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(m—m)；？ 《   《     》   ？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2．7！。0；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《80年代为宝钢【设计：的4063m3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—5．6？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100》0m3？～40？00m3《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》m3～40》00m？3级高炉《的低合金高强度结构！钢，(Q345C、【BB503、AL】K490、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1：4座1？000m《3～4000m【3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10】00m3～4—0，00m3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1000—m3～500—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ADI！NA：和ANSYS—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？。0．15R》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20《00m3～40【00m3《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 ？