3200m3高炉本体及渣铁处理系统设计

中文摘要

目前我国钢铁企业蓬勃发展，许多钢铁厂都在新建或扩建高炉，高炉逐渐向大型化发展，因此在原有高炉的基础上引进新技术对高炉适当的改造设计是必要的。由于设计的需要，某些数据采自施工现场工长、炉长和工人的经验数据，许多参数的设计以理论数据为参照、以实际地区实际原料条件下的情况进行选定、以实际应用参数为基准。

本说明书采用包头地区原料条件下，对3200ｍ3高炉本体进行设计，其设计内容主要包括：高炉炉型设计计算、高炉炉衬选择计算、高炉冷却系统设计、高炉钢结构及基础设计、出铁场设计、炉前设备的选择确定、铁水处理系统设计、炉渣处理系统设计、绘制高炉本体立剖图和高炉出铁场平面布置图。高炉设计主要参数如下：利用系数－2.3；焦比－370㎏；煤比－170㎏；炉渣碱度－1.03；高炉高颈比－2.19；高炉有效高度－29.98m；日产铁－7360吨。

本高炉本体以五段炉型为标准，以适应原料条件为前提，冶炼过程能够顺行为保障，日产量最大，质量最优，能耗最低，寿命最长为目标进行设计。为达到以上目标，与传统高炉相比，本高炉炉型驱于矮胖型。为进一步提高高炉寿命，炉底炉缸采用全碳砖结构，这是因为包头矿含有高氟，对炉缸炉底的侵蚀严重。炉底采用了5段低络铸铁光面冷却壁，炉腹、炉腰及炉身下部采用铜冷却壁冷却，它的冷却强度大、对砖衬支撑作用强、损坏后可更换。高炉钢结构采用炉体框架式结构, 它的优点在于取消了炉缸支柱，风口平台宽敞，炉前操作方便。出铁场为环形出铁场，设置四个铁口连续出铁，它的优点在于布置紧凑,占地面积少,场地有效利用率高,自然通风条件好。渣的处理采用目前我国大高炉都使用的热法INBA渣处理系统，其工作效率高，对环境污染少。

关键字：高炉本体渣铁处理系统设计内容

Abstract

At present, China's iron and steel industry is flourish, and many iron and steel plant is building or expansion of blast furnace, blast furnace is gradualateing developed to large-scale, and therefore the basis of the original blast furnace to introduce new technology on the blast transformation and the appropriate design is necessary. As the design needs of some of the datas collected from the plant and the works , a long furnace empirical data, many of the design parameters to the theoretical data for the reference to the actual areas of raw materials under the conditions of the actual situation in selected parameters in the practical application of basement.

Baotou region of the specification of raw materials used under the conditions of the blast furnace of 3200m 3 to design, its design includes：Design and calculation of blast furnac e、Calculation and option of blast furnace linin g、Design of blast furnace cooling syste m、Blast furnace and basic steel structure desig n、Design of cast hous e、Determine the choice of steel equipmen t、Iron water treatment system desig n、Slag handling system desig n、Draw essence of blast furnace autopsy charts and blast furnace Layout field. The main blast furnace design parameters are as follows: use of coefficient of－2.3; coke ratio－370㎏; coal than－170㎏; slag basicity－1.03; blast high neck than－2.19; highly effective－29.98; Day total of iron production－7360t.

The blast furnace ia design as five as the standard to meet the prerequisite conditions for raw materials, smelting process to shun acts of protection, the largest output, the quality of the optimal energy consumption and the lowest life expectancy of up to design goals. To achieve these objectives, as compared with the traditional blast furnace, the blast furnace to reduce the ratio of height to diameter, or blast furnace in the squat-type flooding. To further enhance the life of a blast furnace, hearth to adopt advanced technology ceramic cup with hot bricks small carbon composite structure, which is refractory hearth with an important progress. Bottom using a 5-walled gray cast iron cooling smooth, belly stove, stove and furnace are lower lumbar copper cooling stave, and its cooling intensity, supporting the role of the

brick lining, and damage can be replaced. Market for the iron ring of iron field, set up four consecutive iron taphole, it is the layout of the advantages of compact, small area, high space utilization, natural ventilation conditions. The use of slag handling large blast furnace in China are used Hing Hong - INBA slag thermal processing system, its high efficiency and less environmental pollution

Key word: blast furnace body slag handling system design contents

目录

中文摘要 (1)

Abstract (2)

目录 (4)

第一章文献综述 (7)

1.1 我国钢铁行业发展现状 (7)

1.2 高炉炉型发展史 (7)

1.3 国外高炉发展现状 (8)

1.4 我国高炉发展现状 (9)

1.5 高炉炉体系统 (11)

1.5.1 炉喉 (12)

1.5.2 炉身 (12)

1.5.3 炉腰 (13)

1.5.4 炉腹 (13)

1.5.5 炉底、炉缸 (13)

1.6 高炉内衬 (14)

1.6.1 我国高炉内衬发展过程 (14)

1.6.2 高炉炉体内衬结构基本形式和发展现状 (15)

1.6.3 高炉各部位内衬发展趋势 (18)

1.6.4 高炉用各种耐材的介绍 (19)

1.7 高炉的冷却 (21)

1.7.1冷却设备 (21)

1.7.2 冷却介质 (24)

1.7.3 冷却方式介绍 (26)

1.8 高炉钢结构及基础 (27)

1.8.1 高炉本体钢结构类型 (27)

1.8.2 炉壳 (28)

1.8.3高炉基础 (29)

1.9 渣铁处理系统 (30)

1.9.1 风口平台类型的介绍 (30)

1.9.2 出铁场类型及发展趋势 (30)

1.9.3 渣铁处理方法的介绍 (31)

1.9.4 几种常用炉渣粒化工艺的比较 (32)

1.10 本高炉本体设计思想 (33)

第二章工艺计算 (34)

2.1 原料条件 (34)

2.1.1 矿石成分 (34)

2.1.2 燃料成分 (35)

2.1.3 其它条件 (36)

2.2 配料计算 (36)

2.2.1 吨铁矿石用量计算 (36)

2.2.2 石灰石的用量计算 (37)

2.3 物料平衡计算 (39)

2.3.1 鼓风量的计算 (39)

2.3.2 煤气组成及煤气量计算 (40)

2.3.3 考虑炉料的机械损失，实际入炉量 (42)

2.3.4 物料平衡表 (42)

2.4 全炉热平衡计算 (43)

2.4.1 热收入 (43)

2.4.2 热支出 (43)

2.4.3 列热平衡表 (46)

2.5 理论焦比的计算 (46)

第三章高炉炉型设计计算 (49)

3.1 炉型的计算 (49)

3.1.1 铁口 (49)

3.1.2 渣口 (49)

3.1.3 风口 (50)

3.1.4 日产铁量的计算 (50)

3.1.5 死铁层厚度 (50)

3.1.6 炉缸尺寸计算 (51)

3.1.7 炉腰直径炉腹角炉腹高度 (51)

3.1.8 炉喉直径炉喉高度炉身高度炉腰高度 (51)

3.2 炉容的校核 (52)

第四章高炉各部位耐火材料的选择及计算 (54)

4.1. 各部位砖衬的选择 (54)

4.1.1 炉底、炉缸部位的选择 (54)

4.1.2 炉腹部位的选择 (54)

4.1.3 炉腰部位的选择 (54)

4.1.4 炉身及炉喉部位的选择 (55)

4.2 各部位砖量计算 (55)

4.2.1 炉腹的计算 (56)

4.2.2 炉腰的计算 (57)

4.2.3 炉身的计算 (57)

4.3 砖衬的砌筑 (58)

4.4 高炉炉体用耐火材料性质及参数表 (59)

第五章冷却介质及冷却设备的选择 (67)

5.1 各部位冷却器的配置 (67)

5.2 软水密闭循环系统 (67)

5.2.1 高炉软水闭路冷却系统工作原理 (68)

5.2.2 软水闭路冷却的特点 (68)

5.2.3 硬水的软化过程 (69)

第六章高炉钢结构及高炉基础 (70)

第七章渣铁处理系统 (71)

7.1 风口平台及出铁厂 (71)

7.1.2 出铁场的选择 (71)

7.1.3 圆形出铁厂与矩形出铁厂的比较 (71)

7.1.4 环形出铁场的优点 (72)

7.2 炉前设备 (73)

7.2.1 开铁口机 (73)

7.2.2 液压泥炮 (73)

7.2.3 摆动流嘴 (73)

7.2.4 炉前运输工具 (73)

7.2.5 铁水罐对位 (74)

7.3 铁水的处理 (74)

7.4 炉渣的处理 (75)

7.4.1 炉渣处理方法的选择 (75)

7.4.2 冷热INBA法比较 (75)

7.4.3 因巴（NIBA)法炉渣粒化装置工艺流程 (76)

参考文献 (77)

专题论述—高炉长寿的探讨 (79)

致谢 (85)

第一章文献综述

1.1 我国钢铁行业发展现状

对任何国家而言，钢铁行业都是一个非常重要的基础行业，一个国家的经济要腾飞，社会的进步都直接地依赖钢铁行业的发展。建国初期，百废待兴，面对薄弱的钢铁工业，当时党和国家领导人对钢铁工业非常重视。时至今日，我国钢铁行业经过数代人的艰苦努力，发生了翻天覆地的变化，其产量从1950年的14万吨发展到2005年的3.49亿吨以上，55年增加2000多倍。现在我国钢铁产量占世界总产量的三分之一以上，成了名副其实的钢铁大国。

然而，我国虽然是钢铁大国，但却不是钢铁强国，其主要表现在以下几个方面：

(1)虽然年人均产量达到甚至超过世界人均产量，但按人均历史累积拥有量计算，仍然处于世界较低的水平。

(2)钢材的品质较差，大部分产品集中在较低档次，很多高品质的、特种的钢材欠缺，仍需大量进口。

(3)品种少，档次低。普通的棒线材品种多、产量大，而国家急需的板材等品种少。

(4)工艺技术落后。目前我国大高炉少，小高炉多，1000m3以下高炉占大多数；炼钢100t以下转炉炼钢所占的比例同样很大。这些小高炉、小转炉技术落后，能耗高，污染大，使得我国钢铁工业整体技术水平偏低，环境污染严重、能源消耗大、经济效益低，缺乏国际竞争力。

因此，我国还不是钢铁强国，今后的主要发展方向不是增加产能，而是加强技术投入，淘汰落后的小高炉、小转炉，建设技术水平高的大高炉、大转炉，增加钢材品种，改善钢种质量，采用新技术、新工艺、新设备、新材料，减少环境污染，降低能源消耗，提高经济效益，增强国际竞争能力。【1】

1.2 高炉炉型发展史

原始型高炉,呈契形，由于当时工业不发达，高炉冶炼以人力、蓄力、风力、

水力鼓风，鼓风能力很弱，为了保证整个炉缸截面获得高温，炉缸直径很小，冶炼以木炭或无烟煤为燃料，机械强度很低，为了避免在高炉下部压碎而影响料柱透气性，故原始高炉高度很小，为了人力装料方便并能够将炉料装倒炉喉中心，炉喉直径很小，而大的炉腰直径减小了烟气外流速度，延长了烟气在炉内停留时间，起到焖住炉内热量的作用。因此，炉缸和炉喉直径小，炉身下部直径大等等，是原始高炉炉型的共同特点。

19世纪末叶，由于蒸汽鼓风机和焦碳的作用，炉顶装料装置逐步实现机械化，高炉内型趋向于扩大炉缸炉喉直径，并向高度方向发展，逐渐形成近代五段式高炉炉型。最初的五段式炉型，由于受德国的L．格留涅尔思想影响，基本上是瘦长型，德国、美国高炉有段时间炉型都是瘦长型，由于冶炼效果并不理想，相对高瘦又逐渐有所降低。

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］

1.3 国外高炉发展现状

为了进一步提高劳动生产率，降低成本，增加生铁产量，从60年代初世界出现容积为2000m3级的高炉以来，国外新建高炉的容积迅速增大。进入70年代后，日本建造了4000 m3级的高炉，使高炉大型化的发展速度更迅速。继日本之后，前苏联于1974年建起5026m3的巨型高炉，从而出现了日苏两国相争巨型高炉之冠的局面。迄今为止前苏联5580m3高炉仍为世界最大的高炉。

欧洲高炉委员会（简称E.B.F.C）12 国的高炉座数从1987年的95座减少到1992年的72座，生铁产量从8810万吨增加到8860万吨，平均单炉年产量从92.7万吨上升为123万吨，预计到2010 年高炉座数将进一步减少到50座左右。北美（美国和加拿大）高炉座数从1973年的170座减少到1993年的49座，同时生铁产量从10100万吨减少到5900万吨，但平均单炉年产铁量却从59.4万吨增加到120.4万吨。其中美国生产高炉座数近10年来又减少了八座，而生铁产量却增加了27%。日本高炉座数从1973年的60余座减少到1993年的33座，同时生铁产量却从9000万吨减少到7374万吨，但平均单炉年产生产铁量却从180万吨增加至223.5万吨。近10年来日本高炉座数又进一步增加。以上各地区高

炉单炉产量的提高。除高炉大型化以外，固然还有提高利用系数的因素，但显然大型化是主要的。

高炉向大型化发展，是不是高炉越大越好，多大容积的高炉最为合适，目前仍尚无定论。据日本的分析指出，炉容越大，单位容积的设备费用越便宜。但这种倾向随着炉容的增大而逐步减缓。如果综合作业费和设备在一起加以比较，以2000m3的高炉为基准，炉容增大到2500m3范围时，随着炉容的增大，其经济效益是显著的。如果再继续增大，其经济性就逐步减缓。当增大到4000m3以上时，随着炉容的增大，其经济性就不明显了。且高炉越大，要求炉料的强度越高，需要配置的设备越大，这给高炉的建设、生产和维修等都带来困难。另外，当高炉需要停炉或大修时，牵扯到其他厂矿的生产平衡问题也越严重。目前，特大型、巨型高炉以4000m3左右的居多。世界各国对建造6000m3级高炉的可能性不大，且对建造5000m3级高炉的积极性也不大。

1.4 我国高炉发展现状

目前，我国高炉特点是大中小型高炉并存。炉顶设备在我国目前已都采用无钟炉顶旋转布料器。

我国钢铁工业底子薄。刚解放时，全国只有7座高炉，1949年的钢产量仅为15.8万吨，居世界第26位，设备水平极为落后。改革开放以前，由于种种原因，高炉大型化发展速度一直比较缓慢。改革开放以后，我国花大力气投资建造了一大批高炉，其中也有一些总体装备较高的大型、特大型高炉。然而虽然新建的高炉星罗密布，但1000 m3以下的中小型高炉座数相比却很少。且这些中、小型高炉的装备水平大多数都比较落后。

根据《钢铁工业统计年报》（2001）和有关资料显示，全国大中型钢铁联合企业高炉265座，生产能力12508万吨/年，其中大于1000 m3的高炉51座，生产能力6542万吨/年，占生产能力的52.3%3000～4350 m3高炉4座，2001年生铁产量1674万吨，宝钢1号高炉（4063 m3）和3号高炉（4350 m3）利用系数2.29，1号高炉焦比269kg/t，风温1253℃。武钢5号高炉以运行15年，这批特大型高炉工艺设备、自动化水平和技术经济指标属于国际先进水平。

2000～2999 m3高炉21座，生产能力2876万吨，平均利用系数不小于焦比

390kg左右，大多数高炉风温在1200℃以上。这批高炉为国内先进水平，某些技术经济指标达到国际先进水平。1000～1999 m3高炉27座，生产能力2358万吨，平均利用系数大于2，焦比450㎏，邯钢5号高炉达375㎏。这批高炉普及及无料钟炉顶、软水密封冷却、钢或铜质冷却壁、智能控制专家系统等。300～999 m3高炉134座，生产能力4923万吨，大多数高炉利用系数在2以上，达到3的有26座，三座高炉利用系数达3.72，入炉焦比395kkg，风温1075O C。这批高炉在一定时期内是有生命力的。100～299 m3高炉54座，生产能力673.64万吨，100 m3以下的小高炉15座，生产能力122.3万吨。多数小高炉能耗高，污染严重，应逐步淘汰。

可见，我国高炉大型化虽有发展，但总体看，高炉技术装备水平较低。其特点是大、中、小高炉并存，炉子多，分布广，平均炉容小，生产效益低，能耗高，经济技术指标差，产品质量较低，环境污染较严重。在适当时机，各企业应扩容改造，提高现代化水平。

送风系统方面除少数大型高炉采用了出口风压高的轴流式鼓风机，外燃式热风炉，大多数高炉仍采用的是出口风压较低的离心式鼓风机和普通内燃式热风炉，风温一般都在1200～1300℃范围，我国高炉采用顶燃式热风炉正在试用中。

上料系统普遍采用斜桥料车及卷扬机上料，大部分新建高炉采用了胶带运输机上料，炉后一般都采用了槽下筛，胶带运输机和称量漏斗供料。基本实现了炉后供料机械化和自动化。

炉前机械设备已由过去普通采用的电动泥炮，逐步推广到采用矮身液压泥炮。冲钻式开铁口机在部分高炉上采用，通过压缩空气的堵渣口机得到普遍应用。在新建和改建的部分大型高炉上还设置了换风口机和炉前烟气除尘设备。但大多数高炉仍采取人工拆换风口，炉前工作条件仍然很差。

炉前熔渣水淬新技术，铁水摆动流嘴。插棒法开铁口，大型鱼类罐铁水车等在新建和改建的大型高炉上被采用。

热风炉余热回收利用，煤气余压发电回收能源等新技术已逐步得到推广使用。并已获得良好的经济效益。

我国高炉采用喷煤粉技术较早推广，其特点是煤、油联合喷吹，喷吹量大。但是近些年来喷煤技术进展不大，在自动化等新技术方面落后于日本等发达国

家。我国由于制氧机的生产满足不了高炉生产的需要，鼓风富氧率很低。富氧鼓风在国外发展很快。

我国高炉一般只用几台微型计算机控制炉后上料，热风炉燃烧与换炉等。而没有炉况判断与预报悬料等过称控制的大型计算机。

合理的炉型设计是高炉长寿的基础，但其合理性最终还要视日后操作内型的适应性而定。冶炼包头矿的包钢高炉炉型逐步趋于矮胖，炉身有效高度与炉腰直径的比值，比以前降低了很多，包钢四号高炉的生产实践表明，高炉的内型趋于矮胖，对炉况的适应性强，有利于强化冶炼，生产指标不断优化，此外，炉型方面表现出的的另一个特点为：死铁层深度不断加深。

为了克服铁水渗透侵蚀，铁水环流冲刷对炉腹﹑炉缸造成的破坏，进一步满足强化冶炼的需要和实现更高的长寿目标，适当加深死铁层深度，从而降低炉缸壁的铁水流速，减轻铁水环流造成的强烈冲刷是必要的。炉腹高度的设计上也呈现出一些变化，主要是对炉腹的高度增加了。这主要是考虑包头矿的结构缜密较难熔化，加高炉腹后可以使炉料在炉腹区域停留时间延长，即减轻了炉缸的融化滴落，而且还有利于扩大渣皮保护区域。

另外一套成熟的技术如矮胖炉型，优质耐材（氮化硅结合碳化硅砖、铝碳砖）、球墨铸铁冷却壁，关键部位软水密封循环冷却，合理的上下部调剂、喷补、压入造衬、无料钟炉顶、外燃式热风炉等。

还有一些高炉长寿新技术如全炉体冷却，铜冷却壁的应用。软水密封循环冷却等的应用。作为高炉冷却系统主流发展模式的软水密封循环冷却技术可以使冷却水质得到极大改善，解决冷却水管结垢的致命问题，高效冷却器充分发挥重作用提供技术保障。

高炉长寿是系统流程，在大喷煤，高利用系数强化冶炼条件下，应坚持精料方针，不断提高原料质量稳对成分，减少入炉粉末，进一步优化炉料结构，控制煤气流的分布，减少对炉墙的侵蚀。提高鼓风动能，活跃炉缸，稳定炉温，不但是包头矿冶炼顺行的基础，也是高炉长寿的必要措施。［3］

1.5 高炉炉体系统

炉体系统是整个高炉炼铁系统的心脏部位，其他所有系统最终都是为炉体系

统服务的，高炉炼铁几乎所有的化学反应都在炉体完成，炉体系统的好坏直接决定了整个高炉炼铁系统的成功与否，高炉一代炉役寿命实际上就是炉体系统的一代寿命，所以说炉体系统是整个高炉炼铁最为重要的系统。

炉体系统除了最为重要的炉型外，还包括炉壳、内衬、冷却元件、冷却介质、等附属设备。

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。[5]

五段式的炉型既满足了炉料下降时受热膨胀和还原熔化以及造渣过程的需要，也适应了煤气上升过程中冷却收缩的情况。实践已经证明，五段式作为一个现代炉型结构满足了炼铁生产的需要，并已取得明显效果。高炉炉型作为一个外部条件对冶炼过程有很大影响，炉型各段在冶炼过程中的特征表现及作用如下：

1.5.1 炉喉

炉喉主要起着保护炉衬、合理布料和限制煤气灰被气体大量带出的作用。在这里形成煤气流的3次分布，由炉喉煤气曲线可以从另一侧面看出高炉的冶炼行为。其炉喉形状大小随高炉使用原料条件的变化而变化。一般炉喉直径与炉腰直径之比(d

／D)为0.69～0.72，其高度在3m以内。正常生产时，炉喉温度为200～

l

500℃。由于炉料的撞击和摩擦比较剧烈，钢砖一般选用铸钢件。

1.5.2 炉身

炉身主要起着炉料的预热、加热、还原和造渣的作用。在这里发生了一系列的物理化学变化。为了使炉料顺利下降和煤气不断上升，炉身要有一定的倾斜度(通常用炉身角 表示)，以利于边缘煤气有适当发展。当炉身角太大时，边缘煤气不发展，便会发生悬料事故，造成高炉不顺行；反之，炉身角太小，大量的煤气会从边缘跑掉，煤气能量利用变差，矿石就得不到充分的加热和还原，以至焦比上升。因此，合适的炉身角很重要，一般以80°～85°30′为宜。小高炉的料柱低，为了充分利用煤气的热能和化学能，炉身角应稍大些；反之，炉身角应稍小些。

1.5.3 炉腰

炉腰起着缓冲上升煤气流的作用。炉料在这里已部分还原造渣，透气性较差，故炉腰直径有扩大之势，炉腰高度则不宜过高，大高炉一般为2m左右，如某厂1000m3高炉，其炉腰高度仅6160mm。另外，因为炉腰部位的物料冲刷严重，所以炉腰是高炉的一个薄弱环节。

1.5.4 炉腹

炉腹连接着炉缸和炉腰。其上大下小，为适应气体体积增加和炉料变成渣铁后体积缩小的需要而设置，炉腹的倾斜区(用 角)表示。为了改善此处炉料的透气性(该部位既有液态的渣铁，又有固态的焦炭)，炉腹角也有扩大的趋势，一般大中型高炉炉腹角在76°～82°之间。另外，炉腹部位温度很高，并有大量熔渣形成，所以渣蚀严重，又是高炉部位的一个薄弱环节。[5]

1.5.5 炉底、炉缸

炉底、炉缸主要起着燃烧焦炭和储存渣铁的作用。随着冶炼强度提高，炉缸直径也在扩大。炉缸部位工作环境最为恶劣。特别是风口区温度是高炉内温度最高的地方，内衬除受高温作用外，还受渣铁的化学侵蚀和冲刷。炉底主要受到渣铁特别是铁水的侵蚀，侵蚀形成一般为蒜头状炉底。由于炉缸、炉底内衬的侵蚀不易修补，所以炉缸、炉底寿命的长短往往决定着一代高炉寿命的长短。炉缸部位分上、中、下，炉缸分别装有风口﹑铁口。炉缸下部容积盛装液态渣铁，上部空间为风口的燃烧带。炉缸直径截面积应保证一定数量的焦碳和喷吹燃料的燃烧，炉缸截面燃烧强度I (t/m3.h)是高炉冶炼一个重要指标。燃料的燃烧强度，我国强化高炉曾达到过 1.5t/m3.h，目前为 1.0～1.25t/m3.h，国外高炉一般为1.0t/m3.h左右。

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。【3】

本设计以五段式的高炉为标准进行设计。

1.6 高炉内衬

内衬是指高炉内砌筑的耐火材料。高炉炉内不同部位的耐火材料所接触的物质和温度是不同的，在设计高炉时，应根据高炉的部位破损及蚀损机理，合理选择砌筑内衬的耐火材料。

高炉常用的耐火材料主要有教土质类、高铝质类、铝碳质类、碳化硅质类、刚玉质类、炭质和石墨质类。

随着对高炉炉体寿命要求越来越高，人们对炉腹及其以上区域和炉缸区域的内衬要求有了更深的认识。在炉腹及其以上区域，再好的内衬对延长炉体寿命的作用也是有限的，提高寿命主要靠可靠的冷却元件和有效的冷却系统，因此，现代高炉对在炉腹及其以上区域的内衬材质不作过分高的要求，且内衬厚度趋势是越来越薄。在炉缸区域，内衬材质和结构对炉体寿命有极大影响，所以炉缸部位的内衬材质越来越高档，陶瓷杯、各种高品质炭砖、石墨质砖已普遍在现代高炉炉缸中应用。[5]

1.6.1 我国高炉内衬发展过程

我国高炉炉型，由于原燃料条件和操作的改善，由20世纪50年代的较细长型高炉逐步演化成符合原料条件和操作制度的较矮胖炉型发展。随着原料条件和操作水平的进一步改善，高炉炉型继续向矮胖、横向扩大的趋势。

随着高炉炉膛型的演化，高炉本体结构也有了很大演变。高炉炉体结构的演变，可分为四阶段：

第一阶段：20世纪50～60年代，渣口以下用光板冷却壁，渣口以上用冷却

板。内衬以粘土砖为主，炉底厚度达2700～3200mm，炉腰以上内衬厚度为900～1150mm。

第二阶段：60～70年代，渣口以下来用高铝砖，炉底用炭砖或炭捣加高铝砖加风冷的综合炉底，炉腹砖衬厚为345mm，炉身为920mm。风口以下采用光板冷却壁，炉腹采用镶砖冷却壁，炉腰、炉身采用镶砖冷却壁，结合支梁式水箱或扁水箱结合支梁式水箱等。

第三阶段：70～80年代，由于高效耐火材料的出现，炉体结构更加符合强化和长寿。但是这一阶段出现了一种盲目采用高级耐火材料的倾向，结果投资大，效果不明显。国外冷却壁虽然出现第二代、第三代，但是国内高炉没有多大的变化。高炉内衬采用了硅线石砖、石墨化或半石墨化炭砖、氮化硅结合的碳化硅砖等。炉底由水冷代替了风冷。

第四阶段：80年代以后，高炉长寿的矛盾由炉底转移到炉身下部，开始重视炉身下部的寿命。由于炉底采用了石墨化、半石墨化炭砖和高铝砖或铝炭砖配合水冷炉底能够保持一代炉龄甚至更长。所以一代寿命突出的问题出现在炉身下部，因此，为了延长炉身下部寿命，出现了第四代冷却壁、铜冷却壁和冷却板，软水闭路循环冷却等新设备、新工艺等新技术。高炉内衬发生了很大的变化，炉底采用水冷薄炉底；炉底、炉缸采用炭砖、热压炭砖或陶瓷杯砖等；铁口、风口、

渣口区域采用组合砖；炉腰、炉身采用碳化硅砖、铝炭砖、Si

3N

4

结合的碳化硅

砖等不同部位采用不同材质的耐火材料。镶砖冷却壁由镶高铝砖、粘土砖发展到镶铝炭砖、碳化硅砖或高效捣打料等，不少高炉采用了第三代冷却壁或铜冷却壁，从而进一步提高了一代炉龄寿命。[6]

1.6.2 高炉炉体内衬结构基本形式和发展现状

1.6.

2.1 炉底、炉缸部位

炉底、炉缸主要有3种形式：水冷炭砖综合炉底、陶瓷杯结构形式、UCAR 热压小炭砖结构形式。近几年，也有采用陶瓷杯十热压小炭砖的结构形式。

(1)水冷炭砖综合炉底、炉缸形式是我国高炉的传统形式，其炉底一般采用多层大块炭砖，炉缸侧壁环砌大块炭砖，在炉底炭砖上部和环砌炭砖内侧砌筑一至多层教土和高铝保护砖。由于普通融土和高铝砖抗渣铁侵蚀和冲刷能力较差，

现代高炉已很少采用这种形式，即使个别高炉采用水冷炭砖综合炉底炉缸形式，

一般也采用含Al

2O

3

：70％～75％的高档高铝砖，以达到类似陶瓷材料的效果。

(2)陶瓷杯结构形式，陶瓷杯结构形式是我国高炉目前采用最为广泛的炉底、炉缸结构形式，其炭砖部分与综合炉底、炉缸结构形式基本相同，但炉底炭砖上部和炉缸炭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，称陶瓷杯。此种结构炉底一般为普通炭砖、石墨炭砖、半石墨炭砖，微孔炭砖中的2～3种分层砌筑，炉缸侧壁采用半石墨炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖1～2种分区砌筑，而整个炭砖内侧为优质陶瓷材料。在生产过程中，陶瓷材料由于具有高的抗压、抗折强度，能够有效地缓解渣铁对内衬造成的化学侵蚀和机械冲刷，从而减轻和杜绝“蒜头状”侵蚀的形成。另外，陶瓷材料具有较好的隔热能力，而半石墨化、微孔炭砖、超微孔炭砖又具有较高的导热性能，两者相互作用能有效地将1150℃等温线维持在陶瓷材料保护层内，从而较好地解决了炉底、炉缸的长寿问题。陶瓷杯主要有两种结构形式：一种是法国陶瓷杯结构，一种是国产陶瓷杯结构。法国陶瓷杯采用的是大块结构形式，采用浇注预制块(现在也有小块机压砖)，块与块之间相互咬砌，其优点是结构稳定性好，不会产生倒塌和漂浮，其缺点是施工困难，投资较高。国产陶瓷杯结构一般采用小块砖，多数采用机压，其优点是结构致密、施工方便、价格便宜。

(3)UCAR热压小炭砖结构形式，炉底结构形式与陶瓷杯结构形式基本相同，采用大块炭砖，一般在炭砖上面砌筑1—2层陶瓷垫；侧壁采用UCAR热压小炭砖砌筑外加教土保护砖。热压小炭砖气孔率低、孔径小、导热性能优异，具有良好的抗渣铁侵蚀性能。在实际工作中，主要是利用其优异的导热性能，在生产过程中其热面形成一层非常稳定的渣铁混合物保护层，即使在极端情况下这层保护层遭到破坏，仍具有自修复能力。这种结构形式在我国已有多座高炉采用，实践证明同样能够满足高炉长寿的要求。

以往，人们对风口区域的内衬材料和结构形式的重要性认识不足。而实际上，从整个高炉内衬结构看，风口区域内衬起着承上启下的作用。风口区域的材质选择和结构设计的合理，既是对下部砖衬的有效保护，又是对上部砖衬的有效支撑。因此，现代高炉风口区域一般选用刚玉质、刚玉莫来石质、硅线石质和碳化硅质等材料，其结构上大部分采用组合砖形式，以增强其结构稳定性。另外，

从高炉长寿的观点出发，渣、铁口区域一般也采用组合砖。

1.6.

2.2 炉腹及其以上部位

炉腹及其以上部位，由于采用不同的冷却设备和建设单位的不同需求，炉衬结构有较大差别，主要有以下几种：

(1)全冷却壁炉衬结构，内衬砌砖。

这种结构不但影响高炉内煤气的正常分布，其本身也是高炉长寿的一大障碍。悬台及水箱由于所处位置特殊，承受的热负荷大，特别是现代高炉实现大喷煤后，由于软熔带的大幅反翘上移，边缘气流更为严重，它们所承受的热负荷也更为巨大，因此很容易损坏，而其一旦损坏，不但内衬失去了支撑，成片脱落，而且还打乱了整个水系统的平衡，导致其他冷却元件的连锁破坏。凸台的损坏将对其冷却壁母体产生极大的连带破坏作用。然而，由于这种结构可以冷却全部炉壳，热损失少，冷却均匀等优点，故在中小型高炉中还较多采用。

(2)砖壁合一(即镶砖冷却壁)炉衬结构，内衬不再砌砖。

砖壁合一、薄壁内衬高炉由于内衬很薄，在实际生产中，不管内衬的侵蚀与否，其内型变化不大，设计内型就是高炉一代炉役的操作内型，也就是说，高炉在一代炉役里，其内型是基本不变的。正因为如此，砖壁合一、薄壁内衬结构高炉的内型设计与传统内衬结构高炉的内型有很大不同。对传统高炉而言，由于内衬厚，在实际生产中，内衬侵蚀后其实际工作内型与设计内型有很大差别，设计时炉腹及炉身角相对较大，而真正的最佳内型是在生产后2～4年的实际内型，这时高炉内型的特点是：炉腰扩大、炉身及炉腹角变小、实际高径比相对降低，在这个期间，高炉生产顺行稳定，容易接受风量，喷煤效果好，焦比低，产量高。因此，砖壁合一、薄壁内衬高炉内型炉腰直径较大，炉腹及炉身角较小，炉身角一般控制在80°～85°30′，炉腹角一般控制在76°～82°。国外个别高炉其炉腹角仅为约73°左右。这种结构形式，目前国内1000m3以上高炉普遍采用。

砖壁合一、薄壁内衬结构的砖型一般为非标，直接镶嵌在冷却壁上，镶嵌既可采用冷镶，也可采用热镶，视具体情况而定。砖高的尺寸一般在150～200mm，砖厚一般在100～200mm，砖宽一般在100～150mm。【5】

(3) 冷却板为主的炉衬结构

这种结构形式的优点是，对砖衬提供高效的冷却，有利于支撑砖衬，更换简

便、快捷，当设计成多通道结构可提高冷却效率，采用密集式布置可以增强冷却效果；缺点是热损失大，不能对炉壳提供均匀、全部冷却，高温状态下易弯曲变形，炉壳开孔多、设计复杂，不利于形成稳定的操作炉型，要求匹配高级耐火材料。目前，国内用于3200m3少数高炉和大多数4000m3级特大型高 [6]

1.6.3 高炉各部位内衬发展趋势

1.6.3.1 炉底、炉缸衬结构发展趋势

水冷炭砖综合炉底、炉缸结构形式难以满足现代大高炉的长寿要求，已经逐步淘汰。新建大中型高炉几乎全部采用陶瓷杯结构形式和UCAR热压小炭块结构形式，其中又以采用陶瓷杯结构形式为主。UCAR热压小炭块结构形式，在这些年其结构形式变化不大，仅在炉底炭砖表面增加了类似陶瓷杯结构的陶瓷垫。陶瓷杯结构形式，其整体结构形式变化也不是很大，仅在砖型上有一定变化。另外，法国陶瓷杯采用大块砖，且一般为自由式，陶瓷杯与炭砖之间存在比较宽的环缝，容易引起渗铁，国产陶瓷杯采用小块砖为主，不存在宽缝，而且一般设计有杯沿，避免了铁水的渗透。陶瓷杯结构形式，虽然近年来在结构上变化不大，但在材质上却一直在不断改进，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，其产品质量大大提高。

炉底、炉缸炭砖发展也很快，以前的高炉主要采用普通炭砖和半石墨炭砖，现在的高炉已普遍采用微孔、超微孔、、石墨炭砖等，其导热性能、抗渣铁侵蚀等性能大大提高。

另外，铁口和风口区域内衬结构也发生了很大变化，以前一般采用小块标砖砌筑，而现在普遍采用组合砖结构形式。铁口组合砖一般有大块组合砖(全炭)和小块组合砖两种，其中小块组合砖应用的较为普遍，材质一般为刚玉类。风口组合砖也分大块和小块两种，大块一般采用浇注预制块，小块有离心浇注和机制浇注两种，材质一般均为刚玉类。目前，几种形式的铁口组合砖和风口组合砖，在现代高炉中越来越多的广泛采用。[7]

1.6.3.2炉腹及其以上区域内衬结构发展趋势

现代高炉在内衬结构上最大的技术进步是，砖壁合一薄内衬技术的发展。传

统高炉过分倚重内衬，内衬厚度一般在575～805mm，个别高炉内衬厚度达到900mm以上，而实际长寿效果并不理想。事实上，厚内衬侵蚀分为两个阶段，在高炉生产的初期，内衬热面温度很高，即使导热性很好的砖，由于内衬过厚，冷却元件冷却能力不足，热面温度仍很高，不易形成牢固的渣皮，加上不管是采用凸台，还是密集式冷却板，内衬热面相当厚的一部分内衬仍得不到有效支撑，内衬侵蚀脱落很快，我们称为快速侵蚀阶段；当内衬侵蚀到100～200mm时，由于冷却作用的逐步加强，结渣挂渣条件得到改善，且这部分的内衬支撑条件相对较好，内衬侵蚀速度减缓，我们称为相对稳定阶段。内衬的寿命，实际上主要是由相对稳定阶段所决定的。再好再厚的内衬，其对高炉长寿的贡献也是有限的，国外高炉在原料条件、操作条件都非常稳定的情况下，内衬寿命一般也只有3～4年；国内的高炉，由于种种原因，原料条件、操作条件及内衬材质和国外还有相当差距，其内衬的实际寿命更短。[7]

因此，增加内衬厚度并不能取得明显的长寿效果。事实上，在高炉一代炉役里，炉墙绝大部分时间要靠渣皮来保护，如何形成稳定坚固的渣皮和提高渣皮脱落后快速恢复的能力，才是解决高炉长寿的关键所在。砖壁合一、薄壁内衬技术正是抓住这一核心问题，从热平衡原理人手，通过提高冷却壁本身的换热能力，改进冷却壁结构及材质，减薄内衬，提高炉墙的结渣、挂渣能力，从而达到延长高炉寿命的目的。

在欧洲等许多国家，由于原料条件好、操作管理水平高，把砖壁合一、薄壁内衬结构高炉舶内衬材料看得并不重，不少砖壁合一、薄壁内衬高炉的内衬仅仅是一层50～100mm厚的喷涂材料。但在国内，由于原料条件相对较差，操作管理水平不高，特别在开炉初期，炉况波动大，渣皮不稳定，这时若有一定厚度的砖衬对冷却壁的初期保护有利，砖衬虽然寿命不长，但砖衬的材质和结构若选择合理，仍能维持2～3年的寿命，因此国内砖壁合一、薄壁内衬结构高炉一般仍然采用有一定厚度的砖衬。另外，对于采用部分铜冷却壁的高炉，在铜冷却壁区域也可采用直接喷涂形式。[7]

1.6.4 高炉用各种耐材的介绍

高炉用耐火材料应符合下列要求

1）在长期高温的作用下体积稳定性好

2）机械强度高，具有良好的耐磨性

3）高温结构强度高

4）氧化铁含量低

5）组织致密，气孔率低，抗渣性好

高炉用耐火材料有陶瓷质材料和碳质材料两大类。陶瓷质材料有黏土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等；碳质材料有炭砖、石墨砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖、黏土结合硅砖等。

（1）陶瓷质耐火材料

黏土砖和高铝砖亦称陶瓷质或黏土质耐火材料，在高炉上使用已有较长久的历史，现在也广泛应用于高炉各个部位。黏土砖、高铝砖具有良好的机械强度、耐磨性和抗渣性均较好，成本较低。但对黏土砖和高铝砖的化学组成及其性能有

一定的要求：A化学成分Al

2O

3

含量要高，Fe

2

O

3

含量要低。B耐火度要高。C荷重

软化点要高。D重烧收缩要小。E气孔率要低。

（2）碳质耐火材料

在高炉上使用碳质耐火材料是黏土砖质耐火材料之后。近代高炉逐渐大型化，冶炼强度也有所提高，炉衬热负荷加重，碳质耐火材料具有独特的性能，逐渐应用到高炉上来。尤其是炉缸底部几乎普遍采用碳质材料，其他部位炉衬的使用量也日趋增加。碳质耐火材料的主要性能有：A.耐火度高，碳是不熔化物质，在3500℃碳质耐火材料具有良好的抗渣性，对酸性与碱性炉渣有很好的抗蚀能力。B.具有高的导热性、抗抵热震性好，可以很好地发挥砖衬冷却器的功效，有利于延长炉衬寿命。C.热膨胀系数小，热稳定性好。D.对氧化性气体抵抗能力差，易氧化。一般碳质耐火材料在400℃能被气体中氧氧化，500℃开始和水蒸气作用，700℃时开始和二氧化碳作用。碳化硅质材料发生上述反应温度要高一些。（3）不定型耐火材料

不定型耐火材料主要有捣打料、喷涂料、浇注料、泥浆和填料等。按成分可分碳质不定型耐火材料和黏土质不定型耐火材料。捣打料、喷涂料、浇注料可根据需要和部位的不同，形成各种形状。泥浆是砌体不可缺少的填缝黏结剂质。不定型耐火材料与成型耐火材料相比具有成型工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性好、耐剥落等优点，还可以减少炉衬厚度，改善热导率等，近年来使用较多。