《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】．，60：～4．00；对炉腰！、炉：腹、炉缸、炉底为2！．70；对》炉身取K《。值为：2．00～2．2】0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！。63m3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2》0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1000m3～！4，000？m3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？1000m3～4】000m3级—高，炉的低合金高强【度，结构钢(Q34【5，C、BB5》03、ALK490！、WSM50—C)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1000m3～4！000m3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？1，000m《3～4000m3】。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1《。。000m3～5【000？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ADIN》A，和ANS《。YS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．】1，5R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2000m3～4！000m3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 》