？ 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3．60—～4．？00；对炉腰—、炉：腹、炉缸《、炉底？为2．7《0；：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》6，3m3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1000m】3～4000m3级！大型高炉的设计和】实，践经验前苏》联的K？D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，。1000m3—～400《0m3级高》炉的低合金》高强度？。结构钢？(Q345C、BB！503、AL—K490、》WSM5《。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14座100】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±2—Sy：标准差此《时概率P为97【．70％因此,【回归方程式》。可用于10》。00：m3～4《000m3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1000！。m3～50》00m？3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ANSYS】。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1？5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20【00m3～4000！m3：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 《