高炉炼铁设计计算

第三篇

高炉炼铁设计计算

第一章高炉炼铁设计概述

第一章高炉炼铁设计概述

第一节高炉炼铁生产工艺流程

高炉炼铁是用还原剂(焦炭、煤等)在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的

过程。其生产工艺流程如图3-1-1所示。

高炉本体是冷炼生铁的主体设备，它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体，最外

层是由钢板制成的炉壳，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。

要完成高炉炼铁生产，除高炉本体外，还必须有其它附属系统的配合，它们是：

(1)供料系统:包括贮矿槽、贮焦槽、称量与筛分等一系列设备，主要任务是及时、准

确、稳定地将合格原料送入高炉。

(2)送风系统:包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，主要任务是连续可靠地

供给高炉冶炼所需热风。

(3)煤气除尘系统:包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，主要任务

是回收高炉煤气，使其含尘量降至lOmg/m3以下，以满足用户对煤气质量的要求。

(4)渣铁处理系统:包括出铁场、开铁口机、堵渣口机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣

设备等，主要任务是及时处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉生产正常进行。

(5)喷吹燃料系统:包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷吹等系统，主

要任务是均匀稳定地向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。

251

第三篇高炉炼铁设计计算

I鼓风机］

至热风炉.

高炉,环管

I原料役备II高炉本体I

2用9gBggg_j/17

0~r

图3-1-1高炉炼铁生产工艺流程

1一矿石输送皮带机;2—称量漏斗：3一贮矿槽：4—焦炭输送皮带机:5—给料机；

6一粉焦输送皮带机;7一粉焦仓;8一贮焦槽;9-电除尘器；10-调节阀；11—文氏管除尘器;

12一净煤气放散管；13一下降管；14一重力除尘器；15—上料皮带机；16—焦炭称量漏斗；

17—矿Ti称量漏斗；18—冷风管；19—烟道;2()~蓄热室;21—热风主管；22—燃烧室；

23一煤气主管;24—混风管;25—烟囱

第二节高炉生产主要技术经济指标

衡量高炉炼铁生产技术水平和经济效果的技术经济指标，主要有：

(1)高炉有效容积利用系数(外)。高炉有效容积利用系数是指每昼夜、每1m，高炉

有效容积的生铁产量，即高炉每昼夜的生铁产量P与高炉有效容积V(i之比：

（3-1-1）

力是高炉冶炼的一个重要指标，力愈大，高炉生产率愈高。目前，一般大型高炉超

过2.0t/(m，d),一些先进高炉可达到2.2~2.3t/(nJd)«小型高炉的人更高，100~

300m3高炉的利用系数为2.8~32/(n/d)»

第一章高炉炼铁设计概述

（2）焦比（K）。焦比是指冶炼每吨生铁消耗的焦炭量，即每昼夜焦炭消耗量Qx与每

昼夜生铁产量。之比：

K=窄（3-1-2）

焦炭消耗量约占生铁成本的30%~40%,欲降低生铁成本必须力求降低焦比。焦比

大小与冶炼条件密切相关，一般情况下焦比为450~500kg/i,喷吹煤粉可以有效地降低

焦比。

（3）煤比（丫）。冶炼每吨生铁消耗的煤粉量称为煤比。当每昼夜煤粉的消耗量为

。、时，则：

Y=窄（3-1-3）

喷吹其它辅助燃料时的计算方法类同，但气体燃料应以体积（mD计量。

单位质量的煤粉所代替的焦炭的质量称为煤焦置换比，它表示煤粉利用率的高低。

一般煤粉的置换比为0.7~0.9。

（4）冷炼强度（/）。治炼强度是每昼夜、每1m，高炉有效容积燃烧的焦炭量，即高炉

一昼夜焦炭消耗量QK与有效容积I/4的比值：

［二心（3-1-4）

冶炼强度表示高炉的作业强度,它与鼓入高炉的风量成正比，在焦比不变的情况下，

冶炼强度越高,高炉产量越大，当前国内外大型高炉一般为1.05左右。

（5）生铁合格率。化学成分符合国家标准的生铁称为合格生铁，合格生铁占总产生

铁量的百分数为生铁合格率。它是衡量产品质量的指标。

（6）生铁成本。生产1+格生铁所消耗的所有原料、燃料、材料、水电、人工等一切费

用的总和，单位为元/t。

（7）休风率。休风率是指高炉休风时间占高炉规定作业时间的百分数。休风率反映

高炉设备维护的水平，先进高炉休风率小于1%。实践证明，休风率降低1%,产量可提

高2%。

（8）高炉一代寿命。高炉一代寿命是从点火开炉到停炉大修之间的冶炼时间，或是

指高炉相邻两次大修之间的冶炼时间。大型高炉一代寿命为10~15年。

判断高炉一代寿命结束的准则主要是高炉生产的经济性和安全性。如果高炉的破损

程度已使生产陷入效率低、质量差、成本高、故障多、安全差的境地，就应考虑停炉大修或改

建。衡量高炉炉龄的指标有两条，一是高炉的炉龄，二是一代炉龄内单位容积的产铁量。

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第三篇高炉炼铁设计计算

第三节高炉炼铁设计的基本原则

一、高炉炼铁设计应遵循的基本原则

高炉炼铁设计应该保证新建的高炉车间工艺布置合理、技术经济指标先进、设备有

较高的机械化、自动化水平，有安全和尽可能舒适的劳动条件，有可靠而稳定的环境保护

措施。高炉炼铁设计应遵循的基本原则有：

(1)合法性。设计原则和设计方案的确定，应当符合国家工业建设的方针和政策。

(2)客观性。设计所选用的指标和技术方案应以客观的数据为依据，做出的设计经

得起全面的客观的评审，保证所采用的方案有坚实的基础，并且能成功地付诸实践。

(3)先进性。设计应反映出最近在该领域里的成就,并应考虑到发展趋势。

(4)经济性。在厂址、产品、工艺流程等多方案的比较中，选择最经济的方案，使得单

位产品投资最低、成本最低、经济效益最佳。

(5)综合性。在设计过程中，各部分的设计方案要互相联系，局部方案应与总体方案

相致，各专业的设计应服从工艺部分。

(6)发展远景。要考虑车间将来发展的可能性，适当保留车间发展所需的土地、交通

线和服务设施。

(7)安全和环保。保证各领域和工作岗位都能安全生产，不受污染，力争做到“场外

看不到烟，场内听不到声”,排出的废水、废气应达到国家环保法的要求。

(8)标准化。在设计中尽可能采用各种标准设计，这样可减小设计工作量和缩短建

设周期。

(9)美学原则。车间和工作环境具有良好的布局和较好的劳动条件。在厂内应具有

排列美观、色彩明快、安全宜人的环境，以减少疲乏和提高劳动生产率。

二、钢铁厂的组成

钢铁厂•般包括炼铁、炼钢、轧钢3个车间，如果再加上矿石准备车间和焦化车间，

这个工厂就称为钢铁联合企业。只有炼钢和轧钢车间组成的工厂叫做钢铁加工厂。

钢铁联合企业是一个完整生产过程的组合体，在经济上是最合理的，可以保证较低

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第一章高炉炼铁设计概述

的产品成本,在技术上可以合理利用资源、能源及本企业的各种副产品。因此，一般大型

企业都建成钢铁联合企业。它与不完整的冶金工厂和加工厂比较，具有以下优点：

(1)运输费用低廉。如炼钢或轧钢所需要的原材料均由本厂直接供应,这样可节省

大量运输费用。

(2)在生产中可以采用热装，因而可以节约燃料、提高产量。

(3)能充分利用本企业的副产品。如将高炉煤气、焦炉煤气或焦油供给本企业其它

熔炼炉或加热炉作为燃料。

(4)联合企业设有许多辅助设施，如发电站、水站及各种加工厂等，这样可以充分保

证本企业生产的正常进行，不致受外界因素的影响。

第四节高炉炼铁设计程序和内容

高炉炼铁设计的基本程序是有强约束作用的法定程序。一般要经过以下几个阶段：

提出项目建议书及设计任务书;进行项目可行性研究；审批可行性研究报告；进行初步设

计;审批初步设计;进行施工图设计;施工建设;竣工验收;交付使用。

建设项目一经决策，并确定建设地点后，即由建设单位委托有资格的设计部门进行

设计。设计的根据是经过批准的设计任务书。

设计工作分3个阶段进行，依次为可行性研究、初步设计和施工图设计。设计的不

同阶段有不同的要求。

可行性研究的主要内容应包括:设计的指导思想;建设规模;产品方案;总体布置;项

目构成;工艺流程；占地面积和土地利用情况;工程投资概算等。

初步设计的内容要比可行性研究报告的内容更详细，更具体，除包涵可研内容外，还

应包括主要设备选型和设备数量，公用设施和辅助设施，占地面积和土地利用情况，生产

组织和劳动定员，工艺布置图，主要建筑材料用量，环境保护措施及消防设施，工程投资

预算及设备回收期等等。

初步设计批准后才能做施工图设计。施工图设计就是要绘制出建设施工所必需的

一切图纸和文件，包括工艺布置、建筑物、设备制造、安装、试车等所必需的所有施工图纸

和施工说明，各种钢材用量、原材料消耗等等。

在施工过程中，发现设计错误应由设计单位及时修改,修改后给施工单位发变更通

255

第三篇高炉炼铁设计计算

知单，然后按照变更内容进行施工。

第五节高炉炼铁厂的厂址选择

确定厂址要做多方案比较，选择最佳者。厂址选择的合理与否，不仅影响建设速度

和投资，也影响到投产后的产品成本和经济效益，必须十分慎重。厂址选择应考虑以下

因素：

（1）要考虑工业布局，有利于经济协作；

（2）合理利用地形设计工艺流程，简化工艺，减少运输量，节省投资；

（3）尽可能接近原料产地及消费地点，以减小原料及产品的运输费用；

（4）地质条件要好，地层下不能有有开采价值的矿物，也不能是已开采区；

（5）水电资源要丰富，高炉车间要求供水、供电不得间断，供电要双电源；

（6）尽量少占良田：

（7）厂址要位于居民区主导风向的下风向或侧风向。

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第二章高炉炼铁车间设计

第二章高炉炼铁车间设计

在钢铁联合企业中，高炉炼铁车间占有重要地位。在总平面布置中，高炉炼铁车间

位置应靠近原、燃料供应车间和成品生铁使用车间，务必使物料流程短捷合理。

第一节高炉座数及容积的确定

高炉炼铁车间建设高炉的座数，既要考虑尽量增大高炉容积，又要考虑企业的煤气

平衡和生铁量的均衡，所以一般根据车间规模，由两座或三座高炉组成为宜。

-、生铁产量的确定

设计任务书中规定的生铁年产量是确定高炉车间年产量的依据。

如果任务书给出多种品种生铁的年产量如制钢铁与铸造铁，则应换算成同一品种的

生铁。一般是将铸造铁乘以换算系数，换算为同一品种的制钢铁，求出总产量。折算系

数与铸造铁的硅含量有关,详见表3-2-1。

表3-2-1折算系数与铸造铁含硅量的关系

铸铁代号Z15Z20Z25Z3OZ35

Si/%1.25-1.751.75-2.252.25-2.752.75-3.253.25-3.75

折算系数1.051.101.151.201.25

如果任务书给出钢锭产量，则需要做出金属平衡，确定生铁年产量。首先算出钢液

消耗量，这时要考虑浇注方法、喷溅损失和短锭损失等，一般单位钢锭的钢液消耗系数为

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第三篇高炉炼铁设计计算

1.()1()~1.02()。再由钢液消耗量确定生铁年产量。吨钢的铁水消耗取决于炼钢方法、炼

钢炉容大小、废钢消耗等因素,一般为1.050~1.10t,技术水平较高，炉容较大的选低值;

反之，取高值。

二、高炉炼铁车间总容积的确定

计算得到的高炉炼铁车间生铁年产量除以年工作日，即得出高炉炼铁车间日产量

(t),即：

高炉炼铁车间日产量=

斗jy」一1xF口

高炉年工作日一般取日历时间的95%。

根据高炉炼铁车间日产量和高炉有效容积利用系数可以计算出高炉炼铁车间总容

积(lx?):

高炉炼铁车间总容积二高炉有用系数

高炉有效容积利用系数一般直接选定。大高炉选低值，小高炉选高值。利用系数的

选择应该既先进又留有余地，保证投产后短时间内达到设计产量。如果选择过高则达不

到预定的生产量，选择过低则使生产能力得不到发挥。

三、高炉库数的确定

高炉炼铁车间的总容积确定之后就可以确定高炉座数和•座高炉的容积。设计时，

一个车间的高炉容积最好相同。这样有利于生产管理和设备管理。

高炉座数要从两方面考虑，•方面从投资、生产效率、管理等方面考虑，数目越少越

好;另一方面从铁水供应、高炉煤气供应的角度考虑，则希望数目多些。确定高炉座数的

原则应保证在1座高炉停产时，铁水和煤气的供应不致间断。过去钢铁联合企业中高炉

数目较多，如鞍钢10座以上。近年来随着管理水平的提高，新建企业一般只有2~3座

高炉，如宝钢现有3座高炉。

第二节高炉炼铁车间平面布置

高炉炼铁车间平面布置的合理性，关系到相邻车间和公用设施是否合理，也关系到

原料和产品的运输能否正常连续进行，设施的共用性及运输线、管网线的长短，对产品成

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第二章高炉炼铁车间设计

本及单位产品投资有一定影响。因此规划车间平面布置时一定要考虑周到。

一、高炉炼铁车间平面布置应遵循的原则

合理的平面布置应符合下列原则：

（1）在工艺合理、操作安全、满足生产的条件下，应尽量紧凑，并合理地共用一些设备

与建筑物，以求少占土地和缩短运输线、管网线的距离。

（2）有足够的运输能力，保证原料及时入厂和产品（副产品）及时运出。

（3）车间内部铁路、道路布置要畅通。

（4）要考虑扩建的可能性，在可能条件下留一座高炉的位置。在高炉大修、扩建时施

工安装作业及材料设备堆放等不得影响其它高炉正常生产。

二、高炉炼铁车间平面布置形式

高炉炼铁车间平面布置形式根据铁路线的布置可分为以下4种：

（一）一列式布置

一列式高炉平面布置如图3-2-1所示,其主要特点是：高炉与热风炉在同一列线,

出铁场也布置在高炉列线上成为一列，并且与车间铁路线平行。这种布置可以共用出铁

场和炉前起重机，共用热风炉值班室和烟囱，节省投资：热风炉距高炉近，热损失少。但

是运输能力低，在高炉数目多，产量高时，运输不方便，特别是在一座高炉检修时车间调

度复杂。

图3-2-1一列式高炉平面布置图

1一高炉;2一热风炉;3—重力除尘器;4一出铁场;5—高炉计器室：6—休息室;7—水渣沟；

8一卷扬机室:9一热风炉计器室：10-烟囱；11一贮矿槽：12一贮焦槽：13—铁水罐车停放线

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第三篇高炉炼铁设计计算

（二）并列式布置

并列式高炉平面布置如图3-2-2所示,其主要特点是：高炉与热风炉分设于两条

列线上，出铁场布置在高炉列线，车间铁路线与高炉列线平行。这种布置可以共用一些

设备和建筑物，节省投资；高炉间距离近。但是热风炉距高炉远，热损失大，并且热风炉

靠近重力除尘器，劳动条件不好。

图3-2-2并列式高炉平面布置图

1—高炉：2一热风炉;3—重力除尘器;4—出铁场：5—高炉计器室;6—休息室；

7—水渣池;8-卷扬机室;9-热风炉计器室；10—烟囱；11一铁水罐车停放线；12—洗涤塔

（三）岛式布置

岛式高炉平面布置如图3-2-3所示，每座高炉和它的热风炉、出铁场、铁水罐车停

放线等组成一个独立的体系，并且铁水罐车停放线与车间两侧的调度线成一定的交角，

角度一般为岛式布置的铁路线为贯通式，空铁水罐车从一端进入炉旁，装满

铁水的铁水罐车从另一端驶出，运输量大，并且设有专用辅助材料运输线。但是高炉间

距大，管线长;设备不能共用，投资高。

现代高炉炼铁车间的特点是高炉数目少，容积大。为了适应这种大型高炉的需要,

岛式布置又有了新的发展如图3-2-4所示。这种布置采用皮带机上料、圆形出铁场,

高炉两侧各有两条铁水罐车停放线，配用大型混铁炉式铁水罐车和摆动流嘴。在炉子两

侧还各有一套炉前水冲渣设施,水渣外运用皮带机。前苏联新里别斯克的3200m'高炉

和我国武钢4号高炉的布置均与此相似。

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第二章高炉炼铁车间设计

图3-2-3岛式高炉平面布置图

1一高炉及出铁场;2—贮焦槽;3—贮矿槽;4一上料皮带机;5-热风炉;6—重力除尘器;

7一文氏管:8—干渣坑:9一计器室：10-循环水设施：11一浓缩池；12一出铁场除尘设施:

13—煤气罐；14一修理中心；15—修理场：16一总值班室

图3-2-4圆形出铁场的高炉平面布置图

1、11-铁水罐车走行线;2、13—铁水罐车停放线:3一炉前水冲渣设施;4一高炉计器室:

5一热风炉;6—烟囱；7-热风炉风机站；8-圆形出铁场;9-煤气除尘设备；

10—干式除尘设备；12—清灰铁路线：14—上料皮带机；15一炉渣粒化用压缩空气站；

16一运出水渣皮带机；17—辅助材料运输线；18一上炉台的公路；19-矿槽栈桥

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第三篇高炉炼铁设计计算

（四）半岛式布置

半岛式布置是岛式布置与并列式布置的过渡，高炉和热风炉列线与车间调度线间的

交角增大到45。,因此高炉距离近，并且在高炉两侧各有三条独立的有尽头的铁水罐车停

放线，和一条辅助材料运输线，如图3-2-5所示。出铁场和铁水罐车停放线垂直，缩短

了出铁场长度，设有摆动流嘴，出一次铁可放置多个铁水罐车，近年来新建的大型高炉多

采用这种布置形式。

图3-2-5半岛式高炉平面布置示意图

1一高炉;2-热风炉;3—除尘器;4一净煤气管道;5—高炉计器室;6—铁水罐车停放线；

7一干渣坑：8-水淬电器室:9一水淬设备；10—沉淀室：11一炉前除尘器；12—脱水机室;

13一炉底循环水槽；14-原料除尘器；15一贮焦槽；16-贮矿槽；17—备品库；

18一机修间；19一碾泥机室;20—厂部;21一生活区;22—公路;23—水站

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第三章高炉炉型设计计算

第三章高炉炉型设计计算

第一节高炉炉型的一般概念

在高炉的垂直剖面上，由耐火炉衬所限定的工作空间的形状称作炉型。由于高炉一

开炉炉衬就受到高温的烧蚀，所以炉型不是固定的。

因此应区别设计（计算）炉型与工作炉型。稳定的工作炉型是与生产条件及炉子结

构特点有关,其中包括冷却系统。工作炉型系指高炉工作时空间的形状，它与炉身炉衬

设计厚度有区别。但这并不排除设计炉型对高炉行程及其操作技术经济指标的影响。

设计炉型愈合理，煤气的化学能及物理能利用愈佳，炉况更顺行，炉衬烧蚀均匀，工作炉

型与设计炉型主要尺寸的比例关系更趋稳定。而当炉衬不均匀烧蚀时，即炉型改变时，

高炉生产率降低，焦炭消耗增加。因此，重要的是不仅要寻找最佳的设计炉型，还要在生

产过程中经常监视炉型的“洁净程度”，达到相对均匀的烧蚀。

这些条件的合理配合，可得到所谓合理炉型，开炉后能够迅速达到设计指标，并在该

炉具体生产条件下获得更高的生产率。

第二节高炉剖面主要尺寸及其组成部分

高炉炉型（图3-3-1）分为若干组成部分。炉缸（高炉下部圆筒型部分）自身又分为

上部和下部（或者相应的风口区及金属熔池）。金属熔池底部称为炉底。低于出铁口底

263

第三篇高炉炼铁设计计算

板的金属熔池部分称为“底坑”或'死铁"层（高h）。这个区域总是充满着液态冶炼产物,

并保护炉底免受炉缸发生的各种过程的作用。死铁层高度h不包括在炉缸高度加

之内。

大料斗下沿

大佛开放时

前ix平面

出铁口水平面

图3-3-1高炉炉型

H一全高；仇一有效高；儿一炉缸高度；儿一炉腹高度：％一炉腰高度；

以一炉身高度；一炉缸直径；。一炉腰直径；心一炉喉直径：

a一炉身倾斜角;f一炉腹倾斜角

在炉缸与炉腰之间为炉腹。它是一个截锥,锥底宽扩的一面朝向炉腰。

炉腰以上为炉身，也是一个截锥形，不过锥底小的一面朝上与圆筒型的炉喉相接。

炉型主要尺寸是指高炉的有效高及全高、各段的高度（炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉）

及其直径。上述主要尺寸决定了高炉工作空间，即所谓有效容积（%），它等于从出铁口

中心线到大钟下沿（或者装料设备的最低位置）之间的炉子体积。从大钟下沿（开启后的

——译者注）到铁口中心线的高度称为有效高度（〃°）。

料线（炉料装入水平）应保持在大钟下沿或溜槽下沿下面1.0~1.5m处。

与有效高度不同，高炉全高是指由出铁口中心线到炉喉保护环圈上沿的距离（保护

环圈上支撑着装料设备）。高炉全高与有效高之差取决于装料设备的高度。

有效高与炉腰直径之比（〃。/0）、炉喉直径与炉腰直径之比（&/0）以及炉腰直径与

炉缸直径之比（。/dr）决定着炉子的形状，其中炉身倾斜角（a）和炉腹角也对炉型有影

响。炉喉炉墙与大钟下沿或布料溜槽（开启的位置或倾斜的位置）之间的距离叫做炉喉

间隙,它是由A.H.拉姆和H.K.列奥尼德的经验公式确定的。

S=0.1或+0.2

264

第三章高炉炉型设计计算

式中心—炉喉直径。

如果已知人及r/Clm2炉喉间隙的面积所燃烧的燃料量），则可以确定d0（大钟直

径）：

d°履-0.785g

式中Q——高炉每日燃烧的燃料量，即焦炭冶炼强度;

0.785=x/4

第三节高炉炉型的演变

高炉炉型演变的历史是从14世纪开始的，当时的工作腔类似于两个截锥，其较长的

底边相接（见图3-3-2）o15世纪的第一批高炉与这种炉型差不多，但要高一些（由4.5

到6.5m）,炉腰直径2~3m,炉缸直径0.7-0.8m。

图3-3-2早期高炉炉型

随着炉衬被烧蚀,扩大了工作腔，煤气利用得到改善，因而炉子生产率提高了，燃料

消耗下降。当时炉型的变化主要表现在加大炉子中部的横向尺寸上。

由于鼓风手段薄弱，缺乏热风，当时唯一的燃料木炭强度又低，限制了炉子往高向发

展。另外，由于缺乏机械化装料设备及冶炼产物的装运设备（全部均由人工进行），炉喉

及炉腰直径的扩大也受到限制。

提高炉缸温度曾被认为是不希望的，这是因为担心生铁含硅量过高，以后，出现了增

加鼓风量及其温度的可能性，此时由于炉子断面烧蚀扩大，煤气分布及热交换获得改善,

265

第三篇高炉炼铁设计计算

煤气的利用也改善了。

到19世纪中叶，炉子体积主要由于炉腰直径增加而扩大，但生产率仍然很低，每日

不超过1.6to

此时期德国的费克尔哈根工厂的高炉（图3-3-3）具有代表性（1838年）。从这种

炉型很清楚地看出其生产力低下的原因。即炉缸直径与炉喉直径特别是与炉腰直径很

不协调，煤气利用很差，煤气优先经过炉子中心部分，而对炉子边沿部分的炉料加工不

足。炉型的主要尺寸比例：//。=1.5；=13.2；源/。=0.361。炉缸狭小是炉子

单位容积产铁低的原因。随着炉衬被烧损，炉容不断扩大，有可能鼓入更多的风量。对

19世纪初期的炉子，D/dr之比降到了3~5，而&/O=0.25~0.6,同时显著增大了炉身

倾角及炉腹倾角，分别为80~86。及55~65°=

图3-3-3德国费克尔哈根工厂28m'使用木炭的高炉炉型

这类炉子出现在19世纪40年代初期的德国和法国冶金工厂，它显著区别于费克尔

哈根工厂的炉子（较小的横向尺寸与较大的高度，当时用木炭所允许的最大高度）。

在俄国的乌拉尔，与西欧炉子的主要区别不仅在于有效容积大（约3.0~3.5倍），而

炉子各主要尺寸比例有很大差别。炉腰直径与炉缸直径之比较小，而炉喉直径与炉腰直

径之比较大（0.75）,这是在它们与各自的全高的比例相同的情况下作上述比较的。例

如，在1740年，即费克尔哈根工厂高炉建立之前100年，在乌拉尔涅维扬斯克工厂就建

立了高12.8m的炉子（图3-3-4）。其尺寸大约比德国莱茵工厂的炉子大25%,而有效

容积是法国克列尔瓦尔厂的炉子的3.5倍（图3-3-5、3-3-6）。

与莱茵工厂炉子相比，涅维扬斯克工厂的炉子的炉缸上部尺寸加大了，与炉腹相接

处有较大的截面，炉腹较陡。涅维扬斯克工厂的炉子是世界上用木炭冶炼的最高的炉

子，依靠其自身的尺寸及炉型，该炉长时期保持了生产率领先的地位。1743年,马荷

金在世界上首先于该炉子上应用了两个风口送风。

1765年，由H.波祖诺夫发明的带有圆筒型风箱的蒸汽机被乌拉尔下塔吉尔工厂应

用，由此得以增加炉子的高度，避免了西欧炉子不合理的炉型。

266

第三章高炉炉型设计计算

图3-3-4涅维扬斯克工厂有效容积为72m,的炉子炉型

（乌拉尔，1740年）

图3-3-5德国莱茵工厂使用木炭的高炉炉型

（19世纪40年代初，有效容积32.3m3日生铁产量4t）

267

第三篇高炉炼铁设计计算

图3-3-6法国克列尔瓦尔工厂使用木炭的高炉炉型

（有效容积21.9m3,日产再制生铁3t）

乌拉尔的炉子具有当时世界上先进的技术经济指标，超过了当时英国最好的焦炭高

炉的生产率。这是因为在1740年，英国虽然首先采用了焦炭，但在相当长时期内仍在原

来的木炭炉子内冶炼。由于当时鼓风量不足，所以扩大炉子尺寸的工作进展缓慢。直到

1776年出现了瓦特蒸汽机时，扩大炉容在英国才得以实现。1839年，英国冶金学家G.

吉本斯在其著作《有关斯特拉伏尔德什拉高炉结构的实际记载》中提出了有关高炉炉型

的计算法,注意到炉子耐火衬的特性及其损耗，当时他指出了不合理的设计炉型，在使用

过程的初期就要发生很大的变化。

按照他的意见，炉子内部工作空间的形状，设计时就应该定为开炉头几个月后被激

烈侵蚀的形状，这样高炉一代的寿命就会大大增加。

按此原则建立的高炉（图3-3-7）有较大的炉缸直径,更陡而高的炉腹和加大了的

炉喉。其设计生产能力比以前的炉子大大增加，实际生产量也比原有水平大幅度提高

了，而一代炉龄达到了7年,创下了当时的纪录。

但由G.吉本斯提出的设计原则并没有得到推广，其“自然”炉型的思想也未实现。

只是经过了相当长的时间后，在前苏联及外国在建设薄壁炉身高炉时，被称为“•定的”

炉型的合理建议中才体现了上述思想及原则。

268

第三章高炉炉型设计计算

图3-3-7吉本斯炉型

(1839年，有效容积141m3平均日产生铁151

19世纪6()年代，西方焦炭高炉的高度进一步增加到24~27m,这是在克里夫兰市克

拉连斯工厂的“细长”型炉子上实现的。焦炭具有较高的机械强度,鼓风强化及鼓风加热

措施均对上述起了促进作用。

后来,法国的JI.格留涅尔于1876年公布了他对高炉冶炼历史的研究，论证了增加

炉子高度的合理性。他研究了炉子高度与炉腰直径关系，指出其比例愈大，高炉有效容

积的利用更有效，焦炭消耗降低。当炉型较狭窄或细长时(对于焦炭高炉，。/。=4.0,

对于木炭高炉H。/。=4.33),获得了最佳结果。

在克拉连斯工厂建立了类似的炉子(图3-3-8).这些炉子的H./D比值为

3.7~4.6。

因此，当炉子不高而炉腰很大时,JI.格留涅尔的提议实际上是增加炉子高度而保持

炉腰直径不变。结果，炉子高度增加到27~30m,它与炉腰直径之比稳定在4.0~4.5,而

不停地扩大炉缸使炉腹角增大，并使炉腹高度降低到3.5~3.0m。这促进炉料顺行，改

善高炉横截而煤气流的分布。

在1880~1920年期间，特别是在美国，炉子有效容积急剧增大到700~800m3(Hn/

0=4.0)。在炉喉直径定为5.18m时，炉腹角由73~76。加大到80~83。,而炉身角由87

~86。降到83~85。。此时认为，将炉缸直径增到4.5~6.5m,是提高炉子生产率的主要条

件,而与炉子其他尺寸的关系并不大。

269

第三篇高炉炼铁设计计算

图3-3-8克拉连斯工厂高炉

（苏格兰，有效容积570m\1874年）

这种观点当时在美国广为流传,成为建设所谓“瓶式”炉型的高炉（图3-3-9）的主

要原因，当时这种高炉的心/。=0.63~0.65。

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8b"UI'

rn/smIS70m>

0S69O

图3-3-9美国高炉炉型

a—1930年；b—1940~1960年

这些高炉的操作表明，焦炭消耗高，炉尘吹出量大，因而仅仅增大炉缸直径并不能使

产量按比例增长。单独扩大炉缸截面使煤气在炉内停留时间缩短,狭窄的炉喉限制了其

通过的能力，使煤气分布变差,增加焦炭消耗，降低产量。

高炉炉型的发展列入表3-3-1。

270

第三章高炉炉型设计计算

表3-3-119世纪末到20世纪初高炉炉型的演变

高炉

参数最早的菲克尔哈涅维扬斯吉木斯，克拉连斯厂，埃利库波厂，

炉子根厂，1838年克厂，1740年1839年1874~1908年1930年

Vo7.028.072.0141.0330.01085.0

dr7603501600121930508690

D183039603560391251809140

dk76013702310243839605790

H4570625012800152402385026850

%4570625012800152402187022590

hr213014502300106624603200

h—8401690391238903850

—一——660970

244039608810102621486013140

hul

限——78.0

a77。40，71。50'86。00'——87°40z810307

86。10'

B76。00'25。00'59。53'71030,74°40z86。00'

Ho/D2.51.583.603.614.222.47

dk/D0.420.350.650.600.780.67

D/dr2.4111.502.223.151.701.05

3.1c，//()»/i,2k分

注：vQ—炉子有效容积，nH,rh3

别为炉子全高、有效高H白缸高、炉腹高、炉腰高、炉身高和炉喉高，“UU：——分别为炉身及炉腹倾斜角度。

高炉炉型进一步发展，放弃了瓶式炉型，而逐步将炉喉直径扩大到5.8m而使d,/D

值保持相对稳定(0.68~0.72),D/d,=1.10-1.12,=3~2.6。

1940年到I960年期间高炉有效容积扩大到1500-1550m3和超过1800mL同时炉

高达33.6m,炉缸直径达9.23m,炉腰直径达10.14m,而炉喉直径到7.0m(图3-3-

10).上述期间主要尺寸之间的比例基本不变。

271

第三篇高炉炼铁设计计算

2700mJ

号8邙337

612W0一9

毫

al^11000

图3-3-1()现代商炉炉型

(按前苏联国立冶金工厂设计院设计的标准炉型)

革命前，前苏联的焦炭高炉炉型存在着当时欧洲大多数炉型的缺点：炉缸直径小，炉

腹高而倾角小。在1924~1930年期间对炉子进行现代化及大规模改造并大幅度提高生

产率时，这些缺点才得到克服。

1930年和1936年，由前苏联国家冶金工厂设计院最早设计的两种典型炉型高炉(有

效容积为930m3和1300~1386m3)相继建成。以后前苏联高炉炉型(图3-3-11)朝着

减小Ho/D比值(由2.83降到2.56)方向发展，炉身炉墙倾角减小(到83。30，),炉腹倾角

加大(到79。00')。炉喉与炉腰直径之比，以及炉腰与炉缸直径之比改变较少，这是由于

炉容的扩大主要是靠扩大炉子横向尺寸,而炉子相对高度增加不大。

高炉炉容的进一步扩大受到了大容积高炉在经济上是否合理的限制。前苏联相继

建成了3()0()、320()、5()0()、5500nJ的高炉。随着炉容的扩大，值以及有效容

积与炉缸截面积之比)值减小(图3-3-12)。例如，对于2000m，高炉，，<>/。值从2.70

降到了2.52~2.45;对于3000~3200m3高炉，该值降到2.28~2.11;对于5000~

55()()n/高炉，该值更低。日本的高炉此值更小，对于大多数巨型高炉此值为2.11~

272

第三章高炉炉型设计计算

2.()1,而在奥依塔工厂的1号高炉，该值只有1.97。在美国，新建炉子“。/。=2.24,而

趋势是降到2.15。加拿大、法国、英同、巴西、荷兰，=2.17~2.30。

图3-3-II高炉有效高度与炉腰直径及有效容积之间的关系

1000woo

图3-3-12炉缸(1)、炉腰(2)、炉喉(3)

直径与高炉有效容积的关系

a-前苏联;1,一美国(虚线)，日本(实线)

以前,格留涅尔推荐的比值(〃。/0)为4.0,巴甫洛夫和列捷布尔推荐的比值为3.5,

拉姆推荐值为2.59,在当时其目的是有助于煤气流的均匀分布，而现在这已失去了意义。

因为强化冶炼的条件首先就要保证炉子顺行,这只有靠降低上述比位才能实现。

高炉冶炼工艺的变化也使炉型的其他尺寸得到改进(见图3-3-12)。例如，减少炉

喉及炉腰直径的比值，目前前苏联及国外认为最佳比值为0.65~o.67,这与宽阔的炉腰

工作条件变化有关。当炉腰扩大时，其工作条件有所改善。

初渣粘度影响减轻，焦炭粉碎的影响也减小。d,./D值大于0.65-0.67并不必要,

这是由于在这种条件下和炉顶煤气压力增高的情况下，气流通过炉子的能力增强了。

在炉子高度增加不大并且炉腰与炉缸直径比例不变的情况下,扩大炉腰将使炉身倾

角减小，因而会导致一定程度的中心气流发展。

研究当代巨型高炉(有效容积为3200、5000、5580m见图3-3-13)的炉型可以看

出，与标准设计的2()()()m,高炉相比，炉身倾角减小了。日本的炉型发展也有类似的情

273

第三篇高炉炼铁设计计算

况。当炉身倾角减小的同时，也增大炉喉间隙,这将改善炉子边沿的透气性，特别对于细

粒原料的操作更是如此。例如日本某厂(图3-3-14)的高炉(有效容积为4883m，炉喉

直径为10500mm)其炉身倾角为81%日本某厂3、4、5号高炉的炉喉直径分别为9000、

10500、10700m,炉身倾角分别为83。17'、82。01'、80。18';而在日本另一些工厂的高炉炉喉

直径达11200和9500mm,炉身倾角为81。22'和80°22'。

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图3-3-13前苏联国立冶金工厂设计院设计的超大型高炉

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图3-3-14一些工厂高炉炉型

a—日本某厂:b-德国什维尔格尔厂;c-加拿大戈米尔顿厂:<1一美国阿姆柯厂

随着炉缸直径扩大,炉腹角相应加大以防止炉子边沿产生炉料滞留带，使中心带的

炉料下料顺畅，这对具有很大横截面的炉子更为重要。前苏联及口本的现代化高炉炉腹

角为79~8()。,法国、巴西、美国、德国为8()~84°»只有日本某厂的一座高炉为76。,德国

的什维尔格尔厂的一座36()()n?高炉(1973年)为78。。

在前苏联的具有很大的炉缸及炉腰的炉子上，其D/dv的平均值较低，因而炉腹更

陡一些,而炉身角大约相同。表3-3-2列出了前苏联、日本、德国、加拿大、美国的一些

现代化高炉的炉型。

274

表3-3-2现代高炉炉型标准发展情况

前苏联国立冶金工厂设计院设计的标准高炉容积(n?)外国高炉容积(n?)

参数10331386日本德国加拿大美国

151317192002230027003000320050375580

(I)类型(口)类型4830360022052242