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外燃式热风炉设计及CAD_图文





1 热风炉本体结构设计 ...............................................1 1.1 热风炉的概述 ................................................1 1.2 炉基的设计和选择 ............................................3 1.3 炉壳的设计 ..................................................4 1.4 炉墙的设计 ..................................................4 1.5 拱顶的设计 ..................................................5 1.6 蓄热室的设计 ................................................6 1.7 燃烧室的设计 ................................................7 1.8 炉箅子与支柱的设计 ..........................................8 2 燃烧器选择与设计 .................................................9 2.1 金属燃烧器 ..................................................9 2.2 陶瓷燃烧器 ..................................................9 3 格子砖的选择 ....................................................13 4 管道与阀门的选择设计 ............................................18 4.1 管道 .......................................................18 4.2.阀门 .......................................................19 5 热风炉用耐火材料 ................................................21 5.1 硅砖 .......................................................21 5.2 高铝砖 .....................................................21 5.3 粘土砖 .....................................................21 5.4 隔热砖 .....................................................21 5.5 不定形材料 .................................................21 6 热风炉的热工计算 ................................................27 6.1 燃烧计算 ...................................................27 6.2 简易计算 ...................................................32 6.3 砖量计算 ...................................................35 参考文献 7 参考文献 ........................................................37

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1 热风炉本体结构设计
1.1 热风炉的概述
(1)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到高炉。目前蓄热室热风炉有三种基本形式,即内 燃式,外燃式,顶燃式热风炉。 (2)传统内燃式热风炉如下图所示,它包括蓄热室和燃烧室两大部分,并由炉基, 炉底,炉衬,炉箅子,支柱等构成。热风炉的有效尺寸决定于高炉的有效容积,冶炼 强度要求的风温。

图 1-1 我国设计的尺寸参考表 1-1。

传统式热风炉

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我国设计的尺寸参考下表: 表 1-1 我国设计的尺寸参考下表:
V有 效
D
上 下 100 4346 250 5400 5200 4.80 5.57 620 7300 6780 4.80 4.70 4.95 4.93 1036 8000 1200 8500 1513 9000 1800 9330 9000 4.93 2050 2516 4063

99600 9000 10100 9500 5.70 5.57 5.35

HD

我所设计的热风炉是外燃式热风炉 (3)外燃式热风炉是内燃式热风炉的进化和发展,他是燃烧室和蓄热室分别在两 个圆柱形壳体内,两个室的顶部以一定方式连接起来。根据连接的方式不同形成了四 种主要的结构形式,即地得式,拷贝式,马琴式和新日铁式,如下图所示:

地得式外燃式热风炉拱顶由 1/4 小球拱和 1/4 的大球拱将燃烧室和蓄热室连成一 体,如本钢的 5 号高炉;拷贝式外燃式热风炉两室的半球拱顶又配有膨胀圈的连接管 连接;马琴式蓄热室的定不是有锥形缩口,拱顶是由两个半径相同的 1/4 球顶和一个 平地半圆柱连接管组成, 如鞍钢 1050 m 3 高炉; 新日铁式热风炉的蓄热室拱顶有锥形缩 口,拱顶由两个半径相同的半球形顶和一个圆柱形管组成,连接管上设有膨胀补缩器, 如马钢的 3600 m 3 高炉和宝钢的所有高炉。 根据一序列的参考材料我选择设计新日铁式外燃式热风炉 2

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新日铁是外燃式热风炉的特点:蓄热室拱顶有锥形缩口,拱顶由两个半径相同的 半球形顶和一个圆柱形管组成,连接管上设有膨胀补缩器。为了使热风和混入的冷风 混合均匀,在每一个热风炉燃烧室热风口处设有一个混风室,在混风室和燃烧室之间 的连接管上亦设有通用型伸缩管,以吸收两者的不均匀膨胀和连接管的轴向膨胀。 我国目前使用的外燃式热风炉(地得式,马琴式,新日铁式)数量已达 40 多座, 其中使用最多,应用效果最好的为新日铁式外燃式热风炉。 设计的过程中可参考太钢 4350 m 3 高炉热风炉的设计,其设计参数参照表 1-2[6]。 表 1-2
项目 燃烧室炉壳外 燃烧室炉壳外径 拱顶温 径 mm mm 度℃

高炉设计参数: 太钢 4350m3 高炉设计参数:
格子砖 高度 mm 送风风 温度℃ 格子砖 类型 单位炉容加热 燃料组 面积 成 m2/m3 1250 七孔高效 74.4 每座热风炉加 热面 积 m2 高炉煤气 80910 炉煤气

参数

10000

6100

1450

35010

新日铁式热风炉炉型结构如下图: 新日铁式热风炉炉型结构如下图

图 1-3[9]新日铁式热风炉

1.2 炉基的设计和选择
由于整个热风炉重量很大又经常震动,且荷重将随高炉容积的扩大和风温的提高 而增加,故对炉基压球很严格。地基的耐压力不小于 2.0~2.5kg/cm2,为了防止热风炉产 3

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生不均匀下沉而使冠达变形或撕裂, 将全部热风炉基础做成一个整体, 高出地面 200~ 400mm,以防水浸基础由 A 3 F 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。

1.3 炉壳的设计
热风炉的炉壳由 8~20mm 厚的钢板焊成。对一般部位可取:δ=1.4D(mm) 。开孔 ,D ,钢板厚度 多的部位可取:δ=1.7D(mm), δ 为钢板厚度(mm) 为炉壳内径(m) 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 0.3~1.5kg/ cm 2 ,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 150~250℃,防止内表面结露,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 NO X 与炉壳接触。

1.4 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 1-4 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 60~145mm 后的干水渣填料层,用以缓冲 4

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膨胀。两层绝热砖之间填以 50~90mm 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。

图 1-4 炉墙的组成 我所设计的新日铁式外燃式热风炉燃烧室与蓄热室的炉墙是分开设计的,蓄热室 根据内燃式的蓄热室炉墙要求来设计,燃烧室炉墙按燃烧室的要求来设计(上面讲述 了设计方法) 。

1.5 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。外燃 式热风炉拱顶有半球形,锥型,1/4 球形等等,目前国内外燃式热风炉一般多采用新日 铁式的半球形。拱顶所有的砖衬有设置在炉壳上得三层转托支撑,与大墙砌体脱离开, 成为一个独立结构,以保持结构稳定性。 新日铁式热风炉的拱顶对称,尺寸小,拱顶,大墙,缩口相对独立,可以自由涨 落,结构稳定性好,气流分布好。 外燃式拱顶结构如图 1-5

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在拱顶内衬的内火砖材质,决定拱顶温度水平。如表 1-3 所示,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 300~500mm 为宜,大型高炉热风炉砖厚以 350~400mm 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 2100~3900mm 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 400~500mm,一般由 2~3 层隔热砖组成。 表 1-3
材质

热风炉拱顶耐火衬材质与炉顶温度的关系
高铝砖 硅砖

粘土砖

标号

RN-38

RL-48

L2-65

DG-95

炉顶温度

1250

1350

1450

1550

1.6 蓄热室的设计
蓄热室是热风炉进行热交换的主体,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

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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蓄热室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。 蓄热室椎体部及上部圆筒大墙由内向外分别采用硅砖和高铝质隔热砖砌筑,砖衬 和耐酸喷涂料之间填充隔热纤维板,硅砖和隔热砖之间填充高温下易发热的填充料, 以吸收锥段砌体的热膨胀。整个炉衬由设置在炉壳上的砖托支撑,与拱顶及蓄热室直 筒部砌体完全脱开。 外燃式的蓄热室与燃烧室分开,克服了内燃式隔墙的一些缺陷,增强了结构稳定 性,使气流分布均匀。

1.7 燃烧室的设计
传统内燃式热风炉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。 苹果型燃烧室如图 1-6

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外燃式热风炉的燃烧室是与蓄热室分离开的,一般放置在蓄热室的右侧,它一般 有圆形,苹果型(复合型) 。在本次的设计中,我采用的是复合型,燃烧能力大,气流 在燃烧室内分布均匀,燃烧效果好,废气分布均匀。

1.8 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(图 1-7)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。

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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。

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: (1)套筒式陶瓷燃烧器 套筒式燃烧器是目前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。 (2)栅格式陶瓷燃烧器 栅格式陶瓷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 (3)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 9

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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, 使气体充分的混合,同时进行燃烧。 优点: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,交角将空气或煤气分割成许多细小流股,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,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。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。

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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 在这次设计中我选用的是圆形栅格式陶瓷燃烧器,如图 2-3。

在焦炉煤气不够充足的条件下,可以采用两孔的栅格式陶瓷燃烧器。圆形栅格式 陶瓷燃烧器已经在国内使用了多年,有成熟的使用经验,其砖型简单,加工量少,易

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于砌筑施工,且具有空,煤气混合均匀,火焰短,耐火砖剥落少,燃烧稳定,燃烧能 力打等优点,适用于外燃式热风炉,有利于减少制造和砌筑的费用。在设计的过程当 中由于焦炉煤气很少,因此我首选圆形栅格式陶瓷燃烧器。

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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: 1)单位体积格子砖具有最大的受热面积。 2)有和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: 表 3-1 格子砖的主要参数

S 加热面积

?
通道面积

V=1- ? 填充系数

ds 水力学直径

σ 当量厚度

m 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=
式中 b——格孔边长,m;

4b (b + δ ) 2

δ——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,穿孔格子砖的受热面积 大。 (2)有效通道截面积 ? 。对方孔格子砖可按下式计算:

b2 ?= (b + δ ) 2
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。 消耗较多的能量。 一般 ? 值在 0.28~0.46 之间。 但 ? 值过小会导致气流阻力损失的增加,

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(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 σ。格子砖当量厚度可以用下式表示: V 2V 2(1 ? ? ) σ= = = S/2 S 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 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。 上述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表 3-2 所示。 表 3-2
煤气含尘量/ mg ? m -3 流体直径/mm <10 45

格孔尺寸与煤气含尘之间的关系
<30 60 >30 ≮80

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我国大型高炉格孔多采用 50~60mm,中小型高炉多用 80mm。格孔是比较合理的 结构,它是在上下部格孔数相同的条件下,上部高温区采用较大格孔与当量厚度,孔 道平滑以利于高温下的辐射传染和多储存些高温热量。而下部低温区在条件许可的情 况下,尽量能采用小格孔和薄的当量厚度,用增加波纹等修饰的方法增加涡流程度, 以利于对流传热,但多段式砌筑麻烦,清灰困难。 我国常用五孔格子砖(50×50)的热工特性表 3-3。 常用五孔格子砖的热工特性( 表 3-3 常用五孔格子砖的热工特性(50×50) )
特性 流体直径(ds) 格子砖厚(δ) 1m?砖格子加热面积 通道面子( ? ) 砖占体积(1- ? ) 1m? 砖重(㎏) 当量厚度(σ) 重量系数(m/s) 高铝砖 粘土砖 数值 51.79mm 36mm 24.9m? 0.322m? 0.677 ㎡ 1762 ㎏/m? 1491 ㎏/m? 54.43 ㎜ 60.0 ㎏/㎡

常用的格子砖基本上分两类,板状转和块状穿孔砖。 板状砖的每个孔由 4 块砖组成。为增加砖的表面积或使气流产生紊流提高对流传 热能力,还有波纹转和切角豆点砖。切角豆点砖切角形成的水平通道还可使整个蓄热 室断面气流分布均匀。板状转具有价格低的优点,但砌成的蓄热室稳定性差,容易倒 塌和错位。目前,无论是大高炉还是小高炉的热风炉已经很少采用这类砖了。 块状穿孔砖,是在整块砖上穿孔,而空形有圆形、方形、长方形、六角形等,采 用较多是五孔砖和七孔砖。块状穿孔转的优点是砌成的蓄热室稳定性好,砌砖快,受 热面积大。缺点是成本高。为了引起气流扰动和增加受热面积,常在孔内增加凸缘, 或将孔做成有一定锥度, 还可将长方形孔隔 1~3 层扭转 90°。 我国部分厂家使用的五孔 砖和七孔砖性能参数见表 3-4。

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表 3-4
五孔砖 攀钢 52×52 攀钢 50×70 48×68 58.30 首钢 55×55 45×65 53.20

五孔砖和七孔砖性能比较
七孔砖 鞍钢 52×52 攀钢 Φ43 宝钢 Φ43 Φ48 43 43 47.5 Φ48 45 45 首钢 Φ47 首钢 Φ42 Φ45 本钢

项目 格孔尺寸 /mm 当量直径 /mm 有效通道截 面积/m2.m-2 受热面积 /m2.m-3 当量厚度/mm 格子厚度/mm

53.81

53.81

0.331

0.434

0.41

0.432

0.409

0.409

0.456

0.41

0.364

24.65 54.33 38

29.75 38 30.32

30.6 35.4 30

28.733

38.07 31.02

38.06 31.01

38.06 28.4

38.36 32.5 19.5

32.375 39

30~40

蓄热室的结构可能分为两类,即在整个高度上格孔截面不变的单段式和格孔截面 变化的多段式。从传热和蓄热角度考虑,采用多段式较为合理。热风炉工作中,希望 蓄热室上部高温段多贮存一些热量,所以上部格子砖填充系数(V)较大而有效通道截 面积(φ)较小,这样送风期间不致冷却太快,以免风温急剧下降。在蓄热室下部由 于温度低,气流速度也较低,对流传热效果减弱,所以应设法提高下部格子砖热能力, 较好的办法是采用波浪形格子砖或截面互变的格孔,以增加紊流程度,改善下部对流 传热作用。 蓄热室是热炉最重要的组成部分,砌筑质量必须从严要求。在炉箅子安装合格后, 先在其上用浓粘土泥浆找平,厚度不大于 5mm,有的厂用机械加工的办法找平,炉箅 子不用泥浆。第一层格子砖按炉箅子的格孔砌筑,根据炉箅子格孔中心画上两根相互 垂直的十字中心线作为格子砖的控制线。再从中心线开始砌成十字形砖列,然后再四 个区域内,沿十字砖列依次向炉墙方向砌筑。第一层格子砖砌完后,清点完整的格孔 数并做出记录。以后各层格子砖均匀为干砌,要确保格孔垂直,格子砖边缘与炉墙留 10~15mm 的膨胀缝,膨胀缝内填以草绳或木楔以防格子砖松动。整个格子砖砌完后, 应进行格子砖清理,格孔堵塞的数量不应超过第一层格子砖完整孔的 3%。 格子砖有“独立砖柱”和“整体交错”两种砌筑方式。独立砖柱结构,在砌筑高度上 公差要求不太严格,但稳定性差;交错砌筑法是上、下层格子砖相互咬砌,使蓄热室 16

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形成一个整体的砌筑方法,该方法可以有效地防止格子砖的倾斜位移。整体砌筑对格 子砖本身公差要求严格,砌筑前要认真挑选、分类。交错砌筑法如图 3—2 所示。 七孔格子砖如图 3-1

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4 管道与阀门的选择设计
热风炉是高温高压装置,其燃料易燃易爆且有毒,因此热风炉的管道与阀门必须 工作可靠,能够承受高温和高压,阀门应具有良好的密闭性,便于检修,方便操作, 阀门的启闭传动装置均应没有手动操作机构,启闭速度应能满足工艺操作的要求。

4.1 管道
热风炉系统设有冷风管、热风管、混风管、燃料用净煤气管和助燃风管、倒流休 风管。一般采用 10~20mm 厚的普通碳素钢板焊制成管道直径。根据气体在管道内流量 和合适的流速决定。

d=
式中 d—— 圆形管道内径 V—— 气体在实际状态下的体积流量,m/s ω—— 气体在实际状态下的流速,m/s

4V

ωπ

表4-1 管道内气体参考数据 名 称 标准流速 ω 0 ,nm/s 6~10 6~8 9~12 7~10 6~8 5~7

热风炉净燃煤气支管(煤气不预热) 助燃空气管道 风压>0.9×10 风压<0.5×10 风压>0.9×10 风压>0.5×10
?1

MPa 的冷风管道 MPa 的冷风管道 MPa 的热风管道 MPa 的热风管道

?1

?1

?1

冷风管—— 应保证密封, 常用 4~12mm 钢板焊成, 由于冷风温度在冬季约为 70~
80℃。夏季常超出 100℃甚至高达 150℃,为了消除热应力,故在冷风管道上设置伸缩

圈。 热风管—— 由 10mm 厚的普通钢板焊成,要求管道的密封性好,热损失少,热风 管道一般用标准砖砌筑,内层砌粘土砖或高铝砖,外层砌隔热砖。 18

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混风管—— 为了稳定热风温度而设, 它根据热风炉的出口温度而参入一定的冷风。 倒流休风管道应有千分之五的排水坡度,并在进入坡度支管前设置排水设备。
我国高炉热风管道内径( 表 4-2 我国高炉热风管道内径(mm) ) 高炉容积(m ) 管道 50 名称 净煤气总管 净煤气支管 冷风总管 冷风支管 热风总管 热风围管 冷风混风管 混风阀后 500 400 520 400 500 500 400
3

100 500 400 520 400 500 500 400

255 800 700 700 700 700 700 400

620 1300 900 1000 900 900 850 900

1000 1400 1100 1400 1200 1500 1200 1200

1500 1600 1100 1400 1200 1522 1222 1200

2000 1500 1100 1500 1200 2000 2000 800 1600

4.2.阀门
根据热风炉周期性工作的特点可将热风炉的阀门分为控制燃烧系统的阀门和鼓风 系统的阀门。 控制燃烧系统阀门的作用是把助燃空气及煤气送入热风炉燃烧,并把废气排出热 风炉,注意有燃烧阀、煤气调节阀、煤气切断阀、烟道阀等。鼓风系统的阀门将鼓风 送入热风炉,并把热风送到高炉。有点阀门还起着调节热风温度的作用。主要有放风 阀、混风阀、冷风阀、热风阀。 要求设备坚固结实,能承受一定的强度,保证高压下密封性能好,开头灵活,便 于检修,故选择设计闸式阀门,结构复杂,阻力小,密封性好,按构造式分为三类: (1)蝶式阀:它是中间有轴可以自由旋转的翻板,利用转角的大小采用调节流量。 它调节灵活,但密封性差。 (2)盘式阀:结构比较简单,多用于切断含尘气体。气流方向平行于阀的开启方 向。多用于含尘气体,如烟道阀。 (3)闸式阀:结构比较复杂,但密封性好。气流方向与阀的动作方向垂直,适用 与洁净气体的切断。 放风阀:从鼓风机采的冷风管道上安装放风阀,它是为了不停止鼓风机运转的情 况下,减少或完全停止向高炉供风而设计的。它是一个蝶型阀和一个柱塞阀组成。 混风阀:想热风总管中掺入一定量的冷风,以保持温度稳定不变。其位置在混风 管与热风总管相接处,它由调节阀和阻隔阀组成。 冷风阀:设在冷风管上的切断阀。它是冷风进入热风炉的闸门。当热风送风时, 19

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打开冷风阀可把高炉鼓风机鼓出的冷风送入热风炉。 热风阀:设置在热风炉的热风出口处。在热风炉送风期打开热风阀,热空气经热 风支管送热风总管。热风阀在 900~1300℃和 0.5MPa 左右压力的条件下工作,是阀门系统中工作最恶劣的设备,一般利用铸钢和锻钢、 钢板焊接结构。 热风阀门直径的选择考虑使用要求。维护制造条件及经济合理等因素。热风阀直 径的选择应考虑使用要求。维护制造条件及经济合理等因素。热风阀门直径选择十分 重要。在允许条件下采用大直径的阀门对延长热风阀寿命有好处。热风阀的实际流速 不应大于 75m/s。其它阀门的截面积将于热风阀的面积之比有如下关系: 阀门名称
热风阀 冷风阀 防风阀 煤气切 燃烧阀 烟道阀 混风阀 废气阀 充风阀

阀门的截面积与热风阀的面积之比
1.0 0.8~1.0 1.0~1.2 0.7~1.0 0.7~1.0 2.0~2.8 0.3~0.4 0.05~0.12 0.05~0.12

各调节阀、切断阀直径应与管道直径相适应。 随着近年来热风炉设备的不断发更新,高温密封式蝶阀技术越来越成熟可靠,该 法结构简单,动作灵活,密封性好,且结构小巧,重量轻,已经为广大用户接受。为 了确保热风炉各阀的检修,高炉煤气,焦炉煤气,助燃空气,冷风,延期管网上的阀 门采用高密封式蝶阀,减少了热风炉区域的框架负荷。 通过对整体管道系统完整的受力分析计算,经济,合理的配置了波纹膨胀节以及 管系中固定支架,滑动支架,既吸收管道膨胀,又便于阀门的安装,检修,使热风炉 管路系统设计合理,安全可靠,满足了热风炉高风温长寿命的要求。

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5 热风炉用耐火材料
5.1 硅砖
硅砖主要成分是 SiO2 ,其含量在 95%左右。由鳞石英、方石英和玻璃相组成。硅 砖高温性能好,耐火度及荷重软化温度较高,蠕变温度高且蠕变变率小,有利于热风 炉稳定,不足的是它的体积密度小,蓄热能力差。硅砖在 600℃以下发生相变,体积 又较大的膨胀,容易破坏砌体的稳定性,因此,硅砖的使用温度应大于 600℃。在热 风炉内硅砖一般用于拱顶、燃烧室和蓄热室炉衬的上部以及上部格子砖。热风炉用硅 砖的性能见表 5-2.

5.2 高铝砖
高铝砖质地坚硬、致密、密度大,抗压强度高,有很好的耐磨性和较好的导热性, 在高温下体积稳定,蠕变性仅次于硅砖。普遍应用于高温区域,如拱顶、中上部格子、 燃烧室隔墙等。一些国家热风炉用高铝砖性能见表 5-3.

5.3 粘土砖
粘土砖主要成分是 Al2 O3 和 SiO2 ,随着 Al2 O3 和 SiO2 含量的不同,性质也发生变 化。粘土砖热稳定好,高温烧成的粘土砖残余收缩小。粘土砖粘耐火度和荷重软化温 度低,蠕变温度低,蠕变率大。但是砖容易易加工,价格廉价,广泛应用于热风炉中、 低温度区域、中下格子砖及砖衬。粘土砖用量约占热风炉用砖总量的 30%~50%。

5.4 隔热砖
热风炉用隔热砖有硅藻土砖、轻质硅砖、轻质粘土砖、轻质高铝砖以及陶瓷纤维 砖等。隔热砖气孔率大,密度小,导热性低,机械强度低,但在使用中应可以支承自 身质量。

5.5 不定形材料
热风炉用不定形材料有耐火、隔热及耐酸三种喷涂料。耐火喷涂料主要用于高温 部位炉壳及热风管内,以防止窜风烧坏钢壳。隔热涂层料导热系数低,可以减少热损 失。 耐酸涂层料用于拱顶、 燃烧室及蓄热室上部钢壳, 其作用是防止高温生成物中 NOx 等酸性氧化物对炉壳的腐蚀。当采用双层喷涂料时,隔热喷涂料靠钢壳喷涂,然后再 21

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喷涂耐酸或耐火涂料。热风炉用喷涂料的性能见表 5~4. 目 前 国 产 FN—130 喷 涂 料 在 理 化 性 能 和 施 工 性 能 上 均 达 到 或 超 过 日 本 的 CN—130G 喷涂料,且价格只有其 1/7.先已有 50 余座高炉应用。另外,国产 MS 耐酸 质喷涂料也全面达到了日方 MIX—387 指标,价格不到其 1/3,其主要性能见表 5-5。 我国内燃式热风炉炉衬和格子砖普遍采用高铝砖和豁粘土砖砌筑; 外燃式热风炉, 高温部分一般采用硅砖砌筑,中低温部位则依次用高铝砖和豁粘土砖砌筑。 美国热风炉高温部位一般采用硅砖砌筑,蓄热室上部温度高于 1420℃的部位采用 抗碱性强、导热性好和蓄热量大的方镁石格子砖。日本热风炉用砖处理得比较细致, 不同部位选用不同的耐火砖,同时还考虑到耐火材料的高温蠕变性能。热风炉寿命可 达到 15~20 年。 热风炉选用耐火材料主要依据炉内温度分布,通常下不采用粘土砖,中不采用高 铝砖,上部高温区为耐高温、抗蠕变的材质如硅砖、低蠕变高铝砖等。我国几座典型 热风炉选用的耐火材料见表 5-6。 热风炉常用耐火材料性能及使用部位见表 5-1。 表 5-1
材料 使用 部位 硅砖 热风炉 上部 高铝 砖 热风炉 上部 20~24 72~77 26~30 62~70 35~43 50~60 粘土砖 蓄热室 中下部 约 52 约 58 约 42 约 37 0.3~0.7 0.8~1.5 1.0~1.8 约 1.8 约 1.8 化学成分/﹪

热风炉常用耐火材料性能及使用部位
抗蠕变 显气孔 体积密度 重烧线 率/﹪ 耐压强 耐火度/℃ 17 10~1750 1820~1850 1810~1850 1780~1810 1550 1350~1450 1270~1320 17~20 2.5~2.7 1350℃ 58.8~98.0 温度/℃ 1550 收缩率/﹪ 度/ MPa 39.2~49.0

SiO 2

Al 2 O3

Fe2 O3

g cm3

90~97 0.4~0.6 1~2.2

16~18 1.8~1.9

16~22 2.4~2.6 时 0~-0.3 53.9~98.0 18~24 2.1~2.4 0~-0.5 0~-0.5 39.2~88.0

1750~1800 1700~1750

1250 1150

16~20 2.1~2.2 1400℃ 18~24 2.0~2.1 0~0.5 1350℃ 0~0.5

29.4~49.0 24.5~44.0

半硅砖

蓄热室, 燃烧室

约 75 约 22

约 1.0

1650~1700

25~27 1.9~2.0 1450℃ 时 0~1.0

19.6~39.0

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表 5-2
国家 牌号 耐火度 /℃ 假密度 g/cm
3

热风炉硅砖的性能
前苏 德国 黑硅砖 硅砖 荷兰 捷克斯 洛伐克 联

中国 鞍钢 黑畸

日本

SIH

Hariman S21 >1710 <2.35

SW1 SW2 Meltham A

B

AB

1710 1710

1730

1680 <2.36 2.34~ 2.35 2.39 1.85

1710

≥1690

2.36 2.31

2.31~ 2.33

2.39

2.32

2.39

体积密 度 g/cm 耐压强 度 MPa
3

1.87

1.83

1.7~ 1.9

1.85

1.85

1.78

1.85

33.3 44.1

39.2~ 50.0 58.8

>29.4 <23

>24.5 >29.4 18~22 21 23

29.3~ 28.0

30.0~27.5

显气孔率 21 /﹪

22

19~ 23

20

22

22.5

22.4

19.6 ≤ 21/24

荷重软化 1670 1620 点/℃ 线膨胀率 1.27 1.25 /﹪1000℃时 重烧线 收缩率/﹪ 1500℃ 蠕变率/﹪
SiO 化学成分/﹪ 2 93.02
Al2 O3 Fe2 O3

>1630 1640~ 1660 1.15~ 1.3 1.25 1200℃

1660

1650~ 1670 1670 1670

≥1620

1.4 800℃ 0.2 0.35 1.30

1.26

0

0.2~0

1500℃ 1550℃ 0.5 94.5 1.10 1.20 0.1 94~96

1550℃ 0~1.0 95.7

1550℃ <0.2 >94 <2.0 约2 >94

1350℃ 1350℃ 0.1 93 0.1 >94 95.6 0.7 0.7 95.6 0.51 0.86 95.88 ≤93 0.46 0.74 >2.0

0.45 1.36

0.6~0.8 1.10 0.5~1.2 1.30

0.5~1.0 0.3~1.5

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表 5-3
国家 产地或牌号 鞍钢 山东 中国

一些国家热风炉用高铝砖的性能
德国 唐山格砖 燃烧 室 格砖 合成莫 来石砖 硅线 石砖

唐山

耐火度/℃ 假密度 g/cm3 体积密度 g/cm3 显气孔率/﹪ 耐压强度 MPa 1.96× 10 Pa 下荷 重软化点/℃ 线膨胀率/﹪ 1500℃时 重烧线收缩率/﹪ 蠕变率/﹪ 1.96× 10 Pa 下 化学成分 /﹪
Al2 O3
5 5

1790

1770

1790 3.30 2.65 3.05 2.50 18 57.9 1640 3.21 2.5~2.7 14~19 2.45 19.7

12~15 58.8 1530~ 1610

19.2 111.1 1530

16~22

17~20

17 58.8

1530~ 1550

1550 1590



> 1700

0.85

1350℃ 0.8

0.2

0.2

0.2~0.3

0.1~0.3 1500℃ 0.15 1400℃ 0.4 72~76 23~24 67.1 30.2 0.4

73.5~75.0

71.3

73.~75.2

59.4~72.5

75

63

SiO2
Fe2 O3

1.4~1.7

1.9

1.5~1.8

0.4

1.0

0.2~0.7

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表 5-4 热风炉用喷涂料的性能
牌号 性能 假密度 g cm3 热导率/W/㎡.℃ 安全使用温度/℃ 1300℃时加热 3h 后的线变 化率/﹪ 耐火度 SK C 抗弯强度 / MPa 化 学成 分 / ﹪ 110℃干燥后 1300 热状态
Al2 O3

CN130 耐火 ≥1.7

CL130 隔热 ≤1.4 350℃时≤0.30

耐酸不定型耐火材料 耐酸

1300 ±0.1

1300 ±0.1

1300 ±0.1

≥20 ≥1530 ≥3.9 ≥0.29 ≥35 ≥1.96 ≥0.29

≥20 ≥1530 ≥1.47 酸处理后>0.98 ≥35

表 5-5 国产 MS-1 耐酸质喷涂料与日本产 MIX-687 性能对比
牌号 线变化率/﹪ 耐火度 110℃ 1300℃ 烧后 MIX-687 ±0.4 -0.4~ MS-1 0 -0.25 ±1.0 -0.4 -0.17~ -0.93 ≥1530 >1530 1730~ 1770 2.35~ 2.4 /℃ 1300℃ 烧后容 重/g.cm-3 ≥1.47 1.47~ 1.96 6.86~ 10.78 6.17~ 7.06 110℃ 酸处理 后 ≥0.98 ≥35 40~ 50 60~ 65 0.19~ 0.31 ≤0.5 ≤0.5 日方指标 日方自检 武汉冶建 所检验 Al2O3 CaO 备注 抗折强度/ MPa 化学成分/﹪

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表 5-6 我国几座典型热风炉选用的耐火材料
高炉 拱顶 宝钢 2 号 蠕变率< 0.8﹪硅砖 宝钢 3 号 蠕变率< 0.8﹪硅砖 重钢 5 号 攀钢 4 号 武钢新 3 号 首钢 2 号 高铝砖 首钢 4 号

蠕变率< 高密度硅砖 低 蠕 变 率 高 铝 砖 莫来石-硅线 0.5﹪高铝 砖 (莫来石 -硅线 石 石砖 砖) 高密度硅砖 低蠕变率高 铝砖 莫来石-硅线 石砖 高铝砖 黏土砖 低蠕变率高 铝砖 高铝砖 黏土砖

蓄热室大墙上 硅砖 部 蓄热室大墙 中部 蓄热室大墙 下部 格子砖上部 硅砖 黏土砖 高炉转

硅砖

高铝砖

高铝砖

高铝砖 黏土砖 硅砖

高铝砖 黏土砖 高铝砖

高铝砖 黏土砖 蠕变率 <1.5﹪

低蠕变率高 高铝砖 铝砖 黏土砖 黏土砖

高密度硅砖 低蠕变率高 铝砖 低蠕变硅线 石砖 黏土砖 莫来石砖 黏土砖 高铝砖 黏土砖

格子砖中部 格子砖下部 燃烧室隔 墙中上部 燃烧室隔墙 下部 陶瓷燃烧器 材料 设计风温/℃

高铝砖 黏土砖 硅砖 高铝砖 上部青石砖 下部黏土砖 1200~ 1250

高铝砖 黏土砖 硅砖 高铝砖 上部青石砖 下部黏土砖 1200~ 1250

高铝砖 黏土砖 高铝砖 高铝砖 磷酸盐

高铝砖 黏土砖 高铝砖 高铝砖 磷酸盐耐

耐热混泥土 热混泥土 1200 1200 1200

4 个短焰燃烧 3 个短焰燃烧 器 器 1100~1150 1050~1100

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6 热风炉的热工计算
6.1 燃烧计算
煤气成分的确定如表 6-1[6]。 已知煤气的干成分% 表 6-1 已知煤气的干成分%
物质 成分/%

CO 2
10

CO
30

H2
1.5

CH 4
0.5

N2
58

共计 100

(1) 干煤气成分换算成湿煤气成分 若已知煤气的含水的体积百分数,用下式计算: V 湿=VF×(100-H2O)/100×100% 若已知干煤气含水的重量,则用下式计算: V 湿=VF×100/(100+0.124gH2O) ×100% 以上两个公式中: V湿 —湿煤气中各组分的体积百分含量,% VF —干煤气中各组分的体积含量,% H 2 O —湿煤气中含水体积, %
g H2 O —干煤气中含水的重量, g m3 (忽略机械水的含量)

(6-1)

(6-2)

查“空气及煤气的饱和水蒸气含量(气压 101325 Pa )表”知 30℃是煤气的饱和水含 量为 35.10 g m3 ,代入上面的(6-2)式计算得表 6-2。 表 6-2 煤气成分换算表
种类 干成分/% 湿成分/%

CO 2
10 9.6

CO
30 28.7

H2
1.5 1.4

CH 4
0.5 0.5

N2
58 55.6

H 2O

共计 100

4.2

100

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(2)煤气低发热量的计算: 设其中含可燃物成分的热效应如表 6-3[2]。 表 6-3 可然成分热效应 KJ
可燃成分 热效应

CO
126.36

H2
107.85

CH 4
358.81

C2 H 4
594.4

C2 H 6
643.55

C3 H 6
931.81

C 4 H10
1227.74

H 2S
233.66

煤气低发热量 QDW 的计算:
Q DW = 126.36CO + 107.85H 2 + 351.81CH 4 + 594.4C2 H 4 + … + 233.66H 2S KJ m3
= 126.36 × 28.7 + 107.85 × 1.4 + 358.81× 0.5 =3956.927 KJ m3

(3)焦炉煤气的加入量计算如表 6-4[6]。 表 6-4 焦炉煤气成分表
种类 成分/%

CO 2
3

CO
6.5

H2
58

CH 4
25

Cn H m
3.5

N2
4

共计 100

理论燃烧温度的计算: 取炉顶温度比热风温度高 200℃[1],燃烧温度比拱顶温度约高 80℃[1] 则 T理 =T风 +200+80=1480 ℃ 所要求的最低发热量:

T理 =0.158Q低 +770 Q低 = (T理 ? 770) 0.158 = 4494 KJ m3
加入焦炉煤气量: Q低 ≈ 17000到18500 KJ m3 , 取 Q低 焦 =17000 KJ m3 ) (
V = (Q 低 ? Q DW ) (Q 焦 低 ? Q QW ) ≈ 4 0 0

则煤气干成分加入量为:1-4﹪=96﹪ 则在混合成分中:

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VCO2 = 10 0 0 × 96 0 0 + 4 0 0 × 3 0 0 =9.72 0 0 VCO = 30 0 0 × 96 0 0 + 4 0 0 × 6.5 0 0 = 29.06 0 0 VH 2 = 1.5 0 0 × 96 0 0 + 4 0 0 × 58 0 0 = 3.76 0 0 VCH 4 = 0.5 0 0 × 96 0 0 + 4 0 0 × 25 0 0 = 1.48 0 0 VN2 = 58 0 0 × 96 0 0 + 4 0 0 × 4 0 0 = 55.84 0 0 VCn H m = 4 0 0 × 3.5 0 0 = 0.41 0 0

换算成混合湿煤气成分:
V湿 CO2 = VFCO2 × 100 (100+0.124g H2 O ) × 100 0 0 =9.31 0 0 V湿 CO = VFCO × 100 (100+0.124g H2 O ) × 100 0 0 =27.84 0 0 V湿 H = VFH 2 × 100 (100+0.124g H2 O ) × 100 0 0 =3.60 0 0 2 V湿 CH4 = VFCH4 ×100 (100+0.124g H2 O ) × 100 0 0 =1.42 0 0 V湿 N 2 = VFN2 × 100 (100+0.124g H 2O ) × 100 0 0 =53.49 0 0 V湿 Cn H m = VFCn Hm × 100 (100+0.124g H 2O ) × 100 0 0 =0.134 0 0

混合煤气成分如表 6-5。 则混合煤气成分整理表如下: 表 6-5 则混合煤气成分整理表如下:
种类

CO 2

CO
29.06 27.84

H2
3.76 3.60

CH 4
1.48 1.42

Cn H m
0.14 0.134

N2
55.84 53.49

H 2O

共计 100

干成分/% 9.72 湿成分/% 9.31

4.206

100

煤气低发热量的计算:
Q DW = 126.36CO + 107.85H 2 + 351.81CH 4 + 594.4C2 H 4 + … + 233.66H 2S KJ m3

= 126.36 × 27.84 + 107.85 × 3.60 + 358.81×1.42 + 594.4 × 0.134
=4495.282 KJ m3 (为了简化计算,式中将 Cn H m 全部简化看成 C 2 H 4 来计算) (4) 空气需要量和燃烧生成物的计算: 1)空气利用系数 b空 = L a L 0 ,燃烧混合煤气 b空为1.1到1.15 ,计算中取 1.10[1],

计算如表 6-6。

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表 6-6 燃烧产物体积
100 m 组成
3

需氧气 反应式 体积 m
3

煤气煤气 湿气体 积含量

生成物的体积? m

3

O2

CO2

H 2O

N2

合计

CO 2

9.31

CO 2 → CO 2
1 CO + O 2 → CO 2 2 1 H2 + O2 → H2O 2 CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O N2 → N2 H 2O → H 2O C2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
0.402 13.92

9.31

9.31

CO

27.84

27.84

27.84

H2 CH 4 N2 H 2O C2 H 4

3.60 1.42 53.49 4.206 0.134

1.8 2.84 1.42

3.6 2.84 53.49 4.206 0.268 0.268

3.6 4.26 53.49 4.206 0.536

当 b a = 1.0 时,空气带入的 当 b a = 1.10 时过剩空气带入的 生成物总量( m 3 ) 生成物成分(%)

18.962 1.90 1.90 1.90 0.98 38.838 20.00 10.914 5.61

81.038 8.1 142.628 73.41

81.038 8.1 194.28 100

(为了简化计算,式中将 Cn H m 全部简化成 C 2 H 4 来计算)
2)燃烧 1 m 3 高炉煤气的理论空气量 L 0 为: L 0 = 18.962 ÷ 21 = 0.903m 3)实际空气需要量 L n 为:
L n = 1.10 × 0.903 = 0.993m 3
3

4)燃烧 1 m 3 高炉煤气的实际生成物量 V产 为: V产 =1.94m3

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5)助燃空气显热 Q 为:

Q空 =C空 × t 空 × L0 C空 = 1.302 t 空 = 20 L0 = 0.903m
3

Q空 = 1.302 × 20 × 0.903 = 23.51kg m3
式中 C空 —助燃空气 t 空 时的平均热焓, KJ (m3 . ° C) t 空 —助燃空气温度,℃ 6)煤气显热 Q煤 为:
Q煤 =C煤 × t 煤 × 1 C煤 = 1.357 t 煤 = 30 Q煤 =1.357 × 30 × 1=40.71kg m 3

式中 C煤 —煤气 t 煤 的平均热容, KJ (m3 . ° C)
t 煤 —煤气温度,℃

7)生成物热量 Q产 为:Q 产=(Q 空+Q 燃+QDW)/燃烧 1m3 煤气的生成物体积 =(23.51+40.71+4495.282)/1.94 =2350.36KJ/m3

(5) 理论燃烧温度的计算
t 理 = Q空 +Q煤 + Q DW ) V产 C产 (

式中 t 理 —理论燃烧温度,℃
C产 —燃烧产物在 t 理 是的平均热容, KJ (m3 . ° C)

由 于 C产 的 数 值 取 决 于 t 理 , 须 利 用 已 知 的 Q产 用 迭 代 法 和 内 插 法 求 得 t 理 , 其过程如下 燃烧生成物在某温度下的 Q产 ,用下式计算: Qt 产=WtCO2×VCO2+ WtH2O×VH2O+ WtO2 ×VO2+ WtN2×VN2 KJ/m3 31

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式中:WtCO2,WtH2O,WtO2,WtN2 分别为气体 CO2,H2O,O2,N2 在压力为 101 KPa ,温度为 t℃ 是的焓值, 。可以从附表中查得; VCO2,VH2O,VO2,VN2 分别为没立方米生成物中该气体的 含 量 , m3 。 先 设 理 论 燃 烧 温 度 为 1200 ℃ , 1300 ℃ , 1400 ℃ , 1500 ℃ , 查 表 得 CO2 , H 2O , O 2 , N 2 在各温度下得焓值,如表 6-7[1]所示。 表 6-7 CO2、H2O、O2、N2 在各温度下得焓值 、
温度/℃ 1200 1300 1400 1500
t WCO2 t WH2 O

W t O2
1804.0 1907.13 2129 2295.3

t WN2

2720.8 2991.13 3276 3522

2120.4 2328.0 2540 2755.7

1724.5 1882.09 2012 2200.1

根据生成物成分表,分别计算出各个温度的生成物热量 Qt 产如表 6-8。 在各个温度的生成物热量 表 6-8 CO2、H2O、O2、N2 在各个温度的生成物热量 Qt 产 、
温度/℃ 1200 1300 1400 1500

Q t CO2
544.16 598.23 655.2 704.4

Q t H2 O
118.95 130.60 142.49 154.59

Q t O2
17.68 18.69 20.86 22.49

Q t N2
1265.96 1381.64 1477.01 1615.09

Qt 产
1946.75 2129.16 2295.56 2496.57

上述生成物的实际热量 Q产 为 2350.26 KJ m 3 。 可以见其理论燃烧温度介于 1400℃到 1500℃之间,按内插法求得理论燃烧温度 t 理为:
t 理 = 1400 + (2350.26 ? 2295.56) × 100 (2496.57 ? 2295.56) = 1400 + 27 ≈ 1427 ° C

6.2 简易计算
已知:高炉的有效容积为 4000 m 3 ,每立方米高溶剂应具有加热面积取 85 m 3 ( 一般为 80~90 m )[3], n = 4 座。
3

(1)热风炉的全部加热面积为:85 × 4000 = 340000m 3 ,设燃烧室及炉顶所占加热面 积为: 340000 × 0.5 = 1700m 3 则每座热风炉蓄热室加热面积为: (340000 ? 1700) 4 = 84575m 3

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(2)选取热风炉蓄热室的外壳直径为 10100mm[8], 炉壳及炉墙的钢板和耐火材料的厚度如表 6-9。 表 6-9 炉墙耐火材料及炉壳厚度[12]
种类 尺寸(mm) 钢板厚度 15 绝热砖厚 65 填料层 80 耐热砖层 345

蓄热室的内直径为: 10100 ? (15 + 65 + 80 + 345) × 2 = 9090m 蓄热室炉墙内空横断面面积如表 6-10[12]。 孔格子砖及其 及其尺寸 表 6-10 选取传统 7 孔格子砖及其尺寸
名称 尺寸 加热面积 A m /m
2 3

活面积 ? m /m
2 2

填充系数 m /m
3 3

当量厚度 mm 31.1

流体直径φ/mm

38.06

0.409

0.591

43

一立方米格子砖中专所占有的体积为 1 ? ? = 0.591m3 m3 则一米高的格子砖的加热面积为: 1× 38.06 × 64.86 = 2468.57m 2 蓄热室格子砖的总高度为:
84575 =34.26m 2468.57 D 燃=6100mm[8]

(3)选取燃烧室的外壳直径为:

炉壳及炉墙的耐火材料的厚度如表 6-11[12]。 表 6-11 炉壳及炉墙的耐火材料的厚度
名称 物质 尺寸/mm 炉壳 钢板 17 绝热层 硅酸铝耐火纤维 65 填料层 干水渣填料 80 绝热层 硅酸铝耐火纤维 65 大墙 高铝砖 573

6100 ? 2 × (17 + 65 + 80+65 + 573) = 4500mm = 4.5m
则燃烧室内径为:

F燃 内 =

π × 4.52
4

=15.90m 2

燃烧室选取苹果型(复合型) ,按经验去其图中半圆部分的面积占燃烧室断面积的
1 π R 2 = 15.90 × 0.58 = 9.222m 2 2 58 0 0 ,计算出半圆的半径 R(m)为: R = 2.42m
取 R = 1.4m
`

1 1 校核燃烧室的断面积为: F燃 内 = π × 2.42 2 + π × 1.42 +1.4 × 2 2.42-1.4) 15.13m 2 = ( 2 2

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(4) 选用宝钢 7 孔格子砖,格子砖外形尺寸:221.7×256 mm 一个七孔砖的面积: (0.256-0.064)×0.2217=0.0425664 m 2 蓄热室一层格孔砖数:64.86÷0.0425664=1526(块) 单个格子砖断面孔数为 12 个,蓄热室断面上总格孔数:1526×12=18312(个) 格子砖高度: (上面一算出蓄热室格子砖的总高度为:
(5) 84575 =34.26m ) 2468.57

高炉入炉风量的计算:
qv=VU.Iqj/1440 (m3/min)

式中 VU , I. , q j , q V 分别为高炉的有效容积,高炉冶炼强度,每吨干焦的干风耗 风量(一般为 2604~2750 m3 t )[1],高炉入炉风量。 设计当中我取 q j = 2605 m3 t
(6) 其他尺寸: 1)拱顶厚度的确定如表 6-12[8]。

则 q V = 7960 m3 min

拱顶的尺寸/mm 表 6-12 拱顶的尺寸
名称 尺寸 钢壳 耐酸喷涂料 硅酸铝耐火纤维 20 60 50×2 硅藻土砖 65 轻质粘土,高铝砖 228 高密度高铝砖 345

2)截锥用耐火材料总厚度为:830mm[7] 3)截椎体的锥角为:60°[9] 4)蓄热室不同部位的直径(半径)如表 6-13。

蓄热室不同部位的直径(半径) 表 6-13 蓄热室不同部位的直径(半径)
名称 尺寸/mm D外 10100 D内 9090 D 拱顶 5050 R 拱内 3355 R 拱外 4173

5)两室间的联络段尺寸如表 6-14[10]。

表 6-14 联络段尺寸
名称 尺寸/mm 两室中心距 10500 联络段内径 3672.5 联络段壁厚 783

6)燃烧室不同段的直径如表 6-15。

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表 6-15 燃烧段不同段的直径
名称 尺寸/mm 燃烧室总高 36910 燃烧室外径 6100 燃烧室内径 4500 燃烧室底高 1400 燃烧室大墙高 28927

7) 管道直径的确定: 根据第四章的参数,可以得出各管道的直径,如表 6-16[9]。 管道直径如下表: 表 6-16 管道直径如下表:
名称 尺寸/mm 烟道直径 2000 热风总管直径 2040 空气入口直径 1800 煤气入口直径 1700

格子砖上缘到截锥顶砌砖的中心距离 4375mm,拱顶的内径半径为 3355mm,炉顶 钢板厚 20mm,炉底钢板厚 25mm,截锥顶到球顶砌砖中心距离为 6785mm,支柱及炉 箅子的总高度为 2900mm,底板矾土水泥层 450mm,拱顶钢壳到耐火材料内侧的厚度 为 818mm。 8)蓄热室的不同部位的高度如表 6-17[7]。 蓄热室不同部位的高度/mm 表 6-17 蓄热室不同部位的高度
名称 尺寸 炉箅子 +支柱 2900[9] 底板厚 底板矾 度 25[1] 土水泥 450[1] 格子砖 总高度 34260 截锥高 度 4375 截锥顶到球顶 砌砖中心距离 6785 3355 818 拱顶内径 拱顶厚度

则蓄热室的全高为:
H 全 =2.9+0.025+0.45+34.26+4.373+6.785+3.355+0.818

=52.968m
核检: H/D= 52.968 10.1 = 5.24 它在 4~5.5[2]之间,是稳定的。 高径比 5.25)

(附:湘钢 1 号高炉热风炉 H=40.988

6.3 砖量计算
(1)有以上条件可知: 七孔砖厚:150mm[1] 34.26÷0.15=228(层) 则总砖量为:228×1526=348539(块) (2)蓄热室砖量计算:

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蓄热室大墙高度=全高-内径半径-炉顶钢板后-炉顶砌砖厚度-膨胀缝-找水平泥层炉底钢板厚度 大墙高度=52968-4375-6785-3355-818-25-450-25=37.135m 采用 G-2、G-4 相配合,砖厚 C=75mm[12] 则总层数=37.135÷0.075=495(层) 一层耐火砖用量: 楔形砖:X= π ×2a/(b- b1 )= π ×2×345/(150-125)=87(块) 直形砖:y=( π d- b1 X)/b=( π ×9.09-0.125×87)/0.15=118(块) 则总砖量: (87+118)×495=101475(块) (3)燃烧室的转量计算: 燃烧室炉底的总高为:1400mm 拱顶的形状基本和蓄热室相同 燃烧室大墙高度=36910-2410-3355-818-1400=28.927m 采用 G-2、G-4 相配合,砖厚 C=75mm 则总层数=28.927÷0.075=386(层) 一层耐火砖用量: 楔形砖:X= π ×2a/(b- b1 )= π ×2×345/(150-125)=87(块) 直形砖:y=( π d- b1 X)/b=( π ×4.5-0.125×87)/0.15=22(块) 则总砖量: (87+22)×386=42074(块) (4)则设计总砖量为:143549(块)

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7 参考文献
[ 1 ] 万新, 《炼铁厂设计原理》 ,冶金工程出版社,2009 [ 2 ] 张树勋, 《钢铁厂设计原理》 (上册) ,冶金工程出版社,2003 [ 3 ] 万真雅,薛立基, 《钢铁冶金设计原理》 (上册),重庆大学出版社,1992.6 [ 4 ] 周传典, 《高炉炼铁生产技术手册》 ,冶金工程出版社,2002.8 [ 5 ] 项钟庸,郭庆等编著, 《蓄热室热风炉》 ,冶金工程出版社,1988 [ 6] 程琳,伍积明编著, 《太钢 4350 m 3 高炉热风炉的设计》 ,中冶赛迪工程技术股份有 限公司,2006.4 [ 7 ] 《热风炉高风温送风技术》 [ 8 ] 《马钢 4000 m 3 高炉热风炉主要技术性能,热工及结构参数》 [ 9 ] 李益明, 《大型外燃式热风炉高风温技术研究》 ,鞍钢科技大学,2005.6 [10] 陈维汉,刘世聚, 《关于热风炉重要设计与运行参数的讨论》 [11] 胡秀和 , 《高效节能热风炉设计与计算》 [12] 唐兴智, 《热风炉炉顶内衬结构形式探究》 [13] 《高炉热风炉系统设计》

37

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