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年产量280万吨炼钢生铁40万吨 铸造生铁的炼铁车间设计
首钢工学院成教学院（2011 届）本科毕业设计题目： 年产量 280 万吨炼钢生铁 40 万吨 铸造生铁的炼铁车间 专题： 高炉专家系统模型的应用及发展专 姓业： 名：班 学级： 号：指导教师：说明书 68 页，图纸 3 张，专题 8 页，译文 10 页 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）年产量 280 万吨炼钢生铁 40 万吨铸造生铁的炼铁车间摘要本设计是设计年产 280 万吨炼钢生铁，40 万吨铸造生铁的高炉炼铁车间。 在设计中采用了 2022m3 的高炉 2 座，不设渣口，2 个出铁口，采用矩形出 铁场。 送风系统采用四座新日铁式外燃式热风炉， 煤气处理系统采用重力除尘器、 文氏管和电除尘。渣铁处理系统采用拉萨法水淬渣（RASA）处理，特殊情况采 用干渣生产，上料系统采用皮带上料机，保证高炉的不间断供料。 在设计中，首先做了物料平衡、热平衡，炉型的设计与计算，以及设备的选 择；设计中应用了许多先进的工艺，这些工艺在实行大喷煤技术提高传热效率， 节能，提高生产率方面起了重要的作用。在设计中，广泛吸收前人技术革新和国 内外科学研究成果。根据实际需要及可能性，尽量采用先进设备、结构、材料及 新工艺。做到技术上先进，经济上合理，又减少环境污染。 车间总体布置形式为半岛式。关键词：高炉，物料平衡，热平衡，半岛式- 1 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）Design of an ironmaking workshop with annual output of 2.8 million tons of steelmaking iron and 0.4 million tons of Casting iron AbstractThe assignment is the design of the 2.8 million tons annual production capacity of steel-making pig iron, 0.4million of blast furnace cast pig iron workshop. I design two 1800 m3 blast furnaces，and set up two tap holes with no slag hole，which use rectangular field of iron. Blast system 4 Nippon external combustion hot stoves，Dust catcher system uses gravity precipitators, venturi tube and electrostatic precipitator. The methods of slag iron processing system use water quenching residue Lhasa (RASA), special circumstances use dry slag productions to deal with. The charging system is using belt feeding machine to ensuring uninterrupting charging of blast furnace. In the design，first of all, calculating the material balance, heat balance, and the furnace structure, as well as the the design of the application of a number of advanced technology, these processes in the implementation of large pulverized coal injection technology to enhance heat transfer efficiency，to save energy ，to improve productivity ,which played an important role. The design has broadly absorpted technological innovations and the results of scientific research at home and abroad. According to the actual needs and possibilities use advanced equipment as far as possible，advanced structure，advanced materials and so on. Achieve technically advanced and economically rational，and reduce environmental pollution. The form of workshop with the overall layout is peninsula.Key words: blast furnace, material balance, eheat balance, peninsula- 2 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）目录绪论...................................................................................... 错误！未定义书签。 1 高炉冶炼综合计算....................................................................................... - 8 1.1 概述.................................................................................................... - 8 1.2 配料计算............................................................................................ - 8 1.2.1 原燃料条件............................................................................. - 8 1.2.2 计算矿石需要量 G 矿 ............................................................ - 10 1.2.3 计算熔剂需要量 G 熔 ............................................................ - 11 1.2.4 炉渣成分的计算................................................................... - 12 1.2.5 校核生铁成分....................................................................... - 14 1.3 物料平衡计算.................................................................................. - 15 1.3.1 风量计算............................................................................... - 15 1.3.2 炉顶煤气成分及数量的计算............................................... - 17 1.3.3 编制物料平衡表................................................................... - 21 1.4 热平衡计算...................................................................................... - 22 1.4.1 热量收入 q 收......................................................................... - 22 1.4.2 热量支出 q 支......................................................................... - 24 1.4.3 热平衡表............................................................................... - 27 2 高炉本体设计............................................................................................. - 29 2.1 高炉炉型.......................................................................................... - 29 2.2 炉型设计与计算.............................................................................. - 29 2.3 高炉炉衬设计.................................................................................. - 33 2.3.1 炉底的炉衬设计与砌筑........................................................ - 33 2.3.2 炉缸设计的炉衬设计............................................................ - 34 2.3.3 炉腹、炉腰和炉身下部的炉衬设计.................................... - 35 2.3.4 炉身上部和炉喉的炉衬设计................................................ - 37 2.4 高炉冷却设备.................................................................................. - 38 2.4.1 冷却设备的作用................................................................... - 38 - 3 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2.4.2 冷却介质及水的软化........................................................... - 38 2.4.3 冷却方式............................................................................... - 39 2.4.4 高炉冷却系统....................................................................... - 40 2.5 高炉送风管路.................................................................................. - 41 2.5.1 热风围管............................................................................... - 41 2.5.2 送风支管............................................................................... - 42 2.5.3 直吹管................................................................................... - 42 2.5.4 风口装置............................................................................... - 42 2.6 高炉钢结构...................................................................................... - 43 2.6.1 高炉本体钢结构................................................................... - 43 2.6.2 炉壳....................................................................................... - 44 2.6.3 炉体框架............................................................................... - 45 2.6.4 炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱坐圈............................... - 45 2.7 高炉基础.......................................................................................... - 46 2.7.1 高炉基础的负荷................................................................... - 46 2.7.2 对高炉基础的要求............................................................... - 47 3 高炉炼铁车间供料系统............................................................................. - 48 3.1 车间的运转...................................................................................... - 48 3.2 贮矿槽、贮焦槽及槽下运输筛分称量.......................................... - 49 3.2.1 贮矿槽与贮焦槽................................................................... - 49 3.2.2 槽下运输称量....................................................................... - 50 3.3 上料设备.......................................................................................... - 50 4 炉顶装料设备............................................................................................. - 51 4.1 无钟式炉顶装料设备...................................................................... - 51 4.1.1 串罐式无钟炉顶装料设备................................................... - 51 4.1.2 无钟式炉顶的布料方式....................................................... - 51 4.2 探料装置.......................................................................................... - 52 5 送风系统..................................................................................................... - 54 5.1 高炉用鼓风机.................................................................................. - 54 - 4 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5.1.1 高炉冶炼对鼓风机的要求................................................... - 54 5.1.2 高炉鼓风机的工作原理和特性........................................... - 55 5.1.3 高炉鼓风机的选择............................................................... - 56 5.2 热风炉.............................................................................................. - 56 5.2.1 外燃式热风炉....................................................................... - 57 5.2.2 外燃式热风炉的特点........................................................... - 57 6 高炉喷吹煤粉系统..................................................................................... - 59 6.1 煤粉的制备...................................................................................... - 59 6.2 高炉喷煤系统.................................................................................. - 59 6.2.1 三罐单列式高炉喷煤系统................................................... - 59 6.2.2 喷吹罐组有效容积的确定................................................... - 59 6.3 煤粉喷吹的安全措施...................................................................... - 61 6.3.1 制粉系统的安全措施........................................................... - 61 6.3.2 喷吹系统的安全措施........................................................... - 61 7 高炉煤气处理系统..................................................................................... - 62 7.1 煤气管道.......................................................................................... - 62 7.2 粗除尘装置...................................................................................... - 62 7.2.1 重力除尘器除尘原理........................................................... - 62 7.3 半精细除尘装置.............................................................................. - 63 7.4 精细除尘装置.................................................................................. - 63 7.4.1 文式管................................................................................... - 63 7.4.2 静电除尘器........................................................................... - 64 7.5 脱水器.............................................................................................. - 65 8 渣铁处理系统............................................................................................. - 66 8.1 风口平台及出铁场设计.................................................................. - 66 8.1.1 风口平台及出铁场............................................................... - 66 8.1.2 渣铁沟和撇渣器................................................................... - 67 8.1.3 摆动流嘴............................................................................... - 67 8.2 炉前主要设备.................................................................................. - 68 - 5 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）8.2.1 开铁口机............................................................................... - 68 8.2.2 堵铁口泥炮........................................................................... - 68 8.2.3 炉前吊车............................................................................... - 68 8.3 铁水处理.......................................................................................... - 68 8.3.1 鱼雷罐车............................................................................... - 69 8.3.2 铸铁机................................................................................... - 69 8.4 炉渣处理设备.................................................................................. - 69 8.4.1 拉萨法水淬渣....................................................................... - 69 8.4.2 干渣生产............................................................................... - 69 9 能源回收利用............................................................................................. - 71 9.1 高炉炉顶余压发电.......................................................................... - 71 9.2 热风炉烟道废气余热回收.............................................................. - 71 参考文献......................................................................................................... - 72 专题研究......................................................................................................... - 73 外文翻译......................................................................................................... - 81 致 谢.................................................................................... 错误！未定义书签。- 6 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）前言在近代国家是否发达的主要标志是其工业化及生产自动化的水平， 即工业生 产在国民经济中所占的比重以及工业的机械化、自动化程度。而劳动生产率是衡 量工业化水平极为重要的标志之一。 为达到较高的劳动生产率需要大量的机械设 备。 钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的材料， 属于基础材料工业的范畴。 钢铁还可以直接为人民的日常生活服务，如为运输业、建筑业及民用品提供基本 材料。 一定意义上， 一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。 衡量钢铁工业的水平应考察其产量（人均占有钢的数量） 、质.量、品种、经 济效益及劳动生产率等各方面。 纵观当今世界各国，所有发达国家无一不是具有 相当发达的钢铁工业的。 钢铁工业的发展需要多方面的条件， 如稳定可靠的原材料资源， 包括铁矿石、 煤炭及某些辅助原材料，如锰矿、石灰石及耐火材料等；稳定的动力资源，如电 力、水等。此外，由于钢铁企业生产规模大，每天原材料及产品的吞吐量大，需 要庞大的运输设施为其服务。 一般要有铁路或水运干线经过钢铁厂。对于大型钢 铁企业来说，还必须有重型机械的制造及电子工业为其服务。此外，建设钢铁企 业需要的投资大，建设周期长，而回收效益慢。故雄厚的资金是发展钢铁企业的 重要前提。 钢铁之所以成为各种机械装备及建筑、民用等各部门的基础材料，是因为它 具备以下优越性能，并且价格低廉。 1、有较高的强度及韧性。 2、容易用铸、锻、切削及焊接等多种方式进行加工，以得到任何结构的工 件。 3、所需资源（铁矿、煤炭等）贮量丰富，可供长期大量采用，成本低廉。 4、人类自进入铁器时代以来，积累了数千年生产和加工钢铁材料的丰富经 验，已具有成熟的生产技术。自古至今，与其他工业相比，钢铁工业相对生产规 模大、效率高、质量好和成本低。 到目前看不出，有任何其他材料在可预见的将来，能代替钢铁现在的地位。- 7 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）1 高炉冶炼综合计算1.1 概述组建炼铁车间或新建高炉， 都必须依据产量以及原料和燃料条件作高炉冶炼 综合计算，包括配料计算、物料平衡计算和热平衡计算。从计算中得到原料、燃 料消耗量及鼓风消耗等，也得到了主要产品（除生铁以外）煤气及炉渣生产量等 基本参数。以这些参数为基础作炼铁车间或高炉设计。 计算之前，首先必须确定主要工艺技术参数。对于一种新的工业生产装置， 应通过实验室研究、半工业性试验、以致于工业性试验等一系列研究来确定基本 工艺技术参数。高炉炼铁工业已有 200 余年的历史，技术基本成熟，计算用基本 工艺参数的确定，除特殊矿源应做冶炼基本研究外，一般情况下都是结合地区条 件、地区高炉冶炼情况予以分析确定。例如冶炼强度、焦比、有效容积利用系数 等。 计算用的各种原料、燃料以及辅助材料等必须做工业全分析，而且将各种成 分之总和换算成 100%，元素含量和化合物含量要相吻合。 将依据确定的工艺技术参数、原燃料成分计算出单位产品的原料、燃料以及 辅助材料的消耗量，以及主、副产品成分和产量等，供车间设计使用。配料计算 也是物料平衡和热平衡计算的基础。 依据质量守衡定律， 投入高炉物料的质量总和应等于高炉排出物料的质量总 和。物料平衡计算可以验证配料计算是否准确无误，也是热平衡计算的基础。物 料平衡计算结果的相对误差不应大于 0.3%。1.2 配料计算 1.2.1 原燃料条件1、原料成分（原始成分为烧结矿、球团矿、天然矿以及炉尘，表中只显示 计算后的综合矿）见表 1.1； 2、燃料成分，见表 1.2、表 1.3； 3、确定冶炼条件；预定生铁成分（%） ，见表 1.4。- 8 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）表 1.1 原料成分（%） 原料 综合矿 炉尘 原料 综合矿 炉尘 TFe 59.62 43.39 Al2O3 1.51 1.31 Mn 0.03 0.24 MnO 0.039 0.31 P 0.032 0.026 P2O5 0.073 0.06 S 0.03 0.09 FeS 0.083 0.243 FeO 16.10 15.30 Fe2O3 H2O 67.22 44.77 1.967 C=11.95 CO2 100.00 100.00 CaO 7.633 8.30 烧损 Σ MgO 1.985 1.99 SiO2 5.357 13.80注：综合矿=70%烧结矿+20%球团矿+10%天然矿表 1.2 焦炭成分（%） 固定 炭 84.74 SiO2 7.61 灰分（13.51） Al2O3 4.56 CaO 0.52 MgO 0.14 FeO 0.68 有机物（1.32） H2 0.3 N2 0.25 S 0.77 CO2 0.15 挥发份（0.43） Σ H2 0.026 CO 0.16 CH4 0.017 N2 0.077 100 4.00 水表 1.3 喷吹燃料成分（%） 灰分 品种 煤粉 C 77.83 H 2.35 O 2.33 H2O 0.83 N 0.46 S SiO2 0.30 7.15 Al2O3 6.83 CaO 0.69 MgO 0.30 FeO 0.93 100 Σ表 1.4 生铁成分（%） Fe 95.14 Si 0.65 Mn 0.03 P 0.035 S 0.025 C 4.12其中 Si、 由生铁质量要求定分别为 0.65、 S 0.03； Mn、 由原料条件定为 0.03、 P 0.035。 C＝4.3－0.27Si－0.329P－0.032S＋0.3Mn＝4.12 Fe＝[100－Si－Mn－P－S－C]%。 某元素在生铁、炉渣、炉气中的分配率（%） ，见表 1.5。 燃料消耗量（kg/t 生铁） ； 焦炭 345- 9 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）煤粉150置换比 0.7表 1.5 元素的分配率 Fe Mn 50 50 0 S ― ― 5 P 100 0 0生铁 炉渣 炉气99.7 0.3 0鼓风湿度12g/m312 22.4 ? ? 1.493 % 1000 18相对湿度 ? ?风温 炉尘量1150℃ 20 kg/t 生铁 25℃ 200℃ 0.79t/(d? 3) m 1.03 t/(d? 3) m 2.3 t/(d? 3) m入炉熟炉料温度 炉顶煤气温度 焦炭冶炼强度 综合冶炼强度 利用系数1.2.2 计算矿石需要量 G 矿1、燃料带入的铁量 GFe 燃 首先计算 20 kg 炉尘中的焦粉量：G焦粉 ?G尘C %尘 ? 20 ? 11.95 ? 2.82 kg 84.74 C %焦高炉内衬参加反应的焦炭量为：G焦 ? 345- 2.82 ? 342.18 kgGFe矿 ? 1000Fe %生铁 ? GFe渣 - GFe 燃 G矿 ? GFe矿 Fe %矿 G、 ? G矿 ? G尘 矿故GCaO ? GCaO矿 ? GCaO焦 ? GCaO煤 kg 故GSiO2 ? GM g O渣 ? GSiO2焦 ? GSiO2 煤 - G Al2O3 M g O- 10 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）=85.48+26.04+10.73-13.93 =108.32kg 2、进入炉渣中的铁量：GFe渣 ? 1000Fe % 生铁 ? ? 2.863kg 0.3% 0.3% ? % ? 99.7% 99.7%3、需要由铁矿石带入的铁量为：GFe矿 ? 1000 Fe %生铁 ? GFe渣 - GFe 燃 ? 951 .4 ? 2.863 - 2.89 ? 951 .37 kg4、冶炼 1 吨生铁的铁矿石需要量：G矿 ?GFe矿 Fe %矿?951.37 ? 159572kg . 59.62%考虑到炉尘吹出量，入炉铁矿石量为：G、 ? G矿 ? G尘 - G焦粉 ? 1595 .72 ? 20 - 2.82 矿 ? 1612.9kg1.2.3 计算熔剂需要量 G 熔1、设定炉渣碱度 R ? CaOSiO 2? 1.15制钢生铁：R＝1.10－1.2；铸造生铁：R＝1.0－1.1 2、原料、燃料带有的 CaO 量 GCaO 铁矿石带入的 CaO 量为：GCaO矿 ? G矿 Ca O%矿 ? 1595 .72 ? 7.633 % ? 121.8kg焦炭带入的 CaO 量为：GCaO焦 ? G焦 Ca O%焦 ? 342 .18 ? 0.52% ? 1.78 kg煤粉带入的 CaO 量为：GCaO煤 ? G煤 Ca O%煤 ? 150 ? 0.69% ? 1.04 kg- 11 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）故GC O ? GC O矿 ? GC O焦 ? GC O煤 ? 121 .8 ? 1.78 ? 1.04a a a a? 124 .62 kg3、原料、燃料带入的 SiO2 量 GSiO2 铁矿石带入的 SiO2 量为：GSiO2矿 ? G矿 SiO2 %矿 ? 1595 .72 ? 5.357 % ? 85.48 kg焦炭带入的 SiO2 量为：GSiO2焦 ? G焦 SiO2 %焦 ? 342 .18 ? 5.66% ? 26.04 kg煤粉带入的 SiO2 量为：GSiO2 煤 ? G煤 SiO2 煤 ? 150 ? 7.15% ? 10.73 kg硅素还原消耗的 SiO2 量为：GSiO2还 ? 1000 Si%生铁 60 ? 13 .93 kg 28 ? 1000 ? 0.65 % ? 60 28故GSiO ? GSiO 矿 ? GSiO 焦 ? GSiO 煤 - GSiO 还 ? 85.48 ? 26.04 ? 10.73 - 13.932 2 2 2 2? 108 .32 kg1.2.4 炉渣成分的计算原料、燃料及熔剂的成分见表 1.6。表 1.6 每吨生铁带入的有关物质的量 CaO 原燃料 数量 kg % kg % kg % kg % kg % kg % kg 0.48 MgO SiO2 Al2O3 MnO S综合矿 .633 121.8 1.985 31.675 5.357 85.48 1.51 24.09 0.03 0.62 0.03 焦 炭 342.18 0.52 煤 粉 150 0.69 1.78 1.04 0.14 0.3 0.48 0.45 7.61 26.04 4.56 7.15 10.7 15.60.77 2.635 0.30 0.456.83 10.25- 12 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文） Σ 124.62 32.605 122.25 49.945 0.62 3.5651、炉渣中 CaO 的量 GCa O渣 由表 1. 6： GCa O渣 ? 124.62kg 2、炉渣中 SiO2 的量 GSiO2渣GSiO2渣 ? 122.25 - 13.93 ? 108.32kg式中 122.25――原、燃料带入 SiO2 的总量，kg（见表 1.6） ； 13.93――还原消耗 SiO2 的量（ GSiO2还 ） ，kg。 3、炉渣中 Al2O3 的量 GAl2O3渣 由表 1.8： GAl2O3渣 ? 49.95kg 4、炉渣中 M g O 的量 GMO渣 由表 1-8：GMgO 渣＝32.61kg 5、炉渣中 MnO 的量 GMnO 渣。 由表 1.8：GMnO 渣＝0.62×50%＝0.31kg 式中 0.62――原、燃料带入 MnO 的总量，kg（见表 1.6） ； 50%――锰元素在炉渣中的分配率（见表 1.5） 。 6、炉渣中 FeO 的量 GFeO 渣 进入渣中的铁量为：Fe 渣＝2.863kg，并以 FeO 形式存在，故而GFeO渣 ? 2.863 ? 72 ? 3.68kg 567、炉渣中 S 的量，GS 渣 原、燃料带入的总硫量为： GS＝3.565kg（见表 1.6） 进入生铁的硫量为：GS生铁 ? 1000S%生铁 ? % ? 0.25kg进入煤气中的硫量为：- 13 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）GS煤气 ? GS 5% ? 3.565? 5% ? 0.178kg故GS渣 ? GS - GS 生铁 - GS 煤气 ? 3.565- 0.25- 0.178? 3.14kg炉渣成分见表 1.7。表 1.7 炉渣成分 组元 kg % CaO 124.62 38.82 MgO 32.61 10.16 SiO2 108.32 33.74 Al2O3 49.95 15.56 MnO 0.31 0.10 FeO 3.68 1.15 S/2 1.57 0.49 Σ 321.06 100.00 CaO/ SiO2 1.15表中 S/2：渣中 S 以 CaS 形式存在，计算中的 Ca 全部按 CaO 形式处理，氧 原子量为 16，S 原子量为 32，相当已计入 S/2，故表中再计入 S/2。 将 CaO、SiO2、Al2O3、MgO 四元组成换算成 100%，见表 1.8。表 1.8 四种渣成分 CaO 38.82 39.50 SiO2 33.74 34.33 Al2O3 15.56 15.83 MgO 10.16 10.34 Σ 98.28 100.001.2.5 校核生铁成分1、生铁含磷[P]，按原料带入的磷全部进入生铁计算。 铁矿石带入的磷量为：GP渣 ? G矿 P%矿 ? .032%? 0.51kg ? 故[P] ? 0.51? 1 ? 0.051% 10002、生铁含锰[Mn]，按原料带入的锰有 50%进入生铁计算，原料共带入 MnO 为 0.62kg，见表 1.8。故[Mn] ? 0.62 ? 50% ? 55 1 ? ? 0.024 % 71 10003、生铁含碳 [C] ? [100? (95.14 ? 0.65 ? 0.25 ? 0.051? 0.024)]% ? 4.11% 。 4、生铁含硅[Si]=0.65%。- 14 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5、生铁含硫[S]=0.025%。 校核后的生铁成分（%）见表 1.9。表 1.9 校核后生铁成分 成分 含量 [Fe] 95.14 [Si] 0.65 [Mn] 0.024 [P] 0.051 [S] 0.025 [C] 4.111.3 物料平衡计算 1.3.1 风量计算1、风口前燃烧的碳量 GC 燃。 燃料带入的总碳量：GC总 ? GC焦 C%焦 ? G煤 C%煤 ? 342.18 ? 84.74% ? 150?77.83% ? 406.71kg溶入生铁中的碳量为： GC生铁 ? 1000 % ? % ? 41.1kg [C] 生成甲烷的碳量为：燃料带入的总碳量约有 1%~1.5%与氧化合生成甲烷， 取 1%。GC甲烷 ? 1%GC总 ? 0.01? 406.71 ? 4.07kg直接还原消耗的 GC 直： 锰还原消耗的碳量为：GC锰 ? 1000[Mn]% ? 0.05kg 12 12 ? % ? 55 55硅还原消耗的碳量为：GC硅 ? 1000[Si] % ? 5.57kg 24 24 ? % ? 28 28磷还原消耗的碳量为：GC磷 ? 1000[P] % ? 0.49kg- 15 -60 60 ? % ? 62 62 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）铁直接还原消耗的碳量为：GC铁直 ? 1000[Fe] % 12 、 rd 56? rd ? rd ? rH2rd 一般为 0.4~0.5，本计算取 0.45。rH 2 ? {56 [G焦 H 2 % 焦挥发 ? H 2 % 焦有机 ） G 煤 H 2 % 煤 ? 2 （V 、 ? 18 （ ? ?G 煤 H 2 O% 煤） H 2 }? ]? [ Fe]% 风 2 18 22.4 2.18(0.026% ? 0.3%) ? 150? 2.35% ? 2 (% ? 18 rH 2 ? { ? 150? 0.83%)]? 0.35} ? 0.9 2 18 22.4 (%) ? 0.06r`d＝0.45－0.06＝0.39 式中? H ――氢在高炉内的利用率，一般为 0.3~0.5，本计算取 0.33；2α――被利用氢量中，参加还原 FeO 的半粉量，一般为 0.85~1.0，本 计算取 0.9； V 风――设定的每吨生铁耗风量，本计算取 1200m3GC铁 ?
12 % ? 79.51kg 56 0.39故GC直 ? GC锰 ? GC硅 ? GC磷 ? GC铁直 ? 0.05 ? 5.57 ? 0.49 ? 79.51 ? 85.62kg风口前燃烧的碳量为：GC燃 ? GC总 - GC生铁 - GC甲烷 - GC直 ? 406.71- 41.1 - 4.07 - 85.62 ? 275.92kg2、计算鼓风量 V 风 ① 鼓风中氧的浓度为：O ? 21%(1 ? ?) ? 0.5? ? 21%(1 ? 1.493%) ? 0.5 ? 1.493% ? 21.43%② C 燃燃烧需要氧的体积为： GVO2 ? GC燃 22.4 （2 ? 12） 22.4 ? 275.92 ? （2 ? 12） 3 ? 257.53m- 16 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）③ 煤粉带入氧的体积为：VO2 煤 ? G煤 O%煤 ? H 2O% （ ? 3.22m3 16 22.4 16 22.4 ) ? 150( 2.33% ? 0.83% ) 18 32 18 32④ 需鼓风供给氧的体积为：VO2 风 ? VO2 - VO2 煤 ? 257.53 - 3.22 ? 254.31m3故V风 ? VO2风 N ? 254.31 ?
. 21.43%1.3.2 炉顶煤气成分及数量的计算1、甲烷的体积 VCH4 ①由燃料碳素生成的甲烷量为:VCH 4碳 ? GC甲烷 ? 7.6m 3 22.4 22.4 ? 4.07 ? 12 12②焦炭挥发份中的甲烷量为：VCH 4焦 ? G焦 CH 4 %焦 ? 0.081m3 22.4 22.4 ? 342.18 ? 0.017% ? 16 16故VCH 4 ? 7.6 ? 0.081? 7.681 3 m2、氢的体积 VH2 ① 由鼓风中水分分解产生的氢量为：故VCH 4 ? 7.6 ? 0.081 ? 7.681 3 m VH 2分 ? V风 ? ? 1186 7 ? 1.493% ? 17.72m 3 .② 焦炭挥发份及有机物中的氢量为：22.4 VH 2焦 ? G焦 H 2 %焦挥发 ? H 2 %焦有机 ） （ 2 22.4 ? 342.18 ? 0.026% ? 0.3%） （ 2 3 ? 12.49m- 17 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）③煤粉分解产生的氢量为：VH 2 煤 ? G煤 H 2 %煤 ? H 2O%煤 （ 2 22.4 ） 18 2 2 22.4 ? 150? 2.35% ? 0.83% ） （ 18 2 3 ? 41.03m④ 炉缸煤气中氢的总生产量为：VH 2总 ? VH 2分 ? VH 2焦 ? VH 2 煤 ? 17.72 ? 12.49 ? 41.03 ? 71.24m3⑤ 生成甲烷消耗的氢量为：VH2烷 ? 2VCH 4 ? 2 ? 7.681? 15.36m3⑥ 参加间接还原消耗的氢量为：VH2间 ? VH2总? H2 ? 71.24? 0.35 ? 24.93m3GFe2O3 ? G矿 Fe2O3 %矿 ? .22% ? 107264kg . .3、二氧化碳的体积 VCO2 ① CO 还原 Fe2O3 为 FeO 生成的 CO2：VCO2 还 由 由矿石带入的 Fe2O3 的质量为：GFe2O3 ? G矿 Fe2O3 %矿 ? .22% ? 107264kg . .参加还原 Fe2O3 为 FeO 的氢气量为：2 2 GH 2还 ? VH 2总? H 2 1 - ?） （ ? 71.24 ? 0.35? 1 - 0.9） （ ? 22.4 22.4 ? 0.22kg由氢还原 Fe2O3 的质量为：? GFe2O3 ? GH 2还 160 160 ? 0.22 ? ? 17.6 kg 2 2由 CO 还原的质量为：?? ? GFe2O3 ? GFe2O3 - GFe2O3 ? 107264 - 17.6 . ? 105504kg .- 18 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）?? VCO2还 ? 1000[ Fe ]% [ 1 - rd? - rH 2 ] ? ?? 故VCO ? VCO 还 ? VCO 还 ? VCO 挥2 2 2 222.4 3 m 56? 147.71 ? 209.31 ? 0.26 ? 357.28m 3 VCO2挥 ? G焦 CO2 %焦 ? 0.26 m 3 22.4 22.4 ? 342.18 ? 0.15% ? 44 44② CO 还原 FeO 为 Fe 生成的 CO2 量为： 由?? VCO2还 ? 1000[ Fe ]% [ 1 - rd? - rH 2 ] 22.4 56 22.4 ? 951.4 ? [ 1 ? 0.39 ? 0.06 ] 56 3 ? 209.31m③ 焦炭挥发份中的 CO2 量为：VCO2挥 ? G焦 CO2 %焦 ? 0.26m3 22.4 22.4 ? 342.18 ? 0.15% ? 44 44? ?? 故VCO2 ? VCO +VCO2 +VCO2 =147.71+209.31+0.26 =357.28m34、一氧化碳的体积 VCO ① 风口前碳素燃烧生成 CO 量为：VCO 燃 ? GC燃 ? 22.4 12 22.4 ? 275.92 ? 12 3 ? 515.05m② 直接还原生成 CO 量为：VCO直 ? GC直 22.4 12 ? 85.62? 22.4 12 3 ? 159.82m③ 焦炭挥发份中 CO 量为：- 19 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）VCO挥 ? G焦CO% 22.4 28 22.4 ? 342.18 0.16%? ? 28 3 ? 0.44m④ 间接还原消耗的 CO 量为：? ?? VCO间 =VCO还 +VCO2还 =147.71+209.31 =357.02m3 GH 2O? ?? VCO间 =VCO还 +VCO2还 =147.71+209.31 =357.02m3故VCO ? VCO燃 ? VCO直 ? VCO挥 - VCO间 ? 515.05 ? 159.82 ? 0.44 - 357.02 ? 318.29m 35、氮气的体积 N2 ① 鼓风带入的 N2 量为：VN 2风 ? V风 1 - ?）N 2 %风 （ ? 1186.7（ - 1.493% ? 79% ?1 ）3 ? 923.5m② 焦炭带入的 N2 量为22.4 VN 2焦 ? G焦 N 2 %焦挥发 ? N 2 %有机） （ 28 ? 342.18（0.077%? 0.25% ? 22.4 ? ） 28 3 ? 0.9m③ 煤粉带入的 N2 量为VN 2煤 ? G煤 N 2 %煤 22.4 28 ? 150? 0.46%? 22.4 28 3 ? 0.55m故V N 2 ? V N 2 风 ? V N 2 焦 ? V N 2 煤 ? 923.5 ? 0.9 ? 0.55 ? 924.95m 3- 20 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）煤气成分见表 1.10。表 1.10 煤气成分 CO2 体积 m3 % 357.28 21.8 CO 318.29 19.42 N2 924.95 56.43 H2 30.95 1.89 CH4 7.68 0.47 Σ .001.3.3 编制物料平衡表1、鼓风质量的计算 1m3 鼓风的质量为：r ? [0.21(1 ?)32 ? 0.79(1 ?)28? 18?] 22.4 ? [0.21? 0.985? 32 ? 0.79? 0.985? 28 ? 18?1.493%] ? 1.28 kg m322.4鼓风的质量为：G风 ? V风 r风 ? .28 ? ? 1518.98kg2、煤气质量计算 1m3 煤气的质量为：r气 ? [44CO2 % ? 28CO % ? 28N 2 % ? 2 H 2 % ? 16CH 4 %] 22.4 % % % %] ? [44? 0.218%? 28? 0.1942 ? 28? 0.5643 ? 2 ? 0.0189 ? 16? 0.0047 ? 1.381kg m322.4煤气的质量为：G气 ? V气r气 ? .381 ? ? 2263.67kg3、煤气中的水分 GH2O ① 焦炭带入的水分为：- 21 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）GH 2O焦 ? G焦 H 2O% 焦 ? 342.18 ? 4.0% ? 13.69kg② 氢气参加还原生成的水分为：GH 2O还 ? VH 2间 2 ?18 22.4 2 ? 24.93? 2 ?18 22.4 2 ? 20.03kg故GH 2O ? GH 2O焦 ? GH 2O还 ? 13.69? 20.03 ? 33.72kg物料平衡列入表中 1.11。表 1.11 物料平衡表 入相 综合矿 焦炭 （湿） 鼓风 （湿） 煤粉 kg .80 .00 % 44.31 9.86 41.71 4.12 出相 生铁 炉渣 煤气（干） 煤气中水 炉尘 Σ
.72 20.00 3635.14 % 27.51 8.83 62.18 0.93 0.55 100相对误差? 5.14 .13%? 0.3 % （ ）1.4 热平衡计算 1.4.1 热量收入 q 收1、碳素氧化放热 qC （1）碳素氧化为 CO2 放出的热量ｑCO2： 他素氧化产生 CO2 的体积为：VCO2氧化 ? VCO2煤气 - VCO2挥 ? 357.28- 0.263 ? 357.02m- 22 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）q CO2 ? VCO2氧化 12 ? 357.02 ?12 k J22.4? 33436.222.4? 33436.2式中33436.2――C 氧化为 CO2 放热，kJ/kg（2）碳素氧化为 CO 放出的热量ｑCO： 碳素氧化生成 CO 的体积为：VCO氧化 ? VCO煤气 - VCO挥 ? 318.29 - 0.44 ? 317.85m 3q CO ? VCO氧化 12 ? 317.85 ?1222.4? 9804.622.4 ?
kJ? 9804.6式中9804.6――C 氧化为 CO 放热，kJ/kg故q C ? q CO2 ? q CO ?
? ? kJ2、鼓风带入的热量 q 风q 风 ? V风 - V风?）q空气 ? V风?q 水气 （ ? 86.7 1.493% ?6.7 1.493% 2030.26 （ ? ） ? ? ? ?
kJ式中 q 空气 ――在 1150℃ 下空气的热容量，其值为 1643.11kJ/m3 q 水气 ――在 1150℃ 下水气的热容量，其值为 2030.26kJ/m3 3、氢氧化为水放热q H 2O ? G H O 还 ?13454.092? 20.03?13454.09 ? k J式中 13454.09――H2 氧化为水放热，kJ/kg4、甲烷生成热q CH 4 ? V CH ? 7.6?164碳16? .4? .4 ? 25566.18kJ式中4709.56――甲烷生成热，kJ/kg- 23 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5、炉料物理热 q 物 80℃ 冷综合矿比热容为 0.674 kJ/kg? 。 ℃q 物 ? G矿 ? 0.674? 80 ? .674? 80 ? ? 85581.66kJ热量总收入：q 收 ? q C ? q 风 ? q H 2O ? q CH 4 ? q 物 ?
? 25566.18 ? 85581.66 ?
7kJ1.4.2 热量支出 q 支1、氧化物分解吸热 q 氧化物分解 （1）铁氧化物分解吸热 q 铁氧化： 可以考虑其中有 20%FeO 以硅酸铁形式存在， 其余以 Fe3O4 形式存在， 因此： GFeO 磁＝G 矿 FeO%矿－GFeO 硅GFeO硅 ? G矿 FeO%矿 ? 20% ? .10% 20% ? ? ? 51.38kg GFeO磁 ? G矿 FeO%矿 - GFeO硅 ? .10%- 51.38 ? ? 205.53kgGFe2O3磁 ? GFeO磁 ?160 72 ? 205.53 160 ? 72 ? 456.73kgGFe2O3游 ? G矿 Fe 2O3矿 - GFe2O3磁 ? 1595.72 ? 67.22% - 456.73 ? 651.91kg GFe3O4 ? GFeO磁 ? GFe2O3磁 ? 205.53 ? 456.73 ? 662.26kg- 24 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）q FeO硅 ? GFeO硅 ? 4078.25 ? 51.38 ? 4078.25 ? k gq Fe O ? GFe2O3 ? 4803.333 4? 662.26? 4803.33 ? kJ . q Fe O3 4游? GFe2O3游 ? 5156.59? 615.91 5156.59 ? ?
kJ式中 热，kJ/kg 03.33、5156.59――分别为 FeSiO3、Fe3O4、Fe2O3 分解q 铁氧化 ? q FeO硅 ? q Fe 3O 4 ? q Fe 3O 4 游 ?
kJ（2）锰氧化物分解吸热为:q 锰氧分 ? [Mn]%?.02 ? 0.024% .02 ? ? 1767.84kJ式中 7366.02――由 MnO 分解产生 1kg 锰吸收的热量，kJ/kg（3）硅氧化物分解吸热为:q 硅氧分 ? [Si]% ? 37 . ? 0.65% ? 37 . ? kJ .式中 31102.37――由 SiO2 分解产生 1 kg 硅吸收的热量，kJ/kg（4）磷酸盐分解吸热为:q 磷盐分 ? [P]%?.6 ? 0.051% .6 ? ? 17891.3kJ式中 35782.6――Ca3（PO4）2 分解产生 1 kg 磷吸收热量，kJ/kg故q 氧化物分解 ? q 铁氧化 ? q 锰盐分 ? q 硅盐分 ? q 磷盐分 ?
? 1767.84 ?
? 17891.3 ?
kJ- 25 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2、脱硫吸热q 脱硫 ? GS渣 ? 8359.05 ? 3.14? 8359.05 ? 26247.42kJ式中 8359.05――假定矿中硫以 FeS 形式存在， 脱出 1kg 硫吸热量值， kJ/kg3、水分分解吸热q 水分 ? V风? 18 （ ? G H O % 煤） .4 煤 2 ? .493% 18 （ ? ? 150? 0.83% ?13454.1 ） 22.4 ? k J式中13454.1――水分解吸热，kJ/kg4、炉料游离水蒸发吸热q 汽 ? G焦 H 2O%焦 ? 2682 ? 342.18 4.0%? 2682 ? ? 39709.07kJ式中 2682――1 kg 水由 0℃ 变为 100℃ 水汽吸热，kJ/kg5、铁水带走的热 q 铁水q铁水 ? ? 1173000kJ式中 1173――铁水热容量，kJ/kg6、炉渣带走的热q渣 ? G渣 ? .6kJ ?式中 1760――炉渣热容量，kJ/kg7、喷吹物分解吸热q喷 ? G煤 ?48? 157200kJ式中 1048――煤粉分解热，kJ/kg8、炉顶煤气带走的热量 q 煤气 从常温到 200℃ 之间，各种气体的平均比热容 Cρ[kJ/(kg?℃ )]如下（表 1.12） ：表 1.12 各种气体的平均比热容 N2 CO2 CO H2 CH4 H2O 汽- 26 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文） 1.284 1.777 1.284 1.278 1.610 1.605（1）干煤气带走的热量为q 煤气干 ? 1.284VN 2 ? 1.777VCO2 ? 1.284VCO ? 1.278VH 2 ? 1.610VCH 4） 240 （ ? ? (1.284 ? 924.95 ? 1.777 ? 357.28 ? 1.284 ? 318.29 ? 1.278 ? 30.95 ? 1.610 ? 7.68) ? 240 ? k J（2）煤气中水汽带走的热为q 水 ? 1.605? GH 2O ? 22.4 (200- 100) 18 ? 1.605? 33.72? 22.4 ?100 18 ? 4469.02kJq煤气 ? q煤气干 ? q水 ?
0724.16k ? J9、炉尘带走的热量q 尘 ? G 尘 ? 0.7542 ? 200 ? 20 ? ?0.7542 ? 200 ? 3016.8kJ式中0.7542――为炉尘的比热容，kJ/(kg? ) ℃故q 支 ? q 氧化物分解 ? q 脱硫 ? q 水分 ? q 汽 ? q 铁水 ? q 渣 ? q 喷 ? q 煤气 ? q 尘 ?
? 26247.42 ?
? 39709.07 ? 1173000 ?
? 157200 ?
? 3016.8 ?
kJ10、冷却水带走及炉壳散发热损失q 损失 ? q收 - q 支 ?
7 ? k J1.4.3 热平衡表见表 1.13。表 1.13 热平衡表 热收入 碳素氧化放热 热风带的热 甲烷生成热 氢氧化放热 kJ
527.13 % 77.42 18.90 0.25 2.60 热支出 氧化物分解 脱硫 游离水蒸发 铁水带热 kJ
09.03 1173000 % 65.60 0.25 0.35 11.34- 27 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文） 物料物理热 总计 .83 100 炉渣带热 喷吹物分解 煤气带热 水分分解 炉尘带热 热损失 总计
5.46 1.52 4.45 2.01 0.03 8.98 100热量利用系数 KTKT ? 总热量收入（煤气带走的热? 热损失） ? 100%（4.45? 8.98 % ） ? 86.57%对于一般中小型高炉 KT 值为 80%~85%[10]， 近代高炉由于大型化和原料条件 的改善可达到近 90% 碳素利用系数 KKC ? ? 碳素氧化热（燃烧生成 和CO2放热） CO ?100% 除进入生铁外的碳全部 生成CO2放热 ?100% (406.71 41.1)? 33463.2 ? ? 65.54%KC 值对于中小型高炉为 50%~60%， 大型而原料条件较好的高炉可达到 65% 以上。- 28 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2 高炉本体设计高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、冷却装置，以及高炉炉型设计计算 等。 高炉的大小以高炉有效容积表示； 高炉有效容积和座数表明高炉车间的规模， 高炉有效容积和炉型是高炉本体设计的基础。近代高炉有效容积向大型化发展。 目前，世界大型高炉有效容积已达到 5000m3 级，而炉型设计则向着大型横向发 展， H/D 值已近 2.0 左右。 高炉本体结构的设计以及是否合理是实现优质、低耗、 高产、长寿的先决条件，也是高炉辅助系统装置的设计和选型的依据。高炉炉衬 用耐火材料， 已由单一的陶瓷质耐火材料，普遍地过渡到陶瓷质和碳质耐火材料 综合结构，也有采用高纯度 Al2O3 的刚玉砖和碳化硅砖；高炉冷却设备期间结构 亦在不断改进，软水冷却、纯水冷却在逐渐扩大其使用范围。由于高炉综合设计 水平的提高， 强化高炉炉龄已经可望达到十年或更长。高炉本体结构及其设计是 高炉车间实际首要解决的关键所在，必须慎重对待。2.1 高炉炉型高炉是竖炉。 高炉内部工作空间剖面的形状成为高炉炉型或高炉内型。高炉 问世二百多年来， 随着人们对产量的要求和原料燃料条件的改善，以及鼓风能力 的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展。 高炉冶炼的实质是上升的煤气流和下降炉料之间所进行的传热传质过程， 因 此必须提供燃料燃烧所必须的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空 间。炉型要适应炉料燃烧条件，保证冶炼过程的顺行。2.2 炉型设计与计算高炉炉型设计的依据是单座高炉的生铁产量，由产量确定高炉有效容积。历 史上曾有过将产量与有效高度直接联系起来， 结果设计炉型都是依产量大小的相 似形， 这显然是不合理的； 也曾有过以产量定炉缸截面积， 在焦比一定的条件下， 炉缸单位面积的燃烧强度， 便可以确定某一合适的数值，这样做虽然有一定的道 理，但并不全面。现在多数国家都是以产量和有效容积利用系数（ηv）来确定高 炉有效容积，再以有效容积为基础，计算其他尺寸。- 29 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）有关炉型的名词概念： 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，炉衬侵蚀，形状发生变化后的炉 型； 合理炉型――冶炼效果较好，获得优质、低耗、高产和长寿的炉型，它具有 时间性、相对性。 高炉冶炼是复杂的物理化学过程，设计的炉型必须适应冶炼过程的需要，设 计炉型应能保证高炉一代获得稳定的较高的产量，优质的产品，较低的能耗和一 代长寿。高炉在一代冶炼过程中，其炉衬不断侵蚀，炉型不断发生变化，炉型变 化的程度和趋势与冶炼原料条件、操作制度有关，与炉衬结构和耐火材料的性能 有关， 还与冷却装置及冷却制度有关。高炉冶炼实际上是长时间在操作炉型内进 行。因此掌握冶炼过程中炉型的变化及其趋势，对设计合理炉型非常重要。高炉 大修设计，应对前一代高炉炉型做详细地调查和分析。新建厂矿高炉设计，必须 分析原料燃料条件、设备条件和操作条件。 设计要求： 设计一个年产炼钢生铁 280 万吨，铸造生铁 40 万吨的高炉车间。 计算时铸造生铁按照炼钢生铁计算。 1、确定年工作日：取年日期的 95%365 ? 95% ? 347 d2、铸造生铁换算炼钢生铁的折算系数为：1.05 40 万吨×1.05=42 万吨 年产炼钢生铁总量：280 万吨+42 万吨=322 万吨 日产量 ： 3、定容积： 选定高炉座数为 2 座，利用系数为η 每座高炉日产量 每座高炉容积为 4、炉缸尺寸- 30 vp总 ? 322?10000 ? 7=2.3t/(d?m3)2 4 ?9t 2p?p总、 Vu ? p4 6 4 9 ? 2 0 2 m3 2 ?v ? 2 .3 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）⑴炉缸直径d ? 0.32Vu 取9.8m⑵炉缸高度 渣口高度hz ? 1.27bP 取hz ? 2.0m N C?0.45? 0.32? 20220.45 ? 9.8342 铁d? 1.27?1.2 ? 4649 ? 1.99m 9 ? 0.58? 7.1? 9.82b－生铁产量波动系数一般取 1.2； P－生铁日产量，t； N－昼夜出铁次数，一般 2h 出一次铁，本计算取 9； c－渣口以下炉缸容积利用系数，一般为 0.55～0.6，渣量大时取低值；? 铁 －铁水密度，可取值 7.1t／ m3 ;d－炉缸直径； 风口高度： 因为取消渣口，选定 k=0.60,hf ? hz 2.0 ? ? 3.33m取3.3m k 0.60风口数目：n ? 2(d ? 2) ? 2 ? (9.8? 2) ? 23.6 取24个选取风口的结构尺寸为：a=0.5m。 炉缸高度： h1=hf+a=3.3+0.5=3.8m 铁口的数目 n 铁=2。 5、死铁层厚度 h0 选取 h0=0.2d=0.2×9.8=1.96m。 该值在同类高炉中偏大，目的是延长高炉寿命。 6、炉腰直径、炉腹角、炉腹高度 选取 D/d=1.13，- 31 -取 h1 =3.8m 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）则D=1.13d=1.13×9.8=11.07 m取 D=11m。选取 α =81°，则h2 ? D?d 11 - 9.8 tan ? ? tan 81 ? 3.78取3.8m 2 2 2h 2 2 ? 3.8 tan ? ? ? ? 6.33得? ? 80.98? D ? d 11 - 9.87、炉喉直径、炉喉高度 选取 d1/D=0.7，则 d1=11×0.7=7.7m。 选取 h5 =2.0m。 8、炉身角、炉身高度 选取β =84°，则h4 ? D ? d1 11 - 7.7 tan ? ? tan 84 ? 15.69取15.7m 2 2tan ? ?9、炉腰高度2h4 2 ?15.7 ? ? 9.52得? ? 84? D ? d1 11- 7.7选取 H u /D=2.5，则 H u =2.5×11=27.5m ，取 H u =27.5m。h3 = H u ? h1 ? h2 ? h4 ? h5 ? 27.5－3.8－3.8－15.7－2.0=2.2m10、校核炉容 ⑴炉缸体积：3.14 ? 9.82 ? 3.8 ? 286 .49 m3 4 4 ? 3.14 V2 ? h 2 ( D 2 ? Dd ? d 2 ) ? ? 3.8 ? (112 ? 11? 9.8 ? 9.82 ) ? 324 .84m3 12 12 ⑵炉腹体积： V1 ? d 2 h1 ??⑶炉腰体积：V3 ??4D2 h3 ?3.14 ?112 ? 2.2 ? 208 .97 m3 43.14 ?15.7 ? (112 ? 11? 7.7 ? 7.7 2 ) ?
12⑷炉身体积：V4 ??12h 4 ( D 2 ? Dd 1 ? d1 ) ?2⑸炉喉体积：V5 ??4d1 h 5 ?23.14 7.7 2 ? 2.0 ? 93.09 m3 4- 32 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）Vu ? v1 ? v2 ? v3 ? v4 ? v5 ? 误差： ?V ?Vu - Vu、 Vu?100%? ? 0.98%? 1% 2022炉型设计合理，符合要求。 11、绘制高炉炉型图。高炉炉型图见图 2.1。图 2.1 高炉炉型及尺寸2.3 高炉炉衬设计按照设计炉型， 以耐火材料砌筑的实体称为高炉炉衬。高炉炉衬的作用在于 构成高炉的工作空间， 减少热损失，并保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化 学侵蚀的作用。2.3.1 炉底的炉衬设计与砌筑1、破坏机理：炉底破损分两个阶段，初期是铁水渗入将砖漂浮而成锅底深 坑；在 ℃液态渣铁的高温热力作用下，由于炉底砌体温度分布不均 匀,导致砌体开裂，特别是采用不同材质的耐火砖时，由于膨胀系数不同，更会 导致砌体开裂，由于炉缸铁水温度不同，造成铁水对流，冲刷炉底；在高温下， 渣铁碱金属会对砖衬产生化学侵蚀； 铁水和炉渣在出铁时的流动对炉底产生冲刷 作用；炉料重量的 10～20%和液态渣铁、煤气的静压力作用；开炉初期铁水与炉 渣中氧化物、煤气中的二氧化碳、水蒸气对碳砖的氧化。 2、使用的耐火材料：采用满铺碳砖砌筑，用泥浆为黏土火泥―水泥泥料填 充料。- 33 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3、砌筑方式：满铺碳砖炉底砌筑，碳砖砌筑在水冷管的碳捣层上，有厚缝 和薄缝两种连接形式，薄缝连接时，各列赚砌缝不大于 2.5mm，厚缝连接时，砖 缝为 35～45mm，缝中以碳素捣料捣固。目前的砌法是碳砖的短缝用薄缝连接， 两侧的长缝用厚缝连接。相邻两行碳砖砖缝必须错缝 200mm 以上。两成碳砖砖 缝成 90°。 4、计算： （1）所选炭砖型号： 400mm ? 400mm ?1200mm 。 （2）计算块数：由于 d=9800m、h0=1960mm， 要求薄缝不大于 1.5mm、厚缝不大于 2.5mm， 所以： n ? ? ?98002 ? 183.31 ≈50 块。 400.75
? ?厚层数= 层，总砖数 N ? 50 ? 5 ? 250块 。2.3.2 炉缸设计的炉衬设计1、破坏机理：炉缸下部是盛渣铁夜的地方，周期地进行聚集和排出，所以 渣铁的流动、 炉内渣铁液面的升降，大量的煤气流等高温气体对炉衬的冲刷是主 要的破坏因素，特别是铁口、铁口附近的炉衬是冲刷最厉害的地方；高炉炉渣偏 碱性而常用的耐火砖偏酸性， 故在高温下化学性渣化，对炉缸砖衬是一个重要的 破坏因素；风口带是炉内最高温度区域，炉衬经常承受 ℃的高温作 用，发生蠕动，加上碱金属、锌侵蚀和渣铁冲刷，砖衬很容易损坏，砖缝增大。 2、使用的耐火砖：采用热压碳砖，用炭质填料及热固性炭胶粘结。 3、计算： （1）热压炭砖的型号： 229mm ?114mm ? 64mm 砖缝：2mm. 砌砖与冷却壁：100～150mm （2）炉钢高度 h1=3900mm 纵层数：h1/c= 层。 横层数： 层。- 34 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）1 2 １ ２ S环1 ? ? (d ? a） － ?ｄ 4 ４ 1 2 ? [(1) 2 ? 10600 ] ? 4 ? mm2 .2 S砖 ? 229?114mm? 26106mm? 第一内层所需砖数为：S环1 ? 148块 。 S砖2 同理： S环 2 ? ? [(d ? 2a） ( d ? a)2 ] －1 4 1 ? ? [( 10600 ? 229 ? 2 )2－( 10600 ? 229 )2 ] 4 ? 9 mm 2即第二内层总数：S环 2 ? 151 块 S砖同理：第三内层砖数为：154 块 第四内层砖数为：158 块 第五内层砖数为：161 块 所以最底层砖数为： (149? 151? 154? 158? 161? 773 ， 块 总砖块数为： N总 ? 773? 61? 47153 。 块2.3.3 炉腹、炉腰和炉身下部的炉衬设计1、炉腹部位内衬破损机理：炉腹距风口最近，受强烈热作用力，不仅炉衬 内表面温度高，而且由温度波动引起的热冲击，或称热震破坏力很大；由于炉腹 倾斜，受料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响；承受由上部落入炉缸的渣铁水 和高速向上运动的高温煤气的冲刷，化学侵蚀和氧化作用。 2、炉腹炉衬设计： 耐火砖的选择：采用高铝砖砌筑。 （1）砌筑方式：由于开炉后炉腹部位的砌砖很快被侵蚀掉，靠渣皮工作， 一般砌一层高铝砖或黏土砖，厚度为 345mm 左右，炉腰有 3 种结构，采用薄壁- 35 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）式炉腰，炉身砌砖厚度通常为 690～805mm（选取 690mm）用镶砖冷却壁冷却 炉腹、炉腰及炉身下部，砌砖紧靠冷却壁，缝隙填浓泥浆。也有的后墙炉身，采 用冷却水箱冷却，这时砌砖与冷却水箱之间侧面和上面缝隙为 5～20mm，下面 为 10～15mm，炉腹、炉腰砌砖砖缝应不大于 1.5mm，上下层砌缝和环缝均匀错 开，炉身倾斜部分按 3 层砖依次砌筑。 （2）选用的高铝砖型号：G ― 2 : 345mm ?150mm ? 75mm G ― 4 : 345mm ?150mm ?125mm ? 75mm（3）炉腹高度：h2=3400mm 纵层数：h 2 3400 ? ? 46层 c 75厚度为 345mmα =80°48′40″横层数：1 层 计算砖数：第一层： n s ?2?a ? 87 块 150－125 ?d－nb 3.14 ?10600－ ?125 87 Nz ? ? ? 150 块 b 150由于倾斜部分接三层砖错台砌筑.即向外延伸 24.3mm，所以第二层与第三 层均为（87+150）块砖。 第四层为（87+151）块砖； ?? 同理：第 45 层为（87+164）块； 第 46 层为（87+165）块； 即楔形砖总数为： n s总 ? 46 ? 87 ? 4002 。 块 直形砖总数： n z总 ? 450? 453? 456? ?? 492? 165? 7230 。 块 3、炉腰、炉身下部内衬破损机理：高温煤气冲刷和热冲击；碱金属、锌蒸 汽和沉积碳的侵蚀；初渣氧化亚铁、氧化锰的侵蚀，炉腰部比炉腹的更高。 采用刚玉砖砌筑，刚玉型号：GAZ―983 ? ? 3.2t/m 。取 h3=2000mm ，D=11700mm，且采用薄壁式炉腰，厚度为 345mm。- 36 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2.3.4 炉身上部和炉喉的炉衬设计1、砌筑方式： 选用高铝砖砌筑，h5=2400mm，厚度 690mm，按三层错台一次砌筑。 炉身上部砌砖与炉壳间隙为 100～150mm，填以水渣-石棉隔热材料。 2、耐材种类： 高铝砖：G-2： 345mm ?150mm ? 75mm G-4： 345mm ?150mm ?125mm ? 75mm 3、计算（损耗 5%） ：h 4 18000 ? ? 240 层 ； c 75 690 ? 2层 ； 截面横层数： 345纵层数：ns ?2?a 2 ? 3.14? 345 ? ? 87块 b－b1 150 125 －240 ? 80 3设每三层为一阶 n x ，则炉身总阶数为 每阶减少内径： d1 ? 总层数 h ?3c ? 2 ? 73.3mm。 tan ?18000 ? 240 层 。 75 ?d－n s b1 3.14 ?15 n1 ? ? ? 173块 1 b 150 ? (d ? a)－n s b1 3.14 ? 11700 ? 345)－87 ?125 （ n1 ? ? ? 180 块 1 b 150 ? (d －d1 )－n s b1 n1 ? ? 171块 1 b ? (d ? a－d1 )－n s b1 n2 ? ? 178块 2 b??n1 ? 802 n 80? 52块 b ? ?d ? a－79d 1 ?－n s b1 ? ? 59 块 b? ?d－79d 1 ?－n s b1楔形砖总块数： n s总 ? 240? 87? 2 ?1.05? 43848 。 块 直形砖总块数： n z总 ? 3??173 ? 180 ? ? ?52 ? 59 ?? ? 80 ?1.05 ? 58464 块 。2- 37 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）4、炉喉 炉喉衬板以铸钢件制成，在炉喉的钢壳上装有吊挂座，座下装有横的挡 板。其炉喉钢砖如图 2.2 所示。2.4 高炉冷却设备 2.4.1 冷却设备的作用高炉冷却设备是高炉炉体结构的重要组成部分，对炉体寿命可起到如下作 用：图 2.2 炉喉钢砖1―炉喉钢砖；2―钢轨形吊挂；3―炉壳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 15%的热量通过炉壳散失。 2、对耐火材料的冷却和支撑。 3、维持合理的操作炉型。 4、当耐火材料大部分侵蚀后，能靠冷却设备上的渣皮继续维持高炉生产。2.4.2 冷却介质及水的软化高炉冷却用冷却介质是水，因为水的热容量大、热导率大、便于输送，成本 低廉。 水的软化主要是将钠离子经过离子交换剂与水中的钙、镁离子进行交换，而 水中其它的阴离子没有改变， 软化后水中的碱度未发生变化，而水中含盐量比原- 38 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）来略有增加。2.4.3 冷却方式1、炉缸、炉腹及炉腰的冷却 本设计采用炉体砌砖与冷却壁（铜冷却壁）一体化，即将氮化物结合的碳化 硅砖（相当于炉体砌砖）与冷却壁合注在一起，这样较好的解决了砖衬的支承问 题，缩短了施工工期。 其优点是：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。 2、炉身冷却 为了提高高炉炉身寿命， 本设计采用炉身冷却模块技术，将冷却水管直接焊 接在炉壳上， 并浇铸耐热混凝土，是由炉壳―厚壁钢管―耐热混凝土构成的大型 冷却模块组成。 冷却模块将炉身部位的炉壳沿径向分成数块，块数取决于炉前的 起重能力。将厚壁（15mm）把手型无缝钢管作为冷却元件直接焊在炉壳钢甲上， 在炉壳及钢管见浇注耐热混凝土，混凝土层高出水管 110～130mm，构成大型预 制冷却模块。通过炉顶托圈吊装与炉腰钢甲对接，经两面焊接后即形成新炉身。 主要技术优点如下： ⑴与传统的“炉壳―铸铁冷却壁―炉衬”相比，炉身寿命提高近 1 倍。 ⑵明显降低炉身造价。 新型冷却模块结构以钢管代替铸铁冷却壁使冷却设备 重量大大降低，而以耐热混凝土代替耐火砖，不论价格或数量都大为减少，使高 炉炉身造价成倍降低。 ⑶缩短大修时间， 大型模块的制造可在停炉前预先进行， 停炉后只进行吊装、 焊接、浇注对接缝等，相当于在高炉上整体组装炉身，大大缩短大修工期。 ⑷高炉大修初始即形成操作炉型，有力高炉顺行，同时由于炉衬减薄，也扩 大了炉容，在供排水方面无特殊要求，利用原有系统即可正常进行。 3、炉底冷却 本设计高炉炉缸直径较大， 周围径向冷却壁的冷却，已不足以将炉底中心部 位的热量散发出去，如不进行冷却则炉体底部侵蚀严重，因此，高炉炉底中心部 位要冷却，高炉水冷炉底结构如图 2.5 所示。- 39 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.5 水冷炉底结构图水冷管中心线一下埋置在炉基耐火混凝土基墩上表面中， 中心线以上为碳素 捣固层，水冷管为φ 40mm×10mm，炉底中心部位水冷管间距 200～300mm 边 缘水冷管间距为 350～500mm，水冷管两端伸出炉壳外 50～100mm.炉壳开孔后 加垫板加固，开孔处应避开炉壳折点 150mm 以上。水冷炉底结构应保证切断给 水后，可排出管内积水，工作时排水口要高于水冷管水平面，保证管内充满水。2.4.4 高炉冷却系统采用软（纯）水密闭循环冷却系统，工作原理见图 2.6 所示，这是一个完全 密闭的系统，用软水作为冷却介质。软水由循环泵送往冷却设备，冷却设备排出 的冷却水经膨胀罐送往空气冷却器，经空气冷却器散发于大气中，然后再经循环 泵送往冷却设备。图 2.6 软（纯）水密闭循环冷却系统1―冷却设备；2―膨胀罐；3―空气冷却器；4―循环泵；5―补水；6―加药；7―充氮膨胀罐为一圆柱形密闭容器，其中充以氮气，用以提高冷却介质压力，提高- 40 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）饱和蒸汽的温度， 进而提高饱和蒸汽与冷却设备内冷却水实际温度之差，即提高 冷却水的欠冷度。 膨胀罐具有补偿由于温度的变化和水的泄露而引起的系统冷却 水体积的变化，稳定冷却系统的运转，并且通过罐内水位的变化，判断系统泄露 情况和合理补充软水。空气冷却设备由风机和散热器组成，用来散发热量，降低 冷却水温度。 软水密闭循环系统的特点有： 1、工作稳定可靠：由于冷却系统内具有一定的压力，所以冷却介质具有较 大的欠冷度。 2、冷却效果好，高炉寿命长。它使用的冷却介质是软（纯）水，是经过化 学处理即除去水中硬度和部分盐类的水。 这就从根本上解决了在冷却水管或冷却 设备内壁结垢的问题，保证有效冷却并能延长冷却设备的寿命。 3、节水。因为整个系统完全处于密闭状态，所以没有水的蒸发损失，而流 失也很少。 4、电能耗量低。闭路系统循环水泵的扬程仅取决于系统的阻力损失。2.5 高炉送风管路高炉送风管路由热风总管、热风围管、与各风口相连的送风支管（包括直吹 管）及风口（包括风口中套、风口大套）等组成[3]。2.5.1 热风围管热风围管的作用是将热风总管送来的热风均匀地分配到各送风支管中去。 热 风总管和热风围管都由钢板焊成，管中由耐火材料筑成的内衬。为了不影响炉前 作业，热风围管都采用吊挂式，大框架热风围管吊挂在横梁上，热风总管与热风 围管的直径相同，其直径由下式计算： D= 式中4Q 4 ? 48.57 = =1.4m 3.14 ? 30 ?vD――热风总管或热风围管内径，m Q――气体实际状态下的体积流量，m3/s v――气体实际状态下的流速，m/s。- 41 -本计算取 30m/s 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2.5.2 送风支管送风支管的作用是将热风围管供来的热风通过风口送入高炉炉缸， 还可通过 它向高炉喷吹燃料。送风支管长期处于高温、多尘的环境中，工作条件很恶劣， 所以要求送风支管密封性好，压损小，热量损失小，在热胀冷缩的条件下由自动 调节位移的功能。 送风支管由送风支管本体、送风支管张紧装置、送风支管附件等组成。2.5.3 直吹管直吹管是高炉送风支管的一部分，尾部与弯管相连，端头与风口紧密相连。 热风经热风围管、弯管传到直吹管，通过风口进入高炉炉缸。直吹管由端头、管 体喷吹管、尾部法兰和端头水冷管路五部分组成，如图 2.8 所示。图 2.8 直吹管结构图1―端头；2―管体；3―喷吹管；4―冷却水管；5―法兰2.5.4 风口装置1、风口 风口也称风口小套或风口三套，是送风管路最前端的一个部件。它位于高炉 炉缸上部，成一定角度探出炉壁。风口与风口中套、风口大套装配在一起，加上 冷却水管等其他部件，形成高炉的风口设备，其结构见图 2.9 所示。- 42 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.9 风口装置结构示意图1―风口中套冷水管；2―风口大套密封罩；3―炉壳；4―抽气孔；5―风口大套； 6―灌泥浆孔；7―风口小套冷水管；8―风口小套；9―风口小套压紧装置； 10―灌泥浆孔；11―风口法兰；12―风口中套压紧装置；13―风口中套2、风口中套 风口中套的作用是支撑风口小套， 其前端内孔的锥面与风口小套的外锥面配 合，上端的外锥面与大套配合，用铸造紫铜制作。 3、风口大套 风口导套的功能是支撑风口中套与小套，并将其与高炉炉体相连成为一体。 风口大套的前端锥面与风口中套上端锥面配合， 上端通过风口法兰与炉体装配连 接在一起。风口导套为铸钢件。2.6 高炉钢结构高炉钢结构包括炉壳、炉体框架、炉顶框架、平台和梯子等。高炉钢结构是 保证高炉正常生产的重要设施。2.6.1 高炉本体钢结构本设计采用炉体框架式，其结构如图 2.10 所示。 其特点是由 4 根支柱连接成框架， 而框架是一个与高炉本体不相连接的独立 结构。框架下部固定在高炉基础上，顶端则支撑在炉顶平台。因此炉顶框架的重- 43 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）量、煤气上升管的重量、各层平台及水管重量，完全由大框架直接传给基础。只 由装料设备重量经炉壳传给基础。图 2.10 高炉本体钢结构这种结构由于取消了炉缸支柱， 框架离开高炉一定距离， 所以风口平台宽敞， 炉前操作方便，还有利于大修时高炉容积的扩大。2.6.2 炉壳炉壳是高炉的外壳， 里面有冷却设备和炉衬， 顶部是装料设备和煤气上升管， 下部坐落在高炉基础上，是不等截面的圆筒体。 炉壳的主要作用是固定冷却设备，保证高炉砌砖的牢固性、承受炉内压力和 起到炉体密封作用，因此炉壳必须具有一定强度。 炉壳厚度应与工作条件相适应，各部位厚度可由下式计算； δ =kD 式中δ ――计算部位炉壳厚度，mm； D――计算部位炉壳外弦带直径，m； K――系数，mm/m；与弦带位置有关。- 44 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.11 高炉炉体各弦带分界示意图2.6.3 炉体框架炉体框架由四根支柱组成，上至炉顶平台，下至高炉基础，与高炉中心成对 称布置，在风口平台以上部分用钢结构。风口平台以下是采用钢筋混凝土结构。 保证支柱与热风围管的 250mm 间距。2.6.4 炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱坐圈炉缸支柱是用来承担炉腹或炉腰以上，经炉腰支圈传递下来的全部负荷。它 的上端与炉腰支圈连接， 下端则伸到高炉基座的坐圈上。大中型高炉一般都是用 24～40mm 的钢板，焊成工字形断面的支柱，为了增加支柱的刚度，常加焊水平 筋板。支柱外倾斜角 6°左右，以使炉缸周围宽敞。 支柱的数目为 12 个（风口数目的一半） ，并且均匀地分布在炉缸周围，其位 置不能影响风口、铁口、渣口的操作，其强度则应考虑到个别支柱损坏时，其它 相邻支柱仍能承担全部负荷。为了防止发生炉缸烧穿时，渣铁水烧坏炉缸支柱， 应从高炉基座的坐圈直到铁口以上 1m 处的支柱表面，用耐火砖衬保护。 炉身支柱的作用是支撑炉顶框架及炉顶平台上的载荷、炉身部分的平台走 梯、给排水管道等。 炉腰支圈的作用是把它承托的上部均布荷载变成几个集中载荷传给炉缸支 柱，同时也起着密封作用。其结构如图 2.12 所示：- 45 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.12 炉腰支圈支柱坐圈是为了使支柱作用于炉基上的力比较均匀。 在每个支柱下面都由铸 铁或型钢做成的单片垫板， 并且彼此用拉杆或整环连接起来，以防止支柱在推力 作用下或基础损坏时发生位移。2.7 高炉基础高炉基础是高炉下部的承重结构， 它的作用是将高炉全部载荷均匀地传递到 地基。高炉基础由埋在地下的基座部分和地面上的基顿部分组成。其结构如图 2.13 所示。2.7.1 高炉基础的负荷高炉基础承受的荷载有：静负荷、动负荷、热应力的作用，其中温度造成的 热应力的作用最危险。图 2.13 高炉基础1―冷却壁；2―水冷管；3―耐火砖；4―炉底砖；5 耐热混凝土基墩；6―钢筋混凝土基座1、静负荷 高炉基础承受的静负荷包括高炉内部的炉料重量、渣、铁液重量、炉体本身- 46 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）的砌砖重量、金属结构的重量、冷却设备及冷却水重量、炉顶设备重量等，另外 还有炉下建筑物、斜桥、卷扬机等分布在炉身周围的设备重量。就力的作用情况 来看，前者是对称的，作用在炉基上，后者则常常是不对称的，是引起力矩的因 素，可能产生不均匀下沉。 2、动负荷 生产中常由崩料、坐料等，加给炉基的动负荷是相当大的。 3、热应力的作用 炉缸中贮存着高温的铁液和渣液，炉基处于一定的温度下。由于高炉基础内 温度分布不均匀， 采用里高外低， 上高下低， 这就在高炉基础内部产生了热应力。2.7.2 对高炉基础的要求对高炉基础的要求如下： 1、高炉基础应把高炉全部载荷均匀地传给地基，不允许发生沉陷和不均匀 的沉陷。 2、具有一定的耐热能力。基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为 2.5~3.0m。- 47 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3 高炉炼铁车间供料系统现代钢铁联合企业中， 炼铁原料供应系统以高炉贮矿槽为界分为两部分。从 原料进厂到高炉贮矿槽顶部属于原料厂管辖范围，它完成原料的卸、堆、取、运 作业；根据要求还需进行破碎、筛分、混匀和分级等作业，起到贮存、处理供应 原料作用[7]。从高炉贮矿槽顶部到高炉炉顶装料设备属于炼铁厂管辖范围，它负 责向高炉按规定的原料品种、数量、分批地及时供应。现代高炉对原料供应系统 的要求是： 1、保证连续地、均衡地供应高炉冶炼所需的原料，并为进一步强化冶炼留 有余地； 2、在贮运过程中应考虑为改善高炉冶炼所需的处理环节，如混匀、破碎、 筛分等。焦炭运输过程中应尽量减少破碎率。 3、由于贮运的原料数量大，对大、中型高炉应该尽可能实现机械化和自动 化，提高配料、称量的准确度。 4、原料供应系统转运环节和落料点都有灰尘产生，应有通风除尘设施。3.1 车间的运转新建的炼铁车间，多采用人造富矿――烧结矿和球团矿为原料，运输设备 均采用皮带机。本设计的上料系统也采用皮带式上料机，皮带机运输作业率高， 原料破碎率低，并且轻便，大大简化了矿槽结构。 皮带机的运输能力应该满足高炉对燃料的需求， 同时还应该考虑物料的特性 如粒度、堆比重、动堆积角等因素。皮带机的主要技术参数可以计算，也可以从 手册查出。 本设计的高炉容积是 2022 m3，皮带机的技术参数见表 3.1。表 3.1 上料皮带机的主要技术参数 容积/m3 2022 宽度/mm 1600 速度/ m? -1 min 120 水平长度/m 236.36 倾角 13° 能力/t?-1 h 2600 电机功率× 台/kW 250× 3- 48 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3.2 贮矿槽、贮焦槽及槽下运输筛分称量 3.2.1 贮矿槽与贮焦槽贮矿槽位于高炉一侧， 它起原料贮存作用，解决高炉连续上料和车间间断供 料的矛盾。 当贮矿槽之前的供料系统设备检修或因事故造成短期间断供料时，可 依靠贮矿槽内的存量，维持高炉生产。由于贮矿槽都是高架式的，可以利用原料 的自重下滑进入下一工序， 有利于实现配料等作业的机械化和自动化。采用皮带 机上料时，贮矿槽与上料机中心线应互成直角，以缩短贮矿槽与高炉间距。贮矿 槽的总容积与高炉容积、 使用的原料性质和种类、以及车间的平面布置等因素有 关，一般可参照表 3.2 选用，也可根据贮存量进行计算，贮矿槽贮存 12～18h 的 矿石量， 贮焦槽贮存 6～8h 的焦炭量。表 3.2 贮矿槽、贮焦槽容积与高炉容积的关系 高炉有效容积/m3 项 目 255 贮矿槽容积与高炉容积之比 贮焦槽容积与高炉容积之比 焦槽个数/个 &3.0 &1.1 2 600 2.5 0.8 2
0.7～0.5 ≥2 ≥2 贮矿槽总容积 V 总=1.6 Vu=1.6× m3。 烧结矿 V 烧=%= ，则烧结矿仓为 754.67×3 m3。 球团矿 V 球=%=647.04 m3 ，则球团矿仓为 647.04×1m3。 天然矿 V 天=%=323.52 m3 ，则天然矿仓为 323.52×1m3。 贮焦槽总容积：V 总= 0.6Vu=0.6× m3，则贮焦槽为 606.6×2m3。 经计算得到单个矿槽的尺寸如下： 烧结矿贮矿槽上面高度 5.3m，边长 9m，锥台高度 4 m，锥台下边长 2.7 m。 球团矿天然矿贮矿槽高度 4.3m， 边长 9m， 锥台高度 4 m， 锥台下边长 2.7 m。 天然矿贮矿槽高度 1.2m，边长 9m，锥台高度 4 m，锥台下边长 2.7 m。 贮焦槽贮矿槽高度 3.9m，边长 9m，锥台高度 4 m，锥台下边长 2.7 m。- 49 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3.2.2 槽下运输称量在贮矿槽下， 将原料按品种和数量称量运到上料皮带机的方法有两种：一种 是用称量车完成称量、运输、卸料等工序；一种是用皮带机运输，用称量漏斗称 量。我国新建的 300 m3 以上的高炉基本上都选用皮带机作为槽下运输设备。 槽下采用皮带机运输和称量漏斗称量槽下运输称量系统，焦仓下设有振动 筛， 合格的焦炭经焦炭输送机送到焦炭称量漏斗，小颗粒的焦粉经粉焦输出皮带 机运至粉焦仓。烧结矿仓下也设有振动筛，合格烧结矿运至矿石称量漏斗，粉状 烧结矿经矿粉输出皮带机输送至粉矿仓。球团矿直接经给料机、矿石输出皮带机 送至矿石集中漏斗。3.3 上料设备将炉料直接送到高炉炉顶的设备称为上料机。对上料机的要求是：要有足够 的上料能力， 不仅能满足正常生产的需要， 还能在低料线的情况下很快赶上料线。 为满足这一要求， 在正常情况下上料机的作业率一般不应超过 70%； 工作稳妥可 靠；最大程度的机械化和自动化。上料机主要有料车式和皮带机上料两种方式。 本设计采用皮带机上料。其优点是： 1、工艺布置合理。料仓离高炉远，使高炉周围空间自由度大，有利于高炉 炉前布置多个出铁口。 2、上料能力强。满足了高炉大型化以后大批量的上料要求。 3、上料均匀，对炉料的破碎作用较小。 4、设备简单、投资较小。 5、工作可靠、维修方便、便于自动化操作。 上料皮带机的倾角最小 11°，最大 14°。皮带机宽度随高炉容积而异，保 证皮带机运行安全非常重要。因此，在设计上采取了很多措施：如皮带机可以两 个方向驱动，连续运转；设 4 台电机，两台运转两台备用；为预防反转用两台电 机做制动；用液压缸拉紧皮带；设有观察皮带机运行情况的装置等等。- 50 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）4 炉顶装料设备高炉炉顶装料设备是用来将炉料装入高炉并使之合理分布， 同时起炉顶密封 作用的设备。 目前国内使用最多的装料设备是双钟式炉顶和无钟式炉顶。本设计 采用无钟式炉顶装料设备。4.1 无钟式炉顶装料设备无钟式炉顶装料设备从结构上， 根据受料漏斗和称量料罐的布置情况可划分 为两种，并罐式结构和串罐式结构。本设计采用串罐式结构。4.1.1 串罐式无钟炉顶装料设备串罐式无钟炉顶与并罐式无钟炉顶相比具有以下特点： 1、投资较低，和并罐式无钟炉顶相比可减少投资 10%。 2、在上部结构中所需空间小，从而使得维修操作具有很大空间。 3、设备高度与并罐式炉顶基本一致。 4、极大的保证了炉料在炉内分布的对称性，减小了炉料偏析，这一点对于 保证高炉的稳定顺行是极为重要的。 5、绝对的中心排料，从而减小了料罐以及中心喉管的磨损，但是旋转溜槽 所受炉料冲击有多增大，从而对溜槽的实用寿命有一定的影响。 无论何种炉顶装料设备均应能够满足以下基本要求： ⑴要适应高炉生产能力； ⑵能满足炉喉合理布料的要求，并能按生产要求进行炉顶调剂； ⑶保证炉顶可靠密封，使高压操作顺利进行； ⑷设备结构应力求简单和坚固，制造、运输、安装方便，能抵抗急剧的温度 变化及高温作用； ⑸易于实现自动化操作。4.1.2 无钟式炉顶的布料方式无钟式炉顶的旋转溜槽可以实现多种布料方式，根据生产对炉喉布料的要- 51 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）求，常用的有以下 4 种方式，见图 4.1。 1、环形布料，倾角固定的旋转布料称为环形布料。这种布料方式与料钟布 料相似， 改变旋转溜槽的倾角相当于改变料钟直径。由于旋转溜槽的倾角可任意 调节，所以可在炉喉的任一半径做单环、双环和多环布料，将焦炭和矿石布在不 同半径上以调整煤气分布。图 4.1 无钟式炉顶的布料形式2、螺旋形布料，倾角变化的旋转布料称为螺旋形布料。布料时溜槽做等速 的旋转运动，每转一圈跳变一个倾角这种布料法能把炉料布到炉喉截面任意部 位，并且可以根据生产要求调整料层厚度，也能获得较平坦的料面。 3、 定点布料， 方位角固定的布料形式称为定点布料。 当炉内某部位发生 “管 道”或“过吹”时，需用定点布料。 4、扇形布料，方位角在规定范围内反复变化的布料形式称为扇形布料。当 炉内产生偏析或局部崩料时， 采用该布料方式。布料时旋转溜槽在指定的弧段内 慢速来回摆动。4.2 探料装置探料装置的作用是准确探测料面下降情况，以便及时上料。防止低料线操作 时炉顶温度过高，烧坏炉顶设备等，特别是高炉大型化、自动化、炉顶设备也不 断发展的今天，料面情况是上部布料作业的重要依据。 目前使用最广泛的是机械传动的探料尺、微波式料面计和激光料面计，本设 计选用激光料面计。它是利用光学三角法测量原理设计的，如图 4.3 所示。激光- 52 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）测面计检测精度高、 在煤气粉尘浓度相同检测距离相等的条件下，其分辨率是微 波料面计的 25～40 倍。- 53 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5 送风系统高炉送风系统包括鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路以及管路上的各种 阀门等。 高炉冶炼首先要使炉内的燃料燃烧才能进行生产， 而燃料燃烧所需的氧， 要靠鼓风机供给足够的风， 鼓风机供给的风还必须克服高炉内料柱的阻力，才能 使燃烧生成的煤气上升和合理分布，才能使炉料顺利下降，由此可知鼓风机的风 量和风压对高炉生产的重要性。 热风带入高炉的热量约占总热量的四分之一，目前鼓风温度一般为 1000～ 1200℃，最高可达 1400℃，提高风温是降低焦比的重要手段，也有利于增大喷 煤量。 准确选择鼓风机，合理布置管路系统，阀门工作可靠，热风炉工作效率高， 是保证高炉优质、低耗、高产的重要因素。5.1 高炉用鼓风机 5.1.1 高炉冶炼对鼓风机的要求高炉冶炼时对鼓风机的要求： 1、要有足够的鼓风量。高炉鼓风机要保证向高炉提供足够的空气，以保证 焦炭的燃烧。入炉风量通过物料平衡计算得到，采用公式近似计算： q0= 式中VuIv 2022 ? 0.79 ? 2600 = =2884m3/min q0―标态入炉风量（以下简称风量） ，即在高炉风口处进入高炉内的标准 状态下的鼓风流量，m3/min； Vu―高炉有效容积，2022m3； I―高炉冶炼强度， 0.79 t/(d?m3) V―每吨干焦消耗标态风量，m3/ t。每吨干焦消耗标态风量主要与焦炭灰分和鼓风湿度有关，一般在 2450～ 2800 m3/ t 之间。 2、要有足够的鼓风压力。高炉鼓风机出口风压应能克服送风系统的阻力损 失、克服料柱的阻力损失、保证高炉炉顶压力符合要求。鼓风机出口风压可用下- 54 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）式表示： p=pt+Δ pLS+Δ pFS=0.3×106+1.6×105+0.2×105=0.48 MPa 式中 p――鼓风机出口风压，Pa； pt――高炉炉顶压力，一般 0.25～0.40MPa； Δ pLS――高炉料柱阻力损失，一般 1.5～1.7×105Pa； Δ pFS――高炉送风系统阻力损失，一般 0.1～0.2×105Pa。 3、既能均匀、稳定地送风，又要有良好的调节性能和一定的调节范围。当 高炉要求固定风量操作时，风量应不受风压波动的影响，即当风压波动时，风量 不应受风压波动的影响。也有定风压操作的，如解决路矿不顺或热风炉换炉时， 它要求变动风量时保证风压的稳定。此外，高炉操作常要加风或减风，当采用不 同的炉顶压力操作， 炉内料柱透气性变化时，都需要风机出口风量和风压能在较 大范围内变动。在不同气候条件下，例如在夏季和冬季，由于大气温度、压力和 湿度的变化，风机的实际出口风量和风压必然有相应的变化。5.1.2 高炉鼓风机的工作原理和特性常用的高炉鼓风机有离心式和轴流式两种。 我国新建的 1000 m3 以上的高炉， 均采用轴流式鼓风机，本设计选用轴流式鼓风机。 5.1.2.1 轴流式鼓风机的工作原理 轴流式鼓风机结构见图 5.1，是由装有工作叶片的转子和装有导流叶片的定 子以及吸气口、 排气口组成， 其工作原理是依靠在转子上装有扭转一定角度的工 作叶片随转子一起高速旋转， 工作叶片对气体做功，使获得能量的气体沿轴向流 动， 达到一定的风量和风压。 转子上的一列工作叶子与机壳上的一列导流叶片构 成轴流式鼓风机的一个级。级数越多，空气的压缩比越大，出口风压也越高。 5.1.2.2 轴流式鼓风机的特性 1、气体在风机中沿轴向流动，转折少，风机效率高，可达 90%左右； 2、工作叶轮直径较小，结构紧凑，质量小，运行稳定，功率大，更能适应 大型高炉冶炼的要求； 3、汽轮机驱动的轴流式鼓风机，可通过调整转速调节排风参数；采用电动 机驱动的轴流式鼓风机， 可调节导流叶片角度来调节排风参数，两者都有较宽的- 55 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）工作范围； 4、特性曲线斜度很大，近似等流量工作，即管网阻力变化时风量变化很小， 能满足高炉稳定风量操作的要求。图 5.1 轴流式鼓风机1―机壳；2―转子；3―工作叶片；4―导流叶片；5―吸气孔；6―排气孔5.1.3 高炉鼓风机的选择设计高炉车间， 合理选择风机是一项重要的工作，选择风机的主要依据是高 炉的有效容积和生产能力， 同时还要考虑到使用地区的自然气候条件，以及高炉 的冶炼条件。 例如： 高炉鼓风机最大质量鼓风量应能满足夏季高炉最高冶炼强度 的要求；冬季，风机应能在经济区域工作，不放风，不飞动。我国不同容积的高 炉配置鼓风机情况如表 5.1 所示。表 5.1 高炉容积与鼓风机配置 容积/ m3 620 00 2545 鼓风机型号 AK-1300 轴流式 Z-3250-46 轴流式 K-4250-41 离心式 静叶可调轴流式 静叶可调轴流式 风量/ m3/min 50
风压/ MPa 压缩比 3.5 压缩比 4.2 0.3 压缩比 4.0 0.45 转速/ r? min 50 汽轮机
17300 传动方式 汽动 电动 汽动 汽动 同步电动5.2 热风炉热风炉实质上是一个热交换器。现代高炉普遍采用蓄热式热风炉。蓄热式热- 56 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）风炉基本工作原理是：煤气在燃烧室燃烧，高温烟气通过蓄热室将格子砖加热， 然后再将冷风通过炽热的格子砖，冷风被加热并送入高炉。由于燃烧和送风交替 进行，为保证向高炉连续供风，通常每座高炉配置 3 座或 4 座热风炉。热风炉的 大小及各部位尺寸， 取决于高炉所需要的风量和风温。热风炉的加热能力用每立 方米高炉有效容积所具有的加热面积表示， 一般 80～100m3 更高。 根据燃烧室和 蓄热室布置形式的不同， 热风炉分为内燃式、外燃式和顶燃式热风炉 3 种基本形 式，本设计选用外燃式热风炉。5.2.1 外燃式热风炉外燃式热风炉由内燃式热风炉演变而来， 其工作原理与内燃式热风炉完全相 同， 只是燃烧室和蓄热室分别在两个圆柱形壳体内，两个室的顶部以一定的方式 连接起来。就两个室的顶部连接方式的不同可以分为 4 种基本形式，见图 5.2。 本设计采用新日铁式的热风炉， 新日铁式外燃热风炉是在拷贝式和马琴式外 燃热风炉的基础上发展而成的，其特点是：蓄热室上部有一个椎体段，使蓄热室 拱顶直径缩小到和燃烧室直径相同，拱顶下部耐火砖承受的荷重减小，提高了结 构的稳定性；对称的拱顶有利于烟气在蓄热室中的均匀分布，提高传热效率。表 5.2 是我国马钢外燃式热风炉的特性参数。图 5.2 外燃式热风炉结构示意图a―拷贝式；b―地得式；c―马琴式；d―新日铁式5.2.2 外燃式热风炉的特点1、 总的来说外燃式比内燃式结构合理，由于燃烧室单独存在于蓄热室之外，- 57 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）消除了隔墙，不存在隔墙受热不均而造成的砌体裂纹和倒塌，有利于强化燃烧， 提高热风温度。 2、燃烧室、蓄热室、拱顶等部位砖衬可以单独膨胀和收缩，结构稳定性较 内燃式热风炉好，可以承受高温作用。 3、燃烧室断面为圆形，当量直径大，有利于煤气燃烧。气流在蓄热室格子 砖内分布均匀，提高了格子砖的有效利用率和热效率。 4、送风温度较高，可以长时间保持 1300℃风温。- 58 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）6 高炉喷吹煤粉系统从高炉风口装置吹入粉状的煤粉， 代替了部分价格昂贵而且资源日益缺乏的 焦炭，降低了成本，改善了高炉操作指标[4]。在选择工艺流程和设备时，主要考 虑了下列工艺要求： 第一，能持续稳定地喷入炉内； 第二， 各风口的喷入量接近， 其误差不应该影响高炉炉缸周围工作的均匀性； 第三，计量准确，并可按高炉操作的需要调节喷入量； 第四，设备简单、安全。 高炉喷吹煤粉工艺流程包括两个系统，即煤粉的制备与煤粉的喷吹。6.1 煤粉的制备煤粉是由磨煤机加工出来的，本设计采用的是高速磨制粉工艺。6.2 高炉喷煤系统 6.2.1 三罐单列式高炉喷煤系统由制粉系统来的煤粉送到设在高炉附近的装置顶部，经一、二级旋风分离器 和布袋除尘器进入收集罐，在上钟阀开启时落入贮煤罐。当喷吹罐需要加煤时， 关闭上钟阀，待贮煤罐冲压到接近喷吹罐的压力时，开下钟阀向喷吹罐装煤。喷 吹罐永远保持高压状态。 喷吹罐下部设有旋塞阀和混合器，煤粉与压缩空气在此 混合后经喷吹管路连续吹入高炉。各风口单独供粉，故煤量比较均匀，管道不易 堵塞，即使有个别混合器管路堵塞也不至于影响整个高炉正常喷吹。 三罐单列式的优点包括： 可减少一套气粉分离装置和一个高压容器；占地面 积小；喷吹和送粉互不干扰，有利于连续作业和稳定喷吹。6.2.2 喷吹罐组有效容积的确定喷吹罐组包括喷吹罐、贮煤罐和收集罐，它的有效容积与高炉的喷煤量、喷 吹系统的工艺流程和工作制度有关。 1、喷吹罐有效容积的确定。喷吹罐有效容积按向高炉持续喷吹半小时左右- 59 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）的喷吹量来考虑。喷吹罐的最低料面以下还要保留 2～3 吨煤粉，而最高料面离 顶部球面转折处也要留有 800～1000mm 的距离，在最低和最高料面间所占的空 间为喷吹罐的有效容积。图 6.2 三罐单列式称量系统单位时间吹入高炉的煤粉量 Q 可以用下式求出： Q = Vu×η v×G/24 =×0.15/24 =29.1t/h 式中 Vu―高炉有效容积，2022m3； η v―高炉利用系数，2.3 t/(d?m3)； G―喷煤量，0.15t/t 铁. 喷吹罐的有效容积 Vp 为： Vp=TQ/ρ =0.5×22/0.62 =11.62 m3 式中 Vp―喷吹罐的有效容积，m3 ； T―倒罐周期，一般取 0.5 小时； Q―小时煤粉喷吹量，t/h； ρ ―煤粉堆密度，0.62t/m3。 2、贮煤罐有效容积的确定。贮煤罐的有效容积与喷吹罐相近。贮煤罐最低 料面是钟阀，最高料面距该罐球面交接处留 800~1000mm，最低与最高料面间的 容积即为该罐的有效容积。 3、收集罐有效容积的确定。三罐单列式的喷吹罐组在贮煤罐之上装有收集 罐，它的有效容积应该保证在上钟阀关闭时，即由贮煤罐向喷吹罐加煤粉时，贮- 60 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）存送来的煤粉，即 Vs=Vp×t1/t2 =11.62×13/30 =5 m3 式中 Vs―收集罐的有效容积，m3; t1 ―上钟阀处在关闭状态的时间，取 13 t2 ―倒罐周期，取 30 Vp ―喷吹罐有效容积，m3。 依据计算结果和考虑其它因素，选择各罐的具体尺寸如下表 6.1 所示：表 6.1 各罐尺寸 项目 有效容积，m3 直径，mm 高度，mm 喷吹罐 12
收集罐 5 6.3 煤粉喷吹的安全措施 6.3.1 制粉系统的安全措施利用热风炉废气配合燃烧炉的烟气做干燥剂和煤粉的载气，控制制粉系统 O215%，在重要部位，如收尘气入口、球磨机入口等处安装紧急充 N2 装置； 向高炉输粉的仓式泵用 N2 冲压与流化；减少系统漏风；消除局部}
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年产量280万吨炼钢生铁40万吨 铸造生铁的炼铁车间设计
首钢工学院成教学院（2011 届）本科毕业设计题目： 年产量 280 万吨炼钢生铁 40 万吨 铸造生铁的炼铁车间 专题： 高炉专家系统模型的应用及发展专 姓业： 名：班 学级： 号：指导教师：说明书 68 页，图纸 3 张，专题 8 页，译文 10 页 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）年产量 280 万吨炼钢生铁 40 万吨铸造生铁的炼铁车间摘要本设计是设计年产 280 万吨炼钢生铁，40 万吨铸造生铁的高炉炼铁车间。 在设计中采用了 2022m3 的高炉 2 座，不设渣口，2 个出铁口，采用矩形出 铁场。 送风系统采用四座新日铁式外燃式热风炉， 煤气处理系统采用重力除尘器、 文氏管和电除尘。渣铁处理系统采用拉萨法水淬渣（RASA）处理，特殊情况采 用干渣生产，上料系统采用皮带上料机，保证高炉的不间断供料。 在设计中，首先做了物料平衡、热平衡，炉型的设计与计算，以及设备的选 择；设计中应用了许多先进的工艺，这些工艺在实行大喷煤技术提高传热效率， 节能，提高生产率方面起了重要的作用。在设计中，广泛吸收前人技术革新和国 内外科学研究成果。根据实际需要及可能性，尽量采用先进设备、结构、材料及 新工艺。做到技术上先进，经济上合理，又减少环境污染。 车间总体布置形式为半岛式。关键词：高炉，物料平衡，热平衡，半岛式- 1 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）Design of an ironmaking workshop with annual output of 2.8 million tons of steelmaking iron and 0.4 million tons of Casting iron AbstractThe assignment is the design of the 2.8 million tons annual production capacity of steel-making pig iron, 0.4million of blast furnace cast pig iron workshop. I design two 1800 m3 blast furnaces，and set up two tap holes with no slag hole，which use rectangular field of iron. Blast system 4 Nippon external combustion hot stoves，Dust catcher system uses gravity precipitators, venturi tube and electrostatic precipitator. The methods of slag iron processing system use water quenching residue Lhasa (RASA), special circumstances use dry slag productions to deal with. The charging system is using belt feeding machine to ensuring uninterrupting charging of blast furnace. In the design，first of all, calculating the material balance, heat balance, and the furnace structure, as well as the the design of the application of a number of advanced technology, these processes in the implementation of large pulverized coal injection technology to enhance heat transfer efficiency，to save energy ，to improve productivity ,which played an important role. The design has broadly absorpted technological innovations and the results of scientific research at home and abroad. According to the actual needs and possibilities use advanced equipment as far as possible，advanced structure，advanced materials and so on. Achieve technically advanced and economically rational，and reduce environmental pollution. The form of workshop with the overall layout is peninsula.Key words: blast furnace, material balance, eheat balance, peninsula- 2 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）目录绪论...................................................................................... 错误！未定义书签。 1 高炉冶炼综合计算....................................................................................... - 8 1.1 概述.................................................................................................... - 8 1.2 配料计算............................................................................................ - 8 1.2.1 原燃料条件............................................................................. - 8 1.2.2 计算矿石需要量 G 矿 ............................................................ - 10 1.2.3 计算熔剂需要量 G 熔 ............................................................ - 11 1.2.4 炉渣成分的计算................................................................... - 12 1.2.5 校核生铁成分....................................................................... - 14 1.3 物料平衡计算.................................................................................. - 15 1.3.1 风量计算............................................................................... - 15 1.3.2 炉顶煤气成分及数量的计算............................................... - 17 1.3.3 编制物料平衡表................................................................... - 21 1.4 热平衡计算...................................................................................... - 22 1.4.1 热量收入 q 收......................................................................... - 22 1.4.2 热量支出 q 支......................................................................... - 24 1.4.3 热平衡表............................................................................... - 27 2 高炉本体设计............................................................................................. - 29 2.1 高炉炉型.......................................................................................... - 29 2.2 炉型设计与计算.............................................................................. - 29 2.3 高炉炉衬设计.................................................................................. - 33 2.3.1 炉底的炉衬设计与砌筑........................................................ - 33 2.3.2 炉缸设计的炉衬设计............................................................ - 34 2.3.3 炉腹、炉腰和炉身下部的炉衬设计.................................... - 35 2.3.4 炉身上部和炉喉的炉衬设计................................................ - 37 2.4 高炉冷却设备.................................................................................. - 38 2.4.1 冷却设备的作用................................................................... - 38 - 3 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2.4.2 冷却介质及水的软化........................................................... - 38 2.4.3 冷却方式............................................................................... - 39 2.4.4 高炉冷却系统....................................................................... - 40 2.5 高炉送风管路.................................................................................. - 41 2.5.1 热风围管............................................................................... - 41 2.5.2 送风支管............................................................................... - 42 2.5.3 直吹管................................................................................... - 42 2.5.4 风口装置............................................................................... - 42 2.6 高炉钢结构...................................................................................... - 43 2.6.1 高炉本体钢结构................................................................... - 43 2.6.2 炉壳....................................................................................... - 44 2.6.3 炉体框架............................................................................... - 45 2.6.4 炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱坐圈............................... - 45 2.7 高炉基础.......................................................................................... - 46 2.7.1 高炉基础的负荷................................................................... - 46 2.7.2 对高炉基础的要求............................................................... - 47 3 高炉炼铁车间供料系统............................................................................. - 48 3.1 车间的运转...................................................................................... - 48 3.2 贮矿槽、贮焦槽及槽下运输筛分称量.......................................... - 49 3.2.1 贮矿槽与贮焦槽................................................................... - 49 3.2.2 槽下运输称量....................................................................... - 50 3.3 上料设备.......................................................................................... - 50 4 炉顶装料设备............................................................................................. - 51 4.1 无钟式炉顶装料设备...................................................................... - 51 4.1.1 串罐式无钟炉顶装料设备................................................... - 51 4.1.2 无钟式炉顶的布料方式....................................................... - 51 4.2 探料装置.......................................................................................... - 52 5 送风系统..................................................................................................... - 54 5.1 高炉用鼓风机.................................................................................. - 54 - 4 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5.1.1 高炉冶炼对鼓风机的要求................................................... - 54 5.1.2 高炉鼓风机的工作原理和特性........................................... - 55 5.1.3 高炉鼓风机的选择............................................................... - 56 5.2 热风炉.............................................................................................. - 56 5.2.1 外燃式热风炉....................................................................... - 57 5.2.2 外燃式热风炉的特点........................................................... - 57 6 高炉喷吹煤粉系统..................................................................................... - 59 6.1 煤粉的制备...................................................................................... - 59 6.2 高炉喷煤系统.................................................................................. - 59 6.2.1 三罐单列式高炉喷煤系统................................................... - 59 6.2.2 喷吹罐组有效容积的确定................................................... - 59 6.3 煤粉喷吹的安全措施...................................................................... - 61 6.3.1 制粉系统的安全措施........................................................... - 61 6.3.2 喷吹系统的安全措施........................................................... - 61 7 高炉煤气处理系统..................................................................................... - 62 7.1 煤气管道.......................................................................................... - 62 7.2 粗除尘装置...................................................................................... - 62 7.2.1 重力除尘器除尘原理........................................................... - 62 7.3 半精细除尘装置.............................................................................. - 63 7.4 精细除尘装置.................................................................................. - 63 7.4.1 文式管................................................................................... - 63 7.4.2 静电除尘器........................................................................... - 64 7.5 脱水器.............................................................................................. - 65 8 渣铁处理系统............................................................................................. - 66 8.1 风口平台及出铁场设计.................................................................. - 66 8.1.1 风口平台及出铁场............................................................... - 66 8.1.2 渣铁沟和撇渣器................................................................... - 67 8.1.3 摆动流嘴............................................................................... - 67 8.2 炉前主要设备.................................................................................. - 68 - 5 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）8.2.1 开铁口机............................................................................... - 68 8.2.2 堵铁口泥炮........................................................................... - 68 8.2.3 炉前吊车............................................................................... - 68 8.3 铁水处理.......................................................................................... - 68 8.3.1 鱼雷罐车............................................................................... - 69 8.3.2 铸铁机................................................................................... - 69 8.4 炉渣处理设备.................................................................................. - 69 8.4.1 拉萨法水淬渣....................................................................... - 69 8.4.2 干渣生产............................................................................... - 69 9 能源回收利用............................................................................................. - 71 9.1 高炉炉顶余压发电.......................................................................... - 71 9.2 热风炉烟道废气余热回收.............................................................. - 71 参考文献......................................................................................................... - 72 专题研究......................................................................................................... - 73 外文翻译......................................................................................................... - 81 致 谢.................................................................................... 错误！未定义书签。- 6 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）前言在近代国家是否发达的主要标志是其工业化及生产自动化的水平， 即工业生 产在国民经济中所占的比重以及工业的机械化、自动化程度。而劳动生产率是衡 量工业化水平极为重要的标志之一。 为达到较高的劳动生产率需要大量的机械设 备。 钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的材料， 属于基础材料工业的范畴。 钢铁还可以直接为人民的日常生活服务，如为运输业、建筑业及民用品提供基本 材料。 一定意义上， 一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。 衡量钢铁工业的水平应考察其产量（人均占有钢的数量） 、质.量、品种、经 济效益及劳动生产率等各方面。 纵观当今世界各国，所有发达国家无一不是具有 相当发达的钢铁工业的。 钢铁工业的发展需要多方面的条件， 如稳定可靠的原材料资源， 包括铁矿石、 煤炭及某些辅助原材料，如锰矿、石灰石及耐火材料等；稳定的动力资源，如电 力、水等。此外，由于钢铁企业生产规模大，每天原材料及产品的吞吐量大，需 要庞大的运输设施为其服务。 一般要有铁路或水运干线经过钢铁厂。对于大型钢 铁企业来说，还必须有重型机械的制造及电子工业为其服务。此外，建设钢铁企 业需要的投资大，建设周期长，而回收效益慢。故雄厚的资金是发展钢铁企业的 重要前提。 钢铁之所以成为各种机械装备及建筑、民用等各部门的基础材料，是因为它 具备以下优越性能，并且价格低廉。 1、有较高的强度及韧性。 2、容易用铸、锻、切削及焊接等多种方式进行加工，以得到任何结构的工 件。 3、所需资源（铁矿、煤炭等）贮量丰富，可供长期大量采用，成本低廉。 4、人类自进入铁器时代以来，积累了数千年生产和加工钢铁材料的丰富经 验，已具有成熟的生产技术。自古至今，与其他工业相比，钢铁工业相对生产规 模大、效率高、质量好和成本低。 到目前看不出，有任何其他材料在可预见的将来，能代替钢铁现在的地位。- 7 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）1 高炉冶炼综合计算1.1 概述组建炼铁车间或新建高炉， 都必须依据产量以及原料和燃料条件作高炉冶炼 综合计算，包括配料计算、物料平衡计算和热平衡计算。从计算中得到原料、燃 料消耗量及鼓风消耗等，也得到了主要产品（除生铁以外）煤气及炉渣生产量等 基本参数。以这些参数为基础作炼铁车间或高炉设计。 计算之前，首先必须确定主要工艺技术参数。对于一种新的工业生产装置， 应通过实验室研究、半工业性试验、以致于工业性试验等一系列研究来确定基本 工艺技术参数。高炉炼铁工业已有 200 余年的历史，技术基本成熟，计算用基本 工艺参数的确定，除特殊矿源应做冶炼基本研究外，一般情况下都是结合地区条 件、地区高炉冶炼情况予以分析确定。例如冶炼强度、焦比、有效容积利用系数 等。 计算用的各种原料、燃料以及辅助材料等必须做工业全分析，而且将各种成 分之总和换算成 100%，元素含量和化合物含量要相吻合。 将依据确定的工艺技术参数、原燃料成分计算出单位产品的原料、燃料以及 辅助材料的消耗量，以及主、副产品成分和产量等，供车间设计使用。配料计算 也是物料平衡和热平衡计算的基础。 依据质量守衡定律， 投入高炉物料的质量总和应等于高炉排出物料的质量总 和。物料平衡计算可以验证配料计算是否准确无误，也是热平衡计算的基础。物 料平衡计算结果的相对误差不应大于 0.3%。1.2 配料计算 1.2.1 原燃料条件1、原料成分（原始成分为烧结矿、球团矿、天然矿以及炉尘，表中只显示 计算后的综合矿）见表 1.1； 2、燃料成分，见表 1.2、表 1.3； 3、确定冶炼条件；预定生铁成分（%） ，见表 1.4。- 8 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）表 1.1 原料成分（%） 原料 综合矿 炉尘 原料 综合矿 炉尘 TFe 59.62 43.39 Al2O3 1.51 1.31 Mn 0.03 0.24 MnO 0.039 0.31 P 0.032 0.026 P2O5 0.073 0.06 S 0.03 0.09 FeS 0.083 0.243 FeO 16.10 15.30 Fe2O3 H2O 67.22 44.77 1.967 C=11.95 CO2 100.00 100.00 CaO 7.633 8.30 烧损 Σ MgO 1.985 1.99 SiO2 5.357 13.80注：综合矿=70%烧结矿+20%球团矿+10%天然矿表 1.2 焦炭成分（%） 固定 炭 84.74 SiO2 7.61 灰分（13.51） Al2O3 4.56 CaO 0.52 MgO 0.14 FeO 0.68 有机物（1.32） H2 0.3 N2 0.25 S 0.77 CO2 0.15 挥发份（0.43） Σ H2 0.026 CO 0.16 CH4 0.017 N2 0.077 100 4.00 水表 1.3 喷吹燃料成分（%） 灰分 品种 煤粉 C 77.83 H 2.35 O 2.33 H2O 0.83 N 0.46 S SiO2 0.30 7.15 Al2O3 6.83 CaO 0.69 MgO 0.30 FeO 0.93 100 Σ表 1.4 生铁成分（%） Fe 95.14 Si 0.65 Mn 0.03 P 0.035 S 0.025 C 4.12其中 Si、 由生铁质量要求定分别为 0.65、 S 0.03； Mn、 由原料条件定为 0.03、 P 0.035。 C＝4.3－0.27Si－0.329P－0.032S＋0.3Mn＝4.12 Fe＝[100－Si－Mn－P－S－C]%。 某元素在生铁、炉渣、炉气中的分配率（%） ，见表 1.5。 燃料消耗量（kg/t 生铁） ； 焦炭 345- 9 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）煤粉150置换比 0.7表 1.5 元素的分配率 Fe Mn 50 50 0 S ― ― 5 P 100 0 0生铁 炉渣 炉气99.7 0.3 0鼓风湿度12g/m312 22.4 ? ? 1.493 % 1000 18相对湿度 ? ?风温 炉尘量1150℃ 20 kg/t 生铁 25℃ 200℃ 0.79t/(d? 3) m 1.03 t/(d? 3) m 2.3 t/(d? 3) m入炉熟炉料温度 炉顶煤气温度 焦炭冶炼强度 综合冶炼强度 利用系数1.2.2 计算矿石需要量 G 矿1、燃料带入的铁量 GFe 燃 首先计算 20 kg 炉尘中的焦粉量：G焦粉 ?G尘C %尘 ? 20 ? 11.95 ? 2.82 kg 84.74 C %焦高炉内衬参加反应的焦炭量为：G焦 ? 345- 2.82 ? 342.18 kgGFe矿 ? 1000Fe %生铁 ? GFe渣 - GFe 燃 G矿 ? GFe矿 Fe %矿 G、 ? G矿 ? G尘 矿故GCaO ? GCaO矿 ? GCaO焦 ? GCaO煤 kg 故GSiO2 ? GM g O渣 ? GSiO2焦 ? GSiO2 煤 - G Al2O3 M g O- 10 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）=85.48+26.04+10.73-13.93 =108.32kg 2、进入炉渣中的铁量：GFe渣 ? 1000Fe % 生铁 ? ? 2.863kg 0.3% 0.3% ? % ? 99.7% 99.7%3、需要由铁矿石带入的铁量为：GFe矿 ? 1000 Fe %生铁 ? GFe渣 - GFe 燃 ? 951 .4 ? 2.863 - 2.89 ? 951 .37 kg4、冶炼 1 吨生铁的铁矿石需要量：G矿 ?GFe矿 Fe %矿?951.37 ? 159572kg . 59.62%考虑到炉尘吹出量，入炉铁矿石量为：G、 ? G矿 ? G尘 - G焦粉 ? 1595 .72 ? 20 - 2.82 矿 ? 1612.9kg1.2.3 计算熔剂需要量 G 熔1、设定炉渣碱度 R ? CaOSiO 2? 1.15制钢生铁：R＝1.10－1.2；铸造生铁：R＝1.0－1.1 2、原料、燃料带有的 CaO 量 GCaO 铁矿石带入的 CaO 量为：GCaO矿 ? G矿 Ca O%矿 ? 1595 .72 ? 7.633 % ? 121.8kg焦炭带入的 CaO 量为：GCaO焦 ? G焦 Ca O%焦 ? 342 .18 ? 0.52% ? 1.78 kg煤粉带入的 CaO 量为：GCaO煤 ? G煤 Ca O%煤 ? 150 ? 0.69% ? 1.04 kg- 11 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）故GC O ? GC O矿 ? GC O焦 ? GC O煤 ? 121 .8 ? 1.78 ? 1.04a a a a? 124 .62 kg3、原料、燃料带入的 SiO2 量 GSiO2 铁矿石带入的 SiO2 量为：GSiO2矿 ? G矿 SiO2 %矿 ? 1595 .72 ? 5.357 % ? 85.48 kg焦炭带入的 SiO2 量为：GSiO2焦 ? G焦 SiO2 %焦 ? 342 .18 ? 5.66% ? 26.04 kg煤粉带入的 SiO2 量为：GSiO2 煤 ? G煤 SiO2 煤 ? 150 ? 7.15% ? 10.73 kg硅素还原消耗的 SiO2 量为：GSiO2还 ? 1000 Si%生铁 60 ? 13 .93 kg 28 ? 1000 ? 0.65 % ? 60 28故GSiO ? GSiO 矿 ? GSiO 焦 ? GSiO 煤 - GSiO 还 ? 85.48 ? 26.04 ? 10.73 - 13.932 2 2 2 2? 108 .32 kg1.2.4 炉渣成分的计算原料、燃料及熔剂的成分见表 1.6。表 1.6 每吨生铁带入的有关物质的量 CaO 原燃料 数量 kg % kg % kg % kg % kg % kg % kg 0.48 MgO SiO2 Al2O3 MnO S综合矿 .633 121.8 1.985 31.675 5.357 85.48 1.51 24.09 0.03 0.62 0.03 焦 炭 342.18 0.52 煤 粉 150 0.69 1.78 1.04 0.14 0.3 0.48 0.45 7.61 26.04 4.56 7.15 10.7 15.60.77 2.635 0.30 0.456.83 10.25- 12 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文） Σ 124.62 32.605 122.25 49.945 0.62 3.5651、炉渣中 CaO 的量 GCa O渣 由表 1. 6： GCa O渣 ? 124.62kg 2、炉渣中 SiO2 的量 GSiO2渣GSiO2渣 ? 122.25 - 13.93 ? 108.32kg式中 122.25――原、燃料带入 SiO2 的总量，kg（见表 1.6） ； 13.93――还原消耗 SiO2 的量（ GSiO2还 ） ，kg。 3、炉渣中 Al2O3 的量 GAl2O3渣 由表 1.8： GAl2O3渣 ? 49.95kg 4、炉渣中 M g O 的量 GMO渣 由表 1-8：GMgO 渣＝32.61kg 5、炉渣中 MnO 的量 GMnO 渣。 由表 1.8：GMnO 渣＝0.62×50%＝0.31kg 式中 0.62――原、燃料带入 MnO 的总量，kg（见表 1.6） ； 50%――锰元素在炉渣中的分配率（见表 1.5） 。 6、炉渣中 FeO 的量 GFeO 渣 进入渣中的铁量为：Fe 渣＝2.863kg，并以 FeO 形式存在，故而GFeO渣 ? 2.863 ? 72 ? 3.68kg 567、炉渣中 S 的量，GS 渣 原、燃料带入的总硫量为： GS＝3.565kg（见表 1.6） 进入生铁的硫量为：GS生铁 ? 1000S%生铁 ? % ? 0.25kg进入煤气中的硫量为：- 13 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）GS煤气 ? GS 5% ? 3.565? 5% ? 0.178kg故GS渣 ? GS - GS 生铁 - GS 煤气 ? 3.565- 0.25- 0.178? 3.14kg炉渣成分见表 1.7。表 1.7 炉渣成分 组元 kg % CaO 124.62 38.82 MgO 32.61 10.16 SiO2 108.32 33.74 Al2O3 49.95 15.56 MnO 0.31 0.10 FeO 3.68 1.15 S/2 1.57 0.49 Σ 321.06 100.00 CaO/ SiO2 1.15表中 S/2：渣中 S 以 CaS 形式存在，计算中的 Ca 全部按 CaO 形式处理，氧 原子量为 16，S 原子量为 32，相当已计入 S/2，故表中再计入 S/2。 将 CaO、SiO2、Al2O3、MgO 四元组成换算成 100%，见表 1.8。表 1.8 四种渣成分 CaO 38.82 39.50 SiO2 33.74 34.33 Al2O3 15.56 15.83 MgO 10.16 10.34 Σ 98.28 100.001.2.5 校核生铁成分1、生铁含磷[P]，按原料带入的磷全部进入生铁计算。 铁矿石带入的磷量为：GP渣 ? G矿 P%矿 ? .032%? 0.51kg ? 故[P] ? 0.51? 1 ? 0.051% 10002、生铁含锰[Mn]，按原料带入的锰有 50%进入生铁计算，原料共带入 MnO 为 0.62kg，见表 1.8。故[Mn] ? 0.62 ? 50% ? 55 1 ? ? 0.024 % 71 10003、生铁含碳 [C] ? [100? (95.14 ? 0.65 ? 0.25 ? 0.051? 0.024)]% ? 4.11% 。 4、生铁含硅[Si]=0.65%。- 14 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5、生铁含硫[S]=0.025%。 校核后的生铁成分（%）见表 1.9。表 1.9 校核后生铁成分 成分 含量 [Fe] 95.14 [Si] 0.65 [Mn] 0.024 [P] 0.051 [S] 0.025 [C] 4.111.3 物料平衡计算 1.3.1 风量计算1、风口前燃烧的碳量 GC 燃。 燃料带入的总碳量：GC总 ? GC焦 C%焦 ? G煤 C%煤 ? 342.18 ? 84.74% ? 150?77.83% ? 406.71kg溶入生铁中的碳量为： GC生铁 ? 1000 % ? % ? 41.1kg [C] 生成甲烷的碳量为：燃料带入的总碳量约有 1%~1.5%与氧化合生成甲烷， 取 1%。GC甲烷 ? 1%GC总 ? 0.01? 406.71 ? 4.07kg直接还原消耗的 GC 直： 锰还原消耗的碳量为：GC锰 ? 1000[Mn]% ? 0.05kg 12 12 ? % ? 55 55硅还原消耗的碳量为：GC硅 ? 1000[Si] % ? 5.57kg 24 24 ? % ? 28 28磷还原消耗的碳量为：GC磷 ? 1000[P] % ? 0.49kg- 15 -60 60 ? % ? 62 62 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）铁直接还原消耗的碳量为：GC铁直 ? 1000[Fe] % 12 、 rd 56? rd ? rd ? rH2rd 一般为 0.4~0.5，本计算取 0.45。rH 2 ? {56 [G焦 H 2 % 焦挥发 ? H 2 % 焦有机 ） G 煤 H 2 % 煤 ? 2 （V 、 ? 18 （ ? ?G 煤 H 2 O% 煤） H 2 }? ]? [ Fe]% 风 2 18 22.4 2.18(0.026% ? 0.3%) ? 150? 2.35% ? 2 (% ? 18 rH 2 ? { ? 150? 0.83%)]? 0.35} ? 0.9 2 18 22.4 (%) ? 0.06r`d＝0.45－0.06＝0.39 式中? H ――氢在高炉内的利用率，一般为 0.3~0.5，本计算取 0.33；2α――被利用氢量中，参加还原 FeO 的半粉量，一般为 0.85~1.0，本 计算取 0.9； V 风――设定的每吨生铁耗风量，本计算取 1200m3GC铁 ?
12 % ? 79.51kg 56 0.39故GC直 ? GC锰 ? GC硅 ? GC磷 ? GC铁直 ? 0.05 ? 5.57 ? 0.49 ? 79.51 ? 85.62kg风口前燃烧的碳量为：GC燃 ? GC总 - GC生铁 - GC甲烷 - GC直 ? 406.71- 41.1 - 4.07 - 85.62 ? 275.92kg2、计算鼓风量 V 风 ① 鼓风中氧的浓度为：O ? 21%(1 ? ?) ? 0.5? ? 21%(1 ? 1.493%) ? 0.5 ? 1.493% ? 21.43%② C 燃燃烧需要氧的体积为： GVO2 ? GC燃 22.4 （2 ? 12） 22.4 ? 275.92 ? （2 ? 12） 3 ? 257.53m- 16 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）③ 煤粉带入氧的体积为：VO2 煤 ? G煤 O%煤 ? H 2O% （ ? 3.22m3 16 22.4 16 22.4 ) ? 150( 2.33% ? 0.83% ) 18 32 18 32④ 需鼓风供给氧的体积为：VO2 风 ? VO2 - VO2 煤 ? 257.53 - 3.22 ? 254.31m3故V风 ? VO2风 N ? 254.31 ?
. 21.43%1.3.2 炉顶煤气成分及数量的计算1、甲烷的体积 VCH4 ①由燃料碳素生成的甲烷量为:VCH 4碳 ? GC甲烷 ? 7.6m 3 22.4 22.4 ? 4.07 ? 12 12②焦炭挥发份中的甲烷量为：VCH 4焦 ? G焦 CH 4 %焦 ? 0.081m3 22.4 22.4 ? 342.18 ? 0.017% ? 16 16故VCH 4 ? 7.6 ? 0.081? 7.681 3 m2、氢的体积 VH2 ① 由鼓风中水分分解产生的氢量为：故VCH 4 ? 7.6 ? 0.081 ? 7.681 3 m VH 2分 ? V风 ? ? 1186 7 ? 1.493% ? 17.72m 3 .② 焦炭挥发份及有机物中的氢量为：22.4 VH 2焦 ? G焦 H 2 %焦挥发 ? H 2 %焦有机 ） （ 2 22.4 ? 342.18 ? 0.026% ? 0.3%） （ 2 3 ? 12.49m- 17 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）③煤粉分解产生的氢量为：VH 2 煤 ? G煤 H 2 %煤 ? H 2O%煤 （ 2 22.4 ） 18 2 2 22.4 ? 150? 2.35% ? 0.83% ） （ 18 2 3 ? 41.03m④ 炉缸煤气中氢的总生产量为：VH 2总 ? VH 2分 ? VH 2焦 ? VH 2 煤 ? 17.72 ? 12.49 ? 41.03 ? 71.24m3⑤ 生成甲烷消耗的氢量为：VH2烷 ? 2VCH 4 ? 2 ? 7.681? 15.36m3⑥ 参加间接还原消耗的氢量为：VH2间 ? VH2总? H2 ? 71.24? 0.35 ? 24.93m3GFe2O3 ? G矿 Fe2O3 %矿 ? .22% ? 107264kg . .3、二氧化碳的体积 VCO2 ① CO 还原 Fe2O3 为 FeO 生成的 CO2：VCO2 还 由 由矿石带入的 Fe2O3 的质量为：GFe2O3 ? G矿 Fe2O3 %矿 ? .22% ? 107264kg . .参加还原 Fe2O3 为 FeO 的氢气量为：2 2 GH 2还 ? VH 2总? H 2 1 - ?） （ ? 71.24 ? 0.35? 1 - 0.9） （ ? 22.4 22.4 ? 0.22kg由氢还原 Fe2O3 的质量为：? GFe2O3 ? GH 2还 160 160 ? 0.22 ? ? 17.6 kg 2 2由 CO 还原的质量为：?? ? GFe2O3 ? GFe2O3 - GFe2O3 ? 107264 - 17.6 . ? 105504kg .- 18 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）?? VCO2还 ? 1000[ Fe ]% [ 1 - rd? - rH 2 ] ? ?? 故VCO ? VCO 还 ? VCO 还 ? VCO 挥2 2 2 222.4 3 m 56? 147.71 ? 209.31 ? 0.26 ? 357.28m 3 VCO2挥 ? G焦 CO2 %焦 ? 0.26 m 3 22.4 22.4 ? 342.18 ? 0.15% ? 44 44② CO 还原 FeO 为 Fe 生成的 CO2 量为： 由?? VCO2还 ? 1000[ Fe ]% [ 1 - rd? - rH 2 ] 22.4 56 22.4 ? 951.4 ? [ 1 ? 0.39 ? 0.06 ] 56 3 ? 209.31m③ 焦炭挥发份中的 CO2 量为：VCO2挥 ? G焦 CO2 %焦 ? 0.26m3 22.4 22.4 ? 342.18 ? 0.15% ? 44 44? ?? 故VCO2 ? VCO +VCO2 +VCO2 =147.71+209.31+0.26 =357.28m34、一氧化碳的体积 VCO ① 风口前碳素燃烧生成 CO 量为：VCO 燃 ? GC燃 ? 22.4 12 22.4 ? 275.92 ? 12 3 ? 515.05m② 直接还原生成 CO 量为：VCO直 ? GC直 22.4 12 ? 85.62? 22.4 12 3 ? 159.82m③ 焦炭挥发份中 CO 量为：- 19 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）VCO挥 ? G焦CO% 22.4 28 22.4 ? 342.18 0.16%? ? 28 3 ? 0.44m④ 间接还原消耗的 CO 量为：? ?? VCO间 =VCO还 +VCO2还 =147.71+209.31 =357.02m3 GH 2O? ?? VCO间 =VCO还 +VCO2还 =147.71+209.31 =357.02m3故VCO ? VCO燃 ? VCO直 ? VCO挥 - VCO间 ? 515.05 ? 159.82 ? 0.44 - 357.02 ? 318.29m 35、氮气的体积 N2 ① 鼓风带入的 N2 量为：VN 2风 ? V风 1 - ?）N 2 %风 （ ? 1186.7（ - 1.493% ? 79% ?1 ）3 ? 923.5m② 焦炭带入的 N2 量为22.4 VN 2焦 ? G焦 N 2 %焦挥发 ? N 2 %有机） （ 28 ? 342.18（0.077%? 0.25% ? 22.4 ? ） 28 3 ? 0.9m③ 煤粉带入的 N2 量为VN 2煤 ? G煤 N 2 %煤 22.4 28 ? 150? 0.46%? 22.4 28 3 ? 0.55m故V N 2 ? V N 2 风 ? V N 2 焦 ? V N 2 煤 ? 923.5 ? 0.9 ? 0.55 ? 924.95m 3- 20 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）煤气成分见表 1.10。表 1.10 煤气成分 CO2 体积 m3 % 357.28 21.8 CO 318.29 19.42 N2 924.95 56.43 H2 30.95 1.89 CH4 7.68 0.47 Σ .001.3.3 编制物料平衡表1、鼓风质量的计算 1m3 鼓风的质量为：r ? [0.21(1 ?)32 ? 0.79(1 ?)28? 18?] 22.4 ? [0.21? 0.985? 32 ? 0.79? 0.985? 28 ? 18?1.493%] ? 1.28 kg m322.4鼓风的质量为：G风 ? V风 r风 ? .28 ? ? 1518.98kg2、煤气质量计算 1m3 煤气的质量为：r气 ? [44CO2 % ? 28CO % ? 28N 2 % ? 2 H 2 % ? 16CH 4 %] 22.4 % % % %] ? [44? 0.218%? 28? 0.1942 ? 28? 0.5643 ? 2 ? 0.0189 ? 16? 0.0047 ? 1.381kg m322.4煤气的质量为：G气 ? V气r气 ? .381 ? ? 2263.67kg3、煤气中的水分 GH2O ① 焦炭带入的水分为：- 21 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）GH 2O焦 ? G焦 H 2O% 焦 ? 342.18 ? 4.0% ? 13.69kg② 氢气参加还原生成的水分为：GH 2O还 ? VH 2间 2 ?18 22.4 2 ? 24.93? 2 ?18 22.4 2 ? 20.03kg故GH 2O ? GH 2O焦 ? GH 2O还 ? 13.69? 20.03 ? 33.72kg物料平衡列入表中 1.11。表 1.11 物料平衡表 入相 综合矿 焦炭 （湿） 鼓风 （湿） 煤粉 kg .80 .00 % 44.31 9.86 41.71 4.12 出相 生铁 炉渣 煤气（干） 煤气中水 炉尘 Σ
.72 20.00 3635.14 % 27.51 8.83 62.18 0.93 0.55 100相对误差? 5.14 .13%? 0.3 % （ ）1.4 热平衡计算 1.4.1 热量收入 q 收1、碳素氧化放热 qC （1）碳素氧化为 CO2 放出的热量ｑCO2： 他素氧化产生 CO2 的体积为：VCO2氧化 ? VCO2煤气 - VCO2挥 ? 357.28- 0.263 ? 357.02m- 22 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）q CO2 ? VCO2氧化 12 ? 357.02 ?12 k J22.4? 33436.222.4? 33436.2式中33436.2――C 氧化为 CO2 放热，kJ/kg（2）碳素氧化为 CO 放出的热量ｑCO： 碳素氧化生成 CO 的体积为：VCO氧化 ? VCO煤气 - VCO挥 ? 318.29 - 0.44 ? 317.85m 3q CO ? VCO氧化 12 ? 317.85 ?1222.4? 9804.622.4 ?
kJ? 9804.6式中9804.6――C 氧化为 CO 放热，kJ/kg故q C ? q CO2 ? q CO ?
? ? kJ2、鼓风带入的热量 q 风q 风 ? V风 - V风?）q空气 ? V风?q 水气 （ ? 86.7 1.493% ?6.7 1.493% 2030.26 （ ? ） ? ? ? ?
kJ式中 q 空气 ――在 1150℃ 下空气的热容量，其值为 1643.11kJ/m3 q 水气 ――在 1150℃ 下水气的热容量，其值为 2030.26kJ/m3 3、氢氧化为水放热q H 2O ? G H O 还 ?13454.092? 20.03?13454.09 ? k J式中 13454.09――H2 氧化为水放热，kJ/kg4、甲烷生成热q CH 4 ? V CH ? 7.6?164碳16? .4? .4 ? 25566.18kJ式中4709.56――甲烷生成热，kJ/kg- 23 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5、炉料物理热 q 物 80℃ 冷综合矿比热容为 0.674 kJ/kg? 。 ℃q 物 ? G矿 ? 0.674? 80 ? .674? 80 ? ? 85581.66kJ热量总收入：q 收 ? q C ? q 风 ? q H 2O ? q CH 4 ? q 物 ?
? 25566.18 ? 85581.66 ?
7kJ1.4.2 热量支出 q 支1、氧化物分解吸热 q 氧化物分解 （1）铁氧化物分解吸热 q 铁氧化： 可以考虑其中有 20%FeO 以硅酸铁形式存在， 其余以 Fe3O4 形式存在， 因此： GFeO 磁＝G 矿 FeO%矿－GFeO 硅GFeO硅 ? G矿 FeO%矿 ? 20% ? .10% 20% ? ? ? 51.38kg GFeO磁 ? G矿 FeO%矿 - GFeO硅 ? .10%- 51.38 ? ? 205.53kgGFe2O3磁 ? GFeO磁 ?160 72 ? 205.53 160 ? 72 ? 456.73kgGFe2O3游 ? G矿 Fe 2O3矿 - GFe2O3磁 ? 1595.72 ? 67.22% - 456.73 ? 651.91kg GFe3O4 ? GFeO磁 ? GFe2O3磁 ? 205.53 ? 456.73 ? 662.26kg- 24 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）q FeO硅 ? GFeO硅 ? 4078.25 ? 51.38 ? 4078.25 ? k gq Fe O ? GFe2O3 ? 4803.333 4? 662.26? 4803.33 ? kJ . q Fe O3 4游? GFe2O3游 ? 5156.59? 615.91 5156.59 ? ?
kJ式中 热，kJ/kg 03.33、5156.59――分别为 FeSiO3、Fe3O4、Fe2O3 分解q 铁氧化 ? q FeO硅 ? q Fe 3O 4 ? q Fe 3O 4 游 ?
kJ（2）锰氧化物分解吸热为:q 锰氧分 ? [Mn]%?.02 ? 0.024% .02 ? ? 1767.84kJ式中 7366.02――由 MnO 分解产生 1kg 锰吸收的热量，kJ/kg（3）硅氧化物分解吸热为:q 硅氧分 ? [Si]% ? 37 . ? 0.65% ? 37 . ? kJ .式中 31102.37――由 SiO2 分解产生 1 kg 硅吸收的热量，kJ/kg（4）磷酸盐分解吸热为:q 磷盐分 ? [P]%?.6 ? 0.051% .6 ? ? 17891.3kJ式中 35782.6――Ca3（PO4）2 分解产生 1 kg 磷吸收热量，kJ/kg故q 氧化物分解 ? q 铁氧化 ? q 锰盐分 ? q 硅盐分 ? q 磷盐分 ?
? 1767.84 ?
? 17891.3 ?
kJ- 25 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2、脱硫吸热q 脱硫 ? GS渣 ? 8359.05 ? 3.14? 8359.05 ? 26247.42kJ式中 8359.05――假定矿中硫以 FeS 形式存在， 脱出 1kg 硫吸热量值， kJ/kg3、水分分解吸热q 水分 ? V风? 18 （ ? G H O % 煤） .4 煤 2 ? .493% 18 （ ? ? 150? 0.83% ?13454.1 ） 22.4 ? k J式中13454.1――水分解吸热，kJ/kg4、炉料游离水蒸发吸热q 汽 ? G焦 H 2O%焦 ? 2682 ? 342.18 4.0%? 2682 ? ? 39709.07kJ式中 2682――1 kg 水由 0℃ 变为 100℃ 水汽吸热，kJ/kg5、铁水带走的热 q 铁水q铁水 ? ? 1173000kJ式中 1173――铁水热容量，kJ/kg6、炉渣带走的热q渣 ? G渣 ? .6kJ ?式中 1760――炉渣热容量，kJ/kg7、喷吹物分解吸热q喷 ? G煤 ?48? 157200kJ式中 1048――煤粉分解热，kJ/kg8、炉顶煤气带走的热量 q 煤气 从常温到 200℃ 之间，各种气体的平均比热容 Cρ[kJ/(kg?℃ )]如下（表 1.12） ：表 1.12 各种气体的平均比热容 N2 CO2 CO H2 CH4 H2O 汽- 26 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文） 1.284 1.777 1.284 1.278 1.610 1.605（1）干煤气带走的热量为q 煤气干 ? 1.284VN 2 ? 1.777VCO2 ? 1.284VCO ? 1.278VH 2 ? 1.610VCH 4） 240 （ ? ? (1.284 ? 924.95 ? 1.777 ? 357.28 ? 1.284 ? 318.29 ? 1.278 ? 30.95 ? 1.610 ? 7.68) ? 240 ? k J（2）煤气中水汽带走的热为q 水 ? 1.605? GH 2O ? 22.4 (200- 100) 18 ? 1.605? 33.72? 22.4 ?100 18 ? 4469.02kJq煤气 ? q煤气干 ? q水 ?
0724.16k ? J9、炉尘带走的热量q 尘 ? G 尘 ? 0.7542 ? 200 ? 20 ? ?0.7542 ? 200 ? 3016.8kJ式中0.7542――为炉尘的比热容，kJ/(kg? ) ℃故q 支 ? q 氧化物分解 ? q 脱硫 ? q 水分 ? q 汽 ? q 铁水 ? q 渣 ? q 喷 ? q 煤气 ? q 尘 ?
? 26247.42 ?
? 39709.07 ? 1173000 ?
? 157200 ?
? 3016.8 ?
kJ10、冷却水带走及炉壳散发热损失q 损失 ? q收 - q 支 ?
7 ? k J1.4.3 热平衡表见表 1.13。表 1.13 热平衡表 热收入 碳素氧化放热 热风带的热 甲烷生成热 氢氧化放热 kJ
527.13 % 77.42 18.90 0.25 2.60 热支出 氧化物分解 脱硫 游离水蒸发 铁水带热 kJ
09.03 1173000 % 65.60 0.25 0.35 11.34- 27 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文） 物料物理热 总计 .83 100 炉渣带热 喷吹物分解 煤气带热 水分分解 炉尘带热 热损失 总计
5.46 1.52 4.45 2.01 0.03 8.98 100热量利用系数 KTKT ? 总热量收入（煤气带走的热? 热损失） ? 100%（4.45? 8.98 % ） ? 86.57%对于一般中小型高炉 KT 值为 80%~85%[10]， 近代高炉由于大型化和原料条件 的改善可达到近 90% 碳素利用系数 KKC ? ? 碳素氧化热（燃烧生成 和CO2放热） CO ?100% 除进入生铁外的碳全部 生成CO2放热 ?100% (406.71 41.1)? 33463.2 ? ? 65.54%KC 值对于中小型高炉为 50%~60%， 大型而原料条件较好的高炉可达到 65% 以上。- 28 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2 高炉本体设计高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉衬、冷却装置，以及高炉炉型设计计算 等。 高炉的大小以高炉有效容积表示； 高炉有效容积和座数表明高炉车间的规模， 高炉有效容积和炉型是高炉本体设计的基础。近代高炉有效容积向大型化发展。 目前，世界大型高炉有效容积已达到 5000m3 级，而炉型设计则向着大型横向发 展， H/D 值已近 2.0 左右。 高炉本体结构的设计以及是否合理是实现优质、低耗、 高产、长寿的先决条件，也是高炉辅助系统装置的设计和选型的依据。高炉炉衬 用耐火材料， 已由单一的陶瓷质耐火材料，普遍地过渡到陶瓷质和碳质耐火材料 综合结构，也有采用高纯度 Al2O3 的刚玉砖和碳化硅砖；高炉冷却设备期间结构 亦在不断改进，软水冷却、纯水冷却在逐渐扩大其使用范围。由于高炉综合设计 水平的提高， 强化高炉炉龄已经可望达到十年或更长。高炉本体结构及其设计是 高炉车间实际首要解决的关键所在，必须慎重对待。2.1 高炉炉型高炉是竖炉。 高炉内部工作空间剖面的形状成为高炉炉型或高炉内型。高炉 问世二百多年来， 随着人们对产量的要求和原料燃料条件的改善，以及鼓风能力 的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展。 高炉冶炼的实质是上升的煤气流和下降炉料之间所进行的传热传质过程， 因 此必须提供燃料燃烧所必须的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空 间。炉型要适应炉料燃烧条件，保证冶炼过程的顺行。2.2 炉型设计与计算高炉炉型设计的依据是单座高炉的生铁产量，由产量确定高炉有效容积。历 史上曾有过将产量与有效高度直接联系起来， 结果设计炉型都是依产量大小的相 似形， 这显然是不合理的； 也曾有过以产量定炉缸截面积， 在焦比一定的条件下， 炉缸单位面积的燃烧强度， 便可以确定某一合适的数值，这样做虽然有一定的道 理，但并不全面。现在多数国家都是以产量和有效容积利用系数（ηv）来确定高 炉有效容积，再以有效容积为基础，计算其他尺寸。- 29 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）有关炉型的名词概念： 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，炉衬侵蚀，形状发生变化后的炉 型； 合理炉型――冶炼效果较好，获得优质、低耗、高产和长寿的炉型，它具有 时间性、相对性。 高炉冶炼是复杂的物理化学过程，设计的炉型必须适应冶炼过程的需要，设 计炉型应能保证高炉一代获得稳定的较高的产量，优质的产品，较低的能耗和一 代长寿。高炉在一代冶炼过程中，其炉衬不断侵蚀，炉型不断发生变化，炉型变 化的程度和趋势与冶炼原料条件、操作制度有关，与炉衬结构和耐火材料的性能 有关， 还与冷却装置及冷却制度有关。高炉冶炼实际上是长时间在操作炉型内进 行。因此掌握冶炼过程中炉型的变化及其趋势，对设计合理炉型非常重要。高炉 大修设计，应对前一代高炉炉型做详细地调查和分析。新建厂矿高炉设计，必须 分析原料燃料条件、设备条件和操作条件。 设计要求： 设计一个年产炼钢生铁 280 万吨，铸造生铁 40 万吨的高炉车间。 计算时铸造生铁按照炼钢生铁计算。 1、确定年工作日：取年日期的 95%365 ? 95% ? 347 d2、铸造生铁换算炼钢生铁的折算系数为：1.05 40 万吨×1.05=42 万吨 年产炼钢生铁总量：280 万吨+42 万吨=322 万吨 日产量 ： 3、定容积： 选定高炉座数为 2 座，利用系数为η 每座高炉日产量 每座高炉容积为 4、炉缸尺寸- 30 vp总 ? 322?10000 ? 7=2.3t/(d?m3)2 4 ?9t 2p?p总、 Vu ? p4 6 4 9 ? 2 0 2 m3 2 ?v ? 2 .3 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）⑴炉缸直径d ? 0.32Vu 取9.8m⑵炉缸高度 渣口高度hz ? 1.27bP 取hz ? 2.0m N C?0.45? 0.32? 20220.45 ? 9.8342 铁d? 1.27?1.2 ? 4649 ? 1.99m 9 ? 0.58? 7.1? 9.82b－生铁产量波动系数一般取 1.2； P－生铁日产量，t； N－昼夜出铁次数，一般 2h 出一次铁，本计算取 9； c－渣口以下炉缸容积利用系数，一般为 0.55～0.6，渣量大时取低值；? 铁 －铁水密度，可取值 7.1t／ m3 ;d－炉缸直径； 风口高度： 因为取消渣口，选定 k=0.60,hf ? hz 2.0 ? ? 3.33m取3.3m k 0.60风口数目：n ? 2(d ? 2) ? 2 ? (9.8? 2) ? 23.6 取24个选取风口的结构尺寸为：a=0.5m。 炉缸高度： h1=hf+a=3.3+0.5=3.8m 铁口的数目 n 铁=2。 5、死铁层厚度 h0 选取 h0=0.2d=0.2×9.8=1.96m。 该值在同类高炉中偏大，目的是延长高炉寿命。 6、炉腰直径、炉腹角、炉腹高度 选取 D/d=1.13，- 31 -取 h1 =3.8m 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）则D=1.13d=1.13×9.8=11.07 m取 D=11m。选取 α =81°，则h2 ? D?d 11 - 9.8 tan ? ? tan 81 ? 3.78取3.8m 2 2 2h 2 2 ? 3.8 tan ? ? ? ? 6.33得? ? 80.98? D ? d 11 - 9.87、炉喉直径、炉喉高度 选取 d1/D=0.7，则 d1=11×0.7=7.7m。 选取 h5 =2.0m。 8、炉身角、炉身高度 选取β =84°，则h4 ? D ? d1 11 - 7.7 tan ? ? tan 84 ? 15.69取15.7m 2 2tan ? ?9、炉腰高度2h4 2 ?15.7 ? ? 9.52得? ? 84? D ? d1 11- 7.7选取 H u /D=2.5，则 H u =2.5×11=27.5m ，取 H u =27.5m。h3 = H u ? h1 ? h2 ? h4 ? h5 ? 27.5－3.8－3.8－15.7－2.0=2.2m10、校核炉容 ⑴炉缸体积：3.14 ? 9.82 ? 3.8 ? 286 .49 m3 4 4 ? 3.14 V2 ? h 2 ( D 2 ? Dd ? d 2 ) ? ? 3.8 ? (112 ? 11? 9.8 ? 9.82 ) ? 324 .84m3 12 12 ⑵炉腹体积： V1 ? d 2 h1 ??⑶炉腰体积：V3 ??4D2 h3 ?3.14 ?112 ? 2.2 ? 208 .97 m3 43.14 ?15.7 ? (112 ? 11? 7.7 ? 7.7 2 ) ?
12⑷炉身体积：V4 ??12h 4 ( D 2 ? Dd 1 ? d1 ) ?2⑸炉喉体积：V5 ??4d1 h 5 ?23.14 7.7 2 ? 2.0 ? 93.09 m3 4- 32 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）Vu ? v1 ? v2 ? v3 ? v4 ? v5 ? 误差： ?V ?Vu - Vu、 Vu?100%? ? 0.98%? 1% 2022炉型设计合理，符合要求。 11、绘制高炉炉型图。高炉炉型图见图 2.1。图 2.1 高炉炉型及尺寸2.3 高炉炉衬设计按照设计炉型， 以耐火材料砌筑的实体称为高炉炉衬。高炉炉衬的作用在于 构成高炉的工作空间， 减少热损失，并保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化 学侵蚀的作用。2.3.1 炉底的炉衬设计与砌筑1、破坏机理：炉底破损分两个阶段，初期是铁水渗入将砖漂浮而成锅底深 坑；在 ℃液态渣铁的高温热力作用下，由于炉底砌体温度分布不均 匀,导致砌体开裂，特别是采用不同材质的耐火砖时，由于膨胀系数不同，更会 导致砌体开裂，由于炉缸铁水温度不同，造成铁水对流，冲刷炉底；在高温下， 渣铁碱金属会对砖衬产生化学侵蚀； 铁水和炉渣在出铁时的流动对炉底产生冲刷 作用；炉料重量的 10～20%和液态渣铁、煤气的静压力作用；开炉初期铁水与炉 渣中氧化物、煤气中的二氧化碳、水蒸气对碳砖的氧化。 2、使用的耐火材料：采用满铺碳砖砌筑，用泥浆为黏土火泥―水泥泥料填 充料。- 33 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3、砌筑方式：满铺碳砖炉底砌筑，碳砖砌筑在水冷管的碳捣层上，有厚缝 和薄缝两种连接形式，薄缝连接时，各列赚砌缝不大于 2.5mm，厚缝连接时，砖 缝为 35～45mm，缝中以碳素捣料捣固。目前的砌法是碳砖的短缝用薄缝连接， 两侧的长缝用厚缝连接。相邻两行碳砖砖缝必须错缝 200mm 以上。两成碳砖砖 缝成 90°。 4、计算： （1）所选炭砖型号： 400mm ? 400mm ?1200mm 。 （2）计算块数：由于 d=9800m、h0=1960mm， 要求薄缝不大于 1.5mm、厚缝不大于 2.5mm， 所以： n ? ? ?98002 ? 183.31 ≈50 块。 400.75
? ?厚层数= 层，总砖数 N ? 50 ? 5 ? 250块 。2.3.2 炉缸设计的炉衬设计1、破坏机理：炉缸下部是盛渣铁夜的地方，周期地进行聚集和排出，所以 渣铁的流动、 炉内渣铁液面的升降，大量的煤气流等高温气体对炉衬的冲刷是主 要的破坏因素，特别是铁口、铁口附近的炉衬是冲刷最厉害的地方；高炉炉渣偏 碱性而常用的耐火砖偏酸性， 故在高温下化学性渣化，对炉缸砖衬是一个重要的 破坏因素；风口带是炉内最高温度区域，炉衬经常承受 ℃的高温作 用，发生蠕动，加上碱金属、锌侵蚀和渣铁冲刷，砖衬很容易损坏，砖缝增大。 2、使用的耐火砖：采用热压碳砖，用炭质填料及热固性炭胶粘结。 3、计算： （1）热压炭砖的型号： 229mm ?114mm ? 64mm 砖缝：2mm. 砌砖与冷却壁：100～150mm （2）炉钢高度 h1=3900mm 纵层数：h1/c= 层。 横层数： 层。- 34 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）1 2 １ ２ S环1 ? ? (d ? a） － ?ｄ 4 ４ 1 2 ? [(1) 2 ? 10600 ] ? 4 ? mm2 .2 S砖 ? 229?114mm? 26106mm? 第一内层所需砖数为：S环1 ? 148块 。 S砖2 同理： S环 2 ? ? [(d ? 2a） ( d ? a)2 ] －1 4 1 ? ? [( 10600 ? 229 ? 2 )2－( 10600 ? 229 )2 ] 4 ? 9 mm 2即第二内层总数：S环 2 ? 151 块 S砖同理：第三内层砖数为：154 块 第四内层砖数为：158 块 第五内层砖数为：161 块 所以最底层砖数为： (149? 151? 154? 158? 161? 773 ， 块 总砖块数为： N总 ? 773? 61? 47153 。 块2.3.3 炉腹、炉腰和炉身下部的炉衬设计1、炉腹部位内衬破损机理：炉腹距风口最近，受强烈热作用力，不仅炉衬 内表面温度高，而且由温度波动引起的热冲击，或称热震破坏力很大；由于炉腹 倾斜，受料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响；承受由上部落入炉缸的渣铁水 和高速向上运动的高温煤气的冲刷，化学侵蚀和氧化作用。 2、炉腹炉衬设计： 耐火砖的选择：采用高铝砖砌筑。 （1）砌筑方式：由于开炉后炉腹部位的砌砖很快被侵蚀掉，靠渣皮工作， 一般砌一层高铝砖或黏土砖，厚度为 345mm 左右，炉腰有 3 种结构，采用薄壁- 35 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）式炉腰，炉身砌砖厚度通常为 690～805mm（选取 690mm）用镶砖冷却壁冷却 炉腹、炉腰及炉身下部，砌砖紧靠冷却壁，缝隙填浓泥浆。也有的后墙炉身，采 用冷却水箱冷却，这时砌砖与冷却水箱之间侧面和上面缝隙为 5～20mm，下面 为 10～15mm，炉腹、炉腰砌砖砖缝应不大于 1.5mm，上下层砌缝和环缝均匀错 开，炉身倾斜部分按 3 层砖依次砌筑。 （2）选用的高铝砖型号：G ― 2 : 345mm ?150mm ? 75mm G ― 4 : 345mm ?150mm ?125mm ? 75mm（3）炉腹高度：h2=3400mm 纵层数：h 2 3400 ? ? 46层 c 75厚度为 345mmα =80°48′40″横层数：1 层 计算砖数：第一层： n s ?2?a ? 87 块 150－125 ?d－nb 3.14 ?10600－ ?125 87 Nz ? ? ? 150 块 b 150由于倾斜部分接三层砖错台砌筑.即向外延伸 24.3mm，所以第二层与第三 层均为（87+150）块砖。 第四层为（87+151）块砖； ?? 同理：第 45 层为（87+164）块； 第 46 层为（87+165）块； 即楔形砖总数为： n s总 ? 46 ? 87 ? 4002 。 块 直形砖总数： n z总 ? 450? 453? 456? ?? 492? 165? 7230 。 块 3、炉腰、炉身下部内衬破损机理：高温煤气冲刷和热冲击；碱金属、锌蒸 汽和沉积碳的侵蚀；初渣氧化亚铁、氧化锰的侵蚀，炉腰部比炉腹的更高。 采用刚玉砖砌筑，刚玉型号：GAZ―983 ? ? 3.2t/m 。取 h3=2000mm ，D=11700mm，且采用薄壁式炉腰，厚度为 345mm。- 36 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2.3.4 炉身上部和炉喉的炉衬设计1、砌筑方式： 选用高铝砖砌筑，h5=2400mm，厚度 690mm，按三层错台一次砌筑。 炉身上部砌砖与炉壳间隙为 100～150mm，填以水渣-石棉隔热材料。 2、耐材种类： 高铝砖：G-2： 345mm ?150mm ? 75mm G-4： 345mm ?150mm ?125mm ? 75mm 3、计算（损耗 5%） ：h 4 18000 ? ? 240 层 ； c 75 690 ? 2层 ； 截面横层数： 345纵层数：ns ?2?a 2 ? 3.14? 345 ? ? 87块 b－b1 150 125 －240 ? 80 3设每三层为一阶 n x ，则炉身总阶数为 每阶减少内径： d1 ? 总层数 h ?3c ? 2 ? 73.3mm。 tan ?18000 ? 240 层 。 75 ?d－n s b1 3.14 ?15 n1 ? ? ? 173块 1 b 150 ? (d ? a)－n s b1 3.14 ? 11700 ? 345)－87 ?125 （ n1 ? ? ? 180 块 1 b 150 ? (d －d1 )－n s b1 n1 ? ? 171块 1 b ? (d ? a－d1 )－n s b1 n2 ? ? 178块 2 b??n1 ? 802 n 80? 52块 b ? ?d ? a－79d 1 ?－n s b1 ? ? 59 块 b? ?d－79d 1 ?－n s b1楔形砖总块数： n s总 ? 240? 87? 2 ?1.05? 43848 。 块 直形砖总块数： n z总 ? 3??173 ? 180 ? ? ?52 ? 59 ?? ? 80 ?1.05 ? 58464 块 。2- 37 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）4、炉喉 炉喉衬板以铸钢件制成，在炉喉的钢壳上装有吊挂座，座下装有横的挡 板。其炉喉钢砖如图 2.2 所示。2.4 高炉冷却设备 2.4.1 冷却设备的作用高炉冷却设备是高炉炉体结构的重要组成部分，对炉体寿命可起到如下作 用：图 2.2 炉喉钢砖1―炉喉钢砖；2―钢轨形吊挂；3―炉壳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 15%的热量通过炉壳散失。 2、对耐火材料的冷却和支撑。 3、维持合理的操作炉型。 4、当耐火材料大部分侵蚀后，能靠冷却设备上的渣皮继续维持高炉生产。2.4.2 冷却介质及水的软化高炉冷却用冷却介质是水，因为水的热容量大、热导率大、便于输送，成本 低廉。 水的软化主要是将钠离子经过离子交换剂与水中的钙、镁离子进行交换，而 水中其它的阴离子没有改变， 软化后水中的碱度未发生变化，而水中含盐量比原- 38 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）来略有增加。2.4.3 冷却方式1、炉缸、炉腹及炉腰的冷却 本设计采用炉体砌砖与冷却壁（铜冷却壁）一体化，即将氮化物结合的碳化 硅砖（相当于炉体砌砖）与冷却壁合注在一起，这样较好的解决了砖衬的支承问 题，缩短了施工工期。 其优点是：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。 2、炉身冷却 为了提高高炉炉身寿命， 本设计采用炉身冷却模块技术，将冷却水管直接焊 接在炉壳上， 并浇铸耐热混凝土，是由炉壳―厚壁钢管―耐热混凝土构成的大型 冷却模块组成。 冷却模块将炉身部位的炉壳沿径向分成数块，块数取决于炉前的 起重能力。将厚壁（15mm）把手型无缝钢管作为冷却元件直接焊在炉壳钢甲上， 在炉壳及钢管见浇注耐热混凝土，混凝土层高出水管 110～130mm，构成大型预 制冷却模块。通过炉顶托圈吊装与炉腰钢甲对接，经两面焊接后即形成新炉身。 主要技术优点如下： ⑴与传统的“炉壳―铸铁冷却壁―炉衬”相比，炉身寿命提高近 1 倍。 ⑵明显降低炉身造价。 新型冷却模块结构以钢管代替铸铁冷却壁使冷却设备 重量大大降低，而以耐热混凝土代替耐火砖，不论价格或数量都大为减少，使高 炉炉身造价成倍降低。 ⑶缩短大修时间， 大型模块的制造可在停炉前预先进行， 停炉后只进行吊装、 焊接、浇注对接缝等，相当于在高炉上整体组装炉身，大大缩短大修工期。 ⑷高炉大修初始即形成操作炉型，有力高炉顺行，同时由于炉衬减薄，也扩 大了炉容，在供排水方面无特殊要求，利用原有系统即可正常进行。 3、炉底冷却 本设计高炉炉缸直径较大， 周围径向冷却壁的冷却，已不足以将炉底中心部 位的热量散发出去，如不进行冷却则炉体底部侵蚀严重，因此，高炉炉底中心部 位要冷却，高炉水冷炉底结构如图 2.5 所示。- 39 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.5 水冷炉底结构图水冷管中心线一下埋置在炉基耐火混凝土基墩上表面中， 中心线以上为碳素 捣固层，水冷管为φ 40mm×10mm，炉底中心部位水冷管间距 200～300mm 边 缘水冷管间距为 350～500mm，水冷管两端伸出炉壳外 50～100mm.炉壳开孔后 加垫板加固，开孔处应避开炉壳折点 150mm 以上。水冷炉底结构应保证切断给 水后，可排出管内积水，工作时排水口要高于水冷管水平面，保证管内充满水。2.4.4 高炉冷却系统采用软（纯）水密闭循环冷却系统，工作原理见图 2.6 所示，这是一个完全 密闭的系统，用软水作为冷却介质。软水由循环泵送往冷却设备，冷却设备排出 的冷却水经膨胀罐送往空气冷却器，经空气冷却器散发于大气中，然后再经循环 泵送往冷却设备。图 2.6 软（纯）水密闭循环冷却系统1―冷却设备；2―膨胀罐；3―空气冷却器；4―循环泵；5―补水；6―加药；7―充氮膨胀罐为一圆柱形密闭容器，其中充以氮气，用以提高冷却介质压力，提高- 40 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）饱和蒸汽的温度， 进而提高饱和蒸汽与冷却设备内冷却水实际温度之差，即提高 冷却水的欠冷度。 膨胀罐具有补偿由于温度的变化和水的泄露而引起的系统冷却 水体积的变化，稳定冷却系统的运转，并且通过罐内水位的变化，判断系统泄露 情况和合理补充软水。空气冷却设备由风机和散热器组成，用来散发热量，降低 冷却水温度。 软水密闭循环系统的特点有： 1、工作稳定可靠：由于冷却系统内具有一定的压力，所以冷却介质具有较 大的欠冷度。 2、冷却效果好，高炉寿命长。它使用的冷却介质是软（纯）水，是经过化 学处理即除去水中硬度和部分盐类的水。 这就从根本上解决了在冷却水管或冷却 设备内壁结垢的问题，保证有效冷却并能延长冷却设备的寿命。 3、节水。因为整个系统完全处于密闭状态，所以没有水的蒸发损失，而流 失也很少。 4、电能耗量低。闭路系统循环水泵的扬程仅取决于系统的阻力损失。2.5 高炉送风管路高炉送风管路由热风总管、热风围管、与各风口相连的送风支管（包括直吹 管）及风口（包括风口中套、风口大套）等组成[3]。2.5.1 热风围管热风围管的作用是将热风总管送来的热风均匀地分配到各送风支管中去。 热 风总管和热风围管都由钢板焊成，管中由耐火材料筑成的内衬。为了不影响炉前 作业，热风围管都采用吊挂式，大框架热风围管吊挂在横梁上，热风总管与热风 围管的直径相同，其直径由下式计算： D= 式中4Q 4 ? 48.57 = =1.4m 3.14 ? 30 ?vD――热风总管或热风围管内径，m Q――气体实际状态下的体积流量，m3/s v――气体实际状态下的流速，m/s。- 41 -本计算取 30m/s 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）2.5.2 送风支管送风支管的作用是将热风围管供来的热风通过风口送入高炉炉缸， 还可通过 它向高炉喷吹燃料。送风支管长期处于高温、多尘的环境中，工作条件很恶劣， 所以要求送风支管密封性好，压损小，热量损失小，在热胀冷缩的条件下由自动 调节位移的功能。 送风支管由送风支管本体、送风支管张紧装置、送风支管附件等组成。2.5.3 直吹管直吹管是高炉送风支管的一部分，尾部与弯管相连，端头与风口紧密相连。 热风经热风围管、弯管传到直吹管，通过风口进入高炉炉缸。直吹管由端头、管 体喷吹管、尾部法兰和端头水冷管路五部分组成，如图 2.8 所示。图 2.8 直吹管结构图1―端头；2―管体；3―喷吹管；4―冷却水管；5―法兰2.5.4 风口装置1、风口 风口也称风口小套或风口三套，是送风管路最前端的一个部件。它位于高炉 炉缸上部，成一定角度探出炉壁。风口与风口中套、风口大套装配在一起，加上 冷却水管等其他部件，形成高炉的风口设备，其结构见图 2.9 所示。- 42 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.9 风口装置结构示意图1―风口中套冷水管；2―风口大套密封罩；3―炉壳；4―抽气孔；5―风口大套； 6―灌泥浆孔；7―风口小套冷水管；8―风口小套；9―风口小套压紧装置； 10―灌泥浆孔；11―风口法兰；12―风口中套压紧装置；13―风口中套2、风口中套 风口中套的作用是支撑风口小套， 其前端内孔的锥面与风口小套的外锥面配 合，上端的外锥面与大套配合，用铸造紫铜制作。 3、风口大套 风口导套的功能是支撑风口中套与小套，并将其与高炉炉体相连成为一体。 风口大套的前端锥面与风口中套上端锥面配合， 上端通过风口法兰与炉体装配连 接在一起。风口导套为铸钢件。2.6 高炉钢结构高炉钢结构包括炉壳、炉体框架、炉顶框架、平台和梯子等。高炉钢结构是 保证高炉正常生产的重要设施。2.6.1 高炉本体钢结构本设计采用炉体框架式，其结构如图 2.10 所示。 其特点是由 4 根支柱连接成框架， 而框架是一个与高炉本体不相连接的独立 结构。框架下部固定在高炉基础上，顶端则支撑在炉顶平台。因此炉顶框架的重- 43 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）量、煤气上升管的重量、各层平台及水管重量，完全由大框架直接传给基础。只 由装料设备重量经炉壳传给基础。图 2.10 高炉本体钢结构这种结构由于取消了炉缸支柱， 框架离开高炉一定距离， 所以风口平台宽敞， 炉前操作方便，还有利于大修时高炉容积的扩大。2.6.2 炉壳炉壳是高炉的外壳， 里面有冷却设备和炉衬， 顶部是装料设备和煤气上升管， 下部坐落在高炉基础上，是不等截面的圆筒体。 炉壳的主要作用是固定冷却设备，保证高炉砌砖的牢固性、承受炉内压力和 起到炉体密封作用，因此炉壳必须具有一定强度。 炉壳厚度应与工作条件相适应，各部位厚度可由下式计算； δ =kD 式中δ ――计算部位炉壳厚度，mm； D――计算部位炉壳外弦带直径，m； K――系数，mm/m；与弦带位置有关。- 44 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.11 高炉炉体各弦带分界示意图2.6.3 炉体框架炉体框架由四根支柱组成，上至炉顶平台，下至高炉基础，与高炉中心成对 称布置，在风口平台以上部分用钢结构。风口平台以下是采用钢筋混凝土结构。 保证支柱与热风围管的 250mm 间距。2.6.4 炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱坐圈炉缸支柱是用来承担炉腹或炉腰以上，经炉腰支圈传递下来的全部负荷。它 的上端与炉腰支圈连接， 下端则伸到高炉基座的坐圈上。大中型高炉一般都是用 24～40mm 的钢板，焊成工字形断面的支柱，为了增加支柱的刚度，常加焊水平 筋板。支柱外倾斜角 6°左右，以使炉缸周围宽敞。 支柱的数目为 12 个（风口数目的一半） ，并且均匀地分布在炉缸周围，其位 置不能影响风口、铁口、渣口的操作，其强度则应考虑到个别支柱损坏时，其它 相邻支柱仍能承担全部负荷。为了防止发生炉缸烧穿时，渣铁水烧坏炉缸支柱， 应从高炉基座的坐圈直到铁口以上 1m 处的支柱表面，用耐火砖衬保护。 炉身支柱的作用是支撑炉顶框架及炉顶平台上的载荷、炉身部分的平台走 梯、给排水管道等。 炉腰支圈的作用是把它承托的上部均布荷载变成几个集中载荷传给炉缸支 柱，同时也起着密封作用。其结构如图 2.12 所示：- 45 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）图 2.12 炉腰支圈支柱坐圈是为了使支柱作用于炉基上的力比较均匀。 在每个支柱下面都由铸 铁或型钢做成的单片垫板， 并且彼此用拉杆或整环连接起来，以防止支柱在推力 作用下或基础损坏时发生位移。2.7 高炉基础高炉基础是高炉下部的承重结构， 它的作用是将高炉全部载荷均匀地传递到 地基。高炉基础由埋在地下的基座部分和地面上的基顿部分组成。其结构如图 2.13 所示。2.7.1 高炉基础的负荷高炉基础承受的荷载有：静负荷、动负荷、热应力的作用，其中温度造成的 热应力的作用最危险。图 2.13 高炉基础1―冷却壁；2―水冷管；3―耐火砖；4―炉底砖；5 耐热混凝土基墩；6―钢筋混凝土基座1、静负荷 高炉基础承受的静负荷包括高炉内部的炉料重量、渣、铁液重量、炉体本身- 46 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）的砌砖重量、金属结构的重量、冷却设备及冷却水重量、炉顶设备重量等，另外 还有炉下建筑物、斜桥、卷扬机等分布在炉身周围的设备重量。就力的作用情况 来看，前者是对称的，作用在炉基上，后者则常常是不对称的，是引起力矩的因 素，可能产生不均匀下沉。 2、动负荷 生产中常由崩料、坐料等，加给炉基的动负荷是相当大的。 3、热应力的作用 炉缸中贮存着高温的铁液和渣液，炉基处于一定的温度下。由于高炉基础内 温度分布不均匀， 采用里高外低， 上高下低， 这就在高炉基础内部产生了热应力。2.7.2 对高炉基础的要求对高炉基础的要求如下： 1、高炉基础应把高炉全部载荷均匀地传给地基，不允许发生沉陷和不均匀 的沉陷。 2、具有一定的耐热能力。基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为 2.5~3.0m。- 47 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3 高炉炼铁车间供料系统现代钢铁联合企业中， 炼铁原料供应系统以高炉贮矿槽为界分为两部分。从 原料进厂到高炉贮矿槽顶部属于原料厂管辖范围，它完成原料的卸、堆、取、运 作业；根据要求还需进行破碎、筛分、混匀和分级等作业，起到贮存、处理供应 原料作用[7]。从高炉贮矿槽顶部到高炉炉顶装料设备属于炼铁厂管辖范围，它负 责向高炉按规定的原料品种、数量、分批地及时供应。现代高炉对原料供应系统 的要求是： 1、保证连续地、均衡地供应高炉冶炼所需的原料，并为进一步强化冶炼留 有余地； 2、在贮运过程中应考虑为改善高炉冶炼所需的处理环节，如混匀、破碎、 筛分等。焦炭运输过程中应尽量减少破碎率。 3、由于贮运的原料数量大，对大、中型高炉应该尽可能实现机械化和自动 化，提高配料、称量的准确度。 4、原料供应系统转运环节和落料点都有灰尘产生，应有通风除尘设施。3.1 车间的运转新建的炼铁车间，多采用人造富矿――烧结矿和球团矿为原料，运输设备 均采用皮带机。本设计的上料系统也采用皮带式上料机，皮带机运输作业率高， 原料破碎率低，并且轻便，大大简化了矿槽结构。 皮带机的运输能力应该满足高炉对燃料的需求， 同时还应该考虑物料的特性 如粒度、堆比重、动堆积角等因素。皮带机的主要技术参数可以计算，也可以从 手册查出。 本设计的高炉容积是 2022 m3，皮带机的技术参数见表 3.1。表 3.1 上料皮带机的主要技术参数 容积/m3 2022 宽度/mm 1600 速度/ m? -1 min 120 水平长度/m 236.36 倾角 13° 能力/t?-1 h 2600 电机功率× 台/kW 250× 3- 48 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3.2 贮矿槽、贮焦槽及槽下运输筛分称量 3.2.1 贮矿槽与贮焦槽贮矿槽位于高炉一侧， 它起原料贮存作用，解决高炉连续上料和车间间断供 料的矛盾。 当贮矿槽之前的供料系统设备检修或因事故造成短期间断供料时，可 依靠贮矿槽内的存量，维持高炉生产。由于贮矿槽都是高架式的，可以利用原料 的自重下滑进入下一工序， 有利于实现配料等作业的机械化和自动化。采用皮带 机上料时，贮矿槽与上料机中心线应互成直角，以缩短贮矿槽与高炉间距。贮矿 槽的总容积与高炉容积、 使用的原料性质和种类、以及车间的平面布置等因素有 关，一般可参照表 3.2 选用，也可根据贮存量进行计算，贮矿槽贮存 12～18h 的 矿石量， 贮焦槽贮存 6～8h 的焦炭量。表 3.2 贮矿槽、贮焦槽容积与高炉容积的关系 高炉有效容积/m3 项 目 255 贮矿槽容积与高炉容积之比 贮焦槽容积与高炉容积之比 焦槽个数/个 &3.0 &1.1 2 600 2.5 0.8 2
0.7～0.5 ≥2 ≥2 贮矿槽总容积 V 总=1.6 Vu=1.6× m3。 烧结矿 V 烧=%= ，则烧结矿仓为 754.67×3 m3。 球团矿 V 球=%=647.04 m3 ，则球团矿仓为 647.04×1m3。 天然矿 V 天=%=323.52 m3 ，则天然矿仓为 323.52×1m3。 贮焦槽总容积：V 总= 0.6Vu=0.6× m3，则贮焦槽为 606.6×2m3。 经计算得到单个矿槽的尺寸如下： 烧结矿贮矿槽上面高度 5.3m，边长 9m，锥台高度 4 m，锥台下边长 2.7 m。 球团矿天然矿贮矿槽高度 4.3m， 边长 9m， 锥台高度 4 m， 锥台下边长 2.7 m。 天然矿贮矿槽高度 1.2m，边长 9m，锥台高度 4 m，锥台下边长 2.7 m。 贮焦槽贮矿槽高度 3.9m，边长 9m，锥台高度 4 m，锥台下边长 2.7 m。- 49 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）3.2.2 槽下运输称量在贮矿槽下， 将原料按品种和数量称量运到上料皮带机的方法有两种：一种 是用称量车完成称量、运输、卸料等工序；一种是用皮带机运输，用称量漏斗称 量。我国新建的 300 m3 以上的高炉基本上都选用皮带机作为槽下运输设备。 槽下采用皮带机运输和称量漏斗称量槽下运输称量系统，焦仓下设有振动 筛， 合格的焦炭经焦炭输送机送到焦炭称量漏斗，小颗粒的焦粉经粉焦输出皮带 机运至粉焦仓。烧结矿仓下也设有振动筛，合格烧结矿运至矿石称量漏斗，粉状 烧结矿经矿粉输出皮带机输送至粉矿仓。球团矿直接经给料机、矿石输出皮带机 送至矿石集中漏斗。3.3 上料设备将炉料直接送到高炉炉顶的设备称为上料机。对上料机的要求是：要有足够 的上料能力， 不仅能满足正常生产的需要， 还能在低料线的情况下很快赶上料线。 为满足这一要求， 在正常情况下上料机的作业率一般不应超过 70%； 工作稳妥可 靠；最大程度的机械化和自动化。上料机主要有料车式和皮带机上料两种方式。 本设计采用皮带机上料。其优点是： 1、工艺布置合理。料仓离高炉远，使高炉周围空间自由度大，有利于高炉 炉前布置多个出铁口。 2、上料能力强。满足了高炉大型化以后大批量的上料要求。 3、上料均匀，对炉料的破碎作用较小。 4、设备简单、投资较小。 5、工作可靠、维修方便、便于自动化操作。 上料皮带机的倾角最小 11°，最大 14°。皮带机宽度随高炉容积而异，保 证皮带机运行安全非常重要。因此，在设计上采取了很多措施：如皮带机可以两 个方向驱动，连续运转；设 4 台电机，两台运转两台备用；为预防反转用两台电 机做制动；用液压缸拉紧皮带；设有观察皮带机运行情况的装置等等。- 50 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）4 炉顶装料设备高炉炉顶装料设备是用来将炉料装入高炉并使之合理分布， 同时起炉顶密封 作用的设备。 目前国内使用最多的装料设备是双钟式炉顶和无钟式炉顶。本设计 采用无钟式炉顶装料设备。4.1 无钟式炉顶装料设备无钟式炉顶装料设备从结构上， 根据受料漏斗和称量料罐的布置情况可划分 为两种，并罐式结构和串罐式结构。本设计采用串罐式结构。4.1.1 串罐式无钟炉顶装料设备串罐式无钟炉顶与并罐式无钟炉顶相比具有以下特点： 1、投资较低，和并罐式无钟炉顶相比可减少投资 10%。 2、在上部结构中所需空间小，从而使得维修操作具有很大空间。 3、设备高度与并罐式炉顶基本一致。 4、极大的保证了炉料在炉内分布的对称性，减小了炉料偏析，这一点对于 保证高炉的稳定顺行是极为重要的。 5、绝对的中心排料，从而减小了料罐以及中心喉管的磨损，但是旋转溜槽 所受炉料冲击有多增大，从而对溜槽的实用寿命有一定的影响。 无论何种炉顶装料设备均应能够满足以下基本要求： ⑴要适应高炉生产能力； ⑵能满足炉喉合理布料的要求，并能按生产要求进行炉顶调剂； ⑶保证炉顶可靠密封，使高压操作顺利进行； ⑷设备结构应力求简单和坚固，制造、运输、安装方便，能抵抗急剧的温度 变化及高温作用； ⑸易于实现自动化操作。4.1.2 无钟式炉顶的布料方式无钟式炉顶的旋转溜槽可以实现多种布料方式，根据生产对炉喉布料的要- 51 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）求，常用的有以下 4 种方式，见图 4.1。 1、环形布料，倾角固定的旋转布料称为环形布料。这种布料方式与料钟布 料相似， 改变旋转溜槽的倾角相当于改变料钟直径。由于旋转溜槽的倾角可任意 调节，所以可在炉喉的任一半径做单环、双环和多环布料，将焦炭和矿石布在不 同半径上以调整煤气分布。图 4.1 无钟式炉顶的布料形式2、螺旋形布料，倾角变化的旋转布料称为螺旋形布料。布料时溜槽做等速 的旋转运动，每转一圈跳变一个倾角这种布料法能把炉料布到炉喉截面任意部 位，并且可以根据生产要求调整料层厚度，也能获得较平坦的料面。 3、 定点布料， 方位角固定的布料形式称为定点布料。 当炉内某部位发生 “管 道”或“过吹”时，需用定点布料。 4、扇形布料，方位角在规定范围内反复变化的布料形式称为扇形布料。当 炉内产生偏析或局部崩料时， 采用该布料方式。布料时旋转溜槽在指定的弧段内 慢速来回摆动。4.2 探料装置探料装置的作用是准确探测料面下降情况，以便及时上料。防止低料线操作 时炉顶温度过高，烧坏炉顶设备等，特别是高炉大型化、自动化、炉顶设备也不 断发展的今天，料面情况是上部布料作业的重要依据。 目前使用最广泛的是机械传动的探料尺、微波式料面计和激光料面计，本设 计选用激光料面计。它是利用光学三角法测量原理设计的，如图 4.3 所示。激光- 52 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）测面计检测精度高、 在煤气粉尘浓度相同检测距离相等的条件下，其分辨率是微 波料面计的 25～40 倍。- 53 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）5 送风系统高炉送风系统包括鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路以及管路上的各种 阀门等。 高炉冶炼首先要使炉内的燃料燃烧才能进行生产， 而燃料燃烧所需的氧， 要靠鼓风机供给足够的风， 鼓风机供给的风还必须克服高炉内料柱的阻力，才能 使燃烧生成的煤气上升和合理分布，才能使炉料顺利下降，由此可知鼓风机的风 量和风压对高炉生产的重要性。 热风带入高炉的热量约占总热量的四分之一，目前鼓风温度一般为 1000～ 1200℃，最高可达 1400℃，提高风温是降低焦比的重要手段，也有利于增大喷 煤量。 准确选择鼓风机，合理布置管路系统，阀门工作可靠，热风炉工作效率高， 是保证高炉优质、低耗、高产的重要因素。5.1 高炉用鼓风机 5.1.1 高炉冶炼对鼓风机的要求高炉冶炼时对鼓风机的要求： 1、要有足够的鼓风量。高炉鼓风机要保证向高炉提供足够的空气，以保证 焦炭的燃烧。入炉风量通过物料平衡计算得到，采用公式近似计算： q0= 式中VuIv 2022 ? 0.79 ? 2600 = =2884m3/min q0―标态入炉风量（以下简称风量） ，即在高炉风口处进入高炉内的标准 状态下的鼓风流量，m3/min； Vu―高炉有效容积，2022m3； I―高炉冶炼强度， 0.79 t/(d?m3) V―每吨干焦消耗标态风量，m3/ t。每吨干焦消耗标态风量主要与焦炭灰分和鼓风湿度有关，一般在 2450～ 2800 m3/ t 之间。 2、要有足够的鼓风压力。高炉鼓风机出口风压应能克服送风系统的阻力损 失、克服料柱的阻力损失、保证高炉炉顶压力符合要求。鼓风机出口风压可用下- 54 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）式表示： p=pt+Δ pLS+Δ pFS=0.3×106+1.6×105+0.2×105=0.48 MPa 式中 p――鼓风机出口风压，Pa； pt――高炉炉顶压力，一般 0.25～0.40MPa； Δ pLS――高炉料柱阻力损失，一般 1.5～1.7×105Pa； Δ pFS――高炉送风系统阻力损失，一般 0.1～0.2×105Pa。 3、既能均匀、稳定地送风，又要有良好的调节性能和一定的调节范围。当 高炉要求固定风量操作时，风量应不受风压波动的影响，即当风压波动时，风量 不应受风压波动的影响。也有定风压操作的，如解决路矿不顺或热风炉换炉时， 它要求变动风量时保证风压的稳定。此外，高炉操作常要加风或减风，当采用不 同的炉顶压力操作， 炉内料柱透气性变化时，都需要风机出口风量和风压能在较 大范围内变动。在不同气候条件下，例如在夏季和冬季，由于大气温度、压力和 湿度的变化，风机的实际出口风量和风压必然有相应的变化。5.1.2 高炉鼓风机的工作原理和特性常用的高炉鼓风机有离心式和轴流式两种。 我国新建的 1000 m3 以上的高炉， 均采用轴流式鼓风机，本设计选用轴流式鼓风机。 5.1.2.1 轴流式鼓风机的工作原理 轴流式鼓风机结构见图 5.1，是由装有工作叶片的转子和装有导流叶片的定 子以及吸气口、 排气口组成， 其工作原理是依靠在转子上装有扭转一定角度的工 作叶片随转子一起高速旋转， 工作叶片对气体做功，使获得能量的气体沿轴向流 动， 达到一定的风量和风压。 转子上的一列工作叶子与机壳上的一列导流叶片构 成轴流式鼓风机的一个级。级数越多，空气的压缩比越大，出口风压也越高。 5.1.2.2 轴流式鼓风机的特性 1、气体在风机中沿轴向流动，转折少，风机效率高，可达 90%左右； 2、工作叶轮直径较小，结构紧凑，质量小，运行稳定，功率大，更能适应 大型高炉冶炼的要求； 3、汽轮机驱动的轴流式鼓风机，可通过调整转速调节排风参数；采用电动 机驱动的轴流式鼓风机， 可调节导流叶片角度来调节排风参数，两者都有较宽的- 55 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）工作范围； 4、特性曲线斜度很大，近似等流量工作，即管网阻力变化时风量变化很小， 能满足高炉稳定风量操作的要求。图 5.1 轴流式鼓风机1―机壳；2―转子；3―工作叶片；4―导流叶片；5―吸气孔；6―排气孔5.1.3 高炉鼓风机的选择设计高炉车间， 合理选择风机是一项重要的工作，选择风机的主要依据是高 炉的有效容积和生产能力， 同时还要考虑到使用地区的自然气候条件，以及高炉 的冶炼条件。 例如： 高炉鼓风机最大质量鼓风量应能满足夏季高炉最高冶炼强度 的要求；冬季，风机应能在经济区域工作，不放风，不飞动。我国不同容积的高 炉配置鼓风机情况如表 5.1 所示。表 5.1 高炉容积与鼓风机配置 容积/ m3 620 00 2545 鼓风机型号 AK-1300 轴流式 Z-3250-46 轴流式 K-4250-41 离心式 静叶可调轴流式 静叶可调轴流式 风量/ m3/min 50
风压/ MPa 压缩比 3.5 压缩比 4.2 0.3 压缩比 4.0 0.45 转速/ r? min 50 汽轮机
17300 传动方式 汽动 电动 汽动 汽动 同步电动5.2 热风炉热风炉实质上是一个热交换器。现代高炉普遍采用蓄热式热风炉。蓄热式热- 56 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）风炉基本工作原理是：煤气在燃烧室燃烧，高温烟气通过蓄热室将格子砖加热， 然后再将冷风通过炽热的格子砖，冷风被加热并送入高炉。由于燃烧和送风交替 进行，为保证向高炉连续供风，通常每座高炉配置 3 座或 4 座热风炉。热风炉的 大小及各部位尺寸， 取决于高炉所需要的风量和风温。热风炉的加热能力用每立 方米高炉有效容积所具有的加热面积表示， 一般 80～100m3 更高。 根据燃烧室和 蓄热室布置形式的不同， 热风炉分为内燃式、外燃式和顶燃式热风炉 3 种基本形 式，本设计选用外燃式热风炉。5.2.1 外燃式热风炉外燃式热风炉由内燃式热风炉演变而来， 其工作原理与内燃式热风炉完全相 同， 只是燃烧室和蓄热室分别在两个圆柱形壳体内，两个室的顶部以一定的方式 连接起来。就两个室的顶部连接方式的不同可以分为 4 种基本形式，见图 5.2。 本设计采用新日铁式的热风炉， 新日铁式外燃热风炉是在拷贝式和马琴式外 燃热风炉的基础上发展而成的，其特点是：蓄热室上部有一个椎体段，使蓄热室 拱顶直径缩小到和燃烧室直径相同，拱顶下部耐火砖承受的荷重减小，提高了结 构的稳定性；对称的拱顶有利于烟气在蓄热室中的均匀分布，提高传热效率。表 5.2 是我国马钢外燃式热风炉的特性参数。图 5.2 外燃式热风炉结构示意图a―拷贝式；b―地得式；c―马琴式；d―新日铁式5.2.2 外燃式热风炉的特点1、 总的来说外燃式比内燃式结构合理，由于燃烧室单独存在于蓄热室之外，- 57 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）消除了隔墙，不存在隔墙受热不均而造成的砌体裂纹和倒塌，有利于强化燃烧， 提高热风温度。 2、燃烧室、蓄热室、拱顶等部位砖衬可以单独膨胀和收缩，结构稳定性较 内燃式热风炉好，可以承受高温作用。 3、燃烧室断面为圆形，当量直径大，有利于煤气燃烧。气流在蓄热室格子 砖内分布均匀，提高了格子砖的有效利用率和热效率。 4、送风温度较高，可以长时间保持 1300℃风温。- 58 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）6 高炉喷吹煤粉系统从高炉风口装置吹入粉状的煤粉， 代替了部分价格昂贵而且资源日益缺乏的 焦炭，降低了成本，改善了高炉操作指标[4]。在选择工艺流程和设备时，主要考 虑了下列工艺要求： 第一，能持续稳定地喷入炉内； 第二， 各风口的喷入量接近， 其误差不应该影响高炉炉缸周围工作的均匀性； 第三，计量准确，并可按高炉操作的需要调节喷入量； 第四，设备简单、安全。 高炉喷吹煤粉工艺流程包括两个系统，即煤粉的制备与煤粉的喷吹。6.1 煤粉的制备煤粉是由磨煤机加工出来的，本设计采用的是高速磨制粉工艺。6.2 高炉喷煤系统 6.2.1 三罐单列式高炉喷煤系统由制粉系统来的煤粉送到设在高炉附近的装置顶部，经一、二级旋风分离器 和布袋除尘器进入收集罐，在上钟阀开启时落入贮煤罐。当喷吹罐需要加煤时， 关闭上钟阀，待贮煤罐冲压到接近喷吹罐的压力时，开下钟阀向喷吹罐装煤。喷 吹罐永远保持高压状态。 喷吹罐下部设有旋塞阀和混合器，煤粉与压缩空气在此 混合后经喷吹管路连续吹入高炉。各风口单独供粉，故煤量比较均匀，管道不易 堵塞，即使有个别混合器管路堵塞也不至于影响整个高炉正常喷吹。 三罐单列式的优点包括： 可减少一套气粉分离装置和一个高压容器；占地面 积小；喷吹和送粉互不干扰，有利于连续作业和稳定喷吹。6.2.2 喷吹罐组有效容积的确定喷吹罐组包括喷吹罐、贮煤罐和收集罐，它的有效容积与高炉的喷煤量、喷 吹系统的工艺流程和工作制度有关。 1、喷吹罐有效容积的确定。喷吹罐有效容积按向高炉持续喷吹半小时左右- 59 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）的喷吹量来考虑。喷吹罐的最低料面以下还要保留 2～3 吨煤粉，而最高料面离 顶部球面转折处也要留有 800～1000mm 的距离，在最低和最高料面间所占的空 间为喷吹罐的有效容积。图 6.2 三罐单列式称量系统单位时间吹入高炉的煤粉量 Q 可以用下式求出： Q = Vu×η v×G/24 =×0.15/24 =29.1t/h 式中 Vu―高炉有效容积，2022m3； η v―高炉利用系数，2.3 t/(d?m3)； G―喷煤量，0.15t/t 铁. 喷吹罐的有效容积 Vp 为： Vp=TQ/ρ =0.5×22/0.62 =11.62 m3 式中 Vp―喷吹罐的有效容积，m3 ； T―倒罐周期，一般取 0.5 小时； Q―小时煤粉喷吹量，t/h； ρ ―煤粉堆密度，0.62t/m3。 2、贮煤罐有效容积的确定。贮煤罐的有效容积与喷吹罐相近。贮煤罐最低 料面是钟阀，最高料面距该罐球面交接处留 800~1000mm，最低与最高料面间的 容积即为该罐的有效容积。 3、收集罐有效容积的确定。三罐单列式的喷吹罐组在贮煤罐之上装有收集 罐，它的有效容积应该保证在上钟阀关闭时，即由贮煤罐向喷吹罐加煤粉时，贮- 60 - 首钢工学院成教学院毕业设计（论文）存送来的煤粉，即 Vs=Vp×t1/t2 =11.62×13/30 =5 m3 式中 Vs―收集罐的有效容积，m3; t1 ―上钟阀处在关闭状态的时间，取 13 t2 ―倒罐周期，取 30 Vp ―喷吹罐有效容积，m3。 依据计算结果和考虑其它因素，选择各罐的具体尺寸如下表 6.1 所示：表 6.1 各罐尺寸 项目 有效容积，m3 直径，mm 高度，mm 喷吹罐 12
收集罐 5 6.3 煤粉喷吹的安全措施 6.3.1 制粉系统的安全措施利用热风炉废气配合燃烧炉的烟气做干燥剂和煤粉的载气，控制制粉系统 O215%，在重要部位，如收尘气入口、球磨机入口等处安装紧急充 N2 装置； 向高炉输粉的仓式泵用 N2 冲压与流化；减少系统漏风；消除局部}
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