冶金设备课程设计
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1.3 高炉内型设计总结 ....................................................... 13
1.3.1 设计参数汇总 ....................................................... 13 1.3.2 本炉型设计特点 ..................................................... 15
一般为 0.65~0.72，大高炉取值
d1/d
0.73~0.77(Vu2000~5000m3)
高
Hu/D
一般为 2.0~4.0
h1=（0.12~0.15）Hu ,或 h1=hf+a；
炉缸高度 h1
hf—风口中心线高度；
a---0.5~0.7
1.9~2.4(Vu2000~5000m3)
h1=（0.124~0.170）Hu (Vu2000~5000m3)
≤510
≤330
4000 2.0~2.3
5000 2.0~2.25
≤505
≤500
≤310
≤310
ຫໍສະໝຸດ Baidu
本设计中，设计任务书给定：焦比（K）为 460kg，煤比（K’）为 120kg，煤粉置 换比 0.75。所以，高炉的
综合焦比 K综 K K'0.75 4601200.75 55（0 kg）
有效容积利用系数
第2页
设计（论文）专用纸
Vu=255～620 m3 为中型高炉，Vu>600 m3 为大型高炉（现在把小于 1000 m3 的高炉统称 为小型高炉）。把高炉分为大、中、小型是因为在设计炉型时，每种类型的高炉对于 某些参数的选取有共同之处。近代 Vu>4000 m3 的高炉称为巨型高炉，其设计参数的选 取与一般大型高炉也有差别
3.参考文献 .................................................................... 25
设计总结和感言 ................................................................ 26
1.2 高炉内型设计 ............................................................ 4
1.2.1 炉缸结构尺寸........................................................ 6 1.2.2 炉腰结构尺寸........................................................ 9 1.2.3 炉腹结构尺寸....................................................... 10 1.2.4 炉喉结构尺寸....................................................... 10 1.2.5 炉身结构尺寸....................................................... 11 1.2.6 其余结构尺寸....................................................... 12 1.2.7 炉容校核........................................................... 12
现代的高炉本体主要由炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五部分组成，称为“五段 式”高炉。
本次设计以“五段式”高炉为基，设计高炉内型。（各部分尺寸符号见图二。）
第4页
设计（论文）专用纸
d1
h5
h4
Hu
h0 h1 h2 h3
β
D
α 风口中心线
渣口中心线 d
铁口中心线
hf hz
图二 高炉内各部分尺寸及表示方法
法兰间的距离为高炉全高。
高炉的有效高度对高炉内煤气与炉料之间的传热、传质过程有很大的影响。在相
同炉容和冶炼温度条件下，增大有效高度炉料与煤气流接触的机会增多，有利于改善
传热、传质过程，降低燃料的消耗；但过分增加有效高度料柱对煤气的阻力增大，容
易形成料供对炉料下降不利，甚至破坏高炉顺行。
有效高度与炉腰直径的比值（Hu/D）是表示高炉“矮胖”或“细长”的一个重要
高炉炉型下部的圆筒部分称为“炉缸”。炉缸部分需设计计算的结构尺寸有炉缸
直径（d）、风口数目（n）高度（ hf ）和炉缸高度（ h1 ）。而炉缸的容积直接由炉缸
直径决定。 炉缸的上部为风口的燃烧带，下部空间容积盛装液态渣铁。故，炉缸的容积不仅
应保证足够数量的燃烧燃料，而且应能容纳一定数量的铁和渣。 炉缸的上、中、下部位分别设有风口、渣口与铁口，现代大型高炉大多不设渣口。
ηV
I K综
1000
1.1 4 10 00 550
2.0（7 t/(m3 d)）
I——冶炼强度单位为 t/( m3 .d),一般为 1.05～1.25t/( m3 .d),在本设计中取 1.14t/( m3 .d)
炉容
Vu
P ηV
6527.78 3149.3（7 m3） 2.07
第3页
设计（论文）专用纸
如表 2 所示，不同炉容级别高炉各项生产指标各有变化。
表 2 设计年平均利用系数、燃料比和焦比
炉容级别/m3 设计年平均利用系 数 t·(m3·d)-1 设计年平均燃料比 Kg·t-1
设计年平均焦比 Kg·t-1
1000 2.0~2.4
≤520
≤360
2000 2.0~2.35
≤515
≤340
3000 2.0~2.3
P
年总产量 年工作日
23510000 6527.78(t / d ) 360
1.1.2 高炉有效容积
高炉大钟下降位置的下缘到铁口中心线间的距离称为高炉有效高度（Hu）；对于
无钟炉顶，高炉有效高度为旋转溜槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的距离。在有
效高度的范围内，炉型所包括的容积为高炉有效容积（Vu）。而从铁口中心线到炉顶
炼铁高炉本体设计说明书
专业班级：冶金工程 093 班 学生姓名：蔡知之 指导教师：刘秉国 完成时间：2021 年 5 月 13 日
设计（论文）专用纸
目录
1.高炉本体设计 ............................................................... 1
2.2.2 冷却介质冷却介质................................................... 22 2.2.3 冷却板（又称扁水箱）............................................... 23 2.2.4 板壁结合冷却结构 ................................................... 23 2.2.5 新型冷却壁——铜冷却壁 ............................................. 23 2.2.6 炉身冷却模块技术................................................... 23 2.4.7 水冷炉底........................................................... 23
设计（论文）专用纸
1.高炉本体设计
高炉是横断面为圆形的圆筒状炼铁竖炉。外部用钢结构做支撑，表面为钢板作
的炉壳，壳内砌耐火砖内衬。现代高炉被称为“五段式”高炉，其高炉本体自上而下 分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸 5 部分。（“五段式”内型如图一所示。）
高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔 剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预 热的空气。在高温下焦炭（现代高炉也辅助性地喷吹 煤粉、重油、天然气等燃料代替焦炭）中的碳同鼓入 空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升 过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的 铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等 熔剂结合生成炉渣，与铁分离为两相，后从渣口排出 （有的从铁口与铁液一同排出）。产生的煤气从炉顶排 出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等 的燃料。
1.2 高炉内型设计
高炉内型是指高炉内部工作空间中心纵剖面的轮廓。合理的炉型应该满足高产、 低耗、长寿的要求，能够很好的适应炉料的顺利下降和煤气的上升运动，以保证冶炼 过程的顺利。
在长期生产实践过程中，高炉内型随着原料条件的改善、操作技术水平的提高、 科学技术的进步而不断地发展变化。高炉内型的演变过程大体可以分为三个阶段：① 无型阶段、②大腰阶段、③近代高炉阶段。
高炉冶炼的主要产品是生铁，另外还有副产高炉渣 和高炉煤气。高炉炼铁具有技术经济指标良好，工艺 简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点。 目前这种方法生产的铁已占世界铁总产量的绝大部 分。
图一 “五段式”高炉内型示意图
1.1 高炉相关生产数据设计
在本次设计中，需要设计和计算的高炉相关生产数据，主要包括：高炉日产量（P）、
第1页
设计（论文）专用纸
高炉有效容积利用系数（ ηV ）和高炉有效容积（Vu ）。
1.1.1 年工作日
高炉的一代寿命为 20 年，其中 20 年内有一次大修需 60 天，每年有一次小修， 每次需 2 天，则
年工作日为：（365×20-60-2×20）÷20=360 天 本设计给定高炉年产量 235 万吨，故高炉炼铁车间日产量（P）
高炉各部分尺寸有一定相关性，各个尺寸件的相对关系条件决定了高炉的整个炉
型。高炉各部分主要参数的相关性条件如表 3 所示。
项目 D/d
表 3 高炉内型计算的主要参数
厚壁高炉经验公式 1.10~1.20(Vu300~1000m3)
薄壁高炉经验公式 1.14~1.20(Vu2000~5000m3)
第5页
设计（论文）专用纸
1.1 高炉相关生产数据设计 ................................................... 1
1.1.1 年工作日............................................................ 2 1.1.2 高炉有效容积........................................................ 2
炉腹角α
一般为 78~82
75~78
炉腰高度 h3 调整高炉容积用，一般 1.0~3.0 调整高炉容积用，一般 1.0~3.0
炉身角β
一般为 80~83
一般为 79~83
风口高度 hf
h1-hf=0.5~0.6
h1-hf=0.5~0.6
下面就高炉各个部分的尺寸设计计算进行说明。
1.2.1 炉缸结构尺寸
设计指标。不同炉型的高炉高径比范围见表 1
表 1 高炉的有效高度与炉腰直径的比值
巨型高炉
大型高炉
中型高炉
小型高炉
约 2.0
2.5～3.1
2.9～3.5
3.7～4.5
可见，随着高炉有效容积的增加，Hu/D 的值在逐渐降低。
我国曾对炉容做过系列设计，并习
惯 性 规 定 Vu ≤ 100 m3 为 小 型 高 炉 ，
2.高炉耐火炉衬及冷却装置 ................................................. 16
2.1 高炉耐火炉衬设计 ....................................................... 16
2.1.1 炉衬破损机理....................................................... 16 2.1.2 高炉用耐火材料..................................................... 16 2.1.3 高炉炉衬的设计与砌筑............................................... 18
2.2 高炉冷却设备 ........................................................... 22
2.2.1 冷却设备的作用 ..................................................... 22
设计（论文）专用纸
1.3.1 设计参数汇总 ....................................................... 13 1.3.2 本炉型设计特点 ..................................................... 15
一般为 0.65~0.72，大高炉取值
d1/d
0.73~0.77(Vu2000~5000m3)
高
Hu/D
一般为 2.0~4.0
h1=（0.12~0.15）Hu ,或 h1=hf+a；
炉缸高度 h1
hf—风口中心线高度；
a---0.5~0.7
1.9~2.4(Vu2000~5000m3)
h1=（0.124~0.170）Hu (Vu2000~5000m3)
≤510
≤330
4000 2.0~2.3
5000 2.0~2.25
≤505
≤500
≤310
≤310
ຫໍສະໝຸດ Baidu
本设计中，设计任务书给定：焦比（K）为 460kg，煤比（K’）为 120kg，煤粉置 换比 0.75。所以，高炉的
综合焦比 K综 K K'0.75 4601200.75 55（0 kg）
有效容积利用系数
第2页
设计（论文）专用纸
Vu=255～620 m3 为中型高炉，Vu>600 m3 为大型高炉（现在把小于 1000 m3 的高炉统称 为小型高炉）。把高炉分为大、中、小型是因为在设计炉型时，每种类型的高炉对于 某些参数的选取有共同之处。近代 Vu>4000 m3 的高炉称为巨型高炉，其设计参数的选 取与一般大型高炉也有差别
3.参考文献 .................................................................... 25
设计总结和感言 ................................................................ 26
1.2 高炉内型设计 ............................................................ 4
1.2.1 炉缸结构尺寸........................................................ 6 1.2.2 炉腰结构尺寸........................................................ 9 1.2.3 炉腹结构尺寸....................................................... 10 1.2.4 炉喉结构尺寸....................................................... 10 1.2.5 炉身结构尺寸....................................................... 11 1.2.6 其余结构尺寸....................................................... 12 1.2.7 炉容校核........................................................... 12
现代的高炉本体主要由炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五部分组成，称为“五段 式”高炉。
本次设计以“五段式”高炉为基，设计高炉内型。（各部分尺寸符号见图二。）
第4页
设计（论文）专用纸
d1
h5
h4
Hu
h0 h1 h2 h3
β
D
α 风口中心线
渣口中心线 d
铁口中心线
hf hz
图二 高炉内各部分尺寸及表示方法
法兰间的距离为高炉全高。
高炉的有效高度对高炉内煤气与炉料之间的传热、传质过程有很大的影响。在相
同炉容和冶炼温度条件下，增大有效高度炉料与煤气流接触的机会增多，有利于改善
传热、传质过程，降低燃料的消耗；但过分增加有效高度料柱对煤气的阻力增大，容
易形成料供对炉料下降不利，甚至破坏高炉顺行。
有效高度与炉腰直径的比值（Hu/D）是表示高炉“矮胖”或“细长”的一个重要
高炉炉型下部的圆筒部分称为“炉缸”。炉缸部分需设计计算的结构尺寸有炉缸
直径（d）、风口数目（n）高度（ hf ）和炉缸高度（ h1 ）。而炉缸的容积直接由炉缸
直径决定。 炉缸的上部为风口的燃烧带，下部空间容积盛装液态渣铁。故，炉缸的容积不仅
应保证足够数量的燃烧燃料，而且应能容纳一定数量的铁和渣。 炉缸的上、中、下部位分别设有风口、渣口与铁口，现代大型高炉大多不设渣口。
ηV
I K综
1000
1.1 4 10 00 550
2.0（7 t/(m3 d)）
I——冶炼强度单位为 t/( m3 .d),一般为 1.05～1.25t/( m3 .d),在本设计中取 1.14t/( m3 .d)
炉容
Vu
P ηV
6527.78 3149.3（7 m3） 2.07
第3页
设计（论文）专用纸
如表 2 所示，不同炉容级别高炉各项生产指标各有变化。
表 2 设计年平均利用系数、燃料比和焦比
炉容级别/m3 设计年平均利用系 数 t·(m3·d)-1 设计年平均燃料比 Kg·t-1
设计年平均焦比 Kg·t-1
1000 2.0~2.4
≤520
≤360
2000 2.0~2.35
≤515
≤340
3000 2.0~2.3
P
年总产量 年工作日
23510000 6527.78(t / d ) 360
1.1.2 高炉有效容积
高炉大钟下降位置的下缘到铁口中心线间的距离称为高炉有效高度（Hu）；对于
无钟炉顶，高炉有效高度为旋转溜槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的距离。在有
效高度的范围内，炉型所包括的容积为高炉有效容积（Vu）。而从铁口中心线到炉顶
炼铁高炉本体设计说明书
专业班级：冶金工程 093 班 学生姓名：蔡知之 指导教师：刘秉国 完成时间：2021 年 5 月 13 日
设计（论文）专用纸
目录
1.高炉本体设计 ............................................................... 1
2.2.2 冷却介质冷却介质................................................... 22 2.2.3 冷却板（又称扁水箱）............................................... 23 2.2.4 板壁结合冷却结构 ................................................... 23 2.2.5 新型冷却壁——铜冷却壁 ............................................. 23 2.2.6 炉身冷却模块技术................................................... 23 2.4.7 水冷炉底........................................................... 23
设计（论文）专用纸
1.高炉本体设计
高炉是横断面为圆形的圆筒状炼铁竖炉。外部用钢结构做支撑，表面为钢板作
的炉壳，壳内砌耐火砖内衬。现代高炉被称为“五段式”高炉，其高炉本体自上而下 分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸 5 部分。（“五段式”内型如图一所示。）
高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔 剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预 热的空气。在高温下焦炭（现代高炉也辅助性地喷吹 煤粉、重油、天然气等燃料代替焦炭）中的碳同鼓入 空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升 过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的 铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等 熔剂结合生成炉渣，与铁分离为两相，后从渣口排出 （有的从铁口与铁液一同排出）。产生的煤气从炉顶排 出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等 的燃料。
1.2 高炉内型设计
高炉内型是指高炉内部工作空间中心纵剖面的轮廓。合理的炉型应该满足高产、 低耗、长寿的要求，能够很好的适应炉料的顺利下降和煤气的上升运动，以保证冶炼 过程的顺利。
在长期生产实践过程中，高炉内型随着原料条件的改善、操作技术水平的提高、 科学技术的进步而不断地发展变化。高炉内型的演变过程大体可以分为三个阶段：① 无型阶段、②大腰阶段、③近代高炉阶段。
高炉冶炼的主要产品是生铁，另外还有副产高炉渣 和高炉煤气。高炉炼铁具有技术经济指标良好，工艺 简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点。 目前这种方法生产的铁已占世界铁总产量的绝大部 分。
图一 “五段式”高炉内型示意图
1.1 高炉相关生产数据设计
在本次设计中，需要设计和计算的高炉相关生产数据，主要包括：高炉日产量（P）、
第1页
设计（论文）专用纸
高炉有效容积利用系数（ ηV ）和高炉有效容积（Vu ）。
1.1.1 年工作日
高炉的一代寿命为 20 年，其中 20 年内有一次大修需 60 天，每年有一次小修， 每次需 2 天，则
年工作日为：（365×20-60-2×20）÷20=360 天 本设计给定高炉年产量 235 万吨，故高炉炼铁车间日产量（P）
高炉各部分尺寸有一定相关性，各个尺寸件的相对关系条件决定了高炉的整个炉
型。高炉各部分主要参数的相关性条件如表 3 所示。
项目 D/d
表 3 高炉内型计算的主要参数
厚壁高炉经验公式 1.10~1.20(Vu300~1000m3)
薄壁高炉经验公式 1.14~1.20(Vu2000~5000m3)
第5页
设计（论文）专用纸
1.1 高炉相关生产数据设计 ................................................... 1
1.1.1 年工作日............................................................ 2 1.1.2 高炉有效容积........................................................ 2
炉腹角α
一般为 78~82
75~78
炉腰高度 h3 调整高炉容积用，一般 1.0~3.0 调整高炉容积用，一般 1.0~3.0
炉身角β
一般为 80~83
一般为 79~83
风口高度 hf
h1-hf=0.5~0.6
h1-hf=0.5~0.6
下面就高炉各个部分的尺寸设计计算进行说明。
1.2.1 炉缸结构尺寸
设计指标。不同炉型的高炉高径比范围见表 1
表 1 高炉的有效高度与炉腰直径的比值
巨型高炉
大型高炉
中型高炉
小型高炉
约 2.0
2.5～3.1
2.9～3.5
3.7～4.5
可见，随着高炉有效容积的增加，Hu/D 的值在逐渐降低。
我国曾对炉容做过系列设计，并习
惯 性 规 定 Vu ≤ 100 m3 为 小 型 高 炉 ，
2.高炉耐火炉衬及冷却装置 ................................................. 16
2.1 高炉耐火炉衬设计 ....................................................... 16
2.1.1 炉衬破损机理....................................................... 16 2.1.2 高炉用耐火材料..................................................... 16 2.1.3 高炉炉衬的设计与砌筑............................................... 18
2.2 高炉冷却设备 ........................................................... 22
2.2.1 冷却设备的作用 ..................................................... 22
设计（论文）专用纸