高爐出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題探討

張國(guó)玲

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019)

1 綜合評(píng)述

高爐是煉鐵車(chē)間的重要組成部分，出鐵場(chǎng)是高爐出渣鐵的操作場(chǎng)所，故設(shè)計(jì)出處理渣鐵的出鐵場(chǎng)結(jié)構(gòu)和布置，是關(guān)系到高爐生產(chǎn)能否順利進(jìn)行的重要問(wèn)題。最早的小型高爐出鐵場(chǎng)平臺(tái)是實(shí)心的，不利于工藝的設(shè)備布置?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)的出鐵場(chǎng)主要由高架式混凝土平臺(tái)和排架式廠房構(gòu)成[1]。

2 大、小型高爐出鐵場(chǎng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 混凝土平臺(tái)

小高爐出鐵場(chǎng)混凝土平臺(tái)柱距一般都是6 m×6 m，布置比較規(guī)整，出鐵場(chǎng)都是有坡度的，這樣大大降低了渣鐵溝的深度，便于日后的清渣工作，但由于混凝土平臺(tái)板是階梯形，使得平臺(tái)上某些部位的填砂很厚，有的地方甚至達(dá)到了1 m～2 m，大大增加了平臺(tái)上填砂量;小高爐出鐵場(chǎng)的渣溝是砌筑在混凝土平臺(tái)上，且與混凝土平臺(tái)之間有砂墊層，這樣不與平臺(tái)連成一整體，當(dāng)渣溝由于鐵水溫度較高而發(fā)生位移時(shí)，整個(gè)渣溝在平臺(tái)上摩擦滑動(dòng)，從而減少了混凝土平臺(tái)梁板柱的位移變形，避免了混凝土梁板柱的開(kāi)裂。由于出鐵場(chǎng)平臺(tái)有坡度，不利于物料的運(yùn)輸和工人的操作。

以前設(shè)計(jì)的大型高爐出鐵場(chǎng)平臺(tái)同小型高爐出鐵場(chǎng)一樣，也是階梯形的。最新設(shè)計(jì)和建造的大型高爐，出鐵場(chǎng)趨向平坦，物料運(yùn)輸更便利，這樣大大方便了人們?cè)诔鲨F場(chǎng)上進(jìn)行各種操作，而且各高爐均設(shè)有從地面至出鐵場(chǎng)平臺(tái)的公路，便于物料的運(yùn)輸[2-5]。在結(jié)構(gòu)布置上大膽的采用了以溝壁作為平臺(tái)梁，這樣大大減少了填砂，但同時(shí)增加了渣鐵溝的深度，這就需要加寬溝的寬度，以便于日后對(duì)渣鐵溝的維護(hù)、清理，同時(shí)由于溝的深度加大，使得溝內(nèi)鐵水傳來(lái)的熱量不容易散發(fā)。

已經(jīng)投產(chǎn)的某鋼廠3 600 m3高爐出鐵場(chǎng)，由于在施工過(guò)程中為了方便施工，用耐熱混凝土將溝壁與鋼渣溝之間的隔熱磚澆筑在一起。而且鋼渣溝與混凝土溝之間的填砂層和隔熱磚與混凝土溝底也成了一個(gè)整體，這就使得工程投產(chǎn)后由于渣溝內(nèi)溫度變化引起混凝土溝的溫度變形，進(jìn)而引起溝最外側(cè)的混凝土柱產(chǎn)生了裂縫。因此在以后的設(shè)計(jì)中，一定要注意混凝土溝與鋼渣溝之間的隔熱措施?；炷翜吓c鋼渣溝不能澆筑在一起，特別是溝內(nèi)混凝土梁與鋼渣溝之間要有足夠的耐火泥砌筑耐火磚，溝底板上要先鋪一層不小于100 mm厚的填砂，然后再鋪?zhàn)銐虻母魺岽u，溝側(cè)混凝土梁必須采用耐熱混凝土，如圖1所示。

普通混凝土[6]在環(huán)境溫度超過(guò)300℃后，其強(qiáng)度急劇下降，這是由于水泥石中的水化產(chǎn)物在高溫下分解脫水，晶格結(jié)構(gòu)遭到破壞的緣故。當(dāng)溫度達(dá)到600℃ ～900℃時(shí)，含有石英巖與石灰?guī)r的集料會(huì)急劇膨脹并產(chǎn)生化學(xué)分解，也使混凝土強(qiáng)度顯著降低。所以普通混凝土的正常使用溫度不應(yīng)超過(guò)250℃。

圖1 混凝土溝示意圖

耐熱混凝土是指能夠長(zhǎng)期承受高溫(250℃ ～1 300℃)作用，高溫下保持工作所需要的物理力學(xué)性能的特種混凝土。耐熱混凝土主要用于工業(yè)窯爐基礎(chǔ)、外殼、煙囪及原子能壓力容器等處，除長(zhǎng)時(shí)間承受高溫作用外，還會(huì)承受加熱冷卻的反復(fù)溫度變化作用。耐熱混凝土由耐熱集料與適量的膠結(jié)料(有時(shí)還添加礦物料)和水按一定的比例配制而成。耐熱混凝土按其膠結(jié)材料不同分為水泥耐熱混凝土和水玻璃耐熱混凝土。其中水泥耐熱混凝土又分為普通硅酸鹽水泥耐熱混凝土(耐熱溫度700℃～1 200℃)、礦渣酸鹽水泥耐熱混凝土(耐熱溫度700℃ ～900℃)和高鋁水泥耐熱混凝土(耐熱溫度1 300℃ ～1 400℃)等幾種。水玻璃耐熱混凝土的耐熱溫度為600℃～1 200℃。

耐熱混凝土的材料選用有如下要點(diǎn):

1)水泥。強(qiáng)度等級(jí)不得低于32.5 MPa，水泥中所摻的混合材料不得含有比石灰?guī)r類(lèi)熔點(diǎn)低且在高溫下易于分解軟化的材料。

2)摻合材料。當(dāng)工作溫度高于700℃時(shí)，必須加入摻合材料。摻合材料是在拌制耐熱混凝土?xí)r摻入的具有耐熱作用的細(xì)粒粉料。加入摻合料首先可以增加混凝土的密實(shí)性，減少高溫變形;其次某些摻合料可以與水泥水化物起化學(xué)反應(yīng)而減輕水泥水化物在高溫下的體積變化。摻合材料種類(lèi)有粘土質(zhì)(粘土熟料、粘土磚、紅磚、高鋁質(zhì)滴鋁磚，礬土熟料)、鎂質(zhì)(冶金鎂砂、鎂磚)、粉煤灰及高爐重礦渣等。

3)集料不宜采用石灰?guī)r及石英質(zhì)集料。石灰?guī)r集料易在高溫下分解，石英質(zhì)集料在高溫下會(huì)發(fā)生較大的體積變形(擴(kuò)大至原體積的1.3倍～1.5倍)，將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。因此耐熱混凝土的集料應(yīng)選擇在高溫下體積變形小且化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的材料?？捎谜惩潦炝?、鋁礬土熟料、耐火磚碎料、紅磚碎料、高爐礦渣、碎鎂磚、燒結(jié)鎂砂、鉻鐵礦、玄武巖及輝綠巖等。集料中嚴(yán)禁混有石灰?guī)r等有害雜質(zhì)。耐熱混凝土的配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)混凝土的工作強(qiáng)度、極限工作溫度、材料來(lái)源及經(jīng)濟(jì)因素加以綜合考慮，并通過(guò)試驗(yàn)確定。在試驗(yàn)中應(yīng)注意用水量(或水玻璃用量)在滿(mǎn)足和易性要求下應(yīng)盡量減少，其坍落度應(yīng)比普通混凝土小10 mm～20 mm;宜用機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間要比普通混凝土延長(zhǎng)1 min～2 min。耐熱混凝土澆筑后應(yīng)精心養(yǎng)護(hù)，水泥耐熱混凝土宜在15℃～25℃的潮濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，水玻璃耐熱混凝土宜在15℃～30℃的干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù);水泥耐熱混凝土在氣溫低于7℃、水玻璃耐熱混凝土在低于10℃時(shí)施工，即應(yīng)按照冬季施工規(guī)定執(zhí)行，并不得摻用化學(xué)促凝劑。

2.2 排架式廠房

2.2.1 廠房柱

小型高爐出鐵場(chǎng)廠房柱采用工字形混凝土預(yù)制柱，這樣制作比較方便，但養(yǎng)護(hù)工期長(zhǎng)，吊裝比較麻煩。

大型高爐出鐵場(chǎng)廠房采用全鋼結(jié)構(gòu)，廠房柱采用格構(gòu)式階形柱，工字形截面采用三塊鋼板焊接而成。柱肩梁位于上柱和下柱交接處，便于將上柱的內(nèi)力傳遞到下柱并兼作吊車(chē)梁的支座。因此，肩梁必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證階形柱能夠整體工作。階形柱下柱的兩工字形截面之間要設(shè)置水平綴條，這樣可以減少柱的平面計(jì)算長(zhǎng)度。

2.2.2 屋面

小高爐出鐵場(chǎng)屋蓋系統(tǒng)中采用的是三角形屋架，屋面坡度為45°，天窗屋面坡度為20°，從直觀上這種三角形屋架自身結(jié)構(gòu)龐大，構(gòu)件數(shù)量及節(jié)點(diǎn)處理繁多，制作起來(lái)比較麻煩，由于體形較大，安裝也比較困難。同一榀屋架中桿件種類(lèi)不宜過(guò)多，就要把規(guī)格相近的構(gòu)件歸并統(tǒng)一，造成了材料的浪費(fèi);另外很多桿件由長(zhǎng)細(xì)比控制，材料的強(qiáng)度沒(méi)有完全發(fā)揮，還有相當(dāng)大的余量，也是造成浪費(fèi)的因素。大型高爐出鐵場(chǎng)屋面形式主要有三種:1)同小型高爐出鐵場(chǎng)一樣采用三角形屋架，兩側(cè)出鐵場(chǎng)屋面是獨(dú)立的，這就使得屋面排水比較麻煩。2)三角拱式屋架，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，構(gòu)件數(shù)量很少，受力合理，每個(gè)桿件可以最大限度的利用構(gòu)件自身的強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)處理也十分簡(jiǎn)單，制作和安裝方便，同時(shí)用鋼量也較低，在施工過(guò)程中受到了施工單位和業(yè)主的好評(píng)，已投產(chǎn)某鋼鐵廠3 600 m3高爐出鐵場(chǎng)屋面就是采用這種屋面形式，見(jiàn)圖2。這種屋面形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，受力明確，體型也較小，構(gòu)件數(shù)量少，僅5根桿件，3種斷面，便于制作，由于屋架與柱頭鉸接，安裝起來(lái)也十分方便。上部屋面梁為受彎構(gòu)件，簡(jiǎn)單的焊接工字鋼[7]。當(dāng)屋面荷載較小時(shí)，應(yīng)盡量選用H型鋼，減少制作麻煩。水平桿為拉桿，相當(dāng)于屋架的下弦，豎直桿為吊桿，為了減小拉桿的平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度和自身?yè)隙龋菝媪汉屠瓧U可以最大限度的發(fā)揮材料的強(qiáng)度，應(yīng)力可以用足。由于桿件較少，節(jié)點(diǎn)也就少了許多，僅有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，屋脊剛性節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)。屋脊做成剛性可以減小屋面梁的截面高度，充分利用屋面梁的材料強(qiáng)度。采用高強(qiáng)螺栓連接，根據(jù)節(jié)點(diǎn)彎矩大小來(lái)計(jì)算高強(qiáng)螺栓的個(gè)數(shù)。支座節(jié)點(diǎn)處理也十分簡(jiǎn)單，類(lèi)似于通常的十字形短柱，僅僅在支座處增加了水平拉桿，由于拉桿的拉力較大，在支座設(shè)計(jì)中連接板及焊縫強(qiáng)度一定要注意滿(mǎn)足內(nèi)力的要求。3)整個(gè)出鐵場(chǎng)作一個(gè)屋面，這樣屋面排水比較方便，而且可以用屋面梁代替屋架，屋面梁采用焊接工字型鋼，由三塊鋼板焊接而成，同大型屋架相比較，具有自重輕，制作簡(jiǎn)單，運(yùn)輸和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。屋面梁與柱頂連接采用高強(qiáng)螺栓(剛接)，屋面梁在屋脊處分段制作，用高強(qiáng)螺栓拼接，且在斷開(kāi)處設(shè)置兩頂板，頂板一般采用不小于40 mm厚的鋼板(如圖3，圖4所示)。

圖2 某鋼鐵廠3 600 m3高爐出鐵場(chǎng)廠房三角拱式屋架

圖3 屋面梁與柱頂連接示意圖

圖4 屋面梁在屋脊處連接示意圖

由于大型高爐出鐵場(chǎng)廠房在靠近爐體框架處廠房柱被抽掉，因此此處必須設(shè)置托梁來(lái)支承中間屋面梁。托梁的跨度一般不小于12 m，與柱的連接一般為鉸接。托梁一般采用焊接工字形截面，當(dāng)屋面梁荷載偏心產(chǎn)生較大扭矩時(shí)，可采用箱形截面。

3 結(jié)語(yǔ)

出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì):近年來(lái)，隨著高爐的大型化和強(qiáng)化冶煉，對(duì)作為主操作平臺(tái)的出鐵場(chǎng)的要求越來(lái)越高。因此要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)大型高爐出鐵場(chǎng)時(shí)應(yīng)注意上述幾個(gè)方面的問(wèn)題，結(jié)合工程施工時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和工程投產(chǎn)后的信息反饋，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，使布置更加合理，保證高爐生產(chǎn)順利進(jìn)行。

[1]楊啟峰.攀鋼2 000 m3高爐出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].四川冶金，2011，33(1):7-10，38.

[2]李廣武.水鋼2 500 m3高爐出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].機(jī)械工程師，2012(6):142-144.

[3]唐興智.鞍鋼新一號(hào)高爐出鐵場(chǎng)設(shè)置[J].包鋼科技，2005(S1):11-14.

[4]劉譚璟.武鋼3 200 m3高爐出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)[J].煉鐵，2006，25(3):19-22.

[5]唐興智，陳習(xí)文.鞍鋼新1號(hào)高爐出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)與鐵渣溝耐材應(yīng)用[J].鞍鋼技術(shù)，2007(4):28-31.

[6]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1995.