【文章內(nèi)容簡介】 法蘭邊緣以上大于100mm處，爐殼開口處需補(bǔ)焊加強(qiáng)板[10]。爐體框架由四根支柱組成，上至爐頂平臺，下至高爐基礎(chǔ)，宅高爐中心成對稱布置，在風(fēng)口平臺以上部分采用鋼結(jié)構(gòu)，有“工”字?jǐn)嗝?，也有圓形斷面，圓筒內(nèi)灌以混凝土。風(fēng)口平臺以上部分可以是鋼結(jié)構(gòu)，也可以來用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一般情況下應(yīng)保證支柱與熱鳳圍管有250mm間距、爐腰支圈和支柱座圈爐缸支柱是用來承擔(dān)護(hù)腹或爐腰以上，經(jīng)爐腰支因傳遞下來的全部荷載。它的上端與爐腰支圈連接，下端則伸到高爐基座的座圈上。大中型高爐一般都是用24—40mm的鋼板，焊成工字形斷面的支柱，為了增加支柱的剛度，常加焊水平筋板。支柱向外傾斜6176。左右，以便爐缸周圍寬敞。爐身支柱的作用是支撐爐頂框架及爐頂平臺上的荷載、爐身部分的平臺走梯、給排水管道等?！銥?根，下端應(yīng)與爐缸支柱相對應(yīng)。在確定爐身支柱與高爐中心的距離時．要考慮別爐頂框架的柱腳位置、爐身、爐腰部分冷卻設(shè)備的布置和更換。爐腰支圈的作用是把它承托的上部均布荷載變成幾個集中載荷傳給爐缸支柱，同時也起著密封作用。它是幾塊30—40mm厚的鋼板鉚接式焊接而戊的。在它與上下爐殼相接處，兩側(cè)都用角鋼加固，在外側(cè)邊緣也用角鋼加固．以加強(qiáng)其剛性。支柱座圈是為了使支柱作用于爐基上的力比較均習(xí)。在每個支柱下面都有鑄鐵或型鋼做成的單片墊板，并是彼此州拉桿或整環(huán)連接起來，以防止支柱在推力作用下或基礎(chǔ)損壞時發(fā)生位移。高爐綜合體結(jié)構(gòu)承受多種作用, 荷載相當(dāng)復(fù)雜, 但不外乎兩類一類決定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,另一類與結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)。正是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性綜合決定了高爐結(jié)構(gòu)的壽命。（1）煤氣壓力、爐襯和冷卻系統(tǒng)的熱膨脹力、爐料和鐵水壓力, 決定了正常操作條件下爐殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。（2）爐內(nèi)高溫的周期作用或突然作用, 能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞或沖擊應(yīng)力, 降低鋼材塑性并導(dǎo)致脆性破壞。服役后期, 內(nèi)襯及冷卻器的損傷, 可導(dǎo)致局部過熱或大面積燒紅, 將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力, 加速爐殼開裂、美國內(nèi)陸公司證明, 沿爐殼厚度的溫度梯度是大應(yīng)力的主要原因, 當(dāng)最大熱應(yīng)力超過屈服應(yīng)力, 爐殼就會開裂。（3）低周疲勞是影響高爐壽命的主要因素。據(jù)前蘇聯(lián)對高爐實(shí)際工作狀態(tài)的研究,爐殼是在不同循環(huán)特征和不同變化幅度的周期荷載作用下工作的, 爐殼10年中荷載變化的循環(huán)次數(shù)為2*104, 荷載不對稱系數(shù)p=—。在這種周期荷載作用下, 爐殼的應(yīng)力集中區(qū)和焊縫缺陷處出現(xiàn)局部塑性變形, 從而產(chǎn)生低周疲勞破壞。因此, 日本在爐殼的計算中, 除考慮內(nèi)襯膨脹等必須考慮的荷載外, 還計入爐殼外表溫度為t=100130℃ , 鋼板內(nèi)外溫差10℃ 。這表明國外爐殼設(shè)計不僅考慮了正常操作下的狀況, 而且已將服役后期溫度應(yīng)力對壽命的降低計入在內(nèi)。所以, 高爐結(jié)構(gòu)的最終壽命, 就是正常條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度, 抵御低周疲勞脆斷的時限。大量的實(shí)驗、分析、實(shí)踐證實(shí)爐殼損壞有兩種原因一是由于疲勞, 特別是局部過熱引起的疲勞損傷另一種是突然的脆性斷裂。因此,爐殼設(shè)計的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度為據(jù)。以斷裂韌性為結(jié)構(gòu)抗裂性指標(biāo),記K=K1c作為防止脆斷的依據(jù), 當(dāng)K≤K1c ，時結(jié)構(gòu)安全反之亦然[11]。為使高爐長壽, 國外研究設(shè)計了新的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造, 改善爐殼受力, 減少應(yīng)力集中。（1）采用爐身高度較低、薄壁、外形簡單、爐型變化小的新爐型。新日鐵公司徹底消除爐體焊縫應(yīng)力, 爐腹以下不彎折、爐底和爐缸作成直角, 保證爐殼應(yīng)力沿高度均勻分布。（2）改進(jìn)爐殼與冷卻器的連接構(gòu)造, 減少爐殼開孔的應(yīng)力集中。前蘇聯(lián)將現(xiàn)有冷卻器用四螺栓與爐殼固定, 改用一螺栓連接。并提出了改進(jìn)風(fēng)口, 出鐵口和高爐加料裝置的構(gòu)造措施, 從而改善高爐受力。（3）優(yōu)化爐殼孔型及分布。英國戴維公司對爐殼與冷卻器連接處的孔型及分布的研究取得進(jìn)展, 獲得減少應(yīng)力集中的最有效孔型布置, 經(jīng)實(shí)驗證明孔邊緣必須磨光。將我國煉鐵設(shè)計的發(fā)展, 有兩次飛躍第一次飛躍時間為50和60年代。這時期, 我國設(shè)計人員在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下完成了鞍鋼、本鋼8座高爐施工圖設(shè)計。蘇聯(lián)完成了武鋼、包鋼的初步設(shè)計, 并提供了整套、高爐定型設(shè)計圖紙。據(jù)此, 我國相繼建成了5座高爐, 正是這些工程實(shí)際, 為我國技術(shù)人員學(xué)習(xí)、消化、掌握現(xiàn)代化大型高爐的設(shè)計方法、計算理論、建設(shè)經(jīng)驗提供了契機(jī)。也基于此, 重慶鋼鐵設(shè)計研究院于60年代編制了我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本依據(jù)—《高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》。該規(guī)定引入公式及邊緣效應(yīng)計算。盡管實(shí)踐和理論早已證明該式存在明顯局限, 直到現(xiàn)在, 我國的大多數(shù)設(shè)計單位,對爐殼的計算仍以此為據(jù), 蘇聯(lián)在公式后建立的更為科學(xué)的理論和方法, 未能在我國設(shè)計界得到廣泛應(yīng)用和推廣。第二次飛躍, 以計算機(jī)和大型結(jié)構(gòu)分析通用程序, 引入整個高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計為標(biāo)志, 時間為寶鋼建設(shè)時期。寶鋼1號高爐以日本君津廠3號高爐第一代原型為樣板, 結(jié)構(gòu)設(shè)計由日本新日鐵完成。為搞好寶鋼2號高爐設(shè)計, 重鋼院在消化移植1號高爐技術(shù)的同時,引進(jìn)了日本川崎公司的大型程序KBSD。隨后, 北鋼院從美國引進(jìn)了通用分析程序GTSTRDL和NASTRAN, 用于工程設(shè)計。這些程序, 不僅能對高爐系統(tǒng)的熱風(fēng)爐、除塵器、爐體框架及爐殼等子系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的靜動力分析, 也可考慮其相互作用, 進(jìn)行綜合動力分析, 既可作整體彈性分析, 還可對結(jié)構(gòu)細(xì)部做靜力彈塑性分析。表明, 我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計特別是爐殼開始進(jìn)入電算時代[12]。（1）我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計, 還處在以經(jīng)驗為主、計算分析為輔的階段。設(shè)計新建高爐時,技術(shù)人員往往參照已建的高爐或已往的經(jīng)驗, 確定爐殼厚度和用鋼量, 決定爐殼的主體結(jié)構(gòu), 計算分析只是參考。其根本原因, 就在于沒有明確掌握高爐內(nèi)三項材料的運(yùn)動規(guī)律、爐內(nèi)化學(xué)變化對爐皮的真實(shí)壓力, 以及高溫作用、低周荷載對爐殼疲勞與脆斷的影響,不得不把經(jīng)驗作為主要依據(jù)。（2）我國高爐結(jié)構(gòu)設(shè)計, 已經(jīng)進(jìn)入電算時代, 已有較為完備、符合高爐工況的計算軟件和細(xì)部分析能力, 能夠在彈性薄膜理論和板殼有矩理論指導(dǎo)下, 對整體進(jìn)行分析, 也可對局部進(jìn)行彈塑性分析。但我國高爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計精度還不高, 落后于日本、前蘇聯(lián)等國家。由于我們?nèi)狈Ω郀t, 特別是爐體內(nèi)部的實(shí)驗和研究, 很難對荷載做進(jìn)一步的準(zhǔn)確統(tǒng)計。因此, 不管擁有多么先進(jìn)的計算設(shè)備和手段,校核的數(shù)據(jù)與使用總有一定距離。而且, 在實(shí)際設(shè)計中, 我們只考慮了爐役前期, 統(tǒng)計正常操作下的荷載, 盡管我們已經(jīng)考慮內(nèi)襯膨脹對爐殼的壓力, 但對熱疲勞, 低周荷載在爐役后期, 對高爐壽命減少的影響沒有考慮。斷裂力學(xué)對結(jié)構(gòu)壽命的估計, 還未應(yīng)用于設(shè)計。（3）我國還沒有統(tǒng)一的高爐設(shè)計概念, 沒有編制自己的設(shè)計規(guī)范和計算程序, 缺乏明確的爐殼設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)沒有一本有關(guān)的專著, 基本沿用蘇聯(lián)理論和規(guī)范, 以及日本的一些做法, 加上各設(shè)計單位缺乏相互交流, 在市場利益機(jī)制的驅(qū)使下, 必然大部分沿襲舊有設(shè)計經(jīng)驗。所以, 結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)步遲緩[13]。高爐基礎(chǔ)是高爐下部的承重結(jié)構(gòu)，它的作用是將高爐全部荷載均勻地傳遞到地基。高爐基礎(chǔ)由埋在地下的基座部分和地團(tuán)上的基墩部分組成。高爐基礎(chǔ)承受的負(fù)荷包括靜負(fù)荷、動負(fù)荷、熱應(yīng)力作用，其中溫度造成的熱應(yīng)力作用最危險。①靜負(fù)荷高爐基礎(chǔ)承受的靜負(fù)荷包括高爐內(nèi)部的爐料重量、渣、鐵液重量、爐體本身的砌磚重量、金屬結(jié)構(gòu)重量、冷卻設(shè)備及冷卻水重量、爐頂設(shè)備重量等，還有爐下建筑物、斜橋、卷揚(yáng)機(jī)等分布在爐身周圍的設(shè)備重量。就力的作用情況來看，前者是對稱的，作用在爐基上，后者則常常是不對稱的，是引起力矩的因素，可能產(chǎn)生不均勾下沉。②動負(fù)荷生產(chǎn)中常有崩料、坐料等，加給爐基的功負(fù)荷是相當(dāng)大的，設(shè)計時必須考慮。③熱應(yīng)力作用爐缸中貯存著高溫的鐵液和渣液，爐基處于一定的溫度下。由于高爐基礎(chǔ)內(nèi)溫度分布不均勻，一般是里向外低，上高下低．這就在高爐基礎(chǔ)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。對高爐基礎(chǔ)的要求如下：(1)高爐基礎(chǔ)應(yīng)把高爐全部荷載均勻地傳給地基，不允許發(fā)生沉陷和不均勻的沉陷。高爐基礎(chǔ)下沉?xí)鸶郀t鋼結(jié)構(gòu)變形，管路破裂。不均勻下沉將引起高爐傾斜，破壞爐頂正常布料，嚴(yán)重時不能正常生產(chǎn)。(2)具有一定的耐熱能力。—般混凝土只能在150℃以下工作，250℃便有開裂．400℃時失去強(qiáng)度，鋼筋混凝上700℃時失去強(qiáng)度。過去由于沒有的熱混凝土基墩和爐底冷卻設(shè)施，爐底破損到一定程度后，常引起基礎(chǔ)破壞，甚至爆炸。采用水冷爐底及耐熱基墩后，可以保證高爐基礎(chǔ)很好工作?；諗嗝鏋閳A形，直徑與爐底相同，—。設(shè)計時時可以利用基墩高度調(diào)節(jié)鐵口標(biāo)高[2]。第二章 包頭地區(qū)1500m3高爐本體設(shè)計從投資、生產(chǎn)效率、經(jīng)營管理方面考慮，高爐座數(shù)少些為好，選定高爐座數(shù)為1座，高爐利用系數(shù)為ηv=(m3 d)高爐容積Vu=1500m3 年工作日為36595%=347天,日產(chǎn)量P總=Vuηv=3900tPQ =MT ηvVv式中：PQ——高爐車間年生鐵產(chǎn)量，噸；M——高爐座數(shù)；T——年平均工作日，我國采用355天 。ηv——高爐有效容積利用系數(shù)，t/()；Vv——高爐有效容積，m3；PQ =13551500=1384500 t(Hu)的確定 高爐的有效高度決定著煤氣熱能和化學(xué)能的利用，也影響著順行。增加有效高度能延長煤氣與爐料的接觸時間，有利于傳熱與還原，使煤氣能量得到充分利用，從而有利于降低焦比。但有效高度過高，煤氣流通過料柱的阻力增大，不利于順行。所以，實(shí)際確定高爐有效高度時，首先應(yīng)考慮原燃料質(zhì)量，其次是爐容和鼓風(fēng)機(jī)性能。有效高度可用下述統(tǒng)計公式計算：620m3以下的中小型高爐： HU=對于大型高爐： HU=== H全=Hu+h0式中：H全——高爐全高，m；Hu——高爐有效高度，m；h0——死鐵層高度，m， ；則H全=Hu+h0=+=29m（1）爐缸直徑由式t/() 選定冶金強(qiáng)度I=（m3d）；燃燒強(qiáng)度i燃=(m3h)則： d= = （2）爐缸直徑(d)的校核：爐缸直徑確定的是否合適，可以由 VU /A 比值來校核，根據(jù)爐容大小，合適的 VU/A 比值為：大型高爐 22~28，中型高爐 15~22 ， A為爐缸截面積。校核Vu/A==，計算合理。（3）爐缸高度爐缸高度設(shè)計分為三段考慮， 一般先求渣口高度 (hz) ， 然后求風(fēng)口高度 (hf) ，最后求出爐缸高度 (h1)。a 渣口高度 (hz)可用公式 ： hz=Pb/ANVtf式中：P——日產(chǎn)生鐵產(chǎn)量，t/d。 b——生鐵波動系數(shù)，；A——爐缸截面積，m2；N —— 每晝夜出鐵次數(shù)(平均每兩小時出一次)；VT ——鐵水密度， t/m3；f —— 渣口以下爐缸容積利用系數(shù),~ 。hz=Pb247。ANVtf=3900247。5812=b 風(fēng)口高度 (hf) (a ) hf=hz+a=+=c爐缸高度 (h1) h1=hf+b式中： b——安裝風(fēng)口的結(jié)構(gòu)尺寸，大中型高爐 ~ ， 。h1=hf+b=+=d 鐵口數(shù)目 大型高爐可設(shè) 2~4 個鐵口，一般中小型高爐設(shè)一個鐵口。 f 風(fēng)口數(shù)目 ：N= πd247。S式中：d —— 爐缸的直徑；S —— 相鄰兩風(fēng)口中心線之間的弧長，取 ；N= πd247。S=π247。= 取22。g風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸：a=h= h+a=a 爐腹高度 (h2) ~，~。本設(shè)計選取h2=b 爐腹角 ( α )爐腹角一般為 80176。~82176。 ，爐腹角過小不利于爐料下降，影響順行 ；爐腹角過大不利于煤氣流分布，容易使邊緣煤氣流過分發(fā)展，同時不利于產(chǎn)生穩(wěn)定的渣皮保護(hù)爐襯。本設(shè)計選 α=82176。 爐腰直徑 ( D ) 可由 D/d 確定，一般大型高爐為 ~ ，中型高爐為 ~ ，小型高爐為 ~ 。本設(shè)計選取D/d=。式中：d —— 爐缸直徑，；∴D=d== 取11m (h5)一般參照同類型高爐數(shù)據(jù)選取，大型高爐為 ~ m ；中型高爐為 ~ ；小型高爐為 ~ 。本設(shè)計選 h5= 。 (d1)爐喉直徑可用 d1/D 的比值確定，大中型高爐d1/D ~ ， D—爐腰直徑 ， 。d1/D ， d1= ， 本設(shè)計 d1=。 由公式 h4= (Dd1)tanβ247。2=h=Hu( h+ h+ h+ h)=3m： V1=π247。4d2h1=： V2=π247。12h2(d2+D2+Dd)= 爐腰部分容積計算：V3=π247。4D2h3= 爐身部分容積計算： V4=π247。12h4(d12+D2+Dd1)= 爐喉部分容積計算： V5=π247。4d12h5=V= V+V+V+V+V=誤差ΔU=100%=%＜1%所以，設(shè)計合理。高爐內(nèi)型參數(shù)序號項目數(shù)值1有效容積Vu /m315002爐缸直徑d/mm86003爐腰直徑D/mm107504爐喉直徑d1/mm65005死鐵層深度h0/mm12006爐缸高度h1/mm35007爐腹高度h2/mm28008爐腰高度h3/mm30009爐身高度h4/mm1650010爐喉高度h5/mm200011有效高度Hu/m