教案1435高炉钢结构 36高炉炉基.docx
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教案1435高炉钢结构36高炉炉基
课时教学计划
课程:
高炉炼铁设计原理任课教师
授课题目
3．5高炉钢结构3．6高炉炉基
教学形式
讲授
共2课时，总第27—28课时
授课班级
授课日期
教
学
目
的
要
求
掌握高炉钢结构、高炉炉基
重
点
高炉钢结构、高炉炉基
难
点
高炉钢结构、高炉炉基
课
堂
结
构
及
时
间
分
配
一.复习引入（5分钟）
二.教学内容
第五节高炉钢结构（40分钟）
第六节高炉炉基（35分钟）
三.课堂小结（6分钟）
四.布置作业（2分钟）
五.参考资料（2分钟）
六.课后体会
教学过程及教学内容
方法手段
【复习提问】风口破损的原因？
【新课引入】
3.5高炉钢结构
高炉钢结构包括炉壳、炉体框架、炉顶框架、平台和梯子等。
高炉钢结构是保证高炉正常生产的重要设施。
设计高炉钢结构应考虑的主要因素有：
1）高炉是庞大的竖炉，设备层层叠叠，钢结构设计必须考虑到各种设备安装、检修、更换的可行性，要考虑到大型设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性。
2）高炉是高温高压反应器，某些钢结构件应具有耐高温高压、耐磨和可靠的密封性。
3）运动装置运动轨迹周围，应留有足够的净空尺寸，并且要考虑到安装偏差和受力变形等因素。
4）对于支撑构件，要认真分析荷载条件，做强度计算。
主要荷载包括：
工作中的静荷载、动荷载、事故荷载（例如崩料、坐料引起的荷载等），检修、安装时的附加荷载，以及外荷载（风载、地震等）。
5）露天钢结构和扬尘点附近钢结构应避免积尘积水；
6）合理设置走梯、过桥和平台，使操作方便，安全可靠。
3.5.1.高炉本体钢结构
设计高炉本体钢结构，主要是解决炉顶荷载、炉身荷载传递到炉基的方式方法，并且要解决炉壳密封等。
目前高炉本体钢结构主要有以下几种形式，见图3－25。
图3－25高炉本体钢结构
a－炉缸支柱式；b－炉缸炉身支柱式；c－炉体框架式；d－自立式
1.炉缸支柱式（图3－25a）
炉顶荷载及炉身荷载由炉身外壳通过炉缸支柱传到基础上。
其特点是节省钢材，但风口平台拥挤，炉前操作不方便，并且大修时更换炉壳不方便。
高炉生产过程中应注意炉身部位的冷却，特别是炉龄后期，由于受热和承重炉壳有可能变形，这将影响装料设备的准确性。
目前我国255m3以下高炉曾多用这种结构。
2.炉缸炉身支柱式（图3－25b）
炉顶装料设备和煤气导出管、上升管等的重量经过炉身炉壳传递到炉腰托圈，炉顶框架、大小钟荷载则通过炉身支柱传递到炉腰托圈，然后再通过炉缸支柱传递到基础上。
煤气上升管和炉顶平台分别设有座圈和托座，大修更换炉壳时炉顶煤气导出管和装料设备等荷载可作用在平台上。
这种结构降低了炉壳的负荷，安全可靠。
但耗费钢材较多、投资高，因此只适用于大型高炉。
我国五、六十年代所建大型高炉多采用这种结构。
3.炉体框架式（图3—25c）
近年来我国新建大型高炉多采用这种结构。
其特点是：
由四根支柱连结成框架，而框架是一个与高炉本体不相连接的独立结构。
框架下部固定在高炉基础上，顶端则支撑在炉顶平台。
因此炉顶框架的重量、煤气上升管的重量、各层平台及水管重量，完全由大框架直接传给基础。
只有装料设备重量经炉壳传给基础。
这种结构由于取消了炉缸支柱，框架离开高炉一定距离，所以风口平台宽敞，炉前操作方便，还有利于大修时高炉容积的扩大。
4.自立式（图3－25d）
炉顶全部荷载均由炉壳承受，炉体周围没有框架或支柱，平台走梯也支承在炉壳上，并通过炉壳传递到基础上。
其特点是：
结构简单，操作方便，节约钢材，炉前宽敞便于更换风口和炉前操作。
设计时应尽量减少炉壳转折点，制造时折点部位要平缓过渡，减小热应力；高炉生产过程中应加强炉壳冷却，特别是炉龄末期炉壳可能变形，需要增设外部喷水冷却；另外，高炉大修时炉顶设备需要另设支架。
我国中小型高炉多采用这种结构。
3.5.2炉壳
炉壳是高炉的外壳，里面有冷却设备和炉衬，顶部有装料设备和煤气上升管，下部座落在高炉基础上，是不等截面的圆筒体。
炉壳的主要作用是固定冷却设备、保证高炉砌砖的牢固性、承受炉内压力和起到炉体密封作用，有的还要承受炉顶荷载和起到冷却内衬作用（外部喷水冷却时）。
因此，炉壳必须具有一定强度。
炉壳外形与炉衬和冷却设备配置要相适应。
存在着转折点，转折点减弱炉壳的强度。
由于固定冷却设备，炉壳需要开孔。
炉壳折点和开孔应避开在同一个截面。
炉缸下部折点应在铁口框以下100mm以上，炉腹折点应在风口大套法兰边缘以上大于100mm处，炉壳开口处需补焊加强板。
炉壳厚度应与工作条件相适应，各部位厚度可由下式计算：
（3－30）
式中：
——计算部位炉壳厚度，mm；
——计算部位炉壳外弦带直径（对圆锥壳体采用大端直径），m；
——系数，mm/m；与弦带位置有关（见图3－26），其值见表3－17。
表3－17高炉各弦带
的取值
炉顶封板与炉喉
当50°＜β＜55°
4.0
β＞55°
3.6
高炉炉身
2.0
高炉炉身下弦带
2.2
风口带到炉腹上折点
2.7
炉缸及炉底
3.0
图3－26高炉炉体各弦带分界示意图
炉身下弦带高度一般不超过炉身高度的1/4～1/3.5。
高炉下部钢壳较厚，是因为这个部位经常受高温的作用，以及安装渣口、铁口和风口，开孔较多的缘故。
我国某些高炉炉壳厚度见表3－18。
表3－18我国某些高炉炉壳厚度（mm）
高炉容积，m3
100
255
620
620
1000
1513
2025
4063
高炉结构型式
炉缸
支柱
自立式
炉缸
支柱
自立式
炉体
框架
炉缸
支柱
炉体
框架
炉体
框架
高炉炉壳
厚度，mm
炉底
14
16
25
28
28/32
36
36
65，
铁口区90
风口区
14
16
25
28
32
32
36
90
炉腹
14
16
22
28
28
30
32
60
炉腰
14
16
22
22
28
30
30
60
托圈
16
－
30
－
－
36
－
－
炉身下部
8
14
18
20
25
30
28
炉身由下至上依次为55，50，40，32，40
炉顶及炉喉
14
14
25
25
25
36
32
炉身其它部位
8
12
18
18
20
24
24
3.5.3炉体框架
炉体框架由四根支柱组成，上至炉顶平台，下至高炉基础，与高炉中心成对称布置，在风口平台以上部分采用钢结构，有“工”字断面，也有圆形断面，圆筒内灌以混凝土。
风口平台以下部分可以是钢结构，也可以采用钢筋混凝土结构。
一般情况下应保证支柱与热风围管有250mm间距。
3.5.4炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱座圈
炉缸支柱是用来承担炉腹或炉腰以上，经炉腰支圈传递下来的全部荷载。
它的上端与炉腰支圈连接，下端则伸到高炉基座的座圈上。
大中型高炉一般都是用24～40mm的钢板，焊成工字形断面的支柱，为了增加支柱的刚度，常加焊水平筋板。
支柱向外倾斜6º左右，以使炉缸周围宽敞。
支柱的数目常为风口数目的一半或三分之一，并且均匀地分布在炉缸周围，其位置不能影响风口、铁口、渣口的操作，其强度则应考虑到个别支柱损坏时，其它相邻支柱仍能承担全部荷载。
为了防止发生炉缸烧穿时，渣铁水烧坏炉缸支柱，应从高炉基座的座圈直到铁口以上1m处的支柱表面，用耐火砖衬保护。
炉身支柱的作用是支承炉顶框架及炉顶平台上的荷载、炉身部分的平台走梯、给排水管道等。
一般为6根，下端应与炉缸支柱相对应。
在确定炉身支柱与高炉中心的距离时，要考虑到炉顶框架的柱脚位置、炉身、炉腰部分冷却设备的布置和更换。
炉腰支圈的作用是把它承托的上部均布荷载（砌砖重量及压力等）变成几个集中载荷传给炉缸支柱，同时也起着密封作用。
它是由几块30～40mm厚的钢板铆接式焊接而成的。
在它与上下炉壳相接处，两侧都用角钢加固，在外侧边缘也用角钢加固，以加强其刚性，其结构见图3－27。
图3－27炉腰支圈
支柱座圈是为了使支柱作用于炉基上的力比较均匀。
在每个支柱下面都有铸铁或型钢做成的单片垫板，并且彼此用拉杆或整环连接起来，以防止支柱在推力作用下或基础损坏时发生位移。
3.6高炉基础
高炉基础是高炉下部的承重结构，它的作用是将高炉全部荷载均匀地传递到地基。
高炉基础由埋在地下的基座部分和地面上的基墩部分组成，见图3－28。
图3－28高炉基础
1－冷却壁；2－水冷管；3－耐火砖；4－炉底砖；5－耐热混凝土基墩；6－钢筋混凝土基座
3.6.1高炉基础的负荷
高炉基础承受的荷载有：
静负荷、动负荷、热应力的作用，其中温度造成的热应力的作用最危险。
1.静负荷
高炉基础承受的静负荷包括高炉内部的炉料重量、渣、铁液重量、炉体本身的砌砖重量、金属结构重量、冷却设备及冷却水重量、炉顶设备重量等，另外还有炉下建筑物、斜桥、装料卷扬机等分布在炉身周围的设备重量。
就力的作用情况来看，前者是对称的，作用在炉基上，后者则常常是不对称的，是引起力矩的因素，可能产生不均匀下沉。
2.动负荷
生产中常有崩料、坐料等，加给炉基的动负荷是相当大的，设计时必须考虑。
3.热应力的作用
炉缸中贮存着高温的铁液和渣液，炉基处于一定的温度下。
由于高炉基础内温度分布不均匀，一般是里高外低，上高下低，这就在高炉基础内部产生了热应力。
3.6.2对高炉基础的要求
1）高炉基础应把高炉全部荷载均匀地传给地基，不允许发生沉陷和不均匀的沉陷。
高炉基础下沉会引起高炉钢结构变形，管路破裂。
不均匀下沉将引起高炉倾斜，破坏炉顶正常布料，严重时不能正常生产。
2）具有一定的耐热能力。
一般混凝土只能在150℃以下工作，250℃便有开裂，400℃时失去强度，钢筋混凝土700℃时失去强度。
过去由于没有耐热混凝土基墩和炉底冷却设施，炉底破损到一定程度后，常引起基础破坏，甚至爆炸。
采用水冷炉底及耐热基墩后，可以保证高炉基础很好工作。
基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为2.5～3.0m，设计时可以利用基墩高度调节铁口标高。
基座直径与荷载和地基土质有关，基座底表面积可按下式计算：
（3－31）
式中：
——基座底表面积，m2；
——包括基础质量在内的总荷载，t；
——小于1的安全系数，取值视地基土质而定；
——地基土质允许的承压能力，t/m2。
基座厚度由所承受的力矩计算，结合水文地质条件及冰冻线等综合情况确定。
高炉基础一般应建在
>2.0kg/cm2的土质上，如果
过小，基础面积将过大，厚度也要增加，使得基础结构过于庞大，故对于
＜2.0kg/cm2的地基应加以处理，视土层厚度，处理方法有夯实垫层、打桩、沉箱等。
[课堂小结]
1、高炉本体钢结构
2、高炉基础
[布置作业]
1简述高炉本体钢结构？
2简述对高炉基础的要求？
[课后体会]
图示分析比较
设问引起注意
列表分析说明
图示说明
列表
分析
图示说明
图示说明
3.5高炉钢结构
一.设计高炉钢结构考虑的因素：
（1）考虑到各种设备安装、检修、更换的可行性，要考虑到大型设备的运进运出，吊上吊下，临时停放等可能性；
（2）具有耐高温高压、耐磨和可靠的密封性；
（3）应留有足够的净空尺寸，并且要考虑到安装偏差和受力变形等因素；
（4）对于支撑构件，要认真分析荷载条件，做强度计算；
（5）避免积尘积水；
（6）合理设置走梯、过桥和平台。
3.5.1.高炉本体钢结构
一.炉缸支柱式——曾用于中小型高炉
1.特点：
炉顶荷载及炉身荷载由炉身外壳通过炉缸支柱传到基础上。
2.优点：
节省钢材。
3.缺点：
风口平台拥挤，炉前操作不方便。
4.应用：
目前小高炉多用这种结构。
二.炉缸、炉身支柱式——五、六十年代大型高炉
1.特点：
①炉顶装料设备和煤气导出管、上升管等的重量经过炉身传递到炉腰托圈；
②炉顶框架、大小钟荷载则通过炉身支柱传递到炉腰托圈；
③传递到炉腰托圈的重量再通过炉缸支柱传递到基础上。
2.优点：
降低了炉壳负荷，安全可靠。
3.缺点：
耗费钢材较多、投资高。
三.炉体框架式——大型高炉多用
1.特点：
①由四根支柱连结成一个大框架；
②框架本身是一个与高炉本体不相连接的独立结构。
③框架下部固定在高炉基础上，顶端支撑在炉顶平台上。
④因此除装料设备重量经炉壳传给基础外，其余所有重量均由大框架直接传给基础。
2.优点：
风口平台宽敞，炉前操作方便，有利于大修时高炉容积的扩大。
四.自立式——小型高炉多用
1.特点：
不设任何支柱，全部荷载均由炉壳承受，并传递到基础上。
2.优点：
钢材消耗少，结构简单，炉前宽敞。
3.注意问题：
3.5.2炉壳
一.作用：
①固定冷却设备；
②保证高炉砌砖的牢固性；
③承受炉内压力和起到炉体密封作用。
④有的要承受炉顶荷载和起到冷却内衬作用（外部喷水冷却时）。
二.设计时注意的问题：
三.炉壳厚度
3.5.3炉体框架
3.5.4炉缸炉身支柱、炉腰支圈和支柱座圈
一.炉缸支柱：
1.作用：
用来承担经炉腰支圈传递下来的全部荷载。
2.数目：
支柱的数目常为风口数目的一半或三分之一，均匀地分布在炉缸周围。
支柱向外倾斜6º左右，以使炉缸周围宽敞。
二.炉身支柱
1.作用：
支承炉顶框架及炉顶平台上的荷载、炉身部分的平台走梯、给排水管道等。
一般为6根，下端应与炉缸支柱相对应。
三.炉腰支圈
1.作用：
四.支柱座圈
3.6高炉基础
一.作用：
将高炉全部荷载均匀地传递到地基。
二.组成：
由埋在地下的基座部分和地面上的基墩部分组成。
三.高炉基础的负荷
1.静负荷：
2.动负荷：
3.热应力的作用：
四.对高炉基础的要求
①高炉基础应把高炉全部荷载均匀地传给地基，不允许发生沉陷和不均匀的沉陷。
②具有一定的耐热能力。
五.基墩：
基墩断面为圆形，直径与炉底相同，高度一般为2.5～3.0m。
六.基座：
小结：
作业：
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