鋼鐵廠冶煉爐殘鐵的裸露爆破

趙 文， 張智宇， 黃永輝

(1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093；2. 昆明理工大學 爆破新技術應用研究所， 昆明 650093；3. 昆明理工大學 電力工程學院，昆明 650093)

鋼鐵廠冶煉爐殘鐵的裸露爆破

趙 文1,2， 張智宇1,2， 黃永輝3

(1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093；2. 昆明理工大學 爆破新技術應用研究所， 昆明 650093；3. 昆明理工大學 電力工程學院，昆明 650093)

為盡早完成高臺裸露殘鐵的清除工程，采用爆破技術進行清除。通過局部試爆選擇合理孔網參數，使用高精度導爆管雷管逐孔起爆網路，架設攔擋設施，取得了較好的爆破效果。爆破后，塊度適中，碎塊沒有散落也沒有飛出；廠房內實測振速0.76 cm/s，小于安全允許振速，振動能量主要分布在20 Hz以上高頻部分高于建構(筑)物自振頻率，未對周圍建(構)筑物產生不良影響；施工用時短，為鋼鐵廠技改工程的提早竣工和鋼廠正常生產的恢復爭取了時間。殘鐵硬度高，鉆孔速度慢，鉆頭、釬桿損耗大，但具有一定的可爆性，單耗僅為0.4 kg/m3?？蔀轭愃乒こ痰氖┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

殘鐵；爆破拆除；逐孔起爆；飛散物

1 引言

冶煉爐爐膛長期對礦物進行煅燒，不可避免的會在爐底堆積形成大量熔渣，高爐在大修、更新時通常采取控制爆破方式將其清除。國內已有相關工程實踐可供參考：張光壽等〔1〕在爆破清理冶煉爐爐膛耐火磚和殘鐵時分兩步進行，爐壁耐火磚采用水平鉆孔爆破，爐底殘鐵和耐火磚采用豎直鉆孔；陳德志〔2〕在清理武鋼第二煉鋼廠冶煉爐殘鐵時利用爆破切割技術，將爐內長13 m、寬6 m的渣鐵切割成6塊，并由爐口吊出，減少了飛散物對爐壁的沖擊；楊譯等〔3〕在清理高溫金屬爐渣時采用孔內冷水降溫，藥包隔熱物包裹加工制作爆破筒，安全地清理了高溫狀態(tài)下的爐渣。

以上類似工程均是在爐膛內進行，在爐膛內施工，爐壁可阻擋爆后碎塊從基座散落，也能對飛散物損傷周圍建筑設施起到阻止作用。而紅河鋼鐵廠2號高爐爆破施工時高爐爐體已拆除，圓柱形殘鐵裸露于10 m高的高爐基座之上，爆區(qū)位于廠房內，殘鐵密度大，破碎后棱角鋒利，對安全的要求較高。

2 工程概況

紅河鋼鐵廠2號高爐技改大修，已拆除高爐爐體，需對高爐基座上部余留殘鐵進行清除。因殘鐵體積過大、工期緊張、周邊環(huán)境復雜、機械破碎困難，決定對殘鐵在廠房內進行爆破拆除。

預拆除殘鐵位于10 m高的高爐基座之上，為不規(guī)則的圓柱形，高約2 m，直徑約6 m，體積約57 m3。爆破作業(yè)點北側17 m處為礦槽，西側10 m處為中控室，南側17 m處為除塵器卷揚機房，爆區(qū)下方垂直距離10 m、水平距離2 ～3 m處為輸水管道，廠方要求輸水管道不能被砸斷或砸裂。爆區(qū)周邊環(huán)境示意圖見圖1。

圖1 爆區(qū)周邊環(huán)境示意圖Fig.1 Surroundings of blasting area

3 爆破方案

3.1 爆破方案的確定

爐底殘鐵是以生鐵為主要成分并混有少量焦炭渣和礦石渣的固體混合物，具有較大的密度與較高的硬度。因爆區(qū)周邊設施及構筑物對爆破振動控制的要求較高，最終選用塑料導爆管毫秒延時雷管實施逐孔起爆。根據當地可提供的雷管類型，孔內選用350 ms延時雷管，孔外選用25 ms延時雷管。整個起爆網路用兩枚瞬發(fā)電雷管引爆。

3.2 炮孔成孔方式的選擇

殘鐵成孔方式通常有兩種：一種是根據高溫熔融金屬的特性，用氧炔切割工具在鐵渣上吹出炮孔，成孔速度快，但成孔深度受到嚴重限制，且成孔形狀不規(guī)整，爆破時安全性差；另一種是機械鉆孔，鉆孔的質量較高，但殘鐵硬度高導致鉆孔速度慢，鉆頭和釬桿損耗大?？紤]到該工程中殘鐵厚度與所需炮孔深度，且經現場手風鉆鉆孔試驗，最終采用手風鉆鉆孔。

3.3 炸藥單耗的確定

影響炸藥單耗q的因素很多，應根據爆破體的材質、強度、勻質性、最小抵抗線和臨空面條件等參考經驗進行初步選取〔4〕。參考對渣鐵進行爆破切割時單位面積消耗藥量2.1～3.0 kg/m2〔5〕和爆破清除時單耗0.65 kg/m3〔6〕，結合經驗在殘鐵局部進行試爆。試爆結果表明，炸藥單耗為1.0 kg/m3時爆破后的殘鐵過于破碎，而本工程只需將殘鐵破碎為能適應頂部天車吊出的塊度即可，故可適當減小炸藥單耗，最終選取炸藥單耗為0.4 kg/m3。

3.4 孔網參數及起爆網路

炮孔均勻布置在殘鐵上，用手風鉆鉆孔，除中間兩排和殘鐵邊緣幾個炮孔外均采用梅花形布孔。炮孔布置及起爆網路見圖2。

圖2 炮孔布置及起爆網路Fig.2 Sketch of blastholes and initiation network

孔網參數如下：炮孔直徑d=40 mm；最小抵抗線W=(18～25)d，取1.0 m；孔距a=W=1.0 m；排距b=(0.8～1)W，取0.95 m；孔深L=(0.6～0.9)H，取1.8 m；炸藥單耗q=0.4 kg/m3；單孔藥量Q取0.8 kg；炮孔總數n=26。

3.5 裝藥與填塞

殘鐵塊整體已完全降到常溫，不用考慮作業(yè)時炸藥是否處于高溫環(huán)境。采用φ32 mm乳化炸藥連續(xù)裝藥。由于底部夾制作用較大，且高爐基座下一步也將拆除，無需考慮爆破對高爐基座的破壞，故將藥包集中于炮孔底部。保證炮孔填塞質量，炮孔搗固時保護導爆管不受破壞。

4 振動校核及防護措施

本工程爆區(qū)在廠房內且為淺孔逐孔起爆網路，因此爆破安全防護主要是嚴格控制爆破振動強度和防止個別飛散物對人員、設備、建筑物造成危害。

4.1 爆破振動校核

根據薩道夫斯基公式〔7〕：

式中：v為地面質點峰值振動速度，cm/s；K、α為與地形、地質條件有關的系數和衰減指數；Q為最大單響藥量；R為廠房外建筑物到爆源的最近距離。

不考慮爆區(qū)和地面間的高程差，爆破時爆區(qū)至廠房外最近被保護建筑物水平距離R為10 m，最大單響藥量Q為0.8 kg，系數K取150，α取1.5。

計算得v=4.24 cm/s。由于被爆體三面臨空，根據經驗，振動速度能折減50%以上，因此到最近被保護建筑物的振動速度估計不會超過2 cm/s。根據《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)〔7〕爆破地震主振頻率為10 ～50 Hz時，鋼筋混凝土框架房屋的安全允許振速為3.5 ～4.5 cm/s。故爆破振動不會對附近建筑結構產生不良影響。

4.2 飛散物防護措施

由于周邊環(huán)境，特別是高爐基座底部附近輸水管道對飛散物控制要求高，除嚴格按照設計進行布孔、裝藥、填塞外，殘鐵頂部還需采用厚膠皮進行覆蓋，膠皮上部覆蓋沙袋(見圖3)。

圖3 殘鐵上部防護Fig.3 Upper protection

為防止破碎后的殘鐵塊向周圍散落，損傷建筑及下部裸露的輸水管道，在高爐基座上部與殘鐵接觸處向上搭設一圈槽型鋼，槽型鋼之間用鋼管、鋼筋焊接，使其形成一個穩(wěn)固的整體固定在周圍建筑上。槽型鋼之間空隙用厚膠皮進行攔擋，膠皮外覆蓋沙袋。為防止個別飛散物和殘渣滾落，下方輸水管道同樣覆蓋膠皮，膠皮上覆蓋沙袋。攔擋防護設施見圖4。

圖4 攔擋防護設施Fig.4 Protection facilities for blocking

5 爆破效果及振動分析

5.1 爆破效果

因為有膠皮和沙袋覆蓋，殘鐵周圍架設的槽型鋼及膠皮很好地攔擋了爆破后的碎塊散落，有效控制了飛散物，保護了周圍建筑和設施。爆破后殘鐵塊度均勻、大小比較適當，有利于下一步清理。爆破振動也未對周圍建筑造成損傷(見圖5)。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

5.2 振動分析

實際施工時，在爆區(qū)下方水平距離約5 m處布置了兩個測點對爆破振動進行現場監(jiān)測。其中一個測點的振動波形見圖6。

圖6 振動波形Fig.6 Blasting vibration waveform

該振動波最大振幅出現在起爆后1.65 s，最大振幅為0.76 cm/s。通過MATLAB對所測振動波進行HHT分析，得到爆破振動信號的頻帶能量分布特征(見圖7)。

圖7 頻帶能量百分比Fig.7 Frequency band energy percentage

普通構筑物的自振頻率一般在10 Hz以下〔8〕。振動頻率與構筑物固有頻率越接近，越容易引起共振效應，而導致振動成倍加強，進而可能使構筑物局部或部分開裂破壞或失穩(wěn)〔9〕。從圖7看出，爆破振動信號能量分布范圍較寬，主振能量主要集中于20～100 Hz，遠離建(構)筑物的自振頻率，且振速遠小于規(guī)定〔7〕的爆破安全允許振速，故爆破振動不會對周圍建筑結構產生不良影響，也驗證了此次爆破所采用的爆破設計參數和起爆網路是可行的。

6 結語

(1)殘鐵硬度過大，手風鉆鉆孔時鉆孔速度較慢，對鉆頭的磨損嚴重，鋼釬也容易扭斷，因此應準備足夠的設備與人員并預留充足時間進行鉆孔。

(2)殘鐵雖然硬度比較大，但可爆性較好。精細爆破時炸藥單耗的確定，應先根據經驗及類似工程進行試爆，再根據試爆結果調整。本次爆破炸藥單耗為0.4 kg/m3，遠小于許多工程實例建議的0.65～1.5 kg/m3，取得了良好爆破效果，可為類似爆破工程提供參考。

(3)通過采取合理的爆破設計參數和起爆網路，爆破峰值振速小于允許振速，主振能量在20 Hz以上，高于建(構)筑物的自振頻率，不易引起共振，故本次爆破施工沒有對周圍建(構)筑物產生不良影響。

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Exposure blasting of residual iron in smelting furnace of steel

ZHAO Wen1,2, ZHANG Zhi-yu1,2, HUANG Yong-hui3

(1. Faculty of Land and Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2.Institute of New Blasting Technology and Application, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

To complete the removal engineering of bared residual iron on the high platform as soon as possible, blasting technique was adopted. With partial test blasting, reasonable hole pattern parameters were selected and high-precision detonators were used to blast hole by hole. Additionally, blocking facilities were built and excellent blasting effect was obtained. After the blasting, the lumpiness was moderate and the fragments were not scattered or burst out. The actually measured vibration velocity was 0.76 cm/s in the plant, and it was smaller than the safety permissible vibration velocity. The vibration energy was distributed on high frequency part more than 20 Hz, and it was higher than the natural vibration frequency of the building (structure),which would not generate harmful effect on surrounding buildings (structures). Furthermore, the construction time was short. It strived time for advanced completion of technical transformation project of steel plant and recovery of normal production of steel plant. Though the residual iron hardness was high, drilling speed was slow, drill and drill rod loss were large, it had certain explosibility. Unit consumption of the project was only 0.4 kg/m3. It could provide a reference for similar projects.

Residual iron; Blasting demolition; Hole-by-hole initiation; Flying objects

1006-7051(2016)06-0079-04

2016-05-04

云南省應用基礎研究資助項目(2013FZ036)

趙 文(1989-)，男，在讀碩士，從事安全與爆破研究。E-mail：741037778@qq.com

張智宇(1973-)，男，碩士，副教授，從事爆破與安全研究。E-mail：924221851@qq.com

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.018