毕业设计 高炉本体设计

内蒙古科技大学毕业设计说明书

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内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书

题目：包头地区原料条件下1500m3高炉

本体设计

学生姓名：

学号：

专业：冶金工程

班级：冶金09-1

指导教师：

摘要

高炉炼铁是获得生铁的主要手段，高炉是炼铁的主要设备，高炉本体设计是炼铁厂设计的基础。本着优质、高产、低耗和对环境污染小的方针，长寿与高效是高炉设计与生产所追求的目标。本设计说明书进行的详细的设计及计算，同时结合国内外一些大型高炉的先进生产操作经验及相关的数据。力求设计的高炉做到高度机械化、自动化和大型化。以期达到最佳的生产效益。

本设计为1500m3高炉本体设计，所设计的炼铁高炉采用的高径比为2.78，高炉的有效利用系数为2.3t/(m3?d)。车间采用岛式布置，出铁场采用圆形出铁场。其炉底和炉缸采用的先进的“陶瓷杯”技术来砌筑，从而达到了隔热保温、减少热损、保护炭砖的目的。炉腹部位用耐火度较高的铝碳转，炉腰和炉身下部用抗渣和防震较好的碳化硅砖，而炉身上部和炉喉用抗刷和抗侵蚀较好的高铝砖。高炉冷却方法采用了炉壳喷水冷却，和板壁结合的方式达到冷却效果，其中板壁结合中用到的冷却壁有光面冷却壁、第三代和第四代冷却壁。合适的钢结构和高炉基础设计保证了高炉的正常冶炼。

关键词高炉；炉衬；冷却系统；钢结构

Abstract

Blast furnace iron making is the main means for pig iron, the main equipment of iron making is blast furnace, blast furnace design of ontology is the foundation of the iron mill design. In line with high quality, high yield, low consumption and pollution to the environment policy of small, long life and high efficiency is the goal of the design and production of the blast furnace. This design manual for detailed design and calculation, at the same time, combined with some large blast furnace at home and abroad advanced production operation experience and related data. Strive to design blast furnace of high mechanization, automation and large. In order to achieve the best production efficiency.

This design for 1500 m3 blast furnace body design, The design of the blast furnace high aspect ratio of 2.78,the effective utilization of blast furnace coefficient of 2.3t/(m3?d).Workshop uses the island type layout cast house using circular cast house Blast furnace bottom and hearth uses advanced technology to building "ceramic cup", so as to achieve the heat insulation heat preservation, reduce heat loss and protect the carbon brick. Furnace belly with high refractoriness of aluminum carbon, bosh and furnace body with good slag resistance and shock-proof carborundum brick, The furnace body and brush with resistance and erosion resistance furnace throat good high alumina brick.Blast furnace cooling method USES a furnace shell water spray cooling, cooling effect and partition way, combined with the wooden partition used in cooling stave cooling wall has smooth surface, the third and fourth generation of cooling stave.Appropriate steel structure and foundation design guarantees the normal of the blast furnace smelting blast furnace.

Key word: blast furnace body;the lining;of blast furnace cooling system;steel structure

目录

摘要............................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................... II 目录....................................................................................................................................... III 第一章文献综述 (1)

1.1高炉炉型概述 (1)

1.1.1高炉炉型的发展 (1)

1.1.2高炉炉龄及其影响因素 (2)

1.2高炉炉衬的发展 (2)

1.2.1高炉各部分耐火材料的选择 (2)

1.2.2我国最新对耐火材料的选择 (4)

1.3高炉的冷却设备 (4)

1.3.1高炉冷却的必要性 (4)

1.3.2高炉冷却的目的 (5)

1.3.3高炉冷却的方式 (5)

1.3.4高炉各个冷却方式的发展以及优缺点 (6)

1.4高炉钢结构以及高炉基础的概述 (10)

1.4.1高炉的钢结构以及影响因素 (10)

1.4.2我国高炉钢结构设计的基本现状 (11)

1.4.3我国在高炉钢结构设计上的差距 (12)

1.4.4高炉基础的概述 (13)

1.5高炉设计方案 (15)

第二章炼铁工艺计算 (17)

2.1原料成分及参数选择 (17)

2.1.1原料成分 (17)

2.1.2参数选择 (18)

2.2原料成分的整理计算 (19)

2.2.1矿石成分补齐计算 (19)

2.2.2矿石成分的平衡计算 (20)

2.2.3燃料成分的整理计算 (22)

2.3配料计算 (23)

2.3.1吨铁矿石用量 (23)

2.3.2生铁成分计算 (23)

2.3.3熔剂用量计算 (24)

2.3.4炉料及炉渣成分计算 (24)

2.4物料平衡计算 (25)

2.5热平衡计算 (29)

2.5.1热收入 (29)

2.5.2热支出 (30)

2.6高温区热平衡计算 (34)

2.6.1高温区热收入 (34)

2.6.2高温区热支出 (34)

2.7炼铁焦比的计算 (36)

第三章高炉炉型设计 (38)

3.1炉型的计算 (38)

3.1.1铁口 (38)

3.1.2渣口 (39)

3.1.3风口 (39)

3.1.4日产铁量的计算 (40)

3.1.5炉缸尺寸计算 (40)

3.1.6死铁层厚度 (41)

3.1.7炉腰直径、炉腹角、炉腹高度的计算 (41)

3.1.8炉喉直径、炉喉高度、炉身高度、炉腰高度 (41)

3.2炉容的校核 (42)

3.3出铁场布置 (42)

第四章高炉炉衬设计 (44)

4.1各部位砖衬的选择 (44)

4.1.1炉底、炉缸部位的选择 (44)

4.1.2炉腹部位的选择 (44)

4.1.3炉身中下部及炉腰部位的选择 (44)

4.1.4炉身上部及炉喉部位的选择 (45)

4.2各部位砖量计算 (45)

4.2.1炉底、炉缸的砌筑 (46)

4.2.2炉腹的砌筑 (46)

4.2.3炉腰的砌筑 (47)

4.2.4炉身部位的砌筑 (48)

第五章高炉冷却系统设计 (52)

5.1高炉冷却设备 (52)

5.1.1高炉冷却目的及方法 (52)

5.1.2冷却设备 (52)

5.2冷却器的工作机制 (53)

5.3合理的冷却结构 (54)

5.4高炉冷却系统的维护 (57)

第六章高炉钢结构及基础 (60)

6.1高炉钢结构 (60)

6.1.1高炉本体钢结构 (60)

6.1.2炉壳 (61)

6.1.3炉体平台 (61)

6.1.4炉体框架 (61)

6.1.5热风围管 (62)

6.2高炉基础 (62)

参考文献 (63)

致谢 (65)

第一章文献综述

1.1高炉炉型概述

1.1.1高炉炉型的发展

高炉是一种竖炉型的冶炼炉，它由炉体内耐火材料砌成的工作空间、炉体设备、炉体冷却设备、炉体钢结构等组成。

高炉生产实践表明：合理的炉体结构，对高炉一代炉龄的高产、优质、低耗和长寿起到保证作用[1]，由此可以看出高炉的炉型应该有炉型和炉龄两个方面阐述。

近代高炉，由于鼓风机能力进一步提高，原料燃料处理更加精细，高炉炉型向着“大型横向”发展[2]。对于炉型而言，从20世纪60年代开始，高炉逐步大型化，大型高炉的容积由当时的1000～1500m3逐步发展到现在的4000～5500m3。随着炉容的扩大，炉型的变化出现以下特征：高炉的H U/D即高径比缩小，大型高炉的比值已降到2.0，1000m3级高炉降到2.5，300m3级高炉也降到3.0左右。和大小同步的还有高炉矮胖炉型发展，矮胖高炉的特征是炉子下部容积扩大，在适当的配合条件下利于增加产量，提高利用系数.但如矮胖得过分，易导致上部煤气利用差，使燃料比升高.此外，从全国节能要求出发，在高炉建设和炼铁生产经营管理中，应既抓产量，又抓消耗、质量和寿命的优秀实例进行总结推广，提倡全面贯彻“高产、优质、低耗、长寿，”八字方针[3]。与盛高炉型相比，矮胖炉型的主要优点是：与炉料性能相适应，料柱阻力减小；风口增多，利于接受风量;高护更易顺行稳定。这些优点，给高炉带来了多产生铁，改进生铁质量，降低燃料消耗和延长寿命的综合效果。通过研究发现,当今用于炼铁的高炉炉喉直径均偏小，其炉喉直径与炉缸直径的比值均小于0.785。通过研究发现，炉喉直径偏小影响炉身的间接还原效率，致使高炉能耗较高，影响高炉经济效益，因此，为了提高高炉炉身的间接还原效率，改善高炉产生技术指标和进行节能减排，特别推出一种扩大炉喉直径的新炉型高炉。采用的技术方案是：它包含炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五部分，其中炉缸在炉腹的下面，炉缸上面连接炉腹，炉腹上面连接炉腰，炉腰上面连接炉身，炉身上面连接炉喉；由上述5部分组成的高炉内型，5个部分的横截面均呈圆形，其中炉缸直径用d表示，炉腰直径用D表示，炉喉直径用d表示，炉喉直径d1与炉缸直径d之比在0.785～1.0之间。从而炉型能够充分发挥炉身的间接还

原作用，使高炉节约焦炭，降低消耗，减少二氧化碳排放，能够使钢铁企业降低生产成本[4]。

1.1.2高炉炉龄及其影响因素

实现高炉长寿是高炉生产的主要目标之一。高炉炉龄主要取决于炉缸、炉腹、炉腰、炉身各层冷却系统以及高炉本体结构的实际使用情况。较长的高炉炉龄，无疑在经济上是合理的。高炉长寿是从设计、施工、操作状况等诸多环节统一管理的一项系统工程。一代高炉寿命的长短，直接反映高炉技术装备、操作管理水平和经济效益。若将一代高炉寿命延长几年，其经济效益是显而易见的。在目前高产、低耗的生产条件下，实现长寿具有十分重要的意义。高炉操作炉型是否合理，炉衬的完好率及其及时维护，冷却设备及冷却制度的选择，炉壳结构的稳定性的监护等都是直接影响高炉一代寿命的因素。特别是整个高炉生产期的稳定顺行，积极维护和管理是实现高炉长寿的重要环节，必须给予高度重视。国内高炉炉缸、炉底自采用高导热率的碳质耐火材料和加强冷却以后，寿命显著延长，影响高炉一代寿命的薄弱环节现已转到炉身下部。因此，提高炉身下部的寿命，使之与炉缸、炉底寿命相适应，已成为当前迫切需要解决的课题.影响高炉炉体寿命的因素很多，而且互相制约，问题比较复杂，但在其他诸因素相同，尤其是在稳定操作的情况下，对于由耐火砖衬、冷却器、炉壳组成的现代高炉炉体来说，高炉冷却确实是决定炉体能否长寿的重要原因。

1.2高炉炉衬的发展

1.2.1高炉各部分耐火材料的选择

对于炉衬而言，现代技术的发展，大大地促进了我国高炉技术的进步，高炉炉衬的侵蚀是影响高炉长寿的关键因素之一，随着计算机硬件技术的进步和计算流体动力学的发展，利用数值模拟技术开展有关高炉炉衬侵蚀的研究已成为主要的研究方法，高炉一代寿命大大提高。这除了应归于高炉炉体结构参数趋于合理、操作参数的进一步优化外，还应归功于高炉炉衬耐火材料与施工技术的进步[5]。而高炉各个部分的耐火材料的选择是不同的，粗略的有以下的几个方面分布：

⑴炉身上部和中部

炉身的上部主要受固体炉料的机械磨顺和高速煤气流的冲刷作用、碳素沉淀、碱

金属和锌的腐蚀，同时受到温度变化的影响。一般选用机械强度好的、气孔率低和热稳定性能好的粘土砖或高铝砖。

⑵炉身下部、炉腰和炉腹

从炉身下部到炉腹的砖衬，既受到下降炉料和上升高温高压煤气的磨损，又受到高FeO和高碱度初渣的化学侵蚀，此外，还有碱金属和锌与CO的化学作用，造成砖衬疏松剥落；特别是因高温波动而引起的热冲击破损危害更大，例如在炉况失常、或开炉、或休风期时，由于煤气流分布失常，砖衬内温度场发生剧烈波动，导致砖衬内部产生裂纹。同时，裂纹内伴随有化学产物的膨胀，其结果必然导致内衬很快破损。这些部位应选用机械强度高、热稳定性好、导热性良好和抗化学侵蚀性能的耐火材料。

⑶炉缸部和炉底部

炉缸部主要受高温液态渣铁的冲刷、渗透和碱金属熔蚀，故要求选用气孔率低、孔径小、导热性高、抗渣性和抗碱性好的耐火材料。目前，国内外高炉炉底炉缸采用的内衬结构型式大致分为两大类，一是全炭质材料炉底炉缸结构，二是炭质材料—陶瓷材料复合炉底炉缸结构。这两种结构的炉衬都能实现长寿目标，不同之处主要是砖的导热系数相差很大，碳砖在200℃时的导热系数为8～21W/(m K)，陶瓷砖的导热系数≤0.2W/(m K)，是碳砖导热系数的1/40～1/105，因而陶瓷杯复合炉衬具有良好的保温性能[6]。炉缸外环一般采用微孔炭砖、超微孔炭砖、自焙碳砖；炉缸内环采用高铝砖、刚玉转。

⑷风口

风口是炉内最高温度区域炉衬经常承受1800～2000℃的高温作用，同时也受到渣铁的冲刷和碱金属的侵蚀。由于高温高压气体从此送入炉内，对炉衬的振动也很严重，因此要求此处砌体具有良好的稳定性。风口带一般采用大块的组合砖砌体，材质为高铝砖、硅线石砖、刚玉砖、碳化硅砖等。

⑸铁口

铁口附近的砖衬经常受到渣铁的冲刷和侵蚀，在开铁口和堵铁口时，承受开铁口机的冲击力和泥炮的巨大作用力，而使耐火砖松动造成煤气泄漏；当炉缸冻结或铁口打不开时，有使用氧气烧铁口。因此，在设计铁口砌体时，必须考虑耐渣铁侵蚀和砌体的稳定性和密封性、耐火材料的抗剥落性和抗氧化性能。一般采用大块的组合砖砌体。材质为高铝砖、刚玉砖、碳化硅砖和铝—碳—碳化硅砖等。

1.2.2我国最新对耐火材料的选择

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。但随着高炉冶炼强度的不断提高，炉缸寿命依然存在这问题。炉缸炉底上传而导致高炉停炉的现象在国内屡见不鲜。如邯钢1260m，高炉，1992年7月投产，1995年4月炉缸烧穿[7]。

我们就国内目前高炉炉衬耐火材料的应用情况，优选了三套比较有代表性的方案。其中，方案一选择了高导热石墨炭和半石墨化烧成炭砖砌筑炉底：炉缸采用高导热的微孔炭砖；并采用陶瓷杯技术；炉腹、炉腰、炉身下部选用Si3N4结合SiC砖。这种结构选择的材料等级较高，造价较贵。方案二以国产烧炭块代替方案一中的烧成炭砖，并以国内自行研制的与Si3N4结合SiC砖性能接近，而价格便宜得多的铝碳砖部分代替Si3N4结合SiC砖，以达到降低造价的目的。方案三采用了与方案二相同的炉底结构，但在炉腹、炉腰、炉身下部直至中部大量采用烧成铝碳砖代替Si3N4结合SiC砖，进一步降低高炉造价。综合的说其发展途径为：高炉碳砖应开发超微孔碳砖,主要是提高热导率达到20W/m·K以上。降低平均孔径达到<0.05um、<1um孔容积达到>85%，透气度达到0m。还要提高抗氧化性和抗铁水溶蚀性。这样的碳砖将可以完全防止铁水和有害气体的渗透侵蚀。高炉用的半石墨碳砖主要是提高热导率达到20w/m·K以上，还要提高抗氧化性和抗铁水溶蚀性[8]。

1.3高炉的冷却设备

1.3.1高炉冷却的必要性

在高炉炼铁界，为了提高炼铁综合经济效益，国内外炼铁工作者都把延长高炉寿命作为一个非常重要的课题进行研究，高炉寿命与炉体冷却结构，生产操作有着非常密切的关系，高炉后期的修补等技术也起到了重要的作用。高炉炉体冷却结构是高炉长寿的最重要的基础条件，各国对高炉炉体冷却结构作了很多调查及研究工作，以尽量提高高炉一代炉役寿命[9]。

所以继炉衬以后另一个高炉的重要体系不得不被提起那就是高炉的冷却系统。进入21世纪以来,随着国民经济的迅速增长，基础建设的步伐也在不断加快，同时带动了钢铁产业的飞速发展。全国各地的炼铁高炉如雨后春笋蓬勃发展，增长势头十分强劲。

说到炼铁高炉众所周知，对于一座高炉来说成熟高效的冶炼技术固然重要，但是如果没有理想的炉体冷却系统与之配套,炉体将会在很短的时间内受到损坏，从而导致高炉一代炉龄时间缩短，使高炉的大修时间提前，加大基建投资成本,直接影响钢铁企业的经济效益。很显然这样的后果大家都不愿看到，所以对一座高炉来说选择一种行之有效的高炉冷却方式就显得非常必要。

1.3.2高炉冷却的目的

高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件。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、炉底的冷却目的主要是使铁水凝固的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。

1.3.3高炉冷却的方式

冷却系统包括：⑴对质量要求低水；⑵设备简单；⑶较低的资本成本；⑷低流量和直接用于冷却水压力[10]。

冷却的方式就目前而言国内高炉采用的冷却方式有三种：工业水开路循环冷却系统；汽化冷却系统；软水密闭循环冷却系统

冷却原理如下：冷却水通过被冷却的部件空腔，并从其表面将热量带走，从而使冷却水的自身温度提高。

①工业水开路循环冷却工作原理：由动力泵站将凉水池中的水输送到冷却设备后，自然流回凉水池或冷却塔，把从冷却设备中带出的热量散发于大气。系统压力由水泵供水能力大小控制。

②自然循环汽化冷却工作原理：利用下降管中的水和上升管中的汽水混合物的比重不同所形成的压头，克服整个循环过程中的阻力，从而产生连续循环，汽化吸热而达到冷却目的。

③软水密闭循环冷却工作原理：它是一个完全封闭的系统，用软水（采用低压锅

炉软水即可）作为冷却介质，其工作温度50～60℃（实践经验40～45℃）由循环泵带动循环，以冷却设备中带出来的热量经过热交换器散发于大气。系统中设有膨胀罐，目的在于吸收水在密闭系统中由于温度升高而引起的膨胀。系统工作压力由膨胀罐内的N2压力控制，使得冷却介质具有较大的热度而控制水在冷却设备中的汽化。

1.3.4高炉各个冷却方式的发展以及优缺点

⑴工业水冷却是使用最广泛的，因为它一次投资低，运行稳定。该系统由泵站、管道、冷却器、喷水池等组成。首先当采用工业净水开式循环方法冷却时,由于工业净水对水质要求较低,可直接在循环泵房的吸水池中加入药剂经沉淀及

过滤处理后去掉水中的悬浮杂质，便可投入运行。由于高炉采用普通工业净化水作为冷却介质时，溶解于水中的可溶性杂质并未得到处理,所以在使用一段时间后，输送介质的管道及炉内冷却设备的通道上容易产生沉积物及水垢，从而导致传热效率降低，使得炉体内的冷却设备因过热而烧损。当冷却设备烧损后需及时更换否则会烧穿炉壁，所以要更换冷却设备，高炉就需要休风,影响生产秩序。另外采用开式循环方式时集水槽内的回水容易受到外界因素干扰，导致水质变差，且回水回流到热水井后需用扬水泵将其输送至晾水塔进行降温冷却后回流至冷水吸水井。由于开式循环过程中要蒸发掉一定量的水，需要定期定量补水。采用开式循环冷却方式的主要优点是：在风口平台上及高炉各层平台的集水槽前可以直观地看到每一块水冷壁和每一个风渣口冷却水运行情况，同时也便于炉前工测量水温，从而直观地观察每一个冷却设备的运行工况。在检修时能及时找出被烧损或堵塞的设备，以利更换。采用开式循环系统时需要引起注意的是当供水流速及流量太大时，由于回水系统靠重力回水流速较低，风口平台上的集水槽容易发生回水溢流(俗称吐水)事故。故为防止此事故发生，建议尽量降低循环水泵房及吸水池的标高，使其与风口平台的集水槽保证一定高差，充分利用回水系统的静压头保持系统平稳运行；另外一条是回水管径宜大不宜小。另外由于密闭循环可以充分利用系统管路的静压头，减少管路系统的水头损失，便于调节控制系统的工作压力，使系统运行可靠，降低动力消耗，据测算可节电耗30%左右。冷却水循环使用，靠喷水池蒸发冷却回水。总之，高炉采用工业水作冷却介质时，无论是直流式还是敞环式，都存在冷却水质差、水质不易稳定、水的循环损失大、允许水温升小、循环水量大等缺点。而最致命的弱点则是容易在冷却器通道壁上结垢。水垢积物通常是指水中成垢盐类结晶或沉淀所产生的沉淀物，对于水质而言（南方是悬浮物，

北方是水硬度），会在冷却器内结垢而影响冷却(5mm的水垢在200000kJ/(m2?h)的热流下能使冷却器表面温度比无垢时提高500)，这是造成冷却器烧坏的重要原因。为改善水质一般都用加药处理和定期清洗冷却器来降低水垢的危害；同时还要控制进出水的温度，特别是出水温度不宜高于45°C[11]。

⑵汽化冷却。在20世纪50年代，前苏联的冶金热工专家将加热炉上成功的汽化冷却移到高炉冷却系统，高炉汽化冷却技术在苏联试验和应用之后，西欧、日本、北美等国也相继引进在一些高炉上采用，我国在60～70年代也曾有10余座大中小型高炉使用过。现在世界上缺水地区还有些高炉使用汽化冷却，气冷的极限值是多少，日本曾在福山5号高炉冷却系统确定之前，对水冷和气冷作了模拟实验比较,结果发现气冷所能承担的最大烧毁热流强度为841千瓦/m2，而在水冷条件下能抵抗的最大烧毁热流强度为1163千瓦/m2（如图1.1）[12]。大部分高炉（包括前苏联的高炉和我国的高炉）的汽化冷却方式已被软水闭路循环冷却或工业水冷却所替代。汽化冷却是将接近沸点(称做欠热度低）的软水作为冷却介质通入冷却器，在冷却器内受热而部分水达到沸点而汽化蒸发，冷却介质变成汽-水混合物，水在汽化时吸收汽化潜热，从而冷却了冷却器，而且节约了大量的冷却水。汽-水混合物的密度比软化水的小，因此在密度差的驱动下，汽-水混合物上升进入汽包。在汽包内汽-水混合物分离为蒸汽和水，蒸汽或回收利用或放散;分离出的水作为冷却介质继续循环使用。完全靠水与汽-水混合物密度差运行的系统叫自然循环汽化冷却；在循环系统中加有热水泵以帮助冷却介质克服运行阻力的叫强迫循环汽化冷却。

图1.1 水冷和汽冷的热承载能力比较

1-热水冷却区；2-过渡区；3-稳定泡核过渡区；4-烧毁区；Q C-烧毁热流

采用汽化冷却作为高炉的冷却方式时具有以下优点：

⑴由于汽化冷却介质为软化水或纯水，水质指标较高，可有效防止系统内的水垢形成，延长了冷却设备的使用寿命。

⑵可以节约大量的工业用水,据测算可节水60%～90%。如采用自然循环方式时因用水量少，可将大水泵改为小水泵，大管道改为小管道，节省基建投资。

⑶运行安全可靠、流量小,换热能力大，不必设立事故水塔。当发生停电事故时，在汽包中还贮备有约1h的循环水量可以维持正常的系统自然循环，故仍可安全运行。

⑷汽化冷却产生的大量低压蒸汽可作为厂区的二次能源加以利用，从经济角度考虑也是非常可观的。它是将欠热度大的软水（水温在45～55°C)利用循环泵在高炉冷却系统内运行，软水在冷却器内吸收冷却器传过来的热达到冷却的目的。一般在冷却器内软水的温升为8～10°C，循环水离开高炉后，用专门的冷却设施将循环软水降温10℃左右，北方地区一般采用大风扇吹（只在夏天高温季节使用，其他各季靠自然通风冷却），南方地区则用工业水热交换器。系统内设有脱气罐。此种冷却方式的优点是采用软水或纯水解决水质对冷却的影响；由于水的欠热度大而且闭路不产生蒸汽，所以运行耗水量少，仅在热水泵轴承密封处有少量渗漏；闭路循环可充分利用静压头，而且可用膨胀罐充来调节、控制系统的压力，系统运行可靠[13]。

汽化的缺点是对高炉热流大波动的适应性差，在突发性尖峰热流时，容易在冷却器水管中形成汽塞，阻碍循环，甚至造成停止循环而将冷却器烧坏。这是汽化冷却没能得到推广和已用过的高炉退回到工业水冷却或改用更稳妥可靠的软水闭路循环冷却的主要原因。

软水闭路循环冷却。软水密闭循环冷却系统的热量是通过热交换器蒸发到大气中的，开式循环系统回水至吸水井再加压上冷却塔时水在冷却塔中蒸发将热量散失出去，在冷却塔周围形成水雾，容易污染环境，而采用软水密闭循环冷却可以节约占地面积50%左右。软水密闭强制循环冷却方式的缺点是：对每一个冷却设备的运行工况不能通过直观的观察来判断是否运行正常，检修时比较困难，需逐一排查。当系统内水流速度加快时，系统阻力也随之加大，所以必须选择一个合适的水流速度才能达到节约能耗的目的。另外它的工程造价相对于开式循环系统来说要大许多，所以选择时要全面地权衡利弊得失，谨慎选用。

综合的说软水闭路循环冷却系统的优点可以简要的做以下的分析说明：

⑴消除管壁结垢，延长冷却器寿命[14]

该系统使用经过化学处理即除去水中硬度和部分盐类的软水，这就从根本上解决了冷却水管内壁结垢的问题，克服了工业水冷却的致命弱点。尽管热的软环系统介质温度比工业水冷却时高30～40℃，但由于后者冷却管内不可避免地要结垢，使冷却壁体的工作温度可能比汽冷条件下还高。因此，无论是与工业水系统还是汽冷系统相比，软环系统内的冷却器壁体工作温度是最低的.这无疑有利于延长冷却器寿命。

⑵运行稳定，灵活可靠

首先在本系统中设置了氮气充压容器，可以控制冷却部件内的水温远低于相应压力下水的沸腾温度，即具有较高的欠热度，使系统中的水不汽化，不存在两相流。即使在高热负荷区，汽泡的生成频率也极低，能很快地消失在过冷液中，从而避免了液态沸腾的产生。这就从根本上消除了系统不稳定运行的潜在因素，并具有足够的冷却后备能力，保证冷却部件不致因局部过热而烧毁。其次在全部采用冷却壁冷却的高炉上。一旦事故停电，本系统可以在短期内转为无压汽化冷却，为高炉冷却系统的安全运行创造了条件。系统压力由膨胀罐内充入的氮气压力来控制，不仅提高了系统的密封性，而且亦提高了水的汽化温度，使水具有一定的欠热度，减少了水的汽化量。特别是各循环系统回水进入膨胀罐之前通过了脱气罐，及时脱去了水中气泡，避免产生两相流和膜态沸腾、消除汽塞,使循环水流稳定运行。这里需要指出,脱气罐在整个冷却系统中起着重要作用。因为高炉各部位特别是中部热流强度极不稳定，一旦某处热流强度超过允许值，水温骤然升高,产汽量增多，极易造成局部汽塞,即使时间不长，亦会造成冷却件局部过热而烧损。系统中设置了脱气罐，可以及时排去冷却水中气体，避免水中气体过多造成汽塞[15]。

⑶补充水量低

工业水敞环系统的补水量包括：蒸发损失、排污损失和水泵密封处的泄漏量，大约占循环水量的4～5%。汽冷补水量大约为产汽量的1.2倍左右。软环系统由于完全密闭，没有蒸发损失，补充水量仅用以补偿水泵密封处的泄漏量或因检修而排放的水量，故其补充水量极小。例如西德狄林根4号高炉（内容积2065m3）软环系统的实际补水量每周仅1.5m3[16]，相当于循环水量的百分之四。现在这种冷却方式已广泛应用于大中型高炉。

1.4高炉钢结构以及高炉基础的概述

1.4.1高炉的钢结构以及影响因素

设计高炉本体钢结构，主要是解决炉顶载荷、炉身载荷传递到炉基的方式方法，并且要解决炉壳密封等。多年实践的结果，目前高炉本体钢结构主要有以下几种形式。

⑴大框架和炉缸支柱式：炉顶载荷由四根支柱组成的炉体框架传至基础；炉身载荷由炉腰托圈、炉缸支柱传至基础。炉顶法兰与炉顶平台刚性连接，载荷由炉体框架传递，炉喉处设膨胀缝缓冲炉顶和炉身之间热的和机械的变形量。这种结构的特点是炉壳不承受载荷，工作可靠，但高炉风口平台拥剂，操作不方便。这种结构适用于小型高炉。

⑵炉缸支柱式：炉顶载荷由炉身炉壳传至炉腰托圈和炉缸支柱再传至基础。其特点是节省钢材，但大修时更换炉壳不方便，冶炼中应注意炉身部分冷却，特别是炉龄后期，短时间停水也会造成重大事故；风口平台拥挤，炉前操作不方便。我国中小型高炉曾采用这种结构。

⑶炉缸、炉身支柱式：炉顶装料设备和煤气导出管、上升管载荷由炉身炉壳传递至炉腰托圈；炉顶框架，大小钟载荷由炉身支柱传递至炉腰托圈；所有载荷通过炉腰托圈传递至炉缸支柱再至基础。煤气上升管和炉顶平台分别装设有座圈和托座，大修更换炉壳时炉顶煤气导出管和装料设备等载荷可作用在平台上。我国50年代大型高炉(V1053m2、V u l513m3)多采用这种结构。

⑷炉体框架式：炉顶框架、大小钟载荷、作用在炉体框架上，传递至基础；装料设备和煤气上升管等载荷，由炉壳传递至基础。煤气上升管和炉顶平台亦装有座圈和托座。由于取消了炉缸支柱，风口平台宽敞，炉前操作方便。目前大型高炉多采用这种结构。

⑸自主式：全部载荷由炉壳承受并传递至基础。结构简单，操作方便，耗钢材少。设计时应尽量减少炉壳折点，制造时折点要平缓过渡，其他结构应不约束炉壳受热膨胀，减少热应力；冶炼时加强炉壳冷却。我国中小型高炉曾采用这种结构[17]。

高炉设备大多数处于腐蚀介质环境中，一些设备和钢结构处于80～200℃高温环境，有较强的腐蚀作用，是钢铁厂腐蚀严重的区域。因此，加强高炉设备及钢结构的防腐蚀措施，是相当重要的。

高炉：炼铁一般是在高炉里连续进行的。高炉又叫鼓风炉，这是因为要把热空气吹入炉中使原料不断加热而得名的。这些原料是铁矿石、石灰石及焦炭。因为碳比铁的性质活泼，所以它能从铁矿石中把氧夺走，而把金属铁留下。

高炉结构荷载认识的深入高炉综合体结构承受多种作用，荷载相当复杂，但不外乎两类：一类决定结构强度，另一类与结构耐久性相关。正是结构强度和耐久性综合决定了高炉结构的寿命。

⑴煤气压力、炉衬和冷却系统的热膨胀(力)、炉料和铁水压力，决定了正常操作条件下炉壳的结构强度。

⑵炉内高温的周期作用或突然作用，能使结构产生热疲劳或冲击应力，降低钢材塑性并导致脆性破坏。服役后期，内衬及冷却器的损伤，可导致局部过热或大面积烧红，将产生很大热应力，加速炉壳开裂、美国内陆公司证明，沿炉壳厚度的温度梯度是大应力的主要原因，当最大热应力超过屈服应力，炉壳就会开裂。

⑶低周疲劳是影响高炉寿命的主要因素。据前苏联对高炉实际工作状态的研究，炉壳是在不同循环特征和不同变化幅度的周期荷载作用下工作的，炉壳10年中荷载变化的循环次数为2×104，荷载不对称系数0.6～0.9。在这种周期荷载作用下，炉壳的应力集中区和焊缝缺陷处出现局部塑性变形，从而产生低周疲劳破坏。

所以，高炉结构的最终寿命，就是正常条件下的结构强度，抵御低周疲劳脆断的时限。大量的实验、分析、实践证实炉壳损坏有两种原因：一是由于疲劳，特别是局部过热引起的疲劳损伤；另一种是突然的脆性断裂。因此，炉壳设计的应力控制标准应以断裂韧性和疲劳强度为据。以断裂韧性为结构抗裂性指标，K=K lC作为防止脆断的依据，K≦K1C时结构安全；反之亦然[18]。

1.4.2我国高炉钢结构设计的基本现状

高炉就目前已投产的，划分为五种类型⑴带炉身支柱、托圈和炉缸支柱的⑵设在塔式大框架内的自立式高炉⑶全自立式高炉⑷带托圈和炉缸支柱的⑸其它类型高炉[19]我国高炉钢结构设计技术的水平很不平衡，大致分为3个层次：

⑴北京钢铁设计研究总院、重庆钢铁设计研究院是我国高炉结构设计进入电算阶段的代表，示我国相关技术的先进水准。他们凭借大量的工程实践,先进的计算设备和手段，对高炉钢结构系统包括上料、除尘、炉体框架、上开管、下降管和炉体的综合系统或各部分进行静力或动力分析，炉壳整体或局部进行弹塑性分析。在计算中,将综

合系统用空间杆系模型代替，高炉本体简化为空间多质点悬壁杆，整体分析后，再将悬壁杆还原为壳体，用有限元分析。

⑵一些专业大院,虽然其中也有少数做过大型高炉设计，但基本停留在:a=K D，验算边缘效应及手工计算的水准。按60年代《高炉结构设计技术规定》指导设计，并参考已有经验。一些较新的理论和成果，未被采用。

⑶中小冶金设计单位基本属于第三层次，主要停留在小型高炉设计上，在未搞清结构受力特点和传力顺序的条件下，沿用已有的经验或图纸，较少考虑设计的技术性和经济性。

1.4.3我国在高炉钢结构设计上的差距

⑴我国高炉结构设计，还处在以经验为主、计算分析为辅的阶段。设计新建高炉时，技术人员往往参照已建的高炉或已往的经验，确定炉壳厚度和用钢量，决定炉壳的主体结构，计算分析只是参考。其根本原因，就在于没有明确掌握高炉内三项材料的运动规律、炉内化学变化对炉皮的真实压力，以及高温作用、低周荷载对炉壳疲劳与脆断的影响，不得不把经验作为主要依据。

⑵我国高炉结构设计，已经进入电算时代，已有较为完备、符合高炉工况的计算软件和细部分析能力，能够在弹性薄膜理论和板壳有矩理论指导下，对整体进行分析，也可对局部进行弹塑性分析。但我国高炉结构的设计精度还不高，落后于日本、前苏联等国家。由于我们缺乏对高炉，特别是炉体内部的实验和研究，很难对荷载做进一步的准确统计。因此，不管拥有多么先进的计算设备和手段，校核的数据与使用总有一定距离。而且，在实际设计中，我们只考虑了炉役前期，统计正常操作下的荷载，尽管我们已经考虑内衬膨胀对炉壳的压力，但对热疲劳，低周荷载在炉役后期，对高炉寿命减少的影响没有考虑。断裂力学对结构寿命的估计，还未应用于设计。

⑶我国还没有统一的高炉设计概念，没有编制自己的设计规范和计算程序，缺乏明确的炉壳设计控制标准。目前国内没有一本有关的专著，基本沿用苏联理论和规范，以及日本的一些做法，加上各设计单位缺乏相互交流，在市场利益机制的驱使下，必然大部分沿袭旧有设计经验。所以,结构设计进步迟缓。此外，高炉结构设计在技术人员队伍上的断档,也应重视[20]。

1.4.4高炉基础的概述

高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相应。

高炉炉型，高炉炉型指的是高炉工作空间的形状。现代高炉的炉型为五段式炉型，自上而下由以下五部分组成：炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸。在炉喉上部还有炉顶平台和炉顶钢圈[21]。

炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口。它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到控制炉料和煤气流分布为限。

炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻力。炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。

炉腰：高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系，比值以取上限为宜。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小的范围内变动范。

炉腹：高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径至上而下逐渐减小，形成一定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于合适的位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为3.0～3.6m。炉腹角一般为79°～82°；过大，不利于煤气分布；过小，则不利于炉料顺行。

炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。炉缸高度的确定包括渣口的高度﹑风口高度的确定以及风口安装尺寸的确定。高炉炉型是炉体系统

的基础，炉型的好坏不但关系到高炉是否高产稳产，也关系到高炉煤气利用的好坏和燃料比的大小，同时，也对高炉寿命的长短起着重要作用。

高炉炉型应该根据炉容大小、矿石品种、品位、熟料率、球团率、焦炭质量以及内衬和冷却壁的形式等多种因素共同确定。一般而言，炉容越大、品位越高、熟料率越高、球团比越大、内衬越薄、炉型相对越矮胖，反之炉型越瘦长。在我国，随着各钢铁企业大力提高矿石品位、提高熟料率及球团比以及薄壁内衬的盛行，高炉有逐渐矮胖的趋势[22]。

炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到1400～4600℃的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却。通常采用风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力。

炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的。高炉和炉基的总重量常为高炉容积的10～18倍（吨）。炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于0.1％～0.5％。高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。炉基常做成圆形或多边形，以减少热应力的不均匀分布。炉基表面受热不均是基础产生裂缝和混凝土遭到破坏的主要原因。由于基础长期在高温作用下，不仅产生了相当大的内应力和变形，并改变了材料的物理学性能，使钢筋混凝土失去了它的承载能力。普通混凝土温度超过400℃时，由于石灰的水化作用，混凝土即在空气中自行破坏[23]。

实践证明采用在炉底耐火层与炉基钢筋之间的素垫层内钻孔布设水放射状的双层冷却管，向内管注入冷水、经外管和内管之间的环状间隙流出并带出热量的循环水冷却方案，对降低高炉炉基及炉底温度并将其控制在一个确保高炉正常工作的允许温度范围、维持炉基安全并减缓炉底熔蚀、延长一代炉龄、节省巨额的高炉翻修费用切实可行，技术经济效果显著。

炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机理也不同，因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火材料。