高炉炉型选择以及炉容计算.docx

1、高炉炉型选择以及炉容计算3600】“高炉本体设计Vu=3600 1355天j 儿k=10t/（d.m3）图1高炉内型原始数据：高炉有效容积： 高炉年工作日： 高炉利用系数： 设计内容：1.高炉炉型的选择；2.（包括风口、铁口、渣口数量，大型高炉一般不设渣高炉内型尺寸的计算 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（ ）表示，本设计高炉有效容积为 3600 |，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

2、高纯度的刚玉砖和碳化硅砖；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（J炉腰直径（D）与有效高度（ 之比值-“矮胖”的一个重要指标，在我国大型 高炉Hu/D =2.5 3.1，随着有效容积的 增加，这一比值在逐渐

3、降低。在该设计 中，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，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 3000以1的 高炉，设置34个铁口，以每个铁口日出铁量 1500 3000t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（比_），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：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；Y铁 -铁水密度，取7.1 m3；C渣口以下炉缸容积利用系数，一般为 0.55-0

4、.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 小：一币（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：铁口中心线到炉底砌砖表面之间的距离为死铁层厚度 ho,它的作用是防止渣铁，煤气对

5、炉底的冲刷，稳定渣铁温度。在该设计中， = 1.的】。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（M）和炉腹 角（），炉腹角 一般取值79-83,不宜过大或过小。在该设计中，。二8T。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（叫）对冶 炼的影响不甚显著，设计中可通过调整 值来修定炉容。大型高炉的炉腰直径（D）与炉缸直径（d）的比值（）取值1.09 1.15, 在该设计中，D/d = i.i0。1.5炉身

6、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（h竝）占高 炉有效高度 50% 60%，炉身角忖取值为80.5 85.5。在该设计中，:-。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（山）与炉腰直径（D）之比Wl取值为0.64 0.73之间。炉喉高度 宀5） 应能保证炉喉布料及其调节需要，一般为 2 3m该设计中： ： hr = 2.5m2.炉型计算（1） 生铁日产量计算生铁日产量;P = V沦二36UW - 72U【）t/d（2） 炉缸尺寸计算炉缸直径.d =叮2V, = 0.32 X 36OO045 = 1274炉缸高度：9X0. 55X7

7、. IX 12* 7D风口数目（n ）: n = 2(d + 2 = 2x (12.7 + 2 = 29.（3）死铁层厚度:（4）炉腰直径D炉腹角、炉腹高度选取,D/d = 1.WD = LIO X 12.7 = 13.97 取 14m取=81h? =-(D -djtanix = - x (14 - 127) x tanar = 4,1m Z2h2 2x4,1tantx = iTTd = 1412/7 =氐3 a = 80-90校核；：(5)炉喉直径d】、炉喉高度、炉身角卩、炉身高度山4、炉腰高度选取山=0. 665 x 14 = 9. 31 取9 3 m1 1h二-(D-dtanp = -x

8、 (14- 9.3) x tan82,5 = 17.85m 収 17.9怕吐 校核；：% 2 x 17.9UnP = D=乔菇=刀63 = 82.504选取h5 = 2 5选瞅Hu/d=Z23 贝Hu = 2.23 X 14 = 31.22 収叫=31.2mH3 = Hu- Hi -H., - = 3L 2-3.8 -4J - 17.9-2.5 = 2.9 m1炉缸体积：n 2 巾 ?Vj = hj - X 12.7 x 33 = 481.13(6)校核炉容2.炉腹体积:V2 = h2(D2 + Dd + di2 2X 4,1 X (14 + 14 X 127 + 12.7=576.063.炉

9、腰体积:n 2t 2V3 = -D h3 = 0. 78S x 14 x 2. 9 = 446. 194.炉身体积：叭 2 * 1v4 =訊& +叫+ df3. 14 2 2= -T-X 17. 9X H 4- 14 X Jt 3 + 4. 3 )1932. 97TT ? S.14 J5.炉喉体积:V5 = 71 hs = -rx 9.3 X 2.5 = 169.74K = 石+百+M + V48L 13 + 571 06 + 446.19 + 1932?97 + 169. 743604. 09误差：AV 100% 血“蔦3600 X 100% - 0. 11% 1%u d 0 W)表1高炉内

10、型尺寸项目参数项目炉缸直径d12.7炉喉高度叫炉腰直径D14有效高度h炉喉直径di9.3炉腹角死铁层高度ho1.8炉身角0炉缸咼度%3.8咼径比炉腹咼度b4.1风口数目炉腰咼度2.9铁口数目炉身高度917.9有效容积渣口高度m1.94渣口数目风口高度f3.2风口结构尺寸a参数2.531.28182.52.2330360020.63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

11、，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、咼铝砖、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。(1)高铝砖和粘土砖Ai n两者比较，高铝砖比粘土砖含的F 2 ?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I（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

12、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） 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） 要求低，主要是为限制碳黑的沉积和防止它与沙沙闾生成低熔点物质 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

13、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 r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，400C能被氧化，500 E时和水气作用， 700C开始和CO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

14、。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。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

15、，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。322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 2000C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。在该设计中，炉腹部位砌一层粘土砖

16、，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-1035m厚的粘土砖或 高铝砖，并且配置冷却板或支

17、梁式水冷却； 薄墙为345mm-575m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575mm3.2.3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。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，

18、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

19、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100mi水管上朝炉壳的方向钻有直径5-8mn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

20、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，

21、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

22、：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

23、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 1 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

24、，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80120mm，本设计取120mm；宽 7001500mm，本设计取950mm；高度视炉壳折点而定，一般小于 3000mm。 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100 150mm缝隙，本设计取120mm

25、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中间填以水渣一石棉材料，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

26、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。433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

27、，水冷 管道中心线以下采用200mm耐火水泥,以上采用200mn炭捣料.炉底水冷管中心间 距200mm边缘间距250mm5.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相适应。存在着转折点，转折点能减弱炉壳 强度，因此要减少转折；(2)由于固定冷却设备，炉壳需要开孔，折线应和开孔避免在同一平面；(3) 渣口大套法兰盘和铁口套法兰盘的边缘距离炉壳转折点不小于 100mm；(4)炉顶封板与

28、炉喉处连接转角不宜小于 50度，此处取56度；(5) 为防止砌体膨胀而使炉壳承受巨大应力， 炉腹以下砌体因与冷却壁间隙130 毫米左右。5.2炉壳厚度确定炉壳厚度值应与工作条件想适应，各部厚度可由下式计算：8=kD其中：S 算部位炉壳厚度，mm ,D 炉体外弦带直径，m，k比例系数，其值如下：(0王砧,炉顶封板与炉喉，3.6 ;炉身，2.0; 炉身下弦带，2.2;炉腰、炉腹、炉缸、炉底，2.7 )炉身下弦带高度一般不超过炉身高度的1/41/3.5,炉壳一般由碳素钢板或低 合金钢板焊成，厚度大于10mm的钢板要铲平，竖缝采用 V ”或X ”坡口焊接，横 缝采用斜V”或K”坡口焊接。炉壳厚度确定：

29、炉顶封板与炉喉： =36 *(5 + 2x =3启 X (9,3 + 2 x 0.575)=37.62 取38mm9.3 + 14=2.0 X (- + 2 X 0.575)=25.6 Jfc26rnn占3 = 2.2 x (D + 2 x 0占75)=2-2 x (14 + 2 x 0.57S)=33.33 取 33mm炉腰:0.575 + 0345 = 2.7 X (14 4- 2 X=40.28 取40mm炉腹：J 2.7 X (学 + 2 X 0345)14 + 127= 2,7x (-+2x 0345)=37.9 収38mm炉底： ；：1=27 x (12.7 + 2 x L6)=42.93 取43 mm表2高炉炉壳厚度部位k值D值本设计 3值，mm炉顶封板与炉喉N之3.610.4538炉身上部区域2.012.826炉身下部区域2.215.1533炉腰2.714.9240炉腹2.714.0438炉缸及炉底2.715.943风口区、铁口区45