包头原料条件下1800立方米高炉本体及渣铁处理系统设计说明书Word格式.docx
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高炉;
设计;
耐火材料;
冷却设备;
渣铁
TheDesignof1800m3BlastFurnaceSlagOntologyandIronProcessingSystemUndertheRawMaterialConditionsinBaotouRegion
Abstract
Theblastfurnaceslagontologyandironprocessingsystemdesignisanimportantpartoftheironmakingworkshopdesign.Inordertoachievehighyield,lowconsumption,longproductiontarget,environmentalprotection,designprocess,fromtheblastfurnacetypeindesign,fire-proofmaterial,coolingequipmentandslagiron'
shandlingofthedesignarelessonsfromthedomesticandinternationaladvancedoftheblastfurnace.Thisdesignusesaceramiccuphearthbottom,choosescoppercoolingloadashighfeverofcoolingequipment.Thesoftwaterairtightcyclecoolingisusedascoolingmethod.Tuyereplatformcasthousedesignforrectangulardoublecasthouse,doubleironmouthbalancelayout,slagironditchdecoratereasonable,swingingflowhotmouth,casthouseflattening"
beforefurnaceequipmentselectionmechanizationdegreeishigh,choosedustremovalfacilitiesimprovecasthouseoperatingenvironment.
Keywords:
blastfurnace,design,refractory,coolingequipment,slagiron
第一章文献综述
高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、冷却设备以及高炉炉型设计等,高炉的大小以高炉的有效容积表示,高炉有效容积和座数表明高炉车间的规模,高炉炉型设计是高炉本体设计的基础。
近代高炉炉型向着大型横向发展,目前,世界高炉最大有效容积是5580m3,高径比2.0左右。
高炉本体结构设计的先进、合理是实现优质、低耗、高产、长寿的先决条件,也是高炉辅助系统设计和选型的依据。
高炉本体设计的基本构架,包括炼铁工艺,耐火材料,炉体冷却和承重结构四个方面的内容,这些与设备、建筑、自控、土建等多个专业紧密相关,是一个典型的协同设计过程[1]。
1.1高炉发展史
图1.1所示原始形高炉炉型,由于当时工业不发达,高炉冶炼以人力、畜力、风力、水力、鼓风等,由于鼓风能力很弱,为了保证整个炉缸截面获得高温,炉缸直径很小;
冶炼以木炭或者无烟煤为燃料,机械强度很低,为了避免在高炉下部压碎而影响料柱透气性,故原始高炉高度很小,为了人力装料方便并能够将炉料装到炉喉中心,炉喉直径也很小,而大的炉腰直径减小了烟气外流速度,延长了烟气在炉内停留时间,起到焖住炉内热量的作用。
因此,炉缸和炉喉直径小,炉身下部炉腹直径大,高度小等等,是各国高炉原始炉型的共同点。
图1.1原始高炉炉型
到18世纪末,煤和蒸汽机已使得英国的炼铁业彻底改革,铁的年产量从公元1720年的2.05万吨(大多是木炭铁)增加到1806年的25万吨(几乎全是焦炭铁)。
估计,每生产1吨焦炭需煤3.3吨左右,但是,高炉烧焦炭势必增加碳含量,以致早期焦炭铁的碳含量在1.0%以上,全部成为灰口铁既石墨铁。
高炉的尺寸在18世纪内一直在增大。
如图1.2所示。
从公元1650年约7米,到1794年俄国的涅夫扬斯克高炉已增加到13.5米,由于蒸汽鼓风机和焦炭的使用,炉顶装料装置逐步实现机械化,高炉内型趋向于扩大炉缸炉喉直径,并向高度方向发展,逐渐形成近代五段式高炉炉型。
全部高炉都设有两个以上的风嘴,另一个巨大进步就是采用热风。
近代高炉,由于鼓风机能力进一步提高,原料燃料处理更加精细,高炉炉型向着“大型横向”发展。
近些年来大型钢铁企业多采用4000m3以上的大型高炉[2]。
图1.2近代高炉炉型
1.2五段式高炉炉型
图1.3五段式高炉
1.2.1高炉有效容积Vu和有效高度Hu
高炉大钟下降位置的下缘到铁口中心线之间的距离称为高炉有效高度(Hu),对于无钟炉顶为流槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的距离;
在有效高度范围内,炉型所包括的空间称为高炉有效容积(Vu)。
高炉的有效高度,对高炉内煤气与炉料之间传质传热过程亦有重大影响,增加有效高度,在相同的炉容和冶炼强度的条件下,煤气流速和与炉料接触的机会增加,有利于改善传热传质过程,有利于降低燃料消耗量;
但过分增加有效高度,料柱有效重量并不成正比例增加,但对煤气的阻力却成比例增加,容易形成料拱,对炉料下降不利,甚至破坏高炉顺行。
高炉有效高度应适应原料燃料条件,诸如燃料强度、粒度及均匀性等。
1.2.2Hu/D
有效高度(Hu)与炉腰直径(D)的比值(Hu/D)是表示高炉“矮胖”或“细长”的一个重要设计指标,随炉容的扩大而减小,说明大型高炉主要是靠扩大炉径来增加炉容,由于受焦炭强度的限制,所以Hu变化不大。
在我国大型高炉Hu/D=2.5~3.1,中型高炉为2.9~3.5,小型高炉为3.7~4.5。
1.2.3h0、h1、h2、h3、h4和h5
h0:
加强死铁层深度,对提高炉缸、炉底寿命有着重要意义。
故提出死铁层深度应为炉缸直径的15%~20%。
死铁层加深后,炉缸中死焦柱浮在铁水中而不至于直接压在炉底上,减少铁水冲击。
同时,炉缸有足够的热量,生铁成分稳定。
另一方面,死铁层加深后,炉底远离高温区,减少热量冲击。
另外,死铁层加深后炉底也可以减薄,既节省耐火材料又缩短砌筑时间。
但是死铁层加深后炉底承受的压力加重,也增加了铁水的渗透性,所以,死铁层加深后,除采用高致密性、强度好等的耐火材料外,还应改进砌筑结构。
中小型高炉h0取值450~600mm,大高炉为1000mm以上,由于冶炼不断强化,增加死铁层厚度,以便有效保护炉底。
h1:
h1=hf+a风口结构尺寸a取值为0.35~0.5。
h2:
1800m³
级高炉h2取值一般为3.0~3.6m。
h3:
对冶炼影响不显著设计一般取1~3m,炉容大向上取值,设计中可调整h3确定炉容。
h4:
炉身高度占高炉有效高度的50%~60%。
h4适度提高可增加风口带回旋区,有利于强化。
h5:
应能保证炉喉布料及其调节需要,一般为2~3m。
1.2.4α、β角
高炉炉腹角(α)和炉身角(β)一般取值为79°
~83°
;
炉身角有减小的趋势,α和β角对内型合理与否有着重要的影响。
因为炉气在炉内传质传热取决于两个方面:
一是煤气在炉内停留的时间。
它取决于高炉下部容积与高炉有效容积之比;
二是取决于煤气在炉内分布。
除操作因素外,对炉型来说就是α和β了。
适宜的减小α和β,利于煤气流上升与分布,且有利于保护炉衬。
而α、β大了不仅影响煤气流分布,中心气不开放,还影响高炉寿命。
炉型设计合理是获得良好技术经济指标,保证高炉操作顺行的基础[3]。
而高炉设计尤为关键,没有科学的设计其他都无从谈起,科学的设计是高炉长寿的基础[4]。
1.3高炉用耐火材料
在侵蚀性因素联合作用下引起高炉炉衬损毁,这些因素包括:
炉渣、碱类物质、铁水、气体介质、炉料磨损、热应力等。
高炉每个部位的使用条件不同,要求区别对待炉衬每个区段用相应耐火材料的选择。
高炉用耐火材料有陶瓷质材料和碳质材料两大类。
陶瓷质材料有粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定形耐火材料等;
碳质材料有炭砖、石墨炭砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖、粘土结合碳化硅砖等[5]。
(1)粘土砖和高铝砖。
粘土砖和高铝砖亦称陶瓷质或粘土质耐火材料,在高炉上使用已有较长久的历史,现在也广泛应用于高炉各个部位。
粘土砖、高铝砖具有良好的机械强度,耐磨性和抗渣性均较好,成本较低。
(2)在高炉上使用的碳质耐火材料是在粘土质耐火材料之后。
近代高炉逐渐大型化,冶炼强度也有所提高,炉衬热负荷加重,碳质耐火材料具有独特的性能,逐渐应用到高炉上来,尤其是炉缸炉底部位几乎普遍采用碳质材料,其他部位炉衬的使用量也日趋增加。
(3)不定形耐火材料。
不定形耐火材料主要有捣打料、喷涂料、浇注料、泥浆和填料等。
按成分可分碳质不定形耐火材料和粘土质耐火材料。
捣打料、喷涂料、浇注料可根据需要和部位的不同,形成各种形状。
泥浆是砌砖不可缺少的填缝粘结剂。
填料一般是两层砌体之间的隔热物质或是粘结物质[6]~[10]。
不定形耐火材料与成型耐火材料相比,具有成型工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、耐剥落等优点;
还可以减小炉衬厚度、改善热导率等,近年来使用较多[7]。
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[11]。
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,如图1.4。
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。
图1.4陶瓷杯结构及理论等温线分布图
1.4高炉冷却设备
高炉冷却设备是高炉炉体结构的重要组成部分,对炉体寿命起到如下作用:
(1)保护炉壳。
在正常生产时,高炉炉壳只能在低于80℃的温度下长期工作,炉内传出的高温热量由冷却设备带走85%以上,只有约15%的热量通过炉壳散失。
(2)对耐火材料的冷却和支承。
在高炉耐火材料表面的工作温度高达1500℃左右,如果没有冷却设备,在很短的时间内耐火材料就会侵蚀或磨损。
通过冷却设备的冷却可提高耐火材料的抗
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