高炉炉体系统设计        (blast furnace proper system design)

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(A．jejeyp)在他1878年出版的著作里首次提出的。巴甫洛夫(M．A．ПaBJoB)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：H= n (Vu )1/3 。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 =(Vu ／0．54H) 1/2 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6f t 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=cVn u   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。

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(L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。

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。

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。

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：

Q=Mc( t - t0 ) * 103

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，¨C。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。