炼铁工艺炉壳体结构技术标准 - 高炉章节

涵盖高炉壳体一般规定、设计计算、构造要求，适用于高炉壳体设计与施工

6.1 一般规定

6.1.1 壳体分段与焊缝要求

壳体结构设计分段时，应符合炼铁工艺设备布置要求，每段壳体的分块宜大块化。壳体焊缝宜设置在开孔较少或开孔间距较大的位置。

6.1.2 壳体构造原则

壳体结构构造应便于制作、运输、安装、检验、维护并使壳体受力明确，并应减少应力集中。

6.1.3 壳体开孔要求

壳体的开孔宜为圆形、椭圆形或长圆形，开矩形孔或方形孔时，直角处应圆滑过渡。开孔应在制作时完成，不宜现场开孔。

6.1.4 钢板拼接焊缝规范

钢板拼接时，纵横两方向的对接坡口焊缝，宜采用T形交叉，不宜采用米字形交叉，T形交叉点的间距不应小于200mm及3倍板厚的较大值。

6.1.5 集中荷载处理

当壳体上作用有较大的集中荷载时，应在集中荷载作用处设置加劲肋。

6.2 设计

6.2.1 壳体整体结构形式

高炉壳体应采用自立式结构，炉底板应支承于基墩上，周围宜设置炉体框架。

6.2.2 壳体外形尺寸确定

高炉壳体（图6.2.2）的外形尺寸应根据炼铁工艺和炉容设计的要求确定。

图6.2.2 高炉壳体分段示意：1-煤气封罩段；2-炉喉段；3-炉身段；4-炉腰段；5-炉腹段；6-风口段；7-炉缸段

6.2.3 壳体各段厚度计算公式

高炉壳体各段的厚度可按下列公式计算（式中：t为壳体钢板厚度，单位mm；D为壳体的内直径，单位m，当为圆锥壳时，采用大端直径）：

  1. 煤气封罩段厚度：（原文未列具体公式，按原文档保留）
  2. 炉喉段厚度：（原文未列具体公式，按原文档保留）
  3. 炉身段厚度：可分为上中下三段分别计算
\( t = 4.20D - 6 \quad (6.2.3-3) \)
  1. 炉腰段厚度：
\( t = 4.60D - 13 \quad (6.2.3-4) \)
  1. 炉腹段厚度：
\( t = 4.70D - 10 \quad (6.2.3-5) \)
  1. 风口段及铁口框周围局部厚度：
\( t = 7.40D - 30 \quad (6.2.3-6) \)
  1. 炉缸段厚度：
\( t = 4.00D - 6 \quad (6.2.3-7) \)

6.2.4 有限元分析要求

高炉壳体结构应采用大型有限元程序分析。高炉壳体结构的有限元分析应包括整体弹性应力分析。当整体弹性应力分析不满足要求时，尚应进行局部弹塑性应力分析。

6.2.5 整体弹性应力分析规范

壳体结构整体弹性应力分析时，宜按壳体的实际尺寸和开孔建立实体模型，并应根据生产过程中在壳体上可能同时作用的荷载进行组合，当量应力的许用极限值应符合下列规定：

  1. 壳体结构连续部位，中面当量应力的许用极限值应取 \( 1.0S_m^t \)，内、外表面当量应力的许用极限值应取 \( 1.5S_m^t \)。
  2. 壳体结构不连续部位，中面当量应力的许用极限值应取 \( 1.5S_m^t \)，内、外表面当量应力的许用极限值应取 \( 3.0S_m^t \)。

6.2.6 局部弹塑性应力分析参数

壳体结构局部弹塑性应力分析时，钢材的应力-应变曲线应符合实际材料的应力应变关系，且可采用具有一定强化刚度的二折线模型，第二折线的刚度值可取为初始刚度值的2%~3%。复杂应力状态下的失效准则应采用Von·Mises屈服条件。

6.2.7 有限元单元划分要求

壳体结构的有限元分析宜采用板壳单元。单元划分时，板壳单元的最大边长不宜大于壁厚的5倍。壳体转折处单元的最大边长不宜大于板厚，风口带及开孔多且截面削弱大的区域以及冷却壁开孔密集区域，单元的最大边长不宜大于板厚的1/3。

6.2.8 荷载工况组合计算

在进行壳体结构的有限元分析时，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不利荷载工况组合计算，从中找出最不利内力控制值。

6.2.9 环向热应力验算公式

壳体钢板内外表面的环向热应力，可按下式验算（式中：\( \sigma_T \)为环向热应力，单位\( N/mm^2 \)；E为钢材的弹性模量，单位\( N/mm^2 \)；\( \Delta T \)为内外温差，单位℃；ν为钢材的泊松比；α为钢材的线膨胀系数，以每摄氏度计）：

\( \sigma_T = \mp \frac{\alpha E \Delta T}{2(1-\nu)} \quad (6.2.9) \)

6.2.10 开孔周边塑性区域控制

对壳体结构开孔周边的塑性发展及应力重分布，当采用局部弹塑性应力分析时，塑性区域的扩展不应大于孔边间距的1/3。

6.3 构造

6.3.1 壳体连接与水平夹角要求

各段壳体的连接应减少转折点，平缓变化。煤气封罩段和炉喉段之间宜采用圆弧过渡，壳体厚度可取两者的平均值。壳体连接处水平夹角宜符合表6.3.1的要求。

序号 名称 夹角（\( \theta_i \)）
1 煤气封罩段 60°
2 炉身段 75°~83°
3 炉腹段 75°~85°
4 炉缸段 85°~90°
表6.3.1 壳体连接处水平夹角

6.3.2 壳体对接焊缝厚度过渡要求

壳体对接焊缝拼接处，内侧应对齐，当钢板厚度不同，且厚度相差6mm以上时，外侧板应做成坡度为1:4~1:3的斜角。

6.3.3 壳体开孔截面与间距规范

壳体开孔截面面积，对炉身段、炉腰段、炉腹段不宜超过壳体全截面面积的55%，孔之间的净距不宜小于100mm；风口段开孔截面面积不得超过全截面面积的80%，且两相邻法兰风口外圆间距（图6.3.3）不宜小于200mm。

图6.3.3 风口法兰外圆间距：1-风口法兰；2-炉壳

6.3.4 开孔与焊缝位置协调要求

壳体开孔时除应符合本标准第6.1.3条的规定外，凡孔边缘距现场横向焊缝不大于50mm及纵向焊缝200mm以内的孔宜在工厂定位，现场焊接完成后切割。

6.3.5 现场横向焊缝坡口开设要求

壳体现场横向焊缝在离端部100mm内不应在工厂开坡口，应在纵向焊缝焊接完成后，横向焊缝施焊前在现场开坡口。

6.3.6 炉底板厚度与连接构造

炉底板厚度宜按表6.3.6采用。环板与炉缸段壳体的连接（图6.3.6）宜采用焊透的T形对接与角接组合焊缝。环板厚度可为炉底板厚度的2倍，宽度可取800mm，在厚度方向应做成1:4~1:3的斜角。炉底板应平整，并应防止焊接变形，底板与水冷梁上翼缘应采用圆形塞焊孔连接，塞焊孔直径应为底板厚度的3倍，填焊高度应大于1/2板厚，且不应小于16mm。

序号 炉容级别（\( m^3 \)） 厚度（mm）
1 1100 16
2 2000 20
3 3000 22
4 4000 25
5 5000 28
表6.3.6 炉底板厚度（注：原文档“11000”应为“1100”，按合理炉容级别修正）
图6.3.6 环板与炉缸段壳体的连接：1-环板；2-炉底板；3-炉缸段

6.3.7 壳体钢材牌号选用要求

除环板和炉底板外，壳体宜采用同一种牌号的钢材，不宜采用两种及以上牌号的钢材。当采用不同类别钢材相焊时，应按本标准第10章的规定进行焊接工艺评定。