高炉

高炉是冶炼的一种设施，也是目前最具有规模经济的冶炼设施。目前所知最古老高炉是中国西汉时代（公元前1世纪）熔炉。

目前所知最古老高炉是中国西汉时代（公元前1世纪）熔炉。在公元前5世纪中国文物中就发现铸铁出土可见该时代熔炼已经实用化。初期熔炉内壁是用粘土盖的，用来提炼含磷铁矿。西方最早的熔炉则是于瑞典1150年到1350年间出现。在这期间的熔炉都是自行发展摸索出现，没有互相传达关系。中国宋代的高炉有的已高达五六米，容积十余立方米，炉的内形已接近于近代高炉，有炉腹角和炉身角，成为两端略小，中间宽大的腰鼓状。可以认为，中国的高炉技术是通过与传播火药及火炮技术相近的途径，在元代开始流传到西方的。欧洲16世纪中叶的高炉已与中国宋代的高炉十分相似，但炉顶口略小一些，一般每6天大约只能出4吨~5吨铸铁，比中国同时期高炉少1倍。从17世纪到18世纪初，欧洲的高炉规格逐渐增加，由6米增至9米，在其他方面并没有实质性的变化。到了18世纪中叶后，则有了两项重要变化。一是焦炭的出现。焦炭的含硫量要少得多,不仅强度高,而且多孔透气,不仅可以代替昂贵的木炭炼铁，而且在增加高炉的高度时,也能承受相应大大增加的炉料的重压，为大型高炉的出现铺平了道路，也使高炉摆脱了对木材(木炭的原料)的严重依赖。二是鼓风技术的进步。在18世纪30年代，英国出现了新的鼓风办法，摆脱水源对高炉地点限制的尝试。1742年,达比第二(Abraham DarbyI)大胆采用了出现不太久的纽科门蒸汽机来鼓风，大大增加鼓风的能力，同时也促使人们研究新的装置来代替又大又笨的皮囊鼓风器。1755年,达比第二在建立新高炉时选用了箱式鼓风器，并由蒸汽机推动。当1782年瓦特的旋转动力蒸汽机出现后直接被用来提供鼓风的动力。到18世纪末，焦炭和蒸汽机就已使英国的炼铁业彻底改变了。19世纪高炉炼铁技术的进步仍依赖于鼓风。高炉用焦炭、蒸汽鼓风机鼓风以及此后的预热鼓风(1828年)、封闭炉顶(1832年)，为高炉逐渐大型化和趋于完善奠定了基础。1832年,鼓风压力达到0.19公斤/厘米²,比18世纪末增加了1倍多。高炉最大容积由1860年前的100~300m³增加到19世纪末的500~700m³。进入20世纪，高炉炉容不断扩大到1000~3000m³，到20世纪后期炉容增加到4000~5000m³，最大的达到6000m³。20世纪50年代开始，高炉技术取得了显著进步，普遍采用了高风温、大风量、精料、风口喷吹、高压炉顶、低硅冶炼等一系列技术措施，使技术指标不断得到改善，焦比大幅度降低。60年代后，随着喷吹燃料技术在高炉炼铁中的不断普及。1966年首都钢铁公司的高炉平均喷煤量达到159kg/t，焦比降到476kg/t。到70年代末，世界先进高炉的焦比已降到550kg左右，高炉利用系数近2.0 t/(㎡’·d)。80年代起，由于油价高涨、焦炉老化、炼焦煤和焦炭短缺及环保对焦炉的限制等因素，世界高炉迅速转向喷煤，到90年代喷煤量最多已达到200kg/t以上，焦比降到300kg/t以下。新中国成立后，炼铁工业经历了20世纪50年代的恢复建设、60年代的三线建设、80年代改革开放后的迅猛发展三个阶段。在我国炼铁工业超高速发展阶段，炼铁技术有了长足进步，高炉操作指标不断改善，高炉容积不断扩大，现代化水平不断提高。

高炉在现代主要用于炼铁，其工作原理是，在生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300℃），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。

高炉的横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。炉体是高炉组成的最基本部分，直接影响到高炉的运转效率和产品质量。

现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍[gū]加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相适应。

高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口。它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到控制炉料和煤气流分布为限。主要起着保护炉衬、合理布料和限制煤气灰被气体大量带出的作用。炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此，在炉喉设置保护板（钢砖）。小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子形状；大高炉的炉喉护板则用100～150mm厚的铸钢做成。炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。变径炉喉护板还起着调节炉料和煤气流分布的作用。

高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻找力。炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。主要起着炉料的预热、加热、还原和造渣的作用。

高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系，比值以取上限为宜。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小范围内变动。炉腰起着缓冲上升煤气流的作用。炉腰部位的物料冲刷严重，所以炉腰是高炉的一个薄弱环节。

高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形，连接着炉缸和炉腰。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于合适位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为3.0～3.6m。炉腹角一般为79～82 ；过大，不利于煤气流分布；过小，则不利于炉料顺行。连接着炉缸和炉腰。其上大下小，也正适应气体体积增加和炉料变成渣铁后体积缩小的需要。炉腹部位温度很高，并有大量熔渣形成，所以渣蚀严重，又是高炉部位的一个薄弱环节。

炉缸是高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。主要起着燃烧焦炭和储存渣铁的作用。随着冶炼强度提高，炉缸直径也在扩大。炉底是高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到1400～4600℃的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却。通常采用风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力。由于炉缸、炉底内衬的侵蚀不易修补，所以炉缸、炉底寿命的长短往往决定着一代高炉寿命的长短。

高炉结构图

高炉炉衬内部温度高达1400℃，一般耐火砖都要软化和变形。高炉冷却装置是为延长砖衬寿命而设置的，用以使炉衬内的热量传递出动，并在高炉下部使炉渣在炉衬上冷凝成一层保护性渣皮，按结构不同，高炉冷却设备大致可分为：外部喷水冷却、风口渣口冷却、冷却壁和冷却水箱以及风冷(水冷)炉底等装置。热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。现代热风炉是一种蓄热式换热器。目前风温水平为1000℃-1200℃ ,高的为1250°C〜1350°C ,最高 可达1450 C〜1550°C。提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风管道结构、预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。理论研究和生产实践表明，采用优化的热风炉结构、提高热风炉热效率、延长热风炉寿命是提高风温的有效途径。

高炉除尘器用来收集高炉煤气中所含灰尘的设备。高炉用除尘器有重力除尘器、离心除尘器、旋风除尘器、洗涤塔、文氏管、洗气机、电除尘器、布袋除尘器等。粗粒灰尘（＞60～90um），可用重力除尘器、离心除尘器及旋风除尘器等除尘；细粒灰尘则需用洗气机、电除尘器等除尘设备。

高炉最重要的动力设备。它不但直接提供高炉冶炼所需的氧气，而且提供克服高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉所用的鼓风机，大多用汽轮机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。近年来使用大容量同步电动鼓风机。这种鼓风机耗电虽多，但启动方便，易于维修，投资较少。高炉冶炼要求鼓风机能供给一定量的空气，以保证燃烧一定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关、一般按单位炉容2.1～2.5m3／min的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的发展，配备的风机能力都大于这一比例。

高炉的规格以其有效容积表示，高炉按容积可分为300、600、750、1000、1200、1500、2000、2500、3000、4000等炉容的高炉。目前世界上最大高炉的有效容积为5580立方米。

高炉除用于炼铁还可生产锰铁、镜铁和硅铁；用作炼钢的脱氧剂或合金添加剂，或用于铸铁厂调配铁水成分。高炉炉渣以水渣或干渣形式用于制造水泥和其他建筑材料等。高炉煤气是钢铁联合企业能源系统的重要组成部分。

高炉炼铁

随着技术的发展和进步，高炉技术将会得到更广泛的应用和发展，取得更好的效果。未来，高炉技术将会出现以下几方面的发展趋势：第一，自动控制技术的应用。高炉的生产操作需要很高的技术水平，随着自动化、大数据等技术的发展，自动控制技术将会得到更广泛的应用，使高炉的生产效率有所提高。第二，新型材料的研究和应用。在高炉的生产过程中，会产生大量的废弃物和二氧化碳等污染物，未来将会研究和开发新型材料，如高温材料和环保材料，以减少污染和资源的浪费。第三，多能源协同利用技术的应用。高炉的生产需要大量的能源，未来将会采用多能源协同利用技术，如风能、水能、太阳能等，以提高高炉的能源效率和资源利用率。