高炉本体毕业设计完整版.docx
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高炉本体毕业设计完整版
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书
题目：
内蒙古包头地区条件下2500m³高炉炉体系统设计
学生姓名：
张瑜
学号：
1176803442
专业：
冶金工程
班级：
4班
指导教师：
宋萍
包头地区条件下2500m³高炉炉体系统设计
摘要
高炉炼铁的历史悠久，炼铁技术日益成熟，是当今主要的炼铁方式，随着炼铁技术的不断发展，高炉一代炉役寿命的不断提高，长寿高炉技术应用越来越广泛。
它是降低炼铁成本，提高钢铁企业经济效益的重要手段。
在大型高炉设计中，通过优化炉型、采用合理炉缸内衬结构、铜冷却壁、软水密闭循环冷却系统、薄壁内衬等技术为高炉长寿创造条件， 提出了长寿高炉的基本设计思想。
为了适应这一发展趋势，.在本次长寿高炉设计中，对高炉合理内型、合理内衬结构和不同部位耐火材料的选择、冷却方式和冷却系统（包括冷却器的结构、材质与水质等）及其它有关方面作了综合考虑。
关键词：
高炉长寿高炉内衬炉体冷却
DesignofLongLifeBF
ABSTRACT
HasalonghistoryofBFironmaking,isthemainwayofironmaking，BFcampaignlifeiscontinuouslyincreasedasunceasingdevelopmentofironmakingtechnology.Itisbeingusedmoreandmoreabroad.ThelongcampaigntechnologiesofblastfurnaceisoneofthemostimportantmeasureswhichreducetheironmakingproductioncostandimprovetheeconomicprofitsofIronandSteelCompany.InthedesignoflargeBF，thetechnologieslikeoptimizedBFprofile，reasonablehearthlining，copperstave，softwaterclosedcirculatingcoolingsystemandthin-walledliningetc.wereappliedtoprolongBFcampaignlife.Thebasicconceptofdesigninglongcampaignblastfurnacewasputforward.Inordertoadapttothetrend，duringdesigninglongcampaignblastfurnace，therational;furnaceprofile，rationalfurnaceliningstructureandselectionofdifferentrefractoriesforvariousareas，coolingmethodandsystem（includingcoolerstructureandmaterial，coolingwaterandsoon）andconcernedaspectsmustbecomprehensivelyconsidered.
KeyWords：
Blastfurnacelife.Blastfurnacelining.Furnacecooling
1.2高炉概述...............................................................................................................................2
第一章文献综述
1.1我国高炉炼铁发展现状
在经济发展的“新常态”下，钢铁行业正处于适应新常态之中转型升级、提质增效的重要阶段，技术创新对产业发展的支撑和引领作用日益突出。
为提高企业整体竞争力夯实基础，积极交流我国各钢铁企业大型高炉炼铁技术发展与进步，探讨实现高效生产、生态发展等方面的途径与措施
我国高炉的大型化和高炉长寿技术应用和推广已是我国钢铁工业走向新型化工业道路的必然选择。
实践多年,大型高炉的长寿技术,在我国从理论到实践上已经形成。
可以靠自己的技术完成一炉20年的目标。
现在的问题在于认真应用和推广。
对于经济工业发展较为落后的我国,高炉实现大型化是困难的。
这就是要求钢铁行业体制完善,使一些小的容量的高炉被替代，完成高效高负荷的生产。
总之,高炉的长寿技术必须是我们关注的要点。
1.2高炉概述
1.2.1高炉本体概括
高炉是一种以生产液态生铁的为目的的横断面为圆形的鼓风炼铁竖炉。
高炉本体的组成部分有高炉基础、钢结构、炉村、冷却装置，高炉炉型设计计算。
高炉有效容积（V有）表示高炉的大小；高炉车间的规模可以用有效容积表示，高炉本体设计的根本是有效容积和炉型。
高炉炼铁的特点：
不论是世界其它国家还是中国，高炉的容积都在不断扩大。
1.2.2高炉冶炼用的原料
高炉冶炼是获得生铁的主要方法，其工艺过程就是在高温下用还原剂（焦炭、煤等）将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的过程。
高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）三部分组成。
铁矿石一般都进行加工，按加工方式分为烧结矿（应用于贫铁矿铁的富集）与球团矿。
1.2.3高炉本体及附属设备
高炉生产是借助高炉本体及辅助设备来完成的。
高炉本体是冶炼生铁的必要设备，它是由耐火材料砌筑的树立式高炉圆形炉体，最外层炉壳是由钢板焊接而成的，在耐火材料和炉壳之间安装冷却设备。
完成冶炼还需要附属设备配合。
（1）高炉本体：
炉基、炉壳，炉衬，冷却设备，炉体支柱及炉顶框架等设备组成高炉本体；其中炉基使用钢筋混凝土和耐热混凝土结构搭建而成，炉衬用耐火材料砌筑，其余设备为金属结构件。
在高炉下部设有风口，铁口和渣口，上部设置有炉料装入口和煤气导出口。
（2）装料系统：
装料系统的作用是将炉料装入高炉并使之分布合理，设备主要包括装料、布料、探料及均压几部分。
按装料方式分主要有钟式炉顶、钟阀式炉顶和无料钟炉顶。
钟式炉顶主要包括受料漏斗、旋转布料器、大小料钟、大小料斗、大小料钟平衡杆机构、大小料钟电动卷扬机或液压驱动装置、探料装置及其卷扬机等。
（3）上料系统：
上料系统的任务是保证连续、均衡地供应高炉冶炼所需要原料，主要设备包括贮矿槽、贮焦槽、槽下筛、称量漏斗或称量车、槽上槽下胶带运输机、斜桥、给料机、料车及其卷扬机等。
（4）送风系统：
送风系统的任务是及时、连续、稳定、可靠的供给高炉冶炼所需热风，送主要设备包括高炉鼓风机，脱湿装置、富氧装置、热风炉、废气余热回收装置、热风管道、冷风管道及冷热风管道上的控制阀门等。
（5）喷吹系统：
喷吹系统的主要任务是均匀稳定的向高炉喷吹煤粉，促进高炉生产的节能降耗，主要设备包括磨煤机、主排风机、收尘设备、煤粉仓、中间罐、喷吹罐、混合器、输送气源装置、控制阀门与管道以及喷煤枪等。
（6）煤气除尘系统：
煤气除尘系统的任务是对高炉煤气进行除尘降温处理，以满足用户对煤气质量的要求，设备主要包括煤气上升管、煤气下降管、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、静电除尘器、捕泥器、净煤气管道与阀门等。
为了更好的保护环境，节约水资源，目前大型高炉均采用干法除尘，包括煤气管道、重力除尘器、旋风除尘器、布袋除尘器、减压阀组以及炉顶余压发电设备组成。
（7）渣铁处理系统：
铁渣处理系统的任务是及时处理高炉排出的渣、铁，保证生产的正常进行，主要设备包括开铁口机、堵铁口泥炮、铁水罐车、堵渣口机、炉渣粒化装置、水渣池及水渣过滤装置等。
（8）除尘系统：
出铁场﹑矿槽下﹑矿槽上及转运站设有除尘器。
1.2.4高炉炉型的发展现状
我国高炉炉型，随着原料条件的改善和操作技术的进步，由20世纪50年代的较细长型高炉逐步演化成较矮胖炉型发展。
由于原料条件和操作水平的进一步改善，炉型越发矮胖。
高炉的炉型发展主要分为如下三个阶段：
无腰阶段、大腰阶段和近代高炉阶段。
近代高炉均采用五段炉型，从上至下依次为：
炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸和死铁层构成。
1.3高炉炉底、炉缸对高炉长寿的影响
1.3.1高炉长寿概述
高炉长寿技术是一项包括装备、材料、设计、施工、维护、原料以及生产操作管理等方面的综合技术，高炉长寿是现代高炉发展的目标。
长寿直接关系到经济效益。
近几年，随着我国钢铁工业的发展，我国高炉的数量迅速增加，高炉容积向大型化发展，高炉的设计水平、高炉的寿命都有了较大的提高。
国外的先进高炉长寿水平较高，一代炉役（无中修）寿命可达15年以上，部分高炉达到20年以上。
高炉能否长寿主要取决于以下因素的综合效果：
（1）是高炉大修设计或新建时采用的长寿技术，如合理的炉型、优良的设备制造质量、高效的冷却系统、优质的耐火材料。
（2）良好的施工水平。
（3）是稳定的高炉操作工艺管理和优质的原燃料条件。
（4）是有效的炉体维护技术。
1.3.2炉缸、炉底侵蚀的特征及原因
炉缸炉底耐火材料侵蚀的主要特征为：
（1）“蒜头状”侵蚀的发展，使炉墙耐火材料的厚度减薄，冷却水温度升高，发展到一定程度时，必须停炉，否则可能会造成炉缸烧穿。
一般出现在炉缸、炉底交界处。
“蒜头状”侵蚀是高炉寿命的威胁之一。
（2）在环砌炉缸碳砖中间会产生环状断裂或称环形脆化层。
“蒜头状”侵蚀及环状脆化层产生的原因是多方面的，归纳起来主要有如下几个方面：
（1）炉渣、炉料及铁水的静压力作用增强了铁水的渗透能力；
（2）温度达到1400~1600摄氏度以上的高温；
（3）应力增大对炉墙耐火材料的破坏等；
（4）鼓风中的氧气、水分和煤气的CO2等氧化气氛对碳砖的氧化，还原剂对砖衬成分的还原作用；
（5）碱金属物质侵蚀，生成Na2SiO3和K2SIO3低熔点物质使炭砖和粘土砖开裂；
1.3.3炉腹、炉腰侵蚀的原因
（1）温度波动造成的热震破坏；
（2）高温热应力对炉衬的破坏；
（3）熔渣和铁水的侵蚀；
（4）上升煤气流及下降炉料的冲刷磨损；
（5）碱金属及CO气体的化学侵蚀；
1.3.4减少炉缸炉底侵蚀措施
（一）采用“炭砖+陶瓷杯”结构，利用碳砖热面增加保护层
1作用
（1）采用低导热的陶瓷杯，炭砖热面温度降低，800℃等温线可以长时间控制在陶瓷杯内，降低碳砖内外温差，从而减小应力达到缓解碳砖环裂的效果；
（2）陶瓷杯阻止碱金属的侵入炉衬，减少碱金属对碳砖的破坏；
（3）陶瓷杯与铁水没有反应，其抗铁水侵蚀能力也比炭砖高得多，铁水不直接接触炭砖，这就清除了炭砖抗铁水侵蚀能力较低的方法；
（4）容易复风操作；
（5）提高铁水温度并防止铁水渗漏；
2注意事项
（1）死铁层区域，破损的主要原因是铁水侵蚀，所以要选用抗铁能力强的耐火材料制作陶瓷杯。
（2）死铁层区域陶瓷杯材质的软化开始温度要高，最好高于1700℃。
当渣铁温度一般不高于1550℃时陶瓷杯不发生软化和熔化，而渣铁只对它表面侵蚀，从而延长高炉寿命。
（3）加厚死铁层区域陶瓷杯侧壁，有利于延长寿命。
因为软化开始温度远远高于渣铁温度，且气孔率很低，而渣铁只对它表面侵蚀增加厚度有利长寿。
（4）铁口中心线以上的砌体，一般都可以形成渣皮，所以选择抗渣能力强，抗热性能好的耐火材料。
（5）在结构上，碳砖与陶瓷杯间要紧密，环缝选用导热性高、填充性好、致密的无水碳素泥浆。
（二）提高碳砖本身的抗铁水侵蚀能力
采用“碳砖+陶瓷杯”结构，待陶瓷杯侵蚀完了后，寿命取决于碳砖的抗铁水侵蚀能力;若不采用陶瓷杯，长寿的关键是碳砖的抗铁水侵蚀能力。
（1）降低铁水对碳砖进行物理、化学侵蚀的有效措施是碳砖实现微孔和超微孔，阻止铁水向碳砖内部渗透。
（2）美国UCAR公司热压小碳块的生产工艺使碳砖以闭气孔为主，铁水对碳砖的侵蚀主要在表面进行阻止了铁水向碳砖内部渗透，也有效地降低了碳砖的侵蚀速度。
（3）降低侵蚀速度可以提高碳砖的导热系数，改善冷却效果，降低砌体温度。
（三）高炉炉底采用防漂浮结构
炉底采用防漂浮结构是必要的因为铁水沿砖缝向炉底渗透是必然发生的。
（四）适当延长风口
长风口有利于缩小“死焦堆”，可以减少铁水纵向环流对碳砖的侵蚀。
（五）加深死铁层和适当增加炉缸容积的比率
减弱纵向环流冲刷可以加深死铁层厚度增加炉容比。
（六）强化炉缸冷却
有效地降低砌体侵蚀速度强化炉缸冷却。
在设计时，应选用较高的水速（>2.0m/s）;改善水质，防止结垢，好采用软水冷却方法。
（七）综合炉底
综合炉底是指炉底采用炭砖和高铝砖炉底采用水冷或风冷。
1.3.5减少炉腹炉身侵蚀措施
（1）在此部位均选用铜冷却壁技术；
（2）炉身下部炉墙的破坏分为耐火材料的破坏和冷却壁破坏两个阶段，炉身下部的长寿应同时考虑冷却壁和耐火材料两个方面，并应考虑两者之间的配合；
（3）如高炉采用板、壁结合的冷却器布置形式以加强对耐火材料的支撑；
（4）控制合理的炉体热负荷；
（5）在此处采用喷涂技术以及灌浆造衬技术；
高炉整个喷涂技术过程包括休风、清理炉墙、炉内喷涂、烘炉及送风恢复炉况。
喷涂按部位分有炉喉部位的局部喷补、炉腰以上的喷涂和风口带以上的喷补。
1.3.6陶瓷杯与热压小炭块的比较
（1）陶瓷杯结构形式：
陶瓷杯主要有两种机构形式，一种是法国结构，一种是国产陶瓷杯结构。
我国高炉目前采用最为广泛的炉缸、炉底结构形式，是陶瓷杯形式，其碳砖部分与综合炉底、炉缸结构形式基本相同，但炉底碳砖上部和炉缸碳砖内侧砌筑有专门设计的陶瓷材料，整个陶瓷材料在炉缸形成一个杯形结构，故称陶瓷杯。
此种结构炉底一般采用普通碳砖、石墨碳砖、半石墨碳砖、微孔碳砖中的2~3种分层砌筑，炉缸侧壁采用半石墨碳砖、微孔碳砖、超微孔碳砖中的1~2种分区砌筑，而整个碳砖内侧为优质陶瓷材料。
虽然陶瓷杯结构形式近年来在结构上变化不大，但在材质上却一直在不断改变，在陶瓷杯应用初期，主要以黄刚玉、棕刚玉为主，而现在则发展到主要以致密刚玉，微孔刚玉、刚玉莫来石，塑性相复合刚玉等为主的材料，使其产品质量大大提高。
性能也更加优越。
1.4高炉冷却设备对高炉长寿的影响
1.4.1高炉冷却
高炉长寿技术的发展和高炉冷却技术的进步密切联系在一起。
高炉冷却的目的就在于：
1通过冷却，使炉衬保持一定的合理强度，维持生产内型，保护炉壳；
2形成保护性渣壳，保护炉衬甚至代替炉衬工作；
3保护各种金属构件。
高炉对冷却系统的要求有：
1能够保护炉壳，抵抗高热流；
2在保护冷却系统本身的条件下，使焦炭消耗量最小；
3冷却和支承对耐火材料；
4维护保持操作炉型；
5耐火材料大部分或全部被腐蚀后，高炉生产靠冷却设备上的渣皮来维持；
高炉常用的冷却介质有:
水、风、汽水混合物。
根据高炉各部位工作条件，炉缸、炉底的冷却目的是使铁水凝固的1150℃等温面远离高炉壳，防止炉底、炉缸被渣铁水烧漏。
而炉身冷却的目的是为了保持合理的操作炉型和保护炉壳。
目前国内高炉采用的冷却方式有三种：
1工业水开路循环冷却系统
2汽化冷却系统
3软水密闭循环冷却系统
1、高炉冷却方式的发展
高炉冷却方式的发展大致可分为三个阶段：
直流供水冷却系统、敞开式供水冷却系统、闭环式循环冷却系统（含汽化冷却系统和软水密闭循环冷却系统）。
与之联系在一起的高炉冷却水的发展经历了工业水（即未经处理的地表水或地下水）、净化水、软水或纯水几个阶段：
1）直流供水冷却系统。
这是一种最廉价的方式，同时存在缺陷：
它会造成水管腐蚀、结垢；水中微生物多而在冷却水管内繁殖，造成水管堵塞：
耗费大量的水资源和电能，对地表水体的热污染非常严重。
所以供水冷却方式己基本上被淘汰。
2）敞开式供水冷却系统。
这种供水方式与直流供水冷却方式相比，耗水量少，对环境污染轻，经处理后，水的结垢能力和腐蚀性大为降低，对冷却器冷却能力的破坏较小。
但因冷却水常暴露在空气中易被污染，水质的腐蚀性及微生物造成的破坏仍不可忽视，对水质的稳定造成危害。
3）闭环式循环冷却系统。
闭环式循环冷却系统有两种形式：
汽化冷却系统和软水密闭循环冷却系统。
其工作原理是把经软化的水变成汽、水二相混合物，利用它比水大几倍到几十倍的热交换系数从冷却构件中吸收大量的热量，除了水升温吸收的显热外，还有水汽化吸收的潜热，强化了热交换；由于饱和汽的比重小，仅为水的1/1000，因而汽水混合物与水的比重差可以产生自然循环的推动力，所以又称它为自然循环冷却系统。
2、高炉冷却器的发展
通过冷却器实现冷却，实践证明，冷却器的结构、材质和布置方式对高炉寿命有重要的影响。
（1）冷却板
冷却板的材质有铸铁、钢和铜几种类型，目前普遍应用的主要是铜冷却板，铜冷却板的优点为：
①支撑耐火材料：
②铜的高导热性，增加冷却强度，砌体寿命延长；
③炉体外部更换冷却版方便。
其缺点为：
1只能冷却局部所在炉壳位置。
2炉役后期炉衬损坏，冷却板突出，改变炉容下料苦难；
3铜的机械强度在温度超过130℃时很快降低，使用时间短。
4对于全冷却板高炉，炉壳因开孔较多而导致应力集中。
（2）冷却壁
冷却壁能够将大部分热量到达炉壳之前将其带走，从而能有效地保护炉壳，使其免受热影响。
目前，国内外高炉冷却设备发展的趋势是以冷却壁和板壁结合为主。
1.5高炉耐火材料
耐火材料选择直接影响了高炉寿命。
使用的部位不同，选择的材料也不一样。
1．炉底、炉缸耐火材料
我国大中型高炉的炉缸炉底自50年代末采用碳砖综合炉底以来，在相当一段时期内，其寿命都在10年以上。
但随着高炉冶炼生产量的加大，炉缸寿命依然存在着问题。
炉缸炉底用耐火材料的很重要的一点是实现微孔或超微孔，减少孔径大于lμm的气孔：
实现气孔封闭，消除或减少铁水向碳砖内的渗透，使铁水对碳砖的侵蚀只能在碳砖表面进行，从而减缓对碳砖的侵蚀速度，延长高炉的寿命。
其次耐火材料的导热系数对其的冷却效果有重要的影响，提高导热系数可降低耐火材料的温度，提高其抗侵蚀能力。
2．高炉炉腹至炉身下部耐火材料
炉腹至炉身下部属于高炉内衬薄弱的地方，炉腹至炉身下部的耐火材料，在生产中因为受到高温及强热震、初成渣和铁水的侵蚀、碱金属及锌的侵蚀、，高炉只能依靠冷却器从而形成的渣皮维持生产，随着冷却设备的烧坏，炉壳红热变形甚至烧穿，高炉只能被迫停炉中修。
高炉砖衬维持的时间越长，冷却器工作的环境也越好，冷却器的寿命越长，高炉的寿命也越长。
此部位耐火材料的选择主要有两种：
一种是追求高导热系数，即冷却使内衬热面温度低于800℃（对耐火砖破坏作用出现时的临界温度），将800℃等温线推至耐火砖衬热表面或渣壳内，这样的砖衬可视为“永久砖衬”；另一种观点正好相反，认为应该通过选择耐火材料使炉内热损失减到最低
第二章高炉物料平衡计算
2.1.原料条件
表2.1矿石成分表（%）
原料
TFe
Mn
P
S
F
FeO
CaO
烧结矿
53.200
0.780
0.068
0.060
0.404
8.600
11.560
球团矿
61.200
0.040
0.024
0.006
0.056
2.400
0.820
生矿
65.350
0.165
0.048
0.021
0.029
1.860
0.100
硅石
1.083
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.165
石灰石
0.000
0.000
0.005
0.030
0.000
0.000
56.000
续表
原料
SiO2
MgO
Al2O3
RxOy
K2O
Na2O
CO2
烧结矿
6.650
2.280
0.489
0.980
0.289
0.350
0.000
球团矿
8.150
0.108
0.387
0.030
0.100
0.193
0.000
生矿
2.718
0.128
0.807
0.000
0.013
0.000
0.000
硅石
96.000
0.076
2.212
0.000
0.000
0.000
0.000
石灰石
0.390
0.090
0.170
0.000
0.000
0.000
43.283
表2.2焦炭成分表（%）
固定碳
（%）
灰分（13.507%）
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
FeS
P2O5
83.880
47.015
39.794
5.895
0.737
6.116
0.368
0.074
续表
挥发分（1.030%）
有机物（1.520%）
合
计
全
硫
游离水
CO2
CO
CH4
N2
H2
H
N
S
0.150
0.490
0.150
0.086
0.150
0.500
0.249
0.771
100.0
0.789
3.700
（S全=S有机＋FeS×32÷88=0.050×32/88+0.771=0.789）
表2.3煤粉成分表（%）
C
H
O
N
S
H2O
78.990
2.390
4.030
0.740
0.580
0.900
续表
灰分（12.370%）
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
5.586
5.290
0.560
0.218
0.710
（1）原料成分：
采用烧结矿、球团矿、生矿冶炼。
配比为80：
12：
8
整理计算后见下表。
（2）冶炼制钢生铁，规定生铁成分[Si]=0.7，[S]=0.03。
（3）炼铁焦比K=400Kg，煤比M=130Kg。
（4）规定的炉渣碱度R=CaO/SiO2=1.03。
（5）元素在生铁、炉渣与煤气中的分配律表在下。
（6）选取铁的直接还原度rd=0.45，氢的利用率ηH=35%。
（7）鼓风湿度为12.5g/m3。
（8）鼓风湿度为ψ=0.00124×12.5=0.0155，即1.55%。
（9）热风温度为1100℃。
原料存在的形式：
1）铁矿石
一般的天然矿中硫多以硫化物（FeS2黄铁矿）存在，有事也有硫酸盐（如CaSO4）.l磷室以磷酸盐（如Ca3（PO4）2）形态存在，对于含有硫酸盐，磷酸盐的矿石，在其成分表中应有SO3，P2O5项。
天然矿中的锰可能以软锰矿（MnO2）。
硬锰矿（KRO.1MnO2.Nh2O）,其中RO可能以CaO、MgO、BaO或MnO）形态存在，对于含有硫填写成分表时以MnO2形式出现，其他的像褐锰矿（MnO3）黑锰矿（Mn3O4）较少。
对于含铜的矿石，天然矿中铜可能以黄铜矿（FeCuS2）形态存在，填写成分表时分别写成FeS,CuS两项。
对于含矾钛的矿石，钛可能以钛铁矿（FeTiO3）,金红石（TiO2）形态存在，而矾则以ViO5存在。
对于某些生矿的烧结损项，如果未指明是结晶水（如褐
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