： 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8】0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3．6》0～4．00；对】炉腰、炉腹、炉缸】、炉：底，为2．7《0，；对炉身《。取K值为2．—0，0～：2．2？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～】。3．40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—3～4000m【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1000》m3～4000m】。3级高炉的低合【金高强度结构—钢(Q？3，4，5，C、BB5》03、ALK490！、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1《4，座，1000《m3～4000m3！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±2S【y标准差此》时概率P为97【。．70％因此,回归！方程式可用》于1000》m3～4000m】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1？m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10【。00m3～》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ADIN！A和A？NSYS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15—0℃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2000m【3～4？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 ？