新中國成立后我國煉鐵技術經歷了50多年的發展，爐體支撐結構由完全自主式發展到大框架自立式體系。本條提出的“高爐殼體應采用自立式結構”，是指帶爐體框架和爐頂剛架的結構。這種形式的特點是，殼體承受鐘閥式爐頂裝料設備的大小料斗和布料器等重量或無鐘式爐頂的旋轉溜槽部分和中心喉管等重量。其他荷載如鐘閥式爐頂大小料鐘等重量或無鐘式爐頂料倉和受料斗以及密封閥等重量、皮帶通廊端部支點反力和煤氣上升管重量等都是通過爐頂鋼架和爐體框架傳給高爐基礎。另外，通過爐喉與爐體框架頂層平臺的特殊構造措施，能使爐體自由熱脹冷縮，并能共同承擔水平荷載；有利于生產操作和高爐大修；適應多風口的需要；為靈活布置出鐵場提供了方便等。

高爐殼體結構的主要作用是保證高爐內襯砌體的穩定、固定冷卻設備、承受爐內氣體壓力、內襯膨脹等荷載，另外還起密封作用。

殼體的形狀要求應與爐體類型、爐襯厚度、冷卻設備的結構形式相適應。按冶煉工藝流程高爐爐型由若干部分組成，即分為爐缸、爐腹、爐腰、爐身和爐喉等部分，相應的殼體就分成爐缸段、風口段、爐腹段、爐腰段、爐身段、爐喉段和煤氣封罩等段。

高爐冶煉過程是在殼體密封的豎爐內運行，其特點是爐料與煤氣在逆流運行過程中完成化學反應和物理變化。即完成還原、造渣、傳熱及渣鐵反應等過程。得到化學成分與溫度較為理想的液態鐵水。殼體結構在特殊的工作條件下，與一般壓力容器和鋼結構有所不同，其荷載工況和受力狀況十分復雜，工作條件惡劣，殼體一旦損壞將會釀成重大事故，給人身安全、國家財產、經濟效益、環境保護等帶來不可彌補的損失。基于這種復雜性和重要性，經生產實踐檢驗的各種容積殼體厚度是確定今后殼體結構設計厚度的基礎。20世紀80年代以前我國高爐殼體厚度的計算幾乎都采用前蘇聯的經驗計算公式：

式中：t——計算部位殼體厚度（m m）；

D——計算部位外殼弦帶直徑（m）；

K——系數，根據弦帶部位選擇。

系數K是經驗數據，各部位K值取法不一樣，如爐頂封板 K值為3.60～4.00；對爐腰、爐腹、爐缸、爐底為2.70；對爐身取 K值為2.00～2.20。近二三十年，高爐向大容積，高風溫、高風壓發展，系數K值有所提高，如新日鐵在80年代為寶鋼設計的4063m 3高爐，爐身處K值為2.40～3.40，爐腰、爐腹處K值為3.70，風口處K值為5.60，底板K值3.70。近20年來，隨著強化冶煉技術的發展，冶煉強度的提高和一代爐役壽命的延長，對殼體結構的工作年限提出了新的要求。我國是世界上產鐵大國，在高爐冶煉技術方面，積累了1000m 3～4000m 3級大型高爐的設計和實踐經驗，前蘇聯的KD公式已不適應于現代化大型高爐殼體結構使用壽命的要求。高爐殼體處在特殊的工作條件下，考慮殼體各處的受力狀況、孔洞對殼體斷面的削弱、孔洞邊緣應力集中、熱應力和熱疲勞的存在以及砌體的燒蝕和冷卻設備的損壞等諸多因素后，經綜合比較分析，總結出各段殼體厚度與直徑普遍存在的規律。根據數理統計的基本概念，將鋼鐵企業各大設計院1000m 3～4000m3級高爐的低合金高強度結構鋼（Q345C、BB503、ALK490、WSM50C）各段殼體直徑D（m）作為橫坐標，殼體厚度t（mm）作為縱坐標，把各爐容相應的直徑和厚度關系值點繪在平面直角坐標紙上，其關系近似于一直線。散點圖表明殼體厚度與直徑之間存在一定的依賴關系，但又并非精確的確定性關系，即厚度t值在一定程度上依賴直徑D的取值，兩者間存在某種線性相關關系。通過對14座1000m 3～4000m 3級高爐的每段殼體厚度與直徑進行一元線性回歸，得出了本條的（6.1.3-1）～（6.1.3-7）回歸方程式，回歸線見圖1～圖7，其相關系數除爐喉段較低外，其余均大于0.8，表明殼體厚度t與直徑D之間的線性相關顯著，各容積高爐殼體厚度的諸散點幾乎都在回歸直線上或散布于直線兩旁，回歸分析的回歸線為理想的配合線。另外根據冶煉工藝和荷載工況以及一代爐役的使用壽命，取±2Sy標準差，此時概率P為97.70%。因此，回歸方程式可用于1000m 3～4000m 3級高爐殼體厚度選擇的計算值，在工程設計中最終確定殼體厚度時，尚應根據應力狀態、鋼材材質、生產操作等情況，綜合考慮實際存在的有利（如鋼材性能提高、冷卻設備的改進等）或不利（如孔洞間距過小等）因素可適當增減鋼板厚度。

圖1　封罩段回歸直線

爐身上段和下段等散點圖，諸散點距回歸直線較遠，表明這些爐段殼體厚度t與直徑D之間沒有線性相關關系或者相關不顯著，因此，不能用回歸方程來確定殼體厚度。總結幾十年的設計和生產實踐經驗，可采用條文中提出的簡化方法，初步確定厚度。

本條提出的確定殼體厚度的回歸方程式和簡化方法是總結我國幾十年高爐冶煉技術的綜合成果，具有可靠性和可操作性。

圖2　爐喉段回歸曲線

圖3　爐身中段回歸直線

圖4　爐腰段回歸直線

圖5　爐腹段回歸直線

圖6　風口段回歸直線

圖7　爐缸段回歸直線

第6.1.3條提出了不同部位確定殼體厚度的計算式，是我國幾十年來煉鐵技術中高爐設計和生產實踐經驗的總結，體現了我國廣大工程技術人員和科技工作者經過比較、選擇、分析的綜合研究成果，是納入規范內容的基本前提，僅僅這一點還是不夠的，在計算機發達的時代，理論分析亦是一個重要的輔助手段。兩者結合方能反映出設計的嚴謹性和科學性。

殼體由不同直徑和不同厚度的錐體組成，殼體上還開有1m以上風口數十個，鐵口數個，又有數千個冷卻壁（板）的安裝孔，還有一些觀察和檢測孔。孔的形狀、大小以及分布狀態等變化繁多、群孔匯集，造成殼體總體和局部不連續，使殼體總的應力分布和變形產生顯著的不均勻性。殼體所受的荷載復雜，且種類繁多，有殼體自重和附屬物重、內襯荷重、爐料荷重、爐內煤氣壓力、內襯膨脹力、鐵水壓力以及殼體內外溫差引起的作用力等。這些荷載將引起豎向力和環向力，殼體承受雙向應力，且以環向應力為主，豎向應力較小。在殼體的不同高度上，豎向和環向應力的比值是變化的，兩個方向的比值不同，孔邊的應力分布和應力集中程度亦不相同。孔的幾何形狀相同，而外加應力狀態不同，應力集中系數也是變化的。應力集中對強度的影響是有實用價值，對殼體承載力具有理論意義的。因此，為進一步弄清殼體在荷載工況作用下的應力大小及分布規律和孔邊應力集中程度，規范在編制中，中冶賽迪工程技術股份有限公司與重慶大學合作開展了《1000m3～5000m3工藝爐爐殼鋼材性能指標及分析設計方法》理論分析，分析手段采用大型有限元程序ADINA和ANSYS，對高爐殼體結構的受力狀態進行了彈性計算分析。理論分析結果表明，當殼體結構連續部位計算點上的應力強度（組合應力的當量強度）還遠小于鋼材的許用極限時，殼體轉折處和孔洞邊緣的應力強度已超過許用極限。本條在理論計算和分析國內外有關文獻資料的基礎上，結合生產實踐經驗并考慮一代爐役15年工作年限等因素后，提出應力強度的許用極限值。

高爐殼體的整體應力是遍布于整個殼體的基本應力，如殼體及其附屬物的自重、爐料產生的豎向應力以及內壓產生的環向應力等。當應力超過鋼材的屈服強度時，鋼板產生塑性變形，最后導致殼體鋼板喪失承載能力。

高爐殼體的爐身和爐腹處通常開有許多冷卻板（壁）的安裝孔，其數量眾多，如果完全按實際開孔情況進行整體有限元建模，受計算機容量及內存的限制，往往很難實現。根據研究，可以根據開孔率的大小，對此段殼體的截面參數（殼體厚度、截面剛度等）乘以相應的折減系數后按連續結構進行分析，以簡化計算。

殼體的局部應力主要發生在總體結構不連續處（例如爐喉與外封板、爐身與爐腰、爐腰與爐腹殼體連接處以及厚度改變處等）以及局部結構不連續區（如殼體開孔處的孔洞周邊等）。在這些局部區域，應力高度集中，雖然其分布在很小的范圍內，但彈性分析時往往會超過材料屈服強度的數倍，形成殼體結構的薄弱點，因此，應進行局部應力分析。

有限元分析的精度在很大程度上依賴于單元類型的選擇及單元尺度的大小，為保證計算精度，在進行單元劃分時，單元的尺寸不宜太大。根據所作的研究，如果單元的最大邊長不大于殼體壁厚的5倍，有限元計算結果偏差較小。

對殼體轉折處、開孔邊緣等應力集中部位、風口等兩相鄰孔洞之間截面削弱較大的區域，若網格劃分太大，則有限元計算結果會嚴重失真，所以規定單元的最大邊長不應大于該處殼體厚度的0.15R，此時可得到較精確的計算結果。

由于高爐殼體的有限元分析采用的是彈塑性分析方法，彈性分析時采用的疊加原理不再適用，即不能采用先按荷載工況分別計算內力再進行最不利組合的方法。因此，當承受多種荷載工況組合而不能準確判斷其控制工況時，應分別按可能存在的最不利荷載工況進行組合后再進行計算，從中找出最不利內力控制值。

高爐殼體鋼板內外面存在溫度差（ΔT），高爐在正常工作狀態時，根據測試結果，殼體的計算溫度均在150℃以下，其內外表面的溫度差在10℃以內。由于殼體鋼板內表面溫度高，外表面溫度低，導致內表面產生壓應力，外表面產生拉應力，殼體在彈性階段，可按式6.1.9計算。

本規范5.1節推薦選用的鋼材都是塑性性能非常良好的鋼材。結構的塑性分析，可以充分利用鋼材的蘊藏能力，對于殼體開孔周邊更能夠反映殼體實際的應力分布情況及殼體內的應力水平。通過幾座2000m 3～4000m 3級別高爐的彈性和彈塑性計算分析表明，在彈性分析時，殼體大部分的應力都在許用應力范圍內，由于環向拉應力的作用，在部分孔的邊緣出現不同程度的應力集中，尤其在冷卻孔邊緣較為突出。隨著外荷載的增加，應力集中點出現較小的塑性屈服區，根據塑性強度理論分析，這種小的局部屈服區，還不能引起殼體失去承載力。隨著外荷載的繼續增加，塑性區不斷擴展，相鄰孔的應力塑性區有逐漸匯合的趨勢，整個殼體的應力也逐漸向高應力轉變，孔與孔之間，塑性屈服區迅速擴大，出現局部塑性區連通的現象，但由于其他大部分區域仍然處于彈性范圍，能有效地控制塑性連通區的發展。隨著外加應力的進一步增加，塑性區域繼續擴展，直至貫通。根據塑性強度理論分析，此時的殼體結構已經失去承載力，已不能滿足高爐生產使用的要求。鑒于殼體承受荷載工況的復雜性和高爐破壞后果的嚴重性，本條提出塑性區域的擴展不應大于孔邊凈間距的1/3。