。 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2．00～—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8【0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．！7，0风口处K值为【5．6？0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1：000m《3，～400《0m：3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】0，0m3～《。4，000m3级—。。高炉的低《合金高强度结构钢】。(Q345》C、BB5》03：、A：L，K4：90、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1000m！3～：4，00：0m3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【1000m3～4】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1！000m3～—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A？。DINA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《2，000？m3：～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？ ：