3200m3高爐本體及渣鐵處理系統(tǒng)設計

內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明（畢業(yè)論文） -PAGE86-中文摘要目前我國鋼鐵企業(yè)蓬勃發(fā)展，許多鋼鐵廠都在新建或擴建高爐，高爐逐漸向大型化發(fā)展，因此在原有高爐的基礎上引進新技術對高爐適當?shù)母脑煸O計是必要的。由于設計的需要，某些數(shù)據(jù)采自施工現(xiàn)場工長、爐長和工人的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，許多參數(shù)的設計以理論數(shù)據(jù)為參照、以實際地區(qū)實際原料條件下的情況進行選定、以實際應用參數(shù)為基準。本說明書采用包頭地區(qū)原料條件下，對3200ｍ3高爐本體進行設計，其設計內(nèi)容主要包括：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、高爐鋼結構及基礎設計、出鐵場設計、爐前設備的選擇確定、鐵水處理系統(tǒng)設計、爐渣處理系統(tǒng)設計、繪制高爐本體立剖圖和高爐出鐵場平面布置圖。高爐設計主要參數(shù)如下：利用系數(shù)－2.3；焦比－370㎏；煤比－170㎏；爐渣堿度－1.03；高爐高頸比－2.19；高爐有效高度－29.98m；日產(chǎn)鐵－7360噸。本高爐本體以五段爐型為標準，以適應原料條件為前提，冶煉過程能夠順行為保障，日產(chǎn)量最大，質(zhì)量最優(yōu)，能耗最低，壽命最長為目標進行設計。為達到以上目標，與傳統(tǒng)高爐相比，本高爐爐型驅(qū)于矮胖型。為進一步提高高爐壽命，爐底爐缸采用全碳磚結構，這是因為包頭礦含有高氟，對爐缸爐底的侵蝕嚴重。爐底采用了5段低絡鑄鐵光面冷卻壁，爐腹、爐腰及爐身下部采用銅冷卻壁冷卻，它的冷卻強度大、對磚襯支撐作用強、損壞后可更換。高爐鋼結構采用爐體框架式結構,它的優(yōu)點在于取消了爐缸支柱，風口平臺寬敞，爐前操作方便。出鐵場為環(huán)形出鐵場，設置四個鐵口連續(xù)出鐵，它的優(yōu)點在于布置緊湊,占地面積少,場地有效利用率高,自然通風條件好。渣的處理采用目前我國大高爐都使用的熱法INBA渣處理系統(tǒng)，其工作效率高，對環(huán)境污染少。關鍵字：高爐本體渣鐵處理系統(tǒng)設計內(nèi)容AbstractAtpresent,China'sironandsteelindustryisflourish,andmanyironandsteelplantisbuildingorexpansionofblastfurnace,blastfurnaceisgradualateingdevelopedtolarge-scale,andthereforethebasisoftheoriginalblastfurnacetointroducenewtechnologyontheblasttransformationandtheappropriatedesignisnecessary.Asthedesignneedsofsomeofthedatascollectedfromtheplantandtheworks,alongfurnaceempiricaldata,manyofthedesignparameterstothetheoreticaldataforthereferencetotheactualareasofrawmaterialsundertheconditionsoftheactualsituationinselectedparametersinthepracticalapplicationofbasement.Baotouregionofthespecificationofrawmaterialsusedundertheconditionsoftheblastfurnaceof3200m3todesign,itsdesignincludes：Designandcalculationofblastfurnace、Calculationandoptionofblastfurnacelining、Designofblastfurnacecoolingsystem、Blastfurnaceandbasicsteelstructuredesign、Designofcasthouse、Determinethechoiceofsteelequipment、Ironwatertreatmentsystemdesign、Slaghandlingsystemdesign、DrawessenceofblastfurnaceautopsychartsandblastfurnaceLayoutfield.Themainblastfurnacedesignparametersareasfollows:useofcoefficientof－2.3;cokeratio－370㎏;coalthan－170㎏;slagbasicity－1.03;blasthighneckthan－2.19;highlyeffective－29.98;Daytotalofironproduction－7360t.Theblastfurnaceiadesignasfiveasthestandardtomeettheprerequisiteconditionsforrawmaterials,smeltingprocesstoshunactsofprotection,thelargestoutput,thequalityoftheoptimalenergyconsumptionandthelowestlifeexpectancyofuptodesigngoals.Toachievetheseobjectives,ascomparedwiththetraditionalblastfurnace,theblastfurnacetoreducetheratioofheighttodiameter,orblastfurnaceinthesquat-typeflooding.Tofurtherenhancethelifeofablastfurnace,hearthtoadoptadvancedtechnologyceramiccupwithhotbrickssmallcarboncompositestructure,whichisrefractoryhearthwithanimportantprogress.Bottomusinga5-walledgraycastironcoolingsmooth,bellystove,stoveandfurnacearelowerlumbarcoppercoolingstave,anditscoolingintensity,supportingtheroleofthebricklining,anddamagecanbereplaced.Marketfortheironringofironfield,setupfourconsecutiveirontaphole,itisthelayoutoftheadvantagesofcompact,smallarea,highspaceutilization,naturalventilationconditions.TheuseofslaghandlinglargeblastfurnaceinChinaareusedHingHong-INBAslagthermalprocessingsystem,itshighefficiencyandlessenvironmentalpollution

Keyword:blastfurnacebodyslaghandlingsystemdesigncontents目錄中文摘要 1Abstract 2目錄 4第一章文獻綜述 71.1我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 71.2高爐爐型發(fā)展史 71.3國外高爐發(fā)展現(xiàn)狀 81.4我國高爐發(fā)展現(xiàn)狀 91.5高爐爐體系統(tǒng) 111.5.1爐喉 121.5.2爐身 121.5.3爐腰 131.5.4爐腹 131.5.5爐底、爐缸 131.6高爐內(nèi)襯 141.6.1我國高爐內(nèi)襯發(fā)展過程 141.6.2高爐爐體內(nèi)襯結構基本形式和發(fā)展現(xiàn)狀 151.6.3高爐各部位內(nèi)襯發(fā)展趨勢 181.6.4高爐用各種耐材的介紹 191.7高爐的冷卻 211.7.1冷卻設備 211.7.2冷卻介質(zhì) 241.7.3冷卻方式介紹 261.8高爐鋼結構及基礎 271.8.1高爐本體鋼結構類型 271.8.2爐殼 281.8.3高爐基礎 291.9渣鐵處理系統(tǒng) 301.9.1風口平臺類型的介紹 301.9.2出鐵場類型及發(fā)展趨勢 301.9.3渣鐵處理方法的介紹 311.9.4幾種常用爐渣?；に嚨谋容^ 321.10本高爐本體設計思想 33第二章工藝計算 342.1原料條件 342.1.1礦石成分 342.1.2燃料成分 352.1.3其它條件 362.2配料計算 362.2.1噸鐵礦石用量計算 362.2.2石灰石的用量計算 372.2.3渣量及爐渣成分的計算 382.3物料平衡計算 392.3.1鼓風量的計算 392.3.2煤氣組成及煤氣量計算 402.3.3考慮爐料的機械損失，實際入爐量 422.3.4物料平衡表 422.4全爐熱平衡計算 432.4.1熱收入 432.4.2熱支出 432.4.3列熱平衡表 462.5理論焦比的計算 46第三章高爐爐型設計計算 493.1爐型的計算 493.1.1鐵口 493.1.2渣口 493.1.3風口 503.1.4日產(chǎn)鐵量的計算 503.1.5死鐵層厚度 503.1.6爐缸尺寸計算 513.1.7爐腰直徑

爐腹角

爐腹高度 513.1.8爐喉直徑

爐喉高度

爐身高度

爐腰高度 513.2爐容的校核 52第四章高爐各部位耐火材料的選擇及計算 534.1.各部位磚襯的選擇 534.1.1爐底、爐缸部位的選擇 534.1.2爐腹部位的選擇 534.1.3爐腰部位的選擇 534.1.4爐身及爐喉部位的選擇 534.2各部位磚量計算 544.2.1爐腹的計算 554.2.2爐腰的計算 564.2.3爐身的計算 564.3磚襯的砌筑 574.4高爐爐體用耐火材料性質(zhì)及參數(shù)表 58第五章冷卻介質(zhì)及冷卻設備的選擇 665.1各部位冷卻器的配置 665.2軟水密閉循環(huán)系統(tǒng) 665.2.1高爐軟水閉路冷卻系統(tǒng)工作原理 675.2.2軟水閉路冷卻的特點 675.2.3硬水的軟化過程 68第六章高爐鋼結構及高爐基礎 69第七章渣鐵處理系統(tǒng) 707.1風口平臺及出鐵廠 707.1.1風口平臺的選擇 707.1.2出鐵場的選擇 707.1.3圓形出鐵廠與矩形出鐵廠的比較 707.1.4環(huán)形出鐵場的優(yōu)點 717.2爐前設備 727.2.1開鐵口機 727.2.2液壓泥炮 727.2.3擺動流嘴 727.2.4爐前運輸工具 727.2.5鐵水罐對位 737.3鐵水的處理 737.4爐渣的處理 747.4.1爐渣處理方法的選擇 747.4.2冷熱INBA法比較 747.4.3因巴（NIBA)法爐渣?；b置工藝流程 75參考文獻 76專題論述—高爐長壽的探討 78致謝 84第一章文獻綜述1.1我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀對任何國家而言，鋼鐵行業(yè)都是一個非常重要的基礎行業(yè)，一個國家的經(jīng)濟要騰飛，社會的進步都直接地依賴鋼鐵行業(yè)的發(fā)展。建國初期，百廢待興，面對薄弱的鋼鐵工業(yè)，當時黨和國家領導人對鋼鐵工業(yè)非常重視。時至今日，我國鋼鐵行業(yè)經(jīng)過數(shù)代人的艱苦努力，發(fā)生了翻天覆地的變化，其產(chǎn)量從1950年的14萬噸發(fā)展到2005年的3.49億噸以上，55年增加2000多倍。現(xiàn)在我國鋼鐵產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的三分之一以上，成了名副其實的鋼鐵大國。然而，我國雖然是鋼鐵大國，但卻不是鋼鐵強國，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)雖然年人均產(chǎn)量達到甚至超過世界人均產(chǎn)量，但按人均歷史累積擁有量計算，仍然處于世界較低的水平。(2)鋼材的品質(zhì)較差，大部分產(chǎn)品集中在較低檔次，很多高品質(zhì)的、特種的鋼材欠缺，仍需大量進口。(3)品種少，檔次低。普通的棒線材品種多、產(chǎn)量大，而國家急需的板材等品種少。(4)工藝技術落后。目前我國大高爐少，小高爐多，1000m3因此，我國還不是鋼鐵強國，今后的主要發(fā)展方向不是增加產(chǎn)能，而是加強技術投入，淘汰落后的小高爐、小轉爐，建設技術水平高的大高爐、大轉爐，增加鋼材品種，改善鋼種質(zhì)量，采用新技術、新工藝、新設備、新材料，減少環(huán)境污染，降低能源消耗，提高經(jīng)濟效益，增強國際競爭能力?！?】1.2高爐爐型發(fā)展史原始型高爐,呈契形，由于當時工業(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，為了避免在高爐下部壓碎而影響料柱透氣性，故原始高爐高度很小，為了人力裝料方便并能夠?qū)t料裝倒爐喉中心，爐喉直徑很小，而大的爐腰直徑減小了煙氣外流速度，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，爐身下部直徑大等等，是原始高爐爐型的共同特點。19世紀末葉，由于蒸汽鼓風機和焦碳的作用，爐頂裝料裝置逐步實現(xiàn)機械化，高爐內(nèi)型趨向于擴大爐缸爐喉直徑，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，由于受德國的L．格留涅爾思想影響，基本上是瘦長型，德國、美國高爐有段時間爐型都是瘦長型，由于冶煉效果并不理想，相對高瘦又逐漸有所降低。近代高爐，由于鼓風機能力進一步提高，原料燃料處理更加精細，高爐爐型向著“大型橫向”發(fā)展。［2］1.3國外高爐發(fā)展現(xiàn)狀為了進一步提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，增加生鐵產(chǎn)量，從60年代初世界出現(xiàn)容積為2000m3級的高爐以來，國外新建高爐的容積迅速增大。進入70年代后，日本建造了4000m歐洲高爐委員會（簡稱E.B.F.C）12 國的高爐座數(shù)從1987年的95座減少到1992年的72座，生鐵產(chǎn)量從8810萬噸增加到8860萬噸，平均單爐年產(chǎn)量從92.7萬噸上升為123萬噸，預計到2010 年高爐座數(shù)將進一步減少到50座左右。北美（美國和加拿大）高爐座數(shù)從1973年的170座減少到1993年的49座，同時生鐵產(chǎn)量從10100萬噸減少到5900萬噸，但平均單爐年產(chǎn)鐵量卻從59.4萬噸增加到120.4萬噸。其中美國生產(chǎn)高爐座數(shù)近10年來又減少了八座，而生鐵產(chǎn)量卻增加了27%。日本高爐座數(shù)從1973年的60余座減少到1993年的33座，同時生鐵產(chǎn)量卻從9000萬噸減少到7374萬噸，但平均單爐年產(chǎn)生產(chǎn)鐵量卻從180萬噸增加至223.5萬噸。近10年來日本高爐座數(shù)又進一步增加。以上各地區(qū)高爐單爐產(chǎn)量的提高。除高爐大型化以外，固然還有提高利用系數(shù)的因素，但顯然大型化是主要的。高爐向大型化發(fā)展，是不是高爐越大越好，多大容積的高爐最為合適，目前仍尚無定論。據(jù)日本的分析指出，爐容越大，單位容積的設備費用越便宜。但這種傾向隨著爐容的增大而逐步減緩。如果綜合作業(yè)費和設備在一起加以比較，以2000m3的高爐為基準，爐容增大到2500m3范圍時，隨著爐容的增大，其經(jīng)濟效益是顯著的。如果再繼續(xù)增大，其經(jīng)濟性就逐步減緩。當增大到4000m3以上時，隨著爐容的增大，其經(jīng)濟性就不明顯了。且高爐越大，要求爐料的強度越高，需要配置的設備越大，這給高爐的建設、生產(chǎn)和維修等都帶來困難。另外，當高爐需要停爐或大修時，牽扯到其他廠礦的生產(chǎn)平衡問題也越嚴重。目前，特大型、巨型高爐以41.4我國高爐發(fā)展現(xiàn)狀目前，我國高爐特點是大中小型高爐并存。爐頂設備在我國目前已都采用無鐘爐頂旋轉布料器。我國鋼鐵工業(yè)底子薄。剛解放時，全國只有7座高爐，1949年的鋼產(chǎn)量僅為15.8萬噸，居世界第26位，設備水平極為落后。改革開放以前，由于種種原因，高爐大型化發(fā)展速度一直比較緩慢。改革開放以后，我國花大力氣投資建造了一大批高爐，其中也有一些總體裝備較高的大型、特大型高爐。然而雖然新建的高爐星羅密布，但1000根據(jù)《鋼鐵工業(yè)統(tǒng)計年報》（2001）和有關資料顯示，全國大中型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)高爐265座，生產(chǎn)能力12508萬噸/年，其中大于1000m3的高爐51座，生產(chǎn)能力6542萬噸/年，占生產(chǎn)能力的52.3%3000～4350m3高爐4座，2001年生鐵產(chǎn)量1674萬噸，寶鋼1號高爐（4063m3）和3號高爐（2000～2999m3高爐21座，生產(chǎn)能力2876萬噸，平均利用系數(shù)不小于焦比390kg左右，大多數(shù)高爐風溫在1200℃以上。這批高爐為國內(nèi)先進水平，某些技術經(jīng)濟指標達到國際先進水平。1000～1999m3高爐27座，生產(chǎn)能力2358萬噸，平均利用系數(shù)大于2，焦比450㎏，邯鋼5號高爐達375㎏可見，我國高爐大型化雖有發(fā)展，但總體看，高爐技術裝備水平較低。其特點是大、中、小高爐并存，爐子多，分布廣，平均爐容小，生產(chǎn)效益低，能耗高，經(jīng)濟技術指標差，產(chǎn)品質(zhì)量較低，環(huán)境污染較嚴重。在適當時機，各企業(yè)應擴容改造，提高現(xiàn)代化水平。送風系統(tǒng)方面除少數(shù)大型高爐采用了出口風壓高的軸流式鼓風機，外燃式熱風爐，大多數(shù)高爐仍采用的是出口風壓較低的離心式鼓風機和普通內(nèi)燃式熱風爐，風溫一般都在1200～1300℃范圍，我國高爐采用頂燃式熱風爐正在試用中。上料系統(tǒng)普遍采用斜橋料車及卷揚機上料，大部分新建高爐采用了膠帶運輸機上料，爐后一般都采用了槽下篩，膠帶運輸機和稱量漏斗供料?；緦崿F(xiàn)了爐后供料機械化和自動化。爐前機械設備已由過去普通采用的電動泥炮，逐步推廣到采用矮身液壓泥炮。沖鉆式開鐵口機在部分高爐上采用，通過壓縮空氣的堵渣口機得到普遍應用。在新建和改建的部分大型高爐上還設置了換風口機和爐前煙氣除塵設備。但大多數(shù)高爐仍采取人工拆換風口，爐前工作條件仍然很差。爐前熔渣水淬新技術，鐵水擺動流嘴。插棒法開鐵口，大型魚類罐鐵水車等在新建和改建的大型高爐上被采用。熱風爐余熱回收利用，煤氣余壓發(fā)電回收能源等新技術已逐步得到推廣使用。并已獲得良好的經(jīng)濟效益。我國高爐采用噴煤粉技術較早推廣，其特點是煤、油聯(lián)合噴吹，噴吹量大。但是近些年來噴煤技術進展不大，在自動化等新技術方面落后于日本等發(fā)達國家。我國由于制氧機的生產(chǎn)滿足不了高爐生產(chǎn)的需要，鼓風富氧率很低。富氧鼓風在國外發(fā)展很快。我國高爐一般只用幾臺微型計算機控制爐后上料，熱風爐燃燒與換爐等。而沒有爐況判斷與預報懸料等過稱控制的大型計算機。合理的爐型設計是高爐長壽的基礎，但其合理性最終還要視日后操作內(nèi)型的適應性而定。冶煉包頭礦的包鋼高爐爐型逐步趨于矮胖，爐身有效高度與爐腰直徑的比值，比以前降低了很多，包鋼四號高爐的生產(chǎn)實踐表明，高爐的內(nèi)型趨于矮胖，對爐況的適應性強，有利于強化冶煉，生產(chǎn)指標不斷優(yōu)化，此外，爐型方面表現(xiàn)出的的另一個特點為：死鐵層深度不斷加深。為了克服鐵水滲透侵蝕，鐵水環(huán)流沖刷對爐腹﹑爐缸造成的破壞，進一步滿足強化冶煉的需要和實現(xiàn)更高的長壽目標，適當加深死鐵層深度，從而降低爐缸壁的鐵水流速，減輕鐵水環(huán)流造成的強烈沖刷是必要的。爐腹高度的設計上也呈現(xiàn)出一些變化，主要是對爐腹的高度增加了。這主要是考慮包頭礦的結構縝密較難熔化，加高爐腹后可以使爐料在爐腹區(qū)域停留時間延長，即減輕了爐缸的融化滴落，而且還有利于擴大渣皮保護區(qū)域。另外一套成熟的技術如矮胖爐型，優(yōu)質(zhì)耐材（氮化硅結合碳化硅磚、鋁碳磚）、球墨鑄鐵冷卻壁，關鍵部位軟水密封循環(huán)冷卻，合理的上下部調(diào)劑、噴補、壓入造襯、無料鐘爐頂、外燃式熱風爐等。還有一些高爐長壽新技術如全爐體冷卻，銅冷卻壁的應用。軟水密封循環(huán)冷卻等的應用。作為高爐冷卻系統(tǒng)主流發(fā)展模式的軟水密封循環(huán)冷卻技術可以使冷卻水質(zhì)得到極大改善，解決冷卻水管結垢的致命問題，高效冷卻器充分發(fā)揮重作用提供技術保障。高爐長壽是系統(tǒng)流程，在大噴煤，高利用系數(shù)強化冶煉條件下，應堅持精料方針，不斷提高原料質(zhì)量穩(wěn)對成分，減少入爐粉末，進一步優(yōu)化爐料結構，控制煤氣流的分布，減少對爐墻的侵蝕。提高鼓風動能，活躍爐缸，穩(wěn)定爐溫，不但是包頭礦冶煉順行的基礎，也是高爐長壽的必要措施。［3］1.5高爐爐體系統(tǒng)爐體系統(tǒng)是整個高爐煉鐵系統(tǒng)的心臟部位，其他所有系統(tǒng)最終都是為爐體系統(tǒng)服務的，高爐煉鐵幾乎所有的化學反應都在爐體完成，爐體系統(tǒng)的好壞直接決定了整個高爐煉鐵系統(tǒng)的成功與否，高爐一代爐役壽命實際上就是爐體系統(tǒng)的一代壽命，所以說爐體系統(tǒng)是整個高爐煉鐵最為重要的系統(tǒng)。爐體系統(tǒng)除了最為重要的爐型外，還包括爐殼、內(nèi)襯、冷卻元件、冷卻介質(zhì)、等附屬設備。高爐爐型。高爐爐型指的是高爐工作空間的形狀?，F(xiàn)代高爐的爐型為五段式爐型，自上而下由以下五部分組成：爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸。在爐喉上部還有爐頂平臺和爐頂鋼圈。[5]五段式的爐型既滿足了爐料下降時受熱膨脹和還原熔化以及造渣過程的需要，也適應了煤氣上升過程中冷卻收縮的情況。實踐已經(jīng)證明，五段式作為一個現(xiàn)代爐型結構滿足了煉鐵生產(chǎn)的需要，并已取得明顯效果。高爐爐型作為一個外部條件對冶煉過程有很大影響，爐型各段在冶煉過程中的特征表現(xiàn)及作用如下：1.5.1爐喉爐喉主要起著保護爐襯、合理布料和限制煤氣灰被氣體大量帶出的作用。在這里形成煤氣流的3次分布，由爐喉煤氣曲線可以從另一側面看出高爐的冶煉行為。其爐喉形狀大小隨高爐使用原料條件的變化而變化。一般爐喉直徑與爐腰直徑之比(dl／D)為0.69～0.72，其高度在3m以內(nèi)。正常生產(chǎn)時，爐喉溫度為200～500℃。由于爐料的撞擊和摩擦比較劇烈，鋼磚一般選用鑄鋼件。1.5.2爐身爐身主要起著爐料的預熱、加熱、還原和造渣的作用。在這里發(fā)生了一系列的物理化學變化。為了使爐料順利下降和煤氣不斷上升，爐身要有一定的傾斜度(通常用爐身角表示)，以利于邊緣煤氣有適當發(fā)展。當爐身角太大時，邊緣煤氣不發(fā)展，便會發(fā)生懸料事故，造成高爐不順行；反之，爐身角太小，大量的煤氣會從邊緣跑掉，煤氣能量利用變差，礦石就得不到充分的加熱和還原，以至焦比上升。因此，合適的爐身角很重要，一般以80°～85°30′為宜。小高爐的料柱低，為了充分利用煤氣的熱能和化學能，爐身角應稍大些；反之，爐身角應稍小些。1.5.3爐腰爐腰起著緩沖上升煤氣流的作用。爐料在這里已部分還原造渣，透氣性較差，故爐腰直徑有擴大之勢，爐腰高度則不宜過高，大高爐一般為2m左右，如某廠1000m3高爐，其爐腰高度僅6161.5.4爐腹爐腹連接著爐缸和爐腰。其上大下小，為適應氣體體積增加和爐料變成渣鐵后體積縮小的需要而設置，爐腹的傾斜區(qū)(用角)表示。為了改善此處爐料的透氣性(該部位既有液態(tài)的渣鐵，又有固態(tài)的焦炭)，爐腹角也有擴大的趨勢，一般大中型高爐爐腹角在76°～82°之間。另外，爐腹部位溫度很高，并有大量熔渣形成，所以渣蝕嚴重，又是高爐部位的一個薄弱環(huán)節(jié)。[5]1.5.5爐底、爐缸爐底、爐缸主要起著燃燒焦炭和儲存渣鐵的作用。隨著冶煉強度提高，爐缸直徑也在擴大。爐缸部位工作環(huán)境最為惡劣。特別是風口區(qū)溫度是高爐內(nèi)溫度最高的地方，內(nèi)襯除受高溫作用外，還受渣鐵的化學侵蝕和沖刷。爐底主要受到渣鐵特別是鐵水的侵蝕，侵蝕形成一般為蒜頭狀爐底。由于爐缸、爐底內(nèi)襯的侵蝕不易修補，所以爐缸、爐底壽命的長短往往決定著一代高爐壽命的長短。爐缸部位分上、中、下，爐缸分別裝有風口﹑鐵口。爐缸下部容積盛裝液態(tài)渣鐵，上部空間為風口的燃燒帶。爐缸直徑截面積應保證一定數(shù)量的焦碳和噴吹燃料的燃燒，爐缸截面燃燒強度I(t/m3.h)是高爐冶煉一個重要指標。燃料的燃燒強度，我國強化高爐曾達到過1.5t/m3.h，目前為1.0～1.25t/m3.h，國外高爐一般為1.0t/m3.h左右。爐缸高度的確定包括渣口的高度﹑風口高度的確定以及風口安裝尺寸的確定。高爐爐型是爐體系統(tǒng)的基礎，爐型的好壞不但關系到高爐是否高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，也關系到高爐煤氣利用的好壞和燃料比的大小，同時，也對高爐壽命的長短起著重要作用。高爐爐型應該根據(jù)爐容大小、礦石品種、品位、熟料率、球團率、焦炭質(zhì)量以及內(nèi)襯和冷卻壁的形式等多種因素共同確定。一般而言，爐容越大、品位越高、熟料率越高、球團比越大、內(nèi)襯越薄、爐型相對越矮胖，反之爐型越瘦長。在我國，隨著各鋼鐵企業(yè)大力提高礦石品位、提高熟料率及球團比以及薄壁內(nèi)襯的盛行，高爐有逐漸矮胖的趨勢。【3】本設計以五段式的高爐為標準進行設計。1.6高爐內(nèi)襯內(nèi)襯是指高爐內(nèi)砌筑的耐火材料。高爐爐內(nèi)不同部位的耐火材料所接觸的物質(zhì)和溫度是不同的，在設計高爐時，應根據(jù)高爐的部位破損及蝕損機理，合理選擇砌筑內(nèi)襯的耐火材料。高爐常用的耐火材料主要有教土質(zhì)類、高鋁質(zhì)類、鋁碳質(zhì)類、碳化硅質(zhì)類、剛玉質(zhì)類、炭質(zhì)和石墨質(zhì)類。隨著對高爐爐體壽命要求越來越高，人們對爐腹及其以上區(qū)域和爐缸區(qū)域的內(nèi)襯要求有了更深的認識。在爐腹及其以上區(qū)域，再好的內(nèi)襯對延長爐體壽命的作用也是有限的，提高壽命主要靠可靠的冷卻元件和有效的冷卻系統(tǒng)，因此，現(xiàn)代高爐對在爐腹及其以上區(qū)域的內(nèi)襯材質(zhì)不作過分高的要求，且內(nèi)襯厚度趨勢是越來越薄。在爐缸區(qū)域，內(nèi)襯材質(zhì)和結構對爐體壽命有極大影響，所以爐缸部位的內(nèi)襯材質(zhì)越來越高檔，陶瓷杯、各種高品質(zhì)炭磚、石墨質(zhì)磚已普遍在現(xiàn)代高爐爐缸中應用。[5]1.6.1我國高爐內(nèi)襯發(fā)展過程我國高爐爐型，由于原燃料條件和操作的改善，由20世紀50年代的較細長型高爐逐步演化成符合原料條件和操作制度的較矮胖爐型發(fā)展。隨著原料條件和操作水平的進一步改善，高爐爐型繼續(xù)向矮胖、橫向擴大的趨勢。隨著高爐爐膛型的演化，高爐本體結構也有了很大演變。高爐爐體結構的演變，可分為四階段：第一階段：20世紀50～60年代，渣口以下用光板冷卻壁，渣口以上用冷卻板。內(nèi)襯以粘土磚為主，爐底厚度達2700～3200mm，爐腰以上內(nèi)襯厚度為900～1150mm。第二階段：60～70年代，渣口以下來用高鋁磚，爐底用炭磚或炭搗加高鋁磚加風冷的綜合爐底，爐腹磚襯厚為345mm，爐身為920mm。風口以下采用光板冷卻壁，爐腹采用鑲磚冷卻壁，爐腰、爐身采用鑲磚冷卻壁，結合支梁式水箱或扁水箱結合支梁式水箱等。第三階段：70～80年代，由于高效耐火材料的出現(xiàn)，爐體結構更加符合強化和長壽。但是這一階段出現(xiàn)了一種盲目采用高級耐火材料的傾向，結果投資大，效果不明顯。國外冷卻壁雖然出現(xiàn)第二代、第三代，但是國內(nèi)高爐沒有多大的變化。高爐內(nèi)襯采用了硅線石磚、石墨化或半石墨化炭磚、氮化硅結合的碳化硅磚等。爐底由水冷代替了風冷。第四階段：80年代以后，高爐長壽的矛盾由爐底轉移到爐身下部，開始重視爐身下部的壽命。由于爐底采用了石墨化、半石墨化炭磚和高鋁磚或鋁炭磚配合水冷爐底能夠保持一代爐齡甚至更長。所以一代壽命突出的問題出現(xiàn)在爐身下部，因此，為了延長爐身下部壽命，出現(xiàn)了第四代冷卻壁、銅冷卻壁和冷卻板，軟水閉路循環(huán)冷卻等新設備、新工藝等新技術。高爐內(nèi)襯發(fā)生了很大的變化，爐底采用水冷薄爐底；爐底、爐缸采用炭磚、熱壓炭磚或陶瓷杯磚等；鐵口、風口、渣口區(qū)域采用組合磚；爐腰、爐身采用碳化硅磚、鋁炭磚、Si3N4結合的碳化硅磚等不同部位采用不同材質(zhì)的耐火材料。鑲磚冷卻壁由鑲高鋁磚、粘土磚發(fā)展到鑲鋁炭磚、碳化硅磚或高效搗打料等，不少高爐采用了第三代冷卻壁或銅冷卻壁，從而進一步提高了一代爐齡壽命。[6]1.6.2高爐爐體內(nèi)襯結構基本形式和發(fā)展現(xiàn)狀1.6.2.1爐底、爐缸主要有3種形式：水冷炭磚綜合爐底、陶瓷杯結構形式、UCAR熱壓小炭磚結構形式。近幾年，也有采用陶瓷杯十熱壓小炭磚的結構形式。(1)水冷炭磚綜合爐底、爐缸形式是我國高爐的傳統(tǒng)形式，其爐底一般采用多層大塊炭磚，爐缸側壁環(huán)砌大塊炭磚，在爐底炭磚上部和環(huán)砌炭磚內(nèi)側砌筑一至多層教土和高鋁保護磚。由于普通融土和高鋁磚抗渣鐵侵蝕和沖刷能力較差，現(xiàn)代高爐已很少采用這種形式，即使個別高爐采用水冷炭磚綜合爐底爐缸形式，一般也采用含Al2O3：70％～75％的高檔高鋁磚，以達到類似陶瓷材料的效果。(2)陶瓷杯結構形式，陶瓷杯結構形式是我國高爐目前采用最為廣泛的爐底、爐缸結構形式，其炭磚部分與綜合爐底、爐缸結構形式基本相同，但爐底炭磚上部和爐缸炭磚內(nèi)側砌筑有專門設計的陶瓷材料，整個陶瓷材料在爐缸形成一個杯形結構，稱陶瓷杯。此種結構爐底一般為普通炭磚、石墨炭磚、半石墨炭磚，微孔炭磚中的2～3種分層砌筑，爐缸側壁采用半石墨炭磚、微孔炭磚、超微孔炭磚1～2種分區(qū)砌筑，而整個炭磚內(nèi)側為優(yōu)質(zhì)陶瓷材料。在生產(chǎn)過程中，陶瓷材料由于具有高的抗壓、抗折強度，能夠有效地緩解渣鐵對內(nèi)襯造成的化學侵蝕和機械沖刷，從而減輕和杜絕“蒜頭狀”侵蝕的形成。另外，陶瓷材料具有較好的隔熱能力，而半石墨化、微孔炭磚、超微孔炭磚又具有較高的導熱性能，兩者相互作用能有效地將1150℃(3)UCAR熱壓小炭磚結構形式，爐底結構形式與陶瓷杯結構形式基本相同，采用大塊炭磚，一般在炭磚上面砌筑1—2層陶瓷墊；側壁采用UCAR熱壓小炭磚砌筑外加教土保護磚。熱壓小炭磚氣孔率低、孔徑小、導熱性能優(yōu)異，具有良好的抗渣鐵侵蝕性能。在實際工作中，主要是利用其優(yōu)異的導熱性能，在生產(chǎn)過程中其熱面形成一層非常穩(wěn)定的渣鐵混合物保護層，即使在極端情況下這層保護層遭到破壞，仍具有自修復能力。這種結構形式在我國已有多座高爐采用，實踐證明同樣能夠滿足高爐長壽的要求。以往，人們對風口區(qū)域的內(nèi)襯材料和結構形式的重要性認識不足。而實際上，從整個高爐內(nèi)襯結構看，風口區(qū)域內(nèi)襯起著承上啟下的作用。風口區(qū)域的材質(zhì)選擇和結構設計的合理，既是對下部磚襯的有效保護，又是對上部磚襯的有效支撐。因此，現(xiàn)代高爐風口區(qū)域一般選用剛玉質(zhì)、剛玉莫來石質(zhì)、硅線石質(zhì)和碳化硅質(zhì)等材料，其結構上大部分采用組合磚形式，以增強其結構穩(wěn)定性。另外，從高爐長壽的觀點出發(fā)，渣、鐵口區(qū)域一般也采用組合磚。1.6.2.2爐腹及其以上部位，由于采用不同的冷卻設備和建設單位的不同需求，爐襯結構有較大差別，主要有以下幾種：(1)全冷卻壁爐襯結構，內(nèi)襯砌磚。這種結構不但影響高爐內(nèi)煤氣的正常分布，其本身也是高爐長壽的一大障礙。懸臺及水箱由于所處位置特殊，承受的熱負荷大，特別是現(xiàn)代高爐實現(xiàn)大噴煤后，由于軟熔帶的大幅反翹上移，邊緣氣流更為嚴重，它們所承受的熱負荷也更為巨大，因此很容易損壞，而其一旦損壞，不但內(nèi)襯失去了支撐，成片脫落，而且還打亂了整個水系統(tǒng)的平衡，導致其他冷卻元件的連鎖破壞。凸臺的損壞將對其冷卻壁母體產(chǎn)生極大的連帶破壞作用。然而，由于這種結構可以冷卻全部爐殼，熱損失少，冷卻均勻等優(yōu)點，故在中小型高爐中還較多采用。(2)磚壁合一(即鑲磚冷卻壁)爐襯結構，內(nèi)襯不再砌磚。磚壁合一、薄壁內(nèi)襯高爐由于內(nèi)襯很薄，在實際生產(chǎn)中，不管內(nèi)襯的侵蝕與否，其內(nèi)型變化不大，設計內(nèi)型就是高爐一代爐役的操作內(nèi)型，也就是說，高爐在一代爐役里，其內(nèi)型是基本不變的。正因為如此，磚壁合一、薄壁內(nèi)襯結構高爐的內(nèi)型設計與傳統(tǒng)內(nèi)襯結構高爐的內(nèi)型有很大不同。對傳統(tǒng)高爐而言，由于內(nèi)襯厚，在實際生產(chǎn)中，內(nèi)襯侵蝕后其實際工作內(nèi)型與設計內(nèi)型有很大差別，設計時爐腹及爐身角相對較大，而真正的最佳內(nèi)型是在生產(chǎn)后2～4年的實際內(nèi)型，這時高爐內(nèi)型的特點是：爐腰擴大、爐身及爐腹角變小、實際高徑比相對降低，在這個期間，高爐生產(chǎn)順行穩(wěn)定，容易接受風量，噴煤效果好，焦比低，產(chǎn)量高。因此，磚壁合一、薄壁內(nèi)襯高爐內(nèi)型爐腰直徑較大，爐腹及爐身角較小，爐身角一般控制在80°～85°30′，爐腹角一般控制在76°～82°。國外個別高爐其爐腹角僅為約73°左右。這種結構形式，目前國內(nèi)1000m3磚壁合一、薄壁內(nèi)襯結構的磚型一般為非標，直接鑲嵌在冷卻壁上，鑲嵌既可采用冷鑲，也可采用熱鑲，視具體情況而定。磚高的尺寸一般在150～200mm，磚厚一般在100～200mm，磚寬一般在100～150mm。【5】(3)冷卻板為主的爐襯結構這種結構形式的優(yōu)點是，對磚襯提供高效的冷卻，有利于支撐磚襯，更換簡便、快捷，當設計成多通道結構可提高冷卻效率，采用密集式布置可以增強冷卻效果；缺點是熱損失大，不能對爐殼提供均勻、全部冷卻，高溫狀態(tài)下易彎曲變形，爐殼開孔多、設計復雜，不利于形成穩(wěn)定的操作爐型，要求匹配高級耐火材料。目前，國內(nèi)用于3200m3少數(shù)高爐和大多數(shù)4000m3級特大型高1.6.3高爐各部位內(nèi)襯發(fā)展趨勢1.6.3水冷炭磚綜合爐底、爐缸結構形式難以滿足現(xiàn)代大高爐的長壽要求，已經(jīng)逐步淘汰。新建大中型高爐幾乎全部采用陶瓷杯結構形式和UCAR熱壓小炭塊結構形式，其中又以采用陶瓷杯結構形式為主。UCAR熱壓小炭塊結構形式，在這些年其結構形式變化不大，僅在爐底炭磚表面增加了類似陶瓷杯結構的陶瓷墊。陶瓷杯結構形式，其整體結構形式變化也不是很大，僅在磚型上有一定變化。另外，法國陶瓷杯采用大塊磚，且一般為自由式，陶瓷杯與炭磚之間存在比較寬的環(huán)縫，容易引起滲鐵，國產(chǎn)陶瓷杯采用小塊磚為主，不存在寬縫，而且一般設計有杯沿，避免了鐵水的滲透。陶瓷杯結構形式，雖然近年來在結構上變化不大，但在材質(zhì)上卻一直在不斷改進，在陶瓷杯應用初期，主要以黃剛玉、棕剛玉為主，而現(xiàn)在則發(fā)展到主要以致密剛玉、微孔剛玉、剛玉莫來石、塑性相復合剛玉等為主，其產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。爐底、爐缸炭磚發(fā)展也很快，以前的高爐主要采用普通炭磚和半石墨炭磚，現(xiàn)在的高爐已普遍采用微孔、超微孔、、石墨炭磚等，其導熱性能、抗渣鐵侵蝕等性能大大提高。另外，鐵口和風口區(qū)域內(nèi)襯結構也發(fā)生了很大變化，以前一般采用小塊標磚砌筑，而現(xiàn)在普遍采用組合磚結構形式。鐵口組合磚一般有大塊組合磚(全炭)和小塊組合磚兩種，其中小塊組合磚應用的較為普遍，材質(zhì)一般為剛玉類。風口組合磚也分大塊和小塊兩種，大塊一般采用澆注預制塊，小塊有離心澆注和機制澆注兩種，材質(zhì)一般均為剛玉類。目前，幾種形式的鐵口組合磚和風口組合磚，在現(xiàn)代高爐中越來越多的廣泛采用。[7]1.6.3現(xiàn)代高爐在內(nèi)襯結構上最大的技術進步是，磚壁合一薄內(nèi)襯技術的發(fā)展。傳統(tǒng)高爐過分倚重內(nèi)襯，內(nèi)襯厚度一般在575～805mm，個別高爐內(nèi)襯厚度達到900mm以上，而實際長壽效果并不理想。事實上，厚內(nèi)襯侵蝕分為兩個階段，在高爐生產(chǎn)的初期，內(nèi)襯熱面溫度很高，即使導熱性很好的磚，由于內(nèi)襯過厚，冷卻元件冷卻能力不足，熱面溫度仍很高，不易形成牢固的渣皮，加上不管是采用凸臺，還是密集式冷卻板，內(nèi)襯熱面相當厚的一部分內(nèi)襯仍得不到有效支撐，內(nèi)襯侵蝕脫落很快，我們稱為快速侵蝕階段；當內(nèi)襯侵蝕到100～200mm時，由于冷卻作用的逐步加強，結渣掛渣條件得到改善，且這部分的內(nèi)襯支撐條件相對較好，內(nèi)襯侵蝕速度減緩，我們稱為相對穩(wěn)定階段。內(nèi)襯的壽命，實際上主要是由相對穩(wěn)定階段所決定的。再好再厚的內(nèi)襯，其對高爐長壽的貢獻也是有限的，國外高爐在原料條件、操作條件都非常穩(wěn)定的情況下，內(nèi)襯壽命一般也只有3～4年；國內(nèi)的高爐，由于種種原因，原料條件、操作條件及內(nèi)襯材質(zhì)和國外還有相當差距，其內(nèi)襯的實際壽命更短。[7]因此，增加內(nèi)襯厚度并不能取得明顯的長壽效果。事實上，在高爐一代爐役里，爐墻絕大部分時間要靠渣皮來保護，如何形成穩(wěn)定堅固的渣皮和提高渣皮脫落后快速恢復的能力，才是解決高爐長壽的關鍵所在。磚壁合一、薄壁內(nèi)襯技術正是抓住這一核心問題，從熱平衡原理人手，通過提高冷卻壁本身的換熱能力，改進冷卻壁結構及材質(zhì)，減薄內(nèi)襯，提高爐墻的結渣、掛渣能力，從而達到延長高爐壽命的目的。在歐洲等許多國家，由于原料條件好、操作管理水平高，把磚壁合一、薄壁內(nèi)襯結構高爐舶內(nèi)襯材料看得并不重，不少磚壁合一、薄壁內(nèi)襯高爐的內(nèi)襯僅僅是一層50～100mm厚的噴涂材料。但在國內(nèi)，由于原料條件相對較差，操作管理水平不高，特別在開爐初期，爐況波動大，渣皮不穩(wěn)定，這時若有一定厚度的磚襯對冷卻壁的初期保護有利，磚襯雖然壽命不長，但磚襯的材質(zhì)和結構若選擇合理，仍能維持2～3年的壽命，因此國內(nèi)磚壁合一、薄壁內(nèi)襯結構高爐一般仍然采用有一定厚度的磚襯。另外，對于采用部分銅冷卻壁的高爐，在銅冷卻壁區(qū)域也可采用直接噴涂形式。[7]1.6.4高爐用各種耐材的介紹高爐用耐火材料應符合下列要求1）在長期高溫的作用下體積穩(wěn)定性好2）機械強度高，具有良好的耐磨性3）高溫結構強度高4）氧化鐵含量低5）組織致密，氣孔率低，抗渣性好高爐用耐火材料有陶瓷質(zhì)材料和碳質(zhì)材料兩大類。陶瓷質(zhì)材料有黏土磚、高鋁磚、剛玉磚和不定型耐火材料等；碳質(zhì)材料有炭磚、石墨磚、石墨碳化硅磚、氮結合碳化硅磚、黏土結合硅磚等。（1）陶瓷質(zhì)耐火材料黏土磚和高鋁磚亦稱陶瓷質(zhì)或黏土質(zhì)耐火材料，在高爐上使用已有較長久的歷史，現(xiàn)在也廣泛應用于高爐各個部位。黏土磚、高鋁磚具有良好的機械強度、耐磨性和抗渣性均較好，成本較低。但對黏土磚和高鋁磚的化學組成及其性能有一定的要求：A化學成分Al2O3含量要高，F(xiàn)e2O3含量要低。B耐火度要高。C荷重軟化點要高。D重燒收縮要小。E氣孔率要低。（2）碳質(zhì)耐火材料在高爐上使用碳質(zhì)耐火材料是黏土磚質(zhì)耐火材料之后。近代高爐逐漸大型化，冶煉強度也有所提高，爐襯熱負荷加重，碳質(zhì)耐火材料具有獨特的性能，逐漸應用到高爐上來。尤其是爐缸底部幾乎普遍采用碳質(zhì)材料，其他部位爐襯的使用量也日趨增加。碳質(zhì)耐火材料的主要性能有：A.耐火度高，碳是不熔化物質(zhì)，在3500℃碳質(zhì)耐火材料具有良好的抗渣性，對酸性與堿性爐渣有很好的抗蝕能力。B.具有高的導熱性、抗抵熱震性好，可以很好地發(fā)揮磚襯冷卻器的功效，有利于延長爐襯壽命。C.熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好。D.對氧化性氣體抵抗能力差，易氧化。一般碳質(zhì)耐火材料在400℃能被氣體中氧氧化，500℃開始和水蒸氣作用，700不定型耐火材料主要有搗打料、噴涂料、澆注料、泥漿和填料等。按成分可分碳質(zhì)不定型耐火材料和黏土質(zhì)不定型耐火材料。搗打料、噴涂料、澆注料可根據(jù)需要和部位的不同，形成各種形狀。泥漿是砌體不可缺少的填縫黏結劑質(zhì)。不定型耐火材料與成型耐火材料相比具有成型工藝簡單、能耗低、整體性好、抗熱震性好、耐剝落等優(yōu)點，還可以減少爐襯厚度，改善熱導率等，近年來使用較多。高爐砌磚用泥漿、填料，它們的使用技術也不斷的在改進。[7]近代高爐逐漸大型化，冶煉強度也有所提高，爐襯熱負荷加重，碳質(zhì)耐火材料具有獨特的性能，逐漸應用到高爐上來。由其是爐缸底部幾乎普遍采用碳質(zhì)材料，其他部位爐襯的使用量也日趨增加。國內(nèi)高爐一般都采用高鋁磚、粘土磚和普通碳磚砌筑,高爐一代壽命普遍較短,而且一代爐齡中還需進行1-2次中修。80年代以來,隨著耐火材料技術的發(fā)展,出現(xiàn)了不少適合高爐各部位不同條件下的新型耐火材料,使高爐壽命大大延長。從這些新型耐火材料的性能比較來看,碳化硅磚、半石墨化磚等材料的性能較好,但價格較貴。而鋁碳磚從1989年陸續(xù)在小、中、大高爐上使用,從其使用的效果來看,具有一定的優(yōu)越性,而且價格較便宜。鋁碳磚的導熱性好,從而可使磚的熱面溫度下降,提高了它的抗堿性和抗氧化性,可用于高爐爐身部位。［8］1.7高爐的冷卻在高爐中設計冷卻系統(tǒng)的主要目的是維護爐襯在一定的溫度下工作，使其不失去強度，保護爐型，形成渣皮保護爐襯代替爐襯工作，保護爐殼及各種鋼結構，使其不因受熱而變形或破壞。高爐爐襯的冷卻是由插入砌體或置于砌體外緣表面金屬冷卻器件的內(nèi)部通過冷卻介質(zhì)完成的。1.7.1冷卻設備由于高爐內(nèi)的工況非常惡劣，僅靠內(nèi)襯是不能保證高爐長期正常工作的，必須設置合理的冷卻設備，方能達到此目的。高爐使用的冷卻設備有冷卻壁、冷卻板和冷卻箱。冷卻箱現(xiàn)已被淘汰。根據(jù)高爐爐腹及以上區(qū)域冷卻元件使用方式的不同，高爐冷卻設備主要有三大類別：冷卻壁形式、冷卻板形式、板壁結合形式。其中冷卻壁使用最廣泛，冷卻板次之，只有很少的高爐使用板壁結合形式。冷卻壁、冷卻板的材質(zhì)一般為鑄鐵、鑄鋼和銅。高爐依據(jù)爐腹及其以上區(qū)域冷卻元件的不同分為3個流派：純冷卻壁高爐、冷卻板高爐、板壁結合高爐。三者的出發(fā)點及其結構有著明顯的區(qū)別。冷卻壁強調(diào)的是對高爐爐殼進行全面保護，其結構形式非常適合流行的薄內(nèi)襯結構。而冷卻板所強調(diào)的是對內(nèi)襯的支撐及冷卻以及本身的更換，對爐殼的保護是點的保護，且爐殼上開孔多而大，降低了爐殼強度，易導致應力集中，引起爐殼變形開裂。另外，冷卻板的結構形式?jīng)Q定了其內(nèi)襯必然是厚內(nèi)襯結構形式。冷卻板結構形式由于其自身存在諸多缺點，目前高爐新建或大修中已很少采用。板壁結合形式與冷卻板形式相比，雖然其冷卻強度、冷卻均勻性有很大提高,但同樣存在著冷卻板的諸多缺點，目前也僅在個別高爐采用。當然，對于新建或大修高爐而言，若球團礦運用比例較高，邊緣氣流發(fā)展較嚴重，也可考慮采用冷卻板或板壁結合形式。與冷卻板、板壁結合的形式相比，冷卻壁具有冷卻均勻、制造簡單、成本低、爐殼開孔少、操作爐型與設計爐型始終保持一致的優(yōu)點，雖然存在損壞后不易更換、對磚襯的支承作用稍差等不足之處，但隨著冷卻壁的材質(zhì)及結構形式的不斷改進，其不足之處已得到很大程度的彌補。當前，高爐本體兩大最主要的技術是軟水密閉循環(huán)冷卻技術和磚壁合一薄內(nèi)襯技術，而與這兩大技術聯(lián)系最為緊密、結構最為匹配的是冷卻壁結構。因此，在目前大中型高爐的新建或大修中，絕大多數(shù)高爐選擇全冷卻壁結構形式。[9]目前，冷卻元件的材質(zhì)主要有灰鑄鐵、低鉻灰鑄鐵、球墨鑄鐵、銅及鋼。由于灰鑄鐵及低鉻灰鑄鐵其延展性能差，在高溫及溫度變化頻繁的狀態(tài)下，極易損壞，不能滿足大中型高爐的長壽要求。球墨鑄鐵與灰鑄鐵和低鉻灰鑄鐵相比，具有較好的延展性能，目前在高爐中用得最為廣泛。但是，球墨鑄鐵的導熱性能比灰鑄鐵和低鉻灰鑄鐵差，因此要求適當提高冷卻強度。由于球墨鑄鐵相對較貴，從經(jīng)濟角度考慮，在熱流強度相對不高的爐缸和爐身上部區(qū)域采用低鉻灰鑄鐵是可以的。銅同時具有很高的導熱性能和很好的延展性能，是冷卻壁最為理想的材質(zhì)，雖然價格昂貴，制造工藝復雜，不能大量推廣，但從進一步提高高爐壽命出發(fā)，最好在爐腹等工況最為復雜的區(qū)域采用銅冷卻元件。鑄鋼冷卻元件既具有灰鑄鐵、低鉻鑄鐵和球墨鑄鐵的價格優(yōu)勢，又具有銅冷卻壁高導熱和高延展率的特點，是很有發(fā)展前途的冷卻元件。鑄鋼冷卻板已在冷卻板形式高爐中得到較為廣泛的應用，但由于鑄鋼冷卻壁制造難度大，目前應用極少，國內(nèi)外已有部分廠家及單位在做這方面的工作，如果一旦攻克制造難關，會在大中型高爐冷卻元件中占有重要地位。[9]1.7.1冷卻板的結構形式比較簡單，為一扁平的長條形空腔烏構。根據(jù)空腔中隔板數(shù)量的不同，一般分2通道、4通道、6通道、8通道等多種通道外部水頭一般為1進l出或2進2出。現(xiàn)代高爐冷卻板與爐殼一般采用法蘭連接。1.7.1鑄鐵冷卻壁的結構形式多種多樣。按外形分有光壓冷卻壁和鑲磚冷卻壁兩種。光面冷卻壁熱面不設燕尾槽，一般應用在爐缸部位。鑲磚冷去壁在熱面設置有燕尾槽，用來鑲磚或搗料。鑲磚冷卻壁又分為熱鑲和冷鑲兩種：所謂勞鑲，就是把耐火磚先固定，然后澆鑄成型的冷卻壁；所謂冷鑲，是指冷卻壁澆鑄完后再褪筑耐火磚。鑲磚冷卻壁又分帶凸臺和不帶凸臺兩種，一般應用在爐腹、爐腰及爐身中T部。另外，還有一種形狀較為特殊的倒扣式冷卻壁，主要用在爐身最上部，也分光面和瓷磚兩種。按冷卻介質(zhì)分有工業(yè)水鑄鐵冷卻壁和軟水冷卻壁，主要表現(xiàn)在冷卻水管的布置[有明顯區(qū)別，工業(yè)水冷卻的冷卻壁其冷卻主水管一般為蛇形，1進1出；而軟水冷卻的蹈卻壁冷卻水管一般為4進4出，并列布置。另外，還有許多其他形式的冷卻壁。1.7.1第一種為PW專利技術銅冷卻壁，最大特點是采用連鑄機連鑄成型，冷卻通道呈長圓形，在相同冷卻通道面積的情況下，換熱面積最大，冷卻效率最高，對應于相同的爐殼面積，冷卻壁重量最輕。此外，冷卻壁在熱面加工成一系列燕尾槽，既便于鑲嵌內(nèi)襯或噴涂不定形材料，同時也加大了換熱面積，有利于結渣和掛渣。缺點是由于冷卻壁采用連鑄成型，因此易產(chǎn)生裂紋，成品率相對較低，且冷卻壁的制造工藝涉及專利技術，因此引進成本較高。第二種為原荷蘭霍戈文公司研制的銅冷卻壁，采用鑄造成型，其最大特點是冷卻水管采用了特殊的合金銅管，這種特殊的合金銅管在鑄造后能保證其表面與冷卻壁基體完全熔合，銅管截面可根據(jù)用戶要求做成長圓形、橢圓形及圓形等多種形狀，但一般為長圓形。合金銅管雖然其導熱性能不如純銅管，但仍大于20W/(m·K)，因此仍可滿足對高爐的冷卻要求。這種冷卻壁制造工藝簡單，成品率高，質(zhì)量可靠，但合金銅管國內(nèi)目前還不能生產(chǎn)，因此這種冷卻壁仍需引進，價格較高。至于采用普通鋼管的鑄造冷卻壁，國內(nèi)個別廠家制造進行攻關。還有個別廠家采用普通鋼管代替銅管，但由于不能發(fā)揮銅的高導熱性能，推廣的意義不大。第三種銅冷卻壁是較早就已經(jīng)開始使用的一種鉆孔銅冷卻壁，其主要特點是冷卻通道采用鉆孔加工成型，早期一般采用鑄造銅板，材質(zhì)質(zhì)量難以保證，現(xiàn)在一般采用軋制銅板，加上焊接技術和加工技術地不斷進步，質(zhì)量已相當可靠。這種冷卻壁熱面一般設有燕尾槽，便于支撐內(nèi)襯和擴大換熱面積。其早先通道為圓形，因此冷卻壁較厚，質(zhì)量較重，現(xiàn)在國內(nèi)個別廠家已掌握了扁孔鉆孔及焊接技術，完全可以在國內(nèi)生產(chǎn)，價格也較國外產(chǎn)品便宜，因此在國內(nèi)得到了廣泛的使用，是今后國內(nèi)高爐銅冷卻壁運用的主要形式。以上3種銅冷卻壁的冷卻通道均采用4進4出，豎直排列方式，由于銅冷卻壁具有極高的抗熱負荷沖擊能力，因此不需要采用雙層冷卻方式。1.7.1鋼冷卻壁分焊接、鉆孔、鑄造3種形式。焊接鋼冷卻壁實際上是采用厚鋼板焊接而成的冷卻水箱，由于焊縫多、應力大，存在安全隱患，所以實際很少采用。鉆孔鋼冷卻壁一般采用軋制厚鋼坯進行鉆孔，因為鉆孔難度大、成本高，所以沒有得到推廣。鑄造鋼冷卻壁最大的難點是難以掌握鋼管與冷卻壁母體的熔合程度，熔合過度，鋼管會變形或燒穿。熔合不足，鋼管和母體形成間隙，影響傳熱，所以，鋼冷卻壁在國內(nèi)很少采用。近年來，已有個別廠家在制造技術上有所突破，相信今后鑄鋼冷卻壁的使用會逐步多起來。[9]1.7.2冷卻介質(zhì)高爐的冷卻設備還需使用好的冷卻介質(zhì)才能保證高爐長期正常工作，冷卻水是影響高爐長壽的一個重要因素。冷卻元件的破損原因多為冷卻水通道產(chǎn)生水垢和汽膜，使冷卻元件過熱而燒損。高爐冷卻設備常用的冷卻水有工業(yè)水及工業(yè)凈化水、蒸汽、空氣、純水、軟水等。使用工業(yè)水及工業(yè)凈化水不能保證高爐長期正常工作，蒸汽冷卻及空氣冷卻目前已基本不再采用。為了能保證高爐長期正常工作，一般使用軟水或純水。長期的實踐證明，在我國大部分地區(qū)，普通工業(yè)水或工業(yè)凈化水難以滿足高爐長壽要求。高爐要進一步長壽，冷卻水質(zhì)必須有一個大的飛躍。軟水(或純水)，由于去掉了水中的Ca2+、Mg2+離子及懸浮物，杜絕了水垢的形成，大大改善了冷卻效果，是冷卻系統(tǒng)最理想的介質(zhì)。軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)密封性好、泄漏少、水質(zhì)穩(wěn)定、管道腐蝕率低、能源消耗少，對水資源不足或水質(zhì)不好的地區(qū)，采用這一系統(tǒng)是非常必要的。因此，軟水密閉循環(huán)冷卻是現(xiàn)代長壽高爐冷卻的發(fā)展趨勢。采用軟水密閉循環(huán)冷卻應不僅僅局限冷卻壁系統(tǒng)，事實上，風口及熱風閥在采用工、比水冷卻時，同樣經(jīng)常因為結垢而損壞，頻繁的休風更換風口及熱風閥勢必影響高爐正常生產(chǎn)和長壽。另外，爐底冷卻的可靠性對于整個高爐長壽非常重要，爐底冷卻效果差，勢必降低整個炭磚陶瓷杯的壽命，因此，風口、熱風閥及爐底采用軟水冷卻也是非常必要的，已有武鋼、漣鋼、太鋼、沙鋼等廠的部分高爐采用了全軟水冷卻。軟水密閉循環(huán)冷卻技術作為一項行之有效的技術，其本身也得到了不斷地發(fā)展和完善。武鋼5號高爐作為最早使用軟水的高爐之一，其采用的軟水系統(tǒng)為獨立軟水系統(tǒng)，冷卻壁系統(tǒng)、爐底系統(tǒng)、風口及熱風閥系統(tǒng)均設置有各自獨立的軟水系統(tǒng)，相對而言，水量大、投資高、運行費用高，有改進和提高的余地，而在武鋼1號、6號、7號，漣鋼新1號，安鋼新1號、新2號等高爐采用的是聯(lián)合軟水系統(tǒng)，設計采用串聯(lián)加并聯(lián)的方法，巧妙地將原來的3個獨立的軟水系統(tǒng)合并成一個系統(tǒng)，大大節(jié)省了投資，降低了生產(chǎn)中的能源消耗。聯(lián)合軟水系統(tǒng)不是對獨立軟水系統(tǒng)的否定，而是對獨立軟水系統(tǒng)完善和提高，雖然總水量大大減少，但各系統(tǒng)的冷卻能力卻大大提高，其效果比獨立軟水系統(tǒng)更好。外部管網(wǎng)。高爐冷卻設備均配置有復雜而龐大的外部管網(wǎng)，對于采用工業(yè)水冷卻的高爐，由于采用開路循環(huán)，冷卻水具有可觀性，相對而言對外部管網(wǎng)的要求不是特別高。對于采用軟水冷卻的高爐而言，外部管網(wǎng)配置形式、布管走向、控制設備、檢測設備、檢漏設施設置等對高爐冷卻具有重大的影響。為了便于檢漏和水量均勻分配，軟水一般采用分區(qū)形式，以冷卻壁供水為例，沿圓周方向一般采用4個分區(qū)，每區(qū)又分4個小區(qū)，對應于冷卻壁的4根水管，總共形成16個小區(qū)。為了便于控制、檢測、檢漏，整個管網(wǎng)還需設置大量的壓力、溫度、流量、檢漏設施。另外，軟水管網(wǎng)還必須遵循“步步高”的原則，不允許向下折返，以利于系統(tǒng)排氣。在總回水管還設置有脫氣罐、膨脹罐，對整個系統(tǒng)進行脫氣和壓力控制。爐體附屬設備。爐體附屬設備包括爐喉十字測溫裝置、爐喉灑水裝置、料面監(jiān)測裝置、煤氣取樣分析儀、送風裝置、風口裝置、爐喉鋼磚等。爐體一般設有完善的檢測系統(tǒng)，加強對高爐各系統(tǒng)的監(jiān)測。軟水冷卻系統(tǒng)設有溫度、流量、壓力、水位檢測元件，以確保冷卻系統(tǒng)的正常運行。冷卻器是高爐長壽的關鍵，目前國內(nèi)外高爐使用的冷卻器主要有鑄鐵冷卻壁、銅冷卻壁、銅冷卻板及鑄鋼冷卻板等。不同的企業(yè)由于種種原因，在高爐各部位配置了各種檔次的冷卻器，其實際使用效果也有很大差別，本高爐冷卻器作了如下配置。由于高爐各部位熱負荷不同，加上結構上的要求，高爐冷卻設備有：外部噴水冷卻，風口和渣口的冷卻，冷卻壁、冷卻水箱及風冷或水冷爐底等。[10]1.7.3冷卻方式介紹（1）噴水冷卻裝置在爐身和爐腹部位裝設有環(huán)形冷卻水管，水管直徑50～150mm，約距爐殼100mm，水管上朝爐殼的斜上方鉆有5～8mm小孔若干，小孔間距100mm，冷卻水經(jīng)由小孔噴射到爐殼上進行冷卻。為了防止水的噴濺，在爐殼上有防濺板，防濺板與爐殼間留有8～10mm縫隙，冷卻水沿爐殼下流至集水槽返回水池。噴水冷卻裝置結構簡單、檢修方便、造價低廉。（2）高爐汽化冷卻高爐汽化冷卻是把接近飽和溫度的軟化水送入冷卻器內(nèi)，通過水的汽化對熱進行冷卻。在本設計中雖采用了這種方法但很少使用。高爐軟水閉路循環(huán)冷卻：由于汽化冷卻效果并不理想，首先是將其自然循環(huán)汽化冷卻改為強制循環(huán)進而將強制循環(huán)汽化發(fā)展為軟水閉路強制循環(huán)冷卻，其冷卻效果甚好，高爐壽命延長。采用軟水密封循環(huán)冷卻系統(tǒng)，軟水密封循環(huán)系統(tǒng)只有長期不結垢，很少腐蝕，節(jié)約用水，維護管理方便等優(yōu)點。凡使用軟水系統(tǒng)的高爐其冷卻設備損壞現(xiàn)象大都比使用工業(yè)水的少的多。即使在水質(zhì)較好