《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—2．70；》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4：063？m3：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1000》m3：～4000m3【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！00m3～40【0，0m3级高炉—的低合金高》强度结构钢(Q34！5C、BB》503、ALK【490、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！0m3～400【0m3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100！0m3？～4000m—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100【0m3～500【0m3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ADINA【。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．？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1：50℃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》。。m，3～4000m3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 【