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。

皎带机通廊一般由两榀桁架、平台横梁和上下弦支撑组成(图4)。通廊高处距地面多在40m以上，支承支架的布置又受地面设施的限制，故通廊跨度常有超过60m者。通廊多设墙架及屋盖，也有仅将胶带加罩而省去围护结构者。长跨通廊形式多样，20世纪70年代中期，出现了圆形或椭圆形截面而跨度达80m的管式壳体结构通廊，既节省了围护结构材料又解决了长跨度的结构形式问题。通廊支承支架除一般为双肢格构式支架外，大型高炉中尚有管状截面柱肢的人字形支架，可省去肢间的腹杆，且外观简洁，安装运输方便。为了承受纵向的水平力并确保整体的稳定，需在通廊系统的中部设固定支架。桁架式通廊按所受节点各向荷载分析内力，而管式通廊则按压弯构件分析。所有构件要进行强度和稳定性验算，对主要承重结构要注意荷载的动力效应，为确保管式通廊的局部稳定，防止横断面的变形，在管内侧多设环向和纵向加劲肋。

碎焦卷扬设施结构料车上料的高炉专门运出过筛后的碎焦的设施结构。包括支架、碎焦仓和小车走行部分及相应平台。

热风炉系统钢结构每座高炉配有3～4座热风炉，为高炉提供具有一定压力的高温空气。热风炉系统钢结构包括热风炉炉壳、冷风管道、煤气管道、热风管道、热风围管、助燃空气管道、混风管道、废气管道以及相应的管道支架平台和阀门检修用吊车栈桥等。

热风炉有内燃式、外燃式、顶燃式和改进内燃式四种类型(图5)，按工艺要求选定。内燃式炉壳为圆柱形筒壳，壳内除有周壁的耐火砖层外，还设有供煤气燃烧的燃烧室和装满格子砖的蓄热室。壳上设煤气、冷风入口及热风、废气出口。壳顶为半球形或其他曲面的封板，炉底设有平钢底板，其上浇灌耐热钢筋混凝土板，壳底部设锚栓。底板与侧壁相交转角处多以圆弧过渡，以平衡内压的竖向拉力和耐火砖膨胀作用于炉壳的竖向摩擦拉力。外燃式热风炉是将燃烧室与蓄热室分离成为上端相连有独立钢外壳的两个筒体。顶燃式热风炉取消了燃烧室而将燃烧器环置于拱顶之下。改进内燃式热风炉拱顶采用悬链式曲线。工艺上对燃烧室构造和砖衬做了改进。

当拱顶温度超过产生晶间应力腐蚀的临界温度时，要采取相应的防止拱顶和上部壳体开裂的措施，如在炉壳直径变化处实行平缓过渡，采用较小的焊缝尺寸，对焊缝进行退火，设置膨胀圈等；采用细晶粒抗开裂性能好的钢制作；壳外设保温层，以防止酸露凝结；壳内涂耐热防酸漆保护等。

热风炉外壳承受内部鼓风压力和砖衬热膨胀力的作用。在有集中荷载处要验算其局部应力。在与各种管道相连处，由于开设孔洞，要设加强环板或局部增大炉壳厚度以补强。内部用砖托支承衬砖处，要计算热膨胀产生的应力或做构造处理，使砖托受热变形不受约束。沿圆筒下端周边设锚栓，以承受安装阶段的风荷载、试压时的上拉力和地震作用。当炉壳底板上有钢梁加劲并有耐热钢筋混凝土底板时，锚栓所承受的拉力可考虑壳内侧周环耐火砖衬重量产生的卸荷作用。对于外燃式热风炉，由于设有两个简体，其间当由刚性连通管连接时，简体间的受热膨胀差异，要靠简体变形吸收，或设液压支承座吸收，当设膨胀节时，要设拉环以互相抵消筒体间轴向推力的影响。

大型高炉的冷热风管均设置膨胀圈，以补偿管道热膨胀量，并将热风围管水平拉结于高炉周围结构上，以确保围管与高炉同心。

粗煤气除尘系统钢结构包括粗煤气管道、重力除尘器和支架。

粗煤气管道包括导出管、上升管、下降管和放散管等。为了隔热和抗磨损，在管道内壁设锚固件，并喷涂耐火材料，或管道内衬以耐火砖，转角处衬铸铁板或喷涂耐火材料。对于大型高炉，在管道与炉壳相连处，为了增进支承的可靠性，在上升管下部或导出管区域多设置膨胀节，并在其上方平台上设置支座承受管道重量等，使管道与下面的炉壳在传力上相互分离。对中小型高炉，粗煤气管道多直接支承在炉喉外壳上。有时为了简化炉顶刚架结构，在更换炉顶设备时，在管道上设置起吊滑轮，以代替炉顶刚架的安装检修吊车梁，为此在下降管上要设起吊梁，并用加劲环加强。

管道除了承受结构自重、内压、平台活荷载和风荷载外，还要承受热膨胀或局部过热的变形推力、高炉与除尘器基础间的差异沉降的作用(当地基条件差时)、管道上可能设置的吊挂荷载(在炉顶检修时)和地震的作用等。

重力除尘器上下端为锥体的圆柱壳。在煤气进口处多设耐磨层，为了耐磨与隔热，筒壳亦有衬砖者。中小型高炉的除尘器支架为钢筋混凝土结构，而大型高炉的除尘器支架则多为钢结构，有四柱或多柱式，其间以斜撑相连或与梁刚接形成框架。

设计时，除考虑粗煤气管道在重力除尘器上端的作用外，还要考虑清灰不及时的贮灰过载以及地震作用对支架的影响，并验算承受负压时壳体的稳定性。

出铁场钢结构包括厂房及工作平台两部分(图1)。

厂房出铁场厂房一般为矩形平面布置。当炉容较大时，因需设多个渣铁口，常设置成相对布置的(图1)或在炉两侧并行的两个矩形出铁场厂房，也有的简化成单一的环形出铁场厂房(图6)。

厂房内设桥式吊车，屋面设通风天窗。为了减少积灰，屋面坡度一般为45。，也有的采用平缓屋面坡度，以方便清灰。屋面材料一般为钢板。为了炉顶检修吊车吊装需要，有时在屋面设吊装孔，上覆可移动屋面板。大型高炉出铁场的通风除尘设施的管道多支承在柱和屋面系统上。当上料通廊支架布置受限制时，有时也支承于屋面上。矩形平面的出铁场厂房结构为实腹框架或为格构柱与屋架体系。环形平面的出铁场厂房结构为正多边形的空间框架体系(图6)。

环形出铁场承重空间框架系由框架柱、斜屋面横梁、H形环梁、箱形环梁、环向檩条和支撑等组成。多数出铁场厂房的箱形环梁支承于炉体框架柱上。有的高炉将炉身、炉喉平台支承或吊挂于箱形环梁上，出铁场平台下铺有铁路线，使得部分边柱布置困难。有的出铁场将边柱或吊车柱肢置于出铁场工作平台上。厂房内设环行吊车，吊车梁为箱形断面弧形梁，外侧吊车梁支承于周边柱上，内侧吊车梁支承在炉周的四或六根双肢柱的外肢上，该柱的另一肢支承热风围管，围管支座在半径方向应能自由膨胀移动，并有隔震设施。屋面高侧设环形通风天窗。与矩形出铁场不同，环形出铁场中，热风主管进入厂房时，管道要高于吊车设备轮廓尺寸，并垂直接入热风围管。在周边柱上设周边环形走道，以连通各内部小屋。炉顶检修吊车梁多外伸至出铁场厂房之外，由于跨度较大，需另设高大落地支架支持。

出铁场厂房的计算与一般厂房类似，屋面灰荷载当屋面坡度大于25。时开始折减，至45。时折减至零。在天窗附近及靠近炉子中心区域要考虑灰堆影响，有上料通廊支架或通风除尘管道在屋面系统上时，由于荷载较大，要增设必要的支撑，对于地震区要考虑水平和垂直方向的地震作用。弧形吊车梁由于吊车行驶速度较慢，其横向水平荷载多不需另计吊车弧线运行径向的增力。

平台用于布置铁、渣沟和维修用设备的场所。常覆盖整个出铁场厂房区域，多为钢筋混凝土结构。设计时，要留出吊装区域或吊装孔，以便物料垂直运输。平台各部位标高随生产设备要求而不同，以填砂调整。为实现检修机械化并改善工作环境，有的大型高炉在钢筋混凝土结构上再设平坦的架空钢平台，以利水平运输。平台上当有专门检修车辆行驶时，检修荷载中要考虑其影响。

辅助设施钢结构高炉的电梯井架、煤粉喷吹高层框架、渣处理沟道、通风除尘设施、炉顶余压发电、煤气清洗、铸铁机厂房、备用水塔等设施也全部或部分地采用钢结构。

整体配合联系高炉钢结构与生产操作特点关系密切。主要表现在：(1)各系统的结构布置常互相交错，需要密切配合衔接，如：炉喉平台处，集炉体、炉顶、上料和粗煤气系统于一体；炉体下部与出铁场、热风炉系统相互连接；炉顶刚架的斜撑和安装梁的布置要与粗煤气管道协调。(2)受荷变形和生产操作引起的热膨胀变形要设法消除或控制在允许范围内，如上料斜桥或通廊与炉顶刚架间要留有必要的变形净空；在炉喉平台处，粗煤气管道设置膨胀圈和支架；热风炉热风主管及支管多设膨胀圈。(3)在作用分析中，要尽量将结构划分成明确的受力体系，并尽量将体系按整体考虑，如在炉侧并行的出铁场中，由于厂房结构与炉体下部框架相连，炉体框架柱与厂房柱基础下沉量不同，要考虑对结构产生的影响；高炉本体、炉顶刚架和粗煤气系统处于同一的受力体系中，荷载、地基变形、温度变化和地震等作用均互相影响。在计算机软件不断完备的情况下，通常宜进行这些体系的静力和动力整体分析(图7)。

材料选择高炉钢结构用钢材要根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境和温度等进行选择。除按一般规定外，焊接高炉炉壳、热风炉炉壳及除尘器外壳，钢材要采用力学性能和化学成分符合要求的镇静钢。大型高炉炉壳宜用高塑性高韧性低硫磷的细晶粒抗开裂性能优良的高强焊接钢。当热风炉风温较高时，热风炉上部要用抗晶间应力腐蚀开裂性能优良的钢材。对于料车斜桥桁架、料车轨下纵梁横梁、绳轮支承梁和料钟式装料设备的平衡杆支承梁等直接承受动力荷载的构件，还要保证冷弯和冲击韧性的要求。

由于多数高炉构件常受高温度高湿度的影响，大中型高炉多采用彩色耐高温防腐蚀涂料。小型高炉常用沥青漆涂敷保护，但不能耐久，且色泽不佳。

安全及防护为了保证生产和人身安全，增强结构耐久性和延长高炉使用寿命，要采取必要的安全和防护措施。

保证结构安全的主要措施有：(1)正确合理地选用钢材。并在计算中留有适当的锈蚀余量。(2)在爷系统间的交接处，要留有适当的净空，以防结构在变形时互相碰撞，在地震区还要考虑防震的要求。(3)对可能被渣铁水喷溅部位的构件，如对着渣铁口且距离近的出铁场的柱子，要全高包以耐火砌体，出铁场的其余柱子则保护至出铁场平台以上2．5m范围。(4)对可能受漏泄铁水损坏的构件，如炉体框架自风口平台以下部分要用耐热混凝土包覆；渣铁罐车停放处的受烘烤结构要有隔热措施；渣铁口上方的热风围管要吊挂隔热板等。(5)铸铁机室和渣处理系统均需妥善处理高温水汽的锈蚀等。

操作人员的主要防护措施有：(1)对人行通道，为避开不同风向的煤气，高炉须设两套走梯。(2)有可能受铁水、熔渣和热焦危害的区域要有足够数量的疏散通道和安全出口。(3)主要高空工作检修平台和梯子的栏杆要加强。(4)斜桥下设防护网，以防落料伤人和影响交通安全。

展望随着炼铁生产的发展和操作技术的提高，会对高炉钢结构形式和强度等提出新的要求，如：(1)研究新颖的结构形式。如高炉炉壳和炉体框架、热风炉外壳、上料运输结构和出铁场平面布置等。(2)开发新的钢材品种。主要是高强、高韧性、耐腐蚀、抗开裂性能优良钢材。

(3)深化结构分析。随着计算手段的不断完善，必要的空间分析会更便于实现。在细部分析方面，将深入研究各种应力状态，特别是局部应力状态，例如对于某些部件和部位的应力状态将采用弹塑性理论或断裂力学的原理进行分析，能够更真实地反映结构的实际工作状况，为改进结构设计提供依据。

(4)提高环境保护水平，净化美化炼铁厂的环境和外观将日益受到重视。