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1、炼铁设计原理,冶金工程专业,1.钢铁厂包括炼铁、炼钢、轧钢三个车间。2.钢铁联合企业炼铁、炼钢、轧钢三个车间再加上矿石准备车间和焦化车间，这个工厂就称为钢铁联合企业。3.钢铁加工厂只有炼钢和轧钢车间组成的工厂叫做钢铁加工厂。,钢铁厂的组成,1 高炉炼铁设计概述,1.1 高炉炼铁生产工艺流程 一.原理：高炉炼铁是用还原剂（焦炭、煤等）在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的过程。,炼铁工艺流程图,高炉本体及生产附属系统,高炉本体,1,供料系统,煤气除尘系统,冶炼生铁的主体设备,贮矿槽、贮焦槽、称量与筛分设备,送风系统,鼓风机、热风炉及管道阀门,煤气管道、除尘、洗涤文氏管等,渣铁处理系统,铁场、
2、开铁口机、堵渣口机、吊车 铁水灌、及冲渣设备等,喷吹燃料系统,原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集 及煤粉喷吹系统,1.2 高炉生产主要技术经济指标,（1）高炉有效容积利用系数（2）焦比（3）煤比 （4）冶炼强度（5）生铁合格率 （6）生铁成本 （7）休风率 （8）高炉一代寿命,每昼夜，每m3高炉有效容积的生铁产量,每吨生铁消耗的焦炭量,每吨生铁消耗的煤粉量,每昼夜，每m3高炉有效容积燃烧的焦炭量,1.3 高炉炼铁设计的基本原则,一. 高炉炼铁设计应遵循的基本原则 1）合法性。2）客观性。3）先进性。4）经济性。5）综合性。 6）发展远景。7）安全和环保。8）标准化。 9）美学原则。,2 高炉炼
3、铁车间设计,2.1 高炉座数及容积的确定,2.1.2 生铁产量的确定 如果任务书给出多种品种生铁的年产量如制钢铁与铸造铁，则应换算成同一品种的生铁。 如果钢锭产量，需做出金属平衡，确定生铁年产量。,2.1 高炉座数及容积的确定,年工作日一般取日历时间的95% .,2.1.2 高炉炼铁车间总容积,2.1 高炉座数及容积的确定,2.1.3 高炉座数的确定 保证在一座高炉停产时，铁水和煤气的供应不致间断。一般新建车间23座高炉。,2.1 高炉座数及容积的确定,高炉炼铁车间平面布置,一列式布置,并列式布置,岛式布置,半岛式布置,一列式布置,高炉、热风炉、出铁场布置在一列，并且与车间铁路线平行。,并列式
4、布置,高炉与热风炉分设于两条列线上，出铁场布置在高炉列线，车间铁路线与高炉列线平行。,岛式布置,每座高炉和它的热风炉、出铁场、铁水罐车停放线等组成一个独立的体系。,半岛式布置,是岛式与并列式的过度。,半岛式布置主要特点,岛式布置与并列式布置的过渡 高炉和热风炉与车间调度线间的交角增大到45，因此，高炉距离近，并且在高炉两侧各有三条独立的有尽头的铁水罐车停放线和一条辅助材料运输线。 出铁场和铁水罐车停放线垂直，缩短了出铁场长度 设有摆动流嘴，出一次铁可放置多个铁水罐车,3 高炉本体设计,高炉炉型：高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或高炉内型。,3.1 高炉炉型,高炉本体包括：高炉基础，钢结构
5、，炉衬，冷却设备及高炉炉型等,高炉炉型设计是高炉本体设计的基础,高炉冶炼的实质：上升的煤气流和下降的炉料之间进行传热传质的过程,3.1.1 炉型的发展过程,1.无型阶段 生吹法 原始阶段 2.大腰阶段炉腰尺寸过大的炉型。 炉缸和炉喉直径小，有效高度低，而炉腰直径很大。3.近代高炉 大型横向发展,3.1.2 五段式高炉炉型,Hu有效高度； h0死铁层厚度； h1炉缸高度； h2炉腹高度； h3炉腰高度； h4炉身高度； h5炉喉高度； hf风口高度； hz渣口高度； d炉缸直径； D炉腰直径； d1炉喉直径； 炉腹角； 炉身角；,五段式高炉内型图,3.1.2.1 高炉有效容积和有效高度,高炉有效
6、高度Hu：高炉大钟下降位置下缘到出铁口中心线位置或溜槽最低位置下缘到出铁口中心线位置,高炉有效容积Vu：有效高度范围内，炉型所包括的容积,Vu100m3 小型高炉 Vu=255620m3 中型高炉 Vu620m3 大型高炉 Vu4000m3 巨型高炉,3.1.2.2 炉缸,风口,渣口,铁口,d,h1,炉缸,1.炉缸直径d,每天燃烧的焦炭量,2.炉缸高度h1,渣口高度，风口高度以及风口安装尺寸,1000m3以下 设置1个出铁口 15003000m3 设置23个出铁口 3000m3以上 设置34个出铁口,渣口高度hz :渣口中心线与铁口中心线的距离,大中型高度一般取1.51.7m,风口高度hf：风
7、口中心线与铁口中心线的距离,K-渣口高度与风口高度之比，一般取0.5 0.6，渣量大取低值,风口数目n,中小型高炉：,大型高炉 ：,4000m3左右的巨型高炉：,根据风口中心线在炉缸圆周上的距离进行计算,炉缸高度h1,3.1.2.3 炉腹,h2,炉腹角一般为7983,a风口结构尺寸，一般取0.350.5m,炉料融化滴落后体积收缩，稳定下料速度 高温煤气流离开炉墙,3.1.2.4 炉身,h4,炉身角,一般取值为81.585.5之间,3.1.2.5 炉腰,h3,一般取值13m,D/d,大型高炉,1.091.15,中型高炉 1.151.25,小型高炉 1.251.5,适应炉料受热后体积膨胀及煤气流冷
8、却体积收缩 减小炉料下降的摩擦力，避免料拱,承上启下,3.1.2.6 炉喉,d1/D取值在0.640.73之间。,3.1.2.7 死铁层厚度,h0=0.2d,作用：承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布,定义：铁口中心线到炉底砌砖表面之间的距离,作用：隔绝铁水和煤气对炉底的侵蚀，其热容量可使炉底温度均匀稳定，消除热应力的影响,高炉炉型设计与计算,设计炉型：按照设计尺寸砌筑的炉型,操作炉型：高炉投产后，工作一段时间，炉衬被侵蚀，高炉内型发生变化后的炉型,基本原理：依据是单座高炉的生铁产量，由产量确定高 炉有效容积，再以有效容积为基础，计算其它尺寸,合理炉型：冶炼效果较好，可以获得优质、低耗、高产和
9、长寿的炉型，具有 时间性和相对性,1. 比较法,产量确定炉容,寻找条件相似,确定几个主要设计参数,容积计算,比较、修订计算,合理的炉型,2. 计算法,经验数据的统计法,分析和统计,关系式,计算校核,修定,设计炉型,大型高炉：,中小型高炉,（315）,近代大型和巨型高炉,高炉炉型设计与计算,（1）确定年工作日和日产量,（2）定容积,（3）炉缸尺寸,炉缸直径,炉缸高度,（4）死铁层厚度,（5）炉腰直径、炉腹角、炉腹高度,（6）炉喉直径、炉喉高度,高炉炉型设计与计算,（7）炉身角、炉身高度、炉腰高度,（8）校核炉容,（9）绘制高炉炉型图,3.2 高炉炉衬,定义：按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体,作
10、用：构成高炉的工作空间，减少高炉的热损失，保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀,3.2.1 炉衬破损机理,1. 炉底,炉底破损阶段：初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑,承重,冷凝膨胀,第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。,部分软化重新结晶,熔结层,二氧化硅硅,炉底冷却,2. 炉缸,渣铁的流动 炉内渣铁液面的升降 大量的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷,渣口,铁口,化学性渣化,冲刷,耐高温，冷却,3. 炉腹,高温热应力,冲击力,初渣的化学侵蚀,物理作用,化学作用,冷却,4. 炉身,热应力,初渣的化学侵蚀,碱金属和Zn的化学侵蚀,氧化物,金属,硅铝酸盐,碳素沉积,2CO=CO2C,高速煤气流的
11、冲刷,5. 炉喉,炉料落下时的撞击,热变形,l）炉衬质量。关键因素，如耐火砖的化学成分、物理性质、外形公差等。 2）砌筑质量。砌缝大小及是否均匀，膨胀缝是否合理，填料是否填实等。 3）操作因素。如开炉时的烘炉质量，正常操作时各项操作制度是否稳定、合理。 4）炉型结构尺寸是否合理。如炉身角、炉腹角等。,合理的冷却设备,渣皮的形成,炉壳,保护炉衬,决定炉衬寿命的因素有：,3.2.1 高炉用耐火材料,1. 对耐火材料的要求,l）耐火度要高,2）荷重软化点要高,荷重软化点是指将直径36mm，高50mm的试样在0.2Mpa荷载下升温，当温度达到某一值时，试样高度突然降低,3）Fe2O3含量要低,4）重烧
12、收缩要小,5）气孔率要低,耐火材料开始软化的温度,残余收缩,2. 高炉常用耐火材料,（l）粘土砖和高铝砖,粘土砖,良好的物理机械性能，化学成分与炉渣相近，不易和渣起化学反应，有较好的机械性能，成本较低,高铝砖,Al2O3含量大于48%的耐火制品,中性，故抗渣性较好，但是加工困难，成本较高,外形质量,再磨制加工,贮运保护,（2）炭质耐火材料,主要特性,1）耐火度高,2）很好的抗渣性,3）具有高导热性，抵抗热震性好,4）热膨胀系数小，热稳定性好,5）致命弱点是易氧化,（3）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不定形耐火材料,耐火泥浆：填充
13、砖缝，将砖粘结成整体,填料是两层炉衬之间的隔热物质或是粘结物质。,特点：,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，改善导热性,3.2.3 高炉炉衬的设计与砌筑,考虑问题,1）高炉各部位的工作条件及其破损机理,2）冷却设备形式及对砖衬所起的作用,3）要预测侵蚀后的炉型是否合理,砖型,长度选230mm和345mm两种,错缝方便,宽度不等的楔形砖,环形炉衬,砖数,炉底砖数：按砌砖总容积除以每块砖的容积来计算,每层砖数：用炉底砌砖水平截面积除以每块砖的相应表面积,25的损耗,楔形砖砌环圈,直形砖砖数,3.3 高炉冷却设备,3.3.1 冷却设备的作用,l）保护炉壳,
14、2）对耐火材料的冷却和支承,3）维持合理的操作护型,4）当耐火材料大部分或全部被侵蚀后，能靠冷却设备上的渣皮 继续维持高炉生产,3.3.2 冷却介质,天然水,软化水,3.3.3 高炉冷却结构形式,冷却方式,外部冷却,内部冷却,炉底冷却,板壁结合,冷却板,冷却壁,1. 外部喷水冷却,有环形冷却水管,防止喷溅，在炉壳上装有防溅板,结构简单，检修方便，造价低廉,用于小型高炉,2. 冷却壁,置于炉壳与炉衬之间,（1）光面冷却壁,位置：风口以下炉缸和炉底部位,数目：偶数,孔,风口：风口数目二倍,渣口：四块,（2）镶砖冷却壁,在冷却壁的内表面侧（高炉炉体内侧）的铸肋板内铸入或砌入耐火材料,结构型式：普通型
15、、上部带凸台型和中间带凸台型,凸台部分起到支撑上部砌砖的作用，可以取消最上层的支梁水箱，简化了冷却系统结构、减少了炉壳开孔,主要特点,1）设置边角冷却水管，以防止冷却壁边角部位母材开裂 2）采用双层冷却水管 3）加强凸台部位的冷却强度 4）冷却壁的炉体砌砖与冷却壁一体化，缩短了施工工期。,冷却壁安装在炉壳内部，炉壳不开口，所以密封性好；由于均布于炉衬之外，所以冷却均匀，侵蚀后炉衬内壁光滑,优点,消费金属多、笨重、冷却壁损坏后不能更换,缺点,3. 冷却板,材质：铸铜、铸钢、铸铁和钢板焊接件,位置：常用在炉腰和炉身部位,布置方式：棋盘式布置,特点,1）适用于高炉高热负荷区的冷却，采用密集式的布置形式 2）冷却板前端冷却强度大，不易产生局部沸腾现象； 3）当冷却板前端损坏后可继续维持生产； 4）双通道的冷却水量可根据高炉生产状况分别进行调整。 5）铜冷却板的铸造质量大大提高。 6）能维护较厚的炉衬，便于更换，重量轻、节省金属。但是冷却不均匀，侵蚀后高炉内衬表面凸凹不平，不利于炉料下降。,通过分散的冷却元件（冷却板）伸进炉内的长度（一般700800mm）来冷却周围的耐火材料，并通过耐火材料的热传导作用来冷却护壳。从而起到延长耐火材料使用寿命和保护炉壳的作用。,
