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同济大学工程力学与技术系
博士学位论文
混合法在确定高炉炉壳开孔强度中的应用
姓名：李富帅
申请学位级别：博士
专业：固体力学
指导教师：方如华
20030801
摘要冶金工程中高炉炉壳上密集、形状各异的孔洞分布，以及高炉炉壳所承受的复杂多变载荷给固体力学理论及实验技术提出了新的课题。如何准确判定炉壳上开孔位置、大小、形状对炉壳强度的影响，研究出一套切实可行的判定方法，是冶金行业中急需解决的关键问题之一。为了探讨孔洞对炉壳应力状态的影响，合理设计和布置炉壳上的开孔位置，延长高炉炉壳寿命，保证高炉的正常生产，本文在以下几方面进行了系统研究工作：①考虑到炉壳上具体的开孔形状，分别就单孔情况下对圆孔、长圆孔、方孔在②对单排多孔状态下单孔的位置、大小变化所引起的应力集中系数的改变，通过有限元法进行计算分析，得到各参数对其影响规律，并将结果与公开发表的文献上的数据进行比较，在确认其变化规律的同时，验证本文后面针对具③为钢铁企业炉壳开孔强度计算问题，建立了一套系统的计算方法。由于高炉实际工况的复杂性和特殊性，不可能完全按照高炉的实际工况建立有限元模型。本文采用了包括分析计算、有限元计算、光弹性分析、现场电测及现场光测在内的混合法，分别对某钢铁企业内的两座高炉进行开孔分析。具体方法是首先根据现场及有关单位提供的高炉实际工况、材料性能、结构尺寸，根据已知的各项参数，计算出整体应力，并分析得出最大整体应力。随后，根据所求出的最大整体应力，应用虯有限元计算软件，对这两座高炉安装冷却筒的各种开孔情况分别进行弹性有限元法分析，得出开孔后炉壳应力分布状况，以压力容器的强度的标准判据来判定开孔后炉壳的安全④用三维光弹性实验分析的方法，模拟高炉炉壳炉腰部位，制作一个直径为的大型模型，并模拟高炉实际载荷条件，对高炉炉壳进行研究，得到不同开孔情况下炉壳应力场的分布的实验数据。⑤首次用电测与数字图象相关测量方法进行高炉炉壳现场实际应力的测试，将实验结果与整体应力计算结果进行比较和分析，作为有限元计算边界条件确定的依据，为工程提供可靠的数据，并使得电测和数字图象相关测量方法的现场实测技术在冶金行业上得到应用。不同载荷条件下进行解析解分析。体生产实践所应用的计算方法的准确性以及所应用的有限元软件的可靠性。性。申请同济大学博士学位论文文摘
关键词：全文从理论、计算、试验到工程应用实践，将混合法首次在冶金行业的高炉炉壳强度分析中得到应用，建立了一套系统完整的高炉炉壳开孔强度的评定方法。本文的研究成果已经在实践中得到应用并取得良好的效果，可以在冶金行业开孔强度应力集中系数有限元法混合法光弹性应力分析电测数字图象相关测量法中推广应用。高炉炉壳申请同济大学博士学位论文文摘
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学位论文作者签名：李寥∥巾声明尸明的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未本声明的法律责任由本人承担。奉人郑重声明：奉人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士学位论文《混合法在确定高炉炉壳开孔强度中的应用》除论文中已经注明引用的内容外，对本论文的研究做出重要贡献加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。年
第一章绪论究。例如，前苏联的科研人员曾对国内的座高炉进行过实地调查和现场实测。调铁量一千多万吨，占我国钢铁总量的近十分之一。三座高炉在炉役中、后期均出现§闯愿的提出我国是一个钢铁大国，并一直采用传统的高炉冶炼工艺。高炉是承受高温、高压等多种作用的特殊结构。高炉炉壳是炉体的外壳，里面有冷却设备和内衬。炉壳的主要作用是固定冷却设备，保证高炉砌体的稳定性。它不仅应具有一定的强度，承受炉内煤气、炉料炉衬的压力，同时还应具有足够的密封性．确保煤气、铁水及熔渣不会外泄，保证炼铁工艺的正常进行，有的还要承受炉顶载荷和起冷却内衬的作用‘¨。炉壳承受的载荷条件很复杂，它处在高温、高压、和高载荷及炉内有时产生的爆震、冲击条件下工作。同时炉壳开孔很多，形状各异，如图1Ω号高炉第蔚タ槁堑恼箍M迹虼丝?锥月堑那慷却蟠蟮叵魅酢Ｓ绕涞搅寺酆笃冢由于内衬严重磨损，冷却系统损坏，为了保证正常生产，还要增加微型冷却器开孔、更换冷却器开孔、灌浆孔等。开孔后的壳体，不仅仅是壳体壁材料被削弱而引起应力的增大与结构强度的减弱，更为关键的是由于结构连续性被破坏，在开孔处产生相当大的局部应力，因此开孔附近就成为壳体的薄弱环节。高炉炉壳的任何缺陷都会影响高炉的安全运转。因