《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2．0—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？063m3高炉炉】身，处K值为《2．4？0～3？．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》1000m》3～：4000《m3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1000m—3～4000m【。3级高炉的低合金】高强度结构》。钢，(，Q345C、—BB503、ALK！490、《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100！0m3～4000】m3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1000m—3，～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100】0m3～5000】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AD！INA和ANSY】S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1：50℃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20《00m？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 — ，