高炉炼铁之高炉钢结构

高炉本体钢结构的主要作用是 承受炉顶荷载、将炉身荷载传递到路基并且对炉壳进行密封的作用 。高炉本体钢结构主要有以下几种形式：

1）自力式（图1a）

炉顶全部荷载均由炉壳承受，炉体周围 没有框架和支柱 ，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。

为减小热应力，炉壳转折点应尽量少，折点部位应尽可能平缓过渡；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。

过去中小型高炉多采用这种结构。

2）炉缸支柱式（图1b）

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。

过去255m3以下高炉多采用这种结构。

3）炉缸炉身支柱式（图1c）

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 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高炉多采用这种结构。

4）炉体框架式（图1d）

近年来我国新建大型高炉多采用这种结构。

其特点是 ：由四根支柱连接成框架，而框架是一个与高炉本体不相连的独立结构。

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扩容的扩大。

                  a              b               c              d

图1 高炉本体钢结构

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，下部坐落在高炉基础上， 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，炉壳必须具有一定的强度。

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，炉壳具有开孔。炉壳转折点和开孔应避开在同一截面。炉缸下部转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： δ=kD ，δ—计算部位炉壳厚度；D—计算部位炉壳外弦带直径（对圆锥壳体采用较大端直径）；k—系数，mm/m。高炉下部钢壳较厚，是因为这个部位经常受高温的作用，以及安装铁口和风口，开孔较多的缘故。

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。

高炉基础是高炉下部的承重结构，其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，如图2所示。

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

图2  高炉基础

1）高炉基础的荷载

高炉基础承受的荷载有： 静荷载、动荷载、温度应力的作用 ，其中 温度造成的热应力作用最危险 。

髙炉基础承受的 静荷载 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。

从力的作用情况来看，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。

动荷载 是指高炉非正常生产如崩料、坐料时加给高炉基础的额外荷载。 动荷载是相当大的，检测鉴定时必须考虑 。

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 。

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递给地基，不允许发生沉陷和不均匀的沉陷 。髙炉基础下沉会引起髙炉钢结构变形，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。釆用 水冷炉底及耐热基墩 后，可以保证高炉基础很好地工作。

3 高炉基础一般应建在地基允许承压能力大于0.2MPa的土质上 ，如果S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S<0.2MPa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。

高炉作为高温高压反应器，高炉钢构件通常处于恶劣的生产环境；高炉又是庞大的竖炉，设备层层叠叠，运行期间高炉钢结构常常存在各种设备安装、更换，大型设备的进出、吊运、临时停放的可能。

随着服役时间增长，我国早期建设的高炉已逐渐步入暮年，安全风险逐年增大、生产效能不断减低，在生产和改造检修过程中尤应注意结构的安全。

下篇小编将就一个高炉炉壳原位中间带更换方案研究项目，介绍检测鉴定在既有高炉钢结构安全生产中发挥的作用。