钢铁厂设计原理(炼铁部分课件)

武汉科技大学材冶学院何环宇钢铁厂设计原理（炼铁部分）参考数目：1、钢铁厂设计原理（上册）张树勋2、炼铁设计原理赵润恩3、现代高炉炼铁生产薛正良绪论一、高炉冶炼概况及车间组成1.1前言1.2高炉冶炼概况1.3炼铁车间组成1.1前言一、高炉炼铁方式是最主要的铁的生产方式。二、经济的飞速发展促进炼铁规模的扩大我国生铁产量：2000年1.26亿吨→2003年2.22亿吨→2007年4.8亿吨1.2高炉冶炼概况热风(hotblast)煤粉(pulverizedcoal)铁水、炉渣(ironandslag)高炉煤气(BFgas)焦碳(coke)熔剂(flux)铁矿石(ore)以一座有效容积为4000m3的高炉为例：日生产:生铁10000吨炉渣3000～5000吨煤气16～18Mm3日消耗：铁矿石约16500吨燃料4500～5500吨热风13～14Mm3铁矿石热风煤粉铁水、炉渣高炉煤气焦碳熔剂原料系统煤气系统高炉本体送风系统喷煤系统渣铁系统1.3炼铁车间组成高炉本体(blastfurnaceproper)原料系统(BFfeedsystem)送风系统(blastsystem)喷吹系统(BFinjectionsystem)渣铁系统(slag-ironsystem)煤气系统(BFgascleaningsystem)喷煤系统返回烧返回返回球磨机原煤仓收集罐储煤罐喷吹罐高炉返回返回烧炉送风返回二、炼铁工艺设计内容•高炉冶炼主要技术经济指标•车间规模及组成•主要设备选型•高炉数目及容积的确定•车间平面布置三、炼铁工艺设计原则先进性经济性可靠性第一章高炉车间设计一、主要技术经济指标的确定1、有效容积利用系数ηv（t/m3·d）每立方米高炉有效容积每天生产的合格生铁量。反映高炉生产率的一个重要的指标，其确定与使用的风温、风量、炉顶压力、原燃料质量有关。一般大高炉该指标优于小高炉目前~2.2武钢08年平均~2.62、焦比K（Kg/t铁）冶炼每吨合格生铁所消耗的焦碳量这是反应高炉综合水平的指标。可根据原燃料、风温、设备、操作条件进行分析比较和计算确定。一般焦比400~600Kg/t，大炉取小值，小炉取大值，喷吹辅助燃料可有效降低K。武钢06年300～350Kg/t。3、煤比（喷煤量）Y（kg/tFe）冶炼每吨生铁所喷吹的燃料量主要决定于高炉的操作条件武钢：~170kg/tFe宝钢~260kg/tFe。4、冶炼强度I（t/m3·d）每立方米高炉有效容积每天燃烧的燃料量是表示高炉作业强度的一个指标，在K不变的情况下，I增大，产量增大与原燃料条件，风机能力，操作条件等有关一般值在1.0~1.5？，小高炉取大值5、生铁合格率合格生铁产量/生铁总产量在进行炼铁工艺计祘时，除了要确定以上几个主要指标外，还要对风温，炉顶压力，熟料率等有一个初步确定二、车间规模的确定由全厂金属平衡决定，并考虑与原燃料资源条件相适应。三、高炉座数与有效容积的确定1、高炉座数的确定高炉座数的确定必须考虑全厂的金属平衡和煤气平衡，即不可太多亦不能太少:太少：检修时影响全厂铁水和煤气供应太多：运输紧张，生产率低一般以2~4座为宜2、高炉有效容积（Vu）的确定有效容积（Vu）：钟式高炉：大钟开启时大钟下沿距铁水中心线这段距离所对应的容积无钟高炉：溜槽垂直位置下沿距铁水中心线这段距离所对应的容积Vu是根据生铁日产量和利用系数祘出：Vu=P/ηv生铁日产量的计算：P=Q/（N·C）P—生铁日产量t/dN—高炉座数Q—生铁年产量（任务计划书中给出）C—年工作日d四、高炉车间平面布置1、平面布置应遵循的原则两大原则：安全，方便安全：车间应在主风向及水源下方（下游），各铁路尽量避免交叉等方便：整个布置要适应大的运输量，设备分布要紧凑，如风机靠近热风炉，铁水罐、修罐库、转炉三者在同一侧，喷煤紧靠高炉等2、高炉车间平面布置形式对于只有一个出铁场、产量不很多的中、小高炉可采用：•一列式•并列式对于多铁口的大、中型高炉多采用：•岛式•半岛式1）一列式布置其特点是热风炉与高炉中心线在同一列线上，车间铁路线与高炉列线平行，渣铁线少且不相联，相邻高炉和热风炉可共用某些设备2）并列式布置特点：一列式的简单变化，高炉与热风炉分别设在两列线上，与一列式相比较，缩短了高炉间距，但热风管道延长，增加了热损失3）岛式特点：每座高炉与其热风炉，出铁场，渣铁罐车停放线组成一独立系统，铁路线较多（有两条渣线和两条铁线），渣线和铁线间还有联络线相连，极大提高铁路的运输能力和灵活性，杂物（炮泥，检修渣铁沟料等）有专用杂物线运到出铁平台。4）半岛式其特点与岛式相似（独立性），炉渣用专用处理法（如冲水渣、皮带等）运走，取消了渣线，只有铁罐运行线，每个铁口设两条配车停放线，用摆动流嘴，整个布置相对岛式更加简洁。5）武钢5#高炉环形出铁场布置特点：出铁场呈环形，下面铺有四条铁水运输线，运输灵活能力大，是一种新型的适用于多铁口出铁的平面布置第二章高炉本体设计高炉本体的设计包括：•高炉炉型的设计•高炉内衬设计•高炉冷却设计•高炉钢结构及基础的设计高炉本体设计是否合理对于强化高炉冶炼，延长高炉寿命有重要关系§1高炉炉型的设计与发展高炉炉型：高炉内部工作空间的形状现代高炉内型—五段式炉型：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸这种炉型已存在了200多年，它适应了高炉内炉料流和煤气流的运动规律，因而是现代广泛采用的高炉内型。一、高炉炉型的特征参(如图)一高二角三径Hua.βd.D.d1Hu：有效高度Hu=h1+h2+h3+h4+h5原则：参数选择是否符合两股料流运动规律：•物态变化：固体炉料和煤气（组成体积等）的变化•热能和化学能是否充分利用•温度与速度分布是否合理二、炉型的设计与计祘按照设计任务书，已知炉容（Vu）设计内型尺寸方法：对比法对比原燃料及操作条件相似的同类高炉，用对比法时一定要注意参考炉型的设计年代经验法或统计法通过经验和统计，回归出一系列方程，再校核、修正，Vu允许误差＜1%1、炉缸、炉底部位的设计与计祘：d.h11）炉缸、炉底工作环境•高温•渣铁化学侵蚀•气—固—液—粉多相冲击该部位的工作条件恶劣，是高炉长寿的关键部位炉底、炉缸作用：•储存渣铁（随铁口数目增加，全天候出铁，该作用逐减）•保证燃烧空间（随冶强增大，该作用增强）因而在设计时，必须将以上条件充分考虑①炉缸直径d经验回归式：d2=1.277(Vu×I/i)i－燃烧强度(t/m2·d),表示炉缸截面的燃烧能力i的合适值取决于风机能力和原燃料条件（固C含量、透气性等）i过大：负荷太重，燃烧不完全i过小：燃烧慢，下料慢一般i≯30t/m2·d.取24~28t/m2·d.在可能条件下，取大一点日本(对大型高炉进行统计)回归方程：d2=20+0.04Vu在Vu＞2000m3时用这个公式更好一些计祘出炉缸d后可用Vu/A炉缸来校核：Vu(m3)Vu/A100~30015~18600~100022~241000~200024~262000~400026~28＞400028~30②炉缸高度h1回归式：2h1/d=078~0.85大炉子取上限日本式：h1=0.00788+0.426d计祘完后用Vu/V缸=5~8倍来校核上式③风口数目N与风口高度hf确定风口数目（N）考虑因素：燃烧下料炉子强度保证风口间距以安装风口大套N=πd/ss－风口间距（1.1-1.2m）经验式：1000～2000m3BF:N=2（d+1）＞2000m3BF:N=3（d-1）风口高度（hf）的确定：风口高度：风口中心线到铁口中心线的距离hf=h1-aa—安装风口的结构参数，0.35-0.5(大炉取上限）④渣口（小炉子）中心线高度hz的确定渣分为:上渣:由渣口出来的渣，占总渣量的70%下渣:随铁水从铁口出来的渣hz计祘按上渣量计祘（书上有参考公式）注：现代大高炉由于原燃料条件好，冶炼吨铁渣量少，铁口多，放铁次数多，因而不设渣口，熔渣全部从铁口排出。⑤铁口数目的确定基准：1个铁口的承受能力为3000t/d铁口数目的确定可根据炉容大小，高炉每天产铁量，铁口维护，生产调度决定,最多不超过4个⑥死铁层高度ho的确定死铁层作用：减少铁水环流速度（隔绝铁水流动对炉底的冲刷侵蚀）(其相对固定的热容）有利于炉底温度的均匀稳定经验式：1000~2000m3ho=(0.16~0.18)d2000m3ho=(0.18~0.2)d目前的发展趋势是增加ho，如：宝钢3#BF.Vu:4350m3d:14mho=2.985m≈0.2d2、炉腹部位的设计h2，α设计时考虑：减少煤气流对炉墙的冲刷(减小α）炉料有充分的还原空间（h2不致于过短）因而这部分最重要的就是选取适当的α值来满足以上要求αDdα：一般80o~82o，大高炉取小值h2：h2=（D-d）tga/23、炉腰部位的设计D，h3D：炉腰部位是软熔带开始形成部位，透气性较差，因而D稍大些为好。一般用D/d值来确定Vu100~300600~10001000~2000＞2000D/d1.28~1.151.15~1.131.13~1.101.10~1.07日本式：D2=24+0.048Vu＞2000m3的高炉多用此经验式h3：在结构上，炉腰起着承上启下的作用，使炉腹与炉身过度平缓，减小死角，而h3对冶炼无重大影响，因而h3在设计时用来调节高炉容积的大小。一般：2000m3，h3:1~2m2000m3，h3:2~3m4炉身部位的设计：h4，β设计时考虑：炉料和煤气的体积变化煤气的合理分布及炉料的还原反应如同炉腹部位一样，关键是选好β值d1βDβ：一般80.5°~85°，大高炉取小值h4：h4=（D-d1）tgβ/25、炉喉部位的设计h5，d1设计时考虑：承接炉料及合理分布炉料结构上与炉身配合好d1：我国经验：由d1/D=0.65~0.70确定日本式d12=11+0.022Vu（大高炉）H5：高度选择应能保证炉喉布料及其调节的需要，一般取1~3m。大高炉取大值。三、高炉炉型发展趋势随着高炉原、燃料质量、技术水平、设备水平的进步，高炉的炉型逐渐有所发展：1、大型化，矮胖型发展：瘦长型：Hu/D=4~5矮胖型：Hu/D=1.9~2.1随着各方面条件的改善（精料、技术水平、设备水平（大风机））高炉有效容积不断扩大，在炉容不断扩大条件下，受焦炭强度的限制及透气性的要求，有效高度Hu增加缓慢，呈现出大型化、矮胖型发展趋势Hu与D的关系HuD如武钢：VUHU4#2516m330m老1#1386m326.7m△VU↑82%△H↑13.5%矮胖型的优点：a：有利于改善料柱的透气性，稳定炉料和煤气流的合理分布，并减轻炉料和煤气流对炉身和炉胶的冲刷。b：炉缸容积较大，死铁层较深，可减少渣铁环流对炉底炉缸砖衬的冲刷。c：风口数目增加有利于高沪的强化冶炼。2、炉缸直径d↑及炉缸体积V缸所占比例↑随着高炉强化冶炼，要求焦碳燃烧量↑，炉缸直径↑，炉缸体积VU/V也逐渐增大如：BFVU（m3）HU(m)HU/Ddh1V缸/VU武钢1#138626.72.878.23.212.18%武钢3#320030.62.2812.24.817.53%宝钢3#435031.52.0714.05.419.1%俄罗斯捷钢*558034.82.1015.15.718.28%*世界最大高炉，设计年代较老，指标不是很好。3、风口数目↑,铁口数目↑，渣口↓随着冶炼强化，I↑，风数数目↑（目前最多42个）。随高炉大型化及冶炼强化及精料等，产量↑，铁口数目↑（目前最多4个）。随精料及多铁口全天侯出铁，渣口↓，甚至不设渣口4、炉身角β↓随着炉容增加，料柱直径增大，炉料膨胀量↑，炉身角有减少的趋势§2高炉炉衬设计一、概述炉衬是由耐火砖、耐火材料组成的衬里高炉炉衬的作用：减少高炉的热损失构成高炉的工作空间保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀注：高炉内衬各部位由于工作环境不同，破损机理不同，因而在内衬的材质选择、砌筑方式和厚度选择上也各不相同，高炉内衬的材质，砌筑方式，厚度等是否合理，是决定高炉一代表寿命的关键因素二、高炉炉壁结构