高炉设计优化：实现卓越性能与长寿命的关键

高炉设计概述

高炉（BF）设计在其可靠运行、冶金性能、持续高产和长炉龄中起根本作用。

现代高炉设计通常基于独立单元概念，周围建筑结构提供炉子通道并支撑高炉煤气系统。高炉设计须优化料气流，考虑整个炉龄潜在原料和操作条件。

高炉设计须整合炉壳、冷却元件和耐火衬里性能，确保高炉复合体均衡运行。各带选用合适耐火材料和冷却系统对高炉成功、经济、安全运行至关重要。

高炉集成设备

高炉平稳运行所需所有设备须在设计中集成。主要设备：顶部装料设备、铸铁场设备（泥炮、钻眼机、铁沟盖操纵器、铁渣倾斜溜槽、换棒机、塞渣钻机等）、风口座、各类阀门（热风阀、放散阀、放气阀、平衡/安全阀、流量控制阀、隔离阀等）、各类探针（料面上温度探针、料面下气体探针等）、机械料面记录仪、可动/固定喉部护甲、料面点火枪、料面仪等。

高炉设计应采用在高炉恶劣环境下有可靠性、耐久性、高性能声誉的设备。

现代高炉操作相当复杂，需必要自动化控制设备监控各控制参数。这对实现现代高炉预期高产至关重要。

高炉设计还应支持快速准确施工。

高炉型式

高炉型式为复杂构型，由圆筒和截锥连接组成，含数个带：炉底、炉腹、炉腰、炉身。炉身分下炉身和上炉身。炉底有液态金属死料层称“死料区”。各带均有炉壳、冷却元件和耐火材料。炉子工作型式在一定衬里磨损后确立。各带内发生不同理化过程。各带尺寸比随炉子有效体积变化但通常在可接受范围内。

中大型高炉总高与炉腹直径比随有效体积1000-5500 m³增加从~3降至2.00。炉腹直径与炉底直径比通常1.09-1.13（理想1.05-1.10）。炉顶直径与炉腹直径比通常0.62-0.71。

同样，中大型高炉各带高度随有效体积变化但通常在范围内。死料层高度600-1700 mm。炉底高度随有效体积增加，3200-5700 mm。炉腹高度通常3000-4000 mm。炉腰高度最小，通常2000-3000 mm。炉身高度最大，通常15-20.7 m。炉身上部圆筒段高度2.5-3 m。炉子总高26-36 m。有效高度（除炉身上部圆筒段）通常23-33.5 m。

炉身与炉腰夹角、炉腹与炉腰夹角为重要参数，通常分别在82.5-85.5°和79.2-80.5°范围。

炉子有效高度取决于可用焦炭质量（强度）。考虑正常焦炭强度，33.5 m高度近实用极限。故增大有效体积须通过增加炉子横截面尺寸、保持高度基本不变实现。即降低总高/炉腹径比。也意味着降低炉身与炉腰夹角。该夹角可降低到不阻碍料随温升线性膨胀程度。

炉底横截面积取决于碳燃烧强度。即炉焦（高炉焦、豆焦）和辅助燃料含碳量，由每日总燃料碳输入量除以炉体积决定。

随炉径增加，需相应增加热风压力确保炉子中心工作。这要求炉顶更高压力以维持炉内合理压差保证料柱顺畅下降。

高炉风口数通常为中小型炉炉底直径2倍，随炉体积增加超过2倍炉底直径。

几座俄罗斯高炉设计型式见图1。

图1 俄罗斯高炉设计型式

高炉各带特性

高炉各带特性重要，设计时须考虑。特性如下：

• 死料区——液态冶炼产物和炉气高温高压
• 炉底带——高环境温度、液态冶炼产物连续运动、产物化学活性、气体压力和化学活性、水分进入炉底
• 炉腹下部——高环境温度、装料/气体/渣/铁水连续运动、渣化学活性、装料和气体压力
• 炉腹上部——装料和气体连续运动、锌（Zn）和碱金属化合物作用、高温
• 炉身下半部——装料和气体连续运动、Zn、碱金属化合物作用、高温
• 炉身上半部——气体和装料连续运动、烟炭和Zn作用

高炉耐火材料设计须照顾各带上述工况。

热风在炉底与炉腹交界处进入炉子，形成焦炭燃烧区。焦炭碳燃烧在炉底有限体积内进行。此过程最强烈阶段产生大部分热量集中在炉壁附近。炉底焦炭燃烧区下方区域温度边缘1500-1650℃，与该部分积累铁水渣量及过境时间有关。但边缘温度比中心略低，因底部冷却效应。

离开炉底风口区的气体温度高达2000℃，而炉腹上下降料约500℃甚至更低。此差异导致该区域强烈传热，伴随剧烈温度变化。炉腹上部和炉身无法实现如此强烈加热，因所有可用能量用于直接还原。结果，高度方向温度在炉身下部比炉腹变化小。强烈加热上部区域在炉身圆筒顶底部及炉身上方。装入炉子物料约30℃，逆流上升炉气温度高出许多倍。

炉底和高炉其他部分，气体温度从壁向中心降低100-250℃。

增加炉底和炉腹水平尺寸将气体最大速度向炉中心位移，降低边缘区气体速度。结果该区温度下降连同炉底气体对衬里影响减弱。

此外，为高炉顺利生产，外围设备设施设计和产能须匹配高炉要求并集成。主要外围设备设施：高炉原料处理供应装料设施、鼓风机和热风炉供应适当温度压力热风、高炉煤气处理净化设施、铸铁场排放铁水液渣、铁水处理设施、液渣造粒处理、水处理设施。