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摘要：介绍热风炉的形式、作用及热风炉炉壳的设计内容和炉壳厚度的确定方法、晶问应力腐蚀的防护措施以及在地震区如何处理热风炉炉壳与热风炉框架、平台问的连接关系，可供热风炉炉壳设计、施工参考。
关键词：热风炉；炉壳；材质；厚度；防护
1炉壳设计
1.1设计因素’
①工艺要求：炉壳形状、炉壳大小及高度、炉壳的开洞情况、工艺荷载、炉温、炉压及使用年限。②环境和自然条件：大气腐蚀、介质腐蚀(尤其是晶间应力腐蚀)、气温、风载、雪载及地震作用。③施工因素：制作、运输及安装条件。
1.2设计内容
①炉壳材质；②焊接材料的选择；③炉壳外形、开洞和厚度；④炉壳分带分块；⑤焊缝形式；⑥构造和零星结构；⑦涂装和防腐措施；⑧施工要求和注意事项。
1.3炉壳材质⋯
热风炉是由钢板制成的旋转壳体结构，其工作条件十分恶劣，热风炉在使高炉连续不断得到大量高温空气的同时，自身也承受较高的风温和风压，拱顶钢板还经受高温下的介质腐蚀等。壳体开裂现象时有发生，严重者发生断裂，倘若导致高炉停产大修，将造成很大的经济损失。
现代热风炉的寿命要求满足高炉两代炉龄需达到30年，因此壳体钢材应根据其重要性、结构形式、荷载情况、应力特征、设计温度、腐蚀介质特性和钢板厚度等因素综合考虑后，选用合适的钢材牌号。
1.3.1热风炉炉身和炉底壳体结构的钢材宜采用Q345一C钢、Q390—C钢，它们除强度高、塑性和韧性好外，热疲劳性能、应变时效性能以及焊接性能也表现优异。.png)
a一内燃式；b一新日铁外燃式；c一马琴外燃式；d一地得外燃式；e一顶燃式
1一燃烧室；2一蓄热室；3一燃烧器；4一拱顶；5一炉箅子及支柱16一冷风入口；
7一热风出口；8一煤气人口f9一助燃空气人口110一烟气出口
图1 内燃式、外燃式、顶燃式热风炉结构示意
拱顶部位宜采用表1一表3中的钢材，这些钢种具有防腐蚀性介质侵蚀和抗脆性断裂的性能。
Q345一C钢、Q390—C钢应符合现行国家标准GB／T1591—94 《低合金高强度结构钢》的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚应符合相应的规定和要求。
表l 热风炉壳体结构用钢板的机械性能.png)
表2 热风炉壳体结构用钢板的化学成分.png)
表3 钢板许用应力值.png)
1.3.2热风炉壳体结构的钢材应具有O℃冲击韧性合格保证，以达到壳体在热冲击荷载和多向拉应力作用下具有可靠性能保证。
1.3.3钢材的交货状态，除Q345一B钢为热轧状态交货外，其他钢材均应以正火后交货。通过正火可以细化金相组织，提高强度和改善韧性，以满足热风炉生产使用炉役(热风炉30年)的要求。热风炉壳体结构的钢板应逐张进行超声波检测，热风炉拱顶的钢板质量等级应不低于Ⅱ级。其他钢板质量等级可为Ⅱ级。其检测方法和评定标准应符合国家现行标准JB／T4730．3《承压设备无损检测》第3部分超声检测的规定。
1.3.4当钢板厚度不小于40mm时，宜选用Z向性能钢，其材质应符合现行国家标准GB／T5313《厚度方向性能钢板》的规定。因为钢板在轧制过程中，随着板厚的增加，厚度方向的压缩比减小，钢板在三个方向的力学性能差别甚大，其中沿厚度方向性能最差。钢中的硫、磷偏析和非金属夹杂等缺陷也影响钢材厚度方向的性能；钢板在孔洞边缘存在多向拉应力；在制造焊接过程中厚度方向可能出现层状撕裂。这对壳体结构的寿命是很不利的。
1.4炉壳厚度的确定
1.4.1方法
现在热风炉炉壳厚度一般采用以下4种方法综合确定：①KD公式；②新经验公式；③与已建成投产的类似工程的类比(T程经验法)；④结构验算，包括整体计算和局部验算。
（1）KD公式法。KD公式是沿用前苏联的规范，是前苏联和我国20世纪70年代及以前的经验总结。
δ=KD （1）
式中：
δ——炉壳钢板厚度，mm；
D——炉壳直径，m；
K——比例系数mm／m，为钢板厚度(mm)与炉壳直径(m)之比。
对于热风炉，比例系数K一般取值如下：炉身K一1.6，炉身下部管道开孑L部分K一2.2。
随着炼铁工艺的发展，生产规模的扩大，冶炼强度的加大，炉壳自身承受较高的风温和风压，以及对介质腐蚀认识的加深(尤其是炉壳品间应力的腐蚀问题)，上述KD公式确定炉壳厚度已不尽合适。但仍可作为主要参考数据。根据国内近年来新建高炉的不完全统计显示，现代热风炉炉壳厚度实际取值是上述KD公式计算值的1.5倍左右。
（2）新经验公式。针对热风炉壳体处在特殊的工作条件下，并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、热应力等诸多冈素后，经综合比较分析，并总结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，以各段壳体直径D(m)作为横坐标，壳体厚度￡(mm)作为纵坐标，把大量新近已建热风炉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，发现其关系近似于一直线，即厚度f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。通过对每段壳体厚度与直径进行一元线性回归，得出了回归线。可初步确定厚度。
（3）类比法。与已建同类工程的类比，要根据设计使用条件、生产情况，曾经发生的问题和解决结果对拟建热风炉厚度进行针对性的调整。
（4）结构计算。结构计算包括整体计算和局部验算。
a．局部验算一般采用手工计算，如炉底锚固地脚螺栓计算，炉壳筒身段的局部应力计算以及外燃式热风炉燃烧窜顶部伸缩节处的拱顶连接螺栓计算等。这些计算虽然较粗略，许多计算条件和假定很难与复杂的实际情况完全吻合(如温度应力计算中的炉壳内外温差，一般按经验取10℃)，但这是多年工程积累的经验数值。
b．整体计算一般采用有限元方法并借助于计算机完成。该方法的计算结果能较精确地反映出炉壳各部位的应力、应变状况。以下是某工程内燃式热风炉炉壳的整体计算结果，如图2所示。
根据热风炉工作期间的各种荷载工况，依据相关规范和掌握的技术数据，对热风炉进行弹性分析。
通过各种工况作用的弹性分析，得出热风炉在与支管连接处存在严重的应力集中，其他部位受力较均匀。其中，从应力产生的原因分析，壳内气体压力产生的应力占主要地位，在诸多荷载作用效应中起控制作用；作用效应较大的荷载为内衬膨胀荷载；对壳体作用效应较小的是温度荷载、地震荷载、内衬荷载以及各种重力荷载。
考虑炉壳各连接支管在热风炉径向约束，并在最不利荷载组合中考虑各连接支管的集中荷载传递给热风炉炉壳来分析其塑性发展：通过假设材料为理想弹塑性，考虑材料非线性，采用增量迭代方法对内部压力荷载和最不利荷载进行了弹塑性分析，与弹性分析相比，塑性区域周围材料应力有所增加，出现应力重分布现象。通过对热风炉壳体进行最不利荷载作用的弹塑性计算，得出：加强连接支管与炉壳的连接不仅减小了孔边界的位移，而且有利于塑性区域的内力重分布，减小塑性区域，更充分利用孔边界周围材料的性能。.png)
a一有限元模型；b一荷载作用；。一节点应力云图，Pa；
d一节点位移云图mm；e--35.335～41.637m节点
应力云图，Pa；f—热风出u孔应力云图，Pa
图2 内燃式热风炉炉壳有限元计算结果
对于这种在复杂环境下工作的结构体系，由于现行测量手段还不能够全面准确地获得其受力性能，通过有限元分析，可以全面把握结构的工作性能并确定其承载力，为设计提供依据，意义显得更为重量。
但由于计算条件的复杂性和不定性，输入时必须作适当的简化并带有经验的性质，因而再精确的有限元分析结果也不宜直接在设计中取用，必须按长期积累的工程经验进行判断。
对于结构计算来说，不管采用手算方法还是电算方法，由于热风炉炉壳在生产期间的工作情况十分复杂，故计算结果尚不能充分反映结构的实际受力情况，更不能反映介质影响，故不能全凭计算结果来进行设计。
1.4.2小结
热风炉设计时，炉壳厚度的确定，目前仍宜同时应用上述4种方法进行综合分析比较来确定，若仅用其中1种方法确定炉壳厚度有可能隐含不安全因素或造成浪费。
2关于晶间应力腐蚀问题
自20世纪70年代以来，随着热风炉炉温的提高，晶界应力腐蚀问题已成为热风炉炉壳设计不可回避的难点之一，在《高炉设计——炼铁工艺设计理论与实践》及《高炉炼铁生产技术手册》中均作了重点阐述。
2.1产生晶界应力腐蚀的原因
由晶界应力腐蚀引起的钢壳破裂，是高温热风炉进一步提高风温的主要障碍。引起晶界应力腐蚀破裂的原因综合起来有下列几点：
（1）鼓风中的N2和O2，在高温下生成Nx，温度越高，其浓度越大；1250～1370℃风温条件下，N0x浓度为(40～600)×10-4％；当拱顶温度超过1450℃时，NOx浓度可高达3500×10-4％(换炉充压时)。近来，又发现NOx可以传至整个热风炉和热风炉系统。在某种条件下，晶界应力腐蚀也可以在低温部分，如热风炉下部煤气、烟气、热风出口或热风主管和环管发生。
（2）煤气中的S被氧化为S0x。
（3）NOx、S0x与炉壳上的冷凝水作用生成HN03和H2S04，在有Fe3+存在的条件下。成为钢材的强腐蚀剂。此外，CaNO3、NH4NO3等盐类在熔融状态下也有腐蚀作用。
（4）腐蚀液从炉壳存在应力的地方(如焊缝、制作时的伤痕等处)沿着品格深部侵入、扩展而致破裂。同时，由于热风炉操作中会产生缓慢的脉冲拉应力和疲劳应力，使拉应力有超过屈服极限的可能，从而加速腐蚀破裂的过程。
由此可见，造成应力腐蚀破裂的原因，一是有腐蚀气体存在，二是应力存在。
2.2预防晶界应力腐蚀的措施
为获得高风温，腐蚀气体的产生是不可避免的；而且随着温度和压力的提高，浓度越来越高。防止晶界应力腐蚀破裂的措施是从消除应力及防止腐蚀液和炉壳接触两方面入手。预防晶界应力腐蚀通常有两种办法：一是整个炉壳采用外部绝热法，使炉壳温度高于180℃，高于电解液的露点。二是整个炉壳采用内表面涂层办法。
内表面涂层法优于外部绝热法的理由如下：
①由于炉壳温度要高于酸液露点温度，炉壳抗腐蚀能力降低，炉壳厚度要增加；
②炉壳被绝热层覆盖后，使用过程中出现的损坏不易早期发现；
③在绝热和非绝热的结合区，高温时炉壳上出现冷凝现象。这些酸性冷凝液叮能引起腐蚀破坏；
④纤维绝热层厚度和性能的波动导致不均匀的温速度场，引起炉壳出现附加应力；
⑤耐火砖衬较高的温度要求耐火砖使用高级耐材，因而增加造价。
炉壳内表面防晶界应力腐蚀的具体要求如下：
（1）高温区炉壳采用耐腐蚀的低合金结构钢，提高焊接性能。所有的炉壳转折点均宜采用曲线连接，连接半径一般宜大于1500mm，锥体倾角为45°，各开孔部位应进行补强。施工过程中不允许在炉壳上任意开孔以及在炉壳上焊接其他构件，避免产生应力集中；
（2）拱顶炉壳加工完毕后，一般可采用现场机械振动法消除炉壳内部分残余应力。有条件时，应对拱顶炉壳进行整体退火，消除残余应力；
（3）在高温区炉壳内表面涂抹耐酸漆及喷耐酸耐火材料，防止腐蚀性液体和炉壳直接接触。例如：国内某钢厂2500m3高炉工程中热风炉拱顶高温区炉壳区表面涂刷3层防晶界应力腐蚀涂料——厚涂性环氧树脂涂层，漆膜厚度为270μm。
3热风炉与辅助设施间的连接
热风炉系统除热风炉炉壳外还有热风炉框架、热风炉本体平台及各种管道等等。热风炉框架平台与热风炉本体平台间一般通过楼梯或走道连接。楼梯和走道的两端与平台连接构造应考虑热风炉和框架变形不一致的影响(尤其是地震区)。一般做法是，一端做成不动铰支承，另一端做成水平方向可移动的滑动支承(采用长圆孔或大圆孔，不焊)。各热风炉间的连接楼梯和走道的两端也应按照上述构造处理。
4结语
热风炉系统结构设计涉及的内容和领域较多，目前尚无专门规范、规程可循。本文所介绍的炉壳设计计算方法及构造仅为笔者从事热风炉炉壳设计的一点经验。
在计算机技术发达的今天，对热风炉炉壳的设计，在结构分析的手段上可以说不存在任何困难，关键还在于对工艺条件的准确了解，如炉压、炉温与结构所受作用的关系；找出炉壳结构在整个设计使用期内工作的变化规律，以期使设计更为经济、合理。
参考文献
[1]GB50017—2003钢结构设计规范[s]．
[2]项钟庸，壬筱留．等．高炉设计——炼铁工艺设计理论与实践[M]．北京：冶金工业出版社，2005．
[3]周传典．高炉炼铁生产技术手册[M]．北京：冶金工业出版社，2005．
论文作者:顾雪良
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：热风炉论文; 应力论文; 厚度论文; 壳体论文; 荷载论文; 钢板论文; 结构论文; 《基层建设》2016年15期论文;