6 壳体结构设计
6.1 高炉壳体结构
6.1.1 高炉壳体应采用自立式结构，炉底板支承于基墩上，其四周应设炉体框架，顶层平台与壳体间应设水平支撑点。
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；为灵活布置出铁场提供了方便等。
6.1.2 高炉壳体（图6.1.2）的外形尺寸应根据炼铁工艺和炉容设计的要求确定。
图6.1.2 高炉壳体
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
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 高炉壳体各段的厚度宜按下列公式计算：
1 煤气封罩段厚度：
式中：α——计算参数。与煤气导出管和溜槽检修孔相连的壳体α可取2～5，其他部位壳体α=12。当支撑炉顶设备小框架时，其支撑部分的壳体宜加厚（6～10）mm。
2 炉喉段厚度：
3 炉身中段厚度：
4 炉腰段厚度：
5 炉腹段厚度：
6 风口段厚度：
7 炉缸段厚度：
式中：t——壳体钢板厚度（m m）；
D——壳体的内直径（m），当为圆锥壳时，采用大端直径。
8 炉身上段和下段壳体厚度可分别取壳体内直径的3.6倍和3.8倍。
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：
式中：t——计算部位壳体厚度（m m）；
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2.00～2.20。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4063m 3高炉，炉身处K值为2.40～3.40，炉腰、炉腹处K值为3.70，风口处K值为5.60，底板K值3.70。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，对壳体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1000m 3～4000m 3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1000m 3～4000m3级高炉的低合金高强度结构钢（Q345C、BB503、ALK490、WSM50C）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1000m 3～4000m 3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97.70%。因此，回归方程式可用于1000m 3～4000m 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。
图1 封罩段回归直线
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。
图2 炉喉段回归曲线
图3 炉身中段回归直线
图4 炉腰段回归直线
图5 炉腹段回归直线
图6 风口段回归直线
图7 炉缸段回归直线
6.1.4 壳体结构计算时，应采用大型有限元程序，按壳体的开孔位置和尺寸建立实体模型，并根据生产过程中在壳体上可能同时作用的荷载，对壳体结构进行弹性计算分析，其连续部位的应力强度不应大于许用应力[σ]；转折处的应力强度不应大于1.5[σ]；孔边缘的应力强度不应大于2.5[σ]。
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《1000m3～5000m3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ANSYS，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 壳体结构的计算包括整体应力分析和局部应力分析。在进行整体应力分析时，对炉身、炉腰、炉腹、风口段壳体的截面参数宜考虑开孔率的影响予以折减。对壳体几何形状产生突变或结构不连续的部位，应进行局部应力分析。
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。
6.1.6 采用有限元对壳体结构进行弹塑性分析时，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vonMises屈服条件。
6.1.7 壳体结构的有限元分析宜采用板壳单元。在进行单元划分时，板壳单元的最大边长不宜大于其壁厚的5倍。对壳体转折处、开孔边缘应力集中部位以及开孔间截面削弱的区域，单元的最大边长不应大于0.15倍开孔半径。
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 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进行组合计算，从中找出最不利内力控制值。
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 壳体钢板内外表面的环向热应力，可按下式验算：
式中：E——钢材弹性模量；
ΔT——内外温差；
υ——泊桑系数；
α——线膨胀系数。
高炉壳体钢板内外面存在温度差（ΔT），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150℃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 对壳体结构开孔周边塑性的发展及应力重分布，当采用塑性理论进行分析时，其塑性区域的扩展不应大于孔边间距的1/3。
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2000m 3～4000m 3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。