毕业设计包头原料条件下3200m3高炉本体设计及渣铁处理系统的设计说明书.docx
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毕业设计包头原料条件下3200m3高炉本体设计及渣铁处理系统的设计说明书
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书
题目：
包头原料条件下3200m3高炉本体设计及渣铁处理系统的设计
学生姓名：
桓新明
学号：
1077145119
专业：
稀土工程
班级：
稀土2010-1班
指导教师：
樊文军副教授
包头原料条件下3200m3高炉本体及渣铁处理系统设计
摘要
高炉本体和渣铁处理系统设计是炼铁车间设计的重要部分。
设计出一个较好的车间不但可以使高炉生产达到高产，使炼铁设备寿命长久，还可以降低耗能，节约成本，从而达到经济环保的目标，所以本设计，从高炉内型设计、耐火材料、冷却设备及渣铁处理方式的设计均借鉴了国内外先进高炉的情况。
设计采用了陶瓷杯炉缸炉底，选择铜冷却壁作为高热负荷区的冷却设备。
高炉冷却方式采用软水密闭循环进行冷却。
风口平台出铁场设计为矩形双出铁场，四铁口平衡布置，渣铁沟布置合理，铁水摆动流嘴，出铁场平坦化，炉前设备选型机械化程度高，选用除尘设施改善出铁场操作环境。
关键词：
高炉；设计；耐火材料；冷却设备；渣铁
TheDesignof3200m3BlastFurnaceOntologyand
TheSlagandIronProcessingSystemUndertheRawMaterialConditionsinBaotou
Abstract
Theblastfurnacebodyandtheslagandironprocessingsystemdesignisanimportantpartoftheiron-smeltingplantdesign.Notonlycandesignagoodworkshopsothattheblastfurnaceproductiontoachievehighyield,longservicelifeoftheiron-smeltingequipment,canalsoreduceenergyconsumption,costsavings,soastoachievethegoalofeconomicenvironmentalprotection,thedesign,fromthedesignofblastfurnacerefractories.thedesignofcoolingequipmentandhandlingofslagandironwereborrowedfromdomesticandforeignadvancedblastfurnace.Thedesignusesthehearthandbottomoftheceramiccup,copperstaveheatloadcoolingequipment.Theblastfurnacecoolingmethodusingsoftwaterclosedloopcooling.Outletplatformcasthouserectangulardoublecasthouse,fourironportbalancearrangement,slagandironditchisreasonablyarranged,andmoltenirontoswingstreammouth,aflatfieldofironblastfurnaceequipmentselectionhighdegreeofmechanization,thechoiceofthedustremovalfacilitiestoimproveironfieldoperatingenvironment.
Keywords:
blastfurnace；design；refractory；coolingequipment；slagandiron
第一章文献综述
1.1高炉冶炼概况及发展
高炉冶炼是获得生铁的主要手段，它以铁矿石（天然矿、烧结矿、球团矿）为原料，焦煤、煤粉、重油、天然气等燃料和还原剂，以石灰石、等为溶剂、在高炉内通过燃料燃烧、氧化物中铁元素的还原及非铁氧化物造渣等一系列复杂的物理化学过程，获得生铁，起主要副产品为高炉炉渣和高炉煤气
。
1.1.1高炉生产主要经济指标技术
20世纪50年代以来，国家一直沿用从前苏联引来的高炉有效容积利用系数（1v）和冶炼强度（Is）等，作为评价高炉冶炼强化的指标。
这些指标都是以高炉有效容积（Vu）为基准得来。
高炉有效容积利用系数
，t/（m3·d）
高炉冶炼强度
，t/（m3·d）
式中P，Q——分别为高炉的生铁日产量和燃料日耗量，t/d
高炉主要经济技术指标如表1.1：
表1.1高炉主要经济技术指标
技术指标
单位
指标值
备注
高炉有效容积
m3
3200
利用系数
t/（m3·d）
2.28
max2.5
焦比
kg/t
310
煤比
kg/t
200
max250
热风温度
ºC
1200
max2500
炉顶压力
MPa
0.2
max0.25
除外，欧洲流行采用以炉缸面积（A）为基准的强化指标：
炉缸面积利用系数曲
t/m3·d
炉缸燃烧强度
对比而言，后者比前者在冶金概念上要科学些，生产实践表明，在一定的冶炼条件上，高炉的入炉风量、燃料燃烧量、煤气生产量和生铁产量都与炉缸面积成正比，这是高炉大型化的基本出发点
。
1.1.2炉容大型化及其空间尺寸的发展
我国现有高炉1250座左右，大于1000
以上容积的高炉有仅128座，高炉结构不合理，平均炉容小，落后产能所占比重过大；固体废弃物（尘、泥和炉渣等）产生总量增长过快；烧结SO2排放形势日益严峻等。
生产实践证明，大型高炉容加上精料、高风温、高压炉顶、综合喷吹以及春水冷却等近代技术，可以降低单位烧结面积的基建投资和经营费用，提高劳动生产率，烧结矿质量，使高炉能耗降低、寿命增加，高炉利用系数也可达到2.0以上，同时生产管理方便，易于环境治理。
1.1.3炉料向精料发展
高炉的炉料结构从上世纪70年代以来几经变化，由开始的原矿冶炼到全部使用烧结矿，最后改为机烧结矿配酸性球团矿，炉料结构变化及相应的主要生产指标如表1.2：
炉料结构及主要生产指标
表1.2炉料结构及主要生产指标
时间
年
炉料结构
系数
t/m3·d
焦比
Kg/t
冶强
t/m3·d
石灰石
Kg/t
熟料比
%
品位
%
1970
块矿
0.8
1035
082
490
3.09
1970~1977
土烧结矿和块矿
1.0
968
0.97
560
57.43
50.29
1980~1985
高、低碱度烧结矿
2.411
592
1.364
17.4
100
51.92
1986~1988
高碱度烧结矿、土烧球团矿
2.403
593
1.41
23.3
100
56.27
1992
高碱度烧结矿、土烧球团矿
2.795
599
1.663
14.9
100
54.57
注：
入炉焦比按碎铁加入量进行了折算。
随着高炉冶炼的强度的增加，炉料正向着精料方向发展，精料包括入炉矿石的品味，改善入炉原料的还原性能，调高熟料率，稳定入炉原料成份和粒度。
1.1.4提高鼓风温度
提高鼓风温度可以大幅度降低焦比，特别是在鼓风温度较低时效果更为显著，一般认为，在1000
一下，每提高风温100
，可以节焦10到20kg/t铁，在1100
以上，每提高100
，可以降焦8到10kg/t铁。
近年来，喷吹燃料量逐渐增加，提高风温更是迫切的事情。
1.1.5提高炉顶压力
煤气清洗系统文氏管安装了可调喉口，利用调节文氏管喉口的方法，将高炉顶压控制在35KPa左右。
炉顶压力的提高有利于减少压差、稳定炉况、提高煤气利用率、最终提高产量。
1.1.6富氧大喷吹
喷吹燃料是，由于燃料的分解，炉缸的理论燃烧温度有所降低，煤气量增加，块状区热流比下降，煤气利用变差。
富氧鼓风可以克服这些足，合适的富氧率与喷吹的燃料成分有关，富氧大喷吹可达到优质、低耗、高产、长寿的冶炼效果。
1.1.7电子计算机的应用
60年代起高炉开始应用计算机，目前已可以控制配料、装料和热风炉操作。
1.2高炉本体
1.2.1高炉炉型发展
高炉炉型发展经历了以下几个阶段。
1）原始炉型（大腰炉型）各国原始炉型共同特点是炉缸和炉喉直径小，炉身下部炉腹（炉腰）直径大，高度小，即所谓的大腰炉型。
2）近代炉型19世纪中叶，由于蒸汽鼓风机和焦炭的普遍使用，炉顶装料装置逐步实现机械化，高炉炉型趋向于扩大炉缸炉喉直径，并向高度方向发展，逐渐形成近代的五段式高炉炉型。
3）现代炉型由于人们对产量的要求和原燃料质量的改善，以鼓风机能力的提高，高炉炉型向着“大型横向”发展。
高炉大型化成为高炉冶炼的发展趋势。
1.2.2五段式高炉炉型及炉型尺寸
现代高炉炉型由炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉组成，其几何尺寸就是高炉炉型的尺寸。
我国高炉炉型各部分名称及尺寸表示方法见图1.1
图1.1高炉炉型尺寸表示方法
1）
表征了高炉的矮胖程度，即高径比。
值越大，炉料和煤气经过的路径越长，炉料和煤气在炉内接触的时间也越长，因此有利于煤气的热能和化学能的充分利用。
但
值较大时却增加了料柱的高度，从而相应的增加了煤气流通过料柱的阻力损失，不利于高炉冶炼的顺行。
因此
应有适当值，过大过小都不好。
2）炉缸尺寸炉缸是高炉的核心部位。
炉缸的容积不仅应能保证足够数量的燃料燃烧，而且能容纳一定数量的铁和渣。
炉缸的高度应能保证在炉缸内容纳两次出铁间隔时间内所生成的铁水和一定数量的炉渣，并应考虑因故而不能按时放渣放铁时能容纳多余的铁水和炉渣，因此炉缸高度直接决定了渣口和风口的高度，同时也影响风口前氧化带的形状和大小，从而也是影响炉况的主要要因素。
3）炉腹尺寸炉腹的结构尺寸是炉腹高度
和炉腹角
。
炉腹过高，有可能在炉料尚未熔融就进入收缩阶段，易造成难行和悬料，炉腹过低则可能减弱炉腹应有的作用。
1000
以上的大型高炉炉腹高度在3.0到3.6米，中小型高炉还可以小一些，炉腹角
一般取
，过大不利于煤气分布，过小使得炉腹部位对下降炉料阻力增加，不利于顺行。
4）炉腰尺寸炉腰的高度大小对高炉冶炼没有严重影响。
高炉炉腰一般为
m。
5）炉身尺寸炉身尺寸包括炉身高度
和炉身角
。
由于高炉大型化主要是炉型横向增大，所以高炉有效容积增大时高炉炉身高度增大并不多，大型高炉炉身高度基本在
m范围。
炉身角的大小与炉料的下降和煤气流的上升过程中的分布状态关系极大。
炉身角取小时有利于炉料的下降，易发展边缘煤气流。
但是，炉身角过小，边缘没气流过分发展，会给高炉操作上下部调节带来困难，不利于煤气热能和化学能的充分利用，容易使炉衬过热而损坏。
炉身角取大值时，有利于抑制边缘煤气流过分发展，但是不利于炉料下降。
一般取值在
之间，现代大型高炉炉身角取值在
之间。
6）炉喉尺寸炉喉的高度应能满足控制炉料分布和煤气流分布为宜，过高会使炉料挤紧而影响下降，过低难以满足装料制度调节的要求。
炉喉高度一般以
m为宜
。
1.3高炉炉衬
高炉炉衬是用能够抵抗高温和化学侵蚀作用的耐火材料砌筑成的。
炉衬的主要作用是构成工作空间，减少散热损失，以及保护金属结构件免遭热应力和化学侵蚀作用。
延长高炉寿命就是要延长炉衬寿命。
随着炼铁技术的发展，高炉炉型正在想着大型高效长寿低耗清洁的方向发展，高炉长寿技术发展尤为突出，新建的高炉或大修改造高炉均积极的采用高炉长寿技术，如陶瓷杯技术，UACR碳砖、铜冷却壁、软水密闭循环、高炉人工智能等专家系统等。
90年代末发达国家如日本、西欧等国家高炉的寿命达10到15年（无中修），最新建或改造的高炉寿命在15年以上，并提出20年的目标。
以日本川崎钢铁公司千叶6号高炉（5153m
）和水岛2号高炉（2857m
）为代表,千叶6号高炉炉龄已达到23年以上，一代炉龄产铁量13388t/m
创造了高炉长寿的世界纪录；水岛2号高炉1979年开炉至今仍在运行，正在创造高炉炉龄新的世界纪录。
我国好的钢铁企业如，宝钢、首钢、武钢、攀钢等大型高炉的炉龄基本能达到10到12年（无中修）
。
高炉陶瓷杯炉缸炉底结构是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，其具有明显的优越性。
主要优点是:
（l）陶瓷质耐火砖具有较好的抗铁水溶蚀性,能克服炭砖抗铁水溶蚀性差的缺点,可以减缓或消除炉缸蘑菇形侵蚀。
（2）陶瓷质耐火材料导热系数比炭砖低对炉缸铁水有保温作用,能提高铁水温度,降低炼铁能耗。
（3）高炉检修短期休风时炉缸残存铁水的温度降低速度较慢,有利于高炉顺利复风[9]。
陶瓷杯结构如图1.2
图1.2陶瓷杯结构及理论等温线分布
1.3.1对高炉耐火材料性能要求
过去炼铁工作者对高炉耐火材料性能的要求仅限于一些常规性能,如对炭砖仅要求灰分、耐压强度、体积密度、气孔率等指标,对陶瓷耐火材料仅要求化学成分、耐火度、荷重软化温度、显气孔率、体积密度、耐压强度、重烧线变化率等指标。
实际上,上述常规性能指标不能全面地反映出高炉生产条件下耐火砖衬受到破坏的工作条件。
例如,有些高炉内有碱金属和锌的循环富集,对耐火砖衬形成很强的侵蚀,成为砖衬的重要侵蚀源。
抗碱性差的耐火砖在炉内被碱侵蚀后往往变成粉末,完全失去强度；又如,高炉炉缸到炉身中部有炉渣的侵蚀和冲刷,过去这些部位多砌筑高铝砖和粘土砖,虽砖衬很厚,但因其抗渣性很差则很快就被侵蚀掉,易造成炉壳发红、开裂等事故。
对于高炉耐火材料使用性能的检测方法,武钢已进行了近20年的研究:
在研究高炉砖衬破损和侵蚀机理的基础上,对高炉耐火材料提出了多项特殊使用性能要求,并研究出相应的试验方法,通过原冶金部制定了检验方法和标准。
其主要有:
导热系数、抗碱性、抗铁水溶蚀性、抗炉渣侵蚀性、平均气孔、小于1
m孔容积率、透气度和抗氧化性；武钢应用这些检验方法选用高炉耐火材料已有十多年历史,对武钢提高高炉寿命发挥了重要作用。
目前,这些检验方法已在国内广泛应用,很多新型优质高炉耐火材料不断地开发出来,有的综合性能已赶上国际先进水平,有些指标甚至超过了国际先进水平[10]~[11]。
1.3.2各种耐火材料的发展
1）半石墨炭砖国内外半石墨碳砖性能对比如表1.3。
石墨炭砖和日本BC-5型半石墨炭砖相比,其导热系数、抗碱性、铁水熔蚀等性能相当。
德国半石墨炭砖的600
导热系数达到18.04W/（m•K）,优于一般的国产半石墨炭砖,其他性能亦相当。
但是,兰州新研制的半石墨炭砖的导热系数、微气孔指标则优于德国同类产品。
表1.3半石墨炭砖性能对比
性能
兰州
贵州
日本
BG-5
德国5RDN
兰州新研制转
体积密度，（g·cm-3）
1.62
1.55
1.54
1.58
1.60
显气孔率，%
13.03
16.21
15.60
14.08
16.39
耐压强度，MPa
46.80
35.43
35.00
38.75
43.01
透气度，mDa
38.81
317.38
138.23
160.52
18.93
氧化率，%
35.38
12.37
4.86
1.84
铁水熔蚀指数，%
26.89
28.42
28.26
28.19
28.85
平均孔径，μm
2.30
7.33
6.27
6.82
1.17
孔容积率，%
31.65
21.09
10.96
15.27
46.83
导热系数（600ºC），W·m-1·K-1
4.16
11.21
12.57
18.04
20.09
抗碱度
良
差
良
良
良
2）石墨碳砖美国的NMD是一种石墨炭砖,导热系数很高,有的高炉将它用作炉身冷却板之间的砖衬使用。
应指出的是,石墨砖一般用于炉底最下层,是利用其高导热性强化炉底冷却,在高炉炉役后期减缓铁水的侵蚀。
但是,如果炭捣料的导热系数很低,石墨砖则法发挥高导热系数的作用,因为石墨砖的孔隙大、强度低,抗铁水熔蚀性能也差。
3）陶瓷杯用砖目前国内高炉陶瓷杯用砖有复合棕刚玉砖、刚玉莫来石砖、塑性相结合刚玉砖、微孔刚玉砖、法国陶瓷杯砖（浇注块）等5种,其性能对比试验结果见表1.4
表1.4陶瓷杯砖性能对比
性能
法国浇注块
1995年2002年
微孔刚玉砖
塑性相刚玉砖
复合刚玉砖
刚玉莫来石
体积密度，（g·cm-3）
3.29
3.30
3.14
3.14
3.17
2.86
显气孔率，%
10.00
11.85
13.03
13.03
12.07
18.00
耐压强度，MPa
66.08
31.18
168.48
121.8
121.92
92.20
透气度，mDa
6.08
3.71
0.00
29.38
8.70
140
铁水熔蚀指数，%
0.00
0.53
1.10
0.38
0.88
0
平均孔径，μm
0.175
1.156
0.261
5.05
3.59
孔容积率，%
95.33
78.19
75.32
0.00
9.18
导热系数（600ºC），W·m-1·K-1
5.42
4.08
4.55
4.46
4.90
3.78
抗碱度
优
优
优
优
差
差
从表1.4可知,国产微孔刚玉砖的各项性能均已达到或优于法国陶瓷杯砖,其中抗炉渣侵蚀性和耐压强度更好。
复合棕刚玉砖的抗碱性较差。
塑性相结合棕刚玉砖除微气孔指标较差外,其他性能都较好,是目前应用最多的一种。
刚玉莫来石砖由于抗碱性和抗炉渣侵蚀性很差不适合用于炉缸部位,但仍适用于陶瓷杯底[12]~[14]。
1.4高炉冷却
1.4.1高炉冷却目的
1）保护炉壳及各种钢结构，使其不因受热变形或破坏。
2）对耐火材料的冷却与支撑，增加砌体的稳定性。
3）维持合理的操作炉型，使耐火材料的侵蚀内型线接近操作炉型，对高炉内煤气流的合理分布、炉料顺行起到良好作用。
4）当耐火材料大部分或全部被侵蚀后，能靠冷却设备上的渣皮继续维持高炉生产。
1.4.2冷却介质选择及处理
1.4.2.1冷却介质选择
根据高炉不同部位的工作条件及冷却的要求，所用的冷却介质也不同，一般常用的冷却介质有：
水、空气和汽水的混合物，即水冷、风冷和汽化冷却。
对冷却介质的要求：
有较大的热容量及导热能力；来源广、容易获得、价格低廉；介质本身不会引起冷却设备及高炉的破坏。
1.4.2.2高炉冷却设备的种类
我国常用的冷却设备有外部喷水冷却、风口和渣口的冷却、冷却壁、冷却板、支梁式水箱以及风冷或水冷炉底等。
冷却壁分为光面冷却壁、镶砖冷却壁、凸台镶砖冷却壁等。
在使用材质上又分为耐热铸铁、球墨铸铁、钢和铜冷却壁。
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。
冷却板型式有铸铜冷却板，其中有两通道的，四通道的，还有埋入式铸铁冷却板等。
水箱有铸铁支梁式水箱，铸钢空腔式水箱等
1）喷水冷却装置高炉炉身和炉腹部位设有环型喷水管冷却炉皮。
大中型高炉在炉龄末期，冷却器被烧毁的情况下，为了继续维持生产，炉皮喷水冷却时一项重要措施。
小型高炉往往炉身不安装冷却，而只靠炉皮喷水冷却。
2）风口和渣口冷却风口一般由大中小三个套组成。
图1.3为风口结构示意图。
渣口一般由四套组成，即渣口大套、二套、三套和小套（小渣口）。
如图1.4渣口装置。
图1.3风口结构
图1.4渣口装置
3）冷却壁冷却壁装设在砖衬和炉壳之间，它是内部铸有无缝钢管的铸铁板。
冷却壁有光面和镶砖两种。
1.4.3合理的冷却结构
冷却结构的的合理与否对高炉长寿影响巨大。
合理的冷却结构应该满足下列条件：
（1）冷却效果要好而均匀，冷却面死角要少；
（2）要具有承受热流强度的功能，根据测试冷却设备最大热流承受能力为200000~400000kg/（m2h），若超过400000kg/（m2h），冷却设备就烧坏；
（3）炉腰和炉身具有一定的托砖功能；
（4）容易形成渣皮等。
炉体结构的合理性也表现在冷却壁的热面温度能控制在400℃，因为冷却壁温度超过400℃就发生相变从而加速冷却壁的破损。
1.4.4高炉冷却壁的应用现状及其发展
目前，传统的灰铸铁材质的高炉冷却壁正在逐步淘汰，现在为球墨铸铁材质。
随着高炉强化熔炼水平的提高，球墨铸铁冷却壁越来越难以满足要求。
铸钢冷却壁作为新一代高路冷却壁，由于材质与冷却水管材质相近，与球墨铸铁冷却壁相比，具有伸长率高、抗拉强度大、熔点高、抗热冲击性强及整体导热性能好等优点，应用范围逐步扩大[41]。
高导热性的紫铜冷却壁的国产化及应用也得到很好地发展。
国外早在1982年就开始对铸钢冷却壁的进行了研究和开发。
现在国内有部分钢铁企业使用刚冷却壁，如济钢、南钢和鞍钢等，效果较好。
铜冷却壁不仅具有性能优势，而且在实际应用中，可以显著降低炼铁成本，呈现出极强的应用后劲。
随着铜冷却壁的国产化进程的加快，成本的不断降低和技术的不断成熟，可以预见，铜冷却壁在我国的使用，特别是在大型高炉上的使用将会不断加快。
综合考虑各种冷却壁的使用寿命、制造工艺和成本等各个方面因素，预计在一般高炉上将可能联合使用刚冷却壁和球墨铸铁冷却壁。
在大型高炉上将可能综合采用铜冷却壁、刚冷却壁和球墨冷却壁是高炉炉体冷却结构更加合理[15]~[16]。
1.5高炉基础
高炉基础是高炉下部的承重结构，它的作用是将高炉全部载荷均匀地传递到地基。
高炉基地由地下的基座和地面上的基墩组成。
对高炉基础的要求：
1）高炉基础应把全部载荷均匀地传给地基，不发生沉陷和不均匀沉陷。
2）具有一定的耐热能力。
基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为
m。
基座直径与载荷和地基土质有关，基座底表面积可按下式计算：
m
式中
—基座底部表面积，
；
—包括基础质量在内的总载荷，
；
—小于1的安全系数，取值视地基土质而定；
—地基土质允许承受能力，
。
1.6渣铁处理系统的设计
1.6.1炉前操作平台
炉前操作平台是指风口下面沿炉缸四周设置的整个平台。
包括风口平台、渣口平台和出铁场。
1）风口平台及出铁场
风口平台是指在风口在下面沿炉缸四周设置的操作平台，一般比风口中心线低
mm。
为了便于观察风口和检查冷却设备以及进行更换风、渣口等冷却设备的操作，风口平台应宽敞平坦，但应留有一定泄水坡度。
在铁口侧布置着铁钩和下渣沟的炉前平台成为出铁场。
出铁场有矩形出铁场、双矩形出铁场和环行出铁场。
天钢3200m3高炉采用双矩形除铁场布置，设4个铁口每个出铁场有2个铁口，夹角为78.75[17]。
国内大型高炉除铁口夹角见表1.5
表1.5我国3000m3以上高炉出铁场形式及铁口夹角
项目
炉容，m3
铁口数，个
升级会员 