（机械设计及理论专业论文）大型高炉炉壳承载能力研究.pdf

摘要 摘 本文研究高炉炉壳的设计和计算工作， 要 介绍了高炉炉壳应力分析方法，针对 鞍钢1 1 号高炉炉壳进行了应力和轴向临界载荷计算，得到鞍钢1 1 号高炉炉壳的 工作承载能力，并且提出了用简单计算公式快速计算临界力的方法。然后对鞍钢 鲅鱼圈1 号高炉炉壳稳定性进行了分析计算，分析了几何参数对高炉炉壳轴向临 界载荷和屈曲模态的影响等方面的工作，为将来制定炉壳设计规范奠定了基础。 针对鞍钢l l 号高炉炉壳因检修需要在炉壳上开孔问题，依据鞍钢1 l 号高炉 实际情况，进行炉壳整体应力计算。并以此为依椐，模拟高炉炉壳开孑l 的模型， 对矩形开口薄壁圆柱壳在轴压作用下的稳定性进行屈曲应力计算。验证鞍钢1 l 号高炉炉壳可靠性。 从炉壳厚度的确定及炉壳上开孔等方面对炉壳的设计进行了分析，用有限 元分析软件对高炉炉壳做了弹性有限元应力分析，给出了炉壳在不同的环向和径 向应力比情况下，进入塑性状态和达到破坏状态的载荷和发展过程。 关键词：高炉炉壳，结构稳定性，临界载荷，屈曲分析 a b s tr a c t t h i st e x ts t u d i e sb l a s tf u r n a c es h e l l sd e s i g na n dc o m p u t e ， i n t r o d u c e si t ss t r e s sa n a l y s i sm e t h o d ，a i m i n ga tn o 1 1b l a s tf u r n a c es h e l l o fa gt op r o c e e dc r i t i c a ll o a dc a l c u l a t i o ni nt h es t a l kd i r e c t i o n t og e t i t sw o r kl o a d i n ga b i l i t y ，a n dp u tf o r w a r dt ou s et h es i m p l ec a l c u l a t i o n f o r m u l af a s tc a l c u l a t i o nc r i t i c a lf o r c e sm e t h o d h o w e v e rt oa n a l y z et h e s t a bilit yo nn o ib l a s tf u r n a c es h e llo fa 6b a y u q u a n ，a n da n a l y z e g e o m e t r yp a r a m e t e ri n f l u e n c ef a c t o rt o w a r d sb l a s tf u r n a c es h e l1 s c r i t i c a ll o a da n df l e e t i o nm o d a l s ，e s t a b l i s ht h e b a s ef o rf u r n a c es h e l l s d e s i g nc r i t e r i o ni nt h ef u t u r e 1 no r d e rt oo v e r h a u ld e m a n do nn o 1 1b l a s tf u r n a c es h e l io fa 6al o t o fh o l e sn e e dt ob eo p e n e do nt h es h e l l a c c o r d i n ga si t sa c t u a lf a c t ， t h ee a l c u l a t i o no fw h o l eb o d ys t r e s so fa gs h e l lw a sc a r r i e do n 0 nt h e b a s i so fa b o v er e s u l t ，s i m u l a t i n gt h eo p e n i n g so nt h es h e l lo fb l a s t f u r n a c e ，t oc a l c u l a t ey i e l ds t r e s sa n a l y s i so ns t a b i l i t yt o w a r d sr e c t a n g l e o p e n i n go ft h i nc y l i n d e rh u l lu n d e rt h es t a l kp r e s sf u n c t i o n t oc h e c k t e l i a b i l i t yo fn o 1 1b l a s tf u r n a c es h e l lo fa g f r o mt h er e s p e c t so fb l a s tf u r n a c es h e l lt h i c k n e s sa n dh o wt o o p e n h o l e so ni tt h ed e s i g no fb l a s tf u r n a c es h e l lisa n a l y z e d ，t h ef e ms t r e s s a n a l y s i sf o re l a s t i e i t ya n dp l a s t i c i t yi sd o n ef o rt h es h e l lw i t ht h ef e m s o f t w a r e ，t h el o a da n dd e v e l o p i n gp r o c e s so fs h e l lo f f e r e dw h e nitc o m e s t op l a s t i cs t a t u sa n dr e a c h e st h eb r o k e np o i n tu n d e rd i f f e r e n tr a t i oo f c jr c u la ra n dr a d ja s t r e s s k e yw o r d s ：s h e ii o fb i a s tf u r n a c e ，s t r u c t u r a is t a b ii i t y ， o r i t ic a il o a d ，f i e c t i o na n a i y s is i i 第一章综述 第一章综述 高炉是炼铁的工具，钢铁企业的核心，是一种使氧化矿石还原成液态铁的鼓 风竖炉，高炉内有固态一液态一气态三相材料耦合运动并承受高温、高压等多种作 用的复杂特殊结构。近年来，我国生铁产量一直处于高速增长阶段，这与我国钢 产量一直处于高速增长阶段有关。生铁产量的增长主要是依靠高炉炼铁科技进步 较快所获得的。我国高炉的结构设计从建国初期主要依靠原苏联专家指导完成中 小型高炉改造，到独立完成宝钢3 号巨型高炉( 4 3 5 0 立方米) 的设计，可以说 我国在高炉结构设计方面取得了巨大的进步。尽管如此，我们还应该承认在高炉 结构设计上，与先进国家相比我们还有较大的差距，对高炉结构实验研究的投入 还很少，与高炉在冶金工业中的地位极不相称。并且，我国还没有统一的设计程 序和设计规范。 1 1 国内外研究现状 1 1 1 国外研究现状 1 9 世纪七十年代，美国大部分的高炉都是用石头砌筑，内部衬以耐火砖衬。 二十世纪以来高炉设备发生了根本性的变化，炉子的结构随着钢板和钢梁的应用 而得到改进，同时用冷却板来保护钢结构，从而延长了炉子一代寿命。2 0 世纪 初期最好的高炉日产量不过5 0 0 吨，美国高炉工作者不相信这个极限，高炉的进 一步发展是设计和建造直径为2 8 英尺( 8 5 3 米) 的炉子，美国许多这样的炉子 是在第二次世界大战后建设起来的，而在欧洲和同本则较晚一些。这些炉子的原 设计产量是每日1 2 0 0 至1 3 0 0 吨，最初的2 8 英尺( 8 5 3 ) 高炉经历了多次改进， 到炉缸直径已达到2 8 3 1 英尺( 8 5 3 9 4 5 米) ，工作容积已达到5 0 0 0 0 5 5 0 0 0 立方英尺( 1 4 1 5 - 1 5 5 7 立方米) 。今天炉缸直径己达1 5 2 0 m 。 随着高炉大型化和冶炼强度的增加，炉壳工作条件更加恶化，由于炉壳破损 引起的重大事故在国内外屡见不鲜，有资料统计，前苏联炉壳破坏造成的休风达 总休风数的1 5 2 0 ，损失的生铁约占全部损失的1 3 ，高炉长寿，包括炉壳， 具有显著的经济效益。 日本大约在1 9 5 1 年把扩大钢铁工业明文规定为国家发展的目标。今天日本 在钢产量方面处于世界领先行列。日本在高炉设计方面的成功，是由于在自己的 技术发展中应用了欧美研究出来的炼铁原理。f ：i ：1 本发展的结果，其高炉工作容积 第一章综述 比四十年代末期建造的炉缸直径8 5 米的炉子大2 5 倍。在高炉结构设计方面， 日本川崎钢铁公司开发了k b s d 系统( 以美国的n a s t r a n 程序为核心) ，进行了高 炉本体和框架的有限元计算。对君津3 4 进行了高炉整体应力分析，采用梁单元分 析框架柱子，采用板单元分析高炉炉壳，并对炉壳开口部位进行了重点分析。另 外，日本还进行了高炉炉壳地震响应的有限元计算和测试工作( 选择福山2 ”高 炉) ，计算和测试应力及变形，研究高炉炉壳的稳定性；进行高炉炉体解剖，研 究后期炉壳的内部组织，发现珠光体粗大，研究炉壳剩余寿命和炉壳的热疲劳问 题。 原苏联在其第一个五年计划期间，高炉结构建筑工程取得了较大的发展， 1 9 3 6 年原苏联国家冶金工厂设计院编制了大型高炉的设计标准，在这些高炉中， 炉底炉皮做成敞开式，这种炉皮结构对炉底的检修较为方便，此外，不仅在炉底， 炉缸壁处，而且在炉腹、炉腰处也采用了冷却壁。前苏联索罗金教授出版了高 炉炉壳结构专著，采用材料力学理论、弹性力学理论计算炉壳应力。6 0 年代， 高炉炉壳最薄处厚度为2 2 m m ，寿命2 年；7 0 年代，高炉炉壳厚度均改为4 0 m m ( 并 且采用冷却壁技术) ，寿命延长为1 2 年。 1 9 9 8 年3 月在加拿大召开的第二届国际炼铁科学会议上，各国的炼铁工作 者对近年来世界炼铁技术( 包括高炉炼铁、直接还原、熔融还原) 所取得的主要进 展进行了充分的总结和交流。 1 1 2 国内研究现状 1 1 2 1 我国高炉结构现状 2 0 0 0 年我国高炉结构现状见表卜1 表卜12 0 0 0 年我国高炉结构现状 t a b 1 1o u rc o u n t r yp r e s e n tc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o no fb l a s tf u r n a c ei n2 0 0 0 第一章综述 1 1 2 2高炉结构设计 高炉结构设计，为炼铁( 工艺) 设计服务，并随工艺的发展而发展。自5 0 年 代中期，北京钢铁设计研究总院、重庆钢铁设计研究院、武汉钢铁设计研究院的 成立，基本上构成了我国高炉结构设计的主要力量，在一定程度上也代表了我国 高炉结构的设计水准。由于高炉内部炉料运动的复杂性和现行设计方法“先设后 计”的局限性。我国高炉系统特别是炉壳，主要是以经验为主并参考一部分计算 数据来设计的。我国炼铁设计的发展在时间上可分为二个阶段，因此结构设计也 有相同的经历，即可看作是计算理论和计算手段上的两次飞跃。 我国在高炉结构设计上的第一次重大飞跃：以引入公式= k d 并验算边缘效 应作为炉壳设计计算依据为标志，时问在5 0 年代。这时期，我国设计人员在原 苏联专家指导下完成了鞍钢、本钢8 座8 3 卜9 7 5 立方米高炉施工图设计。原苏联 完成了武钢、包钢的初步设计，并提供了整套高炉定型设计图纸。据此我国相继 建成了5 座1 3 8 6 1 5 1 3 立方米高炉。正是这些工程实际，为我国技术人员学习、 消化、掌握现代化大型高炉的设计方法，计算理论，建设经验提供了契机。也基 于此，重庆钢铁设计研究院于6 0 年代编制了我国高炉结构设计的基本依据一高 炉结构设计技术规定，该规定引入原苏联- k d 公式及边缘效应计算。尽管实 践和理论早已证明该式存在明显的局限性，但直到现在，我国大多数设计单位对 炉壳的计算仍以此为依据。原苏联在a = k d 后建立的更合理的计算理论和方法， 未能在我国设计界得到广泛应用和推广。 我国在高炉结构设计上的第二次重大飞跃：以计算机和大型结构分析通用程 序引入整个高炉结构设计为标志。时间为宝钢1 号高炉设计、建设时妍。宝钢1 号高炉以日本君津厂3 号高炉第一代原型为样板，由日本新日铁设计兴建。为进 行宝钢2 号高炉设计，重钢院在消化移植1 号高炉技术的同时，引进了闩本川崎 公司的大型程序k b s d 。随后，北钢院从美国引进了通用分析程序g t s t r d l 和 n a s t r a n ，用于工程设计。这些程序，不仅能对高炉系统的热风炉、除尘器、炉 体框架及炉壳等子系统进行独立的静动力分析，也可考虑其相互作用，进行综合 动力分析：既可做整体弹性分析。还可对结构细部做静力弹塑性分析。这表明 我国高炉结构设计特别是炉壳开始进入电算时代。 现在高炉建设要把投资成本和生铁经营成本统一起来考虑，在我国经济条件 第一章综述 下，不同容积高炉在一段时间内仍然是互相共存的局面。但考虑到经济发展后生 存空间的变化，应立足于高炉大型化。 表卜2 不同级别高炉操作指标的平均值和典型值 t a b 12t h ei n d e xv a l u ea n dt y p i c a lv a l u ed i f f e r e n tc l a s sb l a s tf u r n a c e 高妒缀鬟窿毂乎坞锌积，：l l i 利雨系羲，t i ( m ；t 1 ) 凡护矿釜辍+ 焦艮a g t 攥也。皎“ w“_-_“-“_mmo。_m_-_-_-“h-e一 3 0 1 ) f ! r6 3 编3 ；6 3 2 2 。1 3 8 热3 7 3 孙2 8 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本次4 号高炉炉体设计中，在秉承以往高炉成功经验的基础上，对炉型设计、冷 却系统等方面作了许多改进与创新。 1 、高炉炉型 高炉炉型设计，不但要确定砌筑炉型的合理性，而且要预测生产后操作炉型 的适应性。操作炉型与高炉操作制度、选用的冷却设备、耐火材料等因素有关。 根据宝钢运行中的3 座高炉生产实践情况，宝钢3 号高炉的炉型矮胖，适应性强， 有利于强化冶炼。 2 、炉底炉缸结构改进 国内外高炉调查研究表明，绝大多数高炉是因为炉底、炉缸侵蚀严重而被 迫停炉。因此，高炉设计非常重视炉底炉缸设计的合理性。其基本措施包括了三 个方面：一是增加死铁层深度减缓炉缸铁水流动对炉底、炉缸侵蚀：二是改善炉 缸耐材质量，提高炉缸的导热能力、抗压强度、抗铁水侵蚀：二是提高炉底、炉 缸冷却强度，确保冷却效果。4 号高炉建设中，炉底厚度由原2 号高炉的4 0 8 5 m m 减薄到3 2 0 5 m m ，死铁层深度由原来的1 8 0 0 m m 加深到3 0 9 5 m m ，设计死铁层深度为 炉缸直径的2 1 8 0 。 表卜5 宝钢4 号高炉炉型与宝钢其他高炉炉型比较 t a b 1 5b a o g a n gn o 4f u r n a c et y p ec o m p a r i s o nw i t ho t h e r s 第一章综述 图卜l 宝钢4 号高炉炉缸结构 1 i 3 高炉长寿技术 高炉长寿是一项系统： 程，它涉及到设计、选材、建造、生产、维护等诸多 方面。对于运行中的高炉生产操作与日常维护则是关键。高炉长寿与高炉强化冶 炼进程永远是一对矛盾，如何合理解决高炉长寿与强化冶炼之间的矛盾是高炉炼 铁工作者永恒的主题。 近1 0 年来，我国高炉炼铁技术迅猛发展，连续1 0 年成为世界第一产铁大国。 高炉大型化、现代化、高效化、长寿化进程加快并己取得了令人瞩目的技术成就。 第一章综述 高炉长寿是现代大型高炉的重要技术特征，在我国大型高炉炼铁技术进步中其作 用尤为突出。据不完全统计我国高炉容积大于1 0 0 0 m 3 的大型高炉有5 0 余座， 2 0 0 0 m 3 以上的大型高炉有2 5 座。这些大型高炉的生产能力约占全国炼铁生产能 力的5 0 以上。2 0 世纪9 0 年代一批新建或大修技术改造的高炉采用了铁素体球 墨铸铁冷却壁、铜冷却板、软水密闭循环冷却、陶瓷杯等现代高炉长寿技术，寿 命己达到8 1 0 年以上。其中我国自行设计建设的特大型高炉一宝钢2 号高炉 ( 4 0 6 3 m 3 ) 寿命己达到1 2 年，武钢5 号高炉( 32 0 0 m 3 ) ，首钢4 号高炉( 2 1 0 0 m 3 ) 的寿命也相继达到1 2 年。这些高炉至今未进行中修，仍在正常工作，预计高炉 寿命将达到1 5 年以上i ”。 1 1 4 高炉长寿技术的应用与发展 1 1 4 1 优化高炉炉型 我国炼铁工作者历来重视高炉炉型设计，通过研究总结高炉破损机理和高炉 反应机理，优化高炉炉型设计的基本理念己经形成。 1 、加深死铁层深度 实践证实高炉炉缸炉底像脚状的异常侵蚀，主要是铁水渗透到炭砖中使炭 砖脆化变质，再加之炉缸内铁水环流的冲刷作用而形成的。加深死铁层深度，是 抑制炉缸“象脚状”异常侵蚀的有效措施。死铁层加深以后，避免了死料柱直接 沉降在炉底上，加大了死料柱与炉底之间的铁流通道，提高了炉缸透液性，减轻 了铁水环流，延长了炉缸炉底寿命。理论研究和实践表明，死铁层深度一般为炉 缸直径的1 5 一2 0 。 2 、适当加高炉缸高度 高炉在大喷煤操作条件下，炉缸风口回旋区结构将发生变化。适当加高炉缸 高度，不仅有利于煤粉在风口前的燃烧，而且还可以增加炉缸容积，以满足高效 化生产条件下的渣铁存储，减少在强化冶炼条件下出现的炉缸“憋风”的可能性。 近年我国己建成或在建的大型高炉都有炉缸高度增加的趋势，高炉的炉缸容积为 有效容积的1 6 一1 8 。 3 、加深铁口深度 铁口是高炉渣铁排放的通道，铁口区的维护十分重要。研究表明，适当加深 第一章综述 铁口深度，对于抑制铁口区周围炉缸内衬的侵蚀具有显著作用，铁口深度一般为 炉缸半径的4 5 左右。这样可以减轻出铁时在铁口区附近形成的铁水涡流，延长 铁口区炉缸内衬的寿命。 4 、降低炉腹角 降低炉腹角有利于炉腹煤气的顺畅排升，从而减小炉腹热流冲击，而且还有 助于在炉腹区域形成比较稳定的保护性渣皮，保护冷却器长期工作。 1 4 2 炉缸炉底内衬结构 长寿炉缸炉底的关键是必须采用高质量的炭砖并辅之合理的冷却。通过技术 引进和消化吸收，我国大型高炉炉缸炉底内衬设计结构和耐火材料应用已达到国 际先进水平。 以美国u c a r 公司为代表的“导热法”热压炭砖法炉缸设计体系己在首钢、 宝钢、包钢、湘钢等企业的大型高炉上得到成功应用，以法国s a v o t f 公司为代 表的耐火材料法( 陶瓷杯法) 炉缸设计体系在首钢、梅山、宝钢、鞍钢等企业的 大型高炉上也得到了推广应用。日本大块炭砖一综合炉底技术在宝钢、武钢等企 业的大型高炉上也取得了长寿实绩。“导热法”和“耐火材料法”这两种看来似 乎截然不同的设计体系其技术原理的实质却是一致的。即通过控制1 1 5 0 。c 等温 线在炉缸炉底的分布，使炭砖尽量避开8 0 0 一1 1 0 0 。c 脆变温度区间。导热法采用 高导热、抗铁水渗透性能优异的热压小块炭砖通过合理的冷却使炭砖热而能够 形成一层保护性渣皮或铁壳。其目的是1 1 5 0 。c 等温线阻滞在其中，使炭砖得到 有效的保护免受铁水渗透、冲刷等破坏。陶瓷杯法则是在大块炭砖的热而采用 低导热的陶瓷质材料，形成一个杯状的陶瓷内衬，即所谓“陶瓷杯”，其目的是 将1 1 5 0 。c 等温线控制在陶瓷层中。这两种技术体系都必须采用具有高导热性阻 抗铁水渗透性能优异的炭砖。将两种设计体系组合在一起也不失为一种合理的选 择，首钢1 号高炉( 2 5 3 6m 3 ) 采用热压炭砖一陶瓷杯组合炉缸内衬技术。至今己 安全运行1 0 年，预计高炉炉缸炉底寿命可以达到1 5 年。随着微孔炭砖、超微孔 炭砖的相继问世大块炭砖一综合炉底技术得到进一步发展。 表卜6 我国部分大型高炉炉型参数 t a b 1 6f u r n a c et y p ep a r a m e t e r so fm yc o u n t r yp a r tl a r g eb l a s tf u r n a c e s 第一章综述 1 1 4 3 薄壁内衬，砖壁一体化 炉炉体破损机理的研究使人们更加清楚地了解了高炉内衬和冷却器的工作 条件，现代传热学理论的研究和运用，己将人们从传统的思维困惑中解脱出来， 形成现代高炉长寿设计的基本理念。薄壁内衬技术就是在此条件下应运而生。所 谓薄壁内衬就是对高炉内衬和冷却壁进行优化组合，形成砖壁一体化结构，解决 炉腹、炉腰和炉身下部高热负荷区的短寿问题使其寿命与高炉炉缸、炉底的寿 命同步。 我国己有数座大型高炉采用了砖壁一体化的薄壁内衬技术。冷却壁取消了凸 台，消除了冷却壁破损最薄弱的部位而且冷却壁热面全部采用耐火材料保护。即 所谓全覆盖镶砖冷却壁。这种砖壁一体化的冷却壁是在第四代冷却壁的基础上优 化演变而来的，其内衬厚度仅为1 5 0 一2 5 0l n l n 。大型高炉炉腹炉、腰身采用铜冷 却壁炉身中部采用此种结构，炉身上部设2 3 段c 型光而水冷壁，这应是一种 配置合理的长寿炉体结构。 1 1 4 4 耐火材料 我国大型高炉用新型耐火材料的开发与研究己取得显著进展。用于炉缸炉底 的高导热半石墨炭砖、微孔炭砖己相继研制成功并在大型高炉上使用。塑性相结 合刚玉、微孑l 刚玉以及s t a i o n 结合刚玉等新型陶瓷杯材料也陆续问世。s i a l o n 结合刚玉、s i a l o n s i c 、高导热石墨砖、烧成微孔铝炭砖等一系列用于风口区以 上的耐火材料也得到广泛应用。 1 1 4 5 自动化检测与控制 自动化检测是高炉长寿不可缺少的技术措施。炉缸炉底温度在线监测己成为 监控炉缸炉底侵蚀状态的重要手段。也是建立炉缸炉底内衬侵蚀数学模型所必要 9 第一章综述 的条件。炉腹、炉腰、炉身下部区域，温度、压力的检测为高炉操作者随时掌握 炉况提供了有效的参考。通过对冷却水流量、温度、压力的检测，可以计算得出 热流强度、热负荷等参数而且还可以监控冷却系统的运行状况。炉喉固定测温、 炉顶摄像、煤气在线自动分析、炉衬测厚等技术的应用使高炉长寿又得到了进一 步的保障。我国宝钢、武钢、首钢、本钢、湘钢的大型高炉还引进了人工智能高 炉冶炼专家系统为延长高炉寿命创造了有利条件。 1 1 4 5 软水密闭循环冷却技术 高炉冷却系统对大型高炉f 常生产和长寿至关重要。2 0 世纪8 0 年代末期， 我国高炉开始采用软水密闭循环冷却技术，经过不断地改进和完善，软水密闭循 环冷却技术己日趋完善，软水冷却成为我国大型高炉冷却系统的平流发展模式。 软水密闭循环冷却技术使冷却水质得到极大改善，解决了冷却水管结垢的致 命问题，为高效冷却器充分发挥作用提供了技术保障。该系统运行安全可靠，动 力消耗低，补水量小，维护简便。 近年来，我国高炉软水密闭循环冷却技术进行了许多优化和改进：根据冷 却器的工作特点，分系统强化冷却，单独供水；根据高炉不同部位的热负荷情 况，在垂直方向上分段冷却，如炉缸、炉底设为一个冷却单元，炉腹、炉腰和炉 身下部设为一个冷却单元；为便于系统操作和检漏，采用圆周分区冷却方式。 在高炉圆周方向分为4 个冷却区间；软水串联冷却，软水经炉底、冷却壁后， 分流一部分升压再冷却风口、热风阀等。这种串磋冷却系统具有占地省、投资低、 动力消耗低等特点。在武钢i 号高炉( 2 2 0 0 m 3 ) 上己经得到应用川。 1 2 高炉结构的设计计算现状 荷载，是任何结构都必须承担的。高炉结构受力计算困难，主要在于炉壳 等非单纯结构构件的计算。炉壳计算的复杂也正缘于炉壳内部气( 煤气、热风) 、 液( 铁水) 、固( 炉料、铁渣等) 三种材料藕合运动的复杂性，难以准确确定料流运 动对炉皮的压力。因此，尽管有关方面作了很大努力，但由于内载变化导致炉壳 开裂造成的生产损失却占3 0 以上。目前，国内炉体内部荷载计算不仅与其他国 家有明显差别且国内各设计单位计算水准也参差不齐。 国内炉壳设计没有统一的标准，各单位大都在经验基础上确定板厚。进行 校核时，再参考炉体不同部位、时期的工况加以校正。而国外设计一般以疲劳强 第一章综述 度和断裂韧性为控制指标，这表明我们与先进国家的差距。 1 3 我国高炉结构设计的特点 ( 1 ) 我国高炉结构设计还处在以经验为主、计算分析为辅的阶段。设计新 建高炉时，技术人员往往对照己建高炉或经验，确定炉壳厚度和用钢量，决定炉 壳的主体结构，计算分析只供参考。其根本原因就在于，我们没有清楚地掌握高 炉内三相材料的运动规律炉内化学变化对炉皮的真实压力，不得不把旧有经验 作为主要依据。 ( 2 ) 我国高炉结构设计己经进入电算时代。己有较为完备、符合高炉工况的 计算软件和细部分析能力，能够在弹性薄膜理论和板壳有矩理论指导下，对整体 进行分析，也可对局部弹塑性分析。 ( 3 ) 我国高炉结构的设计精度还不高整体上落后于日本前苏联等国家。由 于我们缺乏对高炉特别是炉体内部的实验和研究，很难对荷载做进一步的准确统 计。因此不管我们拥有多么先进的计算手段，校核的数据与使用总有一定距离。 而且，在实际设计中我们只考虑了炉役前期，对热疲劳造成的炉身后期大量穿透 性裂缝和脆断没有考虑，断裂力学理论还未应用于设计。 ( 4 ) 我国还没有统一的高炉设计概念，缺乏明确的炉壳设计控制标准。目前 国内没有一本有关专著，基本上沿用原苏联理论和规范，以及日本的一些做法， 加上各设计单位缺乏相互交流，在市场利益机制的驱使使下，必然大部分沿袭旧 有设计经验。所以，结构设计进步迟缓。 1 4 提出课题一大型高炉炉壳承载能力研究 综上所述，我国还没有统一的高炉设计概念，缺乏明确的炉壳结构设计控制 标准，国内没有一本关于高炉结构设计的专著，基本上沿用原苏联的理论和规范、 日本的一些资料。各设计单位缺乏交流，国际知识产权保护，必然大部分沿袭旧 有的设计经验，所以高炉结构设计理论及标准发展迟缓。 为了掌握国内外高炉结构设计和分析现状，查阅了许多文献，我国还没有 统一的高炉结构设计规范( 宝钢1 # 高炉容积4 0 6 3 甜，鞍钢1 1 菩高炉容积2 5 8 0 m 3 ， 鞍钢儿# 高炉炉壳设计完全参照宝钢1 # 高炉) 。 我国对高炉结构的研究与具备4 6 亿吨生铁产能的钢铁大国极不相称，应 加大研究力度，所以本课题为将来高炉结构设计提供依据，并且对于高炉长寿具 第一章综述 有重要意义，可产生巨大经济效益。 1 5 研究内容 本研究为制定统一的规范奠定基础，针对鲅鱼圈1 # 高炉炉壳( 4 3 5 0 m 3 ，代 表4 0 0 0 m 3 以上) 、鞍钢1 1 # 高炉炉壳( 2 5 8 0 m 3 ，代表2 0 0 0 m 3 以上) 进行详细研究。 针对每一高炉炉壳研究以下内容： l 、高炉炉壳整体应力分析，采用有限元计算； 2 、口部位应力分析，研究风口、冷却水口、铁口部位的应力集中，确定合理的 开口方案，采用有限元计算； 3 、整体稳定性分析，计算轴向临界力、大中修炉壳开口对稳定性的影响，采用 有限元计算； 4 、用解析公式( 多奈尔公式、瓦里米尔公式) 计算高炉炉壳的轴向临界荷载。 1 6 预期成果 大量的计算工作，熟悉大型高炉炉壳的受力情况，归纳总结出具有代表性、 以后可借鉴的结论，为提高我国高炉炉壳设计水平做点工作，为编制高炉炉体设 计规范提供理论支持。 第二章结构稳定性分析理论 第二章结构稳定性分析理论 结构稳定性及其屈曲问题的研究，目的是求解结构从稳定平衡过渡到不稳定 平衡的临界载荷和失稳后的屈曲形态。结构的载荷临界点可分为两种类型，即分 叉临界点和极值临界点。它们分别示意于图21 和图2 2 。分叉临界点的特征是： 结构在基本的载荷一位移平衡路径( i ) 的附近还存在另一分叉平衡路径( i t ) 。当载 荷到达临界值p c r 时，如果结构或载荷有一微小的扰动，载荷一位移将沿分叉平 衡路径发展。对于图2 - 1 ( b ) 所示的分叉路径，结构将发生很大的变形甚至破 坏。对于发生在结构上无初始缺陷、载荷无偏心的理想状态条件下的失稳常属此 种情况。例如，直杆受精确沿中心线方向的压力作用，当载荷到达临界点时，杆 子除平直的平衡路径( i ) 以外，还存在横向屈曲的平衡路径( i i ) ，而前者是不稳 定的。此外，中面内受均布压力或剪力作用的平板，以及中面内受均布轴向力或 剪力或外压作用的圆柱壳等的失稳也属此种情况。由于实际结构和载荷不可能是 完善的理想状态，因此载荷到达临界值附近，结构发生分叉失稳是不可避免的。 ( a ) ( b ) 图2 1 包含分叉临界点的载荷一位移平衡路径 f i g 2 - 1l o a da n dd i s p l a c e m e n tp a t hi n c l u d i n gf o r f i c a t i o nc r i t i c a lp o i n t ( 矗， 监 只。 | 摹丛、 f ， j 曩b ： 一l _ - “- fb ) n 。、， 、。 乒。； 一， 一 、!?， ， 。m p 一 一 一 一 ，一t o 第二章结构稳定性分析理论 图2 2 包含极值临界点的载荷一位移平衡路径 f i g 2 - 2l o a da n dd i s p l a c e m e n tp a t hi n c l u d i n gl i m i tc r i t i c a lp o i n t 极值临界点的特征是：当载荷到达临界( 最大) 值时，如果载荷或位移有微小变化， 将分别发生位移的跳跃或载荷的快速下降，如图2 2 ( a ) 和( b ) 所示。前者称为 急速跳过( s n a pt h r o u g h ) ”，本文第四章在材料实验机( w d w 3 1 0 0 微机控制 电子万能实验机) 上进行铝制薄圆柱壳的稳定性实验分析恰好证明了这一点，当 铝制薄圆柱壳受均匀压力作用时，当压力p 到达最大时，位移将从a 点跳跃到d 点，这将可能导致结构因过大的变形而失效。后者称为垮塌( c o l l a p s e ) ，仍以 受均匀压力作用的铝制薄圆柱壳为例，当高度与半径比较大，而压力p 到达最大 时，结构将发生塑性垮塌。因此，对杆、板、壳类结构进行稳定分析时非常必要 的。 对于结构稳定问题，载荷可表示为载荷步长自动选择时所示形式，即q = p q ，其 中q 时载荷模式，p 是载荷幅值。确定结构的临界载荷就是寻找使结构几何非线 性方程的切线刚度矩阵成为奇异时p 的临界值见，。对于t l 格式，即求解以下 特征值问题： d k # = 0( 2 1 ) 其中 ik - - ：k l 。+ o 。k “+ g k 舭 ( 2 2 ) 上标“t ”代表对应于n ，的时刻。对于以上问题，根据失稳前变形状态的大小 决定失稳前用线性分析还是非线性分析，从而将结构稳定性分析区分为两种情 况。 2 1 线性稳定分析 如果失稳前结构处于小变形状态，可以不考虑几何非线性对平衡方程和几何 方程的影响。如同时假定材料处于弹性状态，则失稳前可采用线弹性分析来求解 结构内的位移和应力，即 雎= 。麻r 口r - - - 芦万( 2 3 ) 其中 订= k j p萨；d b z 。拼 k 。= j b o d b 。d 矿 其中t 是结构的弹性刚度矩阵。将( 2 2 ) 第二章结构稳定性分析理论 ( 2 4 ) 用于现在豹情况r 蚕其中鼬：置加= k 。，：鬈黼中的：s = ；d 2 p 。厅并且 ；畿m 。* 1 8 。tt 神。i 群= p ，l b k 础蝇薛 ” ( 2 5 ) 谯豫定性分析中，遁鬻将i x 。丽符嚣p ) 表示，它嫠虚力的线性函数。j 挺。中 的：壮“= p 。玎。翔槊褥j 芷。中的p ，玎l 臼线性磺和二次项势弦。蝇i l 可以表示为 其中 ；并i 。；髟“十；蜀。2 ；如= 肛品舢。，十霸h ) 哦。矽 = p 。且碥观，+ ( - ) 观。沙 泌：= j 观( 4 “) d 8 。；1 “如 = 如2f 口磊( i 脚。，( _ 渺 ， ( 26 ) 由于失稳前是小变形状态，；苍- l 和：氍相对于赶分别是一阶小量和二阶小量。 在线性稳定性分析中可以将它们全部忽略，或仅保留一阶小量的i 瓯l ，并用 k “0 ) 表示。如果是后情况，临界载荷时刻，的非线性切线刚度矩阵；后表示 为： ；k = k ，十p 。啄。0 ) 毒熨# 归) ) ( 2 7 ) 线性稳定分析归结为求解线性特征值问题，即 k 。+ p ( 蛀斗洳。o ( 2 8 ) 若屯也被忽略，则得到经典稳定分析的特征方程，即 ( k j + p k ，；碜= 0 第二章结构稳定性分析理论 ( 2 9 ) 从( 2 8 ) 或( 2 9 ) 式可解得一系列的特征值p ，p 2 。最小的特征值b 就是结构 线性稳定分析的临界载荷，相应的位移模态藕就是结构失稳的屈曲模态。 在进行线性稳定分析时需要注意以下几点： 1 、线性稳定性分析是假设结构失稳前处于小变形状态，可以忽略参考位形之间 的区别。 2 、求解失稳前位移和应力的弹性矩阵屯( 2 4 ) 式和求解特征值问题中的t ( 2 7 ) 式只有在两者都建立于同时包括屈曲前位移自由度和屈曲位移自由度的 情况下才是一致的，否则应注意两者之间的区别。例如经典的直杆稳定分析中， 屈曲前t 是对应直杆拉压分析的刚度矩阵，而特征值分析中的t 是直杆弯曲分 析的刚度矩阵，两者是不同的。经典的板壳稳定分析也有类似的情况。 3 、特征方程( 2 8 ) 或( 2 - 9 ) 式可以用各种求解大型矩阵特征值问题的方法求解。 由于稳定分析通常只要求求解其临界载荷，即其最小特征值，所以采用反幂迭代 法等将是适当的选择。 最后需要强调的问题是，线性稳定分析只能用于有限的实际情况。因为忽略 了屈曲前变形的影响，常常导致过高估计了结构的l 临界载荷。特别是对于拱、壳 类结构，用线性稳定分析得到的临界载荷通常比用非线性稳定分析得到的要高出 许多 9 - t o 。因此，对于大多数实际结构采用非线性稳定分析是必要的。 2 2 非线性稳定分析 此类分析是指失稳前结构处于大变形状态，这是结构的刚度矩阵是载荷幅 值p 和位移向量u 的非线性函数，( 21 ) 式表示的是一个非线性特征值问题， 求解由以下步骤组成- ( 1 ) 沿载荷平衡路径进行追踪，以确定解的邻近区间。具体做法是对应于每个 增量步的收敛解”。“鞫“出s ，计算“甜式( 为y ；6 - f 更，这里的各个量略去表示 参考位形的左下标“0 ”，以后亦如此) 。如果有： d e t ( 。) 0d e t ( 髭) 0 1 6 ( 2 1 0 ) 第二章结构稳定性分析理论 则表明在区间( t ，t + t ) 内的某个时刻t ( t t 1 1 6 ( 因为随温度升高炉壳材 料屈服降低) 。 7 、生产后期，炉壳出现热点时炉壳热点部的变形向炉内凸；炉壳热点部的裂缝 形状是内大外小向内张开的喇叭状。 我国高炉设计还处在以经验为主、计算为辅的阶段，设计新高炉时，技术人 员对照己建高炉或经验，确定高炉炉壳厚度和用钢量，决定炉壳的主体结构，计 算分析仅作为参考，原因是：没有清楚地掌握炉内载荷，不得不按经验设计。我 国还没有统一的高炉设计概念，缺乏明确的炉壳设计控制标准，国内还没有一本 有关炉壳设计方面的专著，基本上沿用原苏联的理论和规范，以及日本的一些做 法，文献 3 2 , 3 4 , 4 0 1 采用有限元计算和应力测试技术研究高炉炉壳应力，本文进一步 研究高炉炉壳屈曲问题。 鞍钢新安装的1 1 号高炉( 或者相同类型的高炉) 采用新式无料钟炉顶结构， 这种结构和以往结构不同，它在炉喉上部和炉顶结合处用六根柱子( 简称为k j 柱) 承担了1 5 0 0 吨的重物，而柱脚是直接焊在炉壳上的，这种新式炉体向工程 2 4 第三章鞍钢1 1 高炉炉壳承载能力计算 师们提出了一个新的课题，高炉炉壳屈曲问题。设计人员最关心的问题：要不要 在柱脚处安装环梁。 无料钟设备及其支承结构和工作平台载荷作用在炉顶封板上，国外在无料钟 支撑结构的柱脚处，在炉壳上有的设置t n 固环梁，而有的就没设。国内宝钢、 马钢都设有l m 高的环梁”6 0 7 3 ”。为了稳妥起见，我们对炉壳进行了稳定计算， 同时给出了计算临界压力的简单公式。计算了鞍钢1 1 号高炉炉壳和宝钢1 号高 炉炉壳的轴向临界载荷，分析了几何参数对高炉炉壳轴向临界载荷和屈曲模态的 影响，为将来制定炉壳设计规范奠定了基础。 3 2 高炉炉壳屈曲分析 在板壳弹性稳定问题中，板内膜应力对弯曲作用有影响，如拉伸膜应力会增 加板的弯曲刚度，压缩膜应力会减少板的弯曲刚度。这个膜应力对弯曲的影响， 在次近似的情况下，可以用一个只和膜内力及单元几何特性有关的，而与弹性 性质无关的几何刚度矩阵 垤 表示；因为 k g 与膜应力有关，膜应力由初始纵向 载荷 f o ) 产生， k g 也叫初应力矩阵。 在研究膜应力对弯曲的影响时，假设膜应力已经存在，这时又有横向载荷 p 的作用，产生弯曲位移 品) ，可由下式求出： ( k b “k g ) 劢 = p k b ：弯曲刚度矩阵； ( 3 1 ) e k g 正比于纵向载荷 只 ，如纵向载荷按比例因子五增加时，即： f _ 五 只 ( 3 - 2 ) 则几何刚度矩阵 k g 也相应地增加为五 k g ，于是( 1 ) 式变成： ( k b + 五 k g ) f 劢) = f f ( 3 - 3 ) 当纵向载荷比较小时，即在弹性范围内，( 品) 正比于 p ) 。特别是当 p - o 时，有 b b = o 。 若当纵向载荷达到临界载荷，即： 瓦) = 五， r ) ( 34 ) 此时，结构失去弹性稳定，即使横向载荷 p ) = o ，结构应能维持一定变位， 即： 第三章鞍钢1 1 高炉炉壳承载能力计算 ( k b + 五 k g ) = 劢 ( 3 - 5 ) 式中( 面) o ，为弹性挠曲线变形。 故求解下面特征值问题，得到行列式： | 【厨】+ a 堙 | = 0 ( 3 6 ) 由( 6 ) 式得到最小特征值无，后，即可求得失稳时的临界载荷。 用有限元法计算结构弹性稳定性问题时，常分两步进行，第一步用线性分析 方法求出结构的内力分布，继而算出几何刚度矩阵 k g ，第二步应用 k b 和 k g ， 由( 6 ) 式解出最小特征值丑，代入( 4 ) 式便得出临界载荷。 弹塑性屈曲的有限元计算步骤： 1 ) 先进行弹性屈曲的有限元计算。 2 ) 确定弹塑性屈曲的有限元计算的初始状态。 3 ) 确定载荷增量步的步长。 4 ) 用修正的n e w t o n r a p h s o n 方法计算屈曲前膜内应力。 5 ) 计算单元切线刚度阵，组装总刚度阵。 6 ) 计算单元几何刚度阵，组装总几何刚度阵。 7 ) 屈曲分析，计算特征值