包頭地區(qū)1500m3高爐本體設計

1、內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書1摘摘要要高爐煉鐵是獲得生鐵的主要手段，是鋼鐵冶金過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，在國民經(jīng)濟建設中起著舉足輕重的作用。高爐是煉鐵的主要設備，本著優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和對環(huán)境污染小的方針，本設計要求建 1500m煉鐵高爐。設計主要內(nèi)容包括高爐爐型設計計算、高爐爐襯選擇計算、高爐冷卻系統(tǒng)設計、高爐鋼結(jié)構(gòu)及基礎設計，同時，對所設計高爐一些設備特點進行簡述。關鍵詞：關鍵詞：高爐；爐襯；冷卻；設計計算；內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書2ABSTRACTABSTRACTPig iron is main from blast furnace，furnace iro

2、nmaking is also a important process in iron and steel making，and its play an important role in the construction of national economy. based on the target of high productivity, high quality, lowconsump tion, long campaign and environment protection.This design requirement of blast furnace ironmaking b

3、uild 2500 mThe main contents include blast furnace design type design calculation, blast furnace lining choose calculation, furnace cooling system design, blast furnace steel structure and basic design and layout, at the same time, to some equipment characteristics of blast furnace is briefly. Keywo

4、rd:Keyword: Blast furnace；furna linings； cooling；Design calculation 內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書3目目錄錄摘摘要要.1ABSTRACT.2第第一一章章文文獻獻綜綜述述.5緒緒論論.51.1 高高爐爐發(fā)發(fā)展展史史.51.2 高高爐爐爐爐型型及及展展過過程程.51.3 高高爐爐用用耐耐火火材材料料.71.3.1 高高爐爐用用耐耐火火材材料料的的演演變變.81.3.2 高高爐爐爐爐襯襯新新材材料料.101.3.3 我我國國耐耐火火材材料料的的發(fā)發(fā)展展.121.4 高高爐爐冷冷卻卻設設備備的的作作用用.131.4.1

5、高高爐爐冷冷卻卻系系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式.131.4.2 我我國國冷冷卻卻技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展.151.5 國國內(nèi)內(nèi)外外高高爐爐鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設設計計技技術(shù)術(shù).171.5.1 高高爐爐鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu).171.5.2 爐爐殼殼.181.5.3 爐爐體體框框架架.181.5.4 爐爐缸缸爐爐身身支支柱柱、爐爐腰腰支支圈圈和和支支柱柱座座圈圈 .181.5.5 高高爐爐結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)荷荷載載認認識識的的深深入入.191.5.6 國國外外先先進進的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式.191.5.7 國國內(nèi)內(nèi)鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設設計計的的發(fā)發(fā)展展.201.5.8 我我國國在在鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設設計計上上的的現(xiàn)現(xiàn)狀狀 .201.6 高高

6、爐爐基基礎礎.211.6.1 高高爐爐基基礎礎的的負負荷荷.211.6.2 對對高高爐爐基基礎礎的的要要求求.21第第二二章章 包包頭頭地地區(qū)區(qū)1500m3高高爐爐本本體體設設計計.232.1 高高爐爐爐爐型型設設計計計計算算.232.1.1 定定容容積積.232.1.2 確確定定年年工工作作日日和和日日產(chǎn)產(chǎn)量量.232.1.3 高高爐爐車車間間年年生生鐵鐵產(chǎn)產(chǎn)量量.232.1.4 高高爐爐有有效效高高度度(Hu)的的確確定定.232.1.5 高高爐爐全全高高的的確確定定.232.1.6 爐爐缸缸尺尺寸寸.242.1.7 爐爐腹腹的的計計算算.252.1.8 爐爐腰腰直直徑徑.25內(nèi)蒙古科技大

7、學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書42.1.9 爐爐喉喉高高度度.252.1.10 爐爐身身的的計計算算.252.2 各各部部分分容容積積計計算算.252.2.1 爐爐缸缸部部分分容容積積計計算算.262.2.2 爐爐腹腹部部分分容容積積計計算算.262.2.3 爐爐腰腰部部分分容容積積計計算算.262.2.4 爐爐身身部部分分容容積積計計算算.262.2.5 爐爐喉喉部部分分容容積積計計算算.26第第三三章章 高高爐爐爐爐襯襯的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設設計計.273.1 爐爐底底和和爐爐缸缸.273.2 爐爐腹腹.273.3 爐爐腰腰和和爐爐身身.283.4 爐爐喉喉.28第第四四章章 高高爐爐冷冷卻卻設

8、設備備選選擇擇.284.1 爐爐缸缸和和爐爐底底部部位位冷冷卻卻設設備備選選擇擇.294.2 爐爐腹腹、爐爐腰腰和和爐爐身身中中下下部部 .294.3 爐爐身身上上部部.294.4 爐爐頂頂冷冷卻卻.294.5 爐爐喉喉冷冷卻卻.304.6 冷冷卻卻壁壁設設計計原原則則.30第第五五章章 高高爐爐鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及基基礎礎設設計計.315.1 高高爐爐鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設設計計.315.2 高高爐爐爐爐基基的的形形狀狀及及材材質(zhì)質(zhì).31結(jié)結(jié)論論.33參參考考文文獻獻.34致致 謝謝.35附附錄錄:高高爐爐長長壽壽技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展.36內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書5第一章文獻綜述第一

9、章文獻綜述緒論緒論高爐本體包括高爐基礎、鋼結(jié)構(gòu)、爐襯、冷卻設備以及高爐爐型設汁等。高爐的大小以高爐有效容積表示，高爐有效容積和高爐座數(shù)表明高爐車間在歐洲高爐的發(fā)展過程中，有兩的規(guī)模，高爐爐型設計是高爐本體設計的基礎。近代高爐爐型向著大型橫向發(fā)展，目前，世界高爐有效容積最大的是 5580m，高徑比 2.0 左右。高爐本體結(jié)構(gòu)設計的先進、合理是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)、長壽的先決條件，也是高爐輔助系統(tǒng)設計和選型的依據(jù)。1.1 高爐發(fā)展史高爐發(fā)展史兩種基本爐型相互競爭，一種是矮爐腹型高爐，和一種是高陡面爐腹型高爐。1750 年，英國的工業(yè)革命開始了。在燃燒上用焦炭代替木炭，這種轉(zhuǎn)變使煉鐵業(yè)突破了束縛，不

10、再為木炭的短缺而陷入困境。因為不僅民用燃燒需要大量木料，而且為了提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量也在大量砍伐森林。因此，對于人口密度高的國家，要靠木炭來增加鐵的產(chǎn)量是不易的。到 18 世紀末，煤和蒸汽機已使英國的煉鐵業(yè)徹底改革，鐵的年產(chǎn)量從公元1720 年的 2.0510000 噸年（大多是木炭鐵）增加到 1806 年 2.5100000 噸年（幾乎全是焦炭鐵）。估計，每生產(chǎn)一噸焦炭需煤 3.3 噸左右。但是，高爐燒焦炭勢必增加碳含量，以致早期的焦炭生鐵含碳在 1.0以上，全部成為灰口鐵即石墨鐵。高爐的尺寸在 18 世紀內(nèi)一直在增大。從公元 1650 年約 7 米，到 1794 年俄國的涅夫揚斯克高爐已增高到 1

11、3.5 米。因為焦炭的強度大，足以承擔加入的爐料的重量。大多數(shù)的煉爐采用爐缸、爐腹和爐身三部分按比例構(gòu)成。19 世紀末，平滑的爐襯公認為標準的爐襯，這基本上已經(jīng)是現(xiàn)在的爐型。爐底直徑約 10 米，爐高約 30 米。全部高爐都設有兩只以上的風嘴。另一個巨大的進步就是采用熱風。20 世紀后，現(xiàn)代鋼鐵業(yè)就蓬勃發(fā)展起來。1.2 高爐爐型及展過程高爐爐型及展過程內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書6高爐是豎爐，高爐內(nèi)部工作空間剖面的形狀稱為高爐爐型或高爐內(nèi)型。高爐冶煉的質(zhì)是上升的煤氣流和下降的爐料之間進行傳熱傳質(zhì)的過程，因此必須提供燃料燃燒的空間，提供高溫煤氣流與爐料進行傳熱傳質(zhì)的空問。高爐爐型

12、要適應原燃料條件的要求，保證冶煉過程的順利。圖圖 11 現(xiàn)代高爐剖面圖現(xiàn)代高爐剖面圖內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書7主要受當時的技術(shù)條件和原燃料條件的限制。隨著原燃料條件的改善以及鼓風能力的提高，高爐爐型也在不斷地演變和發(fā)展，爐型演變過程大體可分為3 個階段。(1)無型階段又稱生吹法。在土坡挖洞，四周砌行塊，以木炭冶煉，這是原始的方法。(2)大腰階段爐腰尺寸過大的爐型。由于工業(yè)不發(fā)達，高爐冶煉以人力、蓄力、風力、水力鼓風，鼓風能力很弱，為了保證整個爐缸截面獲得高溫，爐缸直徑很小，冶煉以木炭或無煙煤為燃料，機械強度很低，為了避免高爐下部燃料被壓碎，從而影響料柱透氣性，故有效高度很低

13、；為了人工裝料方便并能夠?qū)t料裝到爐喉中心爐喉直徑也很小，而大的爐腰直徑減小了煙氣流速度，延長了煙氣在爐內(nèi)停留時間，起到燜住爐內(nèi)熱量的作用。因此，爐缸和爐喉直徑小，有效高度低，而爐腰直徑很大。這類高爐生產(chǎn)率很低,一座 28m3高爐日產(chǎn)量只有 1.5 t 左右。19 世紀末，由于蒸汽鼓風機和焦炭的使用、爐頂裝料設備逐步實現(xiàn)機械化，高爐內(nèi)型趨向于擴大爐缸和爐喉直徑，并向高度方向發(fā)展，逐漸形成近代五段式高爐爐型。最初的五段式爐型，基本上是瘦長型，由于冶煉效果并不理想，相對高度又逐漸降低。(3) 近代高爐 ，由于鼓風機能力進一步提高原燃料處理更加精細， 高爐爐型向著 “大型橫向”發(fā)展。高爐內(nèi)型合理與否

14、對高爐冶煉過程有很大影響。爐型設計合理是獲得良好技術(shù)經(jīng)濟指標，保證高爐操作順行的基礎1。1.3 高爐用耐火材料高爐用耐火材料在侵蝕性因素聯(lián)合作用下引起高爐爐襯損毀，這些因素包括:爐渣、堿類物質(zhì)、鐵水、氣體介質(zhì)、爐料磨損、熱應力等。高爐每個部位使用條件的不同，要求區(qū)別對待爐襯每個區(qū)段用相應耐火材料的選擇。大體上假定將高爐分為兩部分:上部風口區(qū)以上部分;下部風口區(qū)以下部分。同樣地上部分還可分為若干小區(qū)段非冷卻爐身的上部、冷卻爐身的下部、爐腹、爐腰和風口區(qū)。目前這些小區(qū)段均采用牌號 IUII 1-39 及 IuII1-41 的粘土質(zhì)耐火材料砌筑。對損毀因素影響條件不同的各區(qū)段爐襯采取如此籠統(tǒng)地對待方

15、法不會得到有效的結(jié)果。爐襯的個別區(qū)段過早損毀。為了在爐子有節(jié)秦工作和最佳操作制度下組織其穩(wěn)定的作業(yè)，必須將非冷卻爐身的上部分砌為兩層爐襯:第一層(工作層)由VIII 及-41 粘土質(zhì)耐火材料砌筑，第二層由 MKPII-340 纖維板砌筑。該纖維板是由含 50 % A1203 的莫來石硅質(zhì)纖維制造的。由兩層材料組成的復合爐襯可以抵抗爐料的摩擦作用，而且可以減少透過爐殼的熱量損失。內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書8對于爐身的冷卻部分來說，近 10 年來國外廣泛采用氮化硅結(jié)合、氧氮化硅結(jié)合和自結(jié)合碳化硅質(zhì)耐火材料，其使用效果良好。我們推薦在爐身下部采用雙層爐襯，即工作部分由 IUII 八

16、-41 粘土質(zhì)耐火材料砌筑，第二層由氮化硅結(jié)合的碳化硅質(zhì)耐火材料砌筑。推薦的復合爐襯可以保證達到更強化而均勻的冷卻。對爐腰也推薦采用類似的爐襯，而爐腹則采用碳化硅質(zhì)耐火材料砌筑。風口區(qū)下部的爐襯則推薦采用 ILI17 八-42 粘土質(zhì)耐火材料和剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料砌筑。對于爐缸的上部來說，推薦采用剛玉碳化硅質(zhì)耐火材料。此種耐火材料由電熔剛玉及共同細粉碎混合物組成。共同細粉碎混合物中包括 30 % Sic, 10 % Si及下列氧化物中的任何一種:MgO,A12O3及 ZrO2 。含有氮化物結(jié)合劑的剛玉耐火材料對熔融爐渣及金屬液的作用具有較高的抵抗性。耐火材料的開口氣孔率介于 14%一 17%之

17、間，體積密度 2.83g/cm3一 2.97g/cm3，耐壓強度 124MPa-187MPa。此類耐火材料中的結(jié)合劑為氮化硅、氧氮化硅及賽隆。為了砌筑高爐爐身內(nèi)襯，采用碳化硅質(zhì)耐材料，后者對化學因素及物理機械因素具有較高的抵抗性。碳化硅質(zhì)耐火材料應用于爐身下部、爐腰、爐腹和爐缸上部。爐缸下部及爐底內(nèi)襯的結(jié)構(gòu).其左側(cè)為目前采用的結(jié)構(gòu)，右側(cè)為推薦的采用新型耐火材料的結(jié)構(gòu)。內(nèi)襯使用的持續(xù)時間在很大程度上受到膨脹縫放置的位置正確與否及用于充填該類縫的碳素泥料質(zhì)量的高低等因素制約。由于沿著直徑及高度方向爐襯受到的加熱溫度的不同，要求單獨地區(qū)別對待每一個溫度區(qū)和分區(qū)砌筑的砌體結(jié)構(gòu)，并要考慮在加熱及冷卻時爐

18、襯的體積變化。在操作過程中出現(xiàn)的熱應力應使之分散。在整個砌體內(nèi)要預留應力釋放處，這便是膨脹縫。熱導率為 10w/(m.K)一 15W/(mK)的碳素泥料便能滿足此類要求。在一些鋼鐵廠中到目前為止一直沿用以粘土熟料、生粘土、焦炭和瀝青為原料的水調(diào)的炮泥。此類炮泥的使用壽命較低，收縮率較高及附著強度低。烏克蘭耐火材料科學研究院研制成功無水炮泥并在克里沃羅格鋼鐵公司進行推廣應用。該炮泥由焦炭、煤焦油、煤瀝青、生粘土及粘土熟料組成，其性能如下:體積膨脹率 2. 5 %3 %;耐壓強度鎮(zhèn) 9MPa;被鐵水沖刷速度低1.0mg/( cm2min)1. 3 mg/ ( cm2min)。因此，炮泥的耗量下降

19、50%一 65%,泥套用泥的耗量下降 90%以上。采用此種炮泥后，保證出鐵口及出渣口封堵可靠，允許高爐每次出鐵水 1000 噸以上及出渣 400 噸，而且未降低鼓風壓力，并消除了出鐵水時夾帶焦炭的現(xiàn)象2。1.3.1 高爐用耐火材料的演變高爐用耐火材料的演變內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書9煉鐵技術(shù)的發(fā)展帶動了高爐用耐火材料的進步。不過高爐爐襯的更新?lián)Q代是十分緩慢的。由于近幾十年高爐的大型化及其廣泛采用強化冶煉的高爐操作，相應地高爐用耐火材料也出現(xiàn)了重大變化。在爐身上部這個區(qū)域溫度較低，目前用耐火材料有：高鋁磚、粘土磚、浸漬磷酸鹽粘土磚、最上部緊靠鋼磚部位國外也有用 SiC 磚的。這

20、個部位并不是影響高爐壽命的決定因素，耐火材料基本都是 Al2O3-SiO2系，沒有發(fā)生太大變化。高爐中段用耐火材料，在 50 年代以前，全世界的高爐基本上都是 Al2O3-SiO2系耐火制品。進入六十年代中后期，工業(yè)先進國家重點研究解決高爐中段用耐火材料重要進行了以下兩個方面的工作：1）優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品，包括剛玉磚、剛玉-莫來石磚和鉻剛玉磚等；2）優(yōu)質(zhì)碳化硅制品，主要為自結(jié)合和氮化硅結(jié)合的碳化硅磚。進入 80 年代中期至今，研究開發(fā)了 Sialon 結(jié)合碳化硅磚和Sialon 結(jié)合剛玉磚。探索范圍是從優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品開始的。構(gòu)思淵源是在傳統(tǒng)粘土磚和高鋁磚的基礎上提高純度和密度。工藝措施是采用高

21、純剛玉砂、合成莫來石和氧化鉻原料、高壓成型和高溫燒成。這些制品氣孔率低，高溫強度較高，耐磨性強，抗 CO 和抗堿侵蝕性能也有一定提高。在七十年代國際上許多高爐先后采用它們來砌筑中段（寶鋼從新日鐵引進的大型高爐采用剛玉磚）。然而，十幾年的實踐說明，采用優(yōu)質(zhì)高純高鋁制品在提高中段壽命效果不夠顯著，一般只能提高 1-2 年，未能達到滿意的技術(shù)經(jīng)濟效益。究其原因，關鍵在于 Al2O3-SiO2系耐火材料無論是剛玉還是莫來石，其抗堿侵蝕性不夠理想。它們?nèi)菀妆粔A蒸氣或堿凝聚物所分解，并伴隨有較大的體積膨脹，從而導致材料損毀。例如它們在堿的作用下，600-900會形成鉀霞石（KAS2）、白榴石（KAS4）、

22、六方鉀霞石（KAS2）、鋁酸鉀（KA）、-氧化鋁（-Al2O3）等礦物并引進 6-20%體積膨脹。幾個主要化學反式如下：Al2O32SiO2+K2CO3K2OAl2O32SiO2+CO2Al2O32SiO2+2SiO2+ K2CO3K2OAl2O34SiO2+ CO3Al2O32SiO2+K2CO3K2OAl2O32SiO2+2Al2O3+CO2Al2O32SiO2+K2OSiO2K2OAl2O32SiO2+SiO23Al2O32SiO2+K2OSiO2K2OAl2O32SiO2+ Al2O3另一條途徑是從金屬非氧化物入手?？紤]到非氧化物一般抗堿侵蝕性能較好，只要具有適當?shù)目寡趸裕芸赡艹蔀?/p>

23、較理想的中段材料。優(yōu)質(zhì) SiC 制品被人們重視和大量采用是從七十年代中后期才開始，而且后來居上。1969 年在比利時首先出現(xiàn)了高爐用 SiC 磚襯試驗 。1971 年美國在高爐的風口區(qū)試用過，1974 年日本 Muroran 于爐身下部試用，1976 年美國 Spaiicw.Point,1977 年法國內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書10Dunkerque 用于爐腰。此后，它的優(yōu)越性很快被實踐所證明，因而得到迅速推廣應用。高爐爐底和爐缸耐火材料，在 50 年代以前，基本上以鋁硅質(zhì)耐火材料為主，但使用壽命不長，經(jīng)常出現(xiàn)爐缸、爐底燒穿事故。1939 年德國第一次使用炭磚砌筑爐底，取得了

24、好的效果，后來日本、美國改用炭磚和致密粘土磚實行綜合爐底，使用壽命達到 15 年。在中國，1958 年以后才采用炭磚砌筑爐底，解決了爐底爐缸燒穿的技術(shù)難題。60 年代，使用全碳質(zhì)爐底使高爐爐底損毀狀況得到重大改進，降低了爐底的磨損，延長了爐底的壽命，但這種爐底的熱損失很大，且對短暫的休風非常敏感。所以，對復風后恢復正常操作帶來困難。1984年法國 Savoie 耐火材料公司首次在德國蒂森鋼鐵公司高爐上采用了一種新型復合式爐襯，稱為“陶瓷杯”。從此以后，德國、法國、南非、瑞典、比利時、中國、南韓、印度等國家高爐廣泛采用“陶瓷杯”技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，19841990年，有 11 座高爐采用陶瓷杯技術(shù)；1

25、9911994 年有 12 座高爐采用陶瓷杯；1995 年至今至少有 11 座高爐采用陶瓷杯技術(shù)3。1.3.2 高爐爐襯新材料高爐爐襯新材料爐襯用耐火材料的壽命決定著高護的爐役年限。目前世界上采用的兩種不同的辦法是:A)砌筑昂貴的爐襯來滿足高爐的整個爐役年限，B)砌筑不太昂貴的爐襯，而在高護的爐役內(nèi)對爐襯進行一次或二次的“中間性修補”，尤其是在高爐的爐腰及爐身部位.在這兩種情況下，設計的爐缸可以持續(xù)使用到整個爐役結(jié)束.高爐的使用壽命完全取決于高爐爐缸的壽命。為普遍延長高爐的爐役的年限和提高生產(chǎn)效率，新開發(fā)出的各種耐火材料是十分必要的。例如在爐底及爐缸璧使用的耐火材料新品種有:微孔碳質(zhì)，特殊石墨

26、質(zhì)和其它改進的耐火材料。上述兩種提高高爐使用壽命的策略有若干種可能性。但就如何在花費最低的情況下使高爐的護齡達到最長，進行設計研究將會獲得最佳方案。在高爐重新?lián)Q襯之前，人們就開始進行了對所有耐火材料及護襯設計的研究工作。過去，通常購買與上一個爐役中使用的耐火材料相類似的材料進行砌襯，而使用得以改進的材料卻是謹小慎微的。在這篇文章中，我們將主要針對高爐爐底爐缸的設計進行敘述。這一次，主要對高爐的這一部位進行研究.采用較大幅度的改進和高度復雜化耐火材料，需要進行大量的設計工作。要進行爐襯計算及改進設計需要有大量的有關耐火材料的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在過去耐火材料中都是未知內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢

27、業(yè)設計說明書11的，它們類似或等同于煉鋼工藝中所熟悉的數(shù)據(jù)。從事這項設計工作，不僅要具備耐火材料及其性能方面的知識，而且還要具備高爐及其操作方面的知識，同時還要了解原材料供貨廠家。高爐的操作數(shù)據(jù)及其爐襯材料的侵蝕機理是完成昂貴的高爐的長爐役所有工作的礎。爐缸用碳質(zhì)耐火材料自從碳質(zhì)材料被人們認識很久以來，它就被用在高爐爐底及爐缸部位。同時也被應用在爐腹部位。前些年，人們采用縮小氣孔的方法來提高碳及石墨的等級，對此人們做了大量的調(diào)查和研究。這項開發(fā)的目的是為了降低和避免高爐爐襯用碳磚受鐵水的侵蝕及改善爐襯用特種磚的熱化學性能，Wilkening 等人進行了這項研究。同時加入某些添加劑，一方面可以改

28、善碳磚的抗鐵水及爐渣侵蝕性，另一方面可以抵抗在熔池中以一定速度流動著的鐵水的磨損。在八十年代，VAW, DIDIER 及后來的 DME 公司先后開發(fā)了具有上述特性的新一代碳磚品種。碳質(zhì)耐火材料的性能1）多微氣孔如果一塊碳磚，直徑大于 1 um 孔體積不大于氣孔總體積的 30%則這塊碳磚就被認為具有多微孔性。不同種類磚的氣孔率取決于添加劑的種類。如加入 A1 和 Si 則會有很大的改進，2）鐵水和爐渣的性能我們把不同的碳磚鐵水侵蝕性的情況示于圖 2 言，具有多微孔性及超微孔性碳質(zhì)材料是最理想的。同樣盡管滲透比較劇烈，但對滲透性，它們也是最理想的。內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書12

29、圖 12 抗鐵水侵蝕性溶解值3）熱傳導性不同類型的碳磚的熱傳導性示于圖 3 圖中出示三組材料：不同氣孔率的標準碳質(zhì)材料;不同氣孔率的半石墨質(zhì)材料;石墨質(zhì)材料。 圖 13 不同碳磚的熱傳導性4）熱力學性能加入添加劑可以提高碳磚的常溫耐壓強度。微孔碳磚的彈性模量非常高，大約是標準碳磚彈性模量的 3 倍。在工藝設計中必須要考慮這種熱力學性能，這一點在后面還要繼續(xù)討論4。內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書13五年以來在幾座高爐砌筑了這種具有很高氣孔率的新品種碳磚，其砌筑部位如下:爐底;b 爐底邊緣;。爐缸;d 出鐵溝;e 爐腹。表 4 是砌筑了微孔碳磚的各廠家情況。到目前為止，這一實踐是很成

30、功的。自砌筑以來到目前為止，還未有一座高爐重新?lián)Q襯。再過幾年，我們就會對這種得以改進的材質(zhì)的特性有更多的了解。1.3.3 我國耐火材料的發(fā)展我國耐火材料的發(fā)展在中國，第一座砌筑 Si3N4 結(jié)合 SiC 耐火材料的鞍鋼 6#高爐于 85 年 11 月1 日投產(chǎn)，不中修使用壽命達到 7 年，比鞍鋼八十年代高爐爐身平均壽命 3.9 年延長了 80%。為我國一代爐身壽命 7 年不中修提供了寶貴的經(jīng)驗。Si3N4結(jié)合SiC 磚在鞍鋼 6#高爐使用成功，對 SiC 磚在我國高爐上的應用起了推動作用，自 1985 年來，先后在太鋼、本鋼、唐鋼、攀鋼、武鋼、酒鋼、首鋼、寶鋼等國內(nèi)大中型高爐上得到普遍使用。其

31、經(jīng)濟效益和社會效益已被人們所認識。SiC磚在高爐上使用對延長高爐一代爐齡發(fā)揮了重要作用。至 1987 年，一種采用Sialon/Si3N4結(jié)合 SiC 產(chǎn)品進入加拿大、美國和日本。它的耐氧化性和耐堿侵蝕性要比 Si3N4結(jié)合 SiC 磚有所提高。歐洲的一些工廠也開發(fā)了第二代和第三代賽隆結(jié)合的產(chǎn)品。所有這種研究和試驗都將繼續(xù)加強含有賽隆的氮化硅結(jié)合的基本概念。在我國，洛陽耐火材料研究院自 1986 年開始進行了賽隆 Si3N4 結(jié)合SiC 磚的開發(fā)研究，并和山東生建八三廠一起共同完成了 100T 這種產(chǎn)品砌筑到鞍鋼 4#高爐上。該高爐自九十年代初投產(chǎn)并連續(xù)運轉(zhuǎn) 10 年。Sialon 結(jié)合剛玉耐

32、火材料得到研究和開發(fā)，它比 Sialon 結(jié)合 SiC 磚具有更好的抗堿性和抗氧化性，導熱系數(shù)低，更適合用于高爐爐腹，爐腰部位爐襯材料，以減少熱量損失。1.4 高爐冷卻設備的作用高爐冷卻設備的作用高爐冷卻設備是高爐爐體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對爐體壽命可起到如下作用：（1）保護爐殼。在正常生產(chǎn)時，高爐爐殼只能在低于 80的溫度廠長期工作，爐內(nèi)傳出的高溫熱量由冷卻設備帶走 85以上，只有約 15的熱量通過爐殼散失。（2）對耐火材料的冷卻和支承。在高爐內(nèi)耐火材料的表面工作溫度高達1500左右，如果沒有冷卻設備，在很短的時間內(nèi)耐火材料就會被侵蝕或磨損。通過冷卻設備的冷卻可提高耐火材料的抗侵蝕和抗磨損能力

33、。冷卻設備還可對內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書14高爐內(nèi)襯起支承作用，增加砌體的穩(wěn)定性。（3）維持合理的操作爐型。使耐火材料的侵蝕內(nèi)型線接近操作爐型，對高爐內(nèi)煤氣流的合理分布、爐料的順行起到良好的作用。（4）當耐火材料大部分或全部被侵蝕后，能靠冷卻設備上的渣皮繼續(xù)維持高爐生產(chǎn)。1.4.1 高爐冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式高爐冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式由于同爐備部位熱負荷不同，采用的冷卻形式也不問?，F(xiàn)代高爐冷卻方式有外部沖卻和內(nèi)部冷卻兩種。內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)又分為冷卻擄、冷卻板、板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)及爐底冷卻。 外部噴水冷卻在爐身和爐腹部位裝設有環(huán)形冷卻水管，水管直 50-150mm，距爐殼約 100mm水管

34、上朝爐殼的斜廣力鉆有若干 58mm 小兒，小孔間距100mm。冷卻水經(jīng)小孔噴射到爐殼上進行冷卻。為了防止噴濺，在爐殼上裝有防濺板，防濺板與爐殼間團有 810mm 縫隙冷印水沿爐殼流下至集水槽再返凹水池。外部噴水冷卻裝置結(jié)構(gòu)簡單，檢修方便，造價低廉。 噴木冷卻裝置適用于小型高爐，對于大型高爐，只有在爐齡晚期冷印設備燒壞的情況下使用，作為一種輔助性的冷卻嚴段，防止爐殼變形和燒穿。冷卻壁冷卻壁設置于爐天與爐襯之間，有光面冷卻壁和鑲磚冷卻壁兩種。通過研究冷卻壁的損壞機理和考慮它的結(jié)構(gòu)合理性后，新日鐵開發(fā)了第三代和第四代冷卻壁，第三代和第四代冷卻壁的主要特點是：(1)設置邊角冷卻水管，以防止冷卻壁邊角部

35、位母材開裂。(2)采用雙層冷卻水管，即在原有的冷卻水管背面設置蛇形冷卻水管，不但加強了冷卻強度，而且當內(nèi)層冷卻管損壞后，外層冷卻管仍可繼續(xù) 1：作，從而保證了爐役末期繼續(xù)維持正常冷卻。(3)加強凸臺部位的冷卻強度，采用雙排冷卻水管冷卻。并在凸臺部位前端埋入耐火磚，防止強熱負荷作用 F 的損壞。(4)第四代冷卻壁的爐體砌磚與冷卻壁一體化，即將氮化物結(jié)合的碳化硅磚與冷卻壁合鑄在一起，這樣較好地解決了磚襯的支承問題，縮短丁施工工期。冷卻壁的優(yōu)點是：冷卻壁安裝在爐殼內(nèi)部，爐殼石開口，所以密封性好；由于均布于爐襯之外，所以冷卻均勻，侵蝕后爐襯內(nèi)壁光滑。它的缺點是消費金屬多、笨重、冷卻壁損壞后不能更換。內(nèi)

36、蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書15冷卻板冷卻板又稱扁水稻，材質(zhì)有鑄鋼、鑄鋼、鑄鐵和鋼板等，以上各種材質(zhì)的冷卻板在國內(nèi)南爐均有使用。冷卻板厚度 70110mm，內(nèi)部持有別44.5mm6mm 無縫鋼管，常用在爐腰和爐身部位，呈棋盤式布置，般上下層間距 500900mm，同層間距 150300mm。爐腰部位比爐身部位要密集一些。冷卻板前端距爐襯設計工作表面一磚距離 230mm 或 345mm，冷卻水進出管與爐殼焊接。密封性好。由于銅冷卻板具方導熱件好、鑄造工藝較簡單的特點，所以從 18 世紀末期就開始用于高爐冷卻。在一百多年的使用中，進行了不斷的改進，發(fā)展為現(xiàn)在的六室雙通道結(jié)構(gòu)。它是采用

37、隔板將冷卻板腔體分隔成 6 個室，即把冷卻板斷面分成 6 個流體區(qū)域，并采用兩個進出水通道進行冷卻。此種冷卻板結(jié)構(gòu)的特點：(1)適用于高爐高熱負荷區(qū)的冷卻，采用密集式的布置形式、如寶鋼 1 號和2 號高爐冷卻板層距為 312mm，霍戈文艾莫依登廠 4 號高爐冷卻板層距為305mm。(2)冷卻板前端冷卻強度大，不易產(chǎn)大局部沸騰現(xiàn)象；(3)當冷卻板前端損壞后可繼續(xù)維持生產(chǎn)；(4)雙通道的冷卻水量可根據(jù)高爐牛產(chǎn)狀況分別進行調(diào)整。(5)銅冷卻板的鑄造質(zhì)量大大提高，為了避免鑄造件內(nèi)外部缺陷采用真空處理等手段，并選用了射線探傷標很(ASTME272)。(6)能維護較厚的爐襯便于更換，重量輕、節(jié)省金屬。但是

38、冷卻不均勻侵蝕后高爐內(nèi)表面凸凹不平、不利丁爐料下降。板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)冷卻板的冷鄰原理是通過分散的冷卻元件伸進爐內(nèi)的長度來冷卻周圍的耐火材料，并通過耐火材料的熱傳導作用來冷卻爐殼、從而起到延長耐火材料使用壽命和保護爐殼的作用。冷卻壁的冷卻原理是通過冷卻壁形成一個密閉的圍繞高爐爐殼內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)對耐火材料的冷印和對爐充的直接冷卻。從而起到延長耐火材料使用壽命和保護爐殼的作用。在高爐爐身部位使用板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)形式，是一種新型的冷卻結(jié)構(gòu)形式。它既實現(xiàn)了冷卻壁對整個爐殼的覆蓋冷卻作用，又實現(xiàn)了沖卻板對爐襯的深度方向的冷卻，并對冷卻壁上下層接縫冷卻的薄弱部位起到了保護作用，因而有良好的適應性5。西

39、方及日本冷卻壁技術(shù)均由前蘇聯(lián)引進。日本是在 1967 年引進, 使用在新日鐵名古屋 3 號高爐, 爐壽為 5.4 年, 新日鐵稱為第一代, 相當于我國的第二代內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書16冷卻壁。經(jīng)過 12 年的使用, 對其冷卻壁進行了改進, 與我國目前使用的第三代冷卻壁相當, 但冷卻壁內(nèi)的冷卻水管盡量冷卻角部, 鑲磚仍為鑄入磚。新日鐵第三代冷卻壁 1977 年在廣煙 4 號高滬上開始采用, 于 1993 年 6 月停爐, 高爐壽命為 16 年。其特點是增加了背部蛇形管、上下角部管, 鑲磚為鑄入石墨碳化硅磚。用這種冷卻壁高爐內(nèi)不必砌磚。第三代冷卻壁采用在新日鐵大分 1 號高爐

40、。從 1979 年 8 月開爐至 1993 年1 月停爐, 工作了 13 年 5 個月,損壞水 73 管根, 約占冷卻壁總水管量的 1.6%, 爐腹上部、爐腰和爐身下部高熱負荷區(qū)域被損壞。部和凸臺水管占該區(qū)域同類水管總數(shù)的 12%左右。全部豎水管只損壞了 6 根, 高爐由于爐缸側(cè)壁碳磚僅剩500mm 左右而被迫停爐大修6。1.4.2 我國冷卻技術(shù)的發(fā)展我國冷卻技術(shù)的發(fā)展我國高爐壽命較國外高爐短, 特別是與日本高爐差距甚大。必須從設計、制造、施工、操作到維護進行綜合治理, 從裝備水平、技術(shù)、組織到管理全面提高。高爐爐體冷卻技術(shù)是其中的重要環(huán)節(jié)。目前, 高爐爐體冷卻技術(shù)有了長足的進步, 特別是冷卻

41、壁技術(shù)有大幅度的提高。西方國家包括日本在內(nèi)在 60 年代,甚至到目前還有大量高爐采用純銅冷卻板。在 50 年代末, 日本采用了密集式銅冷卻板,加強了對磚襯的冷卻, 延長了爐體的壽命。梅山 2 號高爐采用了鋼制冷卻箱并用鋼管托住冷卻箱的結(jié)構(gòu), 延長了高爐爐腰和爐身的壽命, 至 1993 年 9 月底, 高爐壽命已經(jīng)達 6.75 年, 單位爐容產(chǎn)鐵量達 4526t/m3。由此證明, 在搞好設計、制造、施工及操作維護等重要環(huán)節(jié)的情況下, 即使采用較低的材質(zhì)也能達到 1000m3 級的高爐長壽的目標。自寶鋼 1 號高爐引進新日鐵密集式銅冷卻板以來, 高爐已生產(chǎn) 9 年, 1994 至年 4月高爐累計產(chǎn)

42、量已達 2707 萬 t, 單位爐容產(chǎn)量達 6663t/m3攀鋼 4 號高爐,容積1350m3, 采用了相同冷卻板結(jié)構(gòu)形式。自 1989 年 9 月投產(chǎn)至 1994 年 3 月,銅冷卻板僅損壞了 12 塊, 并已全部更換。根據(jù)攀鋼使用冷卻板的成功經(jīng)驗,我們認為可以廣泛采用和推廣。目前國外主要發(fā)展方向是增加冷卻板內(nèi)的水通道數(shù)目,提高水流速度,增加冷卻強度。在 1958 年,前蘇聯(lián)在斯大林之鷹廠 1033m3高爐上試驗了汽化冷卻，并獲得成功。我國在年代后期在少數(shù)高爐上采用了汽化冷卻,如 1970 年建成的武鋼 4號高爐及鞍鋼和首鋼的高爐。這種冷卻壁本體采用含 Cr 鑄鐵,冷卻水管的進水管在下,排水

43、管在上方,水流垂直向上,以滿足汽化冷卻的要求,鑲磚仍然為粘土磚。內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書17這是我國的第二代冷卻壁。在 50 年代后期由前蘇聯(lián)引進的武鋼高爐及鞍鋼高爐的爐身部分采用了支梁式冷卻水箱,它與爐殼設有法蘭聯(lián)接,能夠滿足高壓操作的要求,也是由普通鑄鐵制造的,水箱內(nèi)鑄冷卻水管,能夠很好地支承內(nèi)襯。但是它也與鑄鐵冷卻板一樣,冷卻強度低,承受不了熱沖擊而損壞。因此它在高爐占有的冷卻部位不斷上移,最后,只在冷卻壁的最上部安裝 2 一 3 層支梁式水箱,以支承爐身上部的砌體。但現(xiàn)在也不采用了。在 1970 年, 梅山冶金公司高爐由于鑄造錯誤未將磚鑄入冷卻壁, 為補救損失, 創(chuàng)

44、造了以碳素材料搗打料代替鑲磚, 其結(jié)果是改進了鑲磚材質(zhì), 改變了鑄入磚的制造工藝。根據(jù)梅山冶金公司的經(jīng)驗和德國冷卻壁制造的要點, 研究與設計了我國第三代冷卻壁, 并在 1989 年以后投產(chǎn)的一批高爐中使用。我國第三代冷卻壁的特點是冷卻壁本體采用鐵素體球墨鑄鐵, 冷卻水管與第二代基本相同, 鑲磚采用嵌砌的方式。我國目前第三代冷卻壁與新日鐵第三代冷卻壁差距甚大。我們再把新日鐵大分 2 號高爐第一代從 1976 年 10 月開爐至 1988 年 8 月停爐, 使用新日鐵第二代冷卻壁的損壞情況。損壞水管 115 根約占總水管量的 2.9%。設計寶鋼 3 號高爐前, 對國內(nèi)外高爐冷卻設備壽命進行了調(diào)查研

45、究, 由于國外冷卻壁技術(shù)的大幅度提高, 決定 3 號高爐采用全冷卻壁冷卻, 并選擇了新日鐵為合作對象, 引進了設計、制造技術(shù)及制造裝備。寶鋼集團公旬取得了在國內(nèi)制造和銷售新日鐵第三代和第四代冷卻壁的權(quán)利。目前已為寶鋼 3 號高爐、鞍鋼 10 號高爐及新日鐵君津 2 號高爐提供了冷卻壁。新日鐵對寶鋼冷卻壁的質(zhì)量進行了嚴格的檢查, 認為質(zhì)量優(yōu)良。新日鐵邀請寶鋼的專家于今年 8 月赴日本進行指導。提出今后長期合作的意向。但是這些高爐還未投產(chǎn), 相信在全套由新冷卻壁專利、技術(shù)訣竅、工藝流程和裝備, 以及通過現(xiàn)場實習和專家指導下生產(chǎn)的冷卻壁, 必將使高爐壽命上一個新臺階7。1.5 國內(nèi)外高爐鋼結(jié)構(gòu)設計技

46、術(shù)國內(nèi)外高爐鋼結(jié)構(gòu)設計技術(shù)高爐在冶金工業(yè)中的重要地位, 決定了高爐鋼結(jié)構(gòu)設計技術(shù)的理論和經(jīng)濟價值。近十幾年來, 隨著高爐結(jié)構(gòu)向現(xiàn)代化、大型化的發(fā)展, 高爐冶煉技術(shù)和冶煉強度不斷提高, 要求愈來愈精細的爐殼結(jié)構(gòu)與之相適應。因此,爐殼壽命的長短便成為冶金工業(yè)效益重要的衡量尺度, 同時也促進了世界特別是鋼鐵大國美、日、德、前蘇聯(lián)高爐鋼結(jié)構(gòu)設計技術(shù)的發(fā)展。這些成果, 對我國相關技術(shù)的進步具有較好的借鑒和吸收價值。相比之下, 我國高爐鋼結(jié)構(gòu)設計技術(shù)與國外的內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書18先進技術(shù)有著較大的差距。雖然歷經(jīng)幾十年的發(fā)展, 已能獨立完成象寶鋼 3 號高爐這樣的設計, 但目前,

47、我國還沒有能代表國家水平的、有關高爐結(jié)構(gòu)設計的、統(tǒng)一的技術(shù)標準、計算方法、計算程序和國家規(guī)范。現(xiàn)在的設計, 還只是停留在以經(jīng)驗為主、計算為輔的較低層次, 其中內(nèi)在的技術(shù)含量和理論底蘊與國外有明顯距離。這就要求我國有關部門及科研設計人員在此方面多做一些工作, 盡快提高我國億噸鋼鐵大國相關的設計水準8。1.5.1 高爐鋼結(jié)構(gòu)高爐鋼結(jié)構(gòu)高爐鋼結(jié)構(gòu)包括爐殼、爐體框架、爐頂框架、平臺和梯子等。高爐鋼結(jié)構(gòu)是保證高爐止常生產(chǎn)的重要設施。設計高爐鋼結(jié)構(gòu)應考慮的主要因素有；(1)高爐是龐大的豎爐，設備層層疊疊，鋼納構(gòu)設計必須考慮到各種設備安裝、檢修、更換則可行 K要考慮到大照設備的運進運出，吊上吊下，臨時停放等

48、可能性。(2)尚爐是高溫高壓反應器，某些鋼結(jié)構(gòu)件巾具有耐高溫高壓、耐磨和 pJ 靠的密封性。(3)運動裝量運動軌跡周圍，應留有足夠的凈主尺。J，升巴要考慮到安裝偏差和受力變形等因素。(4)對于支撐構(gòu)件，要隊真分析荷載條件，做強度計算。主要荷載包括：工作中的靜荷載、動荷載、事故荷載(例如崩料、坐料引起的荷載等)，檢修、安裝時的附加荷載，以及外荷載風載、地震等)。(5)露天鋼結(jié)構(gòu)和揚塵點附近鋼結(jié)構(gòu)應避免積塵積水。(6)合理設置走梯、過橋和平臺，使操作方位，安全可靠9。1.5.2 爐殼爐殼爐殼是高爐的外殼，里面有冷卻設備和爐襯，頂部有裝料設備和煤氣上升管，下部坐落在高爐基礎上，是不等截面的圓簡體。爐

49、殼的主要作用是固定冷卻設備、保證高爐砌磚的牢固性、承受爐內(nèi)壓力和起到爐體密封作用，有的還要承受爐頂荷載和起到冷卻內(nèi)襯作用。因此，爐殼必須具有一定強度。爐殼外形與爐襯和冷卻設備配置要相適應。存在著轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點減弱爐殼的強度。內(nèi)于固定冷卻設備，爐殼需要開孔。爐殼折點和開孔應避開在同一個截面。爐缸下部折點應在鐵口框以下 100mm 以上，爐腹折點府在風口大套法蘭邊緣以上大于內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書19100mm 處，爐殼開口處需補焊加強板10。1.5.3 爐體框架爐體框架爐體框架由四根支柱組成，上至爐頂平臺，下至高爐基礎，宅高爐中心成對稱布置，在風口平臺以上部分采用鋼結(jié)構(gòu)，有“

50、工”字斷面，也有圓形斷面，圓筒內(nèi)灌以混凝土。風口平臺以上部分可以是鋼結(jié)構(gòu)，也可以來用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一般情況下應保證支柱與熱鳳圍管有 250mm 間距1.5.4 爐缸爐身支柱、爐腰支圈和支柱座圈爐缸爐身支柱、爐腰支圈和支柱座圈爐缸支柱是用來承擔護腹或爐腰以上，經(jīng)爐腰支因傳遞下來的全部荷載。它的上端與爐腰支圈連接，下端則伸到高爐基座的座圈上。大中型高爐一般都是用 2440mm 的鋼板，焊成工字形斷面的支柱，為了增加支柱的剛度，常加焊水平筋板。支柱向外傾斜 6左右，以便爐缸周圍寬敞。爐身支柱的作用是支撐爐頂框架及爐頂平臺上的荷載、爐身部分的平臺走梯、給排水管道等。般為 6 根，下端應與爐缸支柱相對

51、應。在確定爐身支柱與高爐中心的距離時要考慮別爐頂框架的柱腳位置、爐身、爐腰部分冷卻設備的布置和更換。爐腰支圈的作用是把它承托的上部均布荷載變成幾個集中載荷傳給爐缸支柱，同時也起著密封作用。它是幾塊 3040mm 厚的鋼板鉚接式焊接而戊的。在它與上下爐殼相接處，兩側(cè)都用角鋼加固，在外側(cè)邊緣也用角鋼加固以加強其剛性。支柱座圈是為了使支柱作用于爐基上的力比較均習。在每個支柱下面都有鑄鐵或型鋼做成的單片墊板，并是彼此州拉桿或整環(huán)連接起來，以防止支柱在推力作用下或基礎損壞時發(fā)生位移。1.5.5 高爐結(jié)構(gòu)荷載認識的深入高爐結(jié)構(gòu)荷載認識的深入高爐綜合體結(jié)構(gòu)承受多種作用, 荷載相當復雜, 但不外乎兩類一類決定

52、結(jié)構(gòu)強度,另一類與結(jié)構(gòu)耐久性相關。正是結(jié)構(gòu)強度和耐久性綜合決定了高爐結(jié)構(gòu)的壽命。（1）煤氣壓力、爐襯和冷卻系統(tǒng)的熱膨脹力、爐料和鐵水壓力, 決定了正常操作條件下爐殼的結(jié)構(gòu)強度。（2）爐內(nèi)高溫的周期作用或突然作用, 能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞或沖擊應力, 內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書20降低鋼材塑性并導致脆性破壞。服役后期, 內(nèi)襯及冷卻器的損傷, 可導致局部過熱或大面積燒紅, 將產(chǎn)生很大熱應力, 加速爐殼開裂、美國內(nèi)陸公司證明, 沿爐殼厚度的溫度梯度是大應力的主要原因, 當最大熱應力超過屈服應力, 爐殼就會開裂。（3）低周疲勞是影響高爐壽命的主要因素。據(jù)前蘇聯(lián)對高爐實際工作狀態(tài)的研究,爐

53、殼是在不同循環(huán)特征和不同變化幅度的周期荷載作用下工作的, 爐殼10 年中荷載變化的循環(huán)次數(shù)為 2*104, 荷載不對稱系數(shù) p=0.60.9。在這種周期荷載作用下, 爐殼的應力集中區(qū)和焊縫缺陷處出現(xiàn)局部塑性變形, 從而產(chǎn)生低周疲勞破壞。因此, 日本在爐殼的計算中, 除考慮內(nèi)襯膨脹等必須考慮的荷載外, 還計入爐殼外表溫度為 t=100-130 , 鋼板內(nèi)外溫差 10 。這表明國外爐殼設計不僅考慮了正常操作下的狀況, 而且已將服役后期溫度應力對壽命的降低計入在內(nèi)。所以, 高爐結(jié)構(gòu)的最終壽命, 就是正常條件下的結(jié)構(gòu)強度, 抵御低周疲勞脆斷的時限。大量的實驗、分析、實踐證實爐殼損壞有兩種原因一是由于疲

54、勞, 特別是局部過熱引起的疲勞損傷另一種是突然的脆性斷裂。因此,爐殼設計的應力控制標準應以斷裂韌性和疲勞強度為據(jù)。以斷裂韌性為結(jié)構(gòu)抗裂性指標,記K=K1c 作為防止脆斷的依據(jù), 當 KK1c ，時結(jié)構(gòu)安全反之亦然11。1.5.6 國外先進的結(jié)構(gòu)形式國外先進的結(jié)構(gòu)形式為使高爐長壽, 國外研究設計了新的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點構(gòu)造, 改善爐殼受力, 減少應力集中。（1）采用爐身高度較低、薄壁、外形簡單、爐型變化小的新爐型。新日鐵公司徹底消除爐體焊縫應力, 爐腹以下不彎折、爐底和爐缸作成直角, 保證爐殼應力沿高度均勻分布。（2）改進爐殼與冷卻器的連接構(gòu)造, 減少爐殼開孔的應力集中。前蘇聯(lián)將現(xiàn)有冷卻器用四螺栓與

55、爐殼固定, 改用一螺栓連接。并提出了改進風口, 出鐵口和高爐加料裝置的構(gòu)造措施, 從而改善高爐受力。（3）優(yōu)化爐殼孔型及分布。英國戴維公司對爐殼與冷卻器連接處的孔型及分布的研究取得進展, 獲得減少應力集中的最有效孔型布置, 經(jīng)實驗證明孔邊緣必須磨光。內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書211.5.7 國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展將我國煉鐵設計的發(fā)展, 有兩次飛躍第一次飛躍時間為 50 和 60 年代。這時期, 我國設計人員在蘇聯(lián)專家指導下完成了鞍鋼、本鋼 8 座高爐施工圖設計。蘇聯(lián)完成了武鋼、包鋼的初步設計, 并提供了整套、高爐定型設計圖紙。據(jù)此, 我國相繼建成了 5 座高

56、爐, 正是這些工程實際, 為我國技術(shù)人員學習、消化、掌握現(xiàn)代化大型高爐的設計方法、計算理論、建設經(jīng)驗提供了契機。也基于此, 重慶鋼鐵設計研究院于 60 年代編制了我國高爐結(jié)構(gòu)設計的基本依據(jù)高爐結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)定。該規(guī)定引入公式及邊緣效應計算。盡管實踐和理論早已證明該式存在明顯局限, 直到現(xiàn)在, 我國的大多數(shù)設計單位,對爐殼的計算仍以此為據(jù), 蘇聯(lián)在公式后建立的更為科學的理論和方法, 未能在我國設計界得到廣泛應用和推廣。第二次飛躍, 以計算機和大型結(jié)構(gòu)分析通用程序, 引入整個高爐結(jié)構(gòu)設計為標志, 時間為寶鋼建設時期。寶鋼 1 號高爐以日本君津廠 3 號高爐第一代原型為樣板, 結(jié)構(gòu)設計由日本新日鐵完

57、成。為搞好寶鋼 2 號高爐設計, 重鋼院在消化移植 1 號高爐技術(shù)的同時,引進了日本川崎公司的大型程序 KBSD。隨后, 北鋼院從美國引進了通用分析程序 GTSTRDL 和 NASTRAN, 用于工程設計。這些程序, 不僅能對高爐系統(tǒng)的熱風爐、除塵器、爐體框架及爐殼等子系統(tǒng)進行獨立的靜動力分析, 也可考慮其相互作用, 進行綜合動力分析, 既可作整體彈性分析, 還可對結(jié)構(gòu)細部做靜力彈塑性分析。表明, 我國高爐結(jié)構(gòu)設計特別是爐殼開始進入電算時代12。1.5.8 我國在鋼結(jié)構(gòu)設計上的現(xiàn)狀我國在鋼結(jié)構(gòu)設計上的現(xiàn)狀（1）我國高爐結(jié)構(gòu)設計, 還處在以經(jīng)驗為主、計算分析為輔的階段。設計新建高爐時,技術(shù)人員往

58、往參照已建的高爐或已往的經(jīng)驗, 確定爐殼厚度和用鋼量, 決定爐殼的主體結(jié)構(gòu), 計算分析只是參考。其根本原因, 就在于沒有明確掌握高爐內(nèi)三項材料的運動規(guī)律、爐內(nèi)化學變化對爐皮的真實壓力, 以及高溫作用、低周荷載對爐殼疲勞與脆斷的影響,不得不把經(jīng)驗作為主要依據(jù)。（2）我國高爐結(jié)構(gòu)設計, 已經(jīng)進入電算時代, 已有較為完備、符合高爐工況的計算軟件和細部分析能力, 能夠在彈性薄膜理論和板殼有矩理論指導下, 對整體進行分析, 也可對局部進行彈塑性分析。但我國高爐結(jié)構(gòu)的設計精度還不高, 落后于日本、前蘇聯(lián)等國家。由于我們?nèi)狈Ω郀t, 特別是爐體內(nèi)部的實驗和研究, 很難對荷載做進一步的準確統(tǒng)計。因此, 不管擁

59、有多么先進的計算設備內(nèi)蒙古科技大學高等職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計說明書22和手段,校核的數(shù)據(jù)與使用總有一定距離。而且, 在實際設計中, 我們只考慮了爐役前期, 統(tǒng)計正常操作下的荷載, 盡管我們已經(jīng)考慮內(nèi)襯膨脹對爐殼的壓力, 但對熱疲勞, 低周荷載在爐役后期, 對高爐壽命減少的影響沒有考慮。斷裂力學對結(jié)構(gòu)壽命的估計, 還未應用于設計。（3）我國還沒有統(tǒng)一的高爐設計概念, 沒有編制自己的設計規(guī)范和計算程序, 缺乏明確的爐殼設計控制標準。目前國內(nèi)沒有一本有關的專著, 基本沿用蘇聯(lián)理論和規(guī)范, 以及日本的一些做法, 加上各設計單位缺乏相互交流, 在市場利益機制的驅(qū)使下, 必然大部分沿襲舊有設計經(jīng)驗。所以,

60、結(jié)構(gòu)設計進步遲緩13。1.6 高爐基礎高爐基礎高爐基礎是高爐下部的承重結(jié)構(gòu)，它的作用是將高爐全部荷載均勻地傳遞到地基。高爐基礎由埋在地下的基座部分和地團上的基墩部分組成。1.6.1 高爐基礎的負荷高爐基礎的負荷高爐基礎承受的負荷包括靜負荷、動負荷、熱應力作用，其中溫度造成的熱應力作用最危險。靜負荷高爐基礎承受的靜負荷包括高爐內(nèi)部的爐料重量、渣、鐵液重量、爐體本身的砌磚重量、金屬結(jié)構(gòu)重量、冷卻設備及冷卻水重量、爐頂設備重量等，還有爐下建筑物、斜橋、卷揚機等分布在爐身周圍的設備重量。就力的作用情況來看，前者是對稱的，作用在爐基上，后者則常常是不對稱的，是引起力矩的因素，可能產(chǎn)生不均勾下沉。動負荷生