高炉设计的基础概念

文献综述高炉炉型概述高炉炉型的发展高炉是一种竖炉型的冶炼炉，它由炉体内耐火材料砌成的工作空间、炉体设备、炉体冷却设备、炉体钢结构等组成。高炉生产实践表明：合理的炉体结构，对高炉一代炉龄的高产、优质、低耗和长寿起到保证作用，由此可以看出高炉的炉型应该有炉型和炉龄两个方面阐述。近代高炉，由于鼓风机能力进一步提高，原料燃料处理更加精细，高炉炉型向着“大型横向”发展。对于炉型而言，从20世纪60年代开始，高炉逐步大型化，大型高炉的容积由当时的1000〜1500m3逐步发展到现在的4000〜5500m3。随着炉容的扩大，炉型的变化出现以下特征：高炉的HU/D即高径比缩小，大型高炉的比值已降到，1000m3级高炉降到，300m3级高炉也降到左右。和大小同步的还有高炉矮胖炉型发展，矮胖高炉的特征是炉子下部容积扩大，在适当的配合条件下利于增加产量，提高利用系数.但如矮胖得过分，易导致上部煤气利用差，使燃料比升高.此外，从全国节能要求出发，在高炉建设和炼铁生产经营管理中，应既抓产量，又抓消耗、质量和寿命的优秀实例进行总结推广，提倡全面贯彻“高产、优质、低耗、长寿，”八字方针。与盛高炉型相比，矮胖炉型的主要优点是：与炉料性能相适应，料柱阻力减小；风口增多，利于接受风量;高护更易顺行稳定。这些优点，给高炉带来了多产生铁，改进生铁质量，降低燃料消耗和延长寿命的综合效果。通过研究发现,当今用于炼铁的高炉炉喉直径均偏小，其炉喉直径与炉缸直径的比值均小于。通过研究发现，炉喉直径偏小影响炉身的间接还原效率，致使高炉能耗较高，影响高炉经济效益，因此，为了提高高炉炉身的间接还原效率，改善高炉产生技术指标和进行节能减排，特别推出一种扩大炉喉直径的新炉型高炉。采用的技术方案是：它包含炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五部分，其中炉缸在炉腹的下面，炉缸上面连接炉腹，炉腹上面连接炉腰，炉腰上面连接炉身，炉身上面连接炉喉；由上述5部分组成的高炉内型，5个部分的横截面均呈圆形，其中炉缸直径用d表示，炉腰直径用D表示，炉喉直径用d表示，炉喉直径d］与炉缸直径d之比在〜之间。从而炉型能够充分发挥炉身的间接还原作用，使高炉节约焦炭，降低消耗，减少二氧化碳排放，能够使钢铁企业降低生产成本。高炉炉龄及其影响因素实现高炉长寿是高炉生产的主要目标之一。高炉炉龄主要取决于炉缸、炉腹、炉腰、炉身各层冷却系统以及高炉本体结构的实际使用情况。较长的高炉炉龄，无疑在经济上是合理的。高炉长寿是从设计、施工、操作状况等诸多环节统一管理的一项系统工程。一代高炉寿命的长短，直接反映高炉技术装备、操作管理水平和经济效益。若将一代高炉寿命延长几年，其经济效益是显而易见的。在目前高产、低耗的生产条件下，实现长寿具有十分重要的意义。高炉操作炉型是否合理，炉衬的完好率及其及时维护，冷却设备及冷却制度的选择，炉壳结构的稳定性的监护等都是直接影响高炉一代寿命的因素。特别是整个高炉生产期的稳定顺行，积极维护和管理是实现高炉长寿的重要环节，必须给予高度重视。国内高炉炉缸、炉底自采用高导热率的碳质耐火材料和加强冷却以后，寿命显著延长，影响高炉一代寿命的薄弱环节现已转到炉身下部。因此，提高炉身下部的寿命，使之与炉缸、炉底寿命相适应，已成为当前迫切需要解决的课题.影响高炉炉体寿命的因素很多，而且互相制约，问题比较复杂，但在其他诸因素相同，尤其是在稳定操作的情况下，对于由耐火砖衬、冷却器、炉壳组成的现代高炉炉体来说，高炉冷却确实是决定炉体能否长寿的重要原因。高炉基础的概述高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相应。高炉炉型，高炉炉型指的是高炉工作空间的形状。现代高炉的炉型为五段式炉型，自上而下由以下五部分组成：炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸。在炉喉上部还有炉顶平台和炉顶钢圈。炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口。它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到控制炉料和煤气流分布为限。炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻力。炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。炉腰：高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系，比值以取上限为宜。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小的范围内变动范。炉腹：高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径至上而下逐渐减小，形成一定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于合适的位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为~。炉腹角一般为79°~82。；过大，不利于煤气分布；过小，则不利于炉料顺行。炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。炉缸高度的确定包括渣口的高度、风口高度的确定以及风口安装尺寸的确定。高炉炉型是炉体系统的基础，炉型的好坏不但关系到高炉是否高产稳产，也关系到高炉煤气利用的好坏和燃料比的大小，同时，也对高炉寿命的长短起着重要作用。高炉炉型应该根据炉容大小、矿石品种、品位、熟料率、球团率、焦炭质量以及内衬和冷却壁的形式等多种因素共同确定。一般而言，炉容越大、品位越高、熟料率越高、球团比越大、内衬越薄、炉型相对越矮胖，反之炉型越瘦长。在我国，随着各钢铁企业大力提高矿石品位、提高熟料率及球团比以及薄壁内衬的盛行，高炉有逐渐矮胖的趋势。炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到1400〜4600°C的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却。通常采用风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力。炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的。高炉和炉基的总重量常为高炉容积的10~18倍（吨）。炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于％~％。高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。炉基常做成圆形或多边形，以减少热应力的不均匀分布。炉基表面受热不均是基础产生裂缝和混凝土遭到破坏的主要原因。由于基础长期在高温作用下，不仅产生了相当大的内应力和变形，并改变了材料的物理学性能，使钢筋混凝土失去了它的承载能力。普通混凝土温度超过400C时，由于石灰的水化作用，混凝土即在空气中自行破坏。实践证明采用在炉底耐火层与炉基钢筋之间的素垫层内钻孔布设水放射状的双层冷却管，向内管注入冷水、经外管和内管之间的环状间隙流出并带出热量的循环水冷却方案，对降低高炉炉基及炉底温度并将其控制在一个确保高炉正常工作的允许温度范围、维持炉基安全并减缓炉底熔蚀、延长一代炉龄、节省巨额的高炉翻修费用切实可行，技术经济效果显著。炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机理也不同，因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火材料。炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此，在炉喉设置保护板（钢砖）。小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子形状；大高炉的炉喉护板则用100〜150mm厚的铸钢做成。炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。变径炉喉护板还起着调节炉料和煤气流分布的作用［24］。通过研究分析和考证涂层防腐是通过抑制金属表面上局部电池的电化学反应来实现的。控制阴极反应或增大阴阳极间的电阻，利用含钝化性料底漆，使铁表面钝化。涂漆的作用相当于增大了阴阳极的电阻，从而减小了腐蚀电流，达到了电阻大，腐蚀电流小，涂层保护性好的效果。一般的炉喉、炉身、炉腰、炉腹部分腐蚀较轻微，是因为高炉表面温度较高，实测平均温度70°C以上。炉壳、炉腰等部分表面始终保持干燥，不受含水潮湿空气的腐蚀，因此不具备碳钢在中性环境下发生电化学腐蚀。高炉技术指标（1） 高炉有效容积：高炉有效容积内包容的容积。（2） 高炉有效高度：指高炉零料线至出铁口中心线之间的垂直距离。（3） 高炉有效容积利用系数：高炉日产量与高炉有效容积之比。（4） 焦比：高炉冶炼每吨生铁所消耗的干小块焦炭量。计算式如下：小块焦比（kg/t）=入炉干小块焦炭量（kg）/生铁产量（t）（5） 燃料比：高炉冶炼每吨生铁所消耗的焦炭、煤粉、小块焦炭等燃料的总和（6） 炉腹煤气指数：高炉每分钟产生的炉腹煤气量与高炉炉缸面积之比。（7） 炉腹煤气效率：炉腹煤气效率用来作为高炉煤气使用效率的指标。炉腹煤气效率（t-min/（m3•d））二面积利用系数（炉腹煤气效率（t-min/（m3•d））二高炉炉衬的发展高炉各部分耐火材料的选择对于炉衬而言，现代技术的发展，大大地促进了我国高炉技术的进步，高炉炉衬的侵蚀是影响高炉长寿的关键因素之一，随着计算机硬件技术的进步和计算流体动力学的发展，利用数值模拟技术开展有关高炉炉衬侵蚀的研究已成为主要的研究方法，高炉一代寿命大大提高。这除了应归于高炉炉体结构参数趋于合理、操作参数的进一步优化外，还应归功于高炉炉衬耐火材料与施工技术的进步。而高炉各个部分的耐火材料的选择是不同的，粗略的有以下的几个方面分布：（1）炉身上部和中部炉身的上部主要受固体炉料的机械磨顺和高速煤气流的冲刷作用、碳素沉淀、碱金属和锌的腐蚀，同时受到温度变化的影响。一般选用机械强度好的、气孔率低和热稳定性能好的粘土砖或高铝砖。（2）炉身下部、炉腰和炉腹从炉身下部到炉腹的砖衬，既受到下降炉料和上升高温高压煤气的磨损，又受到高FeO和高碱度初渣的化学侵蚀，此外，还有碱金属和锌与CO的化学作用，造成砖衬疏松剥落；特别是因高温波动而引起的热冲击破损危害更大，例如在炉况失常、或开炉、或休风期时，由于煤气流分布失常，砖衬内温度场发生剧烈波动，导致砖衬内部产生裂纹。同时，裂纹内伴随有化学产物的膨胀，其结果必然导致内衬很快破损。这些部位应选用机械强度高、热稳定性好、导热性良好和抗化学侵蚀性能的耐火材料。（3） 炉缸部和炉底部炉缸部主要受高温液态渣铁的冲刷、渗透和碱金属熔蚀，故要求选用气孔率低、孔径小、导热性高、抗渣性和抗碱性好的耐火材料。目前，国内外高炉炉底炉缸采用的内衬结构型式大致分为两大类，一是全炭质材料炉底炉缸结构，二是炭质材料—陶瓷材料复合炉底炉缸结构。这两种结构的炉衬都能实现长寿目标，不同之处主要是砖的导热系数相差很大，陶瓷砖的导热系数是碳砖导热系数的1/40〜1/105，因而陶瓷杯复合炉衬具有良好的保温性能。炉缸外环一般采用微孔炭砖、超微孔炭砖、自焙碳砖；炉缸内环采用高铝砖、刚玉转。（4） 风口风口是炉内最高温度区域炉衬经常承受1800〜2000°C的高温作用，同时也受到渣铁的冲刷和碱金属的侵蚀。由于高温高压气体从此送入炉内，对炉衬的振动也很严重，因此要求此处砌体具有良好的稳定性。风口带一般采用大块的组合砖砌体，材质为高铝砖、硅线石砖、刚玉砖、碳化硅砖等。（5）铁口铁口附近的砖衬经常受到渣铁的冲刷和侵蚀，在开铁口和堵铁口时，承受开铁口机的冲击力和泥炮的巨大作用力，而使耐火砖松动造成煤气泄漏；当炉缸冻结或铁口打不开时，有使用氧气烧铁口。因此，在设计铁口砌体时，必须考虑耐渣铁侵蚀和砌体的稳定性和密封性、耐火材料的抗剥落性和抗氧化性能。一般采用大块的组合砖砌体。材质为高铝砖、刚玉砖、碳化硅砖和铝—碳—碳化硅砖等。我国最新对耐火材料的选择我国大中型高炉的炉缸炉底自50年代末采用碳砖综合炉底以来，在相当一段时期内，其寿命都在10年以上。但随着高炉冶炼强度的不断提高，炉缸寿命依然存在这问题。炉缸炉底上传而导致高炉停炉的现象在国内屡见不鲜。如邯钢1260m，高炉，1992年7月投产，1995年4月炉缸烧穿。我们就国内目前高炉炉衬耐火材料的应用情况，优选了三套比较有代表性的方案。其中，方案一选择了高导热石墨炭和半石墨化烧成炭砖砌筑炉底：炉缸采用高导热的微孔炭砖；并采用陶瓷杯技术；炉腹、炉腰、炉身下部选用Si3叫结合SiC砖。这种结构选择的材料等级较高，造价较贵。方案二以国产烧炭块代替方案一中的烧成炭砖，并以国内自行研制的与Si3N4结合SiC砖性能接近，而价格便宜得多的铝碳砖部分代替Si3叫结合SiC砖，以达到降低造价的目的。方案三采用了与方案二相同的炉底结构，但在炉腹、炉腰、炉身下部直至中部大量采用烧成铝碳砖代替Si3叫结合SiC砖，进一步降低高炉造价。综合的说其发展途径为：高炉碳砖应开发超微孔碳砖，主要是提高热导率达到20W/m・K以上。降低平均孔径达到＜、＜1um孔容积达到＞85%，透气度达到0m。还要提高抗氧化性和抗铁水溶蚀性。这样的碳砖将可以完全防止铁水和有害气体的渗透侵蚀。高炉用的半石墨碳砖主要是提咼热导率达到20w/m•K以上，还要提咼抗氧化性和抗铁水溶蚀性。高炉的冷却设备高炉冷却的必要性在高炉炼铁界，为了提高炼铁综合经济效益，国内外炼铁工作者都把延长高炉寿命作为一个非常重要的课题进行研究，高炉寿命与炉体冷却结构，生产操作有着非常密切的关系，高炉后期的修补等技术也起到了重要的作用。高炉炉体冷却结构是高炉长寿的最重要的基础条件，各国对高炉炉体冷却结构作了很多调查及研究工作，以尽量提高高炉一代炉役寿命。所以继炉衬以后另一个高炉的重要体系不得不被提起那就是高炉的冷却系统。进入21世纪以来,随着国民经济的迅速增长，基础建设的步伐也在不断加快，同时带动了钢铁产业的飞速发展。全国各地的炼铁高炉如雨后春笋蓬勃发展，增长势头十分强劲。说到炼铁高炉众所周知，对于一座高炉来说成熟高效的冶炼技术固然重要，但是如果没有理想的炉体冷却系统与之配套,炉体将会在很短的时间内受到损坏，从而导致高炉一代炉龄时间缩短，使高炉的大修时间提前，加大基建投资成本,直接影响钢铁企业的经济效益。很显然这样的后果大家都不愿看到，所以对一座高炉来说选择一种行之有效的高炉冷却方式就显得非常必要。高炉冷却的目的高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150°C等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件。高炉常用的冷却介质有:水、风、汽水混合物。根据高炉各部位工作条件，炉缸、炉底的冷却目的主要是使铁水凝固的1150C等温面远离高炉壳，防止炉底、炉缸被渣铁水烧漏。而炉身冷却的目的是为了保持合理的操作炉型和保护炉壳。高炉冷却的方式冷却系统包括：（1）对质量要求低水；（2）设备简单；（3）较低的资本成本；（4）低流量和直接用于冷却水压力。冷却的方式就目前而言国内高炉采用的冷却方式有三种：工业水开路循环冷却系统；汽化冷却系统；软水密闭循环冷却系统冷却原理如下：冷却水通过被冷却的部件空腔，并从其表面将热量带走，从而使冷却水的自身温度提高。工业水开路循环冷却工作原理：由动力泵站将凉水池中的水输送到冷却设备后，自然流回凉水池或冷却塔，把从冷却设备中带出的热量散发于大气。系统压力由水泵供水能力大小控制。自然循环汽化冷却工作原理：利用下降管中的水和上升管中的汽水混合物的比重不同所形成的压头，克服整个循环过程中的阻力，从而产生连续循环，汽化吸热而达到冷却目的。软水密闭循环冷却工作原理：它是一个完全封闭的系统，用软水(采用低压锅炉软水即可)作为冷却介质，其工作温度50〜60°C(实践经验40〜45°C)由循环泵带动循环，以冷却设备中带出来的热量经过热交换器散发于大气。系统中设有膨胀罐，目的在于吸收水在密闭系统中由于温度升高而引起的膨胀。系统工作压力由膨胀罐内的n2压力控制，使得冷却介质具有较大的热度而控制水在冷却设备中的汽化。高炉钢结构以及高炉基础的概述高炉的钢结构以及影响因素设计高炉本体钢结构，主要是解决炉顶载荷、炉身载荷传递到炉基的方式方法，并且要解决炉壳密封等。多年实践的结果，目前高炉本体钢结构主要有以下几种形式。大框架和炉缸支柱式：炉顶载荷由四根支柱组成的炉体框架传至基础；炉身载荷由炉腰托圈、炉缸支柱传至基础。炉顶法兰与炉顶平台刚性连接，载荷由炉体框架传递，炉喉处设膨胀缝缓冲炉顶和炉身之间热的和机械的变形量。这种结构的特点是炉壳不承受载荷，工作可靠，但高炉风口平台拥剂，操作不方便。这种结构适用于小型高炉。炉缸支柱式：炉顶载荷由炉身炉壳传至炉腰托圈和炉缸支柱再传至基础。其特点是节省钢材，但大修时更换炉壳不方便，冶炼中应注意炉身部分冷却，特别是炉龄后期，短时间停水也会造成重大事故；风口平台拥挤，炉前操作不方便。我国中小型高炉曾采用这种结构。炉缸、炉身支柱式：炉顶装料设备和煤气导出管、上升管载荷由炉身炉壳传递至炉腰托圈；炉顶框架，大小钟载荷由炉身支柱传递至炉腰托圈；所有载荷通过炉腰托圈传递至炉缸支柱再至基础。煤气上升管和炉顶平台分别装设有座圈和托座，大修更换炉壳时炉顶煤气导出管和装料设备等载荷可作用在平台上。炉体框架式：炉顶框架、大小钟载荷、作用在炉体框架上，传递至基础；装料设备和煤气上升管等载荷，由炉壳传递至基础。煤气上升管和炉顶平台亦装有座圈和托座。由于取消了炉缸支柱，风口平台宽敞，炉前操作方便。目前大型高炉多采用这种结构。（5）自主式：全部载荷由炉壳承受并传递至基础。结构简单，操作方便，耗钢材少。设计时应尽量减少炉壳折点，制造时折点要平缓过渡，其他结构应不约束炉壳受热膨胀，减少热应力；冶炼时加强炉壳冷却。我国中小型高炉曾采用这种结构。高炉设备大多数处于腐蚀介质环境中，一些设备和钢结构处于80〜200°C高温环境，有较强的腐蚀作用，是钢铁厂腐蚀严重的区域。因此，加强高炉设备及钢结构的防腐蚀措施，是相当重要的。高炉：炼铁一般是在高炉里连续进行的。高炉又叫鼓风炉，这是因为要把热空气吹入炉中使原料不断加热而得名的。这些原料是铁矿石、石灰石及焦炭。因为碳比铁的性质活泼，所以它能从铁矿石中把氧夺走，而把金属铁留下。高炉结构荷载认识的深入高炉综合体结构承受多种作用，荷载相当复杂，但不外乎两类：一类决定结构强度，另一类与结构耐久性相关。正是结构强度和耐久性综合决定了高炉结构的寿命。（1） 煤气压力、炉衬和冷却系统的热膨胀（力）、炉料和铁水压力，决定了正常操作条件下炉壳的结构强度。（2） 炉内高温的周期作用或突然作用，能使结构产生热疲劳或冲击应力，降低钢材塑性并导致脆性破坏。服役后期，内衬及冷却器的损伤，可导致局部过热或大面积烧红，将产生很大热应力，加速炉壳开裂、美国内陆公司证明，沿炉壳厚度的温度梯度是大应力的主要原因，当最大热应力超过屈服应力，炉壳就会开裂。（3） 低周疲劳是影响高炉寿命的主要因素。据前苏联对高炉实际工作状态的研究，炉壳是在不同循环特征和不同变化幅度的周期荷载作用下工作的，炉壳10年中荷载变化的循环次数为2x104,荷载不对称系数〜。在这种周期荷载作用下，炉壳的应力集中区和焊缝缺陷处出现局部塑性变形，从而产生低周疲劳破坏。所以，高炉结构的最终寿命，就是正常条件下的结构强度，抵御低周疲劳脆断的时限。大量的实验、分析、实践证实炉壳损坏有两种原因：一是由于疲劳，特别是局部过热引起的疲劳损伤；另一种是突然的脆性断裂。因此，炉壳设计的应力控制标准应以断裂韧性和疲劳强度为据。我国高炉钢结构设计的基本现状高炉就目前已投产的，划分为五种类型（1）带炉身支柱、托圈和炉缸支柱的（2）设在塔式大框架内的自立式高炉（3）全自立式高炉（4）带托圈和炉缸支柱的（5）其它类型高炉我国高炉钢结构设计技术的水平很不平衡，大致分为3个层次：（1）北京钢铁设计研究总院、重庆钢铁设计研究院是我国高炉结构设计进入电算阶段的代表，示我国相关技术