1800m3高炉热风炉系统设计.docx
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1800m3高炉热风炉系统设计
包头地区原料条件下1800m3高炉热风炉系统设计
冶金06-3唐小芳指导老师王永斌
摘要霍戈文式热风炉具有结构合理、投资省、占地少、风温高、寿命长等优点。
根据包头地区的原料条件，本次设计中选用霍戈文式热风炉4座。
设计中，热风炉采用独立的砌体结构；不同区域采用不同材质耐火材料，高温区采用高温性能好的硅砖；大量采用组合砖技术；蓄热室选用格孔小、工作可靠的七孔格砖。
设计中采用一系列新技术：
新型高效能陶瓷燃烧器，改善燃烧器的混合性能，降低空气过剩系数，消除燃烧脉动现象；采用空气、煤气、烟气换热器以提高燃烧效率；引用新的高炉风口送风装置以提高热风炉工作寿命。
关键词高炉；热风炉；长寿；新技术
AbstractHoogovenstypehotstovehasfollowingadvantages:
reasonablestructure,lowcostofconstruction,smallfloorarea,highblasttemperatureandlonglife.AccordingtotherawmaterialconditionofBaotouarea,itisreasonableforchoosingHoogovenstypehotstoveof4inthisdesignment.Inthisdesignment,manyindependentdesignmentexistindomeplate,innerwallsandcheckeredbricks,anddifferentrefractorymaterialsareusedindifferentareas.Forexample,silicabrickswhichhavegoodpropertyonhightemperatureareusedinhightemperaturearea.Combinedbricksareappliedatopeningtoimprovethestabilityofthestructure.Fortheheataccumulationchamber,reliablecheckeredbrickswithsmallgridaperturesareusedtoincreaseheatingarea.Inaddition,aseriesofnewtechnologyforrealizinghighblasttemperatureandlongcampaignhavetakenplace.Suchastheapplicationofhighefficientceramicburnerwhichcanimprovethemixingcapacityinburner,andavoidtheburningpulsation.Inordertoimproveburningefficiency,air,gasandsmokeexchangeheaterareadopted.Besides,somenewmeasuresarecarriedoutonblastfurnacegivingwindequipmentstoimproveitslongcampaign.
Keywords:
blastfurnace;hotairstove;longcampaign;newtechnology
1文献综述
热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一，它供给高炉热风的热量约占炼铁生产耗热的四分之一，它消耗的高炉煤气约占高炉产生的煤气的40％，因此提高热风炉的热效率对降低能耗具有很大现实意义。
合理组织热风炉的热交换过程和余热回收利用，充分挖掘潜力，可提高经济效益。
延长热风炉使用寿命，提高蓄热能力，减少维修工作量和修理时间，对增加产量、降低成本都具有十分重要的意义[1]。
本章主要介绍了国内外热风炉的发展历史，热风炉的类型及特点，热风炉高风温技术和今后热风炉的发展趋势等方面的内容。
并且结合包头地区的条件，我选择设计的是霍戈文式内燃式热风炉。
2计算部分
这部分主要包括炼铁工艺计算、高炉本体设计与计算、热风炉热工计算这些方面。
[2,3]
下面列出部分计算参数表如下。
表2.1物料平衡表
物料收入
物料支出
项目
数量（kg）
项目
数量（kg）
矿石
1653.590
生铁
1000.000
焦炭
423.676
炉渣
325.267
煤粉
130.000
煤气
2340.675
熔剂
19.165
煤气中水
40.432
鼓风
1527.143
炉尘
56.66
总计
3753.574
总计
3763.034
表2.2全炉热平衡表
热收入
热支出
项目
kJ
%
项目
kJ
%
碳素氧化热
8326163.234
77.73
氧化物分解耗热
7008937.882
65.43
鼓风物理热
2041361.348
19.06
脱硫分解耗热
31696.919
0.30
氢氧化放热
344205.911
3.21
水分分解耗热
214670.618
2.00
成渣热
263.601
0.0025
游离水蒸发耗热
40625.922
0.38
炉料物理热
0.000
0.000
喷吹物分解耗热
163020
1.52
铁水物理热
1170400
10.92
炉渣物理热
584634.906
5.46
煤气带走热量
640405.088
5.98
热损失
857602.755
8.01
总计
10711994.09
100.00
总计
10711994.09
100.00
表2.3高温区热平衡表
热收入
热支出
项目
kJ
%
项目
kJ
%
碳素燃烧热
2916137.624
91.97
直接还原耗热
1371862.032
43.27
鼓风有效热
254449.705
8.03
铁水带走热量
543400.000
17.14
炉渣带走热量
271923.212
8.58
煤粉分解耗热
323323.000
10.20
高温区热损失
660079.085
20.81
总计
3170587.329
100.00
总计
3170587.329
100.00
表2.41800m3高炉炉型参数表
名称符号单位尺寸
有效容积Vum31800
炉缸直径dmm9500
炉腰直径Dmm10900
炉喉直径d1mm7200
死铁层高度h0mm2000
炉缸高度h1mm3500
炉腹高度h2mm3800
炉腰高度h3mm1750
炉身高度h4mm15500
炉喉高度h5mm1800
有效高度Humm26350
炉腹角α79°30´
炉身角β83°12´
风口数个24
铁口数个3
炉缸面积Am270.846
Hu/D2.42
Vu/A25.407
d1/D0.66
D/d1.15
表2.5热风炉设计参数
项目单位参数
高炉容积m31800
高炉利用系数t/m32.2
高炉入炉风量m3/min3273.300
冷风温度℃100
设计风温℃1200
拱顶温度（最高）℃1450
废气温度℃350
空气预热温度℃300
煤气预热温度℃300
送风制度交叉并联送风
燃料高炉煤气
3热风炉系统设计参数的选择与计算
3.1热风炉本体特征
由于外燃式热风炉存在高温晶界应力及腐蚀问题，故有人又转而利用它的成功经验来改造内燃式热风炉，并使之接近或达到外燃式热风炉的风温水平，荷兰霍戈文——艾莫依登厂首先实现了这一改造，并称之为霍戈文式内燃式热风炉，它的技术特点如下：
（1）眼睛形火井与矩形陶瓷燃烧器；
（2）全脱开悬链线形拱顶与关节砖的设计；
（3）板块式结构与分层自立式结构；
（4）自密闭锁砖结构等。
3.2结构性能参数确定
通过计算，可得热风炉主要性能参数如下表：
表3.1热风炉主要性能表
名称单位数据
热风炉座数座4
热风炉全高mm45300
蓄热室有效断面积m228.4
燃烧室有效断面积m29.98
每座热风炉受热面积m240500
燃烧室受热面积m21155.66
每立方米高炉容积蓄热面积m2/m390
格砖高度mm38770
炉壳直径mm8000
悬链线形拱顶内径mm1932
蓄热室砖形七孔格子砖
3.3炉基
炉基要承载热风炉本体的重量，还要承载其附属设备及相应构筑物的重量，因此要求地基内热应力不小于0.25MPa，而且要加固，为了防止基础不发生不均匀下降和过分沉降，将同一座高炉热风炉组基础做成整体，高出地面300mm，以防水侵。
3.4蓄热室格子砖的选择
为了适应高风温要求，热风炉普遍采用了格孔小，格砖厚度薄，单位格砖体积的蓄热面积大，砖重轻，性能成熟可靠的七孔格砖。
蓄热室格子砖热工性能见下表：
表3.2格子砖热工性能
项目七孔格子砖
格孔尺寸mm43
每立方米格砖加热面积m2/m338.07
当量厚度mm31.12
每立方米硅质格砖重Kg/m31536.6
每立方米黏土质格砖重Kg/m31300.2
硅质格砖的热蠕变1.59
黏土质格砖的热蠕变1.24
3.5大墙
由于燃烧室周围砌体断面上的温度梯度的影响和断面的不对称，会产生剪切应力，导致砌体错位开裂。
根据燃烧室砌体断面的温度分布情况，把砌体分成几个区段，区段之间设有滑动缝，使各区段砌体自由膨胀，即采用“板块”式结构，消除了不均匀膨胀的应力破坏。
为了使燃烧室的砌体膨胀时能自由移动，在燃烧室与其相邻的砌体之间，采用滑动结构，使燃烧室独立于热风炉内。
3.6拱顶
悬链线拱顶的优点：
悬链线拱顶具有良好的静态稳定性，但热风炉投产后，拱顶处在周期性的动态变化过程中。
拱顶每一层砌体的径向膨胀，燃烧期与送风期的压力变化，以及在热风炉投产升温期和停产凉炉过程中，拱顶产生移动。
拱顶各层砌体之间留有较宽的膨胀缝，热风炉换炉操作时，炉内气体压力发生变化，砖层的内侧和外侧之间产生压差，影响拱顶的稳定性。
解决这一问题的措施是在砖层中预留均压孔以消除压差，保持砖层两侧受力均衡。
拱顶与热风炉墙体脱开，便墙体能自由膨胀上升，不触及拱顶；拱顶的重量由设在炉壳内壁的金属托架分层支撑。
在拱顶内衬与墙体之间设置滑动缝，避免墙体与拱顶内衬相对位移产生阻力破坏作用。
悬链线拱顶还具有气体流场和温度场分布合理、改善气体在蓄热室断面分布均匀性的优点。
悬链线拱顶改变了52°以外非稳定区曲线的方向，依靠拱顶砌体自身的重量和砌体之间的锁紧结构，使拱顶处于整体压紧状态，消除了向外的推力，因此稳定性好，能承受温度和送风压力的变化。
因此，悬链线拱顶在机械稳定性和热应力稳定性以及气流分布等方面都优于其他结构形式的拱顶，是内燃式高风温热风炉的合理拱顶结构。
3.7新型高效能陶瓷燃烧器
热风炉新型高效能陶瓷燃烧器的结构如图3.1所示。
图3.1高效能陶瓷燃烧器的结构示意图
在燃烧器内，煤气和空气首先经过设置在燃烧器砌体中的煤气和空气环形通道进入特设的混合道进行混合，预混合空气和煤气由喷孔喷出，在稳定着火盆内迅速着火燃烧，煤气中的未燃成分，在燃烧室内上升过程中不断与空气混合燃烧直至烧尽。
保护帽的主要作用是保护燃烧器喷孔不被燃烧室上部掉砖砸坏和堵塞，保证燃烧器出力稳定和工作正常。
减振环的作用是减缓燃烧器燃烧过程中产生的振动，保证燃烧稳定[4]。
3.8支柱及炉箅子
蓄热室全部格子砖通过炉箅子支撑在支柱上，根据热风炉废气条件，炉箅子和支柱由耐热灰铸铁铸成，炉箅子孔形及位置与格子砖孔相一致，其孔径较格子砖孔径大5mm。
支柱高度满足安装烟道和冷风管道的净空需要，同时保证气流畅通。
炉箅子块数和支柱数相同，炉箅子的最大外形尺寸，要能从烟道口进出。
3.9热风炉金属结构
（1）炉基：
要求热风炉地基耐压力不小于1.2倍炉重，为防止热风炉产生不均匀下沉，使管道变形或撕裂，将同一座高炉的热风炉组基础的钢筋混凝土结构做成一个整体，高出地面，以防水浸，地基外侧为烟道，采用地下布置。
（2）炉壳：
热风炉炉壳是一种密封和支撑设施，它主要承受鼓风压力、耐火砖衬热膨胀压力，以及一定的温度作用，还要支撑拱顶砌体载荷。
炉壳由普通碳素钢钢板焊接而成，为了确保密封，炉壳和炉底封板焊成一个密闭的整体，施工过程中必须保证焊接质量，炉壳椭圆度不得大于2.0％，在整个高度上倾斜不得超过30mm。
砌砖后用工作压力的1.25倍压力检漏，每小时压降不大于1.5％[5]。
3.10人孔
在拱顶部分上方设两个人孔，布置成120度，以供检查格砖、格孔是否畅通，清理格孔表面的附着灰。
在蓄热室下方避开炉箅子支柱及下部个口地方也设两个人孔以清灰[6]。
4热风炉用耐火材料的选择与砌筑
4.1热风炉用耐火材料
热风炉用耐火材料主要包括：
（1）硅砖。
硅砖主要成分是SiO2，其含量在95％左右，由鳞石英、方石英玻璃相组成。
硅砖高温性能好，耐火度及荷重软化温度较高，蠕变温度高且蠕变率小，有利于热风炉稳定；不足的是它的体积密度小，蓄热能力差。
在热风炉内硅砖一般用于拱顶、燃烧室和蓄热室炉衬的上部以及上部格子砖。
（2）高铝砖。
高铝砖质地坚硬、致密．抗压强度高．有很好的耐磨性和较好的导热性，在高温下体积稳定，蠕变性仅次于硅砖。
普遍应用于高温区域，如拱顶、中上部格子砖、燃烧室、隔墙等。
（3）黏土砖。
黏土砖的主要成分是Al2O3和SiO2。
随着Al2O3和SiO2含量的不同，性质也发生变化。
黏土砖热稳定好，高温烧成的黏土砖残余收缩小。
黏土砖耐火度和荷重软化温度低．蠕变温度低，蠕变率较大．但是黏土砖容易加工，价格低廉。
广泛应用于热风炉中、低温度区域，中下部格子砖及砖衬。
黏土砖用量约占热风炉用砖总量的30％—50％。
（4）隔热砖。
热风炉用隔热砖有硅藻土砖、轻质硅砖、轻质黏土砖、轻质高铝砖以及陶瓷纤维砖等。
隔热砖气孔率大，密度小，导热性差，机械强度低，但在使用中应可以支承自身质量。
（5）不定形材料。
热风炉用不定形材料有耐火、隔热及耐酸3种喷涂料。
耐火喷涂料主要用于高温部位炉壳及热风管道内，以防止窜风烧坏钢壳。
隔热喷涂料导热系数低，可以减少热损失。
耐酸喷涂料用于拱顶、燃烧室及蓄热室上部钢壳，其作用是防止高温生成物中NOx，等酸性氧化物对炉壳的腐蚀。
当采用双层喷涂料时，隔热喷涂料靠钢壳喷涂，然后再喷涂耐酸或耐火涂料。
我国内燃式热风炉炉衬和格子砖普遍采用高铝砖和黏土砖砌筑；外燃式热风炉，高温部位一般用硅砖砌筑，中低温部位则依次用高铝砖和黏土砖砌筑[5]。
4.2热风炉耐火材料砌筑
热风炉耐火材料砌体长期在高温下工作，加上温度周期性波动，砌体产生不均匀膨胀，内部出现热应力。
如果热应力过大，则可能破坏砌体。
随着高风温热风炉技术的发展，热风炉耐火材料的砌筑技术受到重视，在提高筑炉质量方面，主要有如下一些改进：
（1）对工作条件不同的砌体采用独立结构，以便在膨胀时不互相影响；
（2）砌体几何形状不同的区域采用独立的结构，独立的支承。
如拱顶、蓄热室上部圆锥体的荷重直接由炉壳承受，以免炉墙不均匀膨胀而使拱项或圆锥部分变形；
（3）缩小高温区砌体的尺寸，例如，马琴式或新日铁式热风炉缩小拱顶半径，以增大砖厚与拱顶半径之比，提高了拱顶的稳定性；
（4）条件恶劣的部位采用带锁键的砖砌筑，管道出口处采用带锁口曲线的异形砖砌筑，以提高砌体的稳定性和整体性；
（5）正确处理砌体的膨胀缝，减少砌体的内应力；
（6）增加高温区隔热层厚度，以减少热损失；
（7）炉壳内喷涂不定形耐火材料，防止炉壳过热。
在进行砌筑设计时，要充分考虑砌体受外力作用产生的应力，以及受温度作用产生的热应力。
为此对受力复杂的砌体应采用异形砖砌筑，在适当的部位应预留膨胀缝[7]。
5热风炉相关设计
5.1管道设计
设计中各管道内径选择见表5.1。
表5.1管道内径
名称内径／mm
冷风总管1500
冷风支管1100
净煤气总管1500
净煤气支管1100
热风总管2000
热风支管1100
热风围管2000
冷风混风管800
混风阀后1600
烟道支管1500
烟道主管2000
助燃空气主管1600
助燃空气支管1100
5.2阀门选择
热风炉在高温下长期运行，其辅助设备特别是热风炉各主要阀门必须与高风温相适应。
尤其是隔热阀，热风炉的燃烧期与送风期的正常工作和切换，都要靠热风阀门的开闭来实现，热风阀在1000—3000℃的高温和约0.25MPa的压力的恶劣条件下工作。
采用具有耐火材料保护的汽化冷却热阀门，其他阀门也要提高质量，特别是密封性。
为提高阀门寿命，减少运行成本，设计采用软水密闭循环冷却。
设计中阀门选择见表5.2。
表5.2阀门
名称类型
冷风阀连杆式切断蝶阀
助燃空气阀连杆式切断蝶阀
热风阀QR746RⅡ型热风阀
煤气切断阀曲柄盘式阀
调节阀调节蝶阀
燃烧阀曲柄盘式阀
（冷风）放风阀DN949W-J型电动放风蝶阀
煤气放散阀QS42Y/X型煤气放散阀
废气阀明杆楔式单闸板闸阀
混风切断阀明杆楔式单闸板闸阀
倒流休风阀QR43R型异形水腔衬里热风阀
烟道阀曲柄盘式阀
5.3风机的匹配与选择
鼓风机型号的选择见表5.3。
表5.3鼓风机特性参数
高炉容积/m3风机型号风量/m3/min风压/Pa转数
1800静叶可调轴3943.7353.458×105调速汽轮机
流式直接带动
助燃风机特性见表5.4
表5.4助燃风机特性参数
高炉容积/m3风机电动机
风量/m3/min全风压/Pa功率/KW转数/r/min
1800601000.088×1051151500
主要参考文献
[1]刘全兴.高炉热风炉操作与煤气知识问答.北京:
冶金工业出版社.2005.18-28.
[2]那树人.炼铁计算.冶金工业出版社.2005.55-130.
[3]周传典.高炉炼铁生产技术手册.冶金工业出版社.2002.232-276.
[4]戴方钦,王立,黄焰,秦润森.热风炉高效能陶瓷燃烧器的特点及应用.炼铁.2003年8月.第22卷第4期.24-37.
[5]王平主编.炼铁设备.出版日期：
2006年2月.69-89.
[6]Reportof45thironmakingcommittee.ThejointresearchSoc.ISIJ，Ironmaking45-8.（1975）.12-18.
[7]项钟庸,郭庆弟.蓄热式热风炉.1988年4月.79-92.
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