【正文】 ....................... 31 爐身上部 .................................................................................................. 31 爐頂冷卻 .................................................................................................. 31 爐喉冷卻 .................................................................................................. 31 冷卻壁設(shè)計(jì)原則 ...................................................................................... 31 第五章 高爐鋼結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì) .......................................................................... 33 高爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................................................... 33 高爐爐基的形狀及材質(zhì) .......................................................................... 33 結(jié)論 ...................................................................................................................... 35 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 36 致 謝 .................................................................................................................. 37 附錄 :高爐長壽技術(shù)的發(fā)展 .................................................................................. 38 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 第一章文獻(xiàn)綜述 緒論 高爐本體包括高爐基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)、爐襯、冷卻設(shè)備以及高爐爐型設(shè)汁等。高爐的大小以高爐有效容積表示，高爐有效容積和高爐座數(shù)表明高爐車間在歐洲高爐的發(fā)展過程中，有兩的規(guī)模，高爐爐型設(shè)計(jì)是高爐本體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。近代高爐爐型向著大型橫向發(fā)展，目前，世界高爐有效容積最大的是 5580m179。，高徑 比 左右。高爐本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)、合理是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)、長壽的先決條件，也是高爐輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型的依據(jù)。 高爐發(fā)展史 兩 種基本爐型相互競爭，一種是矮爐腹型高爐，和一種是高陡面爐腹型高爐。 1750 年，英國的工業(yè)革命開始了。在燃燒上用焦炭代替木炭，這種轉(zhuǎn)變使煉鐵業(yè)突破了束縛，不再為木炭的短缺而陷入困境。因?yàn)椴粌H民用燃燒需要大量木料，而且為了提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量也在大量砍伐森林。因此，對于人口密度高的國家，要靠木炭來增加鐵的產(chǎn)量是不易的。 到 18 世紀(jì)末，煤和蒸汽機(jī)已使英國的煉鐵業(yè)徹底改革，鐵的年產(chǎn)量從 公元1720 年的 10000 噸／年（大多是木炭鐵）增加到 1806 年 100000 噸／年（幾乎全是焦炭鐵）。估計(jì)，每生產(chǎn)一噸焦炭需煤 噸左右。但是，高爐燒焦炭勢必增加碳含量，以致早期的焦炭生鐵含碳在 ％以上，全部成為灰口鐵即石墨鐵。 高爐的尺寸在 18 世紀(jì)內(nèi)一直在增大。從公元 1650 年約 7 米，到 1794 年俄國的涅夫揚(yáng)斯克高爐已增高到 米。因?yàn)榻固康膹?qiáng)度大，足以承擔(dān)加入的爐料的重量。大多數(shù)的煉爐采用爐缸、爐腹和爐身三部分按比例構(gòu)成。 19 世紀(jì)末，平滑的爐襯公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的爐襯，這基本上已經(jīng)是 現(xiàn)在的爐型。爐底直徑約 10 米，爐高約 30 米。全部高爐都設(shè)有兩只以上的風(fēng)嘴。另一個巨大的進(jìn)步就是采用熱風(fēng)。 20 世紀(jì)后，現(xiàn)代鋼鐵業(yè)就蓬勃發(fā)展起來。 高 爐爐型及展過程 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 高爐是豎爐，高爐內(nèi)部工作空間剖面的形狀稱為高爐爐型或高爐內(nèi)型。高爐冶煉的質(zhì)是上升的煤氣流和下降的爐料之間進(jìn)行傳熱傳質(zhì)的過程，因此必須提供燃料燃燒的空間，提供高溫煤氣流與爐料進(jìn)行傳熱傳質(zhì)的空問。高爐爐型要適應(yīng)原燃料條件的要求，保證冶煉過程的順利。 圖 1— 1 現(xiàn)代高爐剖面圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 主要受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和原燃料條件的限制。隨著原燃料條件的改善以及鼓風(fēng)能 力的提高，高爐爐型也在不斷地演變和發(fā)展，爐型演變過程大體可分為 3個階段。 (1)無型階段 —— 又稱生吹法。在土坡挖洞，四周砌行塊，以木炭冶煉，這是原始的方法。 (2)大腰階段 —— 爐腰尺寸過大的爐型。由于 工業(yè)不發(fā)達(dá)，高爐冶煉以人力、蓄力、風(fēng)力、水力鼓風(fēng)，鼓風(fēng)能力很弱，為了保證整個爐缸截面獲得高溫，爐缸直徑很小，冶煉以木炭或無煙煤為燃料，機(jī)械強(qiáng)度很低，為了避免高爐下部燃料被壓碎，從而影響料柱透氣性，故有效高度很低；為了人工裝料方便并能夠?qū)t料裝到爐喉中心．爐喉直徑也很小，而大的爐腰直徑減小了煙氣流速度，延長了煙氣 在爐內(nèi)停留時(shí)間，起到燜住爐內(nèi)熱量的作用。因此，爐缸和爐喉直徑小，有效高度低，而爐腰直徑很大。這類高爐生產(chǎn)率很低 ,一座 28m3高爐日產(chǎn)量只有 t 左右。 19 世紀(jì)末，由于蒸汽鼓風(fēng)機(jī)和焦炭的使用、爐頂裝料設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，高爐內(nèi)型趨向于擴(kuò)大爐缸和爐喉直徑，并向高度方向發(fā)展，逐漸形成近代五段式高爐爐型。最初的五段式爐型，基本上是瘦長型，由于冶煉效果并不理想，相對高度又逐漸降低。 (3) 近代高爐 ，由于鼓風(fēng)機(jī)能力進(jìn)一步提高．原燃料處理更加精細(xì)， 高爐爐型向著 “大型橫向”發(fā)展。高爐內(nèi)型合理與否對高爐冶煉過程 有很大影響。爐型設(shè)計(jì)合理是獲得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，保證高爐操作順行的基礎(chǔ) [1]。 高爐用耐火材料 在侵蝕性因素聯(lián)合作用下引起高爐爐襯損毀，這些因素包括 :爐渣、堿類物質(zhì)、鐵水、氣體介質(zhì)、爐料磨損、熱應(yīng)力等。高爐每個部位使用條件的不同，要求區(qū)別對待爐襯每個區(qū)段用相應(yīng)耐火材料的選擇。大體上假定將高爐分為兩部分 :上部 — 風(fēng)口區(qū)以上部分 。下部 — 風(fēng)口區(qū)以下部分。同樣地上部分還可分為若干小區(qū)段 — 非冷卻爐身的上部、冷卻爐身的下部、爐腹、爐腰和風(fēng)口區(qū)。目前這些小區(qū)段均采用牌號 IUII 139 及 IuII141 的粘土質(zhì)耐火 材料砌筑。對損毀因素影響條件不同的各區(qū)段爐襯采取如此籠統(tǒng)地對待方法不會得到有效的結(jié)果。 爐襯的個別區(qū)段過早損毀。為了在爐子有節(jié)秦工作和最佳操作制度下組織其穩(wěn)定的作業(yè)，必須將非冷卻爐身的上部分砌為兩層爐襯 :第一層 (工作層 )由 VIII及 41 粘土質(zhì)耐火材料砌筑，第二層由 MKPII340 纖維板砌筑。該纖維板是由含50 % A1203 的莫來石硅質(zhì)纖維制造的。由兩層材料組成的復(fù)合爐襯可以抵抗?fàn)t料的摩擦作用，而且可以減少透過爐殼的熱量損失。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 對于爐身的冷卻部分來說，近 10 年來國外廣泛采用氮化硅結(jié)合、氧氮化硅結(jié)合和自結(jié) 合碳化硅質(zhì)耐火材料，其使用效果良好。我們推薦在爐身下部采用雙層爐襯，即工作部分由 IUII 八 41 粘土質(zhì)耐火材料砌筑，第二層由氮化硅結(jié)合的碳化硅質(zhì)耐火材料砌筑。推薦的復(fù)合爐襯可以保證達(dá)到更強(qiáng)化而均勻的冷卻。對爐腰也推薦采用類似的爐襯，而爐腹則采用碳化硅質(zhì)耐火材料砌筑。風(fēng)口區(qū)下部的爐襯則推薦采用 ILI17 八 42 粘土質(zhì)耐火材料和剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料砌筑。 對于爐缸的上部來說，推薦采用剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料。此種耐火材料由電熔剛玉及共同細(xì)粉碎混合物組成。共同細(xì)粉碎混合物中包括 30 % Sic, 10 % Si 及下列 氧化物中的任何一種 :MgO,A12O3 及 ZrO2 。含有氮化物結(jié)合劑的剛玉耐火材料對熔融爐渣及金屬液的作用具有較高的抵抗性。耐火材料的開口氣孔率介于14%一 17%之間，體積密度 ，耐壓強(qiáng)度 124MPa187MPa。此類耐火材料中的結(jié)合劑為氮化硅、氧氮化硅及賽隆。 為了砌筑高爐爐身內(nèi)襯，采用碳化硅質(zhì)耐材料，后者對化學(xué)因素及物理機(jī)械因素具有較高的抵抗性。碳化硅質(zhì)耐火材料應(yīng)用于爐身下部、爐腰、爐腹和爐缸上部。爐缸下部及爐底內(nèi)襯的結(jié)構(gòu) .其左側(cè)為目前采用的結(jié)構(gòu)，右側(cè)為推薦的采用 新型耐火材料的結(jié)構(gòu)。內(nèi)襯使用的持續(xù)時(shí)間在很大程度上受到膨脹縫放置的位置正確與否及用于充填該類縫的碳素泥料質(zhì)量的高低等因素制約。由于沿著直徑及高度方向爐襯受到的加熱溫度的不同，要求單獨(dú)地區(qū)別對待每一個溫度區(qū)和分區(qū)砌筑的砌體結(jié)構(gòu)，并要考慮在加熱及冷卻時(shí)爐襯的體積變化。在操作過程中出現(xiàn)的熱應(yīng)力應(yīng)使之分散。在整個砌體內(nèi)要預(yù)留應(yīng)力釋放處，這便是膨脹縫。熱導(dǎo)率為 10w/(m. K)一 15W/(m K)的碳素泥料便能滿足此類要求。在一些鋼鐵廠中到目前為止一直沿用以粘土熟料、生粘土、焦炭和瀝青為原料的水調(diào)的炮泥。此類炮泥的 使用壽命較低，收縮率較高及附著強(qiáng)度低。烏克蘭耐火材料科學(xué)研究院研制成功無水炮泥并在克里沃羅格鋼鐵公司進(jìn)行推廣應(yīng)用。該炮泥由焦炭、煤焦油、煤瀝青、生粘土及粘土熟料組成，其性能如下 :體積膨脹率 2. 5 %—— 3 %。耐壓強(qiáng)度鎮(zhèn) 9MPa。被鐵水沖刷速度低〔 ( 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。采用此種炮泥后，保證出鐵口及出渣口封堵可靠，允許高爐每次出鐵水 1000 噸以上及出渣400 噸，而且未降低鼓風(fēng)壓力，并消除了 出鐵水時(shí)夾帶焦炭的現(xiàn)象 [2]。 高爐用耐火材料的演變 煉鐵技術(shù)的發(fā)展帶動了高爐用耐火材料的進(jìn)步。不過高爐爐襯的更新?lián)Q代是十分緩慢的。由于近幾十年高爐的大型化及其廣泛采用強(qiáng)化冶煉的高爐操作，相內(nèi)蒙古科技大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 應(yīng)地高爐用耐火材料也出現(xiàn)了重大變化。在爐身上部這個區(qū)域溫度較低，目前用耐火材料有：高鋁磚、粘土磚、浸漬磷酸鹽粘土磚、最上部緊靠鋼磚部位國外也有用 SiC 磚的。這個部位并不是影響高爐壽命的決定因素，耐火材料基本都是Al2O3SiO2系，沒有發(fā)生太大變化。 高爐中段用耐火材料，在 50 年代以前，全世界的高爐基本上都是 Al2O3SiO2系耐火制品。進(jìn)入六十年代中后期，工業(yè)先進(jìn)國家重點(diǎn)研究解決高爐中段用耐火材料重要進(jìn)行了以下兩個方面的工作： 1）優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品，包括剛玉磚、剛玉 莫來石磚和鉻剛玉磚等； 2）優(yōu)質(zhì)碳化硅制品，主要為自結(jié)合和氮化硅結(jié)合的碳化硅磚。進(jìn)入 80 年代中期至今，研究開發(fā)了 Sialon 結(jié)合碳化硅磚和 Sialon 結(jié)合剛玉磚。探索范圍是從優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品開始的。構(gòu)思淵源是在傳統(tǒng)粘土磚和高鋁磚的基礎(chǔ)上提高純度和密度。工藝措施是采用高純剛玉砂、合成莫來石和氧化鉻原料、高壓成型和高溫?zé)伞＿@些制品氣孔率低，高溫強(qiáng)度較 高，耐磨性強(qiáng)，抗 CO 和抗堿侵蝕性能也有一定提高。在七十年代國際上許多高爐先后采用它們來砌筑中段（寶鋼從新日鐵引進(jìn)的大型高爐采用剛玉磚）。然而，十幾年的實(shí)踐說明，采用優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品在提高中段壽命效果不夠顯著，一般只能提高 12年，未能達(dá)到滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。究其原因，關(guān)鍵在于 Al2O3SiO2系耐火材料無論是剛玉還是莫來石，其抗堿侵蝕性不夠理想。它們?nèi)菀妆粔A蒸氣或堿凝聚物所分解，并伴隨有較大的體積膨脹，從而導(dǎo)致材料損毀。例如它們在堿的作用下，600900℃會形成鉀霞石（ KAS2）、白榴石（ KAS4）、六 方鉀霞石（ KAS2）、鋁酸鉀（ KA）、β 氧化鋁（β Al2O3）等礦物并引進(jìn) 620%體積膨脹。幾個主要化學(xué)反式如下： Al2O3?2SiO2+K2CO3→ K2O?Al2O3?2SiO2+CO2 Al2O3?2SiO2+2SiO2+ K2CO3→ K2O?Al2O3?4SiO2+ CO 3Al2O3?2SiO2+K2CO3→ K2O?Al2O3?2SiO2+2Al2O3+CO2 Al2O3?2SiO2+K2O?SiO2→ K2O?Al2O3?2SiO2+SiO2 3Al2O3?2SiO2+K2O?SiO2→ K2O?Al2O3?2SiO2+ Al2O3 另一條途徑是從金屬非氧化物入手?？紤]到非氧化物一般抗堿侵蝕性能較好，只要具有適當(dāng)?shù)目寡趸裕芸赡艹蔀檩^理想的中段材料。優(yōu)質(zhì) SiC 制品被人們重視和大量采用是從七十年代中后期才開始，而且后來居上。 1969 年在比利時(shí)首先出現(xiàn)了高爐用 SiC 磚襯試驗(yàn) 。 1971 年美國在高爐的風(fēng)口區(qū)試用過， 1974年日本 Muroran 于爐身下部試用， 1976 年美國 ,1977 年法國Dunkerque