第三章 高炉本体设计(炉衬)2

1、3.2 高炉炉衬高炉炉衬 按照设计炉型，以耐火材料砌筑的按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬。实体为高炉炉衬。 概念：概念：作用：作用：（1）在于构成高炉的工作空间；）在于构成高炉的工作空间；（2）减少高炉的热损失；）减少高炉的热损失；（3）保护炉壳和其它金属结构免受热应）保护炉壳和其它金属结构免受热应 力和化学侵蚀的作用。力和化学侵蚀的作用。 3.2.1 炉衬破损机理炉衬破损机理高温渣铁的渗透和侵蚀高温渣铁的渗透和侵蚀高温和热震破损高温和热震破损炉料和煤气流的摩擦冲刷及煤气碳素沉积炉料和煤气流的摩擦冲刷及煤气碳素沉积的破坏作用的破坏作用碱金属及其他有害元素的破坏作用碱金属及其他有害元

2、素的破坏作用 炉底破损分两个阶段，初期是铁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；水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑； 铁水渗入的条件：铁水渗入的条件： （1）炉底砌砖承受着液体渣铁、）炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的煤气压力、料柱重量的1012； （2）砌砖存在砖缝和裂缝。）砌砖存在砖缝和裂缝。 1. 炉底：炉底：第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。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铁水中的碳将砖中二氧化硅还原成硅，并被铁水所吸收。硅，并被铁水所吸收。 SiO2（砖）+2C+Fe=FeSi+2CO（1）是承受的高压；）是承受的高压；（

3、2）是高温；）是高温；（3）是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底）是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷；的冲刷；（4）砖衬在加热过程中产生温度应力引起）砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂；砖层开裂；（5）在高温下渣铁对砖衬的化学侵蚀，特）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。别是渣液的侵蚀更为严重。 影响炉底寿命的因素：影响炉底寿命的因素：（1）渣铁的流动、炉内渣铁液面的升降，）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；主要的破坏因素；（2）化学侵蚀；）化学侵蚀；（3）风口带为最高温度区。）风口

4、带为最高温度区。 2. 炉缸：炉缸：（1）高温热应力作用很大；）高温热应力作用很大；（2）由于炉腹倾斜故受着料柱压力和）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；崩料、坐料时冲击力的影响；（3）承受初渣的化学侵蚀。）承受初渣的化学侵蚀。 3. 炉腹：炉腹：（1）初渣的化学侵蚀；）初渣的化学侵蚀；（2）上、下折角处高温煤气流的冲刷）上、下折角处高温煤气流的冲刷磨损。磨损。（3）高温热应力的影响；）高温热应力的影响；4. 炉腰炉腰在炉身上部：在炉身上部：（1）下降炉料的磨损；）下降炉料的磨损；（2）夹带着大量炉尘的高速煤气流的）夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷。冲刷。 炉身中下部：炉身

5、中下部：（1）热应力的影响；）热应力的影响；（2）受到初渣的化学侵蚀；）受到初渣的化学侵蚀；（3）碱金属和）碱金属和Zn的化学侵蚀。的化学侵蚀。5. 炉身：炉身： 受到炉料落下时的撞击作用。用金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。属保护板加以保护，又称炉喉钢砖。 6. 炉喉：炉喉：（l）炉衬质量，是关键因素。）炉衬质量，是关键因素。（2）砌筑质量。）砌筑质量。（3）操作因素。）操作因素。（4）炉型结构尺寸是否合理。）炉型结构尺寸是否合理。7. 决定炉衬寿命的因素：决定炉衬寿命的因素：3.2.2 高炉用耐火材料高炉用耐火材料 （l）耐火度要高。）耐火度要高。 耐火度是指

6、耐火材料在无荷重时抵抗高耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的温度。温作用而不熔化的温度。（2）荷重软化点要高。）荷重软化点要高。 荷重软化点是指将直径荷重软化点是指将直径36mm，高，高50mm的试样在的试样在0.2Mpa荷载下升温，当温度达到某荷载下升温，当温度达到某一值时，试样高度突然降低，这个温度就是一值时，试样高度突然降低，这个温度就是荷重软化点。荷重软化点。 一一. 对耐火材料的要求：对耐火材料的要求：（3）Fe2O3含量要低。含量要低。 （4）重烧收缩要小。）重烧收缩要小。 重烧收缩也称残余收缩，是表示耐火材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

7、大小的一种尺料升至高温后产生裂纹可能性大小的一种尺度。度。（5）气孔率要低。）气孔率要低。（6）外形质量要好。）外形质量要好。 粘土砖、高铝砖、刚玉砖和粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等；不定型耐火材料等； 陶瓷质材料：陶瓷质材料：碳砖、石墨碳砖、石墨碳化碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖等。硅砖、氮结合碳化硅砖等。 碳质材料碳质材料 ：二二. 高炉常用耐火材料高炉常用耐火材料基本特性：基本特性：（1）良好的物理机械性能；）良好的物理机械性能；（2）抗渣性好；）抗渣性好；（3）成本较低。）成本较低。 1. 粘土砖：粘土砖：AL2O3含量大于含量大于48%的耐火制品。的耐火制品。

8、基本特性：基本特性：（1）比粘土砖有更高的耐火度和荷重软）比粘土砖有更高的耐火度和荷重软化点；化点；（2）由于）由于AL2O3为中性，故抗渣性较好；为中性，故抗渣性较好；（3）加工困难，成本较高。）加工困难，成本较高。 2. 高铝砖：高铝砖： 粘土砖和高铝砖的外形质量也非常重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要，对于制品的尺寸允许偏差及外形分级规定见下表。规定见下表。 允允许许偏偏差差 单单位位 一一级级 二二级级 长长度度 1.0 1.5 炉炉底底砖砖长长度度 mm 2 3 宽宽度度 2 2 厚厚度度 mm 1 2 炉炉底底砖砖，不不大大于于 mm 1 1

9、扭扭曲曲 其其它它部部位位用用砖砖，不不大大于于 mm 1.5 2 缺缺角角深深度度，不不大大于于 mm 3 5 缺缺棱棱深深度度，不不大大于于 mm 3 5 熔熔洞洞直直径径，不不大大于于 mm 3 5 渣渣蚀蚀 不不准准有有 不不准准有有 裂裂纹纹宽宽度度不不大大于于0.25mm，长长度度不不大大于于 mm 不不限限制制 不不限限制制 裂裂纹纹宽宽度度0.260.50mm，长长度度不不大大于于 mm 15 15 裂裂纹纹宽宽度度0.50mm，长长度度不不大大于于 mm 不不准准有有 不不准准有有 粘土砖和高铝砖尺寸允许偏差及外形分级粘土砖和高铝砖尺寸允许偏差及外形分级 主要特性：主要特性：

10、（1）耐火度高，不熔化也不软化，在）耐火度高，不熔化也不软化，在3500升华；升华；（2）抗渣性能好；）抗渣性能好；3. 碳质耐火材料：碳质耐火材料：（4）热膨胀系数小，体积稳定性好；）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）致命弱点是易氧化，对氧化性气氛抵抗能力差。氛抵抗能力差。 主要应用于高炉的炉缸、炉底。主要应用于高炉的炉缸、炉底。（3）高导热性；）高导热性；捣打料：用于炉底炭砖与水冷管之间、风捣打料：用于炉底炭砖与水冷管之间、风 口、铁口、渣口周围及铁沟。口、铁口、渣口周围及铁沟。喷涂料：炉壳。喷涂料：炉壳。泥浆：泥浆：把耐火砖粘结成为致密的整体炉衬。把耐火砖粘

11、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要求泥浆的化学成分与耐火砖的相近。填料填料 ：用来填充炉壳与冷却壁、冷却壁与砌砖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。之间的间隙，起密封和补偿收缩作用。4. 不定形耐火材料：不定形耐火材料： 工艺简单、能耗低、整体性好、抗工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、不易剥落，可以减小炉衬厚热震性强、不易剥落，可以减小炉衬厚度。度。 优点：优点：3.2.3 高炉炉衬的设计与砌筑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；）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；）

12、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。）要预测侵蚀后的炉型是否合理。一一. 炉衬设计要考虑的因素：炉衬设计要考虑的因素： 砖型：砖型： 直形砖和楔形砖两种。直形砖和楔形砖两种。 砖的厚度一致；长度有砖的厚度一致；长度有230mm和和345mm两种，使错缝方便。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我国高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸见下表 二二. 砖型与砖数砖型与砖数尺尺 寸寸 ， mm 砖砖 型型 砖砖 号号 a b b1 c G 1 230 150 75 G 7 230 115 75 G 2 345 150 75 直直 形形 砖砖 G 8 34

13、5 115 75 G 3 230 150 135 75 G 4 345 150 125 75 G 5 230 150 120 75 楔楔 形形 砖砖 G 6 345 150 110 75 高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸（1）炉底：）炉底：炉底砖数：砌砖总容积除以每块砖的容积。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。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。砖的重量：用每块砖的重量乘以砖数。考虑考虑25的损耗。的损耗。2. 砖数计算：砖数计算： 都是环形圆

14、柱体或圆锥体都是环形圆柱体或圆锥体 ，需要楔，需要楔形砖和直形砖配合使用。形砖和直形砖配合使用。 一般以一般以G1直形砖与直形砖与G3或或G5楔楔形砖配合；形砖配合；G2直形砖与直形砖与G4或或G6楔楔形砖相配合。形砖相配合。 （2）高炉其它部位：）高炉其它部位：楔形砖和直形砖配合砖数计算：楔形砖和直形砖配合砖数计算：总砖数：总砖数：bDn式中：式中：n总砖数；总砖数； b砖大头宽度，砖大头宽度，mm； D环圈外径，环圈外径，mm。 楔形砖数：楔形砖数：12bbabDns式中：式中： ns楔形砖数，砖型确定后，是一常数；楔形砖数，砖型确定后，是一常数； a砖长度，砖长度，mm； b楔形砖大头宽

15、度，楔形砖大头宽度，mm； b1楔形砖小头宽度，楔形砖小头宽度，mm； 每个环圈使用的楔形砖数每个环圈使用的楔形砖数ns只与楔形砖两头只与楔形砖两头宽度和砖长度有关，而与环圈直径无关。宽度和砖长度有关，而与环圈直径无关。 用用G3砌环圈需要砖数砌环圈需要砖数9713515023014. 32sn用用G4砌环圈需要砖数砌环圈需要砖数 8712515034514. 32sn用用G5砌环圈需要砖数砌环圈需要砖数 用用G6砌环圈需要砖数砌环圈需要砖数 4812015023014. 32sn5411015034514. 32sn 单独用上述四种楔形砖所砌环圈的内径依次单独用上述四种楔形砖所砌环圈的内径依

16、次是是4150mm、3450mm、1840mm、1897mm。 式中：式中： nz直形砖数；直形砖数； ns楔形砖数；楔形砖数； n总砖数；总砖数；直形砖数：直形砖数：sznnn试用试用G3与与G1砖砌筑内径为砖砌筑内径为7.2m的的圆环，砖缝为圆环，砖缝为0.4mm，求所需楔形砖数，求所需楔形砖数及直形砖数。及直形砖数。计算例题：计算例题：1604 . 0150)4607200(bDn解：楔形砖数：解：楔形砖数：9713515023014. 3221bbans总砖数：总砖数：直形砖数：直形砖数：6397160sznnn不考虑砖缝时总砖数：不考虑砖缝时总砖数：161150)4607200(bD

17、n 炉底炉底 1）结构形式：）结构形式：（1）粘土砖或高铝砖炉底）粘土砖或高铝砖炉底小高炉小高炉炉底厚度大于炉缸直径的炉底厚度大于炉缸直径的0.6倍倍 。三三. 高炉各部位炉衬设计与砌筑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综合炉底是在风冷管碳捣层上满铺几层层400mm碳砖，上面环形碳砖砌至风口中碳砖，上面环形碳砖砌至风口中心线，中心部位砌数层心线，中心部位砌数层400mm高铝砖，环高铝砖，环砌碳砖与中心部位高铝砖相互错台咬合。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综合炉底的厚度为炉缸直径的0.3倍。倍。 结构见下图：结构见下图：（2）综合炉底）综

18、合炉底 综合炉底结构示意图综合炉底结构示意图1冷却壁；冷却壁；2碳砖；碳砖；3碳素填料；碳素填料；4水冷管；水冷管；5粘土砖；粘土砖；6保护砖；保护砖；7高铝砖；高铝砖；8耐热混凝土耐热混凝土大型高炉普遍采用。大型高炉普遍采用。全碳砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。全碳砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。 （3）全碳砖炉底：）全碳砖炉底：（1）粘土砖和高铝砖炉底的砌筑：）粘土砖和高铝砖炉底的砌筑：均采用立砌，层高均采用立砌，层高345mm；砌筑由中心开始，成十字形，结构如图。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。上下两层

19、中心点应错开半块砖。最上层砖缝与铁口中心线成最上层砖缝与铁口中心线成 22.545。 2）炉底砌筑）炉底砌筑十字形砌砖十字形砌砖 砌砖中心线砌砖中心线 Kj炉底最后一页（2）满铺碳砖炉底砌筑）满铺碳砖炉底砌筑 有厚缝和薄缝两种连接形式：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，而一般是碳砖两端的短缝用薄缝，而两侧的长缝用厚缝。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的结构见下图 ：满铺碳砖炉底砌筑满铺碳砖炉底砌筑a薄缝；薄缝；b厚缝；厚缝；c炉壳；炉壳；d冷却壁；冷却壁；e碳砖与冷却壁间填料缝碳砖与冷却壁间填料缝 相邻两行碳砖必须错缝，一般在相邻两行碳砖必须错缝，一

20、般在 200mm以上；以上；上下两层碳砖砖缝成上下两层碳砖砖缝成90；最上层碳砖砖缝与铁口中心线成最上层碳砖砖缝与铁口中心线成90。 碳砖砌筑的原则：碳砖砌筑的原则：（3）综合炉底砌筑）综合炉底砌筑 炉底中心部位的高铝砖砌筑高度必须与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，环高铝砖与环砌碳砖间的连接为厚缝，环砌碳砖为薄缝连接；砌碳砖为薄缝连接；炉底满铺碳砖侧缝为厚缝连接，端缝为炉底满铺碳砖侧缝为厚缝连接，端缝为薄缝连接。薄缝连接。 环砌碳砖为楔形碳砖。环砌碳砖为楔形碳砖。 n综合炉底1-冷却壁；2-炭砖；3-

21、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（P95）高炉综合炉底（P96）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：）结构形式：（1）粘土砖或高铝砖炉底）粘土砖或高铝砖炉底小高炉小高炉（2）碳砖炉缸）碳砖炉缸大中型高炉大中型高炉2. 炉缸炉缸2）炉缸砌筑：）炉缸砌筑： （1）粘土砖或高铝砖炉缸的砌筑：）粘土砖或高铝砖炉缸的砌筑： 炉缸各层皆平砌；炉缸各层皆平砌； 同层相邻砖环的放射缝应错开；同层相邻砖环的放射缝应错开；

22、上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开； 炉缸砌砖炉缸砌砖1砖环；砖环；2炭素填料；炭素填料；3冷却壁冷却壁（2）碳砖炉缸砌筑）碳砖炉缸砌筑 每层厚每层厚400mm;每层块数为整数；每层块数为整数；同层相邻砖环的放射缝应错开；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；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去砌一层高铝砖，近来用涂料代替高铝 砖，涂料层厚砖，涂料层厚58mm。 一般规定铁口水平面处的厚度为一般规定铁口水平面处的厚度为小高炉：小高炉： 57

23、5mm（230345）；）；中型高炉：中型高炉：920mm（2303452）；）；大型高炉：大型高炉：1150mm（2302+3452） 或更厚些。或更厚些。炉缸厚度：炉缸厚度：（3）美国）美国UCAR热压小碳砖炉缸热压小碳砖炉缸散热型散热型 常规大碳砖与热压小碳砖的主要性能比较见下表常规大碳砖与热压小碳砖的主要性能比较见下表 常规大碳砖与热压小碳砖的主要性能比较常规大碳砖与热压小碳砖的主要性能比较透气率：为常规大碳砖的透气率：为常规大碳砖的1%左右；左右；导热率：比常规大碳砖几乎高一倍导热率：比常规大碳砖几乎高一倍 美国美国UCAR热压小碳砖炉缸结构热压小碳砖炉缸结构1高铝质耐火砖；高铝质耐

24、火砖；2大碳砖；大碳砖；3混凝土；混凝土；4热压小碳砖热压小碳砖 特点：特点：提高炉衬的导热性能，又称导热炉衬。提高炉衬的导热性能，又称导热炉衬。缺点：缺点： 增大了炉缸的热损失。增大了炉缸的热损失。（4）法国）法国“陶瓷杯陶瓷杯”隔热保温型隔热保温型 概念：概念： 所谓所谓“陶瓷杯陶瓷杯”是指炉底砌砖的下部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层刚玉莫莱石砖。炉缸壁是由通过一厚度灰缝（灰缝（60mm）分隔的两个独立的圆环组成，）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。炉底外环为碳砖，内环

25、是刚玉质预制块。炉底采用水冷、油冷或空气冷却系统采用水冷、油冷或空气冷却系统 陶瓷杯结构（P99）1-刚玉莫来石砖；2-黄刚玉砖；3-烧成铝碳砖；4-半石墨化自焙炭砖；5-保护砖；6-炉壳封板；7-水冷管；8-测温电偶；9-铁口中心线；10，11-东西渣口中心线；12-炉壳拐点陶瓷杯结构及理论等温线分布图陶瓷杯结构及理论等温线分布图 n陶瓷杯技术：在炉底炭砖和炉缸炭砖的内缘砌筑一层高铝质杯状刚玉砌体层。陶瓷杯作用陶瓷杯作用：保温和保护碳砖。：保温和保护碳砖。碳砖的高导热性可以将陶瓷杯输入的热碳砖的高导热性可以将陶瓷杯输入的热量，很快传导出去量，很快传导出去 。陶瓷杯炉底炉缸结构的优越性陶瓷杯炉底炉缸结构的优越性 ：提高铁水温度；提高铁水温度；易于复风操作易于复风操作 ；防止铁水渗漏。防止铁水渗漏。 （5）热压小碳砖）热压小碳砖陶瓷杯技术陶瓷杯技术 1994年首钢年首钢1号高炉（号高炉（2536m3）引进）引进美国美国UCAR公司的热压碳砖和法国公司的热压碳砖