高炉本体（2）
高炉本体包括高炉基础、钢结构、炉村、冷却装置，以及高炉炉型设计计算等。高炉的大小以高炉有效容积（V有）表示；高炉有效容积和座数表明高炉车间的规模，高炉有效容积和炉型是高炉本体设计的基础。近代高炉有效容积向大型化发展。目前，世界大型高炉有效容积已达到5000m3级，而炉型设计则向着大型横向发展，H有／D值已近2.0左右。高炉本体结构的设计以及是否先进合理是实现优质、低耗、高产、长寿的先决条件，也是高炉辅助系统装置的设计和选型的依据。高炉炉衬用耐火材料，已由单一的陶瓷质耐火材料，普遍地过渡到陶瓷质和碳质耐火材料综合结构，也有采用高纯度Al2O3的刚玉砖和碳化硅砖；高炉冷却设备器件结构亦在不断改进，软水冷却、纯水冷却在逐渐扩大其使用范围。由于炉体综合设计水平的提高，强化高炉炉龄已可望达到十年或更长。高炉本体结构及其设计是高炉车间设计首先要解决的关键所在，必须慎重对待。
5.1高炉炉型
高炉是竖炉。高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或称高炉内型。高炉问世二百多年来，随着人们对产量的要求和原料燃料条件的改善，以及鼓风能力的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展。
高炉冶炼的实质是上升的煤气流和下降炉料之间所进行的传热传质过程，因此必须提供燃料燃烧所必须的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空间。炉型要适应原料燃料条件，保证冶炼过程的顺行。
5.1.1炉型的发展过程
图5－l所示原始形高炉炉型，由于当时工业不发达，高炉冶炼以人力、蓄力、风力、水力鼓风，鼓风能力很弱，为了保证整个炉缸载面获得高温，炉缸直径很小；冶炼以木炭或无烟煤为燃料，机械强度很低，为了避免在高炉下部压 碎而影响料柱透气性，故原始高炉高度很小；为了人力装料方便并能够将炉料装到炉喉中心，炉喉直径也很小，而大的炉腰直径减小了烟气外流速度，延长了烟气在炉内停留时间，起到切住炉内热量的作用。因此，炉缸和炉喉直径小，炉身下部炉腹直径大，高度小等等，是各国原始高炉炉型的共同特点。
19世纪末叶，由于蒸汽鼓风机和焦炭的使用，炉顶装料装置逐步实现机械化，高炉内型趋向于扩大炉缸炉喉直径，并向高度方向发展，逐渐形成近代五段式高炉炉型。最初的五段式炉型，由于受德国的L．格留汉尔思想的影响，基本上是瘦长型；德国、美国高炉有段时间炉型都是瘦长型，由于冶炼效果并木理想，相对高度又逐渐有所降低。
近代高炉，由于鼓风机能力进一步提高，原料燃料处理更加精细，高炉炉型向着“大型横向”发展。
50年代美国、英国大型高炉有效容积为12O0m’以下，有效高度（H有）与炉腰直径（D）之比均 3·2～3· 6；到 1981年全世界超过4000m3高炉已有20余座，它们的有效高度与炉腰直径之比为1．92～2．2。近代高炉炉型见图3－2。
5.1.2五段式高炉炉型
五段式高炉炉型见图5－3
（1）高炉有效容积和有效高度。高炉大钟下降位置的下线到铁口中心线间的距离称为高炉有效高度（H有），对于无钟炉顶为流槽最低位置的下线到铁口中心线之间距离；在有效高度范围内，炉型所包括的空间称为高炉有效容积（Vu）。我国曾对炉容做过系列设计，并习惯地规定，Vu＜100m3为小型高炉，Vu一255～620m3为中型高炉，Vu＞620m3为大型高炉，所以把高炉分为大、中、小型是因为每种类型炉容，在设计上其某些参数的选取有共同之处。近代的Vu＞4000m3的高炉可谓巨型高炉了，其设计参数的选取与一般大型高炉亦有差别。
高炉的有效高度，对高炉内煤气与炉料之间传热传质过程亦有重大影响，增加有效高度，在相同的炉容和冶炼强度的条件下，煤气流速和与炉料接触机会增加，有利于改善传热传质过程，有利于降低燃料消耗量；但过分增加有效高度，料柱有效重量并不成比例增加，但对煤气的阻力却成比例增加，容易形成料拱，对炉料下降不利，甚至破坏高炉顺行。高炉有效高度应适应原料燃料条件，诸如原料燃料强度、粒度及其均匀性等。冶炼实践得到，高炉有效高度与有效容积有一定关系，但不是直线关系，当有效容积增加到一定值后，有效高度的增加已不显著，统计得到图5-4所示曲线。
炉腰直径（D）与有效高度（H）之比（Hu/D）是表示高炉“矮胖”或“细长”的一个重要设计指标，在我国大型高炉Hu/D=2.5~3.1，中型高炉为2.9~3.5小型高炉为3.7~4.5，随着有效容积的增加，这一比值在逐渐降低，上海宝钢1号高炉有效容积4063m3, Hu/D=2.19,日本福山高炉有效容积4617 m3 ，Hu/D=1.92.
（2）炉缸。高炉炉型下部圆筒部分为炉缸，炉缸的上、中、下部位分别装有风口、渣口、铁口。炉缸下部容积盛装液态渣铁，上部空间为风口的燃烧带。炉缸直径（d），截面积（A）应能保证一定数量的焦炭和喷吹燃料的燃烧，炉缸界面燃烧强度（t/m2h）是高炉冶炼一个重要标志。燃料的燃烧强度，我国强化高炉曾达到过1.5 t/（m2h）,目前为1.0~1.25 t/（m2h），国外高炉一般为1.0 t/（m2h）左右
炉缸高度的确定，包括渣口高度（hz），风口高度（hf）的确定，以及风口安装尺寸（a）的确定。
铁口位于炉缸下水平面，铁口的数量依炉容或产量而定，一般Vu1000m3以下的高炉设置一个铁口；Vu1500~3000 m3，设置2~3个铁口；3000 m3以下的高炉设置3~4个铁口；或以每个铁口日出铁量1500~3000t设置铁口数量。原则上说，出铁口数量去上限，有利于高炉冶炼的强度。
渣口与铁口中心线的距离称为渣口高度（hz），它取决于原料条件，即渣量的大小。渣口过高，下渣量增加，对维护铁口不利；渣口过低，渣中易带铁，而易损坏渣口；大、中形高炉渣口高度多为1.5~1.7.
渣口高度的确定，还可以参展下式计算：
(5 — 1)
（5 — 2）
(5 — 3)
式中 h铁——两次出铁口之间，铁水面最大高度，m；
P——生铁产量，t；
b——生铁产量波动系数，一般取值1.2；
N——昼夜出铁次数；
——铁水密度，可取值7.1t/m3
c——渣口以下炉缸容积利用系数，一般为0.55~0.6，炉容大，渣量大取低值；
A——炉缸截面积，m3
d——炉缸直径，m。
小型高炉设置一个渣口，大中型高炉设置两个渣口，一般两个渣口高度差为100～200mm，也有设在一个水平面上的。渣口直径一般为
。当代巨型高炉设置多个铁口，而不设渣口；例如宝钢 4063m3高炉，设置 4个铁口，交替连续出铁而不设置渣口。
铁口与风口中心线间的距离为风口高度（hf），风口与渣口的高度差应能保障容纳上渣量和一定的燃烧空间。
（5 — 4）
式中 k——渣口高度与风口高度之比，一般k=0．5～0．6，渣量大取低值；
风口数目（n）主要取决于炉容大小，与炉缸直径成正比，还与预定的冶炼强度有关。风口数目多有利于减小风口间的“死料区”，改善煤气分布。确定风口数目有以下公式可供参考；
中小型高炉：
（5 — 5）
大型高炉：
（5 — 6）
4000m3左右巨型高炉：
（5 — 7）
式中 d —— 炉缸直径，m
风口数目亦可以用风口中心线在炉缸圆周上的距离s（m）计算：
（5 — 8）
取值于1.1～1.5之间，我国高炉设计曾经是小高炉取下限，大高炉取上限；日本设计的Vu4000m3以上巨型高炉，s取值1.1m3。s值取下限，增加风口数目，有利于高炉冶炼的强化。确定风口数目还应考虑到风口直径与入炉风速。风口数目一般取偶数。
表5－1列出国内外不同炉容风口数目与距离情况
风口直径由出口风速决定，一般风口出口标态风速为100m／s以上，当前设计的Vu4000m’左右巨型高炉，最高出口标志风速可达200m／s。风口直径亦可根据经验确定。
风口结构尺寸a取值0.35～0.5m，见表5－2。
表5－2不同容积高炉风口结构尺寸
炉缸高度，h1
（5 — 9）
铁口中心线到炉底砌砖表面之距离称死铁层厚度（h0），它的作用是防止渣铁、煤气对炉底的冲涮，稳定渣铁温度。中小型高炉h0取值 450～6O0mm，大高炉为 1000mm以上，由于冶炼不断强化，增加死铁层厚度，以便有效保护炉底，至关重要。Vu4000m3高炉，h0取值1.8~2.5mm
（3）炉腹。炉腹在炉缸上部，呈倒截圆锥形。炉腹的形状适应该部位炉料已熔化滴落而引起的物料体积的收缩，稳定下料速度。炉腹的存在对上部料柱而言，燃烧带向中心移动，可减弱煤气流的边缘效应，并使燃烧带处于炉喉边缘的下方，有利于松动炉料，促进冶炼顺行。燃烧带产生的煤气量近似为鼓风量的1.4倍，理论燃烧温度可达1800～2000C，气体体积 激烈膨胀，炉腹的存在适应这一变化。炉腹的结构尺寸是炉腹高度（h0）和炉腹角(a)。Vu1000m3以上大型高炉，炉腹高度取值3.0～3.6m，中小型高炉可以小些。炉腹过高，有可能炉料尚未熔融就进入收缩段，易造成难行和悬料；炉腹过低则可能减弱炉腹应有的作用。炉腹角a一般取值79o～83o，过大不利于煤气分布，过小使得炉腹部位对下降炉料阻力增加，不利于顺行。
（4）炉腰。炉腹上部的圆柱形空间是炉腰，是高炉炉型直径最大部位。炉腰处恰是冶炼的软熔带，炉料透气性在此处变坏，有炉腰存在扩大了该部位的横向空间，改善了通气条件。因此，当冶炼渣量大时，应适当扩大炉腰直径。
在炉型结构上，炉腰起着承上启下的作用，使得炉腹向炉身过渡来得平缓，减小死角。经验表明，炉腰高度（h3）对冶炼的影响不甚显著，设计一般取值于l～3m之间，炉容大向上取值；设计中亦可调整h3值修定炉容。
炉腰直径（D）与炉缸直径(d)和炉腹角（a）、炉腹高度（hz）几何相关，并决定下部炉型的结构特点。大型高炉D/d取值1.09～1.15，中型高炉1．15～1．25，小型高炉1.25～1.5。
（5）炉身。炉身呈正截圆锥型，向下扩张以适应往下运动的炉料，因温度升高所产生体积的膨胀，有利于减小炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。炉身高度(h4)占高炉有效高度的50～60％，保障了煤气与炉料之间传热和传质过程的进行。炉身角（
）对炉料下降和炉身部位煤气流分布有重要影响，炉身角取小值时有利于炉料下降，但易发展边缘煤气流，炉身角取大值时，有利于抑制边缘煤气流，但不利于炉料下降。
高炉炉型设计，炉身角取值于80.5o～85.5o之间。原料燃料条件好，炉身角可向大取值；相反，原料粉末多，燃料强度差，炉身角向下取值；高炉冶炼强度高，风口喷吹量大，炉身角取小值；一般大高炉炉身角取小值，小高炉取大值。Vu4000～5000m3高炉
角取值为81o30’左右，前苏联Vu5580m3高炉。角取值79o42’7”。
（6）炉喉。炉喉呈圆柱型，它的作用是承接炉料，稳定料面，保证炉料分布合理。炉喉直径（d1）与炉腰直径（D）、炉身角（
）、炉身高度（h4）几何相关，并决定了高炉上部炉型的结构特点。 d1／D取值于 0 .64～0. 73之间。
钟式炉顶装料装置，大钟直径（d0）与炉喉间隙（d1－d0）／2，对炉料堆尖在炉喉内的位置有较大影响。间隙小，堆尖靠近炉墙，可抑制边缘煤气流；间隙大，堆尖远离炉墙，易促使边缘煤气流发展。间隙大小应考虑到原料条件，矿石粉末多，适当扩大间隙。间隙取值大小还应考虑到
角大小，
角大，间隙值可取大些，
角小，间隙值可取小一些。我国钟式炉顶间隙值见表5—3.
表5－3 不同炉容的炉喉间隙
炉喉高度（h3）应能保证炉喉布料及其调节需要，一般为2~3m
5．1．3炉型设计与计算
高炉炉型设计的依据是单座高炉的生铁产量，由产量确定高炉有效容积。历史上曾有过将产量与有效高度直接联系起来，结果设计炉型都是依产量大小的相似形，这显然是不合理的；也曾有过以产量定炉缸截面积，在焦比一定的条件下，炉缸单位面积的燃烧强度，便可以确定某一合适的数值，这样做虽然有一定的道理，但并不全面。现在多数国家都是以产量和有效容积利用系数（
）来确定高炉有效容积，再以有效容积为基础，计算其他尺寸。
有关炉型的名词概念：
设计炉型——按照设计尺寸砌筑的炉型；
操作炉型——高炉投产后，工作一段时间，炉衬侵蚀，形状发生变化后的炉型；
合理炉型——冶炼效果较好，获得优质、低耗、高产和长寿的炉型，它具有时间性、相对性。
高炉冶炼是复杂的物理化学过程，设计的炉型必须适应冶炼过程的需要，设计炉型应能保证高炉一代获得稳定的较高的产量，优质的产品，较低的能耗和一代长寿。高炉在一代冶炼过程中，其炉衬不断浸蚀，炉型不断发生变化，炉型变化的程度和趋势与冶炼原料条件、操作制度有关，与炉村结构和耐火材料的性能有关，还与冷却装置结构及冷却制度有关。高炉冶炼实际上是长时间在操作炉型内进行。因此，掌握冶炼过程中炉型的变化及其趋势，对设计合理炉型非常重要。高炉大修设计，应对前一代高炉炉型做详细地调查和分析。新建厂矿高炉设计，必须分析原料燃料条件、设备条件和操作条件。
高炉炉型设计一般都采用经验数据和经验公式，它具有一定的局限性，不能生硬套用，应做具体分析和修正。介绍几种设计炉型方法。
（1）比较法。由给定的产量确定炉容，根据建厂的冶炼条件，寻找条件相似，炉容相近，各项生产技术指标较好的合理炉型做为设计的基础。首先确定几个主要设计参数，例如Hu、
D、d、a、
等，选择各部的比例关系做容积计算，并与已确定的炉容比较，经过几次修订参数和计算，确定认为较为合理的炉型。这种方法对于大修和扩建比较合适。
（2）计算法Ⅰ。炉型的计算法即经验数据的统计法，对一些经济技术指标比较先进的高炉的炉型进行分析和统计，得到炉型中某些主要尺寸与有效容积的关系式，以及各部尺寸间的关系式。计算时可选定某一关系式，算出某一主要尺寸，再由冶炼条件炉型各部尺寸间的关系式做炉型计算，然后按要求炉容校核修定后确定设计炉型。
下面介绍一些经验公式，可做为设计参考使用。
大型高炉：
（5 — 10）
（5 — 11）
中型高炉：
（5 — 12）
（5 — 13）
公式（5 — 10）、（5 — 11）适应于我国 50～70年代。Vu为 1000～2000m3高炉的基本情况。炉型偏高，横向尺寸偏小；公式（5 — 12）、（5 — 13）基本适应于我国50～60年代中小型高炉状况。随着原料条件的改善及其他冶炼条件的提高，高炉设计工作者应不断总结和对现有公式加以修正。随着富氧大喷吹技术的发展，高炉炉型的发展及设计，应该是值得研究的一项课题。
炉型计算例题：设计日产制钢铁P=4000t高炉一座。
1） 定容积：
选定
2） 炉缸尺寸：
炉缸直径：
取
炉缸高度：
A． 渣口高度：
取
（两个渣口）
B．风口高度：
取
C．风口尺寸：
取a=0.5m
3） 死铁层厚度：
取
4） 炉腰直径，炉腹角，炉腹高度：
选取 D/d=1.13
则 
取D=11m
取 
则 
取
校核
：
5）炉喉直径，炉喉高度，炉身角，炉身高度，炉腰高度：
选取 
则 
取
选取 
则 
取
=17m
校核
：
选取 
=2.3m
选取 
则 
取
求 
6）校核炉容：
误差
炉型见图 5 — 5
（3）计算法Ⅱ。包头钢铁设计研究院和青岛钢厂的人员，对国内外100多座近代大型和巨型高炉进行了分析和统计计算，推导出炉型计算公式：
（5 — 14）
（5 — 15）
（5 — 16）
（5 — 17）
（5 — 18）
（5 — 19）
（5 — 20）
（5 — 21）
（5 — 22）
按公式（5 — 14）至（5 — 22）对各级别炉容计算结果，其容积误差一般小于0.25%，
值如表5 — 4所示；对
炉容计算炉型见图5 — 6；计算得到的炉型基本符合近代大型高炉炉型尺寸结构，体现了近代高炉炉型横向发展的总趋势。但对不同容积的高炉计算得到的炉型将是相似型，没有有效地反应出高炉冶炼条件的差异，炉型应具有的特点。因此考虑到不同地区的高炉冶炼条件及特点，对计算得到的炉型可做合理的调整。
表5 — 4 不同炉容别的Hu／D值
国内外部分高炉炉型尺寸见表5－5，表5－6，表5－7。其中表5－7为我国中小型高炉通用设计炉型。小型高炉冶炼能耗高已为冶金界所共识，属于被淘汰之列，目前我国个别地区尚有少数小高炉在生产，而新建小型高炉实为少见，表5－7的数值其意义只在于它的历史性，仅供参阅。
表5－5我国部分高炉炉型尺寸
表5—7 我国通用设计高炉内型尺寸
5.2高炉炉衬
5.2.1炉村及其破损机理
按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体为高炉炉衬，炉衬的作用是形成高炉工作空间。高炉冶炼是高温下的复杂的物理化学过程，炉衬在冶炼过程中将受到侵蚀与破坏。炉衬被侵蚀到一定程度，需要中修或大修，停炉大修便是高炉一代寿命的终止。
高炉炉衬一般是以陶瓷质材料（包括粘土质和高铝质等）和碳质材料（炭砖、碳捣石墨
等）砌筑。炉衬的侵蚀和破坏与冶炼条件密切相关，各部位侵蚀破坏机理并不相同，研究炉村的破损机理与合理选择耐火材料及设计炉衬结构有重要关系。归纳起来，炉衬破损机理有如下几个方面：
（l）高温渣铁的渗透和侵蚀。在炉腰及炉腹部位形成熔融的铁渣，向下流动进入炉缸，渣中含有一定量的FeO和MnO以及自由CaO，特别是初渣中这些成分含量较高。渣中FeO、
MnO、CaO与砖中SIO。作用，形成低熔点化合物，使得砖衬表面软熔，在液态铁渣和煤气流的冲刷下而脱落，炉腹部位尤为严重，开炉不久便可以被侵蚀掉，而靠冷却壁上的渣皮工作。
液态铁、重金属及碱金属的渗透，是炉缸炉底破损的重要原因，铁水沿砌体缝隙和气孔
渗透到砌体内部凝固并析出石墨，体积膨胀，进而扩大裂缝使砖衬脱落或漂浮。我国某钢铁厂一号高炉，炉缸及炉底周围为环形碳砖砌筑，炉底中心部位为高铝砖，炉底总厚度5607mm，有效生产时间约为18年，停炉后Fe、K2O等渗透情况见图5－7。
（2）高温和热震破损。高炉冶炼过程中，炉内温度经常波动，开炉初期的升温过程，冶炼
中的正常和非正常停风、开风，出铁出渣的前后，炉料和煤气流分布的改变等，都将引起砖村温度的剧烈波动和受热速率的改变，当砖衬热端受热速率超过某一临界速度时，由于温度梯度产生的热应力超过砖衬的强度极限，砖即开裂。
对一些砖衬的观察分析得知，高炉开炉初期，在炉体中下部砖衬即有裂纹并产生脱落。
因温度波动而产生的热应力，使得砖衬内平行于工作表面的50～100mm深处产生裂纹，裂
纹扩张并相互连接后，便出现大面积脱落，见图5－8。
临界受热速率与砖衬材质有关，荷兰莫依登钢铁厂提出的各种砖衬材质相对临界受热速率见表5—8，经研究还可看出，对同一种耐火材料砖衬，最大热应力产生部位与耐火砖尺寸有关，较小尺寸的耐火砖将产生较薄片脱落。
5—8 相对临界加热率
（3）炉料和煤气流的摩擦冲刷及煤气碳素沉积的破坏左右。高炉内煤气实际流速可达15~20m/s，而且携带大量粉尘，上升的煤气流对炉衬有很大的冲刷磨损作用，炉腰部位上下折角处冲刷磨损尤为严重。炉身中上部炉料较为坚硬，具有棱角，下降炉料的磨擦是该部砖衬损坏的重要原因。
上升的煤气流中含有25%左右的CO,进入砖衬气孔和缝隙中的CO，在400~800oC分解产生碳素沉积，尤其耐火材料中含有Fe2O3时，被CO还原为金属Fe，活性的Fe是CO分解的催化剂，加速碳素沉积。当有温度变化时，沉积碳将发生晶型转变，并附带产生体积的变化，使砖衬组织松弛，强度下降，以致龟裂而破坏。碳素沉积的破坏左右反应在整个高炉炉衬、炉腰和炉身中下部较为严重。
（4）碱金属及其他有害元素的破坏作用。炉料中的碱金属和锌，一般以盐类存在，进入高
炉在高温下分解为氧化物，在高炉下部被还原为金属K、Na、Zn并挥发随煤气上升，在上升途中又被氧化为K2O、Na2O、ZnO。部分氧化物沉积到炉料上再循环，部分沉积在炉衬上，其余随煤气排出炉外。
碱金属和锌的氧化物与炉衬中Al2O3、SiO2反应形成低熔点的铝硅酸盐，炉村软熔并被冲刷而损坏。碱金属氧化物同赤热的焦炭发生反应，生成氨化物（KCN、 NaCN）并同水蒸汽和CO2反应生成氰化氢（HCN）。氰化氢渗入砖村内分解产生碳沉积，亦促成对炉村的破坏作用。碱金属和锌的蒸气渗入砖缝，在适度的温度下同CO反应，同样可产生氧化和碳素沉积。
图5－9是我国某钢厂一号高炉停炉后其炉衬内碱金属及锌含量情况，说明碱金属及锌的渗透作用是很强烈的。我国冶炼高锌矿石经验表明，大型高炉产生砖衬膨胀和砌体上涨，有的高达400mm，并引起炉壳等钢结构破坏。
有的矿石中含有铅元素，铅被还原后，沉入铁水下部，由于铅的密度大，熔点低，渗透能力大，亦将是炉底破损。
高炉内任何部位的破坏，都是诸多损失机理交替综合作用的结果。高炉寿命是炉型设计，炉衬结构及材质，高炉冷却设备选型及冷却制度、冶炼条件等诸多因素综合作用的结果。
5.2.2 高炉用耐火材料
高炉用耐火材料有陶瓷质材料和碳质材料两大类。陶瓷质材料耐火材料有粘土砖、高铝砖、刚玉砖和不定型耐火材料等；碳质材料有炭砖、石墨炭砖、石墨碳化硅砖，粘土结合碳化硅砖等。
（1） 粘土砖和高炉转。粘土砖和高铝砖亦称陶瓷质或粘土质耐火材料，在高炉上使用已有较长久的历史，现在也广泛应用于高炉各个部位。粘土砖、高铝砖具有良好的机械强度，耐磨性和抗渣性均较好，成本较低。高炉用粘土砖和高炉砖应具备如下基本性能：
1） 化学成分：Al2O3含量要高，Fe2O3含量要低。Al2O3含量是保证粘土质耐火材料具有较高耐火材料度的主要因素，Al2O3含量高材料耐火度则高。粘土质耐火材料中的Fe2O3和SiO2在高温下相互作用生成低熔点化合物，降低物料耐火材料耐火度；高炉内，耐火材料中的Fe2O3有可能被渗入砖衬中的CO还原产生海绵铁，而海绵铁又促进CO分解产生石墨碳沉积，构成对砖衬的破坏作用。高炉用粘土砖和高铝砖Al2O3和Fe2O3含量在国家标准（GB）和冶金部标准（YB）中都有严格要求。
2） 耐火度要高：耐火材料开始软化的温度为耐火度，它表示了耐火材料所能承受高温的能力，一般以测温锥测定。
3） 荷重软化点要高：荷重软化点是耐火砖在0.2MPa载荷下的软化温度。高炉炉衬在高温高压下工作，荷重软化点能更确切地评价耐火材料在高炉内的工作能力。
4）重烧收缩要小：重烧收缩也称残余收缩，是表示耐火材料升至高温后产生裂纹可能性大小的一种性质。
5）气孔率要低：气孔率是耐火材料重要指标之一，在高炉冶炼条件下，如砖衬材料气孔率大，则为石墨和锌沉积创造了条件，从而引起炉村破坏。
国家和冶金部标准对粘土砖和高铝砖性能的要求见表5－9。
表5－9国产高铝砖和粘土砖的理化指标
（2）碳质耐火材料。在高炉上使用碳质耐火材料是在粘土质耐火材料之后。近代高炉逐
渐大型化，冶炼强度也有所提高，炉衬热负荷加重，碳质耐火材料具有独特的性能，逐渐应用到高炉上来，尤其是炉缸炉底部位几乎普遍采用碳质材料，其他部位炉村的使用量也日趋增加。碳质耐火材料主要性质如下：
l）耐火度高，碳是不熔化物质，在3500oC升华，在高炉冶炼温度下碳质耐火材料不熔化也不软化；
2）碳质耐火材料具有很好的抗渣性，对酸性与碱性炉渣有很好的抗蚀能力；
3）具有高的导热性，抗抵热震性好，可以很好地发挥砖衬冷却器的功效，有利于延炉衬寿命；
4）热膨胀系数小，热稳定性好；
5）对氧化性气体抵抗能力差，易氧化。一般碳质耐火材料在400oC能被气体中O2氧化，500oC开始和H2O汽作用，700oC时开始和CO2作用。碳化硅质材料发生上述反应温度要高一些。
提高炭砖的质量，主要是设法提高其抗氧化性能，进一步提高其导热性能和抗碱性能； 配料中加入石墨可以大幅度提高炭砖的导热系数；提高抗碱和抗氧化的有效措施是降低炭 砖的气孔率和气孔直径，提高其体积密度。热压成型比熔烧炭砖气孔率低，在普通炭砖中加入沥青再次加热可以堵死气孔，降低其气孔率。各国炭砖的理化性质见表5－10，碳化硅砖
性质见表5－11。
半石墨化自倍炭块炉衬为我国之首创，在中型高炉已广泛应用，鞍钢Vu2580m3高炉应用炉缸炉底效果良好，见表5－12。
（3）不定形耐火材料。不定形耐火材料主要有捣打料、喷涂料、浇注料、泥浆和填料等。按
成分可分碳质不定形耐火材料和粘土质不定形耐火材料。捣打料、喷涂料、浇注料可根据需
要和部位的不同，形成各种形状。泥浆是砌砖不可缺少的填缝粘结剂。填料一般是两层砌体
之间的隔热物质或是粘结物质。
不定形耐火材料与成型耐火材料相比，具有成型工艺简单、能耗低、整体性好、抗热震性强、耐剥落等优点；还可以减少炉衬厚度，改善热导率等，近年来使用较多。高炉砌砖用泥浆、填料的组成配比及应用见表5－13；高炉用不定形涂料、浇注料、捣实料主要性能见表5一14。
表5－13高炉砌砖所用的泥浆、填料和泥料成分
表5—14 高炉用不定形耐火材料理化性能
5.2.3护村设计
高炉炉衬设计的内容是选择各部位炉衬砌体的材质，确定砌体厚度，说明砌筑方法（包
括砌缝大小、砌筑方向、膨胀缝及填料等），以及材料计算。炉衬结构设计和材质选择时应考虑到炉容大小、冶炼条件还应考虑到各部位工作条件、侵蚀机理、各部位冷却设备型式及冷却制度等等。
（1）炉底、炉缸。炉缸炉底承受高温、高压、渣铁冲刷侵蚀和渗透作用，工作条件十分恶劣。炉缸炉底是高炉重要部位，被侵蚀破坏程度是决定高炉大修的关键。
过去较长一段时间，炉缸炉底一律采用粘土砖或高铝砖砌筑，近30年来大中型高炉广为采用炭砖砌筑。我国中小型高炉现在仍多采用粘土砖、高铝砖砌筑。
我国采用炭砖炉底最初是在上部砌筑800～1600mm的炭砖，下部砌筑粘土砖或高铝砖。这种炉底结构开炉不久炉底中心部分炭砖便遭到破坏，而外围炭砖完好无损。后来，炉底外围环形炭砖砌到炉底最下端，中心部分的上部砌筑高铝砖或粘土砖，下部砌炭砖，即所谓综合炉底结构。由于风冷炉底取得良好效果，鞍钢7号高炉1964年首次采用综合炉底结构，即炭砖砌在风冷管炭捣层上，3层400mm炭砖，计1200mm，其上砌6层400mm高铝砖，计2400mm。周围为环形炭砖砌至风口中心线。高炉寿命12．4年，每1m3炉容产铁6471t。综合炉底在鞍钢多座高炉推广后效果良好，现在我国鞍钢、本钢等多采用这种风冷或水冷综合炉底，在高铝砖和炭砖的厚度上因地制宜有所调整，总的趋势是炉底减薄了。在使用综合炉底之前，大型高炉粘土砖炉底厚达到5616mm，现在鞍钢、本钢Vu2000m3左右高炉，综合炉底厚度只有3600～4500mm。综合炉底结构见图5—10
国外普遍采用全炭砖炉底。我国宝钢Vu4063m3高炉为全炭砖炉底，纯水冷却。武钢采用综合炉底曾发现有环形裂缝，经分析认为是高铝砖和炭砖膨胀系数不同所造成，所以武钢高炉采用全炭砖炉底。全炭砖水冷炉底厚度可以进一步减薄。武钢Vu2516m3高炉的炭砖水冷炉底厚度3100mm。包钢实践证明，冶炼含氟矿石应采用全炭砖炉底。
炉衬砌筑和炉衬材质具有同等的重要性；因此，对砌筑砖缝厚度、分布等都有严格要求。
炉底砌筑：
l）粘土砖和高铝砖炉底的砌筑：炉底粘土砖或高铝砖均采用立砌，层高345mm，砌筑由中心开始，成十字形，结构如图5—11。为了错开上下两层砖缝，上下两层的十字中心线成22.5o～45o；为了防止两层砖中心缝相通，上下两层中心点应错开半块砖。最上层砖缝与铁口中心线成 22.5o～45o，见图 5－12。
2）满铺炭砖炉底砌筑：满铺炭砖炉底的结构见图5－13，炭砖砌筑在风冷或水冷管的炭捣层上。有厚缝和薄缝两种连接形式。薄缝连接，各列砖砌缝不大于1.5mm，各列间的垂直缝和两层间的水平缝不大于2.5mm。厚缝连接，砖缝厚35～45mm，缝中以炭素料捣固。目前的砌法是炭砖两端的短缝用薄缝连接，而两侧的长缝用厚缝连接；也有两端短缝用厚缝连接，而两侧的长缝用薄缝连接，这样可以减少炭捣工作量。相邻两行炭砖必须错缝（200mm以上）。两层炭砖砖缝成90o，最上层炭砖砖缝与铁口中心线成90o。
3）综合炉底砌筑：综合炉底的砌筑见图5－14，炉底中心部位的高铝砖砌筑高度必须与周围环形炭砖高度一致，高铝砖砌体与环形炭砖间的连接为厚缝，环形炭砖与冷却壁之间膨胀缝一律以炭素填料填充。环形炭砖为薄缝连接；炉底满铺炭砖侧缝为厚缝连接，端缝为薄缝连接。
环形炭砖砌体以楔形炭砖砌筑，大小头尺寸由计算而定，厚度为400mm，第一层应能盖上三块半满铺炭砖，以上每层与高铝砖交错咬砌（200~300mm），死铁层处炭砖比其下层炭砖长250～300mm。两层砖之间缝隙错开，缝居中间，采用薄缝连接。
炉缸工作条件与炉底相似，而且装有铁口、渣口和风口。每日将有千余吨铁水流过铁口，开堵铁口有剧烈地温度波动和机械振动；渣口附近有炉渣的冲刷和侵蚀；风口前边是燃烧带为高炉内温度最高的区域，通常可达到 1700～1800oC。
较早一段时间，炉缸以粘上砖或高铝砖砌筑，目前我国中小型高炉也多以粘土砖或高铝砖砌筑。
炭砖问世以后，炉缸亦采用炭砖砌筑。由于担心炉缸区域有氧化性气氛，最初将炭砖砌筑至渣口中心线，因冶炼过程中渣面将超过渣口，考虑到炭砖和粘土砖结合处有薄弱环节， 又把炭砖提高至风口和渣口中间。现在大型高炉已把炭砖砌至炉缸上缘，工作效果良好。包钢冶炼含氟矿石，因炉渣对粘土砖侵蚀强烈，炉缸以炭砖砌筑。初期的炭砖炉缸，铁口曾以高铝砖砌筑，由于无水砲泥的使用，铁口以炭砖砌筑更为合理。实践证明，炭砖炉缸的铁口以小块高铝砖砌筑容易脱落。
炉缸砌筑：
1） 粘土砖和高铝砖炉缸的砌筑：炉缸砌砖从铁口开始向两侧进行，出铁口通道上下部侧砌。风口和渣口部位砌砖前先安装好水套，靠水套的砖应做粗加工，砌体与水套之间保持15～25mm缝隙，填充浓泥浆。铁口、渣口和风口砌体紧靠冷却壁，缝隙1～5mm，缝内填充浓泥浆，见图5－15及图5－16。
炉缸各层皆平砌成相互交错的同心圆环，同层相邻砖环的放射缝、上下相邻砖层的垂直缝与环缝均应相互错开；砖缝厚小于0.5mm，环缝5mm，见图 5－ 17。
2）炭砖炉缸砌筑：炉缸炭砖砌筑以薄缝相连，上下层炭砖的砖缝均砌筑在中间。出铁口如用高铝砖砌筑，其结构见图5—18。
风口、渣口和铁四砌衬以炭砖砌筑时，应设计异型炭砖。渣口和风口砌筑见图5－19。
炉缸和炉底均采用光面冷却壁，砌体与冷却壁之间留有100～150mm缝隙，其中填以碳质填料。
陶瓷杯炉缸炉底结构：
陶瓷杯炉缸炉底结构是提高该处炉衬寿命的一项新技术，它是在炉底炭砖和炉缸炭砖的内缘，砌筑一高铝质杯状刚玉砖砌体层。利用刚玉砖砌体的高荷重软化温度和较强的抗渣铁浸蚀性能，以及低导热性，使高温等温线高密集的集中在刚玉砖砌体内。陶瓷杯起保温和使炭砖免受高温渣铁浸蚀的作用。炭砖的高导热性又可以将陶瓷杯输入的热量，很快传导出去，从而达到提高炉衬寿命的作用。这种结构还有利于提高铁水温度。鞍钢Vu2580m3高炉采用半石墨化自焙炭块—陶瓷杯砌体（见图5－20，表5—15），使用效果良好，铁水温度有所提高。
（2）炉腹、炉腰和炉身下部。从炉腹到炉身下部的炉衬要承受煤气流和炉料的磨损，碱金属和锌蒸气渗透的破坏作用，炉腰以下还要受到高FeO初渣的侵蚀，以及由于温度波动所产生的热震破坏作用。
开炉后炉腹部分砌砖很快被侵蚀掉，靠渣皮工作，一般砌一层粘土砖，厚345mm。
炉腰有三种结构形式，即厚墙炉腰、薄墙炉腰和过渡式，见图5－21。
高炉冶炼过程中部分煤气流沿炉腹斜面上升，在炉腹与炉腰交界处转弯，对炉腰下部冲刷严重，使这部分炉衬侵蚀较快，使炉腹段上升，径向尺寸亦有扩大，使得设计炉型向操作炉型转化。厚墙炉腰有利于这种转化，薄墙炉腰不利于这种转化，而有利于固定炉型的作用。过渡式炉腰结构处于两者之间。设计炉型与操作炉型关系复杂，冶金工作者有时看法也不一致，炉型设计时应全面认真考虑。
炉身砌砖厚度通常为690～805mm，目前趋于向薄的方向发展，以冷却壁冷却亦可采用衬厚575mm。炉腹、炉腰和炉身下部较长时间采用粘土砖和高铝砖砌筑。包钢冶炼含氟矿石，炭砖砌到炉身三分之二处；宝钢一号高炉采用体积密度为2.9t／m3、Al2O3
88％的高铝砖（刚玉砖）；欧美等国以及鞍钢高炉采用碳化硅砖砌筑炉身中下部，取得良好效果。
用镶砖冷却壁冷却炉腹、护腰及炉身下部砌砖紧靠冷却壁，缝隙填浓泥浆；砌体与炉壳间隙为100～150mm，填以水渣—石棉隔热材料。为防止填料下沉，每隔15～20层砖，砌二层带砖，带砖与炉壳间隙10～15mm。
亦有厚墙炉身，采用冷却水箱冷却，砌体与冷却水箱之间侧面和上面缝隙5～20mm，下面为40～80mm，缝间填充浓泥浆。水箱周围有两砖宽的砌体紧靠炉壳砌筑，间隙10～15mm
炉腹、炉腰砌砖砖缝应不大干lmm，炉身下部不大于1.5mm，上下层砌缝和环间砌缝均应错开。
（3）护身上部和炉喉。炉身上部温度较低，主要受煤气流冲刷与炉料磨擦而破损。该部位一般采用粘土砖或高铝砖。宝钢一号高炉炉身上部以高铝砖砌筑，砖缝小于2mm，目前趋于采用整个炉身厚度向上逐渐减薄的结构。
炉喉除承受煤气冲刷、炉料摩擦外，还承受装料时温度急剧波动的影响，有时受到炉料的直接冲击作用。炉喉衬板一般以铸铁、铸钢件制成，称为炉喉钢砖或条状保护板。条件保护板见图5—22。炉喉由几十块保护板组成，在炉喉的钢壳上装有吊挂座，座下装有横的挡板，板之间留20mm间隙，保证保护板受热膨胀时不相互碰挤，条状保护板是较为合理的炉喉装置，较为普遍采用。
5.3高炉冷却
5.3.1 冷却的目的及意义
高炉冷却的目的是：
（1）维持炉衬在一定的温度下工作，使其不失去强度，保持炉型；
（2）形成渣皮，保护炉衬代替炉衬工作；
（3）保护炉壳及各种钢结构，使其不因受热而变形或破坏。
高炉炉衬的冷却，是由插入砌体或置于砌体外线表面之金属冷却器件的内部通过冷却介质完成的。常用的冷却介质是水、空气和汽水混合物，即水冷、风冷和汽化冷却。
高炉炉衬侵蚀机理是复杂的和多因素的，高温软融是主要因素之一。而且诸多破损因素都与温度有关，所以炉衬的温度状态是炉衬破损的主要原因。对炉衬冷却是将进入炉衬的热流通过冷却介质将其带走，当输入和输出的热流平衡时炉衬工作表面稳定，维持现有炉型；当输入热流大于输出热流时，炉衬温度升高并将受到侵蚀，炉衬工作表面向靠近冷却器方向移动，直到达到新的热流平衡；当输入热流小于输出热流时，炉衬表面则结渣。高炉冶炼过程中，有诸多因素影响着炉衬砌体热流的输入和输出，热流的输入和输出的平衡是暂时，由于磨擦和破裂等原因，总的趋势是炉衬被侵蚀和减薄，侵蚀和减薄到一定程度便需大修，即高炉一代寿命的终结。因此，炉型、炉衬结构、冷却设备及冷却制度和冶炼条件等诸多因素综合作用的结果，决定了高炉一代寿命的长短
5.32冷却介质及水的处理
高炉冷却用冷却介质主要是水，而很少使用空气。空气热容小，导热性不好，热负荷大时不宜采用，而且排风机消耗动力大，冷却费用亦高。前一段时间多采用风冷炉底，目前水冷炉底已获得良好效果，使115oC铁水凝固线向上移动，可减薄炉底厚度，只要维护得当，担心水冷炉底发生铁水爆炸已是不必要的了。
工业用水的来源是江河湖泊水亦称地表水，也有井水称地下水；以上又总称天然水。天然水中都溶解一定量的钙盐和镁盐。以每升中钙、镁离子的毫克当量数表示水的硬度。根据硬度不同，水可分为软水＜3mol／m3，硬水3～gmol／m3，极硬水＞gmol／m3。我国地表水多为2～4mol／m3，地下水因地而异，有的很低，有的高达25mol／m3。
高炉冷却用水如果硬度值较高，则在冷却器中结垢，水垢的导热系数极低，5～10kJ／（m·h·C），lmm厚水垢可产生50～100o C的温差，从而降低冷却器效率，甚至烧坏冷却器，有损高炉炉衬寿命。因此，近代高炉冷却供水系统，其直流露天循环供水系统正在被经软化处理的密闭循环系统所代替。也有的部位用纯水冷却，例如宝钢1号高炉炉底冷却用的是纯水。
水的软化处理，即将水中Ca2+、Mg2+离子除去，通常采用的办法是以不形成水垢的Na阳离子置换。置换过程要经过一中间介质，即离子交换剂来实现。
离子交换剂有磺化煤、沸石和磺化交链聚苯乙烯强酸阳树脂等。离子交换剂是很复杂的化合物，常以R-表示；离子交换剂加上NaCl水溶液后便形成NaR，交换可写为：
反应后，离子交换剂形成CaR2、MgR2，当Na+全部被置换后，离子交换剂失效，要再用NaCl水溶液还原；反应为：
排出含有CaCl和MgCl废液，离子交换剂重新使用。
经钠离子交换剂处理过的水，已除去了大部分钙镁离子，水质为：溶解固体5～10mg/l
硬度＜0．035mmol／l，碱度4～20mol／l，氯根＜600g／l，硅酸根＜70mg／l，电导率＜0．05s／m，电阻率＜20
·m。
纯水系将工业净化水通过氢型阳离子交换器，置换水中的Ca2+、Mg2+、Na+出水呈酸性，再经脱碳器排出CO，并经过OH-离子交换器置换水中所有阳离子，并使H+和OH-结合形成水，水中杂质量极微，水质可达到：溶解固体2～3mg／l，硬度0mol／l，碱度0.04～0.1mol/l，氯根0.2～0.08mg／1，硅酸根0 02～0.lmg/l, ，电阻率700～10000
·m。
目前，天然水经沉淀、过滤处理，除掉水中大部分悬浮杂质，而溶解于水中的Ca2+、Mg2+等杂质并未除掉，这种普通工业净化水的使用比例已愈来愈小。
5.3.3冷却设备
由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要求，高炉冷却设备有：外部喷水冷却，风口和渣口的冷却，冷却壁，冷却水箱以及风冷或水冷炉底等。
（l）喷水冷却装置。在炉身和炉腹部位装设有环形冷却水管，水管直径
50～
150mm约距炉壳100mm，水管上朝炉壳的斜上方钻有
5~
8小孔若干，小孔间距100mm。冷却水经由小孔喷射到炉壳上进行冷却。为了防止水的喷溅，在炉壳上装有防溅板，防溅板与炉壳间留有8～10mm缝隙，冷却水沿炉壳下流至集水槽返回水池。喷水冷却装置结构简单，检修方便，造价低廉。
喷水冷却装置适用于碳质炉衬和小型高炉；对于大型高炉，粘土质炉村，只有在炉龄晚期冷却设备烧坏的情况下使用，是一种辅助性的冷却手段。
（2）风口和渣口。宝钢1号高炉风口装置见图5－23，由A－1管、A－2管、伸缩管、异径接头、弯管、直吹管等组成。伸缩管可吸收热膨胀位移，结构密封性好。A－2管内村由耐火材料浇注成文式管结构，用来测定送风量。风口由三个套组成，其中小套为复腔式贯流风口。一般高炉的风口中小套由紫铜或青铜制造，空腔式结构。风口大套由铸铁铸成，内部铸有蛇形钢管。风口小套内径由入炉风速计算确定，大型高炉标态火炉风速110～150m／s，近代4000m3左右高炉火炉风速亦有取150～200m／s的。
渣口装置一般由四个套组成，即大套、二套、三套和渣口小套，见图5－24。渣口小套由紫铜制造，一般为空腔式结构，直径 45～ 60mm；三套由青铜铸成空腔式结构；大套、二套由铸铁铸成，内部铸有蛇形钢管。 一般高炉铁口不冷却，现代Vu4000m3左右巨型高炉，由于铁口负荷太重，采取冷却。宝钢1号高炉在铁口的上方和两侧插入冷却板。
（3）冷却壁。冷却壁设置于炉壳炉衬之间，有光面冷却壁和镶砖冷却壁，其基本结构是铸铁板内铸有无缝钢管。光面冷却壁厚80～120mm，镶砖冷却壁包括镶砖在内厚250～350mm，砖厚一般 113～230mm。铸入的无缝钢管为
34 X 5或
4 4.55 X 6。管距 100～200mm。光面冷却壁用于炉底炉缸，风口区冷却壁的块数为风口数目的两倍；渣口周围上下段各两块，由四块冷却壁组成。镶砖冷却壁用于炉腹、炉腔和护身下部，镶砖的目的在于易结渣皮，代替炉衬工作。冷却壁宽度一般为700～1500mm，圆周个数最好取偶数；冷却壁高度视炉壳折点而定，一般小于3000mm，应方便吊运和易送入炉壳内。冷却壁用方头螺栓固定在炉壳上，每块四个螺栓。同段冷却壁间竖直缝20mm，上下段间水平缝30mm，两段竖直缝相互错开。冷却壁的优点是不损坏炉壳强度，密封性好，冷却均匀，炉衬表面光滑平整。
前苏联首先在炉身部位采用带额头的“
”字形镶砖冷却壁，后来日本又采用了“鼻型”镶砖冷却壁，这两种形式冷却壁的优点是对砖衬有支撑作用，可以延长炉衬寿命。冷却壁的额头和鼻子处均采用单独冷却。冷却壁结构的形式见图5—25.
为了提高冷却壁寿命，日本新日铁公司对冷却壁结构做了多次改进，效果显著，其四代结构情况见图5—26.第二代较第一代平均寿命提高了3.2年，一代产量提高了1445t/m3;而第三代使用寿命可稳定地保持10年；第四代冷却壁砌体厚度减薄至200mm，因而冶炼中有利于维护炉型，稳定了炉容。第三代冷却壁炉龄后半期容积为开炉时的1.013倍，而四代冷却壁减少到1.05倍。
4）冷却水箱。冷却水箱是埋置于炉衬内的冷却设备，用于厚壁炉衬，有扁水箱和支梁式水箱两种，图5—27。
扁水箱（或称冷却板）厚度70~110mm，由铸铁铸成，内部铸有
44.5
6mm无缝钢管，常用在炉腰和炉身，成棋盘式布置，一般上下层间距500~900mm，同层间距150~300mm，炉腰部位比炉身部位要密集一些。水箱前端与炉衬设计工作表面的距离，炉身中上部为230mm，炉身下部和炉腰为345mm。扁水箱冷却水进出管与炉壳焊接，密封性好。宝钢1号高炉，从炉腹到炉身一律采用铸铜质冷却板，冷却效率高。
支梁式水箱为内部铸有无缝钢管的楔形铸铁水箱，一般用在炉身中部，成棋盘式布局，插入炉衬内。上下层间距600～800mm，同层横向间距1300～1700mm，水箱前端距炉衬设计工作表面230～450mm。支架式水箱用螺栓固定在炉壳上。
（5）风冷、水冷炉底。大型高炉炉缸直径较大，径向周围冷却壁的冷却，已不足以将炉底中心部分的热量散发出去，如不进行冷却则炉底向下侵蚀严重。因此，大型高炉炉底中心部分要冷却，冷却的方法是风冷和水冷。
风冷炉底结构形式很多，图5－28所示是我国常见的一种结构形式。风冷管中心线以下埋置在炉基耐火混凝土基墩上表面中，中心线以上为碳素捣固层，风管
140 X10mm，炉底中心部分管间距200～300mm，边缘较疏，为350～500mm，风冷管两端伸出炉壳外50～100mm。炉壳开孔后加垫板加固，开孔处避开炉壳折点150mm以上。
水冷炉底比风冷炉底冷却强度大，耗电也较低，炉底厚度可以进一步减薄，采用者逐渐增加。我国Vu2516m3炉水冷炉底结构见图5－29。
2516m3和620m3高炉水冷炉底结构特点见表5－16。水冷管亦装在炉基基墩耐热混凝土之上炉底炭捣层之中。水冷炉底结构应保证切断给水后，可排出管内积水，工作时排水口要高于水冷管水平面，保证管内充满水。
目前大型高压高炉，多采用炉底封板，水冷管设置在封板以上，则炉壳开孔降低强度和密封性，但冷却效果好；水冷管设置在封板以下，对炉壳没有损伤，但冷却效果差。宝钢1号高炉采用后一结构。
表5－16护底水冷管排列结构特征
5.3.4冷却器的工作制度
冷却器的工作制度，即制定和控制冷却水的流量、流速、水压和出进水的温度差等。高炉各部位热负荷不同，冷却器形式不同，冷却器工作制度亦不相同。
（l）水的消耗量。高炉某部位需要由冷却水带走的热量称为热负荷，单位表面积炉衬或炉壳的热负荷为冷却强度。热负荷可写为
kJ/h （5 — 23）
式中 Q—热负荷，kJ/h；
M—冷却水流量，t/h；
c—水的比热容，kJ/（kg.oC）;
t—冷却水出水的温度，oC
t0—冷却水进水的温度，oC
由式（5－23）可见，冷却水消耗量与热负荷和进出水温度差有关。高炉冶炼过程中在某一段特定时间内（炉龄的初期、中期和晚期等）可以认为Q是常数，冷却水消耗量则与进出水温度差成反比，提高冷却水温度差，可以降低冷却水消耗量。提高冷却水温度差办法有二，一是降低流速，二是增加冷却器串联个数。冷却器内水的流速不宜过低，提高冷却水温度差经常采用的办法是串联冷却器，见表5－17。
表5－17不同容积高炉冷却设备串联情况
① 位于铁口，渣口的冷却壁为单独供水。
高炉炉衬热负荷随炉衬侵蚀情况而变化，一般是开炉初期低，中期有一段相对稳定时间，末期上升较快。因此，高炉一代寿命中，不同时期冷却水消耗量亦有差别。高炉冷却水消
耗量一般情况见表5－18。冷却水在循环使用过程中日损失4～5％。
表5－18炉体冷却水消耗量
注：1．50m3高炉按炉外喷水考虑；
2．100m3高炉按炉缸、炉腹及炉腰来用冷却壁考虑。
（2）水压和流速。冷却水流速减低，可以提高冷却水温度差，减少冷却水消耗量。但过低会使机械混合物沉淀，而且局部冷却水可能沸腾。冷却水流速及水压和冷却器结构有关。
确定冷却水压力的重要原则是冷却水压力应大于炉内静压，防止个别冷却器烧坏时煤气进入冷却系统。一般高炉风口冷却水压力比热风的压力高0.1MPa，炉身部分冷却水压力比炉内静压高0.05MPa。在铸有无缝钢管冷却器内，冷却水流速为1.2～1.5m／s，而空腔式冷却器内水的流速要低一些。一般高炉给水压力如表5－19所示。
表5－19炉体给水压力（MPa）
风口小套是容易烧坏的冷却设备，采用高压大流速使用效果显著。包钢采用螺旋铜管风口寿命比较长，平均寿命达到210天；宝钢1号高炉采用贯通式风口，为多空腔式结构，水压1.6MPa，风口前端空腔流速可达到16.9m／s。高压冷却器烧坏时向炉内漏水较多，必须及时发现和处理。宝钢1号高炉，在每个供水排水支管上装有电磁流量计，监测流量并自动报警。
（3）冷却水温度差。水沸腾时，水中的钙和镁离子以氧化物形式沉淀产生水垢，降低冷却效果。因此，应避免冷却器内局部冷却水沸腾，手段是控制进水温度和温度差。进水温度一般要求应低于35oC，由于气候的原因，也不应超过40oC；一般高炉冷却水温度差见表5－20。表5－20 某些高炉炉体水温差允许范围，oC
5.3.5高炉给排水系统
（1）高炉车间对供水系统的要求。高炉在生产过程中，任何短时间的断水，都会造成严重的事故，高炉供水系统必须安全可靠。为此，水泵站供电系统须有两路电源，而且两路电源应不是来自一个供电点，大型炼铁车间水泵站最好设有自己的柴油机或蒸汽透平机备用动力。为了在转换电源时不中断供水，应设有水塔，塔内要储有供30min用的水量。泵房内应备有足够的备用泵。由泵房向高炉供水的管路应设置两条。
（2）高炉给排水系统。高炉工业水开路循环给排水系统见图5－30。大中型高炉设有两条供水主管道及两套供水管网。供排水系统是：供水主管→滤水器→各层给水围管→配水器→冷却器件、喷水管→环形排水槽、排水箱→排水管→集水池。
供水管直径由给水量而定，正常条件下供水管内水流速0.7~1.0m/s，排水管直径为供水管直径的1.3~2.0倍。供水管上除安装 一般阀门外，还安装逆止阀，防止冷却器件烧坏时每期进入冷却管路系统。排水管标高应高于冷却器，以保证冷却器内充满水。所用管路、阀门布置应方便操作。不同容积高炉给排水管直径见表5—21。
表5—21 不同容积高炉给排水干管直径
5.3.6高炉汽化冷却
（1）汽化冷却的原理。高炉汽化冷却是把接近饱和温度的软化水送入冷却器内，通过水的汽化吸热进行冷却。计算证明，压力为0.4MPa和30oC的水，在143oC（饱和温度）汽化后吸热2600kJ/kg；而当用水冷却时，如冷却水温度差10oC，则吸热42 kJ/kg，冷却效果相差近60倍，汽化冷却可节省水量98%。汽化冷却用软水，冷却器不结垢。
汽化冷却按循环方式，可分为自然循环和强制循环两种。
1）自然冷却循环汽化冷却：自然循环汽化冷却见图5—31.靠下降管中的水和上升管中的汽化混合物重度差所形成的压力，克服管道系统阻力而流动。即汽包中的水沿下降管向下流动，经冷却器汽化后，沿上升管向上流动，进入汽包后经水汽分离，蒸汽排出做二次能源利用，再由供水管补充一定量的水保持循环。循环压力为：
（5 — 24）
式中 
——自然循环流动压力，Pa；
h——汽包与冷却器高度，m；
——下降管中水的密度，kg/m3；
——上升管中汽水混合物的密度，kg/m3。
自然循环汽化冷却不受停电的影响，安全可靠，动力消耗低，可节电40~90%；但汽包和冷却器要有一定的高度差。
2）强制循环汽化冷却：在下降管路上装一水泵推动循环过程。此时汽包装置高度可灵活一些。
（2）汽化冷却循环管路设计特点。汽化冷却循环回路主要有以下几种：
1)下降管和上升管为单回路。这种系统不相互干扰，安全可靠，适用于热负荷差别大的系统，管理系统复杂，投资大；
2）下降管和上升管为集管，管路系统较单回路大为简化。
为检修方便和工作可靠，高炉汽化冷却系统按圆周可分为几个独立组（六组或八组）分别设置汽包或共用一个汽包。
汽化冷却系统中，冷却水进入冷却器后，回路中便是汽水混合物，向上流动蒸汽很容易回到汽包，向下流动则汽包容易上浮，或停留在冷却器中某一个未知不动形成气塞，这样将增加流动阻力，降低冷却效果，甚至冷却器烧坏。因此，汽化冷却系统中，回水管路和冷却器内不应有向下流动的回路，并应尽量减少水平管路，保持一定斜度。冷却器中水的流速，自然循环应大于0.2m/s，强制循环应大于0.3m/s，流速大有利于提高冷却效果，流速低易产生汽水分层现象，传热效果不好，汽包压力应大于0.2MPa。当压力大于0.4MPa时应采用耐压阀门。
汽化冷却应用并不广泛，并逐渐被软水闭路强制循环所代替，主要是汽化循环冷却还存在一些具体问题不好节均。例如，热负荷高时汽化循环不稳定，冷却器烧坏；对于烧坏的冷却器，其检测技术不完善，炉衬侵蚀情况反应不敏感。
5.3.7高炉软水闭路循环冷却
由于汽化冷却效果并不理想，首先是将其自然循环汽化冷却改为强制循环，进入将强制循环汽化冷却发展为软水闭路强制循环冷却，其冷却效果甚好，高炉寿命延长。
（1）高炉软水闭路冷气系统工作原理。高炉软水闭路冷却系统工作原理见图5—32，它是一个完全密闭的系统，用软水做为冷却介质。软水由循环泵送往冷却器件组，冷却器件组排出的冷却水经膨胀罐送往空气冷却器，冷却水由冷却器件组带来的热量，经空气冷却器散发与大气中，然后再经循环泵送往冷却器件组，由此循环不已。
膨胀罐为一圆柱形密闭容器，其中充以氮气，用以提高冷却介质压力，提高饱和蒸汽温度，提高饱和蒸汽温度与冷却器件内冷却水实际温度之差，即提高冷却水的欠冷却度。膨胀罐具有补偿由于温度的变化和水的泄露而引起系统冷却水体积的变化，稳定冷却系统的运转，并且通过，罐内水位的变化，判断系统泄露情况和合理补充软水。
(2)软水闭路冷却的特点
1）工作可靠：由于冷却系统内具有一定的压力，冷却介质具有较大的欠冷却度；例如，当系统压力为0.15MPa时，水的沸点为127oC，系统中回水最高温度是膨胀罐内温度，一般控制不大于65 oC，此时欠冷却度为62 oC，通常欠冷却度等于或大于50oC时，即不会产生蒸汽和汽塞现象。因此软水闭路冷却系统工作稳定可靠；
2）冷却效果好，高炉寿命长：由于冷却介质为软水，冷却器件内和管路内不会结垢，冷却器件可以保持良好的冷却效果，管路亦不存在堵塞的可能性，冷却器件寿命高。工业水开路循环冷却，冷却壁寿命为2～3年，汽化冷却寿命为5～6年，而软水闭路循环冷却器寿命可达到 10年。
3）节能：由于是闭路循环，水泵的压力只用来克服管路系统的阻力损失，不必对水的位能作功。太钢3号高炉使用软水闭路冷却，电耗较工业静水开路循环降低30％。；
4）节水：软水闭路循环冷却没有如工业水开路循环冷却那样水的蒸发损失，也没有汽化冷却那样的蒸汽和排污的耗水损失，只有循环水泵轴封处的少量泄漏损失。一般每天的补水量不大于系统总容积的1％，而开路循环补水为4～5％；
5）软水闭路循环冷却的检漏技术尚不成熟，如冷却器件烧坏，有时不能及时发现和确定其位置。
软水闭路循环冷却是高炉冷却发展的方向，目前大型高炉软水闭路循环冷却使用范围愈来愈大，重要部位已开始使用工业纯水闭路循环冷却。
5.4高炉钢结构及高炉基础
5.4.1高炉钢结构
高炉钢结构包括：炉壳，支柱和框架，炉腰托圈，炉顶平台，斜桥，热风炉及其送风系统管道，除尘器及其煤气系统管道，以及走梯、过桥、平台等。高炉钢结构是保证高炉正常冶炼的重要设施。设计高炉钢结构应考虑的主要因素是：
1）高炉是庞大的竖炉，设备层层叠叠，钢结构设计必须考虑到各种设备安装、检修、更换的可行性；要考虑到大型设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性和方便；
2）高炉亦是高温高压反应器，某些钢结构构件应具有高温强度、耐磨性和可靠的密封 性；
3）运动装置运动轨迹周围，应留有足够的净空尺寸，并且要考虑到安装允许的误差和受力变形等因素；
4）对于支撑构件，要认真分析载荷条件，做强度计算。主要载荷包括：工作中的静载荷、动载荷、事故载荷（例如崩料、坐料引起的载荷等），检修、安装时的附加载荷，以及外载荷（风载、地震等）。
5）露天钢结构，扬尘点附近钢结构，应避免积尘积水；
6）合理设置走梯、过桥和平台，方便操作，安全可靠。
（1）高炉本体钢结构。设计高炉本体钢结构，主要是解决炉顶载荷、炉身载荷传递到炉基的方式方法，并且要解决炉壳密封等。多年实践的结果，目前高炉本体钢结构主要有以下几种形式，图5－33。
1）大框架和炉缸支柱式（图5－33a）：炉顶载荷由四根支柱组成的炉体框架传至基础；炉身载荷由炉腰托圈、炉缸支柱传至基础。炉顶法兰与炉顶平台刚性连接，载荷由炉体框架传递，炉喉处设膨胀缝缓冲炉顶和炉身之间热的和机械的变形量。这种结构的特点是炉壳不承受载荷，工作可靠，但高炉风口平台拥剂，操作不方便。这种结构适用于小型高炉。
2）炉缸支柱式（图5－33b）：炉顶载荷由炉身炉壳传至炉腰托圈和炉缸支柱再传至基础。其特点是节省钢材，但大修时更换炉壳不方便，冶炼中应注意炉身部分冷却，特别是炉龄后期，短时间停水也会造成重大事故；风口平台拥挤，炉前操作不方便。我国中小型高炉曾采用这种结构。
3）炉缸、炉身支柱式（图5－33c）：炉顶装料设备和煤气导出管、上升管载荷由炉身炉壳传递至炉腰托圈；炉顶框架，大小钟载荷由炉身支柱传递至炉腰托圈；所有载荷通过炉腰托圈传递至炉缸支柱再至基础。煤气上升管和炉顶平台分别装设有座圈和托座，大修更换炉壳时炉顶煤气导出管和装料设备等载荷可作用在平台上。我国50年代大型高炉（Vu1053m3、Vu1513m3）多采用这种结构。
4）炉体框架式（图5－33d）：炉顶框架、大小钟载荷、作用在炉体框架上，传递至基础；装料设备和煤气上升管等载荷，由炉壳传递至基础。煤气上升管和炉顶平台亦装有座圈和托
座。由于取消了炉缸支柱，风口平台宽敞，炉前操作方便。目前大型高炉多采用这种结构。
5）自主式（图5－33e）：全部载荷由炉壳承受并传递至基础。结构简单，操作方便，耗钢材少。设计时应尽量减少炉壳折点，制造时折点要平缓过渡，其他结构应不约束炉壳受热膨胀，减少热应力；冶炼时加强炉壳冷却。我国中小型高炉曾采用这种结构。
（2）炉壳。炉壳一般由钢板制成，上至炉顶封板，下部座落在高炉基础之上，是不等截面的圆筒体，它起着固定冷却设备，保证高炉砌体牢固的作用，还承受并传递上部的载荷和高温高压。因此，炉壳必须具有一定强度。
炉壳外形与炉衬和冷却设备配置要相适应。存在着转折点，转折点有减弱强度的作用。由于固定冷却设备，炉壳需要开孔。折点和开孔应避开在同一个截面。炉缸下部折点应在铁口框以下100mm以上，炉腹折点应在风口大套法兰边线以上大于100mm处。炉壳开口处需补焊加强板，从这一点考虑，采用插入式冷却板对炉壳强度损伤大，而冷却壁则小。
炉壳厚度值应与工作条件相适应，各部分厚度可由下式计算：
(5 — 25)
式中
——计算部位炉壳厚度，mm
D——计算部位炉壳外弦带直径，m；
k——系数，mm/m；根据弦带位置图（5—34），其值如下：
当50o<
55o 4.0
55o 3.6
炉身： 2.0
炉身下弦带： 2.2
炉腰、炉腹、炉缸、炉底： 2.7
热风炉筒体下弦带： 2.2
热风炉筒身： 1.5
炉身下弦带高度一般不超过炉身高度的1/4~1/3.5.炉壳一般由碳素钢板或低合金钢板焊接而成，厚度大于10mm的钢板要铲坡，竖缝采用“V”或“X”坡口焊接，横缝采用斜“V”或“K”坡口焊接。我国某些高炉炉壳厚度见表5—22.
表5－22我国某些高炉的炉壳厚度（mm）及质量（t）
（3）炉体框架。炉体框架由四根支柱组成，上至炉顶平台，下至高炉基础，与高炉中心成
对称布置，在风口平台以上部分采用钢结构，有“工”字断面，也有圆形断面，圆筒内灌以混凝土。风口平台以下部分可以是钢结构，也可以采用钢筋混凝土结构。1000m3以上高炉，炉体框架间距为16～18m，一般情况下应保证支柱与热风围管有250mm间距。
（4）热风围管。为了不影响炉前作业，热风围管都采用吊挂式，大框架高炉热风围管用挂在横梁上；炉缸支柱式高炉，热风围管吊挂在支柱外侧的吊挂板上；自立式高炉则吊挂在炉壳上；也有将热风围管用挂在厂房梁上的。
热风围管的直径由下式计算：
m （5 — 26）
式中 d——热风围管内径，m；
v——气体实际状态下的体积流量，m3/s
w——体实际状态下的流速，m／s。
实际状态下流量力可由高炉配料计算得到；实际状态下流速w一般为25～35m／s。我
国某些高炉热风围管直径见表5－23。
表5－23我国高炉热风国管直径
5.4.2高炉基础
高炉基础是高炉下部的承重结构，它的作用是将高炉全部载荷均匀地传递到地基。高炉
基础由理在地下的基座和地面上的基墩组成（图5－35）。
对高炉基础的要求：
（1）高炉基础应把高炉全部载荷均匀地传给地基，木发生沉陷和不均匀的沉陷。高炉基
础下沉会引起高炉钢结构变形，管路破裂；不均匀下沉将引起高炉倾斜，破坏炉顶正常布料，
严重时不能正常生产。高炉总体设计，对基础的下沉量和倾斜率都有严格要求。
（2）具有一定的耐热能力。一般混凝土只能在150 oC 以下工作，250 oC 便有开裂，400 oC时失去强度，钢筋混凝土700 oC 时失去强度。过去由于没有耐热混凝土基墩和风冷炉底设施，炉底破损到了定程度后，常引基础破坏，甚至爆炸。采用风冷和水冷炉底及耐热基墩后，可以保证高炉基础很好工作。
基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为2．5～3．om，设计上还可以利用基域高度调节铁口标高。
基座直径与载荷和地基土质有关，基座底表面积可按下式计算：
m （5 — 27）
式中 A——基座底表面积，m2；
P——包括基础表面在内的总载荷，t；
K——小于1的安全系数，取值视地基土质而定；
——地基土质允许承受能力，kg/cm2
基座厚度由所承受的力矩计算，结合水文地质条件及冰冻线等综合情况确定。
高炉基础一般应建在 
＞ 2.0kg／cm2的土质上，如果 
过小，基础面积将过大，厚度也要增加，使得基础结构过于庞大，故对于 
＜2.0kg／cm2的地基应加以处理，视土层厚度，处理方法有夯实垫层、打桩、沉箱等。
思考题
1．由高炉冶炼过程，论述五段式炉型的合理性；
2．由炉村结构、材料选择、冷却技术措施讨论提高炉龄的手段及方向；
3．分析并讨论各种钢结构高炉各部载荷的传递过程，比较其特点；
4．设定炉容作炉型设计计算。