有较高的热导率。,捣打料：用于炉底炭砖与水冷管之间、风口、铁口、渣口周围及铁沟。喷涂料：炉壳。泥浆：把耐火砖粘结成为致密的整体炉衬。要求泥浆的化学成分与耐火砖的相近。填料：用来填充炉壳与冷却壁、冷却壁与砌砖之间的间隙，起密封和补偿收缩作用。,4.不定形耐火材料：,优点：成形工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、耐剥落，可以减小炉衬厚度。,铜冷却壁热面主要是形成渣皮保护，不必衬砌耐火砖。在开炉时，在冷却壁热面采用喷涂不定形耐火材料。,3.2.3高炉炉衬的设计与砌筑,（1）高炉各部位的工作条件及其破损机理；（2）冷却设备形式及对砖衬所起的作用；（3）要预测侵蚀后的炉型是否合理。,一.炉衬设计要考虑的因素：,砖型：直形砖和楔形砖两种。砖的厚度一致，75mm；长度有230mm和345mm两种，使错缝方便。,我国高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸见下表,二.砖型与砖数,高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸,（1）炉底：炉底砖数：砌砖总容积除以每块砖的容积。每层砖数：用炉底砌砖水平截面积除以每块砖的相应表面积来计算。砖的重量：用每块砖的重量乘以砖数。考虑25的损耗。,2.砖数计算：,都是环形圆柱体或圆锥体，需要楔形砖和直形砖配合使用。一般以G1直形砖与G3或G5楔形砖配合；G2直形砖与G4或G6楔形砖相配合。,（2）高炉其它部位：,楔形砖和直形砖配合砖数计算：,总砖数：,式中：n总砖数；b砖大头宽度，mm；D环圈外径，mm。,楔形砖数：,式中：ns楔形砖数，砖型确定后，是一常数；a砖长度，mm；b楔形砖大头宽度，mm；b1楔形砖小头宽度，mm；,每个环圈使用的楔形砖数ns只与楔形砖两头宽度和砖长度有关，而与环圈直径无关。,用G3砌环圈需要砖数,用G4砌环圈需要砖数,用G5砌环圈需要砖数,用G6砌环圈需要砖数,单独用上述四种楔形砖所砌环圈的内径依次是4150mm、3450mm、1840mm、1897mm。,式中：nz直形砖数；ns楔形砖数；n总砖数；,直形砖数：,试用G3与G1砖砌筑内径为7.2m的圆环，求所需楔形砖数及直形砖数。,计算例题：,解：楔形砖数：,总砖数：,直形砖数：,炉底1）结构形式：,（1）粘土砖或高铝砖炉底小高炉炉底厚度大于炉缸直径的0.6倍。,三.高炉各部位炉衬设计与砌筑,综合炉底是在风冷管碳捣层上满铺几层400mm碳砖，上面环形碳砖砌至风口中心线，中心部位砌数层400mm高铝砖，环砌碳砖与中心部位高铝砖相互错台咬合。综合炉底的厚度为炉缸直径的0.3倍。结构见下图：,（2）综合炉底,综合炉底结构示意图1冷却壁；2碳砖；3碳素填料；4水冷管；5粘土砖；6保护砖；7高铝砖；8耐热混凝土,大型高炉普遍采用。全碳砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。,（3）全碳砖炉底或复合碳砖炉底结构：,（1）粘土砖和高铝砖炉底的砌筑：均采用立砌，层高345mm；砌筑由中心开始，成十字形，结构如图。上下两层的十字中心线成22.545；上下两层中心点应错开半块砖。最上层砖缝与铁口中心线成22.545。,2）炉底砌筑,十字形砌砖,砌砖中心线,（2）满铺碳砖炉底砌筑,有厚缝和薄缝两种连接形式：一般是碳砖两端的短缝用薄缝，而两侧的长缝用厚缝。满铺碳砖炉底的结构见下图：,满铺碳砖炉底砌筑a薄缝；b厚缝；c炉壳；d冷却壁；e碳砖与冷却壁间填料缝,相邻两行碳砖必须错缝，一般在200mm以上；上下两层碳砖砖缝成90；最上层碳砖砖缝与铁口中心线成90。,碳砖砌筑的原则：,（3）综合炉底砌筑,炉底中心部位的高铝砖砌筑高度必须与周围环形碳砖高度一致，为400mm；高铝砖与环砌碳砖间的连接为厚缝，环砌碳砖为薄缝连接；炉底满铺碳砖侧缝为厚缝连接，端缝为薄缝连接。环砌碳砖为楔形碳砖。,综合炉底1-冷却壁；2-炭砖；3-碳素填料；4-冷却风管；5-粘土砖；6-保护砖；7-高铝砖；8-耐火混凝土,高炉综合炉底A-A与D-D为满铺炭转炉底剖面B-B与C-C为混合炉底的剖面1-满铺炭砖；2-薄缝；3-厚缝；4-环形炭砖；5-高铝砖；6-内环缝；7-外环胀缝；8-炭捣层；9-冷却管,1）结构形式：（1）粘土砖或高铝砖炉底小高炉（2）碳砖炉缸大中型高炉,2.炉缸,2）炉缸砌筑：,（1）粘土砖或高铝砖炉缸的砌筑：炉缸各层皆平砌；同层相邻砖环的放射缝应错开；上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；,炉缸砌砖1砖环；2炭素填料；3冷却壁,（2）碳砖炉缸砌筑,每层厚400mm;每层块数为整数；同层相邻砖环的放射缝应错开；上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；在碳砖炉缸的内表面设有保护层。过去砌一层高铝砖，近来用涂料代替高铝砖，涂料层厚58mm。,一般规定铁口水平面处的厚度为小高炉：575mm（230345）；中型高炉：920mm（2303452）；大型高炉：1150mm（2302+3452）或更厚些。,炉缸厚度：,（3）美国UCAR热压小碳砖炉缸散热型,常规大碳砖与热压小碳砖的主要性能比较见下表,理念：强化冷却形成凝结层理论，其基本原理是炉缸侧壁使用具有高导热的耐材系统，将炉缸的热量迅速传递给冷却系统带出炉外降低了炉缸壁的温度梯度，从而在炉缸侧壁炉衬耐材的热面形成层稳定的凝结保护层，抵抗炉缸侧壁的“象脚形”侵蚀，使炉缸获得长寿。,常规大碳砖与热压小碳砖的主要性能比较,透气率：为常规大碳砖的1%左右；导热率：比常规大碳砖几乎高一倍,美国UCAR热压小碳砖炉缸结构1高铝质耐火砖；2大碳砖；3混凝土；4热压小碳砖,特点：,提高炉衬的导热性能，又称导热炉衬。缺点：增大了炉缸的热损失。,（4）法国“陶瓷杯”隔热保温型,概念：所谓“陶瓷杯”是指炉底砌砖的下部为垂直或水平砌筑的碳砖，碳砖上部为12层刚玉莫莱石砖。炉缸壁是由通过一厚度灰缝（60mm）分隔的两个独立的圆环组成，外环为碳砖，内环是刚玉质预制块。炉底采用水冷、油冷或空气冷却系统,耐火材料隔热保护炭砖理论,即在炉缸炭砖热面附加一层抗铁水侵蚀能力强、低导热的优质莫来石或SIALON刚玉等耐火陶瓷杯，它既可在几年内保护炭砖免遭值铁的直接侵蚀，又降低了炭砖的工作温度，将1150铁水凝固线控制在陶瓷杯以内，防止铁水的侵蚀。,陶瓷杯结构及理论等温线分布图,碳砖的高导热性可以将陶瓷杯输入的热量，很快传导出去。陶瓷杯炉底炉缸结构的优越性：提高铁水温度