1、6.1 高炉炉型一、高炉炉型（高炉内型）高炉内部工作空间的形状为高炉炉型，近代高炉炉型由炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五部分组成。 （王平. 炼铁设备.北京： 冶金工业出版社. 2006：10）,第六章 高炉及附属设备,高炉设备系统组成示意图,1-炉底耐火材料； 2-炉壳； 3-生产后炉内砖衬侵蚀线； 4-炉喉钢砖； 5-煤气导出管； 6-炉体夸衬； 7-带凸台镶砖冷却壁； 8-镶砖冷却壁； 9-炉底碳砖； 10-炉底水冷管； 11-光面冷却壁； 12-耐热基墩； 13-基座,图1 高炉内型尺寸的表示方法,二、炉型各部分的尺寸及其比例关系1 有效容积和有效高度有效高度(HU)：高炉大钟开启位置的
2、下缘（我国的料线零位，无钟炉顶为旋转溜槽最低位置以下一定距离或炉喉上沿）到出铁口中心线间的高度。有效容积(VU)：在有效高度中间的空间体积。高炉全高(H)：出铁口中心线至炉顶法兰盘(也有叫炉顶钢圈)之间距离。,高炉有效高度设计考虑因素：1）对煤气热能和化学能的利用。增加高度能延长煤气和炉料在炉内的接触时间，有利于还原和传热过程的充分进行，因而有利于降低焦比。2）从料柱有效重量的影响。增加料柱高度，料柱有效重量增加。但过分增加料柱高度，料柱有效重量增加很小，甚至不增加，而只能增加料柱对煤气的阻力和形成自然料拱的几率，不利于炉料松动和顺行。3）原料、燃料条件 。燃料质量提高，有效高度增加。4）炉容
3、的大小。高炉有效高度一般是随着炉容增大而增加，但不是正比关系。近几年来新建高炉容积增长率远比有效高度的增长率来得快。有些大修的高炉则往往不变有效高度而只在各部分的径向加大扩大炉容，即向“胖”发展。,2 有效高度 计算公式： 大型高炉：Hu=6.44Vu0.2620m3以下高炉： Hu=4.05Vu0.265描述高炉细长或矮胖程度时，习惯用HUD来表示。HUD和炉容有关，大型高炉HUD2.5-3.1，中型高炉2.9-3.5，小高炉3.7-4.5。近些年来这一比值在不断降低，个别大型高炉HUD降至1.97，从这个意义上也可以说，炉型向着“矮胖”方向发展。D : 炉腰直径,3 死铁层死铁层：铁口中心
4、线到炉底砌砖表面之间的距离。死铁层的作用：防止炉底受炉渣、煤气侵蚀和冲刷，使炉底温度均匀稳定。由于高炉冶炼强度不断提高，死铁层高度关系到炉底寿命，趋向预加深。通常死铁层深度为450-600毫米，新设计大型高炉多在1000毫米左右或更高。国外新设计高炉死铁层高度h0和炉缸直径d之间的关系一般：h0=0.2d,4 炉缸高炉炉缸呈圆筒形，铁口、渣口和风口的位置都布在炉缸部分。炉缸尺寸设计考虑因素：1）炉缸不宜过大，过大必然导致炉腹角过大，造成边缘气流发展和中心堆积，不利操作。2）高炉有效容积（VU）愈大，炉缸截面积（A）也愈大，两者有一定的比例关系。大高炉VU/A2227，中型高炉为1522，小高炉
5、1013。,3）炉缸高度应保证在炉缸内容纳下两次出铁时间内所生成的以及由于外部事故等原因而造成的时间耽误所生成的渣铁。除此还要考虑在风口安装时适应结构需要所留的位置。4）渣铁口中心线间的距离称为渣口高度，它取决于原料条件、渣量大小、放渣次数和考虑到因事故所引起的渣铁量的波动。大中型高炉渣口高度多在1.5-1.6米。炉缸高度设计方法：设计时炉缸高度可以按经验选定，也可以按经验公式分别计算出渣口高度和风口高度，再加上风口安装的位置，即风口中心线到炉腹下沿的距离(简称风口结构尺寸)。,5 炉腹炉腹呈倒锥台形，其主要参数为炉腹高度(h2)与角度()。炉腹作用：1）从工艺过程来看，它的形状应适应炉料熔化
6、后体积收缩的特点，并使风间口前的高温区所产生的煤气流能够远离炉墙，不致烧坏风口上面的炉衬。由于有炉腹存在，也可以使风口前的燃烧带处于炉喉边线的下方，这正是矿石多下料快的地方，故能使炉料松动，有利于炉料顺行；2） 从煤气运动的角度来看，有炉腹，才能使燃烧带处于合适位置，有利于气流均匀分布。,炉腹尺寸设计：1)高度。炉腹高度随高炉容积大小而不同，但不能过高或过低。过高，有可能在炉料尚未熔化时就进入炉型逐渐缩小的炉腹，易于产生悬料；过低，等于取消炉腹。近代大中型高炉炉腹高度接近，一般为3.03.6m，小高炉则低些。2）炉腹角。一般为79 82，过大除不利煤气流分布外，也不利于产生稳定的渣皮保护层，过
7、小则不利于炉料顺行。,6 炉腰炉腰使炉身和炉腹合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，粘稠的初成渣使这里的炉料透气性恶化。所以，增加炉腰的直径能减小煤气流的阻力。在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要和其他部位尺寸保持合适的比例关系，只是比值取上限而已。炉腰高度大小对高炉冶炼过程影响不很显著，在设计时常用炉腰高度来调整高炉容积，一般为0.53.0m。大中型高炉炉腰和炉腹高度之和常在5.05.5 m左右。,7 炉身（1）炉身作用：炉身呈截锥台形，由上向下逐渐扩大，以使炉料遇热体积膨胀后不致形成料拱，并能减小炉料下降阻力。炉身角()大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。炉料在下降过程中较重的矿石趋于垂直
8、运动，而焦炭则有被推向边缘的趋势。这样，就造成靠近炉墙部分的炉料透气性好，沿炉墙形成一个透气性好的环带，炉身角愈小，这个环带所占的面积就愈大，边缘气流就愈发展。反之，炉身角过大，有利于抑制边缘气流但不利于炉料的下降，会影响高炉的顺行。,（2）炉身角设计。应考虑它在一代炉龄多数时间里能使高炉获得好的指标，而且在开炉后不太长一段时间内就能达到。同时也要考虑到炉衬侵蚀后在临近停炉时也能控制煤气流。在操作调剂范围内，而不致于造成无法控制的边缘气流。炉身角均在8285之间。对于人造富矿率高和经过筛分的炉料，可以大些。反之，粉矿多的炉料应该小些。大型高炉炉身角小些，小型高炉则大些,8 炉喉炉喉呈圆筒形。炉
9、喉直径与炉腰直径应和炉身角一并考虑。d1/D和一起可以说明高炉上部的比例关系。d1/D正常在0.65-0.72之间，大中型高炉可取0.7，小型高炉可取0.67。炉喉与大钟的间隙，用(d1-d0)/2表示。它的大小决定着炉料堆尖的位置。间隙过小，堆尖靠向炉墙，对发展边缘气流不利，而且也会使炉喉煤气流速过大，造成炉尘吹出量增加；间隙过大又会使堆尖靠向高炉中心，容易造成边缘气流过分发展，也不利于操作。间隙大小应和矿石粒度组成相适应，一般含粉末多的炉料间隙应大些。炉喉间隙大小还要考虑炉身角大小的影响。例如大，炉喉间隙可取大些，小，间隙可取小些。,6.2 高炉炉衬一、炉衬工作条件1 高炉炉衬的作用构成高
10、炉的工作空间，减少炉子的热损失，并保护炉壳和其他金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。高炉炉衬的寿命是决定高炉需要大修和中修的一个主要依据，所以必须研究影响高炉炉衬寿命的因素。,2 炉衬破坏因素 不利因素包括有：1）热的、化学的、压力的作用，这些是炉衬损坏的基本条件；2）冲刷、摩擦、渗入、打击等动力因素，这些是直接或迅速造成炉衬损坏的重要原因。3)炉衬质量。如耐火砖的化学成分、物理性质、外形公差、砌筑质量等。,4)操作因素。如开炉时的烘炉质量、开炉时的炉渣性质，正常操作时各项操作制度是否稳定而且合理。5)构造因素。如炉身角过小、炉喉间隙过大或不匀等。有利因素：合理的冷却，渣皮、铁壳、沉积石墨层的
11、形成，砖的软化表面，都有助于形成保护炉衬砌体的表面层，并减弱高温热力的破坏。高炉内不同部位有不同的物理化学变化，所以不同部位炉衬的破损因素不同，损坏机理也不同。,3 炉底1) 破损机理: 炉底破损有两个阶段，初期是铁水渗入砖缝和裂缝将砖漂浮而成锅底形深坑；第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀,铁水中的碳将砖中二氧化硅还原成硅，并被铁所吸收的化学侵蚀。2）影响炉底寿命因素:首先是炉底承受的高压，其次是高温，再次是铁水和渣液在出铁时的流动和在炉缸中的搅动对炉底砖衬的冲刷。炉底砖衬在加热过程中产生的温度应力引起砖层开裂，砌体在高温高压下烧结收缩也产生了裂缝。此外在高温下渣铁也对砖衬有化学侵蚀作用，特别是
12、渣液比铁液更甚。,4 炉缸 影响因素：铁液之流出、炉内渣铁液面升降，大喷的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷是主要的破坏因素，特别是渣口、铁口附近的炉衬更是冲刷厉害的关键部位；高炉炉渣偏于碱性而常用的硅酸铝质耐火砖则偏于酸性，故在高温下化学性渣化，对炉缸砖衬也是一个重要的破坏因素；炉缸的风口带炉衬内受到表面温度常达1300-1900，影响砖衬的耐高温性能,5 炉腹 影响因素：距风口带近，受到很大的高温热力作用；炉腹倾斜受到料柱压力、崩料时的冲击力的作用；下降的铁流和含有较多的FeO和MnO的初成渣流较大的侵蚀作用，等。实际生产几个月后，这部分炉衬很快就被渣皮所取代，靠冷却来维持。,6 炉身 影响因素
13、：温度较高下，受到较大热应力的影响；初成渣液的侵蚀；在炉身上部，不断膨胀着的固体炉料和夹带着大量炉尘的高速煤气流磨损作用；整个炉身的炉衬温度范围正好处于碳黑沉积反应(2COCO2十C在400-700之间进行最快)温度范围，碳黑会在炉衬中进行沉积。当碳黑沉积在砖缝和裂缝中时，它在长期的高温影响下，会改变结晶状态，从而增大其体积胀坏砖衬，这对强度较差的耐火砖和泥浆不饱满的砌体来说，作用更为明显；在使用某些成分特珠的矿石时，如含锌、氟、钾、钠等，还有特殊的化学侵蚀，钾盐、钠盐能与耐火材料作用生成低镕点物质，碱金属的氯化物能与铁、铝、钙等作用，使炉衬被侵蚀成蜂窝状。,7 炉喉 影响因素：它受到炉料从大
14、钟上落下时的打击作用（故都用金属板加以保护），温度分布不均匀产生的热变形作用；炉内煤气流夹带的粉尘逸出时的磨损作用。对于大中型高炉来说，炉身部分是整个高炉的薄弱环节，这里的工作条件虽然比下部好，但由于没有渣皮的保护作用，寿命反而较短，往往在两次大修之间还需要一次小修，以修补炉衬。对于小型高炉来说，炉缸是薄弱环书，常因炉缸冷却不良、堵门泥炮能力小而发生烧穿事故。,二、耐火材料目前高炉常用的耐火材料有两大类：陶瓷质材料(包括粘土质，高铝质等)和碳质材料(碳砖，碳捣石墨砖等)。 1 粘土耐火材料粘土质耐火材料是含氧化铝30%48%的耐火制品，在高炉砌筑上用得最广泛，其原因为：它有良好的物理机械性能，
15、耐磨蚀；化学成分和渣相似，不易渣化；成本也低。高炉寿命在很大的程度上取决于炉衬的工作能力。高炉用耐火材料(包括高铝质)要求为：,1）化学成分要求：Al2O3含量高、Fe2O3含量低。 Al2O3愈高耐火度愈高。 2）耐火度要高。 3）荷重软化点高。 4）重烧线收缩（也称残余收缩）小。它说明耐火材料砌体在高温状态下产生裂纹的可能性； 5）气孔率低。气孔率大时，不仅碳黑和锌易于沉积，而且能降低耐火砖的其它性质，如荷重软化点、耐磨性等。 我国粘土砖的Al2O3含量较高，质量好，基本上能满足高炉炉衬的要求。,2 高铝砖高铝砖是含氧化铝48%以上的耐火制品。优缺点：它的耐火度及荷重软化温度比粘土砖高，抗
16、渣性能也较好，随着Al2O3含量的增加，这些性质也随着提高。不足之处是高铝砖的热稳定性较差，成本较高，又因为耐磨性好加工困难，所以加工费用高。 大型高炉用的高铝质耐火制品有统一的规定与标准。,3 碳砖碳质耐火材料，具有下列一些特性：1）耐火度高，在高炉上不熔化也不软化；2）碳质耐火材料，具有很好的抗渣性。除FeO高的渣外，即使含氟高流动性非常好的渣也不能侵蚀它。3）有高的导热性和导电性。它用在炉底和炉缸能充分发挥冷却器的效能并起延长炉衬寿命和防止烧穿的作用。4）热膨胀系数小，热稳定性好。5）碳和石墨在氧化气氛下燃烧：700开始和CO2作用，500和H2O作用，400以上能被O2氧化。碳化硅在高
17、温下，也慢慢发生氧化作用，这是含碳耐火材料的主要缺点。,三、炉衬设计1 高炉砌筑（1）砖型选择、尺寸选择：厚度一致可以获得最小的水平缝，长度选为1：1.5两种可以使错缝方便；砖型选择：除需要直形砖外，砌环形砌体要使用宽度不等的楔形砖。我国高炉用砖形状及尺寸已统一标准。（2）砖数：计算方法：对炉底可按砌砖总容积被每块砖的容积来除即得。如欲知每层用砖数时，可按炉底砌体总水平截面积被每块砖的相应表面积来除即得。一般还考虑损耗外加2% 5%的余量。对高炉其他部分都是环形圆柱体或圆锥体，不论上下层或里外层，都是要砌出环圈来，由于要求的环圈直径不同，故直形砖和楔形砖的配合数目也不同。,2 高炉各部分的砌体
18、设计 高炉在所有高温冶炼炉中是最好的，它一代炉龄一般可达10年以上，平均每吨铁的耐火材料用量只有5公斤左右。综合分析高炉炉衬的破损机理发现，高温是一切破损的根本条件；其次渣铁液、碱金属的侵蚀；一氧化碳和水等对碳砖的侵蚀；冲刷、渗漏、胀缩开裂、磨损等的动力作用也不可忽视，但就主次来说，应着重从传热学来分析，其次也要从侵蚀化学、动力学来研究，才能得到合理的结构。,炉衬设计的任务：主要是确定各部位的砌体材质、砌体厚度、砌级大小、膨胀缝的留法和其中填料的成分，以及各种材料的消耗量等。(1)炉底：较合理的炉底结构是带炉底冷却的综合炉底。 （2）炉缸：炉缸部分的主要矛盾是高温铁水的机械冲刷和铁口维护不良，
19、出现的事故是炉缸烧穿，所以下部应维护好铁口深度，上部则应安装风口装置，故炉缸砖衬呈截锥形剖面。,(3)炉腹、炉腰与炉身。鉴于炉腹主要靠渣皮工作，所以常用的结构是一环G-2型（王平：P30）高铝砖(或粘土砖)，以便在开炉时保护镶砖冷却壁的表面不被烧坏。炉腰从炉型方面来看，它是水平截面大小的过渡段，厚墙炉腰会被转弯的煤气流迅速冲刷和侵蚀掉，从而使炉腹高度向上扩展，径向截面扩大，虽然可顺利地形成操作炉型，但与设计炉型出入较大。如采用薄墙炉腰，它可避免上述弊端，使炉型固定，但当原设计炉型与合理的操作炉型不符时，则会得到一个不合理的固定炉型。,炉身部分炉衬的合理结构，主要是注意下段。常用的是高铝砖、高密
20、度粘土砖。也有考虑抗炉渣侵蚀而使用碳砖的(中小高炉有用炭捣的)，其高度约占炉身的三分之一左右。对接近炉喉钢砖的上段，已有一些大型化的高炉采用砌入一小段耐急冷急热性能较好的高铝砖。 (4)炉喉：保护板(或称炉喉钢砖)背后填入耐火材料，用来做炉喉内衬以抵抗炉料打击和高温膨胀。,6.3 高炉冷却,一、冷却方法 1 高炉冷却的作用高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件，它降低耐火炉衬本身的温度，给以直接的保护。它还保护了炉壳等结构件的强度。在高炉炉体设计中，耐火炉衬、金属结构、冷却系统三者是统一考虑的整体。,2 冷却介质高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物。最普遍的是用水，它传热系数大、热
21、容最大、便于输送、成本便宜。风比水导热性差，在热流强度大时冷却器易过热，故多用在冷却强度不太大的地方。使用风冷的成本比水贵，但安全可靠，故以往高炉炉底多用空气冷却，现有被水冷代替之势。用汽水混合物冷却的优点是：汽化潜热较大，可以大量节省水，又可回收低压蒸汽，特别适于缺水干旱地区，但对热流强度大的区域（如风口），冷却效果不佳且不易检漏。,二、冷却设备水冷设备有喷水冷却、冷却壁和冷却水箱等专用冷却设备，也有风口、渣口、热风阀等专用设备的冷却。喷水冷却结构轻便、简单易行，我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。国外在大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖外喷水冷的，效果也不错。,冷却壁结构与材
22、质：冷却壁设置于炉壳与炉衬之间，包在炉衬外面，用螺栓固定在炉壳上的壁形冷却器。可分为镶砖冷却壁和光面冷却壁。光面冷却壁的厚度常在80120mm。水管的引出部分必须铸入保护套管，并和炉壳焊接，以防开炉后冷却壁上涨把水管切断。光板冷却壁由于铸铁导热性良好，水管不必布置过密。管径太粗会降低水速使传热效率降低，甚至使悬浮杂质沉淀下来；管径太细会使阻力过大，流量减少，一般以1.02.0 m/s为宜。,镶砖冷却壁与光板冷却壁比较，耐磨、耐冲刷、易于生成渣皮。一般镶砖的面积约50左右，厚度150230mm，过薄容易脱落，过厚则导致铸铁筋与铸铁板之间铸造应力太大而开裂，且热流一旦波动时会烧坏铁筋。镶砖冷却壁的
23、热工方面，铸铁筋的表面温度是一个重要参数，一般以不大于500为宜，热流越大、镶砖越大、镶砖面积越大，就会导致铸铁筋温度的升高而烧坏。故一般用于炉腹、炉腰、炉身下部。,光面冷却壁 镶砖冷却壁,冷却水箱也叫冷却板，是埋设在高炉砖衬之内的冷却器。材质上以铸铁的较多，铸钢的、钢板焊的也行，以前则多用青铜铸成(Cu96%-98%)，内部水路以铸入水管的较多，也有空腔的、隔板的等。外形上有扁平卧式的，也有支粱式的(实际是楔形冷却水箱)。这种冷却器冷却深入，而且冷却强度大，故可维持较厚的砖衬，它插入砖衬中，故和砖的接触面积大，冷却效果较好，同时也能支承砌体。通水方式多用密闭式。,综上所述，冷却壁与冷却水箱比
24、较，冷却壁的优点是：冷却均匀、炉墙光滑，下料阻力小，炉壳完整，故强度与密封性好。而冷却水箱的优点是：冷却强度大而深入(但不匀，故炉墙内存在较大的温度梯度)，可支撑耐火砖衬，可更换，且外层水管损坏时里层水管尚可工作，重量较轻。,三、高炉炉体冷却 1 炉底冷却 在炉底下面施加冷却，起初是为了保护混凝土炉基，避免炉底烧穿，现在则以延长炉底寿命，从而延长高炉一代寿命为目标。它是在炉底耐火砖下面进行强制冷却，在埋设的钢管中通风或通水进行冷却，在炉底砌体周围则用光板冷却壁冷却。 2 炉体冷却型式 合理的炉体冷却型式，应与炉体结构型式、内衬材料与厚度一并考虑。,我国大中型高炉，在炉底炉缸部分多采用光板冷却壁
25、，炉腹部分采用镶砖冷却壁，炉腰及炉身下部的冷却型式较多，有冷却壁、卧式冷却水箱、支梁式冷却水箱等，有单独采用一种冷却设备的，也有两种或多种型式混合使用的。在有炉缸支柱的高炉上，炉腰支圈上常设一层密集布置的卧式冷却片。炉腰及炉身高度的二分之一到五分之二这段冷却区间中，主要是考虑保留砖衬，而不是散热降温保持强度，所以用镶砖式冷却壁，它本身就带着砖，最上设24层支梁式冷却水箱，以支撑住砖衬。,国外大中型高炉，炉底用围和炉缸也用光板冷却壁，也有用喷水的，炉腹则用喷水、镶砖冷却壁、卧式冷却水箱多种，只有在采用汽化冷却时才用光板冷却壁。炉腰和炉身则用镶砖冷却壁、带凸缘冷却壁、冷却水箱等，采用汽化冷却时仍用光板冷却壁。,思考题：,1何谓高炉炉型、由哪几部分组成？什么是高炉有效高度、全高？ 2炉缸设计应考虑哪些因素？ 3高炉设计死铁层有何作用？ 4高炉炉衬起何作用？ 5炉衬破坏因素有哪些？ 6炉衬设计主要任务有哪些？ 7高炉冷却有何作用？ 8高炉冷却使用的介质有哪些？,
