冶金设备课程设计

炼铁高炉炉衬设计

目录

1.高炉本体设计 0

1.2.1 炉缸结构尺寸........................................ 错误!未定义书签。

1.2.2 炉腰结构尺寸........................................ 错误!未定义书签。

1.2.3 炉腹结构尺寸........................................ 错误!未定义书签。

1.2.4 炉喉结构尺寸........................................ 错误!未定义书签。

1.2.5 炉身结构尺寸........................................ 错误!未定义书签。

1.2.6 其余结构尺寸........................................ 错误!未定义书签。

1.2.7 炉容校核............................................ 错误!未定义书签。

1.3高炉内型设计总结........................................ 错误!未定义书签。

1.3.1设计参数汇总........................................ 错误!未定义书签。

1.3.2本炉型设计特点...................................... 错误!未定义书签。

2.高炉耐火炉衬及冷却装置 (2)

2.1高炉耐火炉衬设计 (2)

2.1.1 炉衬破损机理 (2)

2.1.2 高炉用耐火材料 (3)

2.1.3 高炉炉衬的设计与砌筑 (4)

2.2.6 炉身冷却模块技术.................................... 错误!未定义书签。

2.4.7 水冷炉底............................................ 错误!未定义书签。

3.参考文献 (8)

设计总结和感言 (9)

1.高炉本体设计

高炉是横断面为圆形的圆筒状炼铁竖炉。外部用钢结构做支撑，表面为钢板作

的炉壳，壳内砌耐火砖内衬。现代高炉被称为“五段式”高炉，其高炉本体自上而下

分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。（“五段式”内型如图一所示。）高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔

剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预

热的空气。在高温下焦炭（现代高炉也辅助性地喷吹

煤粉、重油、天然气等燃料代替焦炭）中的碳同鼓入

空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升

过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的

铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等

熔剂结合生成炉渣，与铁分离为两相，后从渣口排出

（有的从铁口与铁液一同排出）。产生的煤气从炉顶排

出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等

的燃料。

高炉冶炼的主要产品是生铁，另外还有副产高炉渣

和高炉煤气。高炉炼铁具有技术经济指标良好，工艺

简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点。

目前这种方法生产的铁已占世界铁总产量的绝大部

分。

图一“五段式”高炉内型示意图

1.1高炉内型设计

高炉内型是指高炉内部工作空间中心纵剖面的轮廓。合理的炉型应该满足高产、

低耗、长寿的要求，能够很好的适应炉料的顺利下降和煤气的上升运动，以保证冶炼

过程的顺利。

在长期生产实践过程中，高炉内型随着原料条件的改善、操作技术水平的提高、

科学技术的进步而不断地发展变化。高炉内型的演变过程大体可以分为三个阶段：①

无型阶段、②大腰阶段、③近代高炉阶段。

现代的高炉本体主要由炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五部分组成，称为“五段

式”高炉。

本次设计以“五段式”高炉为基，设计高炉内型。（各部分尺寸符号见图二。）

高炉各部分尺寸有一定相关性，各个尺寸件的相对关系条件决定了高炉的整个炉型。高炉各部分主要参数的相关性条件如表3所示。

表3 高炉内型计算的主要参数

项目厚壁高炉经验公式薄壁高炉经验公式

D/d 1.10~1.20(V u300~1000m3) 1.14~1.20(V u2000~5000m3)

d1/d 一般为0.65~0.72，大高炉取值

高

0.73~0.77(V u2000~5000m3)

H u/D 一般为2.0~4.0 1.9~2.4(V u2000~5000m3) 炉缸高度h1h1=（0.12~0.15）H u ,或h1=h f+a；h1=（0.124~0.170）H u

下面就高炉各个部分的尺寸设计计算进行说明。

2.高炉耐火炉衬及冷却装置

2.1高炉耐火炉衬设计

按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬。它的作用：在于构成高炉的工作空间；减少高炉的热损失；保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。

2.1.1 炉衬破损机理

（1）炉底：炉底破损分两个阶段，初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑；铁水渗入的条件：炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的10～12％；砌砖存在砖缝和裂缝。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，并被铁水所吸收。

影响炉底寿命的因素：是承受的高压；是高温；是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷；砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂；

在高温下渣铁对砖衬的化学侵蚀，特别是渣液的侵蚀更为严重。

（2）炉缸：渣铁的流动、炉内渣铁液面的升降，大量的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷是主要的破坏因素；化学侵蚀；风口带为最高温度区。

（3）炉腹：高温热应力作用很大；由于炉腹倾斜故受着料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响；承受初渣的化学侵蚀。

（4）炉腰:①初渣的化学侵蚀；上、下折角处高温煤气流的冲刷磨损。高温热应力的影响；碱金属和Zn 的化学侵蚀。②夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷。

（5）炉喉：受到炉料落下时的撞击作用。用金属保护板加以保护，又称炉喉钢砖。

h f —风口中心线高度；

a---0.5~0.7

(V u 2000~5000m 3) 炉腹角α 一般为78~82 75~78

炉腰高度h 3 调整高炉容积用，一般1.0~3.0 调整高炉容积用，一般1.0~3.0 炉身角β

一般为80~83 一般为79~83 风口高度h f h 1-h f =0.5~0.6 h 1-h f =0.5~0.6

（6）决定炉衬寿命的因素：炉衬质量，是关键因素。砌筑质量。操作因素。炉型结构尺寸是否合理。

2.1.2 高炉用耐火材料

（1）对耐火材料的要求：根据高炉炉衬的工作条件和破损机理分析可知，高炉炉衬的质量和性质是影响高炉寿命的重要因素之一，对高炉用耐火材料提出如下要求：

1）对长期处于高温条件下工作的部位，要求耐火度高，高温下的结构强度大，高温下的体积稳定性好。

2）组织致密，体积密度大，气孔率小，特别是显气孔率要小，提高抗渣性和减少炭黑沉积的可能。

3）Fe

2O

3

含量低，防止与CO在炉衬内作用降低砖的耐火性能和在砖表面上形成

黑点、熔洞、熔疤、鼓胀等外观和尺寸方面的缺陷。

4）机械强度高，具有良好的耐磨性和抗冲击能力。

（2）高炉常用耐火材料：陶瓷质材料：粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等；碳质材料：碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖等。

①粘土砖：基本特性：良好的物理机械性能；抗渣性好；成本较低。

②高铝砖：AL

2O

3

含量大于48%的耐火制品。基本特性：比粘土砖有更高的耐火度

和荷重软化点；由于AL

2O

3

为中性，故抗渣性较好；加工困难，成本较高。

粘土砖和高铝砖的外形质量也非常重要，对于制品的尺寸允许偏差及外形分级规定见表11所示。

表11 耐火材料尺寸允许偏差和外形规定

③碳质耐火材料：主要特性：耐火度高，不熔化也不软化，在3500℃升华；抗渣性能好；高导热性；热膨胀系数小，体积稳定性好；致命弱点是易氧化，对氧化性气氛抵抗能力差。

④不定形耐火材料：捣打料：用于炉底炭砖与水冷管之间、风口、铁口、渣口周围及铁沟。喷涂料：炉壳。泥浆：把耐火砖粘结成为致密的整体炉衬。要求泥浆的化学成分与耐火砖的相近。填料：用来填充炉壳与冷却壁、冷却壁与砌砖之间的间隙，起密封和补偿收缩作用。优点：工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、不易剥落，可以减小炉衬厚度。

2.1.3 高炉炉衬的设计与砌筑

（1）炉衬设计要考虑的因素：高炉各部位的工作条件及其破损机理；冷却设备形式及对砖衬所起的作用；要预测侵蚀后的炉型是否合理。

①砖型与砖数砖型：直形砖和楔形砖两种。砖的厚度一致；长度有230mm和345mm两种，使错缝方便。我国高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸见表12。

表12 我国高炉用粘土砖和高铝砖形状及尺寸

②砖数计算：炉底：炉底砖数：砌砖总容积除以每块砖的容积。每层砖数：用炉底砌砖水平截面积除以每块砖的相应表面积来计算。砖的重量：用每块砖的重量乘以砖数。考虑2～5％的损耗。炉其它部位：都是环形圆柱体或圆锥体，需要楔形砖和直形砖配合使用。一般以G－1直形砖与G－3或G－5楔形砖配合；G－2直形砖与G－4或G－6楔形砖相配合。

(2)炉底:①结构形式：A粘土砖或高铝砖炉底——小高炉炉底厚度大于炉缸直径的0.6倍。综合炉底:综合炉底是在风冷管碳捣层上满铺几层400mm碳砖，上面环形碳砖砌至风口中心线，中心部位砌数层400mm高铝砖，环砌碳砖与中心部位高铝砖相互错台咬合。综合炉底的厚度为炉缸直径的0.3倍。结构见图2.

图2 综合炉底结构图

B全碳砖炉底：大型高炉普遍采用。全碳砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。炉底砌筑：粘土砖和高铝砖炉底的砌筑；均采用立砌，层高345mm；砌筑由中心开始，成十字形；上下两层的十字中心线成22.5o～45o；上下两层中心点应错开半块砖；最上层砖缝与铁口中心线成22.5o～45o。

C满铺碳砖炉底砌筑有厚缝和薄缝两种连接形式：一般是碳砖两端的短缝用薄缝，而两侧的长缝用厚缝。满铺碳砖炉底的结构见图3：

图3 满铺碳砖炉底结构图

D碳砖砌筑的原则：①相邻两行碳砖必须错缝，一般在200mm以上；②上下两层碳砖砖缝成90o；③最上层碳砖砖缝与铁口中心线成90o。

E综合炉底砌筑①炉底中心部位的高铝砖砌筑高度必须与周围环形碳砖高度一致，为400mm；②高铝砖与环砌碳砖间的连接为厚缝，环砌碳砖为薄缝连接；③炉底满铺碳砖侧缝为厚缝连接，端缝为薄缝连接。④环砌碳砖为楔形碳砖。

(3)炉缸：①结构形式：A粘土砖或高铝砖炉底——小高炉

B碳砖炉缸——大中型高炉

②炉缸砌筑：A粘土砖或高铝砖炉缸的砌筑：炉缸各层皆平砌；同层相邻砖环的放射缝应错开；上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开。

③砌筑：每层厚400mm；每层块数为整数；同层相邻砖环的放射缝应错开；上下相邻砖层的垂直缝与环缝应错开；在碳砖炉缸的内表面设有保护层。过去砌一层高铝砖，近来用涂料代替高铝砖，涂料层厚5～8mm。

④炉缸厚度：A一般规定铁口水平面处的厚度为

小高炉：575mm（230＋345）；

中型高炉：920mm（230＋345×2）；

大型高炉：1150mm（230×2+345×2）或更厚些。

(4)炉腹、炉腰和炉身下部：A炉腹：一般砌一层高铝砖或粘土砖，

厚度为345mm。

B炉腰炉腰有三种结构形式：厚壁炉腰、薄壁炉腰和过渡式炉腰。

厚壁炉腰结构：优点是热损失少，但侵蚀后操作炉型与设计炉型变化大。薄壁炉腰结构：热损失大些，但操作炉型与设计炉型近似。过渡式炉腰结构：处于两者之间。

C炉身下部炉身下部砌砖厚度为690～805mm，目前趋于向薄的方向发展，有的炉衬厚度采用575mm或345mm。倾斜部分按三层砖错台一次砌筑。

(5)炉身上部和炉喉：炉身上部一般采用高铝砖或粘土砖砌筑。砌砖与炉壳间隙为100～150mm，填以水渣——石棉隔热材料。为防止填料下沉，每隔15～20层砖，砌二层带砖即砖紧靠炉壳砌筑，带砖与炉壳间隙为10～15mm。炉喉：炉喉钢砖或条状保护板：为铸铁或铸钢件。炉喉圆周有几十块保护板，板之间留20～40mm膨胀缝。炉喉高度方向只有一块。

3.参考文献

[1]项中庸·《高炉设计——炼铁工艺设计理论与实践》·冶金工业出版社·2007年

[2]郝素菊，蒋武峰，方觉·《高炉炼铁设计原理》·冶金工业出版社·2003年

[3]王平·《炼铁设备》·冶金工业出版社·2006年

设计总结和感言

在整个课程设计的四天中，我们小组分工合作、齐心协力，如今已经一同完成了课程设计的所有工作。故特在此总结感悟。

在课程设计的第一天我们便对这次任务进行了规划和分工。在以后的几天中，我们组的成员一起分工合作，一同努力，一同奋斗。我们完成了设计前的准备工作：阅读课程设计相关文档、搜集和查阅了大量资料、进一步进行小组讨论分工完成对资料的分析。在协作下，完成了每个人对炼铁高炉的设计。一起寻找软件，相互帮助后，完成了绘制了电子图纸，并最后撰写课程设计说明书。

在整个设计中，我主要负责图纸的绘制。在这个过程中，我们都经历了艰苦的过程——在绘图时遇到了较大麻烦。此时我认识到自己好多不足之处，如对专业学习不够认真，对一个工科生应学到的知识认识和学习不够。我希望通过本次设计后我能够在认识不足的基础上认真学习和改进。

经历高炉本体设计的整个过程我觉得自己的学习能力有一定的进步。我对高炉结构、高炉工作原理、工作过程和高炉各种材质的要求有了进一步了解，对冶金设备设计也有了一定认识。其中特别是对CAD软件的学习及对资料的寻找与整理，收获最丰。

这次的课程设计，我们小组一起经历了奋斗的酸甜苦辣，一起体验了合作的点滴感动，也一起分享了成功的喜悦。因为对我们每个人来说，这一次的课程设计都是一个挑战。我们每个人都不完美，对课题的了解也都不完全，尤其是对计算机辅助制图的软件，我们大家都不太精通。这时候小组的力量就体现出来了，各司其职，各尽其能，终于集体的力量发挥了效用，使我们终于到达了成功之岸。

在这个过程，我们都齐心协力、相互帮助。我就受到了好多帮助。有时，一句温暖的话语，一杯热热的咖啡，就能给人以无比的动力和破解一切问题的决心。其实回想起来，这次的课程设计我的最大的感受不是知识的获得，而是磨练的人格和丰盛的友谊。

因为，经过艰难困苦的设计工作之后，最终我们都明白了，课程设计这样集体的任务，光靠团队里的一个人或几个人是不可能完成好的，唯一成功的可能就是全体成

员通力合作。

虽然现在课程设计结束了，但我相信，我们这份宝贵的经历和曾经一起奋斗的精神和友谊，必将会成为人生道路上一道亮丽的风景线。

至此

课程设计小组全体成员敬上

2012年6月28日