年产100万吨高炉车间炉体设计

1 摘要 我国正在生产的高炉有三千三百多座，不同大小的高炉的设计也有所不同， 本设计为年产炼钢生铁 100 万吨的高炉车间的高炉炉体设计，从高炉有效容积 利用系数，冶炼强度和燃烧强度，高炉座数的确定，炉容的确定，到高炉炉型 设计，炉体各部位尺寸的确定，及各部体积的计算及校核，最终得出误差小于 规定范围的设计数据。以及不同部位炉衬的选择，高炉各部位冷却设备的选择， 冷却设备的种类，风口及渣铁口设计。 关键词：炉体设计；炉衬选择；冷却设备 2 目录 前言.1 第一章 高炉主要技术经济指标.2 1.1 高炉有效容积利用系数 .2 1.2 焦比（K） .2 1.3 煤比（Y）.2 1.4 冶炼强度（I）和燃烧强度（i）.2 1.5 高炉容量及座数的确定 .3 第二章 高炉炉型设计.4 第三章 炉衬选择.7 3.1 高炉炉基的形状及材质 .7 3.1.1 对高炉基础的要求.7 3.1.2 高炉基础结构 .7 3.2 高炉炉衬设计 .7 3.2.1 炉底.7 3.2.2 炉缸.8 3.2.3 炉腹 .8 3.2.5 炉身.9 3.2.6 炉喉.10 第四章 高炉各部位冷却设备的选择.11 4.1 冷却设备的种类 .11 4.2 高炉冷却的目的及意义 .11 4.3 各部位冷却设备 .11 第五章 风口及渣铁口.12 5.1 风口 .12 5.2 铁口 .13 参考文献.14 1 前言 我国修建现代化高炉始于 1891 年，解放前期，铁的年产量只有 25 万吨， 钢为 15.8 万吨。随着时代的变迁，新中国的炼铁工业从以中小高炉占绝对主导 地位起步，到 20 世纪 50 年代末大办钢铁时大兴“平地吹”土法烧结和土高炉 盛行，再到 20 世纪 8O 年代中期 300 m3、620 m3、1000 m3高炉通用设计，走过 了一条随着时代的变迁的道路。 目前，我国正在生产的高炉有三千三百多座。在 21 世纪，我国高炉炼铁 将继续在结构调整中发展。高炉结构调整不能简单地概括为大型化，应该根据 企业生产规模、资源条件来确定高炉炉容。从目前的我国实际状况看，高炉座 数必须大大减少，平均炉容大型化是必然趋势。高炉大型化，有效容积从 1000 m3以上乃至 3000 m3以上超大型高炉。有利于提高劳动生产率、便于生产组织 和管理，提高铁水质量，有利于减少热量损失、降低能耗，减少污染点。污染 容易集中治理，有利于环保。所有这一切都有利于降低钢铁厂的生产成本，提 高企业的市场竞争力。创造更大的经济效益及社会效益。 2 第一章 高炉主要技术经济指标 1.1 高炉有效容积利用系数( V ) 高炉有效容积利用系数即每昼夜生铁的产量与高炉有效容积之比，即每昼夜 1m有效容积的生铁产量。可用下式表示： 有 V P v 式中 -高炉有效容积利用系数，t/m3d v -高炉每昼夜的生铁产量，t/dP -高炉有效容积，m3 有 V 是高炉冶炼的一个重要指标，本设计 =2.0 t/m3d V v 1.2 焦比（） K 焦比即每昼夜焦炭消耗量与每昼夜生铁产量之比，即冶炼每吨生铁消耗焦 炭量。可用下式表示： P Q K K 式中 -高炉焦比，kg/tK -高炉每昼夜的生铁产量，t/dP -高炉每昼夜消耗焦炭量，kg/d K Q 焦比可根据设计采用的原燃料、风温、设备、操作等条件与实际生产情况 进行全面分析比较和计算确定。当高炉采用喷吹燃料时，计算焦比必须考虑喷 吹物的焦炭置换量。 本设计的焦比为 330 kg 。 1.3 煤比（ ） Y 冶炼每吨生铁消耗的煤粉为煤比。本设计煤比为 190 kg/d 。 1.4 冶炼强度（ ）和燃烧强度（ ） Ii 高炉冶炼强度是每昼夜 1m3有效容积燃烧的焦炭量,即高炉每昼夜焦炭消耗 量与的比值。燃烧强度既每小时每 m2炉缸截面积所燃烧的焦炭数量。 有 V 3 1.5 高炉容量及座数的确定 高炉炼铁车间建设高炉的座数，既要考虑尽量增大高炉容积，又要考虑企 业的煤气平衡和生铁量的均衡，所以一般根据车间规模，由两座或三座高炉组 成即可。 由高炉炼铁车间生铁年产量除以年工作日，即得出高炉炼铁车间日产量 （t） 高炉炼铁车间日产量 年工作日 年产量 根据高炉炼铁车间日产量和高炉有效容积利用系数可以计算出炼铁车间总容 积（m3） 高炉炼铁车间总容积 高炉有效容积利用系数 日产量 高炉有效容积利用系数一般直接选定。大高炉选低值（2.02.2 左右） ，小 高炉选高值（2.73.0 左右） 。 4 第二章 高炉炉型设计 1.确定年工作日 设计要求高炉工作日 320d/a 日产量：) t (3125 320 10100 4 总 P 2.定容积 选定高炉座数为 2 座，利用系数=2.0 v dmt/ 3 每座高炉日产量：) t ( 5 . 1562 2 总 P P 每座高炉容积：)m(25.781 0 . 2 5 . 1562 3 V u P V 3.炉缸尺寸 1)炉缸直径 选定冶炼强度=1.0,燃烧强度=25.4Idmt/ 3 燃 ihmt/ 3 则 d=6.27 取=6.27 m 燃i VIu 13.1 25.4 25.7810.1 13.1 d 校核=26.12 A Vu 2 27 . 6 4 25.781 26.12（22,27）所以合理。 2)炉缸高度 渣口高度 hz=1.47 取hz=1.47m 2 27 . 1 dcN Pb 铁 2 27. 61 . 758 . 0 10 5 . 15622 . 1 27. 1 风口高度 =2.94 取=2.94m f h k hz 5 . 0 47 . 1 f h 风口数目 =2(+2)=2(6.27+2)=16.54 取=18个ndn 风口结构尺寸选 取=0.7ma 则炉缸高度 =+=2.94+0.7=3.64m 1 h f ha 5 3）死铁层厚度 选取h0=0.2d=0.26.27=1.254m 4）炉腰直径,炉腹角,炉腹高度 选取=1.23 d D 则=1.23=1.236.27=7.71 取=7.71mDdD 选选取： 则： 取：m 5 . 7989 . 3 5 . 79 2 d-D h2tg89. 3h2 校核： 4 . 5 27 . 6 -71 . 7 89 . 3 2 d-D 2h 2 tg (79.5, 81.5) 所以合理。 5 . 79 5）炉喉直径,炉喉高度 选取 =0.70 D d1 则 =0.7=0.77.71=5.40取=5.40m 1 dD 1 d 选取 =2.0 5 hm 6）炉身角,炉身高度,炉腰高度 选选取： 则： 取：m 5 . 8315.10 5 . 83 2 -1 4tg dD h15.10 4 h 校核 32 . 7 5.40-71 . 7 15.102 - 2 1 4 dD h tg (,) 所以合理。 5 . 83 8284 选取=2.9 D Hu 则 =2.9 =2.97.71=22.35 取=22.35m u HD u H 求得:=-=22.35-3.64-3.89-10.15-2.0=2.67m 3 h u H 1 h 2 h 4 h 5 h 4.校核炉容： 炉缸体积： 32 1 2 1 37.11264 . 3 27 . 6 4 4 mhdV 炉腹体积： 322 22 22 57.149)27 . 6 27. 671 . 7 71 . 7 (89 . 3 12 )( 12 m dDdDhV 6 炉腰体积： 32 2 2 3 67.12489 . 3 71 . 7 4 4 mhDV 炉身体积： 322 2 11 2 44 55.345)40 . 5 40 . 5 71 . 7 71 . 7 (15.10 12 )( 12 m dDdDhV 炉喉体积： 32 5 2 15 71.450 . 240 . 5 4 4 mhdV 高炉容积： 3 54321 87.77771.4555.34567.12457.14937.112m VVVVVVu 误差：误差： 1%43 . 0 25.781 -777.8725.781- u uu V VV V 炉型设计合理，符合要求。 第三章 炉衬选择 3.1 高炉炉基的形状及材质 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 到炉基。高炉基础由埋在地下的基座和地面上的基墩组成。 3.1.1 对高炉基础的要求 高炉基础应把高炉全部载荷均匀地传给炉基，不发生沉陷和不均匀沉陷。 7 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。高炉总体设计，对基础的下沉量和 倾斜率都有严格要求。 具有一定的耐热能力。一般混凝土只能在 150以下工作，250便有开裂， 400时失去强度，钢筋混凝土 700时失去强度。过去由于没有耐热混凝土基 墩和风冷炉底设施，炉底破损到一定程度后，常引起基础破坏，甚至爆炸。采 用风冷和水冷炉底及耐火基墩后，可以保证高炉基础很好工作。 3.1.2 高炉基础结构 高炉基础是由基墩和基座组成的。高炉基础的结构主要取决于地质条件和 高炉的容积。 基墩的作用是隔热和调节铁口标高。基墩用耐热混凝土作成。基墩的形状 为圆柱体，直径尺寸与炉底相适应，并要求高度一般为 2.53.0m，高炉基墩一 般都浇注成整体结构，并在周围设置环行钢筋以保证其强度。基墩下部的炉壳 外面设有密封钢环，上部与炉壳焊接，下部浇注在基座的混凝土内。钢环与炉 壳之间留 100150mm 空隙，内填充碳素材料。基墩与基础之间留有 10mm 的水 平温度缝，其间填充石英砂，以抵抗形变损坏。 基座的主要作用是将上面传递来的载荷传递给地层。基座的底面积较大， 以减小单位面积的地基所承受的压力。基座的直径与载荷和地基土质有关，基 座用普通钢筋混凝土制成，其形状一般为正多边形，本设计选用正八边形，其 对角线长为 40mm。基座表面为带坡度的水泥沙浆层，以便于排出积水。 3.2 高炉炉衬设计 3.2.1 炉底 炉底结构；采用莫来石砖和大块炭砖，总厚度为 2800mm。 炉衬的破损机理；初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑，第二阶段 是熔结层形成后的化学侵蚀。 炉底承受高温、高压、渣铁冲刷侵蚀和渗透作用，工作条件十分恶劣。为 了防止炭砖在烘炉和开炉时被氧化,在炭砖表面应砌一层粘土砖保护层.为吸收 砌体膨胀,砌体与周围冷却壁之间应留 100150mm 缝隙,缝隙内填满碳素捣打 料,炉壳的圆锥体部分的缝隙应取较大值,以便碳捣操作,保证质量,同时防止砖 衬膨胀产生对炉壳的推力,避免炉壳开裂而泄漏煤气. 本设计采用满铺炭砖炉底 8 结构，它是提高炉衬寿命的一项新技术，且能提高铁水温度。 炭砖砌筑在水冷管的炭捣层上。砌筑时,先以出铁口中心线为基准线,向下 逐层划出每层碳砖的十字形中心线,并标注标高.每列先从该列的中心块开始逐 块砌筑.同一列相邻两块碳砖之间以斜接或垂直薄缝相接.每层炭砖砌筑,从中心 开始,逐步砌筑其余各列,直至砌到边缘为止.砌砖有厚缝和薄缝两种连接方式， 薄缝连接时，各列砖砌缝不大于 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 3545mm，缝中以炭素料捣固。炉底水冷 管的安装：安装在基墩耐热混凝土之上炉底碳捣层之中。 3.2.2 炉缸 为了保持足够的出铁口深度，采用半石墨化 SiC 砖，其厚度取 1150mm。 破损机理；炉缸越底部与炉底工作条件越相似，主要是碱性炉渣对偏酸性 耐火材料高温下的化学性渣化，及渣铁的流动，炉内渣铁液面的升降，大量煤 气流等高温流体对炉衬的冲刷，且它要承受难以对付的侧向压力。 炉缸工作条件与炉底相似，而且装有铁口、风口。每天有大量的铁水流过 铁口 ，开堵铁口有剧烈的温度波动和机械振动。风口前边是燃烧带，为高炉内 温度最高的区域。 3.2.3 炉腹 由于炉腹部位的工作条件恶劣，主要靠侵蚀形成的渣皮来维持工作，是靠 加强冷却而不是靠增加炉衬的厚度来维持一代炉龄寿命。因此，仅砌筑一层 345mm 厚的炭化硅砖。 破损机理；此处离风口带近，故高温热应力作用很大，由于炉腹倾斜故受 着料住压力和崩料，坐料时冲击力的影响。另外还承受初渣的化学侵蚀。由于 初渣中 FeO.MnO.CaO 与砖衬中的 SiO2反应，生产出低熔点的化合物、使砖衬 表面软容，在液态渣铁和煤气流的冲刷下而脱落。 炉腹位于风口之上，此部位受强烈的热应力作用，不仅炉衬内表面温度高，而且由温 度波动引起的热冲击、破坏力很大；同时还承受由上部落入炉缸的渣铁水和高速向上运动 的高温煤气的冲刷、化学侵蚀及氧化作用，再加上炉料的压力和摩擦力及崩料时的巨大冲 击力。 3.2.4 炉腰 采用薄墙炉腰结构，薄墙不仅砌砖薄，而且镶砖冷却壁为密排，冷却均匀， 9 侵蚀深度小，侵蚀后的炉型线与设计炉型差距较小，且较规整、平滑、冷却设 备一般不会被裸露出来，有利于炉料的顺利下降和煤气流的合理分布。 破损机理；高炉中部分煤气流沿炉腹斜面上升，在炉腹与炉腰交界处转弯， 对炉腰下部冲刷严重，使这部分炉衬侵蚀较快，使炉腹上升，径向尺寸亦有扩 大，使设计炉型向操作炉型转化。 炉腰紧靠炉腹，侵蚀作用也相似。本设计采用过渡式炉腰结构，该部位 砌筑一层 345mm 厚的碳化硅砖，砌砖紧靠冷却壁，砌砖砖缝应不大于 1mm， 上下层砖缝和环缝均应错开。 3.2.5 炉身 由于此处工作环境比其它部位都要优良，所以可不使用耐火砖。直接在焊 接好冷却水管的炉壳上浇注耐热混凝土，制成大型模块。以做到节省材料的消 耗、降低造价、缩短大修时间、大修初期就形成操作炉型，且据经验，与传统 炉身相比，它是靠冷却系统形成“自身保护自身”的“不蚀型内衬” ，克服以前 的缺点，可延长寿命近一倍。 破损机理；炉身中下部温度较高，故热应力的影响较大，同时也受到初渣 的化学侵蚀以及碱金属和锌的化学侵蚀，使炉衬软熔并被冲刷而损坏。 另外，碳素沉积也是该部位炉衬损坏的一个原因。素沉积到砖缝和裂缝中时， 它在长期的高温影响下，会改变结晶状态，体积增大，胀坏砖衬，对强度差的 耐材，作用更为明显。炉身上部，由于炉料坚硬，具有棱角，造成上部磨损大 和夹带大量炉尘的高速煤气流的冲刷是这部位炉衬损坏的主要因素。 炉身砌砖厚度通常为 690805mm，目前趋于向薄的方向发展，本设计的 炉衬厚度采用 575mm，即 230 碳化硅砖加 345 碳化硅砖等于 575mm。炉身倾 斜部位按 3 层砖错台一次砌筑。砌砖紧靠冷却壁，缝隙用炭质填料填充。 3.2.6 炉喉 由于其处在最上部，主要受炉料的冲击和煤气流的冲刷，炉喉内侧一般都 采用吊挂式金属板结构。在炉喉上面的炉头部分，一般都紧靠炉壳砌筑一层高 铝砖，有的可采用耐火泥料浇注，其作用都是为了隔热和保护金属炉壳。 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。 10 第四章 高炉各部位冷却设备的选择 4.1 冷却设备的种类 冷却壁分为；光面冷却壁，镶砖冷却壁，镶砖凸台冷却壁等。在使用材质 上又分为耐热铸铁，球墨铸铁，铜和铜冷壁。 冷却板型式有铸铜冷却板，其中有两个通道的，四个通道的，还有埋入式铸铁 冷却板等。 其它类型冷却形式；支梁式水箱冷却，炉外喷水冷却，风冷设备等。 炉底冷却设备；为了保障炉底 10 年以上的寿命，所以采用底部铺设厚的无缝钢 管通水冷却，四周布置冷却强度大的光面冷却壁。 11 4.2 高炉冷却的目的及意义 （1）降低耐火砖的温度，提高耐火材料的抗侵蚀和抗磨损能力。还可对炉 衬起到支撑的作用，增加砌体的稳定性。促使侵蚀炉型向操作炉型转变，对高 炉内煤气流合理分部，炉料的顺行起到良好作用。 （2）使炉衬表面形成保护性渣皮，并靠渣皮来工作。 （3）保护炉壳及金属构件，使其不致被热负荷所破坏。 （4）不影响炉壳的气密性和强度。 4.3 各部位冷却设备 炉底,底部采用在基墩表面与炉底耐火砖砌体底面之间安装通水的无缝钢管。 炉底四周安装铜制光面冷却壁的形式。原因:光面冷却壁导热能力强，但抗磨损 能力不如镶砖冷却壁厉害。并采用铜制以后，其导热能力更强、温度波动也减 小、形成的渣皮更稳定热损失大幅度降低；整体温度更换也使得渣皮脱落后重 建的时间更短，采用铜冷却壁部位的热流强度明显降低。 炉缸；采用铜制光面冷却壁，一般为 80120mm。 炉腹；采用铜制镶 SiC 砖冷却壁。 炉腰；采用凸台镶砖冷却壁与冷却板配合使用。 炉身上部；采用由炉壳厚壁钢管耐热混凝土构成的大型冷却模块。 第五章 风口及渣铁口 5.1 风口 风口，风口也称风口小套或风口三套，是送风管路最前端的部件。它位于 高炉炉缸上部，成一定角度探出炉壁。风口装置由风口大套、二套和小套组成。 风口大套一般用铸铁或铸铜制成，内有蛇形无缝钢管通水冷却，用法兰盘与炉 壳联结。高压高炉的风口大套与炉壳焊接。风口二套和小套常用紫铜铸成空腔 式结构，空腔内通水冷却。风口二套靠固定在炉壳上的压板压紧，小套由直吹 管压紧。风口三个水套之间均以摩擦接触压紧固定，因此，接触面必须精加工， 以避免漏气。 风口小套的通风道一般为锥状，其直径应根据操作风速来确定。有些为了 满足高炉操作的需要，也有设计成向下倾斜的或椭圆形的风口小套通风