高炉炼铁设计

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１１　炼铁生产工艺流程及设备现代化炼铁生产是用高炉来完成的。高炉炼铁是用还原剂（焦炭、煤等）在高温下将铁矿石或者含铁原料还原成液态生铁的过程。液态生铁是钢铁联合企业炼钢的主要原料。高炉炼铁生产工艺流程如图１１所示。图１１　高炉炼铁工艺流程１—储矿槽；２—焦仓；３—称量车；４—焦炭筛；５—焦炭称量漏斗；６—料车；７—斜桥；８—高炉；９—铁水罐；１０—渣罐；１１—放散阀；１２—切断阀；１３—除尘器；１４—洗涤塔；１５—文氏管；１６—高压调节阀组；１７—灰泥捕集器（脱水器）；１８—净煤气总管；１９—热风炉；２０—基墩；２１—基座；２２—热风炉烟道；２３—烟囱；２４—蒸汽透平；２５—鼓风机；２６—放风阀；２７—混风调节阀；２８—混风大闸；２９—收集罐；３０—储煤罐；３１—喷吹罐；３２—储油罐；３３—过滤器；３４—油加压泵１高炉本体是冶炼生铁的主体设备，是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体。现在已经发展为一种五段式炉体结构形式，其最外层为用钢板制成的炉壳，里层为耐火材料形成高炉的工作空间，在炉壳和耐火材料之间有各种冷却设备。要完成高炉炼铁生产，除高炉本体外，还必须有其他的附属系统设备，主要有以下几种。（１）供料系统　包括储矿槽、储焦槽、称量与筛分等一系列设备，主要任务是及时、准确、稳定地将各种合格原料送入高炉。（２）送风系统　包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门，主要任务是连续可靠地供给高炉冶炼所需热风。（３）煤气除尘系统　包括各种除尘设备和煤气管道，主要任务是降低高炉煤气含尘量，回收高炉煤气，实现对资源的再利用。（４）渣铁处理系统　包括出铁场、开铁口机、堵渣机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等，主要任务是处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉生产的正常进行。 （５）喷吹燃料系统　包括原煤的储存、运输，煤粉的制备、收集及煤粉喷吹等系统，主要任务是均匀稳定地向高炉喷吹大量煤粉。中国产量增加引起的。炼铁工业的发展对我国国民经济的发展起了重要作用。近１２年来，世界、中国和日本生铁产量的变化如图１２所示。图１２　世界、中国和日本生铁产量的变化在高炉的分类方面，打破了几十年来的大（１０ｍ３以上）、中（３０～１０ｍ３）、小高炉（３０ｍ３以下）三个档次的概念。如果与国际接轨的话，建立以３０ｍ３或４０ｍ３级高炉为大型高炉，以２０ｍ３级高炉为中型高炉，以１０ｍ３级或以下为小型高炉的新概念。但是，这种划分会随时间的推移而发生变化。根据１９３年发布的《高炉炼铁工艺设计规定》的统计，当时１０～４０ｍ３大型高炉只有３８座，总有效容积６５６０ｍ３，平均容积为１７２６ｍ３。据不完全统计，３０～９ｍ３中型高炉９４座，总容积３６５７４ｍ３，平均炉容３８９ｍ３。据不完全统计，我国２００１年底１０００ｍ３以上的高炉只有５０座，２００３年底有５７座，２００４年底有７７座，而２００５年底有１１０座，２００６年底增加到１２１座，其构成见表１１。从表１１看出，１０００ｍ３级高炉的座数占高炉总座数一半以上，比例还有增加的趋势，２０００～４０００ｍ３高炉座数增加不多，有效容积３０００ｍ３以上高炉的座数约占１０％，造成平均炉容仍然偏小，还不到２０００ｍ３。３　　我国虽然是产铁大国，但还不是炼铁强国，影响因素很多。重要原因之一是在长期计划经济体制下，片面追求产量，对经济效益、社会效益、资源综合利用、降低能耗和质量重视不够，基本还是粗放型的经营方式，竞争力不足。主要表现在对资源利用上没有统一和长远的战略眼光；生铁的生产结构十分不合理，１０００ｍ３以下的小型高炉数量太多，有一半以上的生铁是由炉容小于１０００ｍ３、能源消耗高、污染环境严重、劳动生产率低的高炉生产的；总体上，大型高炉的生产操作指标水平差距较大；整个钢铁工业的利润受制于钢材的市场价格，呈现浮躁和虚假繁荣，以及抵抗风险的能力差；高炉建设存在投机现象，存在无序的盲目建设和设计不规范的问题。最近高炉大型化的发展趋势喜人。鞍钢２００４年底有１１座高炉，总容积１７２９５ｍ３，平均每座高炉炉容为１５７２３ｍ３。鞍钢已有三座３２００ｍ３高炉投产，在新２号高炉投产前，已经在２００５年８月拆除了能耗高的一排高炉，即１号６３３ｍ３高炉、２号８８８ｍ３高炉、４号１０００ｍ３高炉、９号９８３ｍ３高炉，二排高炉在第三座３２００ｍ３高炉投产的同时，拆除了３号８３１ｍ３高炉、５号９７０ｍ３高炉、６号１０５０ｍ３高炉。将这些高炉合并成两座２５８０ｍ３高炉。总计有８座高炉，高炉容积为２２５００ｍ３，平均每座高炉容积为２８１２５ｍ３。平均每座高炉增加容积１２４０２ｍ３。本钢也已经淘汰了１０７０ｍ３的３号高炉，相同炉容的４号高炉也将停产，平均炉容将达到２９５０ｍ３。平均每座高炉容积增加１３７０ｍ３。原来以３００ｍ３高炉为主体的地方骨干企业，也都开始建设 １０００～２０００ｍ３级高炉，典型的如济钢建设了一批１７６０ｍ３高炉，南钢建了２０００～２５００ｍ３高炉，安钢建了２２００～２８００ｍ３高炉等等。十多年来，我国炼铁技术有了长足的进步，特别是大型高炉的技术有了大幅度的提高。这些技术已经形成一系列成熟的高炉炼铁新技术。这些技术可以保证高炉获得良好的生产操作指标，以及获得良好的经济效果。４１　炉型设计４１１　炉型概述高炉是一种生产液态生铁的鼓风竖炉。高炉的工作空间是用耐火材料砌筑而成的。炉型指的是高炉工作空间的内部剖面形状。炉型对高炉的冶炼过程有着重要影响。长期以来，人们对高炉炉型作了大量的研究和探索，逐步认识了解了高炉炉型和炉料运动和煤气流运动规律的相互关系，于是高炉炉型随着原燃料条件的改善、操作水平的提高以及科学技术的进步而不断发展变化。如今，高炉炉型已发展为“五段式”炉型，即炉型由炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段组成。其中，炉缸、炉腰和炉喉呈圆筒形，炉腹呈倒锥台形，炉身呈截锥台形。随着精料和高压操作等新技术的发展，高炉容积在不断扩大，但炉容的增长率远大于高炉有效高度的增长率，使高炉变得更加“矮胖”。这反映了炉型发展的总趋势。高炉炉型通常用通过高炉中心线的纵剖面内型轮廓线来表示。我国高炉炉型的表示方法如图４１所示。炉型尺寸各符号所表示的意义如下：Ｈ———全高，ｍｍ；Ｈｕ———有效高度，ｍｍ；Ｖｕ———高炉有效容积，ｍｍ；１５ 图４１　我国高炉内型尺寸表示方法ｈ１———炉缸高度，ｍｍ；ｈ２———炉腹高度，ｍｍ；ｈ３———炉腰高度，ｍｍ；ｈ４———炉身高度，ｍｍ；ｈ５———炉喉高度，ｍｍ；ｈ６———炉顶法兰盘至大料钟下降位置的底面高度，ｍｍ；ｈｆ———铁口中心线至风口中心线的高度，ｍｍ；ｈｚ———铁口中心线至渣口中心线的高度，ｍｍ；ｈ０———死铁层最底面至铁口中心线的高度，ｍｍ；ｄ———炉缸直径，ｍｍ；Ｄ———炉腰直径，ｍｍ；ｄ１———炉喉直径，ｍｍ；ｄ０———大钟直径，ｍｍ；α———炉腹角，（°）；β———炉身角，（°）。４１３　炉型设计方法 合理的高炉炉型对于获得良好的技术经济指标和延长高炉寿命都具有重要意义。合理的高炉内型设计方法是：①参考已有的炉型计算方法，初步确定高炉内型各部位尺寸及其基本的比例关系；②研究国内外高炉炉型发展趋势，重点调整局部尺寸；③收集国内外炉型资料，以炉容相近、原燃料及操作条件相似、３５生产指标先进的炉型作为参考，对计算炉型尺寸进行适当的调整。由于高炉冶炼过程和工作条件十分复杂，用理论计算方法设计出来的炉型难以满足生产要求。因此，迄今为止炉型设计仍然是采用分析比较和公式经验的方式进行的。即根据同类型高炉的生产实践数据，对所设计高炉的具体原燃料和操作条件，进行分析和比较，确定炉型各部分尺寸之间的比例值，设计出高炉炉型，或者采用从生产实践中总结的同类型高炉的经验公式，进行初步计算取值，最后确定出炉型尺寸。炉型设计重点是合理确定炉型各部分尺寸之间的比例。这是因为炉型各部分尺寸之间的比例关系是相互影响、相互制约的，片面强调扩大或缩小某一部分尺寸，都会给高炉生产带来不利影响。并且这些比例关系中的合适比值，是随着高炉有效容积、炉衬结构、原燃料及操作条件的变化而变化的。（）（１）炉型的主要尺寸之间的比例关系①Ｈｕ／Ｄ　此值是表征高炉“矮胖”的程度的。比值越大，炉料和煤气经过的路径越长，炉料与煤气在炉内接触的时间也越长，因此有利于煤气的热能和化学能的充分利用。但是，另一方面，由于Ｈｕ／Ｄ值较大，会增加料柱的高度，相应地增加了煤气流通过料柱的阻力损失，不利于高炉顺行的因素也增加。相反，Ｈｕ／Ｄ值减小，高炉变得更加“矮胖”，上述情况则会相反。小型高炉由于炉型有效高度较低，原燃料条件不如大中型高炉的好，为使炉料有足够的加热和还原时间，一般的小型高炉Ｈｕ／Ｄ值较大中型高炉的Ｈｕ／Ｄ值大些。近些年来，随着高炉容积的进一步大型化，高炉的有效高度值增加（由小高炉的１０多米增加到大高炉的３０多米），同时矿石和焦炭含量升高的因素，使影响高炉顺行的因素更加突出。为了从炉型设计方面考虑有利于高炉的顺行，大型高炉的炉型设计，主要是通过增加高炉横向尺寸来增加高炉的有效容积的，而有效高度增加的比例较小。Ｈｕ／Ｄ的值随着高炉的大型化而变得越来越小，高炉更趋向于“矮胖”，这是高炉炉型发展的总趋势。炉型设计时，Ｈｕ／Ｄ的取值与高炉的容积有关，取值的选择范围参见表４１。４５ ②Ｖｕ／Ａ　高炉有效容积与炉缸横断面积（Ａ）比值的大小，是描述高炉“矮胖”程度的另一个参数。一般炉容大的比炉容小的高炉的Ｖｕ／Ａ值要大些，这是提高小高炉冶炼强度的经验之一，如图４２所示。Ｖｕ／Ａ值，大型高炉为２２～２７，中型高炉为１５～２２，小型高炉为１０～１３。③炉身角β　炉身角是控制炉身形状的基本参数，也是控制高炉上部尺寸的重要参数。炉身角的大小与炉料下降和煤气流上升过程的分布状态关系极大。炉身角小，炉墙的倾斜度大，炉料对炉墙产生的倾向压力减小，炉料在下降过程中与炉墙产生的摩擦阻力相应减小，有利于炉料的顺行下降。炉身角小，促进边缘气流发展，也有利于促进高炉顺行。但是，炉身角过小，边缘气流过分发展，会给高炉操作上下部调节造成困难，这不仅不利于煤气热能和化学能的充分利用，而且容易使炉衬过热而被损坏。相反，炉身角增大，不利于炉料下降的因素也会增加，但有利于抑制高炉边缘煤气流的过分发展。炉身角的大小还应当考虑原料条件。使用烧结矿的高炉，由于烧结矿的膨胀量很小，炉身角可以取大些；使用球团矿、赤铁矿和褐铁矿的高炉，炉料膨胀量较大，为了适应炉料下降过程中的膨胀，炉身角可以取小些。大型高炉的炉身角一般比小型高炉的炉身角要小些。这一方面是由于前者的Ｈ／Ｄ值比后者要小，另一方面，是由于大型高炉横截面积大，炉料的横向膨胀量大，取较小的炉身角可以适应炉料的膨胀。此外，大型高炉的炉料较高，料柱对气流的阻损增加，减小炉身角， 相应地增加高炉的下部容积，这不仅有利于高炉顺行，而且为高炉的强化操作创造了有利条件。炉身角β的取值范围参考表４１。④炉腹角α　炉腹角是描述炉腹形状的重要参数，也是确定高炉下部尺寸的重要依据。炉腹呈倒锥台形，是为了适应于炉料融化后体积收缩的特点和调节煤气流分布的需要，并使风口前产生的高温气流能远离炉墙，不致烧坏炉衬，同时使风口前的燃烧带位置恰好处于离炉喉边缘１／３～１／２半径的下方区域，这正是矿石分布较多、下料较快的区域，有利于炉料的松动，促进高炉顺行。从煤气流分布的角度考虑，炉腹角的大小在一定程度上决定着燃烧带的位置，即影响煤气流的初始分布状态。炉腹角过大，可能造成边缘气流过分发展而不可抑制，也不利于在炉墙上形成稳定的渣皮保护层。炉腹角过小，炉腹收缩度大，可能造成中心气流过分发展而不可抑制，也不利于炉料的顺行下降，影响高炉顺行，甚至是高炉经常产生悬料的原因。炉型设计时，炉腹角α的取值范围参见表４１。为适应高炉采取高风温喷吹等强化操作措施，目前炉腹角有增大的趋势。炉腹的高度应与炉容相适应。炉腹过高，可能使炉料还未熔化就过早地进入炉腹，容易导致悬料；炉腹过低又发挥不了它的作用。炉型设计时，炉腹高度，大中型高炉为３～４ｍ，小型高炉为２～２５ｍ。⑤Ｄ／ｄ　此值与炉腹角α紧密联系，是表征高炉下部形状和下部尺寸的另外一个主要的参数。在炉型设计时，Ｄ／ｄ值的大小参见表４１。炉腰是炉腹到炉身的过渡段，其高度大小对高炉冶炼过程无严重影响，因此，在炉型设计时一般可以采用调节炉腰高度的方法来调整高炉有效容积。高炉炉腰一般为１５～３０ｍ。⑥ｄ１／Ｄ　ｄ１／Ｄ值和β角是表征高炉上部形状的主要参数，二者联系起来可以说明高炉上部尺寸的比例关系。在炉型设计时，ｄ１／Ｄ和β的值应一并考虑确定。ｄ１／Ｄ值一般为０６５～０７２。炉喉的高度应以能满足控制炉料和煤气流分布为宜，过高会使炉料挤紧而影响其下降，过低难以满足装料制度调节要求。炉喉高度一般以２～２５ｍ为宜。炉喉与大钟之间的间隙［（ｄ１－ｄ０）／２］决定着炉料堆尖的位置，因而其值大小会影响煤气流的分布，同时还影响流出炉喉煤气流的速度和炉尖吹出量。炉型设计时，炉喉间隙应与炉身角β和炉料粒度组成一并考虑。炉喉间隙，中小高炉为５００～７００ｍｍ，大型高炉为８００～１０００ｍｍ。炉缸及死铁层高度风口、铁口和渣口设置在炉缸部位。焦⑦炉缸及死铁层高度　风口、铁口和渣口设置在炉缸部位。焦炭和喷吹燃料均在炉缸风口前的燃烧带进行燃烧反应，产生的高风温煤气在炉缸进行初始分布，然后上升到炉腹，液态渣铁汇集于炉缸下部，并定时放出。炉缸的容积不仅应能保证足够数量的燃料燃烧，而且应能容纳一定数量的铁和渣。当炉缸的直径由Ｖｕ／Ａ比例关系确定之后，炉缸的高度应能保证在炉缸内容纳两次出铁间隔时间内所生成的铁水及一定数量的炉渣，并应考虑因故而不能放铁因素和留有足够 安装风口所需要的结构尺寸。设计时，炉缸高度可以按经验确定，也可以根据经验公式先分别计算出风口高度和风口高度，再加上风口结构尺寸，确定出炉缸高度。不同容积高炉的风口结构尺寸，一般小于６２０ｍ３的中小型高炉为３５０ｍｍ，大于６２０ｍ３的大型高炉为４００～５００ｍｍ。计算渣口、风口和炉缸高度的经验公式如下。渣口高度ｈｚ（渣口与铁口中心线的距离）为：ｈｚ＝１２７ｅＰｎｒＣγｄ２式中　ｈｚ———渣口高度，ｍ；Ｐ———生铁日产量，ｔ；ｅ———生铁产量波动系数，一般取ｅ＝１２；ｎｒ———每日出铁次数，次；γ———铁水的密度，一般为７１ｔ／ｍ３；Ｃ———炉缸容积（渣口以下）利用系数，一般Ｃ＝０５５～０６０（炉容大，渣量大，取低值）；ｄ———炉缸直径，ｍ。风口高度ｈｆ（ｍ）为：ｈｆ＝ｈｚｋ式中　ｋ———渣口高度与风口高度的比，一般ｋ＝０５～０６（渣量大，取值低）。炉缸高度ｈ１（ｍ）为：ｈ１＝ｈｆ＋ｂ式中　ｂ———风口结构尺寸，ｍ，按经验选取，一般为０３５～０５０ｍ。渣铁口数目取决于炉容和原料条件。一般中小高炉设１～２个渣口，上下渣口高度差为１００～２００ｍｍ，设一个铁口。大型高炉渣铁口数目应一并考虑，有的设２～３个渣口，或只设铁口不设渣口。如宝钢４０６３ｍ３高炉设置４个铁口，交替连续出铁而不设置渣口。风口数目主要取决于炉容大小（即炉缸直径大小）和鼓风机能力，也应考虑炉缸支柱的分布形式。风口数目的确定至今还没有严格的理论计算公式，一般采取经验数据，或者按经验公式进行粗略计算后确定，以下公式可提供确定风口数目参考。中小型高炉：ｎ＝２（ｄ＋１）大型高炉：ｎ＝２（ｄ＋２）４０００ｍ３左右巨型高炉：ｎ＝３ｄ式中　ｄ———炉缸直径，ｍ。死铁层高度ｈ０是指出铁口中心线至炉底砌砖表面之间的高度。死铁层的作用是防止炉底砖衬免遭炉渣、铁水和煤气的强烈冲刷侵蚀，使炉底均匀稳定，延长炉底寿命。死铁层深度随炉容的增加而增加。中小型高炉死铁层一般为３００～６００ｍｍ，大型高炉一般为１０００～２０００ｍｍ。目前大型高炉的死铁层深度有进一步增加的趋势。（２）炉型设计经验公式和统计数据　炉型设计除了采用分析比较确定炉型尺寸的方法外，还可以采用经验公式计算、调整的方法。国 内外总结出来的计算炉型尺寸的经验公式较多，各类经验公式所考虑的着重点也不完全相同，公式中的系数也在随着条件的变化而不断地修改。因此，固定采用某种经验公式进行炉型设计计算都是不合适的，必须根据各国、各地的具体原燃料、设备和操作条件，总结、修改出适合本国情况的经验公式，然后加以采用。我国２０００ｍ３以下高炉内型尺寸计算的经验公式及统计数据如表４２所示。４１５　炉型设计计算举例（１）设计计算条件　高炉日产炼钢生铁为４０３５ｔ，每昼夜出铁次数为ｎｒ＝１０次，设计计算该高炉的内型尺寸。６６（２）设计计算方法与步骤　采用我国总结的炉型设计经验计算式进行初步计算，然后调整计算出的炉型尺寸数据，最后确定出高炉内型尺寸。炉型设计计算方法和步骤如下。①确定高炉的有效容积　选取高炉利用系数ηｖ＝２０ｔ／（ｍ３·ｄ），高炉有效容积为Ｖｕ＝Ｐηｖ＝４０３５２０＝２０１８（ｍ３）②炉缸尺寸　选取冶炼强度Ｉ＝０９５ｔ／（ｍ３·ｄ），燃烧强度ＪＡ＝２５２ｔ／（ｍ２·ｄ），则炉缸直径为ｄ＝１１３ＩＶｕＪ槡Ａ＝１１３０９５×２０１８槡２５２＝９８３（ｍ）校核　　　　　ＶｕＡ＝２０１８π４×９８２＝２６７５　　　　合理③炉缸高度　选取ｅ＝１２０，Ｃ＝０５５，γ＝７１ｔ／ｍ３，则渣口高度ｈｚ＝１２７ｅＰｎｒＣγｄ２＝１２７×１２０×４０３５１０×０５５×７１×９８２＝１６４　取ｈｚ＝１７ｍ取风口、渣口中心线的高度差为ａ＝１３ｍ，安装风口的结构尺寸ｂ＝０５ｍ，则炉缸高度为ｈ１＝ｈｆ＋ｂ＝ｈｚ＋ａ＋ｂ＝１７＋１３＋０５＝３５（ｍ）风口数目　ｎ＝２（ｄ＋２）＝２×（９８＋２）＝２３６　取ｎ＝２４个④死铁层厚度选取ｈ０＝１５ｍ⑤炉腰直径、炉腹角、炉腹高度 选取Ｄ／ｄ＝１１３　　则Ｄ＝１１３×９８＝１１０７（ｍ）选取α＝８０°３０′　则ｈ２＝Ｄ－ｄ２ｔａｎ８０°３０′＝３５８校核αｔａｎα＝２ｈ２Ｄ－ｄ＝２×２３５１１－９８＝５８３　　　　　α＝８０°１６′１″⑥炉喉直径、炉喉高度Ｄ－ｄ１１－９８⑥炉喉直径、炉喉高度选取　　　ｄ１／Ｄ＝０６８则　　　　ｄ１＝０６８×１１＝７４８　　　　取ｄ１＝７５ｍ选取　　　ｈ５＝２０ｍ⑦炉身角、炉身高度、炉腰高度８６选取β＝８４°则ｈ４＝Ｄ－ｄ１２ｔａｎβ＝１１－７５２ｔａｎ８４°＝１６６５　取ｈ４＝１７ｍ校核βｔａｎβ＝２ｈ４Ｄ－ｄ１＝２×１７１１－７５＝９７１　　　β＝８４°７′２１″选取　　　Ｈｕ／Ｄ＝２５６则　　　Ｈｕ＝２５６×１１＝２８１６　　　　取Ｈｕ＝２８２ｍ求得ｈ３＝Ｈｕ－ｈ１－ｈ２－ｈ４－ｈ５＝２８２－３５－３５－１７－２０＝２２（ｍ）⑧校核炉容炉缸体积Ｖ１＝π４ｄ２ｈ１＝π４×９８２×３５＝２６４０１（ｍ３）炉腹体积Ｖ２＝π１２ｈ２（Ｄ２＋Ｄｄ＋ｄ２）＝π１２×３５×（１１２＋１１×９８＋９８２）＝２９７６５（ｍ３）炉腰体积Ｖ３＝π４Ｄ２ｈ３＝π４×１１２×２２＝２０９０８（ｍ３）炉身体积 Ｖ４＝π１２ｈ４（Ｄ２＋Ｄｄ１＋ｄ１２）＝π１２×１７×（１１２＋１１×７５＋７５２）＝１１５６０４（ｍ３）炉喉体积Ｖ５＝π４ｄ１２ｈ５＝π４×７５２×２０＝８８３６（ｍ３）高炉容积Ｖ＝Ｖ＋Ｖ＋Ｖ＋Ｖ＋Ｖ＝２６４０１＋２９７６５＋２０９０８＋Ｖｕ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４＋Ｖ５＝２６４０１＋２９７６５＋２０９０８＋　１１５６０４＋８８３６＝２０１５２（ｍ３）误差ΔＶ＝２０１５２－２０１８２０１８＝０１４％＜１％炉型设计计算符合要求。⑨绘制高炉炉型图　高炉炉型见图４６。４２　炉衬设计４２１　炉衬及其破损机理按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬，炉衬的作用是高炉的工作空间。高炉冶炼是高温下的复杂的物理化学过程，炉衬在冶炼过程中将受到侵蚀与破坏。炉衬被侵蚀到一定程度，需要中修或大修，停炉大修就是高炉一代寿命的终止。高炉炉衬一般是以陶瓷质材料（包括黏土质和高铝质等）和碳质材料（炭砖、炭捣石墨等）砌筑的。炉衬的侵蚀与破坏与冶炼条件密切相关。高炉各部位侵蚀破坏机理并不相同，研究炉衬的破损机理与合理选择耐火材料及设计炉衬结构有着重要关系。归纳起来，炉衬破损机理有如下几个方面。（１）高温渣铁的渗透和侵蚀　在炉腰及炉腹部位形成熔融的渣铁，向下流动进入炉缸，渣中含有一定量的ＦｅＯ和ＭｎＯ以及自由ＣａＯ，特别是初渣中这些成分含量较高。渣中ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＣａＯ与砖中ＳｉＯ２作用，形成低熔点化合物，使得砖衬表面软熔，在液态铁渣和高速煤气流的冲刷下脱落，炉腹部位尤为严重，开炉不久就可以被侵蚀掉而靠冷却壁上的渣皮工作。液态铁、重金属及碱金属的渗透，是炉缸炉底破坏的重要原因，铁水沿砌体缝隙和气孔渗透到砌体内部凝固并析出石墨，体积膨胀，进而扩大裂缝使砖衬脱落或漂浮。高炉炉缸侵蚀的形状有两种：“锅底形”和“象脚形”。炉底中部侵蚀较多，形成“锅底形”侵蚀，估计炉底死料堆下部铁水仍有较强的流动、冲刷，这种侵蚀常被冷却结成的凝固层所阻止，使高炉炉底、炉缸有较长的寿命。在高炉中心存在“死区”和铁水环流，炉缸侵蚀的形状为“象脚形”。（２）高温和热震破坏　高炉冶炼过程中，炉内温度经常波动，开炉初期的升温过程，冶炼中的正常和非正常停风、开风，出铁出渣的 前后，炉料和煤气流分布的改变等，都将引起砖衬温度的剧烈波动和受热速率的改变。当砖衬热端受热速率超过某一临界速度时，由于温度梯度产生的热应力超过砖衬的强度极限，砖即开裂。对一些砖衬的观察分析得知，高炉开炉初期，在炉体中下部砖衬即有裂纹并产生脱落。因温度波动而产生的热应力，使得砖衬内平行于工作表面的５０～１００ｍｍ深处产生裂纹，裂纹扩张并相互连接后，便出现大面积脱落。如图４７所示。临界受热速率与砖衬材质有关。经研究还得出，对同一种耐火材料砖衬，最大热应力产生部位与耐火砖尺寸有关。（３）炉料和煤气流的摩擦冲刷及煤气碳沉积的破坏作用　高炉内煤气实际流速可达１５～２０ｍ／ｓ，而且携带大量粉尘，上升的煤气流对炉衬有很大的冲刷磨损作用，炉腰部位上下折角处冲刷磨损尤为严重。炉身中上部炉料较为坚硬，具有棱角，下降炉料的摩擦是该部砖衬损坏的重要原因。上升的煤气流中含有２５％左右的ＣＯ，进入砖衬气孔和缝隙中的ＣＯ，在４００～８００℃分解产生碳沉积，尤其耐火材料中含有Ｆｅ２Ｏ３时，被ＣＯ还原为金属铁，活性的Ｆｅ是ＣＯ分解的催化剂，加速碳沉积。当有温度变化时，沉积碳将发生晶形转变，并发生体积变化，使砖衬组织松弛，强度下降，以致龟裂而破坏。碳沉积的破坏作用反应在整个高炉炉衬、炉腰和炉身中下部较为严重。（４）碱金属及其他有害元素的破坏作用　炉衬中的碱金属和锌，一般以盐类存在，进入高炉在高温下分解为氧化物，在高炉下部被还 原为金属Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ并挥发，随煤气上升，在上升途中又被氧化为Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、ＺｎＯ。部分氧化物沉积到炉料上再循环，部分沉积在炉衬上，其余随煤气排出炉外。碱金属和锌的氧化物与炉衬中Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２反应形成低熔点的铝硅酸盐，炉衬软熔并被冲刷而破坏。碱金属氧化物同赤热的焦炭发生反应，生成氰化物（ＫＣＮ、ＮａＣＮ）并同水蒸气和ＣＯ２反应生成氰化氢（ＨＣＮ）。氰化氢渗入砖衬内分解产生碳沉积，亦促成对炉衬的破坏作用。碱金属和锌的蒸气渗入砖缝，在适当的温度下同ＣＯ反应，同样可产生氧化和碳沉积。有害元素包括Ｋ、Ｎａ等碱金属以及锌等。这些元素在炉内循环富集，其浓度较矿石高数十倍到数百倍，对高炉炉况和炉子寿命造成重大影响。了解有害元素的富集和分布，有助于弄清其破坏机理和主要危害的部位。从炉体取样（休风状态下）的情况看，锌在高度方向上基本处于一个稳定值。其浓度是入炉浓度的２０～３０倍左右；碱金属的浓度在高度方向上，有着温度越高其富存的浓度也越大的明显趋势。最高处为入炉浓度的２３倍，这说明有害元素在高炉内的循环富集非常严重。明碱金属及锌的渗透作用是很强烈的。我国冶炼高锌矿石经验表明，大型高炉产生砖衬膨胀和砌体上涨，有的高达４００ｍｍ，并引起炉壳等钢结构的破坏。有的矿石中含有铅元素，铅被还原后，沉入铁水下部，由于铅的密度大、熔点低、渗透能力强，亦将使炉底破损。高炉内任何部位的破坏，都是诸多破损机理交替综合作用的结果。高炉寿命是炉型设计、炉衬结构和材质、高炉冷却设备及冷却制度、冶炼条件等诸多因素综合作用的结果。４２２　高炉用耐火材料高炉用耐火材料有陶瓷质材料和碳质材料两大类。陶瓷质材料有黏土砖、高铝砖、刚玉砖和不定形耐火材料等；碳质材料有炭砖、石墨炭砖、石墨碳化硅砖、氮结合碳化硅砖、黏土结合碳化硅砖等。（１）黏土砖和高铝砖　黏土砖和高铝砖亦称陶瓷质或黏土质耐火材料，在高炉上使用已有较长的历史，现在也广泛应用于高炉各个部位。黏土砖、高铝砖具有良好的机械强度，耐磨性和抗渣性均较好，成本较低。高炉用黏土砖和高铝砖应具备如下基本性能。①化学成分　Ａｌ２Ｏ３含量要高，Ｆｅ２Ｏ３含量要低。Ａｌ２Ｏ３含量是保证黏土质耐火材料具有较高耐火度的主要因素，Ａｌ２Ｏ３含量高，材料耐火度则高。黏土质耐火材料中的Ｆｅ２Ｏ３和ＳｉＯ２在高温下相互作用生成低熔点化合物，降低物料耐火度；在高炉内，耐火材料中的Ｆｅ２Ｏ３有可能被渗入砖衬中的ＣＯ还原产生海绵铁，而海绵铁又促进ＣＯ分解产生石墨碳沉积，构成对砖衬的破坏作用。高炉用黏土砖和高铝砖Ａｌ２Ｏ３与Ｆｅ２Ｏ３含量在国家标准（ＧＢ）和冶金部标准（ＹＢ）中都有严格要求。②耐火度要高　耐火材料开始软化的温度为耐火度，它表示耐火材料所能承受高温的能力，一般以测温锥测定。③荷重软化点要高　荷重软化点是耐火砖在０２ＭＰａ载荷下的 软化温度。高炉砖衬在高温高压下工作，荷重软化点能更确切地评价耐火材料在高炉内的工作能力。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性质。⑤气孔率要低　气孔率是耐火材料的重要指标之一。高炉冶炼条件下，如砖衬材料气孔率大，则为石墨和锌沉积创造了条件，从而引起炉衬破坏。国家和冶金部标准对黏土砖和高铝砖性能的要求见表４７。（２）碳质耐火材料　在高炉上使用碳质耐火材料是在黏土质耐火材料之后。近代高炉逐渐大型化，冶炼强度也有所提高，炉衬热负荷加重，碳质耐火材料具有独特的性能，逐渐应用到高炉上来，尤其是炉缸炉底部位几乎普遍采用碳质材料，其他部位炉衬的使用量也日趋增加。碳质耐火材料主要性能如下。①耐火度高。炭是不熔化物质，在３５００℃升华。在高炉冶炼温度下，炭质耐火材料不融化，也不软化。②炭质耐火材料具有很好的抗渣性，对酸性和碱性炉渣有很好的抗渣性，对酸性和碱性炉渣有很好的抗蚀能力。③具有高的导热性，抗低热震性好，可以很好地发挥砖衬冷却器的功效，有利于延长炉衬的寿命。④热膨胀系数小，热稳定性好。⑤对氧化性气体抵抗能力差，易氧化。一般炭质耐火材料在４００℃能被气体中的氧气氧化，５００℃开始和水汽作用，７００℃时开始和ＣＯ２作用。碳化硅质材料发生上述反应，温度要高一些。提高炭砖的质量，主要是设法提高其抗氧化性能，进一步提高其导热性能和抗碱性能。配料中加入石墨可以大幅度提高炭砖的热导率；提高抗碱和抗氧化的有效措施是降低炭砖的气孔率和气孔直径， 提高其体积密度。热压成型比熔烧炭砖气孔率低，在普通炭砖中加入沥青再次加热可以堵死气孔，降低气孔，降低其气孔率。各国炭砖的理化性质见表４８。碳化硅砖的性质见表４９。４３　炉衬设计方法炉衬结构设计的主要任务，是根据高炉各部位炉衬的工作条件和破损机理，综合考虑炉型特征、冷却方式、耐火砖性质，即要有利于形成合理操作炉型等，确定高炉各部位炉衬的材质与厚度、砖缝及泥浆、膨胀缝及填料，以及各类耐火材料的消耗量等。高炉炉衬设计是高炉本体设计最重要的部分。下面着重介绍高炉各部分耐火砖衬的结构设计。４３１　炉底和炉缸炉底和炉缸是高炉积存铁水和炉渣的部位，燃料在炉缸上部的风口前燃烧。因此，炉底和炉缸不仅长期经受着渣、铁的侵蚀，而且长期经受着高温热负荷作用，工作条件十分恶劣，是影响高炉寿命最关键的部分，被侵蚀破坏的程度是决定高炉大修的关键。为了延长炉底、炉缸的使用寿命，国内外在提高耐火砖质量和改进炉底结构形式等方面都做了大量的探讨和研究工作。炉底、炉缸用耐火材料的性能应满足如下要求：①耐高温性、高导热性；②耐侵蚀性，如高温炉渣的侵蚀，特别是渣中含碱金属及氧化物时侵蚀性更强，其次是铁水的侵蚀，还有Ｏ２、Ｈ２Ｏ的侵蚀；③耐冲刷、耐磨性；④抗渗透性。随着高炉的强化，喷煤量的增加，炉底、炉缸工作条件的恶化，加速了耐火材料的破坏。炉底、炉缸部位使用的耐火材料主要有炭砖、热压炭砖、微孔炭砖、超微孔炭砖、碳复合ＳｉＣ砖、石墨化炭砖等。为了尽可能避免损坏，除了高炉炉型的设计要维持一定的死铁层深度，以减少铁水环流侵蚀外，长寿高炉对炭砖质量必须有严格的要求，其主要的质量指标应是高的导热性、高密度和低渗透性，以及耐碱的侵蚀性。其中应特别关注炭砖的热导率，因为热导率的提高可以大大缓解上述破坏因素。铁水渗透侵蚀、铁水环流冲刷、炉衬温度分布不均造成的应力环裂，以及８００℃左右温度区域的炭砖脆化、炉缸下部“象脚”侵蚀等是炉底、炉缸的主要破坏机制。现代高炉采用综合碳质炉底和水冷炉底系统，炉底寿命得到很大提高，炉缸侧壁，特别是出铁口附近区域的寿命成为高炉长寿的关键。炉底应采用全炭砖或复合炭砖炉底结构，并应采用优质炭砖砌筑。风口带采用组合砖结构。不同容积的高炉和高炉的不同部位应选用不同的耐火材料。提高炉缸、炉底用炭砖和砌体的质量，以保证高炉生产中炉缸侧壁和底部有一定厚度的炭砖是延长高炉寿命的重要条件。２０世纪８０年代以后，我国高炉炉缸、炉底采用综合炉底，对结构和冷却进行了改进，寿命大幅度延长。 国内外高炉炉缸、炉底结构有以下三种基本形式：①大块炭砖砌筑，炉底设陶瓷垫；②热压小块炭砖，炉底设陶瓷垫；③大块或小块炭砖砌筑，炉底和炉缸设陶瓷杯。从国内外高炉的生产实践看，上述三种结构形式都可以获得延长高炉寿命的良好效果。国内外炉底均已采用铺设高导热炭砖、微孔炭砖和陶瓷垫的结构。由于高喷煤以后特别强调活跃炉缸中心，炉底中心应保持适当的温度。因此，人们逐渐重视陶瓷垫的寿命，使之长期起到保持炉缸中心温度的作用。目前，获得炉底、炉缸长寿主要有以下两种观点。（１）强化冷却形成凝结层理论　炉缸侧壁使用具有高导热的耐材系统［６００℃，１８４Ｗ／（ｍ·Ｋ），２０℃，６０～８０Ｗ／（ｍ·Ｋ）］。采用高导热耐材、低孔隙度能阻止铁水和渣的渗透，具有高抗碱性能，可吸收部分热应力，配以高效的水冷系统，能将炉缸的热量迅速传递给冷却系统带出炉外，降低了炉缸壁的温度梯度，从而在炉缸侧壁炉衬耐材的热面形成一层稳定的凝结保护层，抵抗炉缸侧壁的“象脚”侵蚀，使炉缸获得长寿，其关键是炉缸侧壁的导热能力。选择耐材的重点是导热性、防渗透性和防止发生环形裂纹。在高炉炉缸的维护方面，强调发挥冷却的效果，经常对容易形成空隙的部位进行灌浆。上述强化冷却理论，已在生产实践中得到验证。①大块炭砖结构　日本及我国的许多高炉都采用这种形式的炉底、炉缸结构。这种结构的特点是全面改善耐火材料质量，炉缸和炉底上部区域侧墙采用具有高热导率［λ＝２１Ｗ／（ｍ·℃）］的大块炭砖砌筑，而炉底部位用λ≥９３Ｗ／（ｍ·℃）的微孔或超微孔大块炭砖砌筑。炉底上部砌筑优质陶瓷质耐火材料的衬垫，称为陶瓷垫，其结构如图４９所示。４９大块炭砖砌筑的炉底、炉缸结构得到广泛的应用，并取得了良好的效果。炉底炭砖有两种砌筑方式：炭砖平砌或立砌方式。图４９（ａ）所示为平砌方式。大型高炉在炉底铺设一层高导热的石墨炭砖，其上满铺２～３层普通炭砖，再上面有一层微孔炭砖或不设微孔炭砖，侧壁“象脚”侵蚀部位采用微孔炭砖，最上层铺设两层由高铝质耐火材料组成的陶瓷垫。炉缸部分由大块炭砖环砌构成，在出铁口部分局部加厚。图４９（ｂ）所示为利用炭砖导热性的方向性，采用立砌两层碳砖的方式。下层炭砖高８００ｍｍ，上层炭砖高１２００ｍｍ。上面砌筑两层高铝砖，总厚度２７００ｍｍ左右。在砌筑前，炭砖必须进行预组装、编号。高炉在砌筑炭砖之前，基准面必须用碳素捣打料或碳化硅浇注料找平。砌筑时，按照预组装时的编号进行砌筑。砌筑时用千斤顶把炭砖顶紧。每砌完一层环砖０８ 图４９　大块炭砖炉底、炉缸结构１—高导热性石墨炭砖；２—炭砖；３—陶瓷垫；４—微孔炭砖；５—炉缸环形炭砖；６—风口砖后，用碳素填料将周围的膨胀缝分层填捣密实。②小块炭砖结构　它的特点在于用热压小块炭砖取代炉缸和炉底上部区域侧墙的大块炭砖，以避免这一部位的炭砖出现环裂。其他部位的砌砖和冷却方式都相同。热压小块炭砖的炉底、炉缸结构见图 图４１０　热压小块炭砖的炉底、炉缸结构１—高导热性石墨炭砖；２—大块炭砖；３—陶瓷垫；４—热压小块炭砖；５—风口砖４１０。砌筑炉底中部的大块炭砖的方法与前相同，小块炭砖用专门的泥浆砌筑，小块炭砖与冷却壁之间不留膨胀缝，与冷却壁直接顶砌。砌筑方法与一般耐火砖的砌筑相同。我国长寿高炉中，宝钢１号、２号高炉，武钢５号高炉的炉缸、炉底采用日本炭砖，炉底设陶瓷垫。本钢４号、５号高炉，鞍钢１０号、新１号高炉，包钢３号高炉及宝钢３号高炉采用了热压小块炭砖，炉底设陶瓷垫。其炉缸寿命均在１０年以上。（２）陶瓷杯结构或耐火材料隔热论　陶瓷杯结构由法国人发明，欧洲高炉使用较多。陶瓷杯是在大块炭砖的炉缸内，衬以导热性低的耐火材料与炉底的陶瓷垫构成杯状的耐火衬，见图４１１。一般在炉缸炭砖热面附加一层抗铁水侵蚀能力强、低导热的优质莫来石或ＳＩＡＬＯＮ刚玉等耐火材料陶瓷杯，它既可在几年内保护炭砖免遭渣铁的直接侵蚀，又降低了炭砖的工作温度，将１１５０℃铁水凝面线控制在陶瓷杯以内，防止铁水的侵蚀。过去还强调将８００～８７０℃等温线控制在陶瓷杯壁内，以防止大块炭砖的环裂，避免炭砖过早发生脆化侵蚀，起到了延长炉底、炉缸寿命的作用。此外，由于陶瓷材料热 图４１１　大块炭砖的陶瓷杯结构１—高导热石墨炭砖；２—普通炭砖；３—微孔炭砖；４—陶瓷垫；５—陶瓷杯；６—风口砖阻大，有利于降低铁水的热损失。国内也有在小块热压炭砖的炉缸内衬砌陶瓷杯的。陶瓷杯壁砖有大型预制块和小块砖两种。大型预制块在砌筑前，按预组装顺序逐块吊装就位。小块砖与一般耐火砖的砌筑相同。近年来，国内外有３０余座大型高炉采用陶瓷杯。国内首钢１号高炉、梅山新建高炉、宝钢１号高炉第二代炉役都先后使用了陶瓷杯结构。陶瓷杯的不足之处在于其材料未经在炉缸长期工作的温度下充分烧透，在开炉后使用过程中内部可能因发生晶形转变而产生膨胀或开裂，影响其使用寿命。三种炉底、炉缸结构都能满足高炉的长寿要求，均有长寿的实例。出铁口一般用小块炭砖砌筑成出铁口通道，或者在大块炭砖上钻出出铁口通道。２０世纪８０年代，风口带采用硅线石组合砖，目前多采用碳化硅组合砖砌筑。风口带宜采用组合砖结构。３８４３２　炉腹由于炉腹部位工作条件恶劣，开炉后不久耐火砖炉衬即被侵蚀掉而靠形成的渣皮来维持工作，因此，炉腹部分主要是靠加强冷却而不是靠增加炉衬的厚度来维持一代炉龄寿命，国内高炉的炉腹部分只有一层厚３４５ｍｍ的黏土砖或高铝砖，周围采用镶砖冷却壁，只有少数高炉在炉壁砌筑碳质耐火材料。 国外大型高炉提高了炉腹砌砖的材质要求，日本一些高炉炉腹采用了黏土的碳化硅砖，有的高炉还采用了电容高铝砖、合成莫来石和刚玉砖等。美国和西欧的一些国家的高炉炉副也采用碳化硅砖等高级耐火材料，由于它们具有导热性能好，抵抗渣、铁侵蚀能力强及抗磨损性能好等优点，高炉一代炉龄的炉腹寿命得到了可靠保证。４３３　炉腰和炉身炉腰是炉腹到炉身的过渡段。炉腰和炉身的炉衬结构，设计时主要考虑能形成合理的、较为稳定的操作炉型。为此。炉衬的厚度及材质要与炉体冷却设备的结构形式结合起来考虑。炉衬的砌砖厚度有厚墙和薄墙两种。炉身砌砖厚度通常为６９０～８０５ｍｍ，目前趋于向薄的方向发展。以冷却壁冷却亦可采用５７５ｍｍ。采用薄墙炉腰和炉身的结构，不仅砌砖薄，而且镶砖冷却壁为密排，冷却均匀，侵蚀深度小，侵蚀后的炉型线与设计炉型变化较小，且较规整、平滑，冷却设备一般不会被裸露出来，有利于炉料的顺利下降和煤气流的合理分布。由于炉身部分的高度较高，工作条件差异较大，从上至下的炉衬结构不完全相同。在炉身下部，由于处于造渣带，主要考虑炉衬材料有抗渣能力和加强冷却，并能形成保护性渣。在炉身的中上部区域，一般不会形成液态炉渣，主要应考虑炉衬材料有抗磨能力和防止砖衬破损脱落。因此，即使采用薄墙炉身，在炉身上部也要保持在６９０ｍｍ左右砖衬厚度，并采用抗磨性好的高铝砖和黏土砖。为了支撑上部砖衬，一般设计有砖托或使用带凸台面的镶砖冷却壁、支梁式水箱。近年来，炉腰和炉身砖衬及冷却设备形式改进很大。我国高炉的炉腰和炉身普遍采用黏土砖和高铝砖砌筑。随着高炉的大型化和强化冶炼，对炉腰和炉身砖衬材料的性能要求越来越高，即不仅要求砖衬有良好的抗渣性及耐磨性能，还要求有良好的抗热应力破坏性能。国内外对高炉炉腰和炉身下部采用的耐火砖性质做了许多试验和研究。其结果表明，黏土砖、高铝砖、刚玉砖、石墨碳化硅砖和Ｓｉ３Ｎ４结合的碳化硅砖等几种耐火砖中，以Ｓｉ３Ｎ４结合的碳化硅砖用于炉腰和炉身下部，效果最为满意。因此，目前国内外一致把Ｓｉ３Ｎ４结合的碳化硅砖作为高炉炉腰和炉身下部炉衬较为理想的耐火材料。我国部分大型高炉，在炉腰和炉身下部也开始采用Ｓｉ３Ｎ４结合的碳化硅砖砌筑或采用炭砖砌筑。国内外高炉的炉腰和炉身，除了采用碳化硅砖砌筑外，还有采用刚玉砖、莫来石砖等高级耐火材料砌筑的。高炉的中、上部分区域，过去一般都采用黏土砖或高铝砖砌筑，现在也有采用碳化硅或硅砖来砌筑的。图４１２反映了某高炉的炉衬结构。对于炉喉炉衬设计，因炉喉处于高炉的最上部位，主要 是受炉料的冲击和煤气流的冲刷，炉喉内侧一般都采用吊挂式金属板结构。国外部分钟阀式高炉的炉喉也有设计成可调径活动炉喉板的结构的。在炉喉上面的炉头部分，一般都紧靠炉壳砌筑一层黏土砖或高铝砖，有的高炉炉头采用耐火泥图４１２　某２５８０ｍ３高炉内衬结构１—高铝砖；２—铝炭砖；３—半石墨化ＳｉＣ砖；４—ＮＭＤ炭砖；５—半石墨化ＳｉＣ砖；６—刚玉莫来石砖；７—半石墨化炭砖；８—半石墨化ＳｉＣ砖；９—铝炭砖；１０—石墨化炭砖；１１—焙烧炭砖４４２　炉衬砌筑炉衬砌筑的质量和炉衬材质具有同等的重要性，因此，对砌筑砖缝的厚度、砖缝的分布等都有严格的要求。高炉砌体砌筑砖缝的大小，根据不同部位砌体的工作环境及泥浆性质确定。有渣铁侵蚀的炉底和炉缸部位的砖缝要小些，以上部位可适当扩大些，使用黏土质或高铝质泥浆砌筑时砖缝应小些，用高强度磷酸盐耐泥浆砌筑时砖缝可扩大些，一般可以扩大到２～３ｍｍ。 采用黏土质或高铝质泥浆砌筑黏土砖或高铝砖的砖缝要求和炭砖砌体砖缝要求见表４１５。为了提高高炉砌体的严密性能和吸收砌体膨胀性能，砌体与炉壳之间、砌体与冷却器之间都留有一定的间隙，间隙间用相应的填料填充。高炉各部位砌体砖缝要求见表４１３。（１）炉底砌筑　炉底炭砖砌筑有平砌和立砌两种形式。我国采用无水碳素胶泥平砌较多。炭砖炉底结构见图４１３，炭砖砌筑在风冷或水冷管的炭捣层上。有厚缝和薄缝两种连接形式。薄缝连接，各列砖砌缝不大于１５ｍｍ，各列间的垂直缝和两层间的水平缝不大于２５ｍｍ。厚缝连接，砖缝厚３５～４５ｍｍ，缝中以碳素料捣固。目前的砌筑方法是，炭砖两端的短缝用薄缝连接，而两侧的长缝用厚缝连接；也可两端短缝用厚缝连接，而两侧的长缝用薄缝连接，这样可以减少炭捣工作量。相邻两行炭砖必须错缝（２００ｍｍ以上）。两层炭砖砖缝成９０°，最上层炭砖砖缝与铁口中心线成９０°。图４１４为宝钢１号高炉炉底、炉缸砌砖。为了防止炭砖上浮，一方面采用压迫面，即以斜面压紧，另一方面在炭砖切面设键槽砌筑时用炭键锁住，炭键材质与炭砖材质相似，尺寸为１００ｍｍ，长４００～１７００ｍｍ。炭砖砖缝目标值为０５ｍｍ，范围不大于１ｍｍ，相邻两块砖高度差不大于１ｍｍ。（２）炉缸砌筑　炉缸的工作条件与炉底相似，而且装有铁口、风口和渣口。目前我国中小型高炉多采用黏土砖和高铝砖砌筑。炭砖问世以后，炉缸开始采用炭砖砌筑。由于担心炉缸区域有氧化性气氛，最初将炭砖砌到渣口中心线，因冶炼过程中渣面将超过渣口，并且炭砖和黏土砖或高铝砖连接处为薄弱环节，后来把炭砖砌到渣口与风口之间。现在大型高炉已把炭砖砌至炉缸上沿，工作效果良好。黏土砖或高铝砖炉缸砌筑从铁口开始向两侧进行，出铁口通道上下部侧砌。风口和渣口部位砌砖前先安装好水套，靠水套的砖应做精加工，砌砖与水套之间保持１５～２５ｍｍ缝隙，填充浓泥浆。铁口、风口和渣口砌砖紧靠冷却壁，缝隙１～５ｍｍ，缝内填充浓泥浆。炉缸各层皆平砌，同层相邻砖环的放射缝应错开，上下相邻砖缝的垂直缝与环缝应错开，砖缝小于０５ｍｍ，环缝５ｍｍ。见图４１５。炉缸要求有一定厚度，防止烧穿，一般规定铁口水平面处的厚度，图４１５　炉缸砌砖图１—砖环；２—碳素填料；３—冷却壁一般规定铁口水平面处的厚度，小高炉为５７５ｍｍ（２３０ｍｍ＋３４５ｍｍ），中型高炉为９２０ｍｍ（２３０ｍｍ＋３４５ｍｍ×２），大型高炉为１５０ｍｍ（２３０ｍｍ×２＋３４５ｍｍ×２） 或更厚些。炭砖炉缸砌筑以薄缝连接，炭砖的内表面设有保护层，以防止开始时被氧化。一般都砌一层高铝砖。如果是陶瓷炉缸，则炉缸壁由两个独立的圆环组成，外环为炭砖，内环为刚玉质预制块，两个圆环通过一６０ｍｍ厚的灰缝连接。风口、渣口和铁口砌衬以炭砖砌筑时，应设计异型炭砖。其砌筑见图４１６。炉缸炉底均采用光面冷却壁，砌体和冷却壁之间有１００～１５０ｍｍ厚的缝隙，其中填以碳质填料。（３）炉腹、炉腰和炉身下部　开炉后炉腹部分很快被侵蚀掉，靠渣皮工作，一般砌一层黏土砖，厚３４５ｍｍ。炉腹与薄壁炉腰用黏土砖或高铝砖砌筑时，砖紧靠镶砖冷却壁平砌，砖与冷却壁之间的缝隙用泥浆填满。砌砖时，相邻层砖缝要相互错开。当炉腹或薄壁炉腰砌至最后１０～１５层砖与上段砌体相接时，要注意控制炉墙的水平度。炉腰有三种结构形式，即厚墙炉腰、薄壁炉腰和过渡式炉腰，如图所示。高炉冶炼过程中部分煤气流沿炉腹斜面上升，在炉腹和炉腰交界处转弯，对炉腰下部冲刷严重，使这部分炉衬侵蚀较快，使炉腹段上升，径向尺寸亦有扩大，使得设计炉型向操作炉型转化，厚壁炉腰有利于这种转化，薄壁炉腰不利于这种转化而有利于固定炉型的作用。过渡式炉腰结构处于两者之间。可见，设计炉型和操作炉型关系复杂，炉型设计时应全面认真考虑。炉身砌砖厚度通常为６９０～８０５ｍｍ，目前趋于向薄的方向发展，以冷却壁冷却亦可采用衬厚５７５ｍｍ。用镶砖冷却壁冷却，炉腹、炉４９腰及炉身下部砌砖紧靠冷却壁，缝隙填浓泥浆；砌体与炉壳间隙为１００～１５０ｍｍ，填以水渣石棉隔热材料。为防止填料下沉，每隔１５～２０层砖砌两层带砖，带砖与炉壳间隙１０～１５ｍｍ。（４）炉身上部和炉喉　炉身用黏土砖或高铝砖砌筑时，每层砖平砌成环形。在有炉身镶砖冷却壁的部位，砌砖方法与薄壁炉腰的砌筑方法相同，在有冷却水箱（冷却板）的部位，为平砌，砌体与冷却水箱间应按规定留出足够空隙，其间隙内填满浓泥浆。水箱周围两砖宽的砌体紧靠炉壳砌筑，砖与炉壳间留１０～１５ｍｍ间隙。在炉身无冷却器的其他区域，砌体与炉壳之间留１００～１５０ｍｍ间隙，内填水渣、石棉料。炉身砖脱落是生产中普遍存在的问题，解决这一问题除了改进冷却器结构和改善耐火砖材质外，增加砖托也是一种常见的方案，图４１８是宝钢的砖托结构示意图。炉喉不用耐火砖砌筑，而采用钢砖结构。除小型高炉炉喉仍采用槽型钢砖外，目前大中型高炉炉喉一般都采用条状钢砖结构。其优点是生产中不易变形、脱落，且结构稳定、拆装方便。条状钢砖的结构如图４１９所示。４５　高炉冷却系统设计４５１　高炉冷却的目的及意义高炉炉衬必须冷却，以保护炉衬达到高炉长寿的目的。为达到 这一目的，冷却系统必须从耐材带走足够的热量，从而使机械应力、热应力以及导致耐材损耗的化学侵蚀最小化。高炉各部位由于工作条件不同，冷却的作用不完全相同，汇总起来有以下几个方面的作用。（１）降低耐火砖衬温度，使其能够保持足够的强度，维持高炉合理工作空间。在高炉内耐火材料的表面工作温度高达１５００℃左右，通过冷却设备的冷却可提高耐火材料的抗侵蚀和抗磨损能力。冷却设备还可对高炉内衬起支撑作用，增加砌体的稳定性。通过冷却，可使耐火材料的侵蚀内型线接近操作炉型，对高炉内煤气流的合理分布、炉料的顺行起到良好的作用。（２）使炉衬表面形成保护性渣皮，并依靠渣皮保护或代替炉衬工作，维持合理的操作炉型。（３）保护炉壳及金属构件，使其不致在热负荷作用下遭到破坏。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水带走８５％以上，只有约１５％的热量通过炉壳散失。（４）不影响炉壳的气密性和强度。改进冷却设备结构，合理布置冷却设备，提高冷却介质质量是进一步延长高炉寿命的重要措施。对不同炉容和操作方式的高炉进行比较和研究，在所有的设计中，冷却水循环系统都应在正常热量和峰值热负荷的情况下，能够带走冷却元件的热量。近年来，我国高炉采用软水密闭循环冷却技术有较快发展，如宝钢、武钢、鞍钢、太钢、唐钢、攀钢等一些大型高炉均已采用。设计应根据水源、水质情况选用软水密闭循环冷却或工业水开路循环冷却。炉底采用水冷。炉体冷却系统要尽量考虑高炉操作中调节不同部位的冷却水量、水压，控制各部位的热负荷的要求。４５２　冷却介质及水质控制根据高炉不同部位的工作条件及冷却的要求，所用的冷却介质也不同。一般常用的冷却介质有：水、空气和汽水混合物，即水冷、风冷和汽化冷却。对冷却介质的要求是：有较大的热容量及导热能力；来源广、容易获得、价格低廉；介质本身不会引起冷却设备及高炉的破坏。高炉冷却用冷却介质主要是水，很少使用空气，是因为水容量大、热导率大、便于运输、成本低廉。水汽冷却汽化潜热大、用量少、可以节水节电，适于缺水干旱地区。空气热容小，导热性不好，热负荷大时不宜采用，而且排风机消耗能力大，冷却费用高。以前曾采用风冷炉底，现在也被水冷炉底所取代。水质控制指控制冷却水不结垢和不腐蚀。我国工业用水水质大都不好，主要是硬度高。国家“八五”期间高炉长寿攻关调查结果表明，长江、珠江流域的水质硬度相对较低，直接用地表水开路、半开路循环可勉强使用。如宝钢１号、２号高炉风口以上使用铜冷却板，炉缸外部喷淋冷却，在低水温、大流量情况下，高炉可达到１０年以上的寿命。而北方地区水质硬度高，不能直接使用，一般３～４年，风口以上冷却壁就已大量损坏，邯郸周围的华北地区水质硬度最高，其次是东北地区。 水质硬度主要指溶解于水中的钙盐和镁盐（质量浓度）多少，通常以ｍｇ／Ｌ表示。硬度又分暂时硬度（碳酸盐硬度）和永久硬度。暂时硬度取决于碳酸氢盐的含量，随水温的升高或沸腾，碳酸氢盐分解成不溶于水的碳酸盐Ｃａ（ＨＣＯ３）→２ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ，水即软化。鞍本地区碳酸氢盐在６０℃开始分解，这些不溶于水的碳酸盐沉淀在水管内壁结垢，形成导热很差的热阻层，进而造成冷却壁温度升高，直至烧坏。永久硬度是由硫酸盐、氯化物和其他盐类的含量决定的，水沸腾时它们仍保持在溶液中，对水管有腐蚀作用。高炉采用工业水冷却时，在冷却水硬度高的条件下，由于碳酸盐的沉积，冷却设备的通道壁上容易结垢。水垢的形成是造成冷却设备过热直至损坏的重要原因。对于水的硬度高、强化冶炼的高炉，矛盾尤为突出。防止水结垢主要采取水的预处理，不预处理的水不能进入冷却器循环系统。其主要措施是采用以下水处理工艺：（１）逐步采用或全面采用闭路循环冷却系统，这样可以减少水耗量，又降低水预处理成本。（２）工业水加药，阻止水中沉淀物的生成，达到阻垢的目的。（３）使用软化水或除盐水（纯水）。这种工艺要做好防腐工作。无论采用哪种水处理工艺，软水和除盐水闭路循环冷却系统内的水质都应该控制在参考范围之内。见表４１４。防腐蚀是软水和除盐水使用后的一项非常重要的工作，要求切实做好：（１）除盐水必须经过除氧气；８９（２）开炉前水系统清洗预膜，预膜即水管内壁钝化处理，防止氧化；（３）调整好水的ｐＨ值，保持ｐＨ值大于７０；（４）科学地投入缓蚀剂、杀菌剂、阻垢剂，保持水系统水质合格，稳定运行。