馬鋼4000m3高爐爐缸應(yīng)力探索

安吉南

1.高爐爐底板上翹現(xiàn)狀及抑制措施

1.1 高爐爐缸現(xiàn)狀

國內(nèi)外典型高爐爐缸結(jié)構(gòu)是冷卻壁-搗打料-碳磚陶瓷杯結(jié)構(gòu)，這種傳熱結(jié)構(gòu)最大的不確定因素在于搗打料層。高爐由休風(fēng)到生產(chǎn)的過程中，有檢測數(shù)據(jù)表明爐殼被施加了一個70MPa的環(huán)向應(yīng)力。另外查文獻得知[1]，對搗實的國內(nèi)碳素搗打料施加50MPa的作用力，搗打料會發(fā)生3%-8%的變形量。高爐生產(chǎn)與休風(fēng)的交替和爐缸熱應(yīng)力的變化，會導(dǎo)致?lián)v打料層發(fā)生變形量，變形的結(jié)果會導(dǎo)致產(chǎn)生氣隙。有文獻顯示[3]，根據(jù)高爐爐缸氣體成分測算的氣體導(dǎo)熱系數(shù)是0.042W/m.k，相當于碳磚導(dǎo)熱系數(shù)的1/300，會嚴重影響碳磚的熱量向冷卻壁傳導(dǎo)，這是爐缸碳磚侵蝕的重要原因。

以下計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過反復(fù)確認，保證其準確性；由于需要計算機軟件支持，本計算使用簡潔的算法，力求反映現(xiàn)狀趨勢。主要計算兩個爐缸碳磚指標：熱流強度和溫差。由于兩高爐只對4-11層碳磚加裝周向完整電偶，數(shù)據(jù)準確度較高，只對這幾層碳磚進行計算。熱流強度單位W/m2。

爐缸熱流強度可以從碳磚傳熱角度計算，也可以從冷卻壁角度計算，但由于水溫差監(jiān)控設(shè)備問題，只從碳磚傳熱角度計算[2]。

上式中：q為熱流強度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Δt為內(nèi)外圈電偶溫差；δ為距離。

A高爐爐缸5-6層、7-8層和9-10層碳磚熱流強度均有紅色報警區(qū)域，集中在2TH和北側(cè)區(qū)域。B高爐爐缸5-6層、7-8層和9-10層碳磚熱流強度均有黃色報警區(qū)域，集中在1TH與4TH之間區(qū)域（見表1、表2）。

表1 A高爐爐缸中下部碳磚

表2 B高爐爐缸中下部碳磚

從以上爐缸現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)分析來看，A高爐爐缸周向溫度極差大，部分區(qū)域熱流強度高，需要重點關(guān)注。B高爐周向溫度極差尚可，但存在不均勻性。

1.2 爐底板上翹及抑制措施

1.2.1 爐底板上翹措施

馬鋼第三煉鐵總廠兩座（A、B）4000m3高爐，2007年投產(chǎn)后三年多發(fā)現(xiàn)爐底板上翹，爐底板四周翹起與基礎(chǔ)之間距離高達200mm左右，引起公司上下高度關(guān)注。兩座高爐爐底板上翹，導(dǎo)致整個爐殼上漲，影響了高爐設(shè)備的安全，特別是高爐冷卻水管的安全性。

由于爐底水冷管對作業(yè)的限制，采取“見縫插針”的辦法，沿爐底封板一周在高爐基礎(chǔ)上采用化學(xué)植筋的方式預(yù)埋M36-M42的錨栓108個，通過壓板扣住爐底板。從而抑制爐底板上翹。在爐底H梁位置設(shè)置輔助壓緊裝置，從38根爐底H型鋼梁(HM250×170）兩端設(shè)置76件輔助壓緊裝置“小鞋子”（L型裝置），其底板與爐底H型鋼梁焊接，通過壓板扣住爐底板。然后利用爐底H型鋼梁的拉力來平衡爐殼上漲力，從而增加抑制爐底板上翹的力。同時保證了爐底H型鋼梁與爐底板相對穩(wěn)定，確保爐底板與爐底H型鋼梁的塞焊連接不被進一步拉開，防止爐底板的進一步損壞發(fā)生漏煤氣情況。

完成抑制上漲力的措施后，及時對爐底板下部澆注填料，實施防止回落的措施。在澆注填料的實施前，要同步完成爐底測溫點和位移監(jiān)測裝置的安裝調(diào)試；同步建立在線監(jiān)控系統(tǒng)。以更加準確的掌握上翹爐底板的溫度、位移變化趨勢。

1.2.2 爐底板應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)

爐底板應(yīng)力是爐缸監(jiān)控的一種手段，但其影響因素目前還沒有明確結(jié)論。通過逐一對高爐操作工藝參數(shù)與之進行對比，只有爐缸的溫度場分布與之有相關(guān)性。查資料和文獻得知，爐缸區(qū)域應(yīng)力的一個重要來源是熱應(yīng)力-即爐缸溫度的不均勻性。

爐底板應(yīng)力是對爐缸溫度場的另一種形式監(jiān)控手段，馬鋼第三煉鐵總廠爐底板應(yīng)力很大程度上反應(yīng)爐缸溫度場的熱應(yīng)力變化。A、B高爐爐缸區(qū)域溫度場分布區(qū)別較大，A爐周向均勻性差且總體溫度高于B爐，因此A爐爐底板應(yīng)力總體上漲速率要大于B爐（見圖1）。

1.3 爐底板應(yīng)力原因分析

1.3.1 兩高爐爐底板螺栓受力分析

圖1 兩高爐爐底板應(yīng)力趨勢

從兩高爐爐底板螺栓斷裂情況看，均出現(xiàn)在爐底板應(yīng)力2000噸左右。A高爐主要斷裂方位在2TH及兩側(cè)，B高爐斷裂方位在1TH附近。目前高爐爐底板兩種壓緊裝置因位置和結(jié)構(gòu)存在差異，受力情況存在差異。

化學(xué)植筋的螺栓并未發(fā)現(xiàn)斷裂，這主要原因一方面是化學(xué)植筋的螺栓截面積較大，抗拉能力較強，而且由于化學(xué)植筋的壓板較長，形變能力較好，可以緩解一些上翹力的作用；另一方面2月初對螺栓重新標定過程只對化學(xué)植筋的螺栓進行標定，應(yīng)力有一定的釋放（見表3、表4）。

表3 A高爐爐底板螺栓斷裂情況

表4 B高爐爐底板螺栓斷裂情況

關(guān)于M36和M42螺栓的抗拉強度計算：

使用的螺栓均為普通螺栓，型號為5.5和5.6的，下面按5.5來計算：

M36螺栓拉力極限：500*817*0.6/10000=24.5噸；

M42螺栓抗拉極限：500*1120*0.6/10000=33.6噸。

從以上分析看出，當M36的螺栓拉力達到24噸時，會逐步出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，這與爐底板壓頭監(jiān)控的數(shù)據(jù)基本吻合。M42的螺栓達到33噸時，會逐步出現(xiàn)斷裂。

表5 A爐爐層碳磚溫度分析

表6 B爐爐層碳磚溫度分析

1.3.2 爐底板應(yīng)力與爐缸溫度關(guān)系

從目前的爐缸數(shù)據(jù)跟蹤分析來看，與爐底板應(yīng)力變化趨勢相關(guān)性高的爐缸區(qū)域主要有三個，5-6層、7-8層和13-14層，兩座高爐爐缸溫度分布情況不同，影響的程度亦有區(qū)別（見圖2、表5、表6）。

圖2 爐缸溫度分布

2.結(jié)論

（1）兩座高爐L型壓板斷裂均出現(xiàn)在應(yīng)力總量達到2000噸水平時期，對應(yīng)各壓頭值達到25噸左右。螺栓受力分析得出相同上翹力情況下L型壓板螺栓的受力要小于化學(xué)植筋的螺栓。

（2）高爐各個經(jīng)濟技術(shù)指標與爐底板應(yīng)力有對應(yīng)關(guān)系，一方面高爐連續(xù)高產(chǎn)對爐底板應(yīng)力上漲影響明顯；另一方面，爐底板應(yīng)力與爐缸工作狀況相關(guān)，爐缸工況對高爐的影響存在明顯的滯后性，應(yīng)力的變化也滯后于高爐爐況變化。

（3）兩高爐正常生產(chǎn)時，爐底板應(yīng)力變化主要受爐缸周向熱應(yīng)力變化影響，目前跟蹤的爐缸數(shù)據(jù)顯示5-6層、7-8層和13-14層溫度變化與爐底板應(yīng)力趨勢相關(guān)性很高。A爐爐缸總體溫度和溫差均大于B高爐，造成A爐2TH方位螺栓斷裂較多；B高爐7月以來的斷裂與1TH方位溫度上升相關(guān)，這進一步證明爐缸熱應(yīng)力的影響程度。