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blast furnace propersystem design
简介
高炉炉体系统的范围是从基础至炉顶圈(也叫炉顶法兰盘)(图1)。设计内容包括高炉内型、高炉内衬、高炉钢结构型式、炉体设备和长寿技术等。
高炉内型 高炉内部工作空间的形状和主要尺寸必须适合炉料和煤气在炉内运动的规律。合理的内型有利于高炉操作顺行，高产低耗。高炉内型(图2)从下往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五部分。
各国对高炉容积的表示方法不尽相同。在中国，对于钟式炉顶高炉，有效容积通常是指从铁口中心线至大钟全开位置下沿所包括的容积;对于无钟炉顶高炉，有效容积是指从铁口中心线至炉喉上沿之间的容积。欧美诸国把从风口中心线至料线之间的容积称为工作容积。日本把从铁口底端至料线之间的容积称为内容积。料线位置，日本定在大钟全开位置底面以下一米的水平面上，美国一般定在炉喉高度的一半处。对于高炉内型各部尺寸的合理比例及算法，是雷得布尔(А.ледебур)在他1878年出版的著作里首次提出的。巴甫洛夫(М.А.Павлов)在考察了许多高炉内型和分析了雷得布尔的算法后，提出用下式表示全高(H)与有效容积(Vu)的关系：
，式中n是大于2.85的数字，并且H∶D的比值愈高，n的数值愈大。有效容积按要求的生铁日产量和利用系数求出后，用上式可求出全高H。炉腰直径D可按公式D=
求出，然后再决定内型其它尺寸。巴氏建议选择炉缸直径应以燃烧强度 (每小时每m2炉缸面积燃烧的焦炭量，用kg表示) 为出发点。美国莱斯(Owen Rice)在计算燃烧强度时所指的炉缸面积是从风口前端起6ft环状带的面积。拉姆(A.H.Pamm)在分析前苏联高炉内型尺寸时指出： 内型每个尺寸都是与有效容积成一定方次的函数，建议用经验公式x=cVnu计算内型各部分尺寸x，式中n和c对内型各部分尺寸是固定的系数。高炉内型主要与原、燃料条件和操作制度有关。合适的内型来源于生产实践，实际上高炉内型的设计大都是根据冶炼条件类似的同级高炉的生产实践进行分析和比较确定。中国高炉内型计算方法和统计数据见表1。
图1 1200m3高炉炉体系统示意图
1—高炉内型; 2—冷却壁; 3—炉壳; 4—炉体框架;5—高炉内衬; 6—高炉基础; 7—炉顶圈
表1 中国高炉内型计算方法和统计数据
高炉内衬 由耐火材料砌筑构成，它的作用是保持合理内型，减少高炉热损失，保护炉壳。高炉内衬耐火材料，按材质分类有粘土、高铝、炭素、碳化硅和铝炭等材质。按种类可以分为耐火砖、不定形耐火材料和绝热耐火材料等。耐火砖是砌筑高炉内衬的主体材料，高炉内衬各部位的工作条件不同，对耐火材料的性能和砌体结构的要求也不同。(1)炉底内衬承受高温、热应力及铁水静压力的破坏作用、炉底周边内衬受到液态渣铁环流冲刷、侵蚀严重，形成蒜头状。砌筑炉底的耐火材料要求高温性能好，透气性低，导热性好，抗化学侵蚀。炉底结构通常是综合炉底或全碳砖炉底。中国大中型高炉多采用综合炉底，炉底下部及其周围用碳砖，上部用粘土砖或高铝砖。炉底内衬厚度，在没有炉底冷却、用粘土砖砌筑时，约为炉缸直径的0.6倍;在有炉底冷却时，约为炉缸直径的0.3倍。(2)炉缸内衬的损坏，主要是渣铁侵蚀、冲刷、热应力产生环裂及冷却设备漏水使碳砖氧化所致。炉缸内衬除渣、铁口和风口以外，一般用碳砖砌筑。铁口水平面及其以下周边的内衬侵蚀最甚， 此处内衬厚度按炉容大小一般在850～1500mm (包括填料)。 渣、 铁口和风口一般用粘土砖或高铝砖砌筑。(3)炉腹、炉腰和下部炉身内衬，既受炉料及含尘煤气的磨损， 又承受严重的化学侵蚀和热冲击。当炉料含有有害成分，例如碱金属、铅、锌、氟等时，使内衬损坏加剧。这是影响高炉寿命的薄弱部位。为了延长炉体寿命， 各国在不断研究改进各部位的砌体结构和耐火材料性能， 以适应高炉严酷的工作条件。中国、 日本和美国较好的高炉用耐火砖的理化性能指标见表2。炉腹、炉腰和下部炉身的砌体结构大体可以分为厚壁与薄壁两种类型， 内衬厚度为345～1035mm， 砌体结构型式与冷却设备型式密切相关， 一般厚壁配用冷却板，薄壁配用冷却壁，为了支承内衬，厚壁设有托圈或砖托， 薄壁结构的冷却壁设有凸台 (г字头)。炉身受到炉料及含尘煤气的磨损， 炭黑沉积的影响及有害成分引起的损坏。 一般用高炉粘土砖砌筑， 内衬厚度为575～920mm。
图 2 高炉内型
a—钟式炉顶高炉内型;b—无钟炉顶高炉内型;H—全高;Hu—有效高度;Vu—高炉有效容积;h0—死铁层高度;h1—炉缸高度;h2—炉腹高度;h3—炉腰高度;h4—炉身高度;h5—炉喉高度;h6—炉顶圈至大钟全开位置底面的高度;h1—风口高度;h2—渣口高度;d—炉缸直径;D—炉腰直径;d1—炉喉直径;d0—大钟直径;α—炉腹角;β—炉身角;hw—无钟炉顶为流槽在最低位置下端至料线的高度
高炉钢结构型式 设计主要考虑安全可靠，操作方便，容易维修和节省材料。
中国高炉炉体结构基本型式见图3。图3中a、b为过去大中型高炉常用的结构型式， 其特点是有独立的操作结构与承重结构，工作可靠，检修方便，但钢材用量大，结构布置拥挤，操作不便，新建高炉已很少采用。图3中c、d为自立式炉体结构，c具有独立的承重结构，适用于炉顶荷载较大的高炉。d全部炉顶荷载均由炉壳承受，更换炉壳不便，大修期长，这种结构的特点是操作区的工作净空大，结构简单，钢材用量少。
表2 高炉用耐火砖的理化性能指标
| 材 质 分 类 | 粘土质 | 高 铝 质 |
石墨、碳 化硅质 |
碳素质 | 碳化硅质 | 半石墨质 | |||
| A | B | C | |||||||
| 耐火度/℃ | 1750 | 1790 | 1790 | 1885 | |||||
| 体积密度/g·cm-3 | ≥2.2 | ≥2.3 | ≥2.4 | 3.1～3.2 | 1.99 | 1.5～1.6 | 2.6～2.65 | 1.62～1.85 | |
| 显气孔率/% | 11～16 | 12～19 | 11～14 | 12～15 | 15.5 | 15.8～18.0 | 15.5～18 | 13～18 | |
| 常温耐压强度/MPa | 49～80 | 50～90 | 85～130 | 100～120 | 41.8 | 27.2～51.2 | 150～247 | 30.5～34.19 | |
| 抗折强度(室温)/MPa | 20.1 | 11.8～13.1 | 30～46 | 8.1 | |||||
| 荷重软化温度T2/℃ | 1430～1530 | 1450～1600 | >1600 | >1700 | ≥1700 | ||||
| 重烧线变化率/% |
0 —0.3 |
0～1 —0.3 |
0～1 —0.3 |
0 | |||||
| 热膨胀系数/℃-1 |
(4～6) ×10-6 |
(4～6) ×10-6 |
(4～6) ×10-6 |
(5.7～6.2) ×10-6 |
(2.6～5.8) ×10-6 |
(4～4.8) ×10-6 |
(2.8～4.6) ×10-6 |
||
| 蠕变率(50h，0.2MPa)/% |
在1350℃、 0.1MPa为 0.1～0.2 |
在1450℃ <1 |
在1450℃ 为0.5 |
在1450℃ 为0.3 |
|||||
| 热导率/W·(m·K)-1 |
在1000℃ 为1.8～1.9 |
在200℃ 为24 |
4.2～14 | 11～23 |
在1000℃ 为15.5～ 19.3 |
||||
| 透气率/mda | <9 | ||||||||
| 化学成分/% | SiO2 | 30～40 | 33～34 | 3～5 | 11 | <1 | |||
| Al2O3 | ≥42 | 56～62 | 62～63 | 93～95 | 1.7 | 0.3 | |||
| Fe2O3 | 1.1～1.7 | 1.0～1.5 | 1.2～1.3 | 0.2～0.5 | 0.3～0.4 | ||||
| 其它 |
固定碳6 SiC21 |
固定碳 91～97 |
SiC>70 Si3N4>20 |
||||||
| 应 用 部 位 | 炉身 | 炉身 | 炉身下部 | 炉底 |
炉身下部 至炉底 |
炉身下部 至炉底 |
炉身下部 至炉缸 |
炉身下部 至炉底 |
|
| 特 性 | 低气孔率 |
抗渣性良好， 耐火度很高 |
抗渣性良 好，耐火度 很高 |
抗碱、抗氧 化、抗热冲 击性好 |
抗碱、抗侵 蚀、抗热冲 击性好 |
||||
作用在炉体结构上的工艺荷载一般包括： 经由炉顶圈传至炉壳的荷载;经炉顶框架、炉顶平台传至炉体框架的荷载;经煤气导出管传至炉壳的荷载;高炉本体产生的荷载。炉体本身产生的工艺荷载一般包括横向荷载和纵向荷载。横向荷载包括：炉内气体压力;作用在炉壁上的炉料压力;液体渣铁的横向压力。纵向荷载包括：设备荷载;炉体内衬荷载;给排水设施荷载;炉料产生的荷载;平台走梯荷载;液体渣铁荷载;死铁层残铁的荷载。
炉体钢结构包括： 炉壳、炉体平台走梯和炉体框架。(1)炉壳。主要作用为承受荷载，固定冷却设备，防止煤气漏出。有的高炉采用炉壳喷水冷却内衬。炉壳外形尺寸应与炉体内衬厚度，冷却型式及荷载传递方式等同时考虑。炉壳设计一般要尽量减少转折点，并使其变化平缓;风、渣口大套和铁口框法兰盘边缘距转折点一般不小于100mm;炉顶外壳与水平面夹角一般不小于50°;炉壳开孔尽可能采用圆孔或椭圆孔;炉壳焊缝应尽量错开冷却设备螺栓孔和进出水管;炉壳、冷却设备与砌体之间应留足够的填料间隙，以吸收内衬的热膨胀。(2)炉体平台走梯。炉体配置机械设备、人孔、探测孔及冷却设施的区域需设平台。各层平台之间设走梯连通，平台走梯的设置须符合安全规定。为了冷却设备配管，平台与炉壳之间须留适当空隙。平台上下间距一般在3m左右。(3) 炉体框架。中国1960年以前建的高炉，大多有炉缸支柱。为使风口区的操作空间宽敞，现代高炉采用自立式结构，取消了炉缸支柱。炉顶荷载通过炉体框架传至高炉基础。炉体框架一般与高炉中心线对称布置，框架支柱至高炉中心线的最小间距取决于风口平台操作面积和热风围管的布置，一般情况下，支柱与热风围管外壳之间的净孔尺寸不小于250mm。当一个出铁场设两个出铁口时，炉体下部框架宜采取矩形布置。框架支柱下部采用耐火材料保护。
图3 高炉钢结构形式示意图
P1—作用在炉体框架或炉身支柱上的荷载; P2—作用在炉顶法兰盘上的荷载; P3—通过炉壳传给基础的荷载; P4—通过炉缸支柱传给基础的荷载; P5—通过炉体框架传给基础的荷载; P6—通过炉底传给基础的均布荷载
炉体冷却 冷却目的是延长内衬寿命，减缓内衬侵蚀速度，促使生成渣皮，维持合理内型，防止炉壳过热。
冷却系统 冷却系统合理与否是影响高炉寿命的重要因素之一。 高炉冷却系统按冷却介质和循环方式可以分为：直流系统、工业水开路循环、汽化冷却自然循环和软水或纯水闭路强制循环。(1)直流系统。它是由冷却器出来的冷却水不降温、不循环利用，直接外排。在水源丰富水质良好的地区可采用直流系统。(2)工业水开路循环。传统的高炉冷却系统，大多采用这种冷却系统。 这种冷却系统的缺点是在冷却设备通道内壁上易结水垢，随着炉龄增长热负荷增大，水垢结厚造成冷却设备过热烧坏，使高炉寿命缩短。 (3)汽化冷却自然循环。是利用水的汽化潜热来达到冷却目的，冷却水的消耗量比传统水冷可减少97%～99%，自然循环汽化冷却，管内水速较低，故承受烧损的热流强度也低，从炉体冷却发展趋势看，汽化冷却趋向减少。(4)软水或纯水闭路强制循环。是改善高炉冷却系统、实现长寿的措施之一，自1970年以来发展较快。1987年5月中国太原钢铁公司在3号高炉(1200m3)上在国内首次应用。 中国新建的1000m3级以上的高炉，多数采用这种冷却系统。
冷却水用量及水压 炉体各部分热负荷可用以下公式计算：
式中Q为热负荷，kJ/h;M为冷却水用量，t/h;c为水的比热容，kJ/(kg·℃);t0为进水温度，℃;t为出水温度，℃。高炉冷却水循环用量一般为每立方米高炉有效容积每小时1.5～3.0m3。 其中消耗水量，开路循环补水率为 4%～10%，闭路循环补水率为 0.1%～0.005%。炉体给水压力根据炉内煤气压力及冷却系统阻力损失确定，冷却器内水压要高于炉内煤气压力，保证冷却器烧坏后煤气不进入水管。 冷却水压力一般按高炉大小在炉前轨面标高处的表压为0.35～0.7MPa，闭路循环由于回水余压得到利用，循环水泵扬程比开路循环低。 风口冷却水压力应根据选用冷却水的流速确定。
冷却介质 高炉常用的冷却介质有水和空气，不同冷却系统对水质的要求也不同。 工业水或净水的水质要求见表3，软水或纯水的水质要求见表4。
表3 工业水或净水的水质主要要求
| 水质要求 |
给水温度 /℃ |
悬浮物/ mg·L-1 |
暂时硬度 /德国度 |
| 大中型高炉 | <35 | <200 | <10 |
| 宝钢高炉 | 33 | 20 | 8.4 |
表4 软水或纯水的水质主要要求
| 水质要求 | pH |
硬度/mg·L-1 (以CaCO3表示) |
碱度/mg·L-1 (以CaCO3表示) |
Cl-/mg·L-1 | SO=4/mg·L-1 | 电导率/μΩ·cm-1 |
|
软水 纯水 |
7～9.5 6.5～8.0 |
<2 微量 |
40～60 1 |
40 1 |
100 微量 |
330～630 10 |
闭路循环给水温度一般为45～55℃。
冷却方式 大体分为炉内冷却和炉外冷却。 炉内冷却的型式有冷却板，冷却壁或板壁组合结构，冷却箱等。炉外冷却的型式有水套、喷淋和冷却管等。炉底冷却管采用空冷或水冷， 个别高炉如法国敦克尔克(Dunkerque)4号高炉采用油冷。炉底冷却是为了保护基础并可减薄炉底内衬厚度，节省投资。小高炉和用钒钛矿冶炼的高炉，由于散热大、侵蚀轻，不必设炉底冷却。炉缸采用喷水、水套或光面冷却壁冷却。喷水冷却比光面冷却壁的冷却效果高10%，水质要求不高，喷水冷却的缺点是炉台下操作环境和安全性较差。 喷水冷却的炉壳需进行定期冲洗，有的高炉采用海水冷却，定期冲洗，冲洗水压为1.5～2.0MPa。风口以上采用冷却板，镶砖冷却壁或板壁组合，支梁水箱等。冷却器设置高度一般为到炉身高度的1/2～2/3，有的延伸至钢砖下面。
冷却设备 包括冷却壁、 冷却板和支梁式水箱。
(1)冷却壁。靠炉壳侧铸入无缝钢管，靠炉内侧铸入或镶入耐火物的铸铁件称镶砖冷却壁， 不镶砖的称光面冷却壁。冷却壁的材质，炉底、炉缸和炉身中上部的冷却壁一般采用普通灰口铸铁，炉腹、炉腰和炉身下部采用铁素体球墨铸铁或低铬耐热铸铁等。 冷却壁的外形尺寸，考虑制造和安装方便，一般长度小于2.5m，宽度为0.6～1.2m，厚度根据铸入水管外径、铸铁层和镶入耐火物的厚度而定，光面冷却壁厚度一般为80～170mm;镶砖冷却壁厚度为210～340mm，耐火物厚度为75～114mm，为了适应长寿要求，冷却壁的材质和构造各国在不断改进， 日本有的高炉采用了冷却壁和内衬一体化厚度为600mm的新型冷却壁。冷却壁受热面的温度不应超过壁体材质的允许工作温度， 普通灰口铸铁允许工作温度为500℃， 低铬铸铁 (含Cr<0.5%) 允许工作温度为600℃。
(2)冷却板。材质为铸铜、铸铁或铸钢，内型为空腔、带隔板或铸入无缝钢管的冷却板。这三种材质的冷却板，中国均有采用。冷却板结构形式有插入式与埋入式，插入式带法兰密封装置可更换，炉壳上开孔较大;埋入式仅进出水管穿过炉壳，开孔较小，但不可更换。铜冷板导热较好但壁体允许工作温度须小于150℃，铸钢和铸铁冷却板壁体允许工作温度较高。 宝山钢铁总厂1号高炉引进日本带密封结构的铜冷却板， 铜的纯度在99.5%以上，高温区(1～36层)用四通道，其余用二通道。日本钢管公司为提高冷却能力，将冷却板设计成双进出水四通道和六通道的，于1975年1月用在福山3号高炉第二代新设计的冷却板内， 水速已提至1m/s。
(3)支梁式水箱。内部铸有无缝钢管的铸铁楔形冷却箱， 用於高炉炉身冷却， 同时起支撑炉身内衬的作用。水箱成棋盘式上下交错布置，水箱内端距内衬工作面为230～575mm。水箱长度根据炉身内衬厚度确定。宽度一般为200～300mm。
冷却板与冷却壁这两种冷却设备各有优缺点， 使用效果均有良好的实例。冷却壁的优点是：由于炉壳上开孔比较小，有较好的密封性;冷却均匀、炉衬内壁侵蚀线平滑;内衬用量少;节省了贵重的铜。但对砖衬的支托差，坏后很难更换，设备重量大。冷却板的优点是：对内衬的冷却效果好，能保持较厚的砖衬;坏后易于更换; 由于铜导热性好，随着砖衬的侵蚀，热负荷增大，能抵抗局部过热;对砖衬的支托好;设备重量轻。但冷却板在炉壳上开孔大、炉壳较厚，其对炉壳冷却和炉衬侵蚀的均匀性较差， 并需用贵重的纯铜制造。
炉体设备 除冷却设备外还有风口装置、 渣口装置、铁口框、炉喉钢砖、炉顶保护板、滤水器、煤气取样器和探测装置等。
风口装置 包括围管下面的短管、送风支管、直吹管和风口水套等。 设计要考虑便于更换和操作， 耐高温、隔热、各部分接触严密和耐用。(1)送风支管。由本体、张紧装置及附属金属件组成。支管外壳用钢板焊成，上段内砌耐火砖，下段用耐火材料浇注成文丘里管结构，用来测定支管送风量。热风围管和炉体热膨胀造成的相对位移，由伸缩管吸收。(2)直吹管。一般用铸钢制成;小高炉上的可用铸铁制成。高风温直吹管内有耐火内衬和隔热层。 (3)风口水套。一般由2～3个水套组成，1000m3级高炉常用三个水套，有些大高炉由于内衬减薄采用两个水套。 风口中小水套一般为铸铜件，风口小套前端有用铜板制成的。中国用的铸铜成分一般为： 97.8%Cu， 1.5%Sn， 0.7%Fe， 水套壁厚为8～10mm， 空腔宽度应大于进出水管外径， 并需留有调整小套内径的可能。为延长风口使用寿命，在结构和材质方面有了不少改进，如贯流式和螺旋管形风口等。风口大套一般为铸铁件，内铸有无缝钢管。根据换风口需要，大套斜度为1/5～1/10，为加强严密性，高压高炉的风口大套安装在固定于炉壳上的法兰盘上，用螺栓拧紧。
渣口装置 一般由3～4个水套组成。有的高炉已取消渣口。渣口装置设计与风口装置基本相同。
铁口框 用于加强和保护铁口处的炉壳。铁口框用铸钢或钢板制成。铁口框有长圆形和矩形两种。矩形铁口框的四角应做成半径较大的圆弧，以防炉壳在开孔四角开裂。铁口框与炉壳的连接，过去用铆接，现在一般用焊接。
炉喉钢砖 用于抵抗炉料的冲击和磨损，有块状和条状两种型式。材质一般为铸钢。块状钢砖的吊挂和连接螺栓在生产中受高温影响易变形，引起钢砖错位和脱落。条状钢砖在中国使用效果较好。日本大型高炉有的采用炉喉水冷钢砖。
炉顶保护板 为保护炉顶外壳和降低外壳工作温度须设保护层，有的砌耐火砖或用镶砖铸铁板，20世纪70年代后多用喷涂耐火材料。
长寿技术 高炉长寿已成为当代炼铁技术的重要组成部分和发展标志。高炉最易损坏的部位是炉身下部和炉缸铁口区附近，这是决定高炉寿命的关键部位。高炉生产实践表明，影响高炉寿命的因素有：内衬材质及结构;冷却设备;冷却系统及高炉操作。延长高炉寿命，必须综合治理才能奏效。长寿高炉设计采取的主要措施有：
(1) 改进炉衬材质及结构，根据炉缸异常侵蚀原因，采用耐铁水浸透，抗渣铁侵蚀的碳—碳化硅砖、低透气率微孔碳砖和热压半石墨碳砖。炉身下部和炉腰，采用抗开裂性好、热导率高的石墨碳化硅砖、碳化硅砖或热压半石墨砖。炉底采用陶瓷杯结构及冷却，风口区采用抗氧化性强、热稳定性高的耐火砖。风、渣、铁口用大块组合砖砌筑。
(2)改进冷却设备材质和结构，提高冷却强度，延长使用寿命。采用冷却板时，减小层距，扩大密集冷却范围，提高炉身砖衬支撑作用。采用冷却壁时，改进壁体材质，提高耐热冲击性能，增加背侧冷却水管，预防炉壳发红开裂，设计大中型高炉可采用板壁结合结构，加强对内衬冷却及支撑。采用贯流高水速长寿风口，炉喉处增设水冷钢砖。
(3)冷却系统，改善冷却水质，防止结垢，提高传热能力。采用经过处理的工业水开路循环或软水、纯水闭路循环冷却系统。加强突台冷却以防过早损坏。
(4)增设监测调节装置，为控制边沿煤气流发展、改善炉料及煤气分布，设置监控装置。为使高炉操作者及时了解内衬侵蚀状况及热负荷的变化，在炉身下部及炉缸铁口区设内衬残存厚度和冷却器进出水温度监测装置。开发综合操作技术(软熔带形状和位置控制技术)，尽早掌握炉内状况，预测炉内变化。