冶金设备课程设计重点讲义

1、 设计（论文）专用纸 炼铁高炉炉衬设计第26页 设计（论文）专用纸目录1.高炉本体设计11.2.1 炉缸结构尺寸61.2.2 炉腰结构尺寸91.2.3 炉腹结构尺寸91.2.4 炉喉结构尺寸101.2.5 炉身结构尺寸111.2.6 其余结构尺寸121.2.7 炉容校核121.3高炉内型设计总结131.3.1设计参数汇总131.3.2本炉型设计特点152.高炉耐火炉衬及冷却装置162.1高炉耐火炉衬设计162.1.1 炉衬破损机理162.1.2 高炉用耐火材料162.1.3 高炉炉衬的设计与砌筑182.2.6 炉身冷却模块技术222.4.7 水冷炉底233.参考文献24设计总结和感言251.高

2、炉本体设计高炉是横断面为圆形的圆筒状炼铁竖炉。外部用钢结构做支撑，表面为钢板作的炉壳，壳内砌耐火砖内衬。现代高炉被称为“五段式”高炉，其高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。（“五段式”内型如图一所示。）高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（现代高炉也辅助性地喷吹煤粉、重油、天然气等燃料代替焦炭）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，与铁分离为两相，后从渣口排出（有的从铁

3、口与铁液一同排出）。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。图一 “五段式”高炉内型示意图高炉冶炼的主要产品是生铁，另外还有副产高炉渣和高炉煤气。高炉炼铁具有技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点。目前这种方法生产的铁已占世界铁总产量的绝大部分。 1.1高炉内型设计高炉内型是指高炉内部工作空间中心纵剖面的轮廓。合理的炉型应该满足高产、低耗、长寿的要求，能够很好的适应炉料的顺利下降和煤气的上升运动，以保证冶炼过程的顺利。在长期生产实践过程中，高炉内型随着原料条件的改善、操作技术水平的提高、科学技术的进步而不断地发展变化。高炉内型的演变过

4、程大体可以分为三个阶段：无型阶段、大腰阶段、近代高炉阶段。现代的高炉本体主要由炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五部分组成，称为“五段式”高炉。本次设计以“五段式”高炉为基，设计高炉内型。（各部分尺寸符号见图二。）图二高炉内各部分尺寸及表示方法 高炉各部分尺寸有一定相关性，各个尺寸件的相对关系条件决定了高炉的整个炉型。高炉各部分主要参数的相关性条件如表3所示。表3 高炉内型计算的主要参数项目厚壁高炉经验公式薄壁高炉经验公式D/d1.101.20(Vu3001000m3)1.141.20(Vu20005000m3)d1/d一般为0.650.72，大高炉取值高0.730.77(Vu20005000m3)

5、Hu/D一般为2.04.01.92.4(Vu20005000m3)炉缸高度h1h1=（0.120.15）Hu ,或h1=hf+a；hf风口中心线高度；a-0.50.7h1=（0.1240.170）Hu(Vu20005000m3)炉腹角一般为78827578炉腰高度h3调整高炉容积用，一般1.03.0调整高炉容积用，一般1.03.0炉身角一般为8083一般为7983风口高度hfh1-hf=0.50.6h1-hf=0.50.6下面就高炉各个部分的尺寸设计计算进行说明。2.高炉耐火炉衬及冷却装置2.1高炉耐火炉衬设计按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬。它的作用：在于构成高炉的工作空间；减少

6、高炉的热损失；保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。 2.1.1 炉衬破损机理（1）炉底：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：炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的1012；砌砖存在砖缝和裂缝。第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。铁水中的碳将砖中二氧化硅还原成硅，并被铁水所吸收。 影响炉底寿命的因素：是承受的高压；是高温；是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷；砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂；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。 （2）炉缸：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

7、主要的破坏因素；化学侵蚀；风口带为最高温度区。 （3）炉腹：高温热应力作用很大；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；承受初渣的化学侵蚀。 （4）炉腰:初渣的化学侵蚀；上、下折角处高温煤气流的冲刷磨损。高温热应力的影响；碱金属和Zn的化学侵蚀。夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷。 （5）炉喉：受到炉料落下时的撞击作用。用金属保护板加以保护，又称炉喉钢砖。 （6）决定炉衬寿命的因素：炉衬质量，是关键因素。砌筑质量。操作因素。炉型结构尺寸是否合理。 2.1.2 高炉用耐火材料（1） 对耐火材料的要求：根据高炉炉衬的工作条件和破损机理分析可知，高炉炉衬的质量和性质是影响高炉寿命的重要因

8、素之一，对高炉用耐火材料提出如下要求：1）对长期处于高温条件下工作的部位，要求耐火度高，高温下的结构强度大，高温下的体积稳定性好。2）组织致密，体积密度大，气孔率小，特别是显气孔率要小，提高抗渣性和减少炭黑沉积的可能。3）Fe2O3含量低，防止与CO在炉衬内作用降低砖的耐火性能和在砖表面上形成黑点、熔洞、熔疤、鼓胀等外观和尺寸方面的缺陷。4）机械强度高，具有良好的耐磨性和抗冲击能力。 （2）高炉常用耐火材料：陶瓷质材料：粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等； 碳质材料 ：碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖等。 粘土砖：基本特性：良好的物理机械性能；抗渣性好；成本较低。 高铝砖：A

9、L2O3含量大于48%的耐火制品。基本特性：比粘土砖有更高的耐火度和荷重软化点；由于AL2O3为中性，故抗渣性较好；加工困难，成本较高。 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表11所示。表11 耐火材料尺寸允许偏差和外形规定碳质耐火材料：主要特性：耐火度高，不熔化也不软化，在3500升华；抗渣性能好；高导热性； 热膨胀系数小，体积稳定性好；致命弱点是易氧化，对氧化性气氛抵抗能力差。 不定形耐火材料：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

10、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。优点：工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、不易剥落，可以减小炉衬厚度。2.1.3 高炉炉衬的设计与砌筑（1）炉衬设计要考虑的因素：高炉各部位的工作条件及其破损机理；冷却设备形式及对砖衬所起的作用；要预测侵蚀后的炉型是否合理。 砖型与砖数砖型：直形砖和楔形砖两种。砖的厚度一致；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表12。表12 我国高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸砖数计算：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：

11、用每块砖的重量乘以砖数。考虑25的损耗。炉其它部位：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)炉底:结构形式：A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 。综合炉底 :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。结构见图2. 图2 综合炉底结构图B全碳砖炉底：大型高炉普遍采用。全碳砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。炉底砌筑：粘土砖和高铝砖炉底的砌筑；均采

12、用立砌，层高345mm；砌筑由中心开始，成十字形；上下两层的十字中心线成22.5º45º；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 22.5º45º。 C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图3：图3 满铺碳砖炉底结构图D碳砖砌筑的原则： 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90º；最上层碳砖砖缝与铁口中心线成90º。 E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

13、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。(3)炉缸：结构形式：A粘土砖或高铝砖炉底小高炉B碳砖炉缸大中型高炉炉缸砌筑：A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。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。炉缸厚度：A一般规定铁口水平面处的厚度为小高炉：575mm（230345）；中型高炉：920mm（230345×2

14、）；大型高炉：1150mm（230×2+345×2）或更厚些。 (4)炉腹、炉腰和炉身下部：A炉腹：一般砌一层高铝砖或粘土砖，厚度为345mm。B炉腰炉腰有三种结构形式：厚壁炉腰、薄壁炉腰和过渡式炉腰。厚壁炉腰结构：优点是热损失少，但侵蚀后操作炉型与设计炉型变化大。薄壁炉腰结构： 热损失大些，但操作炉型与设计炉型近似。过渡式炉腰结构：处于两者之间。C炉身下部炉身下部砌砖厚度为690805mm，目前趋于向薄的方向发展，有的炉衬厚度采用575mm或345mm。倾斜部分按三层砖错台一次砌筑。 (5)炉身上部和炉喉：炉身上部一般采用高铝砖或粘土砖砌筑。 砌砖与炉壳间隙为100150

15、mm，填以水渣石棉隔热材料。为防止填料下沉，每隔1520层砖，砌二层带砖即砖紧靠炉壳砌筑，带砖与炉壳间隙为1015mm。 炉喉：炉喉钢砖或条状保护板：为铸铁或铸钢件。 炉喉圆周有几十块保护板，板之间留2040mm膨胀缝。炉喉高度方向只有一块。 3.参考文献1项中庸·高炉设计炼铁工艺设计理论与实践·冶金工业出版社·2007年2郝素菊，蒋武峰，方觉·高炉炼铁设计原理·冶金工业出版社·2003年3王平·炼铁设备·冶金工业出版社·2006年设计总结和感言在整个课程设计的四天中，我们小组分工合作、齐心协力，如今已经

16、一同完成了课程设计的所有工作。故特在此总结感悟。在课程设计的第一天我们便对这次任务进行了规划和分工。在以后的几天中，我们组的成员一起分工合作，一同努力，一同奋斗。我们完成了设计前的准备工作：阅读课程设计相关文档、搜集和查阅了大量资料、进一步进行小组讨论分工完成对资料的分析。在协作下，完成了每个人对炼铁高炉的设计。一起寻找软件，相互帮助后，完成了绘制了电子图纸，并最后撰写课程设计说明书。在整个设计中，我主要负责图纸的绘制。在这个过程中，我们都经历了艰苦的过程在绘图时遇到了较大麻烦。此时我认识到自己好多不足之处，如对专业学习不够认真，对一个工科生应学到的知识认识和学习不够。我希望通过本次设计后我能

17、够在认识不足的基础上认真学习和改进。经历高炉本体设计的整个过程我觉得自己的学习能力有一定的进步。我对高炉结构、高炉工作原理、工作过程和高炉各种材质的要求有了进一步了解，对冶金设备设计也有了一定认识。其中特别是对CAD软件的学习及对资料的寻找与整理，收获最丰。这次的课程设计，我们小组一起经历了奋斗的酸甜苦辣，一起体验了合作的点滴感动，也一起分享了成功的喜悦。因为对我们每个人来说，这一次的课程设计都是一个挑战。我们每个人都不完美，对课题的了解也都不完全，尤其是对计算机辅助制图的软件，我们大家都不太精通。这时候小组的力量就体现出来了，各司其职，各尽其能，终于集体的力量发挥了效用，使我们终于到达了成功之岸。在这个过程，我们