【正文】 .................................................................. 35 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 36 致 謝 .................................................................................................................. 37 附錄 :高爐長(zhǎng)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(shuō)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。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(zhǎng)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)。 1750 年，英國(guó)的工業(yè)革命開始了。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。 到 18 世紀(jì)末，煤和蒸汽機(jī)已使英國(guó)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）。但是，高爐燒焦炭勢(shì)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。從公元 1650 年約 7 米，到 1794 年俄國(guó)的涅夫揚(yáng)斯克高爐已增高到 米。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。爐底直徑約 10 米，爐高約 30 米。另一個(gè)巨大的進(jìn)步就是采用熱風(fēng)。 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(shuō)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。高爐爐型要適應(yīng)原燃料條件的要求，保證冶煉過程的順利。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(gè)階段。在土坡挖洞，四周砌行塊，以木炭冶煉，這是原始的方法。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(gè)爐缸截面獲得高溫，爐缸直徑很小，冶煉以木炭或無(wú)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(zhǎng)了煙氣 在爐內(nèi)停留時(shí)間，起到燜住爐內(nèi)熱量的作用。這類高爐生產(chǎn)率很低 ,一座 28m3高爐日產(chǎn)量只有 t 左右。最初的五段式爐型，基本上是瘦長(zhǎng)型，由于冶煉效果并不理想，相對(duì)高度又逐漸降低。高爐內(nèi)型合理與否對(duì)高爐冶煉過程 有很大影響。 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。大體上假定將高爐分為兩部分 :上部 — 風(fēng)口區(qū)以上部分 。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)。對(duì)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(duì)待方法不會(huì)得到有效的結(jié)果。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。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。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。對(duì)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。 對(duì)于爐缸的上部來(lái)說(shuō)，推薦采用剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料。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 。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。 為了砌筑高爐爐身內(nèi)襯，采用碳化硅質(zhì)耐材料，后者對(duì)化學(xué)因素及物理機(jī)械因素具有較高的抵抗性。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)。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(duì)待每一個(gè)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。在整個(gè)砌體內(nèi)要預(yù)留應(yīng)力釋放處，這便是膨脹縫。 K)一 15W/(m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。烏克蘭耐火材料科學(xué)研究院研制成功無(wú)水炮泥并在克里沃羅格鋼鐵公司進(jìn)行推廣應(yīng)用。耐壓強(qiáng)度鎮(zhèn) 9MPa。 min)—— 1. 3 mg/ ( cm2因此，炮泥的耗量下降 50%一 65%,泥套用泥的耗量下降 90%以上。 高爐用耐火材料的演變 煉鐵技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了高爐用耐火材料的進(jìn)步。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(shuō)明書 9 應(yīng)地高爐用耐火材料也出現(xiàn)了重大變化。這個(gè)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。進(jìn)入六十年代中后期，工業(yè)先進(jìn)國(guó)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(gè)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(lái)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。探索范圍是從優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品開始的。工藝措施是采用高純剛玉砂、合成莫來(lái)石和氧化鉻原料、高壓成型和高溫?zé)?。在七十年代?guó)際上許多高爐先后采用它們來(lái)砌筑中段（寶鋼從新日鐵引進(jìn)的大型高爐采用剛玉磚）。究其原因，關(guān)鍵在于 Al2O3SiO2系耐火材料無(wú)論是剛玉還是莫來(lái)石，其抗堿侵蝕性不夠理想。例如它們?cè)趬A的作用下，600900℃會(huì)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?？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?，很可能成為較理想的中段材料。 1969 年在比利時(shí)首先出現(xiàn)了高爐用 SiC 磚襯試驗(yàn) 。此后，它的優(yōu)越性很快被實(shí)踐所證明，因而得到迅速推廣應(yīng)用。 1939 年德國(guó)第一次使用炭磚砌筑爐底，取得了好的效果，后來(lái)日本、美國(guó)改用炭磚和致密粘土磚實(shí)行綜合爐底，使用壽命達(dá)到 15 年。 60 年代，使用全碳質(zhì)爐底使高爐爐底損毀狀況得到重大改進(jìn)，降低了爐底的磨損，延長(zhǎng)了爐底的壽命，但這種爐底的熱損失很大，且對(duì)短暫的休風(fēng)非常敏感。 1984 年法國(guó)Savoie 耐火材 料公司首次在德國(guó)蒂森鋼鐵公司高爐上采用了一種新型復(fù)合式爐襯，稱為“陶瓷杯”。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1984～ 1990 年，有 11座高爐采用陶瓷杯技術(shù)； 1991～ 1994 年有 12 座高爐采用陶瓷杯； 1995 年至今至少有 11 座高爐采用陶瓷杯技術(shù) [3]。目前世界上采用的兩種不同的辦法是 : A)砌筑昂貴的爐襯來(lái)滿足高爐的整個(gè)爐役年限， B)砌筑不太昂貴的爐襯，而在高護(hù)的爐役 內(nèi)對(duì)爐襯進(jìn)行一次或二次的“中間性修補(bǔ)”，尤其是在高爐的爐腰及爐身部位 . 在這兩種情況下，設(shè)計(jì)的爐缸可以持續(xù)使用到整個(gè)爐役結(jié)束 .高爐的使用壽命完全取決于高爐爐缸的壽命。例如在爐底及爐缸璧使用的耐火材料新品種有 :微孔碳質(zhì)，特殊石墨質(zhì)和其它改進(jìn)的耐火材料。但就如何在花費(fèi)最低的情況下使高爐的護(hù)齡達(dá)到最長(zhǎng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究將會(huì)獲得最佳方案。過去，通常購(gòu)買與上一個(gè)爐役中使用的耐火材料相類似的材料進(jìn)行砌襯，而使用得以改進(jìn)的材料卻是謹(jǐn)小慎微的。這一次，主要對(duì)高爐的這一部位進(jìn)行研究 .采用較大幅度的改進(jìn)和高度復(fù)雜化耐火材料，需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)工作。從事這項(xiàng)設(shè)計(jì)工作，不僅要具備耐火材料及內(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(shuō)明書 11 其性能方面的知識(shí)，而且還要具備高爐及其操作方面的知識(shí)，同時(shí)還要了解原 材料供貨廠家。 ① 爐缸用碳質(zhì)耐火材料 自從碳質(zhì)材料被人們認(rèn)識(shí)很久以來(lái)，它就被用在高爐爐底及爐缸部位。前些年，人們采用縮小氣孔的方法來(lái)提高碳及石墨的等級(jí)，對(duì)此人們做了大量的調(diào)查和研究。同時(shí)加入某些添加劑，一方面可以改善碳磚的抗鐵水及爐渣侵蝕性，另一方面可以抵抗在熔池中以一定速度流動(dòng)著的鐵 水的磨損。 ② 碳質(zhì)耐火材料的性能 1）多微氣孔 如果一塊碳磚，直徑大于 1 um 孔體積不大于氣孔總體積的 30%則這塊碳磚就被認(rèn)為具有多微孔性。如加入 A1 和 Si 則會(huì)有很大的改進(jìn)， 2）鐵水和爐渣的性能 我們把不同的碳磚鐵水侵蝕性的情況示于圖 2 言，具有多微孔性及超微孔性碳質(zhì)材料是最理想的。 圖 1— 2 抗鐵水侵蝕性 — 溶解值 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(shuō)明書 12 3）熱傳導(dǎo)性 不同類型的碳磚的熱傳導(dǎo)性示于圖 3 圖中出示三組材料： — 不同氣孔率的標(biāo)準(zhǔn)碳質(zhì)材料 。 — 石墨質(zhì)材料。微孔碳磚的彈性模量非常高，大約是標(biāo)準(zhǔn)碳磚彈性模量的 3 倍。 五年以來(lái)在幾座高爐砌筑了這種具有很高氣孔率的新品種碳磚，其砌筑部位如下 :爐 底 。爐缸 。e 爐腹。到目前為止，這一實(shí)踐是很成功的。再過幾年，我們就會(huì)對(duì)這種得以改進(jìn)的材質(zhì)的特性有更多的了解。為我國(guó)一代爐身壽命 7 年不中修提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益已被人們所認(rèn)識(shí)。至 1987 年，一種采用 Sialon/Si3N4結(jié)合 SiC 產(chǎn)品進(jìn)入加拿大、美國(guó)和日本。歐洲的一些工廠也開發(fā)了第二代和第三代賽隆結(jié)合的產(chǎn)品。在我國(guó)，洛陽(yáng)耐火材料研究院自 1986 年 開始進(jìn)行了賽隆 Si3N4 結(jié)合 SiC 磚的開發(fā)研究，并和山東生建八三廠一起共同完成了 100T 這種產(chǎn)品砌筑到鞍鋼 4高爐上。 Sialon 結(jié)合剛玉耐火材料得到研究和開發(fā)，它比 Sialon 結(jié)合 SiC 磚具有更好的抗堿性和抗氧化性，導(dǎo)熱系數(shù)低，更適合用于高爐爐腹，爐腰部位爐襯材料，以減少熱量損失。在正常生產(chǎn)時(shí)，高爐爐殼只能在低于 80℃ 的溫度廠長(zhǎng)期工作，爐內(nèi)傳出的高溫?zé)崃?由冷卻設(shè)備帶走 85％以上，只有約 15％的熱量通過爐殼散失。在高爐內(nèi)耐火材料的表面工作溫度高達(dá)1500℃左右，如果沒有冷卻設(shè)備，在很短的時(shí)間內(nèi)耐火材料就會(huì)被侵蝕或磨損。冷卻設(shè)備還可對(duì)高爐內(nèi)襯起支承作用，增加砌體的穩(wěn)定性。使耐火材料的侵蝕內(nèi)型線接近操作爐型，對(duì)高爐內(nèi)煤氣流的合理分布、爐料的順行起到良好的作用。 高 爐冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 由于同爐備部位熱負(fù)荷不同，采用的冷卻形式也不問。內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)又分為冷卻擄、冷卻板、板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)及爐底冷卻。冷卻水經(jīng)小孔噴射到爐殼上進(jìn)行冷卻。外部噴水冷卻裝 置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修方便，造價(jià)低廉。 ②冷卻壁 冷卻壁設(shè)置于爐天與爐襯之間，有光面冷卻壁和鑲磚冷卻壁兩種。 (2)采用雙層冷卻水管，即在原有的冷卻水管背面設(shè)置蛇形冷卻水管，不但加強(qiáng)了冷卻強(qiáng)度，而且當(dāng)內(nèi)層冷卻管損壞后 ，外層冷卻管仍可繼續(xù) 1：作，從而保證了爐役末期繼續(xù)維持正常冷卻。并在凸臺(tái)部位前端埋入耐火磚，防止強(qiáng)熱負(fù)荷作用 F 的損壞。 冷卻壁的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻壁安裝在爐殼內(nèi)部，爐殼石開口，所以密封性好；由于均布于爐襯之外，所以冷卻均勻，侵蝕后爐襯內(nèi)壁光滑。 ③冷卻板 冷卻板又稱扁水稻，材 質(zhì)有鑄鋼、鑄鋼、鑄鐵和鋼板等，以上各種材質(zhì)的冷卻板在國(guó)內(nèi)南爐均有使用。爐腰部位比爐身部位要密集一些。密封性好。在一百多年的使用中，進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，發(fā)展為現(xiàn)在的六室雙通道結(jié) 構(gòu)。 此種冷卻板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 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(shuō)明書 15 (1)適用于高爐高熱負(fù)荷區(qū)的冷卻，采用密集式的布置形式、如寶鋼 1 號(hào)和 2號(hào)高爐冷卻板層距為 312mm，霍戈文艾莫依登廠 4 號(hào)高爐冷卻板層距為 305mm。 (5)銅冷卻板的鑄造質(zhì)量大大提高，為了避免鑄造件內(nèi)外部缺陷采用真空處理等手段，并選 用了射線探傷標(biāo)很 (ASTM— E272)。但是冷卻不均勻．侵蝕后高爐內(nèi)表面凸凹不平、不利丁爐料下降。冷卻壁的冷卻原理是通過冷卻壁形成一個(gè)密閉的圍繞高爐爐殼內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)對(duì)耐火材料的冷印和對(duì)爐充的直接冷卻。在高爐爐身部位使用板壁結(jié)合 冷卻結(jié)構(gòu)形式，是一種新型的冷卻結(jié)構(gòu)形式。 西方及日本冷卻壁技術(shù)均由前蘇聯(lián)引進(jìn)。經(jīng)過 12 年的使用 , 對(duì)其冷卻壁進(jìn)行了改進(jìn) , 與我國(guó)目前使用的第三代冷卻壁相當(dāng) , 但冷卻壁內(nèi)的冷卻水管盡量冷卻角部 , 鑲磚仍為鑄入磚。其特點(diǎn)是增加了背部蛇形管、上下角部管 , 鑲磚為鑄入石墨碳化硅磚。 第三代冷卻壁采用在新日鐵大分 1 號(hào)高爐。 部和凸臺(tái)水管占該區(qū)域同類水管總數(shù)的 12%左右。 我國(guó)冷 卻技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)高爐壽命較國(guó)外高爐短 , 特別是與日本高爐差距甚大。高爐爐體冷卻技術(shù)是其中的重要環(huán)節(jié)。 西方國(guó)家包括日本在內(nèi)在 60 年代 ,甚至到目前還有大量高爐采用純銅冷卻板。梅山 2 號(hào)高爐采用了鋼制冷卻箱并用鋼管托住冷卻箱的結(jié)構(gòu) , 延長(zhǎng)了