宝山地区原料条件下4500立方高炉本体设计毕业论文.docx
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宝山地区原料条件下4500立方高炉本体设计毕业论文
宝山地区原料条件下4500立方高炉本体设计毕业论文
第一章文献综述
1.1炉型设计的概述
1.1.1炉型的发展
高炉是一种最有效的化学反应器和热交换器。
高炉炼铁具有技术完备、适应性强、功能多、效率高等优点,一直是世界钢铁工业中生产铁的最经济、最有效的主要方法。
目前高炉生产的铁占世界生铁产量的95%左右,在炼铁生产中占统治地位。
在新的技术和经济条件下,高炉具有的灵活性和适应性比过去好。
在未来相当长的时间内,高炉仍将是炼铁生产的主要设备[1]。
通过高炉生产实践证明,炉型的合理与否,对高炉一代的技术经济指标及高炉寿命有很大影响。
高炉内冶炼反应空间的几何形状称为高炉炉型,现代高炉炉型由炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分组成。
而高炉合理炉型一直是国内外工作者一直研究的问题。
所谓高炉合理炉型,是指高炉的设计炉型要与生产炉型尽可能一致,即高炉炉型要保证炉料在高炉内由上而下的顺利下行和高炉内煤气的由下而上的顺利上行并保证煤气流的合理分布。
在炉型大小上,钢厂为了进一步提高劳动生产率,降低成本,增加生铁产量,从60年代初世界出现容积为2000m³级的高炉以来,国外新建高炉的容积迅速增大。
进入70年代后,日本建造了4000m³级高炉,使高炉大型化的发展速度更迅速。
继日本之后,前苏联于1974年建起5026m³的巨型高炉,从而出现了日苏两国相争巨型高炉之冠的局面。
迄今为止前苏联5580m³,高炉仍为世界最大的高炉。
大型高炉具有可集中利用先进技术、生产技术经济指标先进,劳动生产率高、产量高,成本低,基建投资低等优点。
据前苏联的经验,5000m³级与3000m³,级的高炉相比,每吨生铁的基建投资可降低12%,劳动生产率可提高30%,生铁成本可降低1.9%。
高炉向大型化发展,是不是高炉越大越好,多大容炉的高炉最为合适,目前仍尚无定论。
据日本的分析指出,炉容越大,单位容积的设备费用越便宜。
但这种倾向随着炉容的增大而逐步减缓。
如果综合作业费和设备费在一起加以比较,以2000m³的高炉为基准,炉容增大到2500m³范围时,随着炉容的增大,其经济效益是很显著的。
如果再继续增大,其经济性就逐步减缓。
当增大到4000m³以上时,随着炉容的增大,其经济性就不明显了。
且高炉越大,要求炉料的强度越高,需要配置的设备越大这给高炉的建造、生产和维修等都带来困难。
另外,当高炉需要停炉或大修时,牵涉到其他厂矿的生产平衡问题也越严重。
目前,特大型、巨型高炉以4000m³左右的居多。
所以说,高炉炉型并非越大越好。
在炉型形状上,19世纪及其以前的高炉,各部位尺寸差别很大,没有炉喉高度,有的没有明显的炉腰与炉缸高度。
由于受送风能力及炉料分布设备的限制,炉缸及炉喉直径都很小,为扩大炉容增加产量,出现了椭圆型炉缸。
随着送风设备能力的提高,炉缸逐步扩大。
炉腹角达到82°左右(个别高炉还要大些),炉缸也定为圆形。
此后的实际操作内型,逐步形成现代通用的喉、身、腰、腹、缸五段式炉型。
随着冶炼条件改善技术与装备水平的提高,对高炉合理炉型的认识也在不断地深化,尤其是对高炉有效高度与炉腰直径(即高/径比)的认识,也在不断的修正、完善之中。
结合北京科技大学的研究成果以及宝钢4063m³、武钢3250m³、马钢2545m³等各大钢厂对高炉的设计实践,认为目前高炉合理炉型的基本变化趋势为:
(1)随着高炉容积的扩大,高径比趋于减小,即Hu/D减小。
(2)炉身角与炉腹角趋于接近。
(3)炉缸、炉腰、炉喉直径之比缩小,即D/d减小。
简言之,高炉实际炉型向降低高径比的矮胖型发展。
高炉炉型随原料、装备和技术的发展而演变,并朝着扩大炉缸直径、炉腰直径,调整炉腹角、炉身角,向大型化矮胖型方向演变[2]。
1.1.2高炉炉龄的影响因素
新建一座大型高炉或对一座大型高炉进行改造型大修,投资多达十几亿甚至几十亿元,因此国内外高炉工作者对高炉炉龄问题特别重视。
90年代以来,高炉工作者从炉型设计,耐火砖的选择和组合、喷涂料的使用、炉体冷却设别的改进施工质量的提高以及高炉操作制度的改善等方面入手,做了大量工作使高炉一代炉龄不断延长[3]。
所谓高炉炉龄是指高炉从点火投产到停炉大修期间的实际运行时间,为高炉的一代炉龄。
而影响高炉炉龄的主要因素归纳起来有两条原因:
(1)先天性因素,即使用的耐火材料的质量、冷却设备的质量和形式、筑炉施工质量方面的差距;
(2)后天性因素,即高炉的操作状况和炉体(包括冷却设备)的维修、管理水平的差距。
耐火材料
高炉生产具有三大特点:
一是连续运行,不间断作业;二是高温高压,三是炉料煤气逆向运动。
因此,炉体耐火砖要承受高温热裂作用和炉料、煤气冲刷及磨损作用,另外,还有碱金属的腐蚀作用,炉腹以下还承受铁水和炉渣的腐蚀、冲刷作用。
耐火砖衬的工作环境十分恶劣,因而对其质量要求非常高。
冷却设备
大型高炉炉体设备起保护炉体砖衬的作用。
弱冷却器损坏炉体耐火砖在高温下将很快被腐蚀。
高炉的操作炉型被破坏,影响正常生产。
高炉冷却设备有很多形式但不外乎冷却板、冷却壁、冷却板加冷却壁三种类型。
冷却强度
高炉要长寿,除选择合理的冷却设备外,还必须保证有足够的冷却强度,而且,冷却水量可以根据需要进行调节。
例如,开炉初期,炉衬完整,冷却水量可以小一点,保证适当的冷却强度就可以了;高炉到了中期,要求增大冷却水量,加强冷却强度。
在同一时期,根据煤气的分布情况也需要调节冷却水量,调节冷却强度。
总之,冷却设备的形式、材质和冷却强度的大小对高炉炉龄有很大的影响。
施工质量
施工质量与高炉长寿关系密切。
施工质量包括耐火砖砌筑、炉皮喷涂和焊接、冷却设备安装、填充料捣打等。
高炉操作
生产中高炉的操作制度对高炉炉龄有着至关重要的影响。
高炉合理的煤气流分布,应该坚持以发展中心气流为主,适当发展边缘气流为辅的方针。
合理的煤气分布,有利于炉况稳定顺行、高炉长寿。
反之,采用过分发展边缘气流的方针,加重了对炉墙的侵蚀,也会导致炉况不顺,不利于延长高炉寿命。
高炉炉体的管理与维护,尤其是冷却设备的管理与维护,与高炉长寿关系密切。
例如发现有损坏的冷却板、冷却壁、风口需尽快更换新的,防止向炉内漏水而严重影响高炉炉龄[4]。
1.2炉衬的发展
现代技术的发展,大大地促进了我国高炉技术的进步,高炉一代寿命大大提高。
这除了应归于高炉炉体结构参数趋于合理、操作参数的进一步优化外,还应归功于高炉炉衬耐火材料与施工技术的进步,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。
下面就有关高炉炉衬耐火材料的侵蚀原因和选择分别预以说明。
表1.1高炉砖衬侵蚀原因
部位
侵蚀原因
炉身上部
1炉料磨损
2煤气流冲刷
3碱金属、锌、沉积碳的侵蚀
炉身中下部及炉腰部位
1碱金属、锌、沉积碳的侵蚀
2初成渣的侵蚀
3热震引起的剥落
4高温煤气流的冲刷
炉腹部位
1渣铁水的冲刷
2高温煤气流的冲刷
炉缸风口带
1渣铁水的侵蚀
2碱金属的侵蚀
3煤气流的冲刷
铁口以上的炉缸碳砖
1碱金属的侵蚀
2热应力的破坏
3二氧化碳和水的氧化
4渣、铁水的熔蚀及流动冲刷
铁扣以下的炉缸及炉底碳砖
1铁水的侵蚀
2铁水流动冲刷
3铁水渗透侵蚀[5]
1.2.1高炉炉缸、炉底的耐火材料的选择
我国大中型高炉的炉缸炉底自50年代用碳砖综合炉底以来,在相当一段时期内其寿命都在十年以上。
但随着高炉冶炼强度的不断提高,炉缸寿命依然存在着问题。
炉缸炉底烧穿而导致高炉停炉的现象在国内外屡见不鲜。
如邯刚1260m³高炉1992年7月投产,1995年4月炉缸烧穿[6]。
高炉炉底、炉缸是高炉的重要部位,炉龄的长短,主要取决于这两部位的使用寿命。
因此,近代高炉在此部位均采用炭砖加陶瓷杯的混合结构。
炉底下部全部使用炭砖,上部靠周边冷却壁砌筑环形炭砖,炉缸部位也采用炭砖砌筑,在炉底中央和炭砖内侧砌筑陶瓷质材料的陶瓷标。
采用这种结构形式,其目的是利用炭砖热传导性能好的特点,加强炉底冷却散热,将铁水凝固等温线(1500℃)向上部推移,并把800℃左右的化学反应等温线推至保护层内,从而减缓炉底侵蚀速度,防止环形断层的发生,延长炉底使用寿命,另外,炭砖的最大弱点是抗氧化能力差。
尽管高炉冶炼性属于还原性气氛,但是暴露无遗在与炉气接触的炭砖,仍然非常容易氧化。
因此,采用在炭砖内侧镶砌一层高温理化性能特好的中性陶瓷材料以保护炭砖在烘炉期间和炉役前期不被氧化的陶瓷杯技术,能够有效地阻止液体炉渣和铁水过早地向炭砖渗透接触,间接地延长高炉的使用寿命[7]。
1.2.2高炉风口耐火材料的选择
高炉用风口组合耐火砖。
由于风口的工作环境恶劣,耐火砖不仅承受高温热负荷作用,而且要经受1500℃左右的铁侵蚀,特别是当炉况不顺,悬、崩料多发生时,风口极易受损坏。
坏的部位大都是前端下沿、上沿或侧面。
大部分是熔损造成的,当然也有破损或磨损造成的。
所以,怎样提高风口的使用寿命,减轻工人的劳动强度,提高产量,又成了人们普遍关心的问题。
近年来,各种新型风口不断涌现:
贯流式、堆焊式、共渗式等。
其同一个目标是:
改进风口铜纯度,改进结构。
这样一方面提高材质纯度,以便提高其导热性能;另一方面,改进结构,加强冷却能力;这样才能收到良好的效果。
1.2.3高炉炉身耐火材料的选择
高炉炉身用耐火砖。
高炉炉身中、上部主要采用优质粘土质耐火砖和高铝质耐火砖。
但是随着大中型高炉操作条件苛刻化和大幅度延长高炉寿命制度的确立,该部位要求采用在耐剥落性和耐磨性方面都很优异的耐火材料。
因此,在炉身上部还可采用磷酸盐结合的粘土砖,上部和中部还可采用硅线石质耐火砖和耐剥落性优异的高铝质耐火砖。
然而,在高炉炉身段最易损坏的部位是炉身下部,该部位已为国内外大多数高炉耐火砖的实践所证明。
因为这部分区域是热交换较多的区域,炉料下降的摩擦作用,煤气上升时粉尘的冲刷作用,碱金属的侵蚀作用都很严重。
因此,要求有良好的抗渣性、抗碱性、耐磨的优质粘土砖、高铝砖、刚玉砖及碳化硅砖。
1.2.4高炉炉腹耐火材料的选择
高炉炉腹用耐火砖。
炉腹连接着炉腰和炉缸,这一区域温度较高,其下部炉料温度约在1600--1650℃,气流温度更高。
渣的侵蚀、碱金属的作用、物料冲刷都加大。
所以炉腹部位历来都是高炉寿命短寿的关键环节。
因此,它要求耐火砖不仅具有较好的抗渣抗碱性,而且要具有抗高温性能。
据悉,根据耐火砖类型分类不同,过去以高铝耐火砖和刚玉耐火砖砌筑者居多,但现在多选用碳化硅制品。
根据国内外的实践证明在炉腹部位包括风口区多用粘土耐火砖,近年来取而代之的是耐碱性优异的,强度较高的碳化硅耐火砖和碳化硅风口组合砖。
1.2.5高炉炉喉耐火材料的选择
高炉炉喉用耐火砖。
高炉炉喉主要起保护炉衬、合理布料的作用。
这一区域主要受炉料直接冲击和摩擦作用,但煤气流的冲刷相对较轻。
因此,炉喉一般多用性能优异的粘土耐火砖或高密度的高铝砖砌筑,但该砖使用寿命短,因而还采用耐磨耐撞击的铸钢保护板,即所说的炉喉钢砖。
炉喉部位也有采用粘土耐火砖或耐火浇注料作内衬的,也有采用碳化硅砖的。
另外,在高炉炉喉及保护板以下部位、直吹管和煤气升降管等部位
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