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6 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計6、1。高爐殼體結(jié)構(gòu)6.1，1,新中國成立后我國煉鐵技術(shù)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展,爐體支撐結(jié)構(gòu)由完全自主式發(fā)展到大框架自立式體系。本條提出的.高爐殼體應(yīng)采用自立式結(jié)構(gòu)，是指帶爐體框架和爐頂剛架的結(jié)構(gòu)，這種形式的特點是.殼體承受鐘閥式爐頂裝料設(shè)備的大小料斗和布料器等重量或無鐘式爐頂?shù)男D(zhuǎn)溜槽部分和中心喉管等重量。其他荷載如鐘閥式爐頂大小料鐘等重量或無鐘式爐頂料倉和受料斗以及密封閥等重量,皮帶通廊端部支點反力和煤氣上升管重量等都是通過爐頂鋼架和爐體框架傳給高爐基礎(chǔ)。另外.通過爐喉與爐體框架頂層平臺的特殊構(gòu)造措施，能使?fàn)t體自由熱脹冷縮,并能共同承擔(dān)水平荷載.有利于生產(chǎn)操作和高爐大修,適應(yīng)多風(fēng)口的需要，為靈活布置出場提供了方便等，6,1,2.高爐殼體結(jié)構(gòu)的主要作用是保證高爐內(nèi)襯砌體的穩(wěn)定,固定冷卻設(shè)備.承受爐內(nèi)氣體壓力。內(nèi)襯膨脹等荷載，另外還起密封作用 殼體的形狀要求應(yīng)與爐體類型，爐襯厚度。冷卻設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式相適應(yīng)、按冶煉工藝流程高爐爐型由若干部分組成,即分為爐缸 爐腹，爐腰、爐身和爐喉等部分，相應(yīng)的殼體就分成爐缸段,風(fēng)口段,爐腹段.爐腰段。爐身段，爐喉段和煤氣封罩等段，6。1。3.高爐冶煉過程是在殼體密封的豎爐內(nèi)運行.其特點是爐料與煤氣在逆流運行過程中完成化學(xué)反應(yīng)和物理變化,即完成還原，造渣、傳熱及渣鐵反應(yīng)等過程。得到化學(xué)成分與溫度較為理想的液態(tài)鐵水,殼體結(jié)構(gòu)在特殊的工作條件下。與一般壓力容器和鋼結(jié)構(gòu)有所不同.其荷載工況和受力狀況十分復(fù)雜.工作條件惡劣、殼體一旦損壞將會釀成重大事故。給人身安全,國家財產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境保護(hù)等帶來不可彌補(bǔ)的損失、基于這種復(fù)雜性和重要性 經(jīng)生產(chǎn)實踐檢驗的各種容積殼體厚度是確定今后殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度的基礎(chǔ)、20世紀(jì)80年代以前我國高爐殼體厚度的計算幾乎都采用前蘇聯(lián)的經(jīng)驗計算公式,t,K D。1。式中 t 計算部位殼體厚度 mm,D，計算部位外殼弦?guī)е睆?，m,K 系數(shù).根據(jù)弦?guī)Р课贿x擇、系數(shù)K是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。各部位K值取法不一樣，如爐頂封板K值為3,60。4,00。對爐腰,爐腹。爐缸，爐底為2，70。對爐身取K值為2.00，2，20、近二三十年.高爐向大容積 高風(fēng)溫，高風(fēng)壓發(fā)展、系數(shù)K值有所提高，如新日鐵在80年代為寶鋼設(shè)計的4063m3高爐。爐身處K值為2。40，3。40。爐腰，爐腹處K值為3、70。風(fēng)口處K值為5.60 底板K值3，70、近20年來,隨著強(qiáng)化冶煉技術(shù)的發(fā)展，冶煉強(qiáng)度的提高和一代爐役壽命的延長、對殼結(jié)構(gòu)的工作年限提出了新的要求,我國是世界上產(chǎn)鐵大國，在高爐冶煉技術(shù)方面.積累了1000m3、4000m3級大型高爐的設(shè)計和實踐經(jīng)驗，前蘇聯(lián)的KD公式已不適應(yīng)于現(xiàn)代化大型高爐殼體結(jié)構(gòu)使用壽命的要求 高爐殼體處在特殊的工作條件下 考慮殼體各處的受力狀況.孔洞對殼體斷面的削弱、孔洞邊緣應(yīng)力集中,熱應(yīng)力和熱疲勞的存在以及砌體的燒蝕和冷卻設(shè)備的損壞等諸多因素后。經(jīng)綜合比較分析，總結(jié)出各段殼體厚度與直徑普遍存在的規(guī)律.根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的基本概念。將鋼鐵企業(yè)各大設(shè)計院1000m3 4000m3級高爐的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼.Q345C、BB503,ALK490。WSM50C.各段殼體直徑D,m 作為橫坐標(biāo)、殼體厚度t mm.作為縱坐標(biāo).把各爐容相應(yīng)的直徑和厚度關(guān)系值點繪在平面直角坐標(biāo)紙上 其關(guān)系近似于一直線.散點圖表明殼體厚度與直徑之間存在一定的依賴關(guān)系，但又并非精確的確定性關(guān)系 即厚度t值在一定程度上依賴直徑D的取值，兩者間存在某種線性相關(guān)關(guān)系.通過對14座1000m3,4000m3級高爐的每段殼體厚度與直徑進(jìn)行一元線性回歸、得出了本條的、6。1。3.1。6，1。3、7、回歸方程式?；貧w線見圖1 圖7,其相關(guān)系數(shù)除爐喉段較低外。其余均大于0 8.表明殼體厚度t與直徑D之間的線性相關(guān)顯著，各容積高爐殼體厚度的諸散點幾乎都在回歸直線上或散布于直線兩旁、回歸分析的回歸線為理想的配合線.另外根據(jù)冶煉工藝和荷載工況以及一代爐役的使用壽命 取 2Sy標(biāo)準(zhǔn)差.此時概率P為97,70.因此.回歸方程式可用于1000m3。4000m3級高爐殼體厚度選擇的計算值 在工程設(shè)計中最終確定殼體厚度時,尚應(yīng)根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)。鋼材材質(zhì),生產(chǎn)操作等情況、綜合考慮實際存在的有利.如鋼材性能提高、冷卻設(shè)備的改進(jìn)等，或不利、如孔洞間距過小等.因素可適當(dāng)增減鋼板厚度.爐身上段和下段等散點圖。諸散點距回歸直線較遠(yuǎn),表明這些爐段殼體厚度t與直徑D之間沒有線性相關(guān)關(guān)系或者相關(guān)不顯著 因此、不能用回歸方程來確定殼體厚度，總結(jié)幾十年的設(shè)計和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗?？刹捎脳l文中提出的簡化方法。初步確定厚度.本條提出的確定殼體厚度的回歸方程式和簡化方法是總結(jié)我國幾十年高爐冶煉技術(shù)的綜合成果,具有可靠性和可操作性.6，1 4,第6,1。3條提出了不同部位確定殼體厚度的計算式 是我國幾十年來煉鐵技術(shù)中高爐設(shè)計和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的總結(jié)、體現(xiàn)了我國廣大工程技術(shù)人員和科技工作者經(jīng)過比較,選擇。分析的綜合研究成果.是納入規(guī)范內(nèi)容的基本前提、僅僅這一點還是不夠的、在計算機(jī)發(fā)達(dá)的時代，理論分析亦是一個重要的輔助手段。兩者結(jié)合方能反映出設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，殼體由不同直徑和不同厚度的錐體組成 殼體上還開有1m以上風(fēng)口數(shù)十個、鐵口數(shù)個 又有數(shù)千個冷卻壁.板。的安裝孔.還有一些觀察和檢測孔，孔的形狀。大小以及分布狀態(tài)等變化繁多 群孔匯集,造成殼體總體和局部不連續(xù).使殼體總的應(yīng)力分布和變形產(chǎn)生顯著的不均勻性、殼體所受的荷載復(fù)雜,且種類繁多，有殼體自重和附屬物重。內(nèi)襯荷重 爐料荷重,爐內(nèi)煤氣壓力.內(nèi)襯膨脹力.鐵水壓力以及殼體內(nèi)外溫差引起的作用力等.這些荷載將引起豎向力和環(huán)向力。殼體承受雙向應(yīng)力。且以環(huán)向應(yīng)力為主 豎向應(yīng)力較小.在殼體的不同高度上、豎向和環(huán)向應(yīng)力的比值是變化的 兩個方向的比值不同?？走叺膽?yīng)力分布和應(yīng)力集中程度亦不相同.孔的幾何形狀相同,而外加應(yīng)力狀態(tài)不同 應(yīng)力集中系數(shù)也是變化的，應(yīng)力集中對強(qiáng)度的影響是有實用價值、對殼體承載力具有理論意義的.因此，為進(jìn)一步弄清殼體在荷載工況作用下的應(yīng)力大小及分布規(guī)律和孔邊應(yīng)力集中程度，規(guī)范在編制中.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司與重慶大學(xué)合作開展了。1000m3 5000m3工藝爐爐殼鋼材性能指標(biāo)及分析設(shè)計方法、理論分析,分析手段采用大型有限元程序ADINA和ANSYS 對高爐殼體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行了彈性計算分析.理論分析結(jié)果表明,當(dāng)殼體結(jié)構(gòu)連續(xù)部位計算點上的應(yīng)力強(qiáng)度,組合應(yīng)力的當(dāng)量強(qiáng)度、還遠(yuǎn)小于鋼材的許用極限時。殼體轉(zhuǎn)折處和孔洞邊緣的應(yīng)力強(qiáng)度已超過許用極限、本條在理論計算和分析國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上.結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗并考慮一代爐役15年工作年限等因素后 提出應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限值、6、1。5、高爐殼體的整體應(yīng)力是遍布于整個殼體的基本應(yīng)力.如殼體及其附屬物的自重,爐料產(chǎn)生的豎向應(yīng)力以及內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力等.當(dāng)應(yīng)力超過鋼材的屈服強(qiáng)度時、鋼板產(chǎn)生塑性變形，最后導(dǎo)致殼體鋼板喪失承載能力 高爐殼體的爐身和爐腹處通常開有許多冷卻板。壁。的安裝孔 其數(shù)量眾多。如果完全按實際開孔情況進(jìn)行整體有限元建模,受計算機(jī)容量及內(nèi)存的限制.往往很難實現(xiàn)、根據(jù)研究,可以根據(jù)開孔率的大小.對此段殼體的截面參數(shù),殼體厚度.截面剛度等.乘以相應(yīng)的折減系數(shù)后按連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以簡化計算、殼體的局部應(yīng)力主要發(fā)生在總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處.例如爐喉與外封板、爐身與爐腰.爐腰與爐腹殼體連接處以及厚度改變處等。以及局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū) 如殼體開孔處的孔洞周邊等、在這些局部區(qū)域.應(yīng)力高度集中。雖然其分布在很小的范圍內(nèi).但彈性分析時往往會超過材料屈服強(qiáng)度的數(shù)倍.形成殼體結(jié)構(gòu)的薄弱點，因此。應(yīng)進(jìn)行局部應(yīng)力分析。6 1 7。有限元分析的精度在很大程度上依賴于單元類型的選擇及單元尺度的大小、為保證計算精度 在進(jìn)行單元劃分時 單元的尺寸不宜太大,根據(jù)所作的研究.如果單元的最大邊長不大于殼體壁厚的5倍、有限元計算結(jié)果偏差較小 對殼體轉(zhuǎn)折處，開孔邊緣等應(yīng)力集中部位 風(fēng)口等兩相鄰孔洞之間截面削弱較大的區(qū)域，若網(wǎng)格劃分太大 則有限元計算結(jié)果會嚴(yán)重失真,所以規(guī)定單元的最大邊長不應(yīng)大于該處殼體厚度的0,15R.此時可得到較精確的計算結(jié)果。6,1.8，由于高爐殼體的有限元分析采用的是彈塑性分析方法。彈性分析時采用的疊加原理不再適用 即不能采用先按荷載工況分別計算內(nèi)力再進(jìn)行最不利組合的方法.因此，當(dāng)承受多種荷載工況組合而不能準(zhǔn)確判斷其控制工況時 應(yīng)分別按可能存在的最不利荷載工況進(jìn)行組合后再進(jìn)行計算.從中找出最不利內(nèi)力控制值。6,1.9。高爐殼體鋼板內(nèi)外面存在溫度差 T、高爐在正常工作狀態(tài)時，根據(jù)測試結(jié)果 殼體的計算溫度均在150,以下，其內(nèi)外表面的溫度差在10。以內(nèi)、由于殼體鋼板內(nèi)表面溫度高、外表面溫度低,導(dǎo)致內(nèi)表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力、殼體在彈性階段、可按式6。1。9計算.6、1，10。本規(guī)范5,1節(jié)推薦選用的鋼材都是塑性性能非常良好的鋼材，結(jié)構(gòu)的塑性分析?？梢猿浞掷娩摬牡奶N藏能力、對于殼體開孔周邊更能夠反映殼體實際的應(yīng)力分布情況及殼體內(nèi)的應(yīng)力水平 通過幾座2000m3.4000m3級別高爐的彈性和彈塑性計算分析表明,在彈性分析時、殼體大部分的應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，由于環(huán)向拉應(yīng)力的作用 在部分孔的邊緣出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。尤其在冷卻孔邊緣較為突出、隨著外荷載的增加，應(yīng)力集中點出現(xiàn)較小的塑性屈服區(qū)。根據(jù)塑性強(qiáng)度理論分析、這種小的局部屈服區(qū)，還不能引起殼體失去承載力。隨著外荷載的繼續(xù)增加 塑性區(qū)不斷擴(kuò)展,相鄰孔的應(yīng)力塑性區(qū)有逐漸匯合的趨勢,整個殼體的應(yīng)力也逐漸向高應(yīng)力轉(zhuǎn)變.孔與孔之間，塑性屈服區(qū)迅速擴(kuò)大，出現(xiàn)局部塑性區(qū)連通的現(xiàn)象。但由于其他大部分區(qū)域仍然處于彈性范圍，能有效地控制塑性連通區(qū)的發(fā)展。隨著外加應(yīng)力的進(jìn)一步增加.塑性區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展。直至貫通。根據(jù)塑性強(qiáng)度理論分析,此時的殼體結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去承載力，已不能滿足高爐生產(chǎn)使用的要求 鑒于殼體承受荷載工況的復(fù)雜性和高爐破壞后果的嚴(yán)重性 本條提出塑性區(qū)域的擴(kuò)展不應(yīng)大于孔邊凈間距的1、3.