包头地区1500m3高炉本体结构设计毕业设计论文

包头地区1500m3高炉本体结构设计毕业设计论文第一章文献综述绪论高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、冷却设备以及高炉炉型设汁等。

高炉的大小以高炉有效容积表示，高炉有效容积和高炉座数表明高炉车间在欧洲高炉的发展过程中，有两的规模，高炉炉型设计是高炉本体设计的基础。

近代高炉炉型向着大型横向发展，目前，世界高炉有效容积最大的是5580m³，高径比 2.0左右。

高炉本体结构设计的先进、合理是实现优质、低耗、高产、长寿的先决条件，也是高炉辅助系统设计和选型的依据。

1.1高炉发展史两种基本炉型相互竞争，一种是矮炉腹型高炉，和一种是高陡面炉腹型高炉。

1750年，英国的工业革命开始了。

在燃烧上用焦炭代替木炭，这种转变使炼铁业突破了束缚，不再为木炭的短缺而陷入困境。

因为不仅民用燃烧需要大量木料，而且为了提高农业产量也在大量砍伐森林。

因此，对于人口密度高的国家，要靠木炭来增加铁的产量是不易的。

到18世纪末，煤和蒸汽机已使英国的炼铁业彻底改革，铁的年产量从公元1720年的2.05×10000吨／年（大多是木炭铁）增加到1806年2.5×100000吨／年（几乎全是焦炭铁）。

估计，每生产一吨焦炭需煤3.3吨左右。

但是，高炉烧焦炭势必增加碳含量，以致早期的焦炭生铁含碳在1.0％以上，全部成为灰口铁即石墨铁。

高炉的尺寸在18世纪内一直在增大。

从公元1650年约7米，到1794年俄国的涅夫扬斯克高炉已增高到13.5米。

因为焦炭的强度大，足以承担加入的炉料的重量。

大多数的炼炉采用炉缸、炉腹和炉身三部分按比例构成。

19世纪末，平滑的炉衬公认为标准的炉衬，这基本上已经是现在的炉型。

炉底直径约10米，炉高约30米。

全部高炉都设有两只以上的风嘴。

另一个巨大的进步就是采用热风。

20世纪后，现代钢铁业就蓬勃发展起来。

1.2高炉炉型及展过程高炉是竖炉，高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或高炉内型。

高炉冶炼的质是上升的煤气流和下降的炉料之间进行传热传质的过程，因此必须提供燃料燃烧的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空问。

高炉炉型要适应原燃料条件的要求，保证冶炼过程的顺利。

图1—1现代高炉剖面图主要受当时的技术条件和原燃料条件的限制。

随着原燃料条件的改善以及鼓风能力的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展，炉型演变过程大体可分为3个阶段。

(1)无型阶段——又称生吹法。

在土坡挖洞，四周砌行块，以木炭冶炼，这是原始的方法。

(2)大腰阶段——炉腰尺寸过大的炉型。

由于工业不发达，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，为了避免高炉下部燃料被压碎，从而影响料柱透气性，故有效高度很低；为了人工装料方便并能够将炉料装到炉喉中心．炉喉直径也很小，而大的炉腰直径减小了烟气流速度，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，有效高度低，而炉腰直径很大。

这类高炉生产率很低,一座28m3高炉日产量只有1.5 t左右。

19世纪末，由于蒸汽鼓风机和焦炭的使用、炉顶装料设备逐步实现机械化，高炉内型趋向于扩大炉缸和炉喉直径，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，基本上是瘦长型，由于冶炼效果并不理想，相对高度又逐渐降低。

(3) 近代高炉，由于鼓风机能力进一步提高．原燃料处理更加精细，高炉炉型向着“大型横向”发展。

高炉内型合理与否对高炉冶炼过程有很大影响。

炉型设计合理是获得良好技术经济指标，保证高炉操作顺行的基础[1]。

1.3高炉用耐火材料在侵蚀性因素联合作用下引起高炉炉衬损毁，这些因素包括:炉渣、碱类物质、铁水、气体介质、炉料磨损、热应力等。

高炉每个部位使用条件的不同，要求区别对待炉衬每个区段用相应耐火材料的选择。

大体上假定将高炉分为两部分:上部—风口区以上部分;下部—风口区以下部分。

同样地上部分还可分为若干小区段—非冷却炉身的上部、冷却炉身的下部、炉腹、炉腰和风口区。

目前这些小区段均采用牌号IUII 1-39及IuII1-41的粘土质耐火材料砌筑。

对损毁因素影响条件不同的各区段炉衬采取如此笼统地对待方法不会得到有效的结果。

炉衬的个别区段过早损毁。

为了在炉子有节秦工作和最佳操作制度下组织其稳定的作业，必须将非冷却炉身的上部分砌为两层炉衬:第一层(工作层)由VIII 及-41粘土质耐火材料砌筑，第二层由MKPII-340纤维板砌筑。

该纤维板是由含50 % A1203的莫来石硅质纤维制造的。

由两层材料组成的复合炉衬可以抵抗炉料的摩擦作用，而且可以减少透过炉壳的热量损失。

对于炉身的冷却部分来说，近10年来国外广泛采用氮化硅结合、氧氮化硅结合和自结合碳化硅质耐火材料，其使用效果良好。

我们推荐在炉身下部采用双层炉衬，即工作部分由IUII八-41粘土质耐火材料砌筑，第二层由氮化硅结合的碳化硅质耐火材料砌筑。

推荐的复合炉衬可以保证达到更强化而均匀的冷却。

对炉腰也推荐采用类似的炉衬，而炉腹则采用碳化硅质耐火材料砌筑。

风口区下部的炉衬则推荐采用ILI17八-42粘土质耐火材料和刚玉碳化硅质耐火材料砌筑。

对于炉缸的上部来说，推荐采用刚玉碳化硅质耐火材料。

此种耐火材料由电熔刚玉及共同细粉碎混合物组成。

共同细粉碎混合物中包括30 % Sic, 10 % Si及下列氧化物中的任何一种:MgO,A12O3及ZrO2。

含有氮化物结合剂的刚玉耐火材料对熔融炉渣及金属液的作用具有较高的抵抗性。

耐火材料的开口气孔率介于14%一17%之间，体积密度2.83g/cm3一2.97g/cm3，耐压强度124MPa--187MPa。

此类耐火材料中的结合剂为氮化硅、氧氮化硅及赛隆。

为了砌筑高炉炉身内衬，采用碳化硅质耐材料，后者对化学因素及物理机械因素具有较高的抵抗性。

碳化硅质耐火材料应用于炉身下部、炉腰、炉腹和炉缸上部。

炉缸下部及炉底内衬的结构.其左侧为目前采用的结构，右侧为推荐的采用新型耐火材料的结构。

内衬使用的持续时间在很大程度上受到膨胀缝放置的位置正确与否及用于充填该类缝的碳素泥料质量的高低等因素制约。

由于沿着直径及高度方向炉衬受到的加热温度的不同，要求单独地区别对待每一个温度区和分区砌筑的砌体结构，并要考虑在加热及冷却时炉衬的体积变化。

在操作过程中出现的热应力应使之分散。

在整个砌体内要预留应力释放处，这便是膨胀缝。

热导率为10w/(m.·K)一15W/(m·K)的碳素泥料便能满足此类要求。

在一些钢铁厂中到目前为止一直沿用以粘土熟料、生粘土、焦炭和沥青为原料的水调的炮泥。

此类炮泥的使用寿命较低，收缩率较高及附着强度低。

乌克兰耐火材料科学研究院研制成功无水炮泥并在克里沃罗格钢铁公司进行推广应用。

该炮泥由焦炭、煤焦油、煤沥青、生粘土及粘土熟料组成，其性能如下:体积膨胀率2. 5 %——3 %;耐压强度镇9MPa;被铁水冲刷速度低〔1.0mg/( cm2·min)——1. 3 mg/ ( cm2·min)。

因此，炮泥的耗量下降50%一65%,泥套用泥的耗量下降90%以上。

采用此种炮泥后，保证出铁口及出渣口封堵可靠，允许高炉每次出铁水1000吨以上及出渣400吨，而且未降低鼓风压力，并消除了出铁水时夹带焦炭的现象[2]。

1.3.1高炉用耐火材料的演变炼铁技术的发展带动了高炉用耐火材料的进步。

不过高炉炉衬的更新换代是十分缓慢的。

由于近几十年高炉的大型化及其广泛采用强化冶炼的高炉操作，相应地高炉用耐火材料也出现了重大变化。

在炉身上部这个区域温度较低，目前用耐火材料有：高铝砖、粘土砖、浸渍磷酸盐粘土砖、最上部紧靠钢砖部位国外也有用SiC砖的。

这个部位并不是影响高炉寿命的决定因素，耐火材料基本都是Al2O3-SiO2系，没有发生太大变化。

高炉中段用耐火材料，在50年代以前，全世界的高炉基本上都是Al2O3-SiO2系耐火制品。

进入六十年代中后期，工业先进国家重点研究解决高炉中段用耐火材料重要进行了以下两个方面的工作：1）优质高纯高铝制品，包括刚玉砖、刚玉-莫来石砖和铬刚玉砖等；2）优质碳化硅制品，主要为自结合和氮化硅结合的碳化硅砖。

进入80年代中期至今，研究开发了Sialon结合碳化硅砖和Sialon结合刚玉砖。

探索范围是从优质高纯高铝制品开始的。

构思渊源是在传统粘土砖和高铝砖的基础上提高纯度和密度。

工艺措施是采用高纯刚玉砂、合成莫来石和氧化铬原料、高压成型和高温烧成。

这些制品气孔率低，高温强度较高，耐磨性强，抗CO和抗碱侵蚀性能也有一定提高。

在七十年代国际上许多高炉先后采用它们来砌筑中段（宝钢从新日铁引进的大型高炉采用刚玉砖）。

然而，十几年的实践说明，采用优质高纯高铝制品在提高中段寿命效果不够显著，一般只能提高1-2年，未能达到满意的技术经济效益。

究其原因，关键在于Al2O3-SiO2系耐火材料无论是刚玉还是莫来石，其抗碱侵蚀性不够理想。

它们容易被碱蒸气或碱凝聚物所分解，并伴随有较大的体积膨胀，从而导致材料损毁。

例如它们在碱的作用下，600-900℃会形成钾霞石（KAS2）、白榴石（KAS4）、六方钾霞石（KAS2）、铝酸钾（KA）、β-氧化铝（β-Al2O3）等矿物并引进6-20%体积膨胀。

几个主要化学反式如下：Al2O3•2SiO2+K2CO3→K2O•Al2O3•2SiO2+CO2Al2O3•2SiO2+2SiO2+ K2CO3→K2O•Al2O3•4SiO2+ CO3Al2O3•2SiO2+K2CO3→K2O•Al2O3•2SiO2+2Al2O3+CO2Al2O3•2SiO2+K2O•SiO2→K2O•Al2O3•2SiO2+SiO23Al2O3•2SiO2+K2O•SiO2→K2O•Al2O3•2SiO2+ Al2O3另一条途径是从金属非氧化物入手。

考虑到非氧化物一般抗碱侵蚀性能较好，只要具有适当的抗氧化性，很可能成为较理想的中段材料。

优质SiC制品被人们重视和大量采用是从七十年代中后期才开始，而且后来居上。

1969年在比利时首先出现了高炉用SiC砖衬试验。

1971年美国在高炉的风口区试用过，1974年日本Muroran于炉身下部试用，1976年美国Spaiicw.Point,1977年法国Dunkerque用于炉腰。

此后，它的优越性很快被实践所证明，因而得到迅速推广应用。

高炉炉底和炉缸耐火材料，在50年代以前，基本上以铝硅质耐火材料为主，但使用寿命不长，经常出现炉缸、炉底烧穿事故。

1939年德国第一次使用炭砖砌筑炉底，取得了好的效果，后来日本、美国改用炭砖和致密粘土砖实行综合炉底，使用寿命达到15年。

在中国，1958年以后才采用炭砖砌筑炉底，解决了炉底炉缸烧穿的技术难题。