高炉炉型选择以及炉容计算[优质二类]

1、3600m3高炉本体设计原始数据：高炉有效容积：Vu=3600m3 高炉年工作日：355天 高炉利用系数：hv=2.0t ( d. m3 )设计内容 ：1.高炉炉型的选择；2.高炉内型尺寸的计算（包括风口、铁口、渣口数量，大型高炉一般不设渣口）；3.高炉耐火材料的选用；4.高炉冷却方式和冷却器的确定；5.高炉炉壳厚度的确定。高炉本体包括高炉基础、炉衬、冷却装置、以及高炉炉型设计计算等。高炉的大小以高炉有效容积（Vu）表示，本设计高炉有效容积为3600 m3，按我国规定，属于大型高炉；高炉炉衬用耐火材料，是由陶瓷质和砖质耐火材料构成的综合结构；有些高炉也采用高纯度 Al2O3的刚玉砖和碳化硅砖；

2、高炉冷却设备器件结构也在不断更新，软水冷却、纯水冷却都得到了广泛的应用。1.高炉炉型选择高炉是竖炉。高炉内部工作剖面的形状称为高炉炉型或称高炉内型。高炉冶炼的实质是上升的煤气流和下降的炉料之间所进行的传热传质过程，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。炉型要适合原料的条件，保证冶炼过程的顺行。近代高炉炉型为圆断面五段式,是两头小中间大的准圆筒形。高炉内型如图1。1.1高炉有效高度（Hu）炉腰直径（D）与有效高度（Hu）之比值（HuD）是表示高炉“细长”或“矮胖”的一个重要指标，在我国大型高炉Hu/D =2.53.1，随着有效容积的增加，这一比值在逐渐降低。在该设计

3、中，HuD2.23。1.2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。炉缸下部容积盛液态渣铁， 图1 高炉内型上部空间为风口燃烧带。铁口位于炉缸下水平面，铁口数目依炉容或产量而定，对于3000m3 以上的高炉，设置34个铁口，以每个铁口日出铁量15003000t设置铁口数目。在该设计中，设置4个铁口。渣口与铁口中心线的距离称为渣口高度（HZ），它取决于原料条件，即渣量的大小。渣口高度的确定参照下式计算：HZ = 4bPN铁d2 = 1.27bPN铁d2式中：P生铁日产量，t； B生铁产量波动系数，取1.2；N昼夜出铁次数，取9； 铁 铁水密度，取7.1t/m3

4、；C渣口以下炉缸容积利用系数，一般为0.55-0.6，在该设计中，取0.55；d炉缸直径m。 大中型高炉设置两个渣口，一般两个渣口高度差为100200mm，也有设在一个水平面上的。渣口直径一般为5060m。现在，巨型高炉一般不设置渣口。在该设计中, 设置2个渣口，在同一水平面上。 铁口与风口中心线的距离为风口高度 (hf ) : hf=hzk (k为渣口高度与风口高度之比，一般为0.5-0.6,在该设计中，k=0.6 )风口数目（n）主要取决于炉容大小，与炉缸直径成正比。大型高炉： n=2(d+2) (d为炉缸直径，m ),风口数目一般取偶数。风口结构尺寸a取0.6m。 炉缸高度h1: h1=

5、 hf+a 铁口中心线到炉底砌砖表面之间的距离为死铁层厚度h0,它的作用是防止渣铁，煤气对炉底的冲刷，稳定渣铁温度。在该设计中，h0=1.8m。1.3炉腹 炉腹在炉缸上部，呈倒截圆锥形。炉腹的结构尺寸是炉腹高度（h2）和炉腹角（a），炉腹角a一般取值79-83，不宜过大或过小。在该设计中，=81。1.4炉腰炉腹上部的圆柱形空间是炉腰，是高炉炉型直径最大的部位。炉腰处恰是冶炼的软容带，炉料的透气性在此处变坏。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的平缓，减少死角。经验表明:炉腰高度（h3）对冶炼的影响不甚显著，设计中可通过调整h3值来修定炉容。 大型高炉的炉腰直径（D）与炉缸

6、直径（d）的比值（Dd）取值1.091.15，在该设计中，Dd=1.10。1.5炉身炉身呈正截圆锥形，向下扩张以适应向下运动的炉料。炉身高度（h4）占高炉有效高度5060，炉身角取值为80.585.5。在该设计中，=82.5。1.6炉喉 炉喉呈圆柱形，它的作用是承接炉料，稳定料面，保证炉料分布合理。炉喉直径（d1）与炉腰直径（D）之比(d1D)取值为0.640.73之间。炉喉高度（h5）应能保证炉喉布料及其调节需要，一般为23m。该设计中：d1D=0.665 ， h5=2.5m。2.炉型计算（1）生铁日产量计算 生铁日产量：P=Vuv=36002=7200td（2）炉缸尺寸计算 炉缸直径：d=

7、0.32Vu0.45=0.3236000.45=12.74 取12.7m炉缸高度：A、 渣口高度：HZ=4bPN铁d2 =1.27 bPN铁d2 =1.271.2720090.557.112.72 =1.935 取1.94m（两渣口在同一水平面）B、风口高度： hf=hzk=1.940.6=3.23 取3.2 m C、风口结构尺寸：a=0.6m ，h1= hf+a =3.2+0.6=3.8D、风口数目(n )：n=2(d+2)=2（12.7+2）=29.4 取30 个（3）死铁层厚度：h0=1.8m（4）炉腰直径D、炉腹角a、炉腹高度h2选取，Dd=1.10D=1.1012.7=13.97 取

8、14m 取a=81h2=12(D-d)tan=12(14-12.7)tan81=4.1m校核：tan=2h2D-d =24.114-12.7=6.3 =80.98 （5）炉喉直径d1、炉喉高度h5、炉身角、炉身高度h4、炉腰高度h3选取d1D=0.665 d1=0.66514=9.31 取9.3 m 选取=82.5 h4=12(D-d1)tan=12(14-9.3)tan82.5=17.85m 取17.9m校核：tan=2h4D-d1=217.914-9.3=7.6 =82.504 选取 h5=2.5选取HuD2.23 ，则Hu=2.2314=31.22 取Hu=31.2mH3=Hu-H1-H

9、2-H4-H5=31.2-3.8-4.1-17.9-2.5=2.9 m（6）校核炉容1.炉缸体积: V1=4d2h1=3.14412.723.8=481.13 2.炉腹体积： V2= 12h2(D2+Dd+d2) =3.14124.1(142+1412.7+12.72) =576.063.炉腰体积：V3=4D2h3=0.7851422.9=446.194.炉身体积： V4= 12h4(D2+Dd1+d12 =3.141217.9（142+149.3+9.32） =1932.975.炉喉体积： V5=4d12h5=3.1449.322.5=169.74 Vu=V1+V2+V3+V4+V5 =48

10、1.13+574.06+446.19+1932.97+169.74 =3604.09误差：V=Vu-VuVu100%=3604.09-36003600 100% =0.11%1%表1 高炉内型尺寸项目参数项目参数 炉缸直径d12.7 炉喉高度h52.5炉腰直径D14 有效高度hu 31.2 炉喉直径d1 9.3 炉腹角a 81 死铁层高度h0 1.8 炉身角 82.5 炉缸高度h1 3.8 高径比 2.23 炉腹高度h2 4.1 风口数目 30 炉腰高度h3 2.9 铁口数目 4 炉身高度h4 渣口高度hz风口高度hf 17.9 1.94 3.2 有效容积渣口数目 风口结构尺寸a 3600 2

11、 0.63高炉耐火材料3.1高炉炉衬作用及耐火材料种类3.1.1高炉炉衬作用目前，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。按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬。它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，主要作用是构成工作空间，减少损失，以及保护金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。3.1.2高炉用耐火材料的种类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，高炉用耐火材料有陶瓷质材料和碳质材料两大类。陶瓷制材料有粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料。碳质材料有炭砖、石墨炭砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖、粘土结合碳化硅砖等。

12、 （1）高铝砖和粘土砖两者比较，高铝砖比粘土砖含的Al2O3成分高。其耐火度及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，特别是耐磨性能更加好，并随着高铝砖中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良好的性能，化学成分与高炉渣相似，不易被渣化及成本较低等优点。高炉用高铝砖和粘土砖应满足下列要求：1）Al2O3含量要高，以保证有足够高的耐火度，使砖在高温下工作性强；2）Fe2O3要求低，主要是为限制碳黑的沉积和防止它与SiO2反应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的压

13、力条件下工作的；4）重烧收缩要小，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。（2）不定形耐火材料 不定形耐火材料主要有捣打料、喷涂料、浇注料、泥浆和填料等。按成分可分成碳质不定形耐火材料和粘土质不定形耐火材料。捣打料、喷涂料、浇注料可根据需要和部位的不同，形成各种形状。泥浆是砌砖不可缺少的填缝粘结剂。填料一般是两层砌体之间的隔热物质或粘结物质。（3）碳质耐火材料碳质耐火材料的主要性质：1）耐火度高，碳实际上是不熔化的物质，在3500升华，所以用在高炉上既不熔化也不软化；2）碳质耐火材料具有很好的抗渣性；3）有

14、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。这些是碳质耐火材料的缺点。 碳砖的优点多，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。3.2高炉炉衬设计3.2.1炉缸和炉底炉缸炉底是影响高炉寿命的最关键的部分。铁水和炉渣积存在这里、燃料在风口前燃烧。炉底和炉缸不仅长期经受着渣、铁的侵蚀，而且长期经受着高温的热负荷作用，工作条件十分恶劣。对于本设计，炉底采用综合炉底结构。

15、在炉底最下层满铺国产大碳砖，其上面的四周仍砌环形碳砖，中央砌筑粘土砖或高铝砖。环形碳砖可一直砌到渣口中心线或风口区域以下，从而炉底厚度较薄。同时，炉缸外侧铁口中心线以下、炉缸炉底交界处紧贴冷却壁砌筑一定厚度的热压小碳砖，炉缸壁外侧铁口中心线以上，砌筑国产环形大碳砖。最后在炉底炉缸内缘砌筑陶瓷垫。3.2.2炉腹、炉腰和炉身下部在炉腹区,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。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。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

16、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。在该设计中，炉腹部位砌一层粘土砖，厚345mm。高炉冶炼过程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，使炉腹段上升，径向尺寸也有所增大，使得设计炉型向操作炉型转化。厚墙炉腰有利于这种转化，薄墙炉腰不利于这种转化，而有利于固定炉型的作用。本设计采用过渡式炉腰结构，用碳硅砖砌筑，下部厚345mm,上部厚575mm。从炉腰到炉身下部的炉衬要承受煤气流和炉料的磨损,碱金属和锌蒸汽渗透的破坏

17、作用，炉腰以下还要受到高氧化亚铁初渣侵蚀，以及由于温度波动所产生的热震破坏作用。炉身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冷却；薄墙为345mm-575mm或690mm的粘土砖、高铝砖及碳砖等，并配置镶砖冷却壁冷却。在该设计中，炉身下部采用碳硅砖砌筑，厚575mm。3.2.3炉身上部和炉喉炉身上部处于高炉最上的部位，此处温度较低，主要是受煤气流的冲刷和炉料磨损而破损。该部位采用粘土砖或高铝砖。在该设计中，该部位采用粘土砖，厚575mm 。炉喉除承受煤气冲刷、炉料摩擦外，还承受装料时温度急剧波动的影响，有时还受到炉料的直接冲击作用

18、。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，其作用是为隔热和保护金属炉壳。在该设计中，炉喉衬板以铸铁、铸钢件制成。综上所述：在该设计中，炉身上部厚度为575mm，材质为粘土砖，下部厚度也为575mm，材质为碳硅砖；炉腰上部厚度为575mm，下部厚度为345毫米，材质均为碳硅砖；炉腹表面砌一层粘土砖，厚度为345mm；铁口处厚度为1600mm，材质为碳砖。炉腰结构选择过渡式。炉喉部分采用条状炉喉保护板。4.高炉冷却设备4.1高炉冷却目的及方法 高炉

19、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。 4.2 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

20、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2

21、50-350mm，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

22、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

23、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14010mm ,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50-1

24、00mm，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。4.3高炉各部位冷却设备选择4.3.1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，即60块；光面冷却壁厚80120，本设计取120；宽7001500，本设计取950mm ；高度视炉壳折点而定，一般

25、小于3000。光面冷却壁与炉壳间留20mm缝隙，用稀泥浆填满，光面冷却壁与砖衬间留100150缝隙，本设计取120mm，填以炭素料。4.3.2炉腹、炉腰、炉身下段采用镶砖冷却壁（铜冷却壁），其厚度为300mm ，且炉腰部位用带凸台的镶砖冷却壁。其凸台部位可支承炉砖，延长炉衬寿命，安装时紧靠砌砖。与炉壳间距130mm，中间填以水渣石棉材料，同段冷却壁之间垂直缝为20mm，水平缝30mm，上下两段竖直缝应相互错开，中间填以铁屑填料。铜冷却壁的特点有：1）铜冷却壁具有热导率高，热损失低的特点。目前，国内外铜冷却壁大多以轧制纯铜为材质，经钻孔加工而成的。这样制作出来的铜冷却壁的冷却通道与壁体是一个有机

26、的整体，消除了铸铁冷却壁因水管与壁体之间存在气隙而形成隔热屏障的弊端，再加上铜本身具有的高导热性，这样就使得铜冷却壁在实际使用过程中能保持非常低的工作温度。3）利于渣皮的形成与重建。较低的冷却壁表面温度是冷却壁表面渣皮形成和脱落后快速重建的必要条件。由于铜冷却壁具有良好的导热性，因而能形成一个相对较冷的表面，从而为渣皮的形成和重建创造条件。由于渣皮的导热性极低，渣皮形成后，就形成了由炉内向铜冷却壁传热的一道隔热屏障，从而减少了炉内热损失。研究表明，在渣皮脱落后，铜冷却壁能在15min内完成渣皮的重建，而双排水管球墨铸铁冷却壁则至少需要4h。4.3.3水冷炉底 水冷炉底的冷却强度大,耗电低,为软水冷却,冷却水管为230mm,在炉底耐火砖砌体底面与基礅面之间安装通水的无缝钢管,无缝钢管埋在炭捣层中,水冷管道中心线以下采用200mm耐火水泥,以上采用200mm炭捣料.炉底水冷管中心间距200mm,边缘间距250mm。5.高炉炉壳确定 5.1高炉炉壳材质及要求 炉壳一般由钢板制成，上至炉顶封板，下部坐落在高炉基础之上，是不等截面的圆筒体，它起着固定冷却设备，保证高炉砌体牢固的作用，还承受并传递上部的载荷和高温高压。因此，炉壳必须有一定强度:（1）炉壳外型必须和冷却设备配置