包头地区1500m3高炉本体设计学位论文Word下载.docx

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两种基本炉型相互竞争，一种是矮炉腹型高炉，和一种是高陡面炉腹型高炉。

1750年，英国的工业革命开始了。

在燃烧上用焦炭代替木炭，这种转变使炼铁业突破了束缚，不再为木炭的短缺而陷入困境。

因为不仅民用燃烧需要大量木料，而且为了提高农业产量也在大量砍伐森林。

因此，对于人口密度高的国家，要靠木炭来增加铁的产量是不易的。

到18世纪末，煤和蒸汽机已使英国的炼铁业彻底改革，铁的年产量从公元1720年的2.05×

10000吨／年（大多是木炭铁）增加到1806年2.5×

100000吨／年（几乎全是焦炭铁）。

估计，每生产一吨焦炭需煤3.3吨左右。

但是，高炉烧焦炭势必增加碳含量，以致早期的焦炭生铁含碳在1.0％以上，全部成为灰口铁即石墨铁。

高炉的尺寸在18世纪内一直在增大。

从公元1650年约7米，到1794年俄国的涅夫扬斯克高炉已增高到13.5米。

因为焦炭的强度大，足以承担加入的炉料的重量。

大多数的炼炉采用炉缸、炉腹和炉身三部分按比例构成。

19世纪末，平滑的炉衬公认为标准的炉衬，这基本上已经是现在的炉型。

炉底直径约10米，炉高约30米。

全部高炉都设有两只以上的风嘴。

另一个巨大的进步就是采用热风。

20世纪后，现代钢铁业就蓬勃发展起来。

1.2高炉炉型及展过程

高炉是竖炉，高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或高炉内型。

高炉冶炼的质是上升的煤气流和下降的炉料之间进行传热传质的过程，因此必须提供燃料燃烧的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空问。

高炉炉型要适应原燃料条件的要求，保证冶炼过程的顺利。

图1—1现代高炉剖面图

主要受当时的技术条件和原燃料条件的限制。

随着原燃料条件的改善以及鼓风能力的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展，炉型演变过程大体可分为3个阶段。

（1）无型阶段——又称生吹法。

在土坡挖洞，四周砌行块，以木炭冶炼，这是原始的方法。

（2）大腰阶段——炉腰尺寸过大的炉型。

由于工业不发达，高炉冶炼以人力、蓄力、风力、水力鼓风，鼓风能力很弱，为了保证整个炉缸截面获得高温，炉缸直径很小，冶炼以木炭或无烟煤为燃料，机械强度很低，为了避免高炉下部燃料被压碎，从而影响料柱透气性，故有效高度很低；

为了人工装料方便并能够将炉料装到炉喉中心．炉喉直径也很小，而大的炉腰直径减小了烟气流速度，延长了烟气在炉内停留时间，起到焖住炉内热量的作用。

因此，炉缸和炉喉直径小，有效高度低，而炉腰直径很大。

这类高炉生产率很低,一座28m3高炉日产量只有1.5t左右。

19世纪末，由于蒸汽鼓风机和焦炭的使用、炉顶装料设备逐步实现机械化，高炉内型趋向于扩大炉缸和炉喉直径，并向高度方向发展，逐渐形成近代五段式高炉炉型。

最初的五段式炉型，基本上是瘦长型，由于冶炼效果并不理想，相对高度又逐渐降低。

（3）近代高炉，由于鼓风机能力进一步提高．原燃料处理更加精细，高炉炉型向着“大型横向”发展。

高炉内型合理与否对高炉冶炼过程有很大影响。

炉型设计合理是获得良好技术经济指标，保证高炉操作顺行的基础[1]。

1.3高炉用耐火材料

在侵蚀性因素联合作用下引起高炉炉衬损毁，这些因素包括:

炉渣、碱类物质、铁水、气体介质、炉料磨损、热应力等。

高炉每个部位使用条件的不同，要求区别对待炉衬每个区段用相应耐火材料的选择。

大体上假定将高炉分为两部分:

上部—风口区以上部分;

下部—风口区以下部分。

同样地上部分还可分为若干小区段—非冷却炉身的上部、冷却炉身的下部、炉腹、炉腰和风口区。

目前这些小区段均采用牌号IUII1-39及IuII1-41的粘土质耐火材料砌筑。

对损毁因素影响条件不同的各区段炉衬采取如此笼统地对待方法不会得到有效的结果。

炉衬的个别区段过早损毁。

为了在炉子有节秦工作和最佳操作制度下组织其稳定的作业，必须将非冷却炉身的上部分砌为两层炉衬:

第一层（工作层）由VIII及-41粘土质耐火材料砌筑，第二层由MKPII-340纤维板砌筑。

该纤维板是由含50%A1203的莫来石硅质纤维制造的。

由两层材料组成的复合炉衬可以抵抗炉料的摩擦作用，而且可以减少透过炉壳的热量损失。

对于炉身的冷却部分来说，近10年来国外广泛采用氮化硅结合、氧氮化硅结合和自结合碳化硅质耐火材料，其使用效果良好。

我们推荐在炉身下部采用双层炉衬，即工作部分由IUII八-41粘土质耐火材料砌筑，第二层由氮化硅结合的碳化硅质耐火材料砌筑。

推荐的复合炉衬可以保证达到更强化而均匀的冷却。

对炉腰也推荐采用类似的炉衬，而炉腹则采用碳化硅质耐火材料砌筑。

风口区下部的炉衬则推荐采用ILI17八-42粘土质耐火材料和刚玉碳化硅质耐火材料砌筑。

对于炉缸的上部来说，推荐采用刚玉碳化硅质耐火材料。

此种耐火材料由电熔刚玉及共同细粉碎混合物组成。

共同细粉碎混合物中包括30%Sic,10%Si及下列氧化物中的任何一种:

MgO,A12O3及ZrO2。

含有氮化物结合剂的刚玉耐火材料对熔融炉渣及金属液的作用具有较高的抵抗性。

耐火材料的开口气孔率介于14%一17%之间，体积密度2.83g/cm3一2.97g/cm3，耐压强度124MPa--187MPa。

此类耐火材料中的结合剂为氮化硅、氧氮化硅及赛隆。

为了砌筑高炉炉身内衬，采用碳化硅质耐材料，后者对化学因素及物理机械因素具有较高的抵抗性。

碳化硅质耐火材料应用于炉身下部、炉腰、炉腹和炉缸上部。

炉缸下部及炉底内衬的结构.其左侧为目前采用的结构，右侧为推荐的采用新型耐火材料的结构。

内衬使用的持续时间在很大程度上受到膨胀缝放置的位置正确与否及用于充填该类缝的碳素泥料质量的高低等因素制约。

由于沿着直径及高度方向炉衬受到的加热温度的不同，要求单独地区别对待每一个温度区和分区砌筑的砌体结构，并要考虑在加热及冷却时炉衬的体积变化。

在操作过程中出现的热应力应使之分散。

在整个砌体内要预留应力释放处，这便是膨胀缝。

热导率为10w/（m.·

K）一15W/（m·

K）的碳素泥料便能满足此类要求。

在一些钢铁厂中到目前为止一直沿用以粘土熟料、生粘土、焦炭和沥青为原料的水调的炮泥。

此类炮泥的使用寿命较低，收缩率较高及附着强度低。

乌克兰耐火材料科学研究院研制成功无水炮泥并在克里沃罗格钢铁公司进行推广应用。

该炮泥由焦炭、煤焦油、煤沥青、生粘土及粘土熟料组成，其性能如下:

体积膨胀率2.5%——3%;

耐压强度镇9MPa;

被铁水冲刷速度低〔1.0mg/（cm2·

min）——1.3mg/（cm2·

min）。

因此，炮泥的耗量下降50%一65%,泥套用泥的耗量下降90%以上。

采用此种炮泥后，保证出铁口及出渣口封堵可靠，允许高炉每次出铁水1000吨以上及出渣400吨，而且未降低鼓风压力，并消除了出铁水时夹带焦炭的现象[2]。

1.3.1高炉用耐火材料的演变

炼铁技术的发展带动了高炉用耐火材料的进步。

不过高炉炉衬的更新换代是十分缓慢的。

由于近几十年高炉的大型化及其广泛采用强化冶炼的高炉操作，相应地高炉用耐火材料也出现了重大变化。

在炉身上部这个区域温度较低，目前用耐火材料有：

高铝砖、粘土砖、浸渍磷酸盐粘土砖、最上部紧靠钢砖部位国外也有用SiC砖的。

这个部位并不是影响高炉寿命的决定因素，耐火材料基本都是Al2O3-SiO2系，没有发生太大变化。

高炉中段用耐火材料，在50年代以前，全世界的高炉基本上都是Al2O3-SiO2系耐火制品。

进入六十年代中后期，工业先进国家重点研究解决高炉中段用耐火材料重要进行了以下两个方面的工作：

1）优质高纯高铝制品，包括刚玉砖、刚玉-莫来石砖和铬刚玉砖等；

2）优质碳化硅制品，主要为自结合和氮化硅结合的碳化硅砖。

进入80年代中期至今，研究开发了Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉砖。

探索范围是从优质高纯高铝制品开始的。

构思渊源是在传统粘土砖和高铝砖的基础上提高纯度和密度。

工艺措施是采用高纯刚玉砂、合成莫来石和氧化铬原料、高压成型和高温烧成。

这些制品气孔率低，高温强度较高，耐磨性强，抗CO和抗碱侵蚀性能也有一定提高。

在七十年代国际上许多高炉先后采用它们来砌筑中段（宝钢从新日铁引进的大型高炉采用刚玉砖）。

然而，十几年的实践说明，采用优质高纯高铝制品在提高中段寿命效果不够显著，一般只能提高1-2年，未能达到满意的技术经济效益。

究其原因，关键在于Al2O3-SiO2系耐火材料无论是刚玉还是莫来石，其抗碱侵蚀性不够理想。

它们容易被碱蒸气或碱凝聚物所分解，并伴随有较大的体积膨胀，从而导致材料损毁。

例如它们在碱的作用下，600-900℃会形成钾霞石（KAS2）、白榴石（KAS4）、六方钾霞石（KAS2）、铝酸钾（KA）、β-氧化铝（β-Al2O3）等矿物并引进6-20%体积膨胀。

几个主要化学反式如下：

Al2O3•2SiO2+K2CO3→K2O•Al2O3•2SiO2+CO2

Al2O3•2SiO2+2SiO2+K2CO3→K2O•Al2O3•4SiO2+CO

3Al2O3•2SiO2+K2CO3→K2O•Al2O3•2SiO2+2Al2O3+CO2

Al2O3•2SiO2+K2O•SiO2→K2O•Al2O3•2SiO2+SiO2

3Al2O3•2SiO2+K2O•SiO2→K2O•Al2O3•2SiO2+Al2O3

另一条途径是从金属非氧化物入手。

考虑到非氧化物一般抗碱侵蚀性能较好，只要具有适当的抗氧化性，很可能成为较理想的中段材料。

优质SiC制品被人们重视和大量采用是从七十年代中后期才开始，而且后来居上。

1969年在比利时首先出现了高炉用SiC砖衬试验。

1971年美国在高炉的风口区试用过，1974年日本Muroran于炉身下部试用，1976年美国Spaiicw.Point,1977年法国Dunkerque用于炉腰。

此后，它的优越性很快被实践所证明，因而得到迅速推广应用。

高炉炉底和炉缸耐火材料，在50年代以前，基本上以铝硅质耐火材料为主，但使用寿命不长，经常出现炉缸、炉底烧穿事故。

1939年德国第一次使用炭砖砌筑炉底，取得了好的效果，后来日本、美国改用炭砖和致密粘土砖实行综合炉底，使用寿命达到15年。

在中国，1958年以后才采用炭砖砌筑炉底，解决了炉底炉缸烧穿的技术难题。

60年代，使用全碳质炉底使高炉炉底损毁状况得到重大改进，降低了炉底的磨损，延长了炉底的寿命，但这种炉底的热损失很大，且对短暂的休风非常敏感。

所以，对复风后恢复正常操作带来困难。

1984年法国Savoie耐火材料公司首次在德国蒂森钢铁公司高炉上采用了一种新型复合式炉衬，称为“陶瓷杯”。

从此以后，德国、法国、南非、瑞典、比利时、中国、南韩、印度等国家高炉广泛采用“陶瓷杯”技术。

据统计，1984～1990年，有11座高炉采用陶瓷杯技术；

1991～1994年有12座高炉采用陶瓷杯；

1995年至今至少有11座高炉采用陶瓷杯技术[3]。

1.3.2高炉炉衬新材料

炉衬用耐火材料的寿命决定着高护的炉役年限。

目前世界上采用的两种不同的办法是:

A）砌筑昂贵的炉衬来满足高炉的整个炉役年限，

B）砌筑不太昂贵的炉衬，而在高护的炉役内对炉衬进行一次或二次的“中间性修补”，尤其是在高炉的炉腰及炉身部位.

在这两种情况下，设计的炉缸可以持续使用到整个炉役结束.高炉的使用寿命完全取决于高炉炉缸的寿命。

为普遍延长高炉的炉役的年限和提高生产效率，新开发出的各种耐火材料是十分必要的。

例如在炉底及炉缸璧使用的耐火材料新品种有:

微孔碳质，特殊石墨质和其它改进的耐火材料。

上述两种提高高炉使用寿命的策略有若干种可能性。

但就如何在花费最低的情况下使高炉的护龄达到最长，进行设计研究将会获得最佳方案。

在高炉重新换衬之前，人们就开始进行了对所有耐火材料及护衬设计的研究工作。

过去，通常购买与上一个炉役中使用的耐火材料相类似的材料进行砌衬，而使用得以改进的材料却是谨小慎微的。

在这篇文章中，我们将主要针对高炉炉底炉缸的设计进行叙述。

这一次，主要对高炉的这一部位进行研究.采用较大幅度的改进和高度复杂化耐火材料，需要进行大量的设计工作。

要进行炉衬计算及改进设计需要有大量的有关耐火材料的数据，而这些数据在过去耐火材料中都是未知的，它们类似或等同于炼钢工艺中所熟悉的数据。

从事这项设计工作，不仅要具备耐火材料及其性能方面的知识，而且还要具备高炉及其操作方面的知识，同时还要了解原材料供货厂家。

高炉的操作数据及其炉衬材料的侵蚀机理是完成昂贵的高炉的长炉役所有工作的础。

①炉缸用碳质耐火材料

自从碳质材料被人们认识很久以来，它就被用在高炉炉底及炉缸部位。

同时也被应用在炉腹部位。

前些年，人们采用缩小气孔的方法来提高碳及石墨的等级，对此人们做了大量的调查和研究。

这项开发的目的是为了降低和避免高炉炉衬用碳砖受铁水的侵蚀及改善炉衬用特种砖的热化学性能，Wilkening等人进行了这项研究。

同时加入某些添加剂，一方面可以改善碳砖的抗铁水及炉渣侵蚀性，另一方面可以抵抗在熔池中以一定速度流动着的铁水的磨损。

在八十年代，VAW,DIDIER及后来的DME公司先后开发了具有上述特性的新一代碳砖品种。

②碳质耐火材料的性能

1）多微气孔

如果一块碳砖，直径大于1um孔体积不大于气孔总体积的30%则这块碳砖就被认为具有多微孔性。

不同种类砖的气孔率取决于添加剂的种类。

如加入A1和Si则会有很大的改进，

2）铁水和炉渣的性能

我们把不同的碳砖铁水侵蚀性的情况示于图2言，具有多微孔性及超微孔性碳质材料是最理想的。

同样尽管渗透比较剧烈，但对渗透性，它们也是最理想的。

图1—2抗铁水侵蚀性—溶解值

3）热传导性

不同类型的碳砖的热传导性示于图3图中出示三组材料：

—不同气孔率的标准碳质材料;

—不同气孔率的半石墨质材料;

—石墨质材料。

图1—3不同碳砖的热传导性

4）热力学性能

加入添加剂可以提高碳砖的常温耐压强度。

微孔碳砖的弹性模量非常高，大约是标准碳砖弹性模量的3倍。

在工艺设计中必须要考虑这种热力学性能，这一点在后面还要继续讨论[4]。

五年以来在几座高炉砌筑了这种具有很高气孔率的新品种碳砖，其砌筑部位如下:

炉底;

b炉底边缘;

。

炉缸;

d出铁沟;

e炉腹。

表4是砌筑了微孔碳砖的各厂家情况。

到目前为止，这一实践是很成功的。

自砌筑以来到目前为止，还未有一座高炉重新换衬。

再过几年，我们就会对这种得以改进的材质的特性有更多的了解。

1.3.3我国耐火材料的发展

在中国，第一座砌筑Si3N4结合SiC耐火材料的鞍钢6#高炉于85年11月1日投产，不中修使用寿命达到7年，比鞍钢八十年代高炉炉身平均寿命3.9年延长了80%。

为我国一代炉身寿命7年不中修提供了宝贵的经验。

Si3N4结合SiC砖在鞍钢6#高炉使用成功，对SiC砖在我国高炉上的应用起了推动作用，自1985年来，先后在太钢、本钢、唐钢、攀钢、武钢、酒钢、首钢、宝钢等国内大中型高炉上得到普遍使用。

其经济效益和社会效益已被人们所认识。

SiC砖在高炉上使用对延长高炉一代炉龄发挥了重要作用。

至1987年，一种采用Sialon/Si3N4结合SiC产品进入加拿大、美国和日本。

它的耐氧化性和耐碱侵蚀性要比Si3N4结合SiC砖有所提高。

欧洲的一些工厂也开发了第二代和第三代赛隆结合的产品。

所有这种研究和试验都将继续加强含有赛隆的氮化硅结合的基本概念。

在我国，洛阳耐火材料研究院自1986年开始进行了赛隆Si3N4结合SiC砖的开发研究，并和山东生建八三厂一起共同完成了100T这种产品砌筑到鞍钢4#高炉上。

该高炉自九十年代初投产并连续运转10年。

Sialon结合刚玉耐火材料得到研究和开发，它比Sialon结合SiC砖具有更好的抗碱性和抗氧化性，导热系数低，更适合用于高炉炉腹，炉腰部位炉衬材料，以减少热量损失。

1.4高炉冷却设备的作用

高炉冷却设备是高炉炉体结构的重要组成部分，对炉体寿命可起到如下作用：

（1）保护炉壳。

在正常生产时，高炉炉壳只能在低于80℃的温度厂长期工作，炉内传出的高温热量由冷却设备带走85％以上，只有约15％的热量通过炉壳散失。

（2）对耐火材料的冷却和支承。

在高炉内耐火材料的表面工作温度高达1500℃左右，如果没有冷却设备，在很短的时间内耐火材料就会被侵蚀或磨损。

通过冷却设备的冷却可提高耐火材料的抗侵蚀和抗磨损能力。

冷却设备还可对高炉内衬起支承作用，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、炉料的顺行起到良好的作用。

（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。

1.4.1高炉冷却系统的结构形式

由于同炉备部位热负荷不同，采用的冷却形式也不问。

现代高炉冷却方式有外部冲却和内部冷却两种。

内部冷却结构又分为冷却掳、冷却板、板壁结合冷却结构及炉底冷却。

①外部喷水冷却

在炉身和炉腹部位装设有环形冷却水管，水管直Φ50---Φ150mm，距炉壳约100mm．水管上朝炉壳的斜广力钻有若干Φ5—Φ8mm小儿，小孔间距100mm。

冷却水经小孔喷射到炉壳上进行冷却。

为了防止喷溅，在炉壳上装有防溅板，防溅板与炉壳间团有8—10mm缝隙．冷印水沿炉壳流下至集水槽再返凹水池。

外部喷水冷却装置结构简单，检修方便，造价低廉。

喷木冷却装置适用于小型高炉，对于大型高炉，只有在炉龄晚期冷印设备烧坏的情况下使用，作为一种辅助性的冷却严段，防止炉壳变形和烧穿。

②冷却壁

冷却壁设置于炉天与炉衬之间，有光面冷却壁和镶砖冷却壁两种。

通过研究冷却壁的损坏机理和考虑它的结构合理性后，新日铁开发了第三代和第四代冷却壁，第三代和第四代冷却壁的主要特点是：

（1）设置边角冷却水管，以防止冷却壁边角部位母材开裂。

（2）采用双层冷却水管，即在原有的冷却水管背面设置蛇形冷却水管，不但加强了冷却强度，而且当内层冷却管损坏后，外层冷却管仍可继续1：

作，从而保证了炉役末期继续维持正常冷却。

（3）加强凸台部位的冷却强度，采用双排冷却水管冷却。

并在凸台部位前端埋入耐火砖，防止强热负荷作用F的损坏。

（4）第四代冷却壁的炉体砌砖与冷却壁一体化，即将氮化物结合的碳化硅砖与冷却壁合铸在一起，这样较好地解决了砖衬的支承问题，缩短丁施工工期。

冷却壁的优点是：

冷却壁安装在炉壳内部，炉壳石开口，所以密封性好；

由于均布于炉衬之外，所以冷却均匀，侵蚀后炉衬内壁光滑。

它的缺点是消费金属多、笨重、冷却壁损坏后不能更换。

③冷却板

冷却板又称扁水稻，材质有铸钢、铸钢、铸铁和钢板等，以上各种材质的冷却板在国内南炉均有使用。

冷却板厚度70—110mm，内部持有别Φ44.5mm×

6mm无缝钢管，常用在炉腰和炉身部位，呈棋盘式布置，—般上下层间距500—900mm，同层间距150—300mm。

炉腰部位比炉身部位要密集一些。

冷却板前端距炉衬设计工作表面一砖距离230mm或345mm，冷却水进出管与炉壳焊接。

密封性好。

由于铜冷却板具方导热件好、铸造工艺较简单的特点，所以从18世纪末期就开始用于高炉冷却。

在一百多年的使用中，进行了不断的改进，发展为现在的六室双通道结构。

它是采用隔板将冷却板腔体分隔成6个室，即把冷却板断面分成6个流体区域，并采用两个进出水通道进行冷却。

此种冷却板结构的特点：

（1）适用于高炉高热负荷区的冷却，采用密集式的布置形式、如宝钢1号和2号高炉冷却板层距为312mm，霍戈文艾莫依登厂4号高炉冷却板层距为305mm。

（2）冷却板前端冷却强度大，不易产大局部沸腾现象；

（3）当冷却板前端损坏后可继续维持生产；

（4）双通道的冷却水量可根据高炉牛产状况分别进行调整。

（5）铜冷却板的铸造质量大大提高，为了避免铸造件内外部缺陷采用真空处理等手段，并选用了射线探伤标很（ASTM—E272）。

（6）能维护较厚的炉衬．便于更换，重量轻、节省金属。

但是冷却不均匀．侵蚀后高炉内表面凸凹不平、不利丁炉料下降。

④板壁结合冷却结构

冷却板的冷邻原理是通过分散的冷却元件伸进炉内的长度来冷却周围的耐火材料，并通过耐火材料的热传导作用来冷却炉壳、从而起到延长耐火材料使用寿命和保护炉壳的作用。

冷却壁的冷却原理是通过冷却壁形成一个密闭的围绕高炉炉壳内部的冷却结构、实现对耐火材料的冷印和对炉充的直接冷却。

从而起到延长耐火材料使用寿命和保护炉壳的作用。

在高炉炉身部位使用板壁结合冷却结构形式，是一种新型的冷却结构形式。

它既实现了冷却壁对整个炉壳的覆盖冷却作用，又实现了冲却板对炉衬的深度方向的冷却，并对冷却壁上下层接缝冷却的薄弱部位起到了保护作用，因而有良好的适应性[5]。

西方及日本冷却壁技术均由前苏联引进。

日本是在1967年引进,使用在新日铁名古屋3号高炉,炉寿为5.4年,新日铁称为第一代,相当于我国的第二代冷却壁。

经过12年的使用,对其冷却壁进行了改进,与我国目前使用的第三代冷却壁相当,但冷却壁内的冷却水管尽量冷却角部,镶砖仍为铸入砖。

新日铁第三代冷却壁1977年在广烟4号高沪上开始采用,于1993年6月停炉,高炉寿命为16年。

其特点是增加了背部蛇形管、上下角部管,镶砖为铸入石墨碳化硅砖。

用这种冷却壁高炉内不必砌砖。

第三代冷却壁采用在新日铁大分1号高炉。

从1979年8月开炉至1993年1月停炉,工作了13年5个月,损坏水73管根,约占冷却