高炉本体设计
1高炉炉型
概念：高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或高炉内型。
1.无型阶段
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
五段式高炉炉型
1. 高炉有效容积和有效高度
1）有效高度：
高炉大钟下降位置的下缘到铁口中心线间的距离称为高炉有效高度（Hu），对于无钟炉顶为旋转溜槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的距离。
2）高炉有效容积 ：
在有效高度范围内，炉型所包括的容积称为高炉有效容积（Vu）。
Hu/D：
有效高度与炉腰直径的比值（Hu/D）是表示高炉“矮胖”或“细长”的一个重要设计指标，不同炉型的高炉，其比值的范围是：
2. 炉缸
高炉炉型下部的圆筒部分为炉缸，炉缸的上、中、下部位分别设有风口、渣口与铁口。
（1）炉缸直径
炉缸截面燃烧强度：指每小时每平方米炉缸截面积所燃烧的焦炭的数量，一般为1.0～1.25t/m2·h。
计算得到的炉缸直径再用Vu/A进行校核，不同炉容的Vu/A取值为：
大型高炉：22～28
中型高炉：15～22
小型高炉：11～15
（2）渣口高度：
渣口中心线与铁口中心线间距离。渣口过高，下渣量增加，对铁口的维护不利；渣口过低，易出现渣中带铁事故，从而损坏渣口；大、中型高炉渣口高度
多为1.5～1.7m。也可以参照下式计算：
（3）风口高度：
风口中心线与铁口中心线间距离称为风口高度（hf）。
风口高度可参照下式计算：
（4）风口数目（n）：
主要取决于炉容大小，与炉缸直径成正比，还与冶炼强度有关。
风口数目可以按下式计算：
风口数目也可以根据风口中心线在炉缸圆周上的距离进行计算：
（5）风口结构尺寸（a）：根据经验直接选定，一般0.35～0.5m
（6）炉缸高度：
3. 炉腹
炉腹在炉缸上部，呈倒截圆锥形。
作用：
（1）炉腹的形状适应了炉料熔化滴落后体积的收缩，稳定下料速度。
（2）可使高温煤气流离开炉墙，既不烧坏炉墙又有利于渣皮的稳定。
（3）燃烧带产生大量高温煤气，气体体积激烈膨胀，炉腹的存在适应这一变化。
炉腹的结构尺寸是炉腹高度和炉腹角。
炉腹高度由下式计算 ：
炉腹角一般为79º～83º，过大不利于煤气分布并破坏稳定的渣皮保护层，过小则增大对炉料下降的阻力，不利于高炉顺行。
4. 炉身：炉身呈正截圆锥形。
作用：
（1）适应炉料受热后体积的膨胀，有利于减小炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。
（2）适应煤气流冷却后体积的收缩，保证一定的煤气流速。
（3）炉身高度占高炉有效高度的50～60％，保障了煤气与炉料之间传热和传质过程的进行。
炉身角：
一般取值为81.5º～85.5º之间。大高炉取小值，中小型高炉取大值。
4000～5000m3高炉β角取值为81.5º左右，前苏联5580m3高炉β角取值
炉身高度 ：
5. 炉腰：炉腹上部的圆柱形空间为炉腰，是高炉炉型中直径最大的部位。
作用：
（1）炉腰处恰是冶炼的软熔带，透气性变差，炉腰的存在扩大了该部位的横向空间，改善了透气条件。
（2）在炉型结构上，起承上启下的作用，使炉腹向炉身的过渡变得平缓，减小死角。
炉腰高度（h3）：
一般取值1～3m，炉容大取上限，设计时可通过调整炉腰高度修定炉容。
一般炉腰直径（D）与炉缸直径（d）有一定比例关系，D/d取值：
大型高炉1.09～1.15
中型高炉1.15～1.25
小型高炉1.25～1.5
6. 炉喉（d1、h5）：炉喉呈圆柱形。
作用：
承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布。炉喉直径与炉腰直径比值 d1/D取值在0.64～0.73之间。
7. 死铁层厚度（h0）
铁口中心线到炉底砌砖表面之间的距离称为死铁层厚度。
作用：
（1）残留的铁水可隔绝铁水和煤气对炉底的冲刷侵蚀，保护炉底；
（2）热容量可使炉底温度均匀稳定，消除热应力的影响；
（3）稳定渣铁温度。
死铁层厚度：新设计高炉的死铁层厚度h0=0.2d。
名词概念：
（1）设计炉型：按照设计尺寸砌筑的炉型；
（2）操作炉型：指高炉投产后，工作一段时间，炉衬被侵蚀，高炉内型发生变化后的炉型；
（3）合理炉型：指冶炼效果较好，可以获得优质、低耗、高产和长寿的炉型，具有时间性和相对性。
1. 比较法：
由给定的产量确定炉容，根据建厂的冶炼条件，寻找条件相似，炉容相近，各项生产技术指标较好的合理炉型作为设计的基础。经过几次修订参数和计算，确定较为合理的炉型。
目前，设计高炉多采用这种方法。
2. 计算法：
计算法即经验数据的统计法。
计算时可选定某一关系式，算出某一主要尺寸，再根据炉型中各部位尺寸间的关系式作炉型计算，最后校核炉容，修定后确定设计炉型。
经验公式 ：
对现代大型高炉和巨型高炉可以用书上16页式3－14～3－23计算，用这些公式计算得到的炉型，体现了近代高炉横向型发展的总趋势。
书上表3－5为我国部分高炉炉型尺寸，表3－6为国外部分高炉炉型尺寸，设计高炉时可作参考。
高炉炉型计算
2高炉炉衬
概念：按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬。
作用：
（1）在于构成高炉的工作空间；
（2）减少高炉的热损失；
（3）保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。
1. 炉底：炉底破损分两个阶段，初期是铁水渗入将砖漂浮而形成锅底形深坑；
铁水渗入的条件：
（1）炉底砌砖承受着液体渣铁、煤气压力、料柱重量的10～12％； （2）砌砖存在砖缝和裂缝。
第二阶段是熔结层形成后的化学侵蚀。
铁水中的碳将砖中二氧化硅还原成硅，并被铁水所吸收。
影响炉底寿命的因素：
（1）是承受的高压；
（2）是高温；
（3）是铁水和渣水在出铁时的流动对炉底的冲刷；
（4）砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂；
（5）在高温下渣铁对砖衬的化学侵蚀，特别是渣液的侵蚀更为严重。
2. 炉缸：
（1）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是主要的破坏因素；
（2）化学侵蚀；
（3）风口带为最高温度区。
3. 炉腹：
（1）高温热应力作用很大；
（2）由于炉腹倾斜故受着料柱压力和崩料、坐料时冲击力的影响；
（3）承受初渣的化学侵蚀。
4. 炉腰：
（1）初渣的化学侵蚀；
（2）上、下折角处高温煤气流的冲刷磨损。
（3）高温热应力的影响；
5. 炉身：
炉身中下部：
（1）热应力的影响；
（2）受到初渣的化学侵蚀；
（3）碱金属和Zn的化学侵蚀。
在炉身上部：
（1）下降炉料的磨损；
（2）夹带着大量炉尘的高速煤气流的冲刷。
6. 炉喉： 受到炉料落下时的撞击作用。用金属保护板加以保护，又称炉喉钢砖。
7. 决定炉衬寿命的因素：
（1）炉衬质量，是关键因素。
（2）砌筑质量。
（3）操作因素。
（4）炉型结构尺寸是否合理。
高炉用耐火材料
一. 对耐火材料的要求：
（1）耐火度要高。
耐火度是指耐火材料开始软化的温度。
（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，这个温度就是荷重软化点。
（3）Fe2O3含量要低。
（4）重烧收缩要小。
重烧收缩也称残余收缩，是表示耐火材料升至高温后产生裂纹可能性大小的一种尺度。
（5）气孔率要低。
（6）外形质量要好。
二. 高炉常用耐火材料
陶瓷质材料：粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等；
碳质材料 ：碳砖、石墨碳砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖等。
粘土砖：
基本特性：
（1）良好的物理机械性能；
（2）抗渣性好；
（3）成本较低。
高铝砖：
AL2O3含量大于48%的耐火制品。
基本特性：
（1）比粘土砖有更高的耐火度和荷重软化点；
（2）由于AL2O3为中性，故抗渣性较好；
（3）加工困难，成本较高。
粘土砖和高铝砖的外形质量也非常重要，对于制品的尺寸允许偏差及外形分级规定见下表。
碳质耐火材料：
主要特性：
（1）耐火度高，不熔化也不软化，在3500℃升华；
（2）抗渣性能好；
（3）高导热性；
（4）热膨胀系数小，体积稳定性好；
（5）致命弱点是易氧化，对氧化性气氛抵抗能力差。
不定形耐火材料：
捣打料：用于炉底炭砖与水冷管之间、风口、铁口、渣口周围及铁沟。
喷涂料：炉壳。
泥浆：把耐火砖粘结成为致密的整体炉衬。要求泥浆的化学成分与耐火砖的相近。
填料 ：用来填充炉壳与冷却壁、冷却壁与砌砖之间的间隙，起密封和补偿收缩作用。
优点：工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、不易剥落，可以减小炉衬厚度。
3高炉冷却设备
（l）保护炉壳。
（2）对耐火材料的冷却和支承。
（3）维持合理的操作炉型。
（4）促成炉衬内表面形成渣皮，代替炉衬工作，延长炉衬寿命。
1.冷却介质：
水——水冷
空气——风冷
汽水混合物——汽化冷却
2. 对冷却介质的要求：
（1）有较大的热容量及导热能力；
（2）来源广、容易获得、价格低廉；
（3）介质本身不会引起冷却设备及高炉的破坏。
3. 水的硬度：指每m3水中钙、镁离子的摩尔数。
根据硬度不同，水可分为三类：
软 水：硬度<3mol/m3
硬 水：硬度在3～9mol/m3
极硬水：硬度>9mol/m3
水的软化处理：就是将Ca2+、Mg2+ 离子除去，通常用Na+ 阳离子置换。
两种：
外部冷却：向炉壳外部喷水冷却。
★内部冷却：将冷却介质通入冷却设备内部进行冷却。包括冷却壁、冷却板、板壁结合冷却结构、炉身冷却模块及炉底冷却等。
一. 外部喷水冷却
适用于小型高炉，对于大型高炉，在炉龄晚期冷却设备烧坏的情况下使用。
炉身和炉腹部位装设有环形冷却水管，距炉壳约100mm，水管上朝炉壳的斜上方钻有若干φ5～φ8mm小孔，小孔间距100mm。
二. 冷却壁
冷却壁设置于炉壳与炉衬之间，有光面冷却壁和镶砖冷却壁两种 。
基本结构图:
1. 光面冷却壁
（1）结构:
在铸铁板内铸有无缝钢管。无缝钢管为φ34×5mm或φ44.5×6mm，中心距为100～200mm的蛇形管。
（2）应用部位： 炉缸和炉底部位冷却。
风口区冷却壁的块数为风口数目的两倍；渣口周围上下段各两块，由四块冷却壁组成。
（3）冷却壁尺寸：
光面冷却壁厚80～120mm，宽度为700～1500mm，高度一般小于3000mm。
圆周冷却壁块数最好取偶数；
（4）安装：
①同段冷却壁间垂直缝为20mm；
②上下段间水平缝为30mm；
③上下两段竖直缝应相互错开；
④光面冷却壁与炉壳留20mm缝隙，用稀泥浆灌满；
⑤与砖衬间留缝100～150mm，填以碳素料。
4高炉送风管路
1. 作用：
（1）热风总管：输送热风
（2）热风围管：将热风总管送来的热风均匀地分配到各送风支管中。
2. 材质：均由钢板焊成，管中有耐火材料筑成的内衬。
3. 直径的确定：热风总管与热风围管的直径相同，由下式计算：
式中：
d ——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。一般为25～35m/s 。
一. 作用：
将热风围管送来的热风通过风口送入高炉炉缸，并且通过它向高炉喷吹煤粉。
二. 要求：
①送风支管密封性好；
②压损小；
③热量损失小；
④有自动调节位移的功能。
三. 结构：
由送风支管本体、张紧装置、附件等组成。
宝钢送风支管结构 图：
1. 送风支管本体：
由A－l管（鹅颈管）、A－2管（流量测定管）、伸缩管、异径管（锥形管）、弯管、直吹管等组成。
（1）A－1管是连接热风围管的支撑管，由钢板焊成，内砌耐火砖。
（2）A－2管也由钢板焊成，接在A－1管下面，内侧用不定形耐火材料浇注成文杜里氏管结构，用来测定送风量。
（3）伸缩管的作用是调节热风围管和炉体因热膨胀引起的相对位移，法兰连接，内有不定形耐火材料浇注的内衬；
（4）异径管用来连接不同直径的管道，用以安装张紧装置。
（5）弯管的作用是转变送风支管方向和连接直吹管，设有观察孔和下部拉杆。
2. 张紧装置：
（1）作用：稳定和紧固送风支管，并使直吹管紧压在风口小套上。
（2）组成：包括吊杆、拉杆、松紧法兰螺栓等。
3.送风支管附件：包括托座、起吊链钩、观察孔等。
（1）托座固定在炉壳上，用来固定中部拉杆。
（2）起吊链钩用于更换风口时使弯管和直吹管成振摆状运动，便于更换风口。
（3）观察孔用来观察风口区燃烧情况
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。
1. 组成：
由端头、管体、喷吹管、尾部法兰和端头水冷管路五部分组成。见图
2. 直吹管的主要技术要求：
（1）要求直吹管端头与风口相接触的球面上不准有缺陷和焊补。
（2）必须按设计要求进行水压和气密性试验。
（3）要求喷吹管中心线与直吹管管体中心线的夹角符合设计要求，一般夹角为12°～14°左右。
风口（小套）与风口中套、风口大套装配在一起，加上冷却水管等其它部件，形成高炉的风口装置。
一. 风口
又称风口小套或风口三套，是送风管路最前端的一个部件，用紫铜或青铜制造，空腔式结构，内通水冷却。
1. 安装：成一定角度探出炉壁。
2. 风口的损坏原因：（l）熔损； （2）开裂 ；（3）磨损。
3. 延长风口使用寿命的措施：
（1）提高紫铜纯度，以提高风口的导热性能；
（2）改进风口结构，增强风口冷却效果；
（3）对风口前端进行表面处理，
二. 风口中套
风口中套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。
1. 作用： 支承风口小套。
2. 材质：用铸造紫铜制作，用冷却水进行冷却。
三. 风口大套
风口大套由铸铁铸成，内部铸有蛇形管，通水冷却。
其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。
风口大套的作用是支承风口中套与小套，并将其与高炉炉体相连成为一体。
5高炉钢结构
一. 设计高炉钢结构考虑的因素：
（1）考虑到各种设备安装、检修、更换的可行性，要考虑到大型设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性 ；
（2）具有耐高温高压、耐磨和可靠的密封性；
（3）应留有足够的净空尺寸，并且要考虑到安装偏差和受力变形等因素 ；
（4）对于支撑构件，要认真分析荷载条件，做强度计算 ；
（5）避免积尘积水；
（6）合理设置走梯、过桥和平台 。
一. 炉缸支柱式——曾用于中小型高炉
1. 特点：炉顶荷载及炉身荷载由炉身外壳通过炉缸支柱传到基础上。
2. 优点： 节省钢材。
3. 缺点： 风口平台拥挤，炉前操作不方便。
4. 应用：目前小高炉多用这种结构。
二. 炉缸、炉身支柱式——五、六十年代大型高炉
1. 特点：
①炉顶装料设备和煤气导出管、上升管等的重量经过炉身传递到炉腰托圈；
②炉顶框架、大小钟荷载则通过炉身支柱传递到炉腰托圈；
③传递到炉腰托圈的重量再通过炉缸支柱传递到基础上。
2. 优点：降低了炉壳负荷，安全可靠。
3. 缺点：耗费钢材较多、投资高。
三. 炉体框架式——大型高炉多用
1. 特点：
①由四根支柱连结成一个大框架；
②框架本身是一个与高炉本体不相连接的独立结构。
③框架下部固定在高炉基础上，顶端支撑在炉顶平台上。
④因此除装料设备重量经炉壳传给基础外，其余所有重量均由大框架直接传给基础。
2. 优点：风口平台宽敞，炉前操作方便，有利于大修时高炉容积的扩大。
四. 自立式 ——小型高炉多用
1. 特点： 不设任何支柱，全部荷载均由炉壳承受，并传递到基础上。
2. 优点： 钢材消耗少，结构简单，炉前宽敞。
3. 注意：设计时应尽量减少炉壳转折点；高炉生产过程中应加强炉壳冷却；高炉大修时炉顶设备需要另设支架。
一. 作用：
①固定冷却设备；
②保证高炉砌砖的牢固性；
③承受炉内压力和起到炉体密封作用。
④有的要承受炉顶荷载和起到冷却内衬作用（外部喷水冷却时）。
二. 设计时注意的问题：
①炉壳折点和开孔应避开在同一个截面；
②炉缸下部折点应在铁口框以下100mm以上；
③炉腹折点应在风口大套法兰边缘以上大于100mm处；
④炉壳开口处需补焊加强板。
三. 炉壳厚度
式中：
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，保证支柱与热风围管有250mm间距。
一. 炉缸支柱：
1. 作用：用来承担经炉腰支圈传递下来的全部荷载。
2. 数目：支柱的数目常为风口数目的一半或三分之一，均匀地分布在炉缸周围。
支柱向外倾斜6º左右，以使炉缸周围宽敞。
二. 炉身支柱：
1. 作用：支承炉顶框架及炉顶平台上的荷载、炉身部分的平台走梯、给排水管道等。
一般为 6 根，下端应与炉缸支柱相对应。
三. 炉腰支圈 ：
1. 作用：
将其承托的上部均布荷载（砌砖重量及压力等）变成几个集中载荷传给炉缸支柱，同时也起着密封作用。
与上下炉壳连接处，两侧都用角钢加固，在外侧边缘也用角钢加固，以加强其刚性。
四. 支柱座圈
为了使支柱作用于炉基上的力比较均匀，在每根支柱下面都有用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 。
6高炉基础
一. 作用：将高炉全部荷载均匀地传递到地基。
二. 组成：
由埋在地下的基座部分和地面上的基墩部分组成，见图：
三. 高炉基础的负荷
1. 静负荷
2. 动负荷
3. 热应力的作用
四. 对高炉基础的要求
①高炉基础应把高炉全部荷载均匀地传给地基，不允许发生沉陷和不均匀的沉陷。
②具有一定的耐热能力。
五. 基墩：
基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为2.5～3.0m 。
六. 基座：
基座直径与荷载和地基土质有关，基座底表面积可按下式计算：
式中：
A ——基座底表面积，m2；
P ——包括基础质量在内的总荷载，t；
K ——小于1的安全系数，取值视土质而定；
S允 ——地基土质允许的承压能力，t/m2。一般建在>2.0kg/cm2的土质上 。
文章来自：中国钢铁之家