高炉本体知识讲解.docx
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高炉本体知识讲解
高炉本体
3.2高炉炉衬
优化高炉炉型
我国炼铁工作者历来重视高炉炉型设计，通过研究总结高炉破损机理和高炉反应机理，优化高炉炉型设计的基本理念已经形成。
（1）加深死铁层深度
实践证实，高炉炉缸炉底“象脚状”的异常侵蚀，主要是由于铁水渗透到碳砖中，使碳砖脆化变质，再加之炉缸内铁水环流的冲刷作用而形成的。
加深死铁层深度，是抑制炉缸“象脚状”异常侵蚀的有效措施。
死铁层加深以后，避免了死料柱直接沉降在炉底上，加大了死料柱与炉底之间的铁流通道，提高了炉缸透液性，减免了铁水环流，延长了炉缸底部寿命。
理论研究和实践表明，死铁层深度一般为炉缸直径的15%~20%。
（2）适当加高炉缸高度
高炉在大喷煤操作条件下，炉缸风口回旋区结构将发生变化。
适当加高炉缸高度，不仅有利于煤粉在风口前的燃烧，而且还可以增加炉缸容积，以满足高效化生产条件下的渣铁存储，减少在强化冶炼条件下出现炉缸“憋风”的可能性。
近年我国已建成或在建的大型高炉都有炉缸高度增加的趋势，高炉炉缸容积为有效容积的16%~18%。
（3）加深铁口深度
铁口是高炉渣铁排放的通道，铁口区的维护十分重要。
研究表明，适当加深铁口深度，对于抑制铁口区周围炉缸内衬的侵蚀具有显著作用，铁口深度一般为炉缸半径的45%左右。
这样可以减轻出铁时在铁口区附近形成的铁水涡流，延长铁口区炉缸内衬的寿命。
（4）降低炉腹角
降低炉腹角有利于炉腹煤气的顺畅排升，从而减少炉腹热流冲击，而且还有助于在炉腹区域形成比较稳定的保护性渣皮，保护冷却器长期工作。
现代大型高炉的炉腹角一般在800以下，本钢1号高炉2600（上标）炉腹角已降低到75.370。
3.3炉体冷却方式
长寿炉缸炉底的关键是必须采用高质量的碳砖并辅之合理的冷却。
通过技术引进和消化吸收，我国大型高炉炉缸炉底内衬设计结构和耐火材料应用已达到国际先进水平。
以美国UCAR公司为代表的“导热法”（热压炭砖法）炉缸设计体系已在本钢、首钢、宝钢、包钢、湘钢等企业的大型高炉上得到成功应用；以法国SAVOIE公司为代表的“耐火材料法”（陶瓷杯法）炉缸设计体系在首钢、梅山、宝钢、鞍钢等企业的大型高炉上也得到了推广应用。
日本大块炭砖——综合炉底技术在宝钢、武钢等企业的大型高炉上也取得了长寿实绩。
“导热法”和“耐火材料法”这两种看来似乎截然不同的设计体系其技术原理的实质却是一致的。
即通过控制1150℃等温线在炉缸炉底的分布，使炭砖尽量避开800~1100℃脆变温度区间。
导热法采用高导热、抗铁水渗透性能优异的热压小块炭砖，通过合理的冷却，使炭砖热面能够形成一层保护性渣皮或铁壳，并将1150℃等温线阻滞在其中，使炭砖得到有效的保护，免受铁水渗透、冲刷等破坏。
陶瓷杯法则是在大块炭砖的热面采用低导热的陶瓷质材料，形成一个杯状的陶瓷内衬，即所谓“陶瓷杯”，其目的是将1150℃等温线控制在陶瓷层中。
这两种技术体系都必须采用
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具有高导热性且抗铁水渗透性能优异的炭砖。
将两种设计组合在一起不失为一种合理的选择，首钢1号高炉2536（上标）采用热压炭砖——陶瓷杯组合炉缸内衬技术，至今已安全运行10年，预计高炉炉缸炉底寿命可以达到15年。
随着微孔炭砖、超微孔炭砖的相继问世，大块炭砖综合炉底技术得到进一步发展，但采用此种结构的炉缸炉底须长期进行护炉操作。
另一种值得关注的现象是高炉炉底和炉缸壁厚度都呈减薄趋势，个别大型高炉的炉底厚度已经减薄到2400mm，首钢首秦公司1号高炉1200（上标）炉缸采用热压炭砖，其炉缸厚度仅为800mm。
1、铜冷却壁
20世纪70年代末期，德国GHH公司和蒂森公司合作率先在高炉上应用了铜冷却壁，取得令人满意的效果。
高炉铜冷却壁具有高导热、抗热震、耐高热流冲击和长寿命等优越性能，越来越多的应用于国内外大型高炉的关键部位，为高炉高效长寿起到了重要作用。
我国对铜冷却壁的研究始于20世纪90年代中期。
广东汕头华兴冶金备件有限公司和首钢合作，于2000年1月设计研制出2块铜，应用了该公司提供的120块铜冷却壁，这是我国高炉正式使用铜冷却壁，并安装冷却壁技术已经实现国产化。
据不完全统计，目前我国用国产铜冷却已在首钢2号高炉1726（上标）上试用，取得了显著的应用效果。
2002年3月首钢2号高炉技术壁，标志着铜冷却有20余座大型高炉采用了国产铜冷却壁。
采用铜冷却壁的技术原理是依靠铜冷却壁优异的导热性、抗热震性和耐高热流冲击性，在其热面能够形成比较稳定的保护性渣皮。
即使渣皮瞬间脱落，也能在其热面迅速地形成新的渣皮保护冷却壁，这种特性是其他常规冷却器所不能比拟的。
实践证明，铜冷却壁是一种无过热冷却器，使用寿命可以达到20~30年。
铜冷却壁在首钢、武钢、本钢、鞍钢、攀钢、湘钢等企业的大型高炉上已经得到了应用。
目前，我国已经研制出多种不同形式的铜冷却壁，有轧制铜板钻孔铜冷却壁、铜管铸造铜冷却壁、Ni-Cu合金管铸造铜冷却壁、铸造坯锻压钻孔铜冷却壁和连铸铜冷却壁等。
轧制铜板钻孔铜冷却壁由于结构致密、组织缺陷少、冷却效率高，其应用范围最为广泛。
铜冷却壁是高炉长寿的关键技术之一，铜冷却壁的应用使高炉在不中修的条件下，寿命达到15~20年成为可能。
铜冷却壁应使用在高炉热负荷最大的区域，即炉腹、炉腰和炉身下部，该区域是高炉异常破损严重且造成高炉短寿的关键部位，在此区域使用铜冷却壁对于延长高炉寿命具有重要作用。
此外，在高炉炉缸（特别是铁口区）使用铜冷却壁也将会取得良好的应用效果。
进一步优化铜冷却壁结构，降低造价是我国铜冷却壁技术发展的重要课题。
2、软水密闭循环冷却技术
高炉冷却系统对于高炉正常生产和长寿至关重要。
20世纪80年代末期，我国高炉开始采用软水密闭循环冷却技术，经过不断地改进和完善，软水密闭循环冷却技术已日趋完善，并成为我国大型高炉冷却系统的主流发展模式。
软水密闭循环冷却技术使冷却水质得到极大改善，解决了冷却水管结垢的致命问题，为高效冷却器充分发挥作用提供了技术保障。
该系统运行安全可靠，动力消耗低，补水量小，维护简便。
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近年来，我国高炉软水密闭循环冷却技术进行了许多优化和改进：
①根据冷却器的工作特点，分系统强化冷却，单独供水；②根据高炉不同部位的热负荷情况，在垂直方向上分段冷却，如炉缸、炉底设计为一个冷却单元，炉腹、炉腰和炉身下部设为一个冷却单元；③为便于系统操作和检漏，采用圆周分区冷却方式，在高炉圆周方向分为4个冷却区间；④软水串联冷却，软水经炉底、冷却壁后，分流一部分升压在冷却风口、热水阀等。
这种串联冷却系统具有占地小、投资抵、动力消耗低的特点，在武钢1号高炉2200（上标）上已经得到应用。
3、薄壁内衬，砖壁一体化
高炉炉体破损机理的研究，使人们更加清楚地了解了高炉内衬和冷却器的工作条件。
现代传热学理论的研究和运用，已将人们从传统的思维困惑中解脱出来，形成现代高炉长寿设计的基本理念，薄壁内衬技术就是在此条件下应运而生。
所谓薄壁内衬就是对高炉内衬和冷却壁进行优化组合，形成砖壁一体化结构，解决炉腹、炉腰和炉身下部高热负荷区的短寿问题，使其寿命与高炉炉缸、炉底的寿命同步。
我国已有数座大型高炉采用了砖壁一体化的薄壁内衬技术。
冷却壁取消了凸台，消除了冷却壁最薄弱的部位，而且冷却壁热面全部采用耐火材料保护，即所谓全覆盖镶砖冷却壁。
这种砖壁一体化的冷却壁是在第四代冷却壁的基础上优化演变而来的，其内衬厚度仅为150~250mm。
大型高炉炉腹、炉腰、炉身下部采用铜冷却壁，炉身中部也采用此种结构，炉身上部设2~3段C型光面水冷壁，这应是一种配置合理的长寿炉体结构。
4、耐火材料
高炉各个部位由于所处环境不同，选择的耐火材料也不同。
炉底和炉缸受高温，化学侵蚀，静压和冲刷作用选用陶瓷杯炉底炉缸，本实用新型涉及一种高炉炉缸炉底内衬结构，特别适用于1000m3级以上高炉炉缸炉底内衬。
本实用新型将导热法和耐火材料法溶为一体，采用热压炭砖-陶瓷杯组合炉缸炉底内衬结构，炉底满铺大块炭砖，其上部中心区域砌筑莫石砖，周边区域砌筑热压炭砖；炉缸壁内侧由棕刚玉预制块，外侧由热压炭砖及大块炭砖构成，该炉缸炉底组合内衬能够满足高炉长寿的要求，其寿命达到或超过15年，经济效益显著。
陶瓷杯炉底缸有高的荷重软化温度和较强的抗侵蚀性能和低导热性，使高温等温线集中在刚玉和莫来石炉衬中，炭砖的高导热性又可将热量很快传出去，达到保护炉底的目的。
炉腹受强烈的热力作用，还有料柱压力和崩料和作料时的冲击力，采用炭质内衬。
炉腰和炉身中下部受高温煤气流冲刷和热冲击，化学侵蚀，要选用导热性好，高温耐磨，抗侵蚀性能好的耐火材料，选用烧成铝炭砖并加强冷却。
炉身上部受炉料的冲击磨损，粉尘的冲刷和金属蒸气侵蚀，采用高铝砖。
炉喉采用炉喉钢砖。
5、自动检测与控制
自动检测是高炉长寿不可缺少的技术措施。
炉缸炉底温度在线监控已成为监控炉缸炉底侵蚀状态的重要手段，也是建立炉缸炉底内衬侵蚀数学模式所必要的条件。
炉腹、炉腰、炉身下部区域，温度、压力的检测为高炉操作者随时掌控炉况提供了有效的参考。
通过对冷却水流量、温度、压力的检测。
可以计算得出热流强度、热负荷等参数，而且还可以监控冷却系统的运行状况。
炉喉固定测温、炉顶摄像、煤气在线自动分析、炉衬测厚等技术的应用使高炉长寿又得到了进一
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步的保障。
我国宝钢、武钢、首钢、本钢、湘钢的大型高炉还引进了人工智能高炉冶炼专家系统，为延长高炉寿命创造了有利条件。
6、炉体维护技术
用含钛物料护炉，是由于在高温条件下还原生成TiC、TiN或Ti（C、N）等高熔点化合物，沉积在炉缸炉底，对其形成保护层。
我国高炉已成功应用了含钛物料护炉技术，钒钛矿、含钛球团矿等护炉剂在高炉长寿实践中都取得了很好的效果，采用风口喷吹含钛物料护炉是延长高炉寿命的主要技术措施，但由于采用炉缸炉底内衬结构不同，开始护炉的时间也存在差异。
首钢3号高炉连续工作10年尚未进行护炉操作，这也从某种程度上证实了热压炭砖技术体系的合理性。
我国高炉炉体快速修补技术已经得到推广应用。
炉尘遥控喷补、压浆等炉衬修补技术已成为现阶段延长高炉风口以上区域寿命的重要技术措施。
微型冷却器、冷却壁水管再造等冷却壁修复技术也日渐成熟。
3.4冷却系统
1、高炉供水量，水压计算
1）高炉炉体冷却水带出热量估算
Q=（0.12n+0.0045Vu）×1000000
=（0.12×26+0.0045×2305.5）×1000000
=13494750Kcal/hj
2）高炉热负荷计算
取平均水温差ΔT=7℃
表3-1炉体各部分水温允许范围（℃）
部位
炉身上部
炉身下部
炉腰
炉腹
风口带
炉缸
风口大套
风口二套
允许范围（℃）
10~14
8~12
7~12
7~10
3~5
4
5~6
7~8
3）水压确定
表3-2各部分给水压力
部位
供水主管
炉体上部
炉体下部
风口处
水压Mpa
0.34~0.39
0.15~0.18
0.196~0.25
3.0
4）炉体供水的水质和水温
表3-3水质和水温
进水温度℃
悬浮物
暂时硬度
35
200mgN/l
10mgN/l
5）冷却壁配管直径与流速
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表3-4各部分的管径与流速
部位
炉缸
风口处
炉腹
炉腰
炉身
风口大套
风口中套
风口小套
管径mm
70
70
70
70
70
流速m/s
3.5
3.5
3.5
3.5
3.0
3.0
4.0
4.0
2、炉体检测
为确保高炉生产稳定、顺行、安全、长寿，必须设置可靠的监测装置，包括炉体温度监测，炉衬耐材厚度监测，冷却元件、冷却介质的温度监测；冷却水流量、压力监测；炉身压力与压力差监测；炉内料面监测系统。
3.5高炉钢结构及高炉基础
1、高炉钢结构
高炉钢结构包括：
炉壳、支柱和框架、炉腰托盘、炉顶平台、斜桥、热风炉及其送风系统管道、除尘器及其煤气系统管道以及走梯、过桥、平台等。
高炉钢结构是保证高炉正常冶炼的重要设施。
设计高炉钢机构应考虑的主要因素是：
1）高炉是庞大的竖炉，设备层层叠叠，钢结构设计必须考虑各种设备安装、检修、更换的可能性；要考虑到大型设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性和方便；
2）高炉亦是高温高压反应器某些钢结构构件应具有高温强度、耐磨性和可靠的密封性；
3）运动装置运动轨迹周围，应留下有足够的净空尺寸，并且要考虑到安装允许的误差和受力变形等因素；
4）对于支撑构件，要认真分析载荷条件，做强度计算。
主要载荷包括：
工作中的静载荷、动载荷、事故载荷（例如崩料、坐料引起的载荷），检修、安装时的附加载荷，以及外载荷（风载、地震等）；
5）露天钢结构，扬尘点附近钢结构，应避免积尘积水；
6）合理设置走梯、过桥和平台，方便操作，安全可靠。
（1）高炉本体钢结构
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有大框架和炉缸支柱式、炉缸炉身支柱式、炉身框架式、自主式。
本设计采用炉缸炉身支柱式。
炉顶框架、上料系统、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。
（2）炉壳
炉壳一般由钢板制成，上至炉顶封板，下部坐落在高炉基础之上，是不等截面的圆筒体，它起着固定冷却设备，保证高炉砌体牢固的作用，还承受着传递上部的载荷和高温高压。
因此，炉壳必须有一定强度。
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炉壳外形与炉衬和冷却设备配置要适应。
存在着转折点，转折点有减弱强度的作用。
由于冷却设备，炉壳需要开孔。
折点和开孔应避免在同一截面。
炉缸下部折点应在铁口旷以下100mm以下，炉腹折点应在风口大套法兰边缘以上大于100mm处。
炉壳开口处需补焊加强板，从这一点考虑，应采用插入式冷却板对炉壳强度损伤大，而冷却壁则小。
表3-5高炉炉壳厚度
高炉容积
高炉结构形式
炉底
风口区
炉腹
炉腰
炉身下部
炉顶及炉喉
炉身及其他部分
2305.5m
炉体框架式
36
mm
36
mm
32
mm
30
mm
28
mm
32
mm
24
mm
（3）炉体框架
炉体框架由四根支柱组成，上至炉顶平台，下至高炉基础，与高炉中心成对称布置，在风口平台以上部分采用钢结构，有“工”字断面，也有圆形断面，圆筒内灌以混泥土。
风口平台以下部分可以是钢结构，也可以采用钢筋混泥土结构。
（4）热风围管
为了不影响炉前作业，热风围管都采用吊挂式。
1）热风围管的直径由下式计算：
v=
df=
2）风口直径，根据风速计算：
d=4pv/（24×13833×3.14×N·ω）=0.026m
2、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。
高炉基础由埋在地下的基座和地面上的基墩组成。
对高炉基础的要求：
1）高炉基础应把高炉全部载荷均匀地传给地基，不发生沉陷和不均匀的沉陷。
高炉基础下沉引起高炉钢结构变形，管路破裂；不均匀下沉将引起高炉倾斜，破坏炉顶正常布料，严重时不能正常生产。
高炉总体设计，对基础的下沉量和倾斜率都有严格要求。
2）具有一定的耐热能力。
一般混泥土只能在150℃以下工作，250℃便有开裂，400℃时失去强度，钢筋混泥土700℃时失去强度。
过去由于没有耐热混泥土基墩和风冷炉底设施；炉底破坏损到一定程度后，常引起基础破坏，甚至爆炸。
采用风冷和水冷炉底及耐热基墩后，可以保证高炉基础很好工作。
基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为2.5~3.0，设计上还可以利用基墩高度调节铁口标高。
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3）基座
基座直径：
d=
基座厚度由所承受的力矩计算，结合水文地质条件和冰冻线综合情况确定。
高炉基础一般应建在S允大于0.2Mp的土质上，如果过小，基础面积将过大，厚度也增加，使基础过于庞大。
故S允小于0.2Mp时应对基础加以处理，视土层厚度，处理方法有垫层，打桩，沉箱等。
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