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5：0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20？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？3．6？0，～4．00；对【炉腰、炉腹》、炉缸？、炉底为2．70；！对，炉身取K值为2．0！0～2．20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《40：63m？3高：炉炉身处K值—为2．40～3．4！0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1！00：0m3～《。400？0m3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1】000m3～—4，000m3级—高炉的低合》金高强度结构钢(Q！345C、BB【503、《ALK490、【WSM50C)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14座10【0，0，m3～4000m】3，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±2S《y标准差《此时概率P为97】．70％因此,【回归方程式》可用于？10：00：m3～4000m3！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10【00m？3～5000m3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ADI—NA和A《NSYS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0．15【R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1：0℃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200！。0m3～40—00m3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 — ，