高炉壳体结构设计方法及钢材强度指标
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按压力容器设计，可采用规 则 设 计［3］ 和 分 析 设 计方法［4］。规则设计服从弹性失效准则，以 壳 体 的 某点最大应 力 进 入 塑 性，壳 体 开 始 屈 服 而 判 断 为 结 构失效。而 分 析 设 计 方 法 服 从 塑 性 失 效 准 则，在 壳 体安全的前提下，容许结构出现局部塑性区，局部可 以按有限寿 命 设 计，它 能 解 决 规 则 设 计 方 法 所 不 能 解决的问题。
而且规则设计不能评价计算壳体的总体或局部结构 不连续产生的应力和壳体承受各种荷载（ 如炉料荷 载、气体压 力、耐 火 砌 料 膨 胀 作 用、壳 体 内 外 温 差 作 用等） 作用时产生的交变应力，又未研究不同荷载工 况，不同荷载类别、各段炉壳不同区域的应力值对失 效所产生的影响等，因此计算分析简单，但对壳体结 构的失效不 能 作 出 合 理 的 评 价 与 预 测，对 转 折 处 和 开孔周边的应力强度和塑性区域不能提出控制指标 和范围。
2 作用在壳体结构上的荷载分析
高炉炉壳 是 炼 铁 设 备 的 重 要 组 成 部 分，承 受 的 各类荷载都属于炼铁生产工艺过程中的一些具有特 殊性质的荷载，在现行国家标准 GB 50009—2001《建 筑结构荷载规 范》中 尚 无 规 定，其 值 大 小 和 作 用 方 向，主要根据冶炼设备荷载、炉料荷载、气体压力、耐 火砌材膨 胀 作 用、壳 体 内 外 温 差 等 确 定。 作 用 于 壳 体结构上的主要荷载有以下几种。 2． 1 恒荷载
1 设计方法
我国《钢铁 产 业 发 展 政 策 》规 定，新 建 或 改 造 高 炉的有效容积必须达到 1000m3 及 以 上。现 行 国 家 标 准 把 炉 容 级 别 分 为： 1000m3 、2000m3 、3000m3 、 4000m3 、5000m3 共 5 个级别，每个级别代表一个高炉 有效容 积 范 围。例 如，1000m3 级 代 表 有 效 容 积 从 1000m3 至 1999m3 范 围 的 高 炉； 3000m3 级 代 表 有 效 容积从 3000m3 至 3999m3 范围的高炉等。本文提供
20 世纪 50 ～ 70 年代，我国高炉壳体结构设计、 壳体的各段厚度基本上都凭经验选用，20 世纪 80 年 代至 20 世纪末，壳体厚度凭经验确定之后，常采用规 则设计法对 壳 体 结 构 进 行 弹 性 计 算 分 析，在 承 载 力 判别时，认为 壳 体 结 构 只 有 完 全 处 于 弹 性 状 态 才 是 安全的，一旦 壳 体 的 某 一 点 的 最 大 应 力 进 入 塑 性 范 围，整个壳体结构就丧失承载力，只有增加壳体厚度 才能保证整 个 壳 体 结 构 不 失 效，这 种 设 计 方 法 过 于 保守，与高 炉 的 壳 体 结 构 实 际 使 用 状 况 不 符 合。 规 则设计法 是 一 个 传 统 的 方 法，简 单 明 了，便 于 应 用， 其规则设计 的 本 质 是 一 种 基 于 经 验 的 设 计 方 法，它 对于由不同 直 径、不 同 厚 度 的 圆 柱 壳 和 圆 锥 壳 组 成 的高炉炉壳，且开有上万个不同直径，形状各异孔洞 壳体的局部应力、边缘效应等是无法得到精确解的，
炉容级别/ m3 1000 2000
3000
4000
5000
炉顶设计压力/ kPa 200 200 ～ 250 220 ～ 280 250 ～ 300 280 ～ 300
高炉壳体 结 构 是 在 较 高 温 度、较 高 压 力 且 荷 载 工况十分复 杂 的 条 件 下 工 作，与 一 般 压 力 容 器 和 钢 结构有所不同的是其属特种钢结构。高炉的壳体结 构不仅承受 炉 顶 荷 载、自 重、冷 却 设 备 等 恒 荷 载，而 且主要承 受 气 体 压 力、炉 料 荷 载、耐 材 砌 体 膨 胀 力， 有时还要 抵 抗 煤 气 爆 炸、崩 料、坐 料 的 巨 大 冲 击 负 荷。壳体结构还必 须 使 炉 体 密 闭，不 让 煤 气 泄 漏，保 护环境。另外壳 体 结 构 一 旦 破 坏 将 酿 成 重 大 事 故。 基于其复杂 性 和 重 要 性，壳 体 结 构 的 抗 力 除 依 赖 于 工程生产实 践 的 积 累 外，还 应 对 壳 体 结 构 采 用 第 三 强度理论进行分析。从表 1 可知高炉壳体结构的设 计压力大于 0． 1MPa，小于 0． 3MPa，类似于钢制压力 容器。原冶金工业部（ 91） 冶字环第 643 号关于《冶 金部压力容器安全技术管理规定》［2］一文中，规定压 力超过0． 1MPa的高炉壳体结构应参照压力容器的技 术要求进 行 设 计。 美 国、日 本 等 国 的 高 炉 壳 体 结 构 设计标准亦 是 以 最 大 剪 应 力 理 论 作 为 强 度 准 则，按 压力容器进行设计。
Abstract： Iron making in blast furnace is both a chemical action and a physical change executed in a shaft furnace enclosed with thick steel plates． The load combination and stress characteristics of the furnace shell are very complicated． The design methods and structural steel selections for the blast furnace shell with effective volume of 1000m3 ～ 5000m3 are mainly discussed． In continuous parts of the blast furnace shell structure，the overall stress intensity should be less than the steel allowable stress to ensure that the overall shell structure in the elastic stage while in service． The calculation method of the shell structure can be calculated by the rule design method． In large curvature area and the edge of the holes，analysis design method can be used with allowrence to local plastic development． Based on experimental studies and the experience over the past decades，it is suggested that the steel Q345C，Q390C，BB503 can be used in 1000m3 ～ 5000m3 grade blast furnace shells． Through the reliability analysis of the steel and the reference to similar domestic and international standards，it is suggested that the allowable stress of the steel plates can take the value of two-thirds of the steel yielding strength． Keywords： effect volume； rule design； analysis design method； allowable stress
为使高炉的壳体结构设计，做到技术先进、经济 合理、安全适用和确保质量，壳体结构设计除进行规 则设计，控制壳体总体应力强度外，还应采用分析设 计法。分析设计法引入塑性理论中的极限分析和安 定性分析概念，充分利用钢材的塑性性能，允许壳体 转折处和开孔周边的局部区域出现可控制的塑性变 形［3］，以壳体在复杂应力状态下的当量强度（ 应力强 度） ，作为壳体丧失承载力的依据，因而节约钢材，保 证高炉壳体一代炉役工作年限达到 15 年以上，为实 现高炉长寿创造条件。
恒荷载包括： （ 1） 壳体结构自重。 （ 2） 作用在壳体上的设备重，主要包括： 炉顶设 备、冷却设备、粗煤气管及耐火喷涂料等。 2． 2 活荷载 活荷载包括： （ 1） 炉顶装料设备中的料重等。 （ 2） 高炉正常操作、休风、悬料和崩料状态时的 炉料荷载（ 矿石、石灰石、焦炭等混合物） 。炉料荷载 对壳体的作用，仅考虑风口及以上部位。 （ 3） 炉缸铁水的侧压力。 （ 4） 气体压力。它产生的壳体应力最大，工艺 专业一般只给出风口压力和炉顶压力，表 2 提供了 不同炉容级别高炉的工艺气体标准内压数值供设计 人员参考。 在 壳 体 结 构 设 计 时 应 按 不 同 区 域，不 同 工况取值进行计算。
Design methods and steel strength of blast furnace shell structure
DAN Zeyi，LUO Fusheng，DENG Yusun （ Civil Design Department，CISDI Engineering Co． Ltd，Chongqing 400013，China）
作者简介： 但泽义（ 1940— ） ，男，重庆人，教授级高工。E-mail： zeyi． dan@ cisdi． com． cn 收稿日期： 2009 年 10 月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
148
顶压力尚有提高的余地。 表 1 高炉的炉顶设计压力推荐值
Table 1 Advised design pressure for roof of blast furnace
建 筑 结 构 学 报（ 增刊 1） Journal of Building Structures（ Supplementary Issue 1）
高炉壳体结构设计方法及钢材强度指标
但泽义，罗福盛，邓玉孙 （ 中冶赛迪工程技术股份有限公司 建筑工程设计部，重庆 400013）
摘要： 高炉炼铁是在用厚钢板密封的竖炉内完成化学反映和物理变化，壳体的受力状态和应力特征十分复杂。本文对有效 容积 1000m3 ～ 5000m3 级高炉壳体结构的设计方法和结构用钢重点进行了论述，指出了高炉壳体结构在连续部位的整体应 力强度应小于钢材的许用应力值，使壳体结构总体在弹性阶段工作，其计算分析可采用规则设计方法进行计算； 对于壳体 转折处和孔洞边缘区域可采用分析设计方法进行计算，容许出现局部塑性区； 通过实验研究和总结几十年的生产实践经 验，提出了 1000m3 ～ 5000m3 级高炉壳体可采用 Q345C 钢、Q390C 钢、BB503 钢等壳体结构用钢及其强度指标； 通过对钢材 的可靠性分析和参考国内外类似标准，经分析比较后，钢板的许用应力取屈服强度的 2 /3。 关键词： 有效容积； 规则设计； 分析设计； 许用应力 中图分类号： TU33． 4 TU392． 6 文献标志码： A
的高炉壳体结构设计方法适用于有效容积为 1000 ～ 5000m3 级的高炉。根据 GB 50427—2008《高炉炼铁 工艺设计规范》的规定，新规范颁布实施后设计的各 级别高炉均 采 用 高 压 操 作，炉 顶 设 计 压 力 推 荐 值 见 表 1。从表 1 可以看出，炉顶压力随着炉容的扩大而 增加，尤其在 3000m3 以上的大高炉都采用更高的炉 顶压力进行强化冶炼，以达到提高产量，降低焦比的 目的。目前，国 内 已 有 几 家 钢 铁 企 业 的 大 型 高 炉 的 炉顶压力［1］已长期稳定在 220kPa。统计资料表明， 我国高炉鼓风机的能力都比较大，尚未充分发挥，炉
而且规则设计不能评价计算壳体的总体或局部结构 不连续产生的应力和壳体承受各种荷载（ 如炉料荷 载、气体压 力、耐 火 砌 料 膨 胀 作 用、壳 体 内 外 温 差 作 用等） 作用时产生的交变应力，又未研究不同荷载工 况，不同荷载类别、各段炉壳不同区域的应力值对失 效所产生的影响等，因此计算分析简单，但对壳体结 构的失效不 能 作 出 合 理 的 评 价 与 预 测，对 转 折 处 和 开孔周边的应力强度和塑性区域不能提出控制指标 和范围。
2 作用在壳体结构上的荷载分析
高炉炉壳 是 炼 铁 设 备 的 重 要 组 成 部 分，承 受 的 各类荷载都属于炼铁生产工艺过程中的一些具有特 殊性质的荷载，在现行国家标准 GB 50009—2001《建 筑结构荷载规 范》中 尚 无 规 定，其 值 大 小 和 作 用 方 向，主要根据冶炼设备荷载、炉料荷载、气体压力、耐 火砌材膨 胀 作 用、壳 体 内 外 温 差 等 确 定。 作 用 于 壳 体结构上的主要荷载有以下几种。 2． 1 恒荷载
1 设计方法
我国《钢铁 产 业 发 展 政 策 》规 定，新 建 或 改 造 高 炉的有效容积必须达到 1000m3 及 以 上。现 行 国 家 标 准 把 炉 容 级 别 分 为： 1000m3 、2000m3 、3000m3 、 4000m3 、5000m3 共 5 个级别，每个级别代表一个高炉 有效容 积 范 围。例 如，1000m3 级 代 表 有 效 容 积 从 1000m3 至 1999m3 范 围 的 高 炉； 3000m3 级 代 表 有 效 容积从 3000m3 至 3999m3 范围的高炉等。本文提供
20 世纪 50 ～ 70 年代，我国高炉壳体结构设计、 壳体的各段厚度基本上都凭经验选用，20 世纪 80 年 代至 20 世纪末，壳体厚度凭经验确定之后，常采用规 则设计法对 壳 体 结 构 进 行 弹 性 计 算 分 析，在 承 载 力 判别时，认为 壳 体 结 构 只 有 完 全 处 于 弹 性 状 态 才 是 安全的，一旦 壳 体 的 某 一 点 的 最 大 应 力 进 入 塑 性 范 围，整个壳体结构就丧失承载力，只有增加壳体厚度 才能保证整 个 壳 体 结 构 不 失 效，这 种 设 计 方 法 过 于 保守，与高 炉 的 壳 体 结 构 实 际 使 用 状 况 不 符 合。 规 则设计法 是 一 个 传 统 的 方 法，简 单 明 了，便 于 应 用， 其规则设计 的 本 质 是 一 种 基 于 经 验 的 设 计 方 法，它 对于由不同 直 径、不 同 厚 度 的 圆 柱 壳 和 圆 锥 壳 组 成 的高炉炉壳，且开有上万个不同直径，形状各异孔洞 壳体的局部应力、边缘效应等是无法得到精确解的，
炉容级别/ m3 1000 2000
3000
4000
5000
炉顶设计压力/ kPa 200 200 ～ 250 220 ～ 280 250 ～ 300 280 ～ 300
高炉壳体 结 构 是 在 较 高 温 度、较 高 压 力 且 荷 载 工况十分复 杂 的 条 件 下 工 作，与 一 般 压 力 容 器 和 钢 结构有所不同的是其属特种钢结构。高炉的壳体结 构不仅承受 炉 顶 荷 载、自 重、冷 却 设 备 等 恒 荷 载，而 且主要承 受 气 体 压 力、炉 料 荷 载、耐 材 砌 体 膨 胀 力， 有时还要 抵 抗 煤 气 爆 炸、崩 料、坐 料 的 巨 大 冲 击 负 荷。壳体结构还必 须 使 炉 体 密 闭，不 让 煤 气 泄 漏，保 护环境。另外壳 体 结 构 一 旦 破 坏 将 酿 成 重 大 事 故。 基于其复杂 性 和 重 要 性，壳 体 结 构 的 抗 力 除 依 赖 于 工程生产实 践 的 积 累 外，还 应 对 壳 体 结 构 采 用 第 三 强度理论进行分析。从表 1 可知高炉壳体结构的设 计压力大于 0． 1MPa，小于 0． 3MPa，类似于钢制压力 容器。原冶金工业部（ 91） 冶字环第 643 号关于《冶 金部压力容器安全技术管理规定》［2］一文中，规定压 力超过0． 1MPa的高炉壳体结构应参照压力容器的技 术要求进 行 设 计。 美 国、日 本 等 国 的 高 炉 壳 体 结 构 设计标准亦 是 以 最 大 剪 应 力 理 论 作 为 强 度 准 则，按 压力容器进行设计。
Abstract： Iron making in blast furnace is both a chemical action and a physical change executed in a shaft furnace enclosed with thick steel plates． The load combination and stress characteristics of the furnace shell are very complicated． The design methods and structural steel selections for the blast furnace shell with effective volume of 1000m3 ～ 5000m3 are mainly discussed． In continuous parts of the blast furnace shell structure，the overall stress intensity should be less than the steel allowable stress to ensure that the overall shell structure in the elastic stage while in service． The calculation method of the shell structure can be calculated by the rule design method． In large curvature area and the edge of the holes，analysis design method can be used with allowrence to local plastic development． Based on experimental studies and the experience over the past decades，it is suggested that the steel Q345C，Q390C，BB503 can be used in 1000m3 ～ 5000m3 grade blast furnace shells． Through the reliability analysis of the steel and the reference to similar domestic and international standards，it is suggested that the allowable stress of the steel plates can take the value of two-thirds of the steel yielding strength． Keywords： effect volume； rule design； analysis design method； allowable stress
为使高炉的壳体结构设计，做到技术先进、经济 合理、安全适用和确保质量，壳体结构设计除进行规 则设计，控制壳体总体应力强度外，还应采用分析设 计法。分析设计法引入塑性理论中的极限分析和安 定性分析概念，充分利用钢材的塑性性能，允许壳体 转折处和开孔周边的局部区域出现可控制的塑性变 形［3］，以壳体在复杂应力状态下的当量强度（ 应力强 度） ，作为壳体丧失承载力的依据，因而节约钢材，保 证高炉壳体一代炉役工作年限达到 15 年以上，为实 现高炉长寿创造条件。
恒荷载包括： （ 1） 壳体结构自重。 （ 2） 作用在壳体上的设备重，主要包括： 炉顶设 备、冷却设备、粗煤气管及耐火喷涂料等。 2． 2 活荷载 活荷载包括： （ 1） 炉顶装料设备中的料重等。 （ 2） 高炉正常操作、休风、悬料和崩料状态时的 炉料荷载（ 矿石、石灰石、焦炭等混合物） 。炉料荷载 对壳体的作用，仅考虑风口及以上部位。 （ 3） 炉缸铁水的侧压力。 （ 4） 气体压力。它产生的壳体应力最大，工艺 专业一般只给出风口压力和炉顶压力，表 2 提供了 不同炉容级别高炉的工艺气体标准内压数值供设计 人员参考。 在 壳 体 结 构 设 计 时 应 按 不 同 区 域，不 同 工况取值进行计算。
Design methods and steel strength of blast furnace shell structure
DAN Zeyi，LUO Fusheng，DENG Yusun （ Civil Design Department，CISDI Engineering Co． Ltd，Chongqing 400013，China）
作者简介： 但泽义（ 1940— ） ，男，重庆人，教授级高工。E-mail： zeyi． dan@ cisdi． com． cn 收稿日期： 2009 年 10 月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
148
顶压力尚有提高的余地。 表 1 高炉的炉顶设计压力推荐值
Table 1 Advised design pressure for roof of blast furnace
建 筑 结 构 学 报（ 增刊 1） Journal of Building Structures（ Supplementary Issue 1）
高炉壳体结构设计方法及钢材强度指标
但泽义，罗福盛，邓玉孙 （ 中冶赛迪工程技术股份有限公司 建筑工程设计部，重庆 400013）
摘要： 高炉炼铁是在用厚钢板密封的竖炉内完成化学反映和物理变化，壳体的受力状态和应力特征十分复杂。本文对有效 容积 1000m3 ～ 5000m3 级高炉壳体结构的设计方法和结构用钢重点进行了论述，指出了高炉壳体结构在连续部位的整体应 力强度应小于钢材的许用应力值，使壳体结构总体在弹性阶段工作，其计算分析可采用规则设计方法进行计算； 对于壳体 转折处和孔洞边缘区域可采用分析设计方法进行计算，容许出现局部塑性区； 通过实验研究和总结几十年的生产实践经 验，提出了 1000m3 ～ 5000m3 级高炉壳体可采用 Q345C 钢、Q390C 钢、BB503 钢等壳体结构用钢及其强度指标； 通过对钢材 的可靠性分析和参考国内外类似标准，经分析比较后，钢板的许用应力取屈服强度的 2 /3。 关键词： 有效容积； 规则设计； 分析设计； 许用应力 中图分类号： TU33． 4 TU392． 6 文献标志码： A
的高炉壳体结构设计方法适用于有效容积为 1000 ～ 5000m3 级的高炉。根据 GB 50427—2008《高炉炼铁 工艺设计规范》的规定，新规范颁布实施后设计的各 级别高炉均 采 用 高 压 操 作，炉 顶 设 计 压 力 推 荐 值 见 表 1。从表 1 可以看出，炉顶压力随着炉容的扩大而 增加，尤其在 3000m3 以上的大高炉都采用更高的炉 顶压力进行强化冶炼，以达到提高产量，降低焦比的 目的。目前，国 内 已 有 几 家 钢 铁 企 业 的 大 型 高 炉 的 炉顶压力［1］已长期稳定在 220kPa。统计资料表明， 我国高炉鼓风机的能力都比较大，尚未充分发挥，炉