？ ，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3．6【0～4．00；【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8【0，年代为宝钢设计的4！063m3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10【00m？3，～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1000m！3～4000m【3，级，高，。炉的低合金》高强度结《构钢(Q345【C、BB50—3、A？LK4？。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1—000m3～400！。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±2S》y标：准差此？时，概率P为97．7】0，％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1000m3～】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！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—．1．1《0  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—00：0m3～4》000m《3，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 【