6 — 壳：。体结构设计 】。。 6】．1  《高，炉壳体结构》 《 《6．1．1  新中！国，。成立：后我国炼铁技术经】历了50多年的【。发展炉体支》。撑结构由完全自主】式发展到大框架自】立式体系本条提出的！“高炉壳体》应采：用自立式结构”【是指带炉体框—架和炉顶刚》。架的结？构这种形式》的特点是壳》体承受？钟阀式炉《顶装料设备的大小】料斗和？布料器等重量或无钟！。式炉顶的旋》转溜槽部《分和中心喉管—等重量其他荷载如】钟阀式炉顶大—小料钟等重量—。或无钟？式炉顶？料仓：和受料斗以及—密，封阀等重量、—皮带通廊端部支点反！力和煤气上》升管重量《等都是通过炉顶【钢架和炉《。体框：架传给高炉基础另】外通：过炉：喉与炉体框架顶层】。平台：的特殊构造措施,】能使炉体自由热胀】冷缩并能共》同承担水平荷载【；，有利于生产操作和】高炉大修；适应多风！口的需要；为灵【活布置出《场，提供了？。方，便等 ？ 《 6．1．2  】高炉壳？体结构？的主要作用是保证】高炉内衬砌体的稳定！、固定冷却设—备、承受炉内—。气体压力、内衬膨】胀等荷载另外—还起密封《作用 ？  —  ： 壳：体的：形状要求应与炉【体类型、炉衬厚【度、冷却《设备的结构形式【相，适应按冶炼工艺流】程高炉炉型由—若，干部分组成即分为】炉缸：、炉腹、炉腰、炉身！和炉喉等《部分相应《的，壳体就分成炉缸【段、风？口段、炉腹段、【炉腰段、炉身段【。、炉喉段和煤气封罩！等段 6！．1．3  高炉冶！炼，过程是在壳体—密封：的竖炉内运行其特】点是炉料与煤—。气在逆流运行过【程中完成化》学反：应和物理《变化：即完成还原、造渣、！传热及渣铁》反应：等过程得到化—学成分与温》度较：。为理想的液态铁【水壳：。体结构在特殊—的工作条件下—与，一般压力容器—和钢结构有所不【同其荷载工况和受力！状，况十分复杂》工作条件恶劣壳体】一旦：损坏将？会酿：成重大事故给人【身安全、国》家财产、经济效益】、环境保《护等带？来，不可弥补的》损失基？于这：种复杂性和重要性经！生产实践《检验：的各种容积》壳体厚度是》确定今后《壳体结构设计—厚度：的基础2《0世纪80年代以前！我国：高炉壳体厚度—的计算几乎都采用前！苏联的经《验计算公式 ！ ， ，t＝K·D    ！ ，      —。   ？  ：     (1)】 —    式中t【计算部位壳体厚【度(mm)； 】。      ！     D计算】部位：外壳弦带直径(m】)； 】       【 ，  K系数根据弦】带，部，位选择 《 《   ？  系数《K是：经，验数据各部位—K值取法不一样如】。炉顶封板K值为3．！60～？4．：00：；对炉？腰、炉腹、炉缸【、炉：底为2．7》0；：对炉身？取K值为2．00～！2．20近二三十】年高炉向大容积【高风温、高风压发】展系：数K值有所》。提高如新日铁在80！年代为宝钢设计的】。4063m3高【炉炉身处K值为【2．：。40～3．40【炉腰、炉腹处K【值，为3．70风口【处K值为5．60底！。板K值3．70【近20年来随着强化！冶炼技术的发展冶】炼强度的提高—和一代炉役寿命的延！长对壳结构的—工作年限提出了【新的要求我国—是世界上产铁大国】。在高炉冶炼技—术，方面积累了1000！m3～40》00：m3级？大型高炉的设—计和实践经验—。前苏联的KD公式已！不，适，应于现代化大型高】炉壳体结构使用寿】命的要？求，。高，炉壳体处《在特殊的工》作条件下考虑—壳体各处《的受力状况、—孔，洞对壳体断面—的削弱、孔洞边缘应！力集中、热应力和热！疲，劳的存在以及砌体的！烧蚀和冷却》设备的损坏等诸多】因素后经《综，合比较分析总结【出各段壳《体厚度与直径—普遍存在的规律【根据数理统计的【基本概念将钢铁企】业各大？设，计院10《00m3～4—。000m3级高炉】的低合金高》强，。度结构？钢(Q345C【、BB50》3、ALK》4，90：、WSM《5，0C)各《段壳体直径D(【m)作为横坐标壳】体厚：度t(？mm)作为》纵坐标把各炉容【相应的直径》。和厚度关系值点【。。绘在平面《直角坐标纸上其【关系近？似于一？直线散？点，图表明壳《体，厚度与直径之间存】在一定的依赖—关系但？。又并非精确的确【定性关系即厚度t值！在一定程度上依赖】直，径D的取值两者间存！在某种？线性：相关关系通过对1】4座1？00：0，。m3～4000m3！级高炉的每》段壳体厚度与直径进！行一元线性回—归得出了本条的【。(6．1．3-1)！～，(6．1．》。3-7)回》归方程式回归—线见图？1～：图，。7其相关系数除【炉喉：段较低？外其余均大于0．】8表明壳《体厚度t与直径【D之间的线》性相关显《著各容积高炉壳【体厚度的诸》散点几乎都在—回归直线上或散【布于直线《两，旁回归分析的回【归，线为理想的》配合线？另外根据《冶炼工艺和荷载工】况，以及一代炉役的使】用寿命？取±2Sy标准【差此时概率P—为，97．70》％因此,回归—方程式？可，用于1000m【3～4000—m，3，。。级高炉壳体厚度选择！的计：算值在工程》设，计中最终确定壳体厚！度时尚应根》据应力状态、钢材】材质：、生产操《作，等情况综合考—虑实际存《在的有？利(如钢《。。材性能提高、冷却】设备：的改进等)或不利(！如孔洞间距过小等)！因素可适当增减钢】板厚度 》 ， ：  ：   炉身上段和】。下段等散点》图诸散点距回归【直线较远表明这些炉！段壳体厚度t—与直径？。D之间没有线性【相关：关系或？者相关不显著因此】不能：用回归方程来确定】壳体厚度总》结几十年的设计和生！产，实践经？验可采用《条文中提出》。的简化？方法初步确定厚度 ！ ，    【 本条提出的确定】壳体厚度的回归方】程式：和，简，化方法是《。总结：我国几十年高炉冶炼！技，术的综合《成果具？有可靠性《和可操作《性 》 ？ ？ — ， 【6．：1．4  》第6．1《．3条？提出了不同部位确定！壳体厚度的计算【式，是我国几十年来【炼铁技术中高炉【设，计和生产《实，践经验的《。。总结体现了我国【。广大工程技术人员和！科技工作者》经过比较、选择【、分：析的综合研》究成果？是纳入规范内容【的，基本前提仅仅—这一点还是不—够的在计算机发达】的时代理论分析亦是！一个：重要的辅助手段【两者结合方能反【映出设计的严谨【性和科？学性 》 ？    《壳体由不同直径和不！同，厚度的？锥体：组成壳？体上还开有》1m以上风口数十】个铁口数个又—有数千？个冷却壁(板)的安！装孔还有《一些观察《和检测孔孔的形状】、大：小以及分《。布状态？等变化繁《多、群孔汇集—造成：壳体总体和局—部不：连续使？壳，体总：的应力分布和变【形产生显著》的不均匀《性壳体所受的荷【载复杂？。且种类繁《多有壳体自重和【附属：物，重、内衬荷重、【炉，料荷重、炉》内煤气压力、内衬】。膨胀力、《。铁水压力以及壳【体内外温差引—起，的作用力《。等这些荷载将引起竖！向力：和环向力壳体—承受双？向应力且以环向应】力为主竖向应力较】小，在壳体的不同高【度上竖向和环—向应力的比值是变】化的：两个方向的比值不同！孔边的应力》分布和应力集中程度！亦不相同《孔的几何形状相同而！外加应力状态不同应！力集中系数也是变化！。的应力集中对—强度的影响》。是有实用价值对【壳体承载力具有理】论意义的因此为进】一步弄清壳体—在荷载工况作—用下的应力大小【及分布规律和—孔边应力《集中程度规范—在编制中中冶赛迪工！程技术股份有限公】司与重庆大学—合作开展了》1，。000m3～500！0，m3工艺炉炉—壳钢材性能指—标及分析设》计方法理《论分析分析手段采】用大型有限元程序A！DINA和》ANS？。。Y，S对高炉壳体结构】的受力状态进行【了，弹性计算分析理【论分析结果》表明当壳体结构连续！部位计算《点上的应力强度【(组合应《力的：当，量强度？)，还远：小于：钢材：的，许用极限时壳体转】折处和孔《洞边：缘的应力强度已超】过许用极限本条在理！论计算和分析国【内外有？。关文献资料的基础上！结合生产实》践经验并考虑一代炉！役15年工作年限等！因素后？提出：应力强度的许—用极限值 【 6《．1．5  —高炉壳体的整体应】力是遍布于整个壳】。体，的基本应力如—壳体及其附属物【的自：重、炉料产》生的竖向应力以及】内压产生《的环：向应力？等当：应力超过钢材—的屈服强度时钢【板产生？塑性变形《最后导致壳》体钢板丧失承载【能力：   】  高炉壳体的炉身！和炉腹处通常开【有许多冷却板—(壁)的安》装孔其？数量众多如》果完全按实际开孔】情，况进行整体有限元建！模受计算机》容量及内存的—限制往往很难—实现根据研究—可以根？据开孔？。率的大小对此段【壳体的截面参数(】壳体厚度、》截面刚度等》)乘以相《应的折减系数后按连！续结构进行分析以简！化计算 】     壳—体的局？部应：力主：。要发生在总体结构】。不连续处(例如炉喉！与外：封板、炉身与炉【腰、炉腰与炉腹壳体！连，接处以及《厚度改变处》等)以？及，局部结构《不连续区《(如壳体开孔处的】孔洞周边等)在这】些局部区域应—力高度集中虽然【其分布在很》小的范？围内但？弹性：分析时往往会超【过材料屈服强度【的，数倍形成壳体结【构的薄？。弱点因此应进行【局部应力分析 】 6．1．7！  有限元分析的精！度在：很大程度上依—。赖，于单元类《型的选择及单—元尺度的《大小为保证计算精】度在进？行单：元划分时单元—的尺：寸不宜太《大根据？。。。。所，作的研究如果单元】的最大边长不大于】壳体壁厚的5倍有限！元计算结果偏差较】小 【 ，   ？对壳体转折处、开】孔边缘等《应力集中《部位、风口等两相】邻孔洞？之间截面削》弱较大的区》域若网格《划分太大则有限元计！算结果会严重失真】所以规？定单元的最大—边长不应《。大于：该处壳体厚度的【0．15R此时可得！。到较精确的计—算结果 》 ？ 6．1．8 【 由于高炉壳—体的：有限元分析采用的是！弹塑性分析方法【弹性分析时采—。。用的叠？加原理不再适用【即不能？。采，用先按荷载工况分】别计算内力再进行最！不利组合《的方法因此》当承受多种荷载工况！组，合而不能准确—。判断其控《制工：况时应分别按可【能存在？的最不利荷载—工，况进行组合》后，再进行计算从中找出！最不利内力控制值】 ， 6—。。．1．9  高炉】壳，体钢板内外面存在温！度差(△T)—高炉在正常工作状】态时根据《测试结？果壳体的计》。算温度均在150℃！以下其内外表—面的：温，度差在？10℃？以内由于《壳，体钢板内《表面温度高外表面】温度：低导致？内表面？产生压应力》外表面产生》。拉应力壳《体在弹性阶》段可按式6．1．9！计算 ？ 6．1．！10：  本规《范，5．1节推荐选用】的，钢材：都是塑性性》能非常？良好：的，钢材结构的塑—性分析可以充分利用！钢，材的蕴藏能力对【于壳体开孔周边【更能够？反映壳体实际的应力！分布：情况及壳体内的应】力水平通过》几座2000—m3～400—0m3级别高炉【的弹性和弹塑性【计算分析表明在【弹性分析《时壳体大部分—的应力？都在许用应》力范围内《由于环向拉应力的作！用在部？分孔：的，边缘出现不同程【度的：应，力集中？尤，。其在冷却孔边缘较】为突出随着外荷载】的增：加应力集中点出【现较小的塑》性屈服？区，根据塑性强度理论】分析这种小的局部】屈服区还不能引【起壳体失《去承：载，力随着外荷载的继】续增：加塑性区不》断扩展相邻孔的【应力塑性《。区有逐渐汇合的【趋势整个壳体—的应：力也逐渐向高应【力转变孔与孔之间】塑性：屈服：区迅速扩大出现【。局部塑性区连通的现！象但由于其》他，大部分区域仍—然，处于弹性范围能【有效地控制塑—性连通区的发展随】着外加应《。力，的进一？步增：加塑性区域继续【扩展直至《贯通根据塑性强【度理论分析此时的壳！体结构已经失去【承载：力已不？能满足高炉生产使用！的要：求鉴于壳《体承受荷载工况【的复：杂性和高《炉破坏后《果的严重性本—。条提出塑《性区域的扩》展不应？大于孔边净间—距，的1／3 —