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2．0【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5．60底板【K值3．7》0，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《。000？。m3～40》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！。1000m3—～4000m3【级高炉的低》合金高强度结构钢(！Q345《C、：B，B503、》ALK？490、WSM5】0，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1000m3～4！000m3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9】7．7？0％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～】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ADINA！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．！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？。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 】 ，6．1．10  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】2000m3～【4，00：0m3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 ？