【文章內(nèi)容簡介】 氣壓力、爐襯和冷卻系統(tǒng)的熱膨脹(力)、爐料和鐵水壓力，決定了正常操作條件下爐殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。⑵爐內(nèi)高溫的周期作用或突然作用，能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞或沖擊應(yīng)力，降低鋼材塑性并導(dǎo)致脆性破壞。服役后期，內(nèi)襯及冷卻器的損傷，可導(dǎo)致局部過熱或大面積燒紅，將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，加速爐殼開裂、美國內(nèi)陸公司證明，沿爐殼厚度的溫度梯度是大應(yīng)力的主要原因，當(dāng)最大熱應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，爐殼就會(huì)開裂。⑶低周疲勞是影響高爐壽命的主要因素。據(jù)前蘇聯(lián)對(duì)高爐實(shí)際工作狀態(tài)的研究，爐殼是在不同循環(huán)特征和不同變化幅度的周期荷載作用下工作的，爐殼10年中荷載變化的循環(huán)次數(shù)為2104，～。在這種周期荷載作用下，爐殼的應(yīng)力集中區(qū)和焊縫缺陷處出現(xiàn)局部塑性變形，從而產(chǎn)生低周疲勞破壞。所以，高爐結(jié)構(gòu)的最終壽命，就是正常條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抵御低周疲勞脆斷的時(shí)限。大量的實(shí)驗(yàn)、分析、實(shí)踐證實(shí)爐殼損壞有兩種原因：一是由于疲勞，特別是局部過熱引起的疲勞損傷；另一種是突然的脆性斷裂。因此，爐殼設(shè)計(jì)的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度為據(jù)。以斷裂韌性為結(jié)構(gòu)抗裂性指標(biāo)，K=KlC作為防止脆斷的依據(jù)，K≦K1C時(shí)結(jié)構(gòu)安全；反之亦然[18]。高爐就目前已投產(chǎn)的，劃分為五種類型⑴帶爐身支柱、托圈和爐缸支柱的⑵設(shè)在塔式大框架內(nèi)的自立式高爐⑶全自立式高爐⑷帶托圈和爐缸支柱的⑸其它類型高爐[19]我國高爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的水平很不平衡，大致分為3個(gè)層次：⑴北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院、重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院是我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入電算階段的代表，示我國相關(guān)技術(shù)的先進(jìn)水準(zhǔn)。他們憑借大量的工程實(shí)踐,先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備和手段，對(duì)高爐鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括上料、除塵、爐體框架、上開管、下降管和爐體的綜合系統(tǒng)或各部分進(jìn)行靜力或動(dòng)力分析，爐殼整體或局部進(jìn)行彈塑性分析。在計(jì)算中,將綜合系統(tǒng)用空間桿系模型代替，高爐本體簡化為空間多質(zhì)點(diǎn)懸壁桿，整體分析后，再將懸壁桿還原為殼體，用有限元分析。⑵一些專業(yè)大院,雖然其中也有少數(shù)做過大型高爐設(shè)計(jì)，但基本停留在:a=KD，驗(yàn)算邊緣效應(yīng)及手工計(jì)算的水準(zhǔn)。按60年代《高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并參考已有經(jīng)驗(yàn)。一些較新的理論和成果，未被采用。⑶中小冶金設(shè)計(jì)單位基本屬于第三層次，主要停留在小型高爐設(shè)計(jì)上，在未搞清結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和傳力順序的條件下，沿用已有的經(jīng)驗(yàn)或圖紙，較少考慮設(shè)計(jì)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。⑴我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還處在以經(jīng)驗(yàn)為主、計(jì)算分析為輔的階段。設(shè)計(jì)新建高爐時(shí)，技術(shù)人員往往參照已建的高爐或已往的經(jīng)驗(yàn)，確定爐殼厚度和用鋼量，決定爐殼的主體結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析只是參考。其根本原因，就在于沒有明確掌握高爐內(nèi)三項(xiàng)材料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、爐內(nèi)化學(xué)變化對(duì)爐皮的真實(shí)壓力，以及高溫作用、低周荷載對(duì)爐殼疲勞與脆斷的影響，不得不把經(jīng)驗(yàn)作為主要依據(jù)。⑵我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)進(jìn)入電算時(shí)代，已有較為完備、符合高爐工況的計(jì)算軟件和細(xì)部分析能力，能夠在彈性薄膜理論和板殼有矩理論指導(dǎo)下，對(duì)整體進(jìn)行分析，也可對(duì)局部進(jìn)行彈塑性分析。但我國高爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度還不高，落后于日本、前蘇聯(lián)等國家。由于我們?nèi)狈?duì)高爐，特別是爐體內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)和研究，很難對(duì)荷載做進(jìn)一步的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。因此，不管擁有多么先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備和手段，校核的數(shù)據(jù)與使用總有一定距離。而且，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們只考慮了爐役前期，統(tǒng)計(jì)正常操作下的荷載，盡管我們已經(jīng)考慮內(nèi)襯膨脹對(duì)爐殼的壓力，但對(duì)熱疲勞，低周荷載在爐役后期，對(duì)高爐壽命減少的影響沒有考慮。斷裂力學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)壽命的估計(jì)，還未應(yīng)用于設(shè)計(jì)。⑶我國還沒有統(tǒng)一的高爐設(shè)計(jì)概念，沒有編制自己的設(shè)計(jì)規(guī)范和計(jì)算程序，缺乏明確的爐殼設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)沒有一本有關(guān)的專著，基本沿用蘇聯(lián)理論和規(guī)范，以及日本的一些做法，加上各設(shè)計(jì)單位缺乏相互交流，在市場利益機(jī)制的驅(qū)使下，必然大部分沿襲舊有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。所以,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)步遲緩。此外，高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在技術(shù)人員隊(duì)伍上的斷檔,也應(yīng)重視[20]。高爐爐殼：現(xiàn)代化高爐廣泛使用焊接的鋼板爐殼，只有極少數(shù)最小的土高爐才用鋼箍加固的磚殼。爐殼的作用是固定冷卻設(shè)備，保證高爐砌體牢固，密封爐體，有的還承受爐頂載荷。爐殼除承受巨大的重力外，還要承受熱應(yīng)力和內(nèi)部的煤氣壓力，有時(shí)要抵抗崩料、坐料甚至可能發(fā)生的煤氣爆炸的突然沖擊，因此要有足夠的強(qiáng)度。爐殼外形尺寸應(yīng)與高爐內(nèi)型、爐體各部厚度、冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)形式相應(yīng)。高爐爐型，高爐爐型指的是高爐工作空間的形狀?，F(xiàn)代高爐的爐型為五段式爐型，自上而下由以下五部分組成：爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸。在爐喉上部還有爐頂平臺(tái)和爐頂鋼圈[21]。爐喉：高爐本體的最上部分，呈圓筒形。爐喉既是爐料的加入口，也是煤氣的導(dǎo)出口。它對(duì)爐料和煤氣的上部分布起控制和調(diào)節(jié)作用。爐喉直徑應(yīng)和爐缸直徑、爐腰直徑及大鐘直徑比例適當(dāng)。爐喉高度要允許裝一批以上的料，以能起到控制爐料和煤氣流分布為限。 爐身：高爐鐵礦石間接還原的主要區(qū)域，呈圓錐臺(tái)簡稱圓臺(tái)形，由上向下逐漸擴(kuò)大，用以使?fàn)t料在遇熱發(fā)生體積膨脹后不致形成料拱，并減小爐料下降阻力。爐身角的大小對(duì)爐料下降和煤氣流分布有很大影響。 爐腰：高爐直徑最大的部位。它使?fàn)t身和爐腹得以合理過渡。由于在爐腰部位有爐渣形成，并且粘稠的初成渣會(huì)使?fàn)t料透氣性惡化，為減小煤氣流的阻力，在渣量大時(shí)可適當(dāng)擴(kuò)大爐腰直徑，但仍要使它和其他部位尺寸保持合適的比例關(guān)系，比值以取上限為宜。爐腰高度對(duì)高爐冶煉過程影響不很顯著，一般只在很小的范圍內(nèi)變動(dòng)范。 爐腹：高爐熔化和造渣的主要區(qū)段，呈倒錐臺(tái)形。為適應(yīng)爐料熔化后體積收縮的特點(diǎn)，其直徑至上而下逐漸減小，形成一定的爐腹角。爐腹的存在，使燃燒帶處于合適的位置，有利于氣流均勻分布。爐腹高度隨高爐容積大小而定，但不能過高或過低，～。爐腹角一般為79176?！?2176。；過大，不利于煤氣分布；過小，則不利于爐料順行。爐缸：高爐燃料燃燒、渣鐵反應(yīng)和貯存及排放區(qū)域，呈圓筒形。出鐵口、渣口和風(fēng)口都設(shè)在爐缸部位，因此它也是承受高溫煤氣及渣鐵物理和化學(xué)侵蝕最劇烈的部位，對(duì)高爐煤氣的初始分布、熱制度、生鐵質(zhì)量和品種都有極重要的影響。爐缸高度的確定包括渣口的高度﹑ 風(fēng)口高度的確定以及風(fēng)口安裝尺寸的確定。高爐爐型是爐體系統(tǒng)的基礎(chǔ)，爐型的好壞不但關(guān)系到高爐是否高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，也關(guān)系到高爐煤氣利用的好壞和燃料比的大小，同時(shí)，也對(duì)高爐壽命的長短起著重要作用。高爐爐型應(yīng)該根據(jù)爐容大小、礦石品種、品位、熟料率、球團(tuán)率、焦炭質(zhì)量以及內(nèi)襯和冷卻壁的形式等多種因素共同確定。一般而言，爐容越大、品位越高、熟料率越高、球團(tuán)比越大、內(nèi)襯越薄、爐型相對(duì)越矮胖，反之爐型越瘦長。在我國，隨著各鋼鐵企業(yè)大力提高礦石品位、提高熟料率及球團(tuán)比以及薄壁內(nèi)襯的盛行，高爐有逐漸矮胖的趨勢[22]。 爐底：高爐爐底砌體不僅要承受爐料、渣液及鐵水的靜壓力，而且受到1400～4600℃的高溫、機(jī)械和化學(xué)侵蝕、其侵蝕程度決定著高爐的一代壽命。只有砌體表面溫度降低到它所接觸的渣鐵凝固溫度，并且表面生成渣皮（或鐵殼），才能阻止其進(jìn)一步受到侵蝕，所以必需對(duì)爐底進(jìn)行冷卻。通常采用風(fēng)冷或水冷。目前我國大中型高爐大都采用全碳磚爐底或碳磚和高鋁磚綜合爐底，大大改善了爐底的散熱能力。 爐基：它的作用是將所集中承擔(dān)的重量按照地層承載能力均勻地傳給地層，因而其形狀都是向下擴(kuò)大的。高爐和爐基的總重量常為高爐容積的10～18倍（噸）。爐基不許有不均勻的下沉，％～％。高爐爐基應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和耐熱能力，使其在各種應(yīng)力作用下不致產(chǎn)生裂縫。爐基常做成圓形或多邊形，以減少熱應(yīng)力的不均勻分布。爐基表面受熱不均是基礎(chǔ)產(chǎn)生裂縫和混凝土遭到破壞的主要原因。由于基礎(chǔ)長期在高溫作用下，不僅產(chǎn)生了相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力和變形，并改變了材料的物理學(xué)性能，使鋼筋混凝土失去了它的承載能力。普通混凝土溫度超過400℃時(shí)，由于石灰的水化作用，混凝土即在空氣中自行破壞[23]。實(shí)踐證明采用在爐底耐火層與爐基鋼筋之間的素墊層內(nèi)鉆孔布設(shè)水放射狀的雙層冷卻管，向內(nèi)管注入冷水、經(jīng)外管和內(nèi)管之間的環(huán)狀間隙流出并帶出熱量的循環(huán)水冷卻方案，對(duì)降低高爐爐基及爐底溫度并將其控制在一個(gè)確保高爐正常工作的允許溫度范圍、維持爐基安全并減緩爐底熔蝕、延長一代爐齡、節(jié)省巨額的高爐翻修費(fèi)用切實(shí)可行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。爐襯：高爐爐襯組成高爐的工作空間，并起到減少高爐熱損失、保護(hù)爐殼和其它金屬結(jié)構(gòu)免受熱應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的作用。爐襯是用能夠抵抗高溫作用的耐火材料砌筑而成的。爐襯的損壞受多種因素的影響，各部位工作條件不同，受損壞的機(jī)理也不同，因此必須根據(jù)部位、冷卻和高爐操作等因素，選用不同的耐火材料。 爐喉護(hù)板：爐喉在爐料頻繁撞擊和高溫的煤氣流沖刷下，工作條件十分惡劣，維護(hù)其圓筒形狀不被破壞是高爐上部調(diào)節(jié)的先決條件。為此，在爐喉設(shè)置保護(hù)板（鋼磚）。小高爐的爐喉保護(hù)板可以用鑄鐵做成開口的匣子形狀；大高爐的爐喉護(hù)板則用100～150mm厚的鑄鋼做成。爐喉護(hù)板主要有塊狀、條狀和變徑幾種形式。變徑爐喉護(hù)板還起著調(diào)節(jié)爐料和煤氣流分布的作用[24]。通過研究分析和考證涂層防腐是通過抑制金屬表面上局部電池的電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。控制陰極反應(yīng)或增大陰陽極間的電阻，利用含鈍化性料底漆，使鐵表面鈍化。涂漆的作用相當(dāng)于增大了陰陽極的電阻，從而減小了腐蝕電流，達(dá)到了電阻大，腐蝕電流小，涂層保護(hù)性好的效果。 一般的爐喉、爐身、爐腰、爐腹部分腐蝕較輕微，是因?yàn)楦郀t表面溫度較高，實(shí)測平均溫度70℃以上。爐殼、爐腰等部分表面始終保持干燥，不受含水潮濕空氣的腐蝕，因此不具備碳鋼在中性環(huán)境下發(fā)生電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕的必要條件：含溶解氧的水或含有水分的潮濕空氣[25]。腐蝕電化學(xué)反應(yīng)：Fe一Fe2++2e……⑴陽極(氧化)反應(yīng)2H2O+O2+4e一4OH—…⑵陰極(還原)反應(yīng)注意表達(dá)式其中陰極(還原)反應(yīng),沒有水而不能進(jìn)行,因而也就不能產(chǎn)生氫氧根離子氫氧根。而鐵銹Fe(OH)3的生成需要有OH—離子存在,所以高爐爐殼上部腐蝕輕微。以上是介于高爐的基本鋼結(jié)構(gòu)的基本介紹，對(duì)于生產(chǎn)過程中對(duì)于高爐各個(gè)部分的影響作以下分析和處理，以便于更為有利的進(jìn)行生產(chǎn)，節(jié)約成本。本高爐本體以五段爐型為標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)型設(shè)計(jì)也予以足夠的重視。本設(shè)計(jì)高爐（1500m3）屬于大型高爐。以適應(yīng)原料條件為前提，以冶煉過程能夠順行為保障，以日產(chǎn)量最大，質(zhì)量最優(yōu)，能耗最低，壽命最長為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為達(dá)到以上目標(biāo)，本高爐設(shè)計(jì)方案如下：⑴爐型參照各大高爐在允許范圍計(jì)算，并與國內(nèi)外同級(jí)高爐分析比較后確定。⑵爐底爐缸采用“陶瓷杯”技術(shù)，加深爐缸爐底及死鐵層深度。⑶風(fēng)口以下使用光面冷卻壁，爐腹?fàn)t腰及爐身下部采用第三、第四代冷卻壁，且采用板壁結(jié)合的方式鋪設(shè)，爐身中上部采用第三代銅質(zhì)冷卻壁。爐喉采用復(fù)合鋼磚。⑷冷卻系統(tǒng)采用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。⑸爐體各部位結(jié)合工況及冷卻結(jié)構(gòu)選用優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的耐材。第二章 煉鐵工藝計(jì)算高爐采用燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和澳礦三種礦石冶煉，礦石、石灰石原始成分表如21，其中，燒結(jié)礦：球團(tuán)礦：澳礦=75:15:10。表21 礦石成分表（％）TFeMnPSFFeOCaO燒結(jié)礦球團(tuán)礦生礦硅石石灰石續(xù)表21 礦石成分表（％）SiO2MgOAl2O3RexOyK2ONa2OCO2燒結(jié)礦球團(tuán)礦生礦硅石石灰石高爐使用的焦炭及噴吹的煤粉，其成分如表2表23所示。表22 焦炭成分表（％）固定碳（％）灰分（％）SiO2Al2O3CaOMgOFeOFeSP2O5續(xù)表22 焦炭成分表（％）揮發(fā)分（％）有機(jī)物（％）合全游離CO2COCH4N2H2HNS計(jì)硫水表23 煤粉成分表（％）CHONSH2O續(xù)表23 煤粉成分表（％）灰分（％）合計(jì)SiO2Al2O3CaOMgOFeO⑴鐵水中[S]=％，[Si]=％。⑵煉鐵焦比K=400kg／t，煤比M=120kg。⑶規(guī)定爐渣堿度R=CaO／SiO2=。⑷選取鐵的直接還原度rd=，氫的利用率35％。⑸／m3。⑹熱風(fēng)濕度為1100℃。⑺高爐使用冷燒結(jié)礦，爐頂溫度為200℃。⑻高爐有效利用系數(shù) ηv=。⑼元素在生鐵、爐渣與煤氣中的分配表，見表24。表24 元素在生鐵爐渣煤氣中的分配率項(xiàng)目FeMnPS生鐵爐渣0煤氣000在進(jìn)行煉鐵計(jì)算時(shí)，需要用到完整的物料化學(xué)成分，但是現(xiàn)場給出的成分往往不是完整的。要進(jìn)行準(zhǔn)確的工藝計(jì)算，必須對(duì)給出的原料成分進(jìn)行加工計(jì)算，把原料成分補(bǔ)齊并平衡成100％。本設(shè)計(jì)中高爐采用包頭原料（燒結(jié)礦，球團(tuán)礦，澳礦，三種礦的配比為燒結(jié)礦：球團(tuán)礦：澳礦=75: 15: 10）冶煉。礦石，硅石、石灰石成分的補(bǔ)齊計(jì)算如下：⑴燒結(jié)礦的補(bǔ)齊計(jì)算由Mn計(jì)算MnO： MnO=Mn71／55=71／55=由P計(jì)算P2O5：P2O5=P142／62=142／62=由S計(jì)算FeS：FeS=S88／32=88／32= 由F計(jì)算CaF2：CaF2=F78／38=78／38=由FeO,FeS及TFe計(jì)算Fe2O3：FeO=FeO56／72=56／72= FeS=FeS56／88=56／88=Fe2O3中Fe量為：F