高炉钢结构设计

高炉钢结构设计 (steel structure design of blast furnace)

炼铁高炉专用钢结构的设计。高炉钢结构设计主要内容包括高炉本体和炉顶、上料系统、热风炉系统、粗煤气除尘系统、出铁场和辅助设施钢结构的设计，做好系统间整体配合联系、进行结构的材料选择和采取安全防护措施。高炉系统钢结构见图1。

设计时要进行结构形式的选择，构件强度稳定性、变形的计算和合理的构造处理，以保证结构安全使用与经济合理。设计应按《钢结构设计规范》及其它有关规范规定进行。对于地震区的高炉钢结构，其抗震设计要求还要符合抗震设计规范规定。

高炉钢结构的大部分是高炉生产设备的主要组成部分，其特点是：(1)种类繁多，形式特殊。有多层空间框架的炉体框架、多折点壳体的炉壳、异形壳体组成的热风炉壳、圆或椭圆形筒壳的通廊等。(2)结构尺寸及构件断面较大。如：5000m3 左右高炉全高可达120m，炉壳直径为20m，炉壳厚度可达90～120mm，炉体框架箱形柱的断面尺寸达2．0m×4．0m。(3)钢材用量多，如5000m3 高炉，包括运输、动力、管线在内钢结构用量近9万t。(4)工作条件较苛刻。如：炉体及周围结构受高温影响及水气锈蚀作用，热风炉外壳上部有时受晶间应力腐蚀开裂作用，上料料车卷扬机的作业率高达80％，壳体构件还要承受煤气爆炸等事故性内压力和砖衬被侵蚀后高炉外壳局部温度过热的作用。(5)各系统间结构穿插交错，荷载辗转传递。要控制其变形，使其相互协调。

高炉本体和炉顶钢结构高炉本体结构形式主要有自立式和非自立式两种(图2)，也有介于两者之间的过渡形式。自立式高炉包括高炉外壳、炉体框架和炉顶刚架。炉壳独自承受炉内有关全部竖向荷载，而在炉周设炉体框架支承上部设备及平台。大中型高炉多用此种形式。非自立式高炉在炉壳下部设托圈和炉缸支柱，以支持炉内荷载，且多不设炉体框架，而将炉身平台及炉顶刚架支承在炉壳上，小型高炉多用此种形式。

高炉外壳多折点壳体组成的密闭焊接压力容器。内砌耐火砖衬。冷却设备、风渣铁口、监测仪表等均固定在炉壳上。为了维持较高操作压力下炉壳的密封性，大中型高炉炉底多设钢底板密封，其下设风冷或水冷管。在各设备开孔周围，外壳设加强环板或局部增大炉壳厚度。炉壳承受较大集中力处要做构造处理。为了满足炉役后期炉壳喷水冷却需要，在炉壳中下部要设数环防溅板及排水槽。

外壳承受的主要作用有：(1)自重、炉料及渣铁水重量；(2)各种生产情况下鼓入的热风及煤气的压力、渣铁水及炉料的侧压力；(3)设备、砖衬和结构作用其上的集中或均布荷载；(4)不同生产时期耐火砖衬热膨胀引起的推力；(5)地震区高炉的地震作用。在荷载效应(习称内力)分析中，要计算壳体的一、二次应力(包括薄膜应力和弯曲应力)及峰值应力，一次应力系由压力、设备荷载、风及地震等产生的应力；二次应力发生在结构不连续处，系由压力、设备荷载及热膨胀差引起；峰值应力产生于应力集中处和局部热变形受限制处。在炉壳的计算中，要使截面强度、稳定性满足有关规定要求。必要时，要验算炉壳的安定性，即保证结构不发生塑性变形的连续循环；在产生峰值应力区域要验算在应力变化循环次数不高条件下的低周疲劳。

炉体框架一般为四柱结构，由上下两部分组成。非自立式高炉在炉周设有多个炉缸支柱。

(1)下部结构为框架式，在炉周多呈正方形布置。对于大型高炉，为适应多条渣铁沟的布置，也有呈矩形布置者。有的炉子柱下端向外倾斜，以加大炉台操作空间。柱脚多固接于高炉基础上。柱上端与横梁刚接形成空间刚架。柱断面多为十字形、箱形、圆管或采用钢管混凝土柱。下部结构承受上部结构荷载，热风围管及吊挂重，有时也包括风口平台荷载(一般该荷载由混凝土结构承受)，横向风载和地震作用等。

(2)上部结构平面一般为正方形布置，且柱多与地面垂直，下端支承于下部结构柱顶，柱间设垂直支撑，因工艺要求不能设置时，则采用梁柱刚接的刚架。柱断面种类与下部结构相似。柱间设多层平台做检测修理之用，上端炉喉平台为主要平台，炉顶刚架支承于该平台或框架柱顶上，上料通廊或斜桥和粗煤气上升管亦多支承于该平台上。有些高炉为了大修更换炉壳方便，在框架上部设置炉壳的临时环形支座。炉体框架上部多与炉壳在水平方向相连，在抗震设防裂度较高地区更是如此。炉体各层平台，框架要考虑生产操作和检修时期平台活荷载、积灰荷载及偶然荷载(如地震或其他事故的荷载)效应组合。

(3)炉缸支柱是一组沿炉周倾斜放置的支柱，用来支承非自立式高炉上部炉壳和炉内耐火砖及炉料。上端与炉壳上水平环状的托圈相连。要考虑炉料在正常生产、悬料和崩料(悬料突然坠落)时的影响，要考虑铁水烧毁一根支柱对其他柱的增荷。柱按压弯构件计算。斜柱产生的水平力由炉壳托圈和柱底部水平支撑承受。

炉顶刚架由四柱组成的平面为矩形的多层构架。它用来支承炉顶检修吊车、料车式装料设备的平衡杆、受料斗或无料钟式设备的移动受料漏斗等。对于用料车上料的中小型高炉料车绳轮有时也放置其上。大型设备起吊用的检修吊车梁要外伸至炉喉平台和风口平台之外。有的高炉将装料设备支承于上升管上，而炉顶刚架仅支承检修吊车。为了保证刚架的刚度，在工艺设备布置允许之处设置柱间支撑。检修吊车和起吊物走行区域，可设活动支撑，以增加正常生产时期刚架的刚度。

设计时除需考虑一般的荷载效应组合外，尚需考虑检修吊车在不同位置工作时的荷载、料车钢绳卡住、平衡杆钢绳事故性松弛荷载和地震区的地震作用等效应。

上料系统钢结构包括料车式斜桥或上料胶带机通廊。有时碎焦卷扬设施结构、矿槽和机械室也采用钢结构。

斜桥双倾斜的构架（图3）。与地面倾角为50余度。下端支撑料坑边缘，上部用一支架支于炉喉平台或风口平台上，并有悬臂延伸至炉子中心附近。在斜桥的计算简图中，下端支座为不动铰，上端为铰接的链杆支架或可水平移动的辊轴支座，桁架间设纵梁横梁，以支承行驶的料车，上下弦平面中设支撑系统。中大型高炉料车为两台，小型高炉为一台，斜桥上端需设分歧轨，以倾翻料车。为了安全和承受可能出现的负轮压，在相应区段的车轮上方设置压轮轨。在斜桥顶端和中部设有导向绳轮平台，以支承料车牵引钢绳和操纵炉顶装料平衡杆用钢绳的绳轮。卷扬机室多设于桥下。桁架在上下支座处和上端端部的横断面上要设横向刚性门架，以传递斜桥的横向风力等，并作为保证桁架上弦杆侧向稳定的支点。为方便更换料车，斜桥下端的下弦支撑要作成可拆卸的。个别高炉斜桥为穿越式实腹梁。为了降低梁高，多做成两段简支梁或两跨连续梁。

斜桥的荷载效应分析除考虑正常料车荷载外，还应考虑在过载料车荷载，钢绳卡住、拉断或平衡杆钢绳松弛事故荷载等各种情况下的料车轮压与钢绳张力的效应。除钢绳拉断时料车自由滑落的事故情况外，一般为两台料车自炉顶及料坑底部相向运行。桁架式斜桥要按上述关系确定一空一重料车对桁架杆件内力的最不利位置，必要时还要做疲劳验算。在计算直接支承料车车轮轨道的纵梁横梁和绳轮的支承梁时，要考虑动力系数。要注意保证实腹梁的整体稳定。要验算桁架或实腹梁斜桥的挠度。