1、Vo =1944 m3min 规定的拱顶烟气温度：ty1 =1450 平均废气温度：ty2 =200 净煤气温度：tm =30 助燃空气温度：tR =20 高炉热风炉座数：n=3 座2.11 高炉煤气成分（干）%CO2COH2CH4N2共计202255100%2.12 焦炉煤气成分%CmHn3.357.1757.3825.183.443.082.13 热风炉工作制度“二烧一送”其中送风周期tf=1h，燃烧1.83h，换炉占用时间0.17h，总周期3h。二、设计任务 设计说明书一份 热风炉剖面图一份进度安排起止日期工作内容2011.5.162011.5.18热风炉计算2011.5.192011.
2、5.20简易计算2011.5.232011.5.24附属设计计算2011.5.252011.5.27画图2011.5.282011.5.29写说明书主要参考资料【1】张树勋，钢铁厂设计原理（上册），冶金工业出版社，2003【2】万真雅、薛立基，钢铁冶金设计原理（上册），重庆大学出版社，1992【3】成兰伯，高炉炼铁工业及计算，冶金工业出版社，1999【4】周传典，高炉炼铁生产技术手册，冶金工业出版社，2002.8【5】项钟庸，郭庆第，蓄热式热风炉，冶金工业出版社，1988指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日（课程设计名称）设计说明书向 2000立方米高炉提供热风
3、的热风炉 起止日期： 2011 年 5 月 16 日 至 2011 年 5 月 29 日学生姓名夏雨班级冶金091学号01234567成绩指导教师（签字） 冶金工程学院（部）2011年 月 日湖南工业大学冶金工程学院课程设计答辩评价表专业冶金技术姓名题目问题与回答情况1、本次设计的主要任务是什么？2、本次设计热风炉高径比为多少？是否合理？3、此次热风炉设计格子砖选择有什么特点？4、内燃式热风炉的燃烧室设计有什么特点？指导教师： 年 月 日 湖南工业大学冶金工程学院课程设计评阅表指导教师评语评定等级年 月 日前 言从冶炼角度看，风是高炉冶炼的重要原料之一。高炉发展史充分说明改进鼓风对高炉的发展有
4、着极其重要的作用。风也是强化高炉冶炼的最积极因素，就现在已采用的新技术来看，风的含义不仅与鼓风机有关，还和热风温度、喷吹、富氧、脱湿等技术的应用即风的质量有关。热风炉为主的热风系统是综合鼓风系统的重要内容。1828年美国开始使用热风。实践和理论均证明：热风不仅是降焦、增产和提高生铁质量的重要措施之一，也为提高所喷吹燃料的燃烧率，为改善喷吹效果和加大喷吹量提供有利条件。因此国内外高炉均致力于提高风温。热风炉系统的重要作用就是加热冷风，降低焦比，提高生产效益。现代高炉普遍采用蓄热式热风炉，由于热烧（即加热格子砖）和送风（即冷却格子砖）是交替工作的，为保证向高炉连续供风，故每座高炉至少配置两座热风炉
5、，一般配置三座，大型高炉配置四座为宜。目前蓄热式热风炉有三种基本结构形式，即内热式热风炉（含传统型和改进型）、外燃式热风炉、顶燃式热风炉。本设计指导书所设计的类型是内热式热风炉。在设计过程中也可广泛地查阅各种参考资料，设计目前国内外比较先进的改进型和外燃式热风炉。本次设计的主要目的是培养学生理论联系实际，分析问题、解决问题的能力。本热风炉设计的重点在了解热工计算，其热工计算主要包括三个方面的内容，即燃烧计算，简易计算，砖量计算。设计过程中尽可能应用较成熟技术，充分考虑合理性和先进性的要求。1热风炉本体结构设计 2 1.1炉基的设计3 1.2炉壳的设计3 1.3炉墙的设计4 1.4拱顶的设计5
6、1.5蓄热室的设计6 1.6燃烧室的设计6 1.7炉箅子与支柱的设计 72燃烧器选择与设计8 2.1金属燃烧器8 2.2陶瓷燃烧器83格子砖的选择104管道与阀门的选择设计 15 4.1管道15 4.2阀门165热风炉用耐火材料 18 5.1硅砖18 5.2高铝砖18 5.3粘土砖18 5.4隔热砖18 5.5不定形材料196热风炉的热工计算22 6.1燃烧计算22 6.2简易计算 29 6.3砖量计算 317参考文献321热风炉本体结构设计热风炉的原理是借助煤气燃烧将热风炉格子砖烧热，然后再将冷风通入格子砖。冷风被加热并通过热风管道送往高炉。目前蓄热式热风炉有三种基本结构形式，即内燃式热风炉
7、、外燃式热风炉、顶燃式热风炉。传统内燃式热风炉（如图1-1所示）包括燃烧室和蓄热室两大部分，并由炉基、炉底、炉衬、炉箅子、支柱等构成。热风炉主要尺寸（全高和外径）决定于高炉有效容积、冶炼强度要求的风温。 图1-1内燃式热风炉1-煤气管道；2-煤气阀；3-燃烧器；4-燃烧室；5-热风管道； 6-热风阀；7-大墙；8-炉壳；9-拱顶；10-蓄热室；11-隔墙； 12-热风管；13-冷风阀；14-烟道管；15-支柱；16-炉箅子我国实际的热风炉尺寸见表1-1。表1-1我国设计的热风炉尺寸表V有效1002506201036120015131800205025164063H210682884033500
8、37000420004445044470540004966054050D上43465400730080008500900093309960010100下520067809500H/D4.805.574.704.954.935.705.351.1炉基的设计由于整个热风炉重量很大又经常震动，且荷重将随高炉炉容的扩大和风温的提高而增加，故对炉基要求严格。地基的耐压力不小于2.02.5kg/cm2，为防止热风炉产生不均匀下沉而是管道变形或撕裂，将三座热风炉基础做成一个整体，高出地面200400mm，以防水浸基础由A3F或16Mn钢筋和325号水泥浇灌成钢筋混泥土结构。土壤承载力不足时，需打桩加固。生产
9、实践表明，不均匀下沉未超过允许值时，可将热风炉基础又做成单体分离形式，如武钢、鞍钢两座大型高炉，克节省大量钢材。1.2炉壳的设计热风炉的炉壳由820mm厚的钢板焊成。对一般部位可取：=1.4D（mm）。开孔多的部位可取：=1.7D（mm）, 为钢板厚度（mm），D为炉壳内径（m），钢板厚度主要根据炉壳直径、内压、外壳温度、外部负荷而定。炉壳下部是圆柱体，顶部为半球体。为确保密封炉壳连同封板焊成一个不漏气的整体。由于炉内风压较高，加上炉壳耐火砖的膨胀，使热风炉底部承受到很大的压力，为防止底板向上抬起，热风炉炉壳用地脚螺栓固定在基础上，同时炉底封板与基础之间进行压力灌浆，保证板下密实，也可以把地脚
10、螺栓改成锚固板，并在底封板上灌上混泥土。将炉壳固定使其不变形，或把平底封板加工成蝶形底，使热风炉成为一个手内压的气罐，减弱操作应力的影响。在施工过程中对焊接必须进行X光探伤检验，要求炉壳椭圆度不大于直径的千分之二，整个中心线的倾斜（炉顶中心与炉底中心差）不大于30mm。为了保证炉壳和炉内砌砖的密封性，在砌砖前后要试漏、试压，检查砌砖前试验压力为0.31.5kg/cm2,砌砖后工作压力的1.5倍试压，每小时压力降=1.5%.蓄热室、燃烧室的拱顶和连接管处采用（韧性耐龟裂钢板）含锰、铝的镇静钢。高温区炉壳外侧用0.5mm铝板包覆，铝板与炉壳间填充后3mm保温毡，使炉壳温度控制在150250，防止内
11、表面结露，也防止突然降温（暴雨）使炉壳急冷而产生应力。炉壳内表面涂硅氨基甲酸乙醋树脂保护层，防止NOX与炉壳接触。1.3炉墙的设计炉墙一般由耐火层、绝热层和隔热层组成。作用是保护炉壳和减少热损失。各层厚度应根据炉壳温度和所用耐火材料的界面温度确定。如图1-2所示。因炉墙温度自上而下逐渐升高、所以不同高度耐火层和绝热层厚度不同。一般下部区域温度低、荷重大，宜选用较厚耐火砖，减薄的绝热层，所留膨胀缝可小。上部高温区，荷重小，但为了减少热损失，应增加绝热层的厚度，耐火层可较薄。炉墙通常由345mm耐火砖砌筑，一般风温水平的热风炉和炉壳接触的是65mm后的硅藻土砖绝热层，绝热层和耐火砖之间是60145
12、mm后的干水渣填料层，用以缓冲膨胀。两层绝热砖之间填以5090mm后的干水渣或硅藻土或石粉。隔墙上部由于燃烧室位置在热风炉内的一侧，靠格子砖的隔墙为两面加热，而靠热风炉大墙一侧的隔墙为一面加热。因此，前者的温度比后者高，产生的高温蠕变大，而耐火材料不适应高温时，就使燃烧室向格子砖方向倾斜，并进而使上部格砖严重错孔。a -多用与燃烧室侧 b -多用于蓄热室侧 图1-2 炉墙的组成1.4拱顶的设计 拱顶是连接燃烧室和蓄热室的砌筑结构，它长期处于高温状态工作，应选用优质的内火材料，并保证砌体结构的稳定性，燃烧时高温烟气流均匀地进入蓄热室。内燃式热风炉拱顶有半球形，锥型，抛物线形和悬链形，目前国内传统
13、内燃式热风炉一般多采用半球形。它可使炉壳免受侧向推力，拱顶荷重通过拱脚正压在墙上，以保持结构稳定性。应加强热风炉上部与拱顶的绝热保护，鉴于拱顶支在大墙上，大墙受热膨胀，受压易于破坏，故将拱顶与大墙分开，支在环形梁上，使拱顶砌成独立的支撑结构。采用抛物线形拱顶和悬链形拱顶稳定性较好，悬链形拱顶的气流也较均匀，但结构较复杂。 图13 热风炉锥形拱顶结构 在拱顶内衬的内火砖材质，决定拱顶温度水平，为了减少结构质量和提高拱顶的稳定性，应尽量缩小拱顶的直径，并适当减薄砌体的厚度。拱顶砌体厚度减薄后，其内外温度差降低，热应力减少，可相当延长拱顶寿命。中型热风炉砖厚以300500mm为宜，大型高炉热风炉砖厚
14、以350400mm为宜。但是砖型过多制造麻烦，过少则施工困难。国内部颁标准以有了3组9种拱顶定型砖适用于砌筑内部半径为21003900mm的半球形拱顶。拱顶的下部第一层砖为拱脚砖。常用钢圈加固，使炉壳少受水平力作用。在拱顶的正中为特制的炉顶盖砖，上有安装测拱顶温度的电热偶孔。为了提高热效率，减少热损失好保护炉壳，拱顶的隔热是十分重要的。高风温热风炉拱顶隔热砖的厚度为400500mm,一般由23层隔热砖组成。表1-2 热风炉拱顶耐火衬材质与炉顶温度的关系材质粘土砖高铝砖硅砖标号RN-38RL-48L2-65DG-95炉顶温度1250135014501550 1.5蓄热室的设计 蓄热室是热风炉进行
15、热交换的主体，它由格子砖砌筑而成。砖的表面就是蓄热室的加热面，格子砖块作为贮热介质，所以蓄热室的工作既要传热快又要贮热多，而且要有尽可能高的温度。格子砖的特性对热风炉的蓄热能力，换热能力以及热效率有直接影响。蓄热室断面积，一般是从选定的热风炉直径扣除燃烧室断面积而得到的，它应该用填满格子砖的通道面积中的气流速度来核算。为了保证传热速度，要求气流在紊流状态流动，即雷诺数大于2300。由于气体在高温下粘度增大，而且格孔小不易引起紊流，故现代高风温热风炉要求有较高的流速以满足传热的要求，在生产中常有这样的情况，蓄热面积不少，顶温很高，但风温上不去，烟道温度却上升很快，其原因主要是流速低造成的。蓄热室
16、工作的好坏，风温和传热效率如何，与格孔大小、形状、砖量等也有很大的关系。但在燃烧室两侧蓄热室狭窄处存在死角，烟气在蓄热室断面上分布不均，相对的减少了蓄热室面积。眼镜形燃烧室结构稳定性差，热应力小，当量直径小，不利于煤气燃烧：但蓄热室死角小，烟气流分布均匀，有效面积利用较好。复合型兼备上述两种形状的优点，设计上采用多。1.6燃烧室的设计 燃烧室是煤气燃烧的空间，位于颅内的一侧，它的断面形状有三种，即圆形、眼睛形、复合型。圆形燃烧室形状简单，稳定性好，热应力小，当量直径大有利于煤气燃烧： 1-燃烧室 2-蓄热室 图1-4 燃烧室断面形状燃烧室隔墙一般由两层互不错缝的高铝砖砌筑，大型高炉用一层345
17、mm和一层230mm高铝砖砌成，中小高炉用两层230mm高铝砖砌成。两层之间彼此无约束，在受热膨胀时互不受阻碍。燃烧室比蓄热室要高出300500mm，目的是使烟气流在蓄热室内分布均匀一些。1.7炉箅子与支柱的设计 蓄热室全部格子砖都通过炉箅子支持在支柱上，当废气温度不超过350，短期不超过400时，用普通铸铁就能稳定的工作，当废气温度较高时，可用耐热铸铁（ Ni0.4%0.8%，Cr0.6%1.0%）或高硅耐热铸铁。为避免堵住格孔，支柱和炉箅子的结构应和格孔相适应。支柱高度要满足安装烟道哦冷风管道的净空需要，同时保证气流畅通。炉箅子的块数与支柱相同，而炉箅子的最大外形尺寸，要能从烟道口进出。
18、图1-5 支柱和炉箅子的结构2 燃烧器选择与设计 燃烧器种类很多，常见的有套筒式和栅格式，就其材质而言又分金属燃烧器和陶瓷燃烧器。2.1金属燃烧器 煤气道与空气道为一套筒结构，进入燃烧室后相混合并燃烧。这种燃烧器的优点是结构简单，阻损小，调节范围大，不易发生回火现象，因此，过去国内热风炉广泛采用这种燃烧器。此次设计采用的为陶瓷燃烧器。 图2-1 金属燃烧器 1-煤气；2-空气；3-冷凝水2.2陶瓷燃烧器 陶瓷燃烧器是用耐火材料砌成的，安装在热风炉燃烧室内部。一般是采用磷酸盐耐火混泥土或矾土水泥耐火混泥土预制而成，也有采用耐火砌筑成的。 常用的陶瓷燃烧器：221套筒式陶瓷燃烧器套筒式燃烧器是目前
19、国内热风炉用得最普遍的一种燃烧器。这种燃烧器由两个套筒和空气分配帽组成，如图2-2a所示。燃烧时，空气从一侧进入到外面的环形套筒内，从顶部的环状圈空气分配帽上的狭窄喷口中喷射出来。煤气从另一侧进入到中心管道内，并从其顶部出口喷出，由于空气喷口中心线与煤气中性线成一定交角（一般为50左右），所以空气与煤气在进入燃烧室时能充分混合，完全燃烧。有的还在空气道与煤气之间的管壁上部开设与煤气道轴向正交的矩形一次空气进入口，形成空气与煤气两次混合，这就进一步提高了空气与煤气的混合及燃烧效果。优点：结构简单，构件少，加工制造方便。但燃烧能力较小，一般适合于中小型高炉的热风炉。222栅格式陶瓷燃烧器栅格式陶瓷
20、燃烧器的空气通道与煤气通道呈间隔布置，如图2-2b所示。燃烧时，煤气与空气都从被分成若干个狭窄通道中喷出，在燃烧器上部的栅格处得到混合后进行燃烧。这种燃烧器与套筒式燃烧器比较，其优点是空气与煤气混合更均匀，燃烧火焰短，燃烧能力在，耐火能力大，耐火砖脱落现象少。但其结构复杂，构件形式种类多，并要求加工质量高。大型高炉的外然式热风炉多采用栅格式陶瓷燃烧器223三孔式陶瓷燃烧器如图2-2c所示。三孔式陶瓷燃烧器的显著特点是有按个通道，即中心分为焦炉煤气通道，外侧圆环为高炉煤气通道，二者之间的圆环形空间为助燃空气通道。在燃烧器的上部设有气流分配板，各种气流从各自的分配孔中喷射出来，被分割成小的流股，使
21、气体充分的混合，同时进行燃烧。不仅使气体流混合均匀，燃烧充分，燃烧火焰短，而且是采取了低发热值的高炉煤气将高发热值的焦炉煤气包围在中间燃烧的形式，避免了高温气流烧坏隔墙，特别是避免了热风出口处的砖被烧坏的弊病。另外，采取高炉煤气的焦炉煤气是从燃烧器的中心部位喷出的，所以燃烧气流的中心温度经边缘煤气的温度高，约200左右。缺点：是结构复杂，使用砖种类多，施工复杂，目前只有部分大型高炉的外燃式热风炉采用这种燃烧器。 陶瓷燃烧器有如下优点：（1）助燃空气与煤气流一定交角，交将空气或煤气分割许多细小流股，因此混合好能完全燃烧：（2）气体混合均匀，空气过剩系数小，可提高燃烧温度：（3）燃烧气体向上喷出，
22、消除“之”字形运动，不再冲刷隔墙，延长了隔墙的寿命，同时改善了气流分布。（4）燃烧能力大，为进一步强化热风炉和热风炉大型化提供了条件。 a b 图2-2几种常用的陶瓷燃烧器 a-套筒式陶瓷燃烧器；b-三孔式陶瓷燃烧器；c-栅格式陶瓷燃烧器 I-磷酸混凝土 II-粘土砖1-二次空气引入孔；2-一次空气引入孔；3-空气帽；4-空气环道；5-煤气直管；6-煤气收缩管；7-煤气通道；8-助燃空气入口；9-焦炉煤气入口；10-高炉煤气入口3 格子砖的选择格子砖的选择对热风炉工作有相当大的关系。例如：蓄热室工作的好坏和转热效率如何。与格孔大小、形状、砖量等有很大关系。对格子砖选择很重要。对格子砖的要求是：
23、1）单位体积格子砖具有最大的受热面积。2）有何受热面积相适应的砖量来储热，以保证一定的范围内，不引起过大的风温降落。3）尽可能地引起气流扰动，保持较高的流速，以提高对流传热、速度。4）有足够的建筑稳定性。5）便于加工制造、安装、维护成本低。格子砖的主要特性指数参见标3-1.SV=1-dsm加热面积通道面积填充系数水力学直径当量厚度格子砖质量（1）1m格子砖的受热面积S（/m）。对方孔格子砖可按下式计算： S=4b/（b+）式中 b格孔边长，m； 格子砖厚度，m。 希望格子砖的受热面积大些，因为它是热交换的基本条件，同样体积的格子砖，受热面积大则风温和热效率高，一般板格子砖的受热面积小，穿孔格子
24、砖的受热面积大。 （2）有效通道截面积。 =b/（b+）由于热风炉中对流传热方式占比重较大，值小可提高流速，从而提高传热效率。但值过小会导致气流阻力损失的增加，消耗较多的能量。一般值在0.280.46之间。 （3）1m格子砖中耐火砖的体积或称填充系数V。 V=1- 它表示格子砖的蓄热能力，同样送风周期，填充系数大的砖型，由于蓄热能量多，风温降小，能维持较高的风温水平。一般要综合考虑V和两个指标，不要追求其中一个指标而影响另一个指标。 （4）当量厚度。格子砖当量厚度可以用下式表示： =V/（S/2）=2V/S=2（1- ）/S如果格子砖是一块平板，两面受热，则当量厚度就是实际高度，但实际上蓄热功
25、当量室内格子砖是相互交错的，部分表面被挡住，不起作用，所以格子砖的当量厚度总是比实际厚度大，这说明当实际砖厚度一定时，当量厚度小则格子砖利用好。如果格子砖是任意形态的，则1m格子砖的受热面积和有效通道截面积表达式分别为：S=孔周长/（空面积+砖面积） =通道面积/（通道面积+砖面积）减小格孔可增大砖占有的面积，也就是增大了蓄热能力。格孔大小取决于燃烧的含尘量，如果含尘量大，格孔小就容易堵塞。随煤气进化水平的提高，格孔又减小的趋势。上序格子砖特性指数是相互影响，以正方形格孔砖为例。在砖厚度不同时计算得出的热工特性和格孔大小的关系，减少格孔尺寸可以增加砖占的体积V=1- ，即增加了蓄热能力。当格孔尺寸大于砖厚时，减少格孔尺寸以增加热面积，即换热能力，当格孔尺寸等于砖厚时，加热面积最大，砖厚减薄可显著增加加热面积S，但却带来砖占的体积V=1- ，减少和通道面积的增加。从热工角度来看，格孔小些，砖厚些，蓄热能力增强，而且易形成扰动，强化了换热过程，格孔小，通道面积减小，可能使烟气和鼓风流速增高，增加了对流换热。但是格孔大小主要取决于燃烧所用煤气的净化程度，煤气含尘量多。格孔小了就容易堵塞，且不容易清灰。现代高炉的含尘量不断下降，格孔又逐渐减小的趋势。格孔尺寸与煤气含尘量关系如标3-2所示。表3-2 格孔尺寸与煤气含尘之间的关系煤
