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高炉炉底板边缘为何上翘?如何应对?

中国冶金报社
01-14 16:28
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近年来,国内一些高炉出现炉底跑煤气严重,有的炉底板上翘等问题,甚至投产不久的炉缸发生烧穿事故,严重威胁人身设备安全。延长高炉炉缸炉底的寿命,对于实现高炉长寿和安全生产尤为重要。

黄发元 姜曦

目前,国内外许多研究者通过对高炉的解体研究和炉缸炉底模拟计算,分析了高炉炉缸炉底侵蚀机理,但是对于高炉炉底板上翘现象研究的报道很少。下面通过对某厂4000m3高炉炉壳炉底板荷载组合分析计算,初探高炉炉底板上翘的原因和减少炉底板上翘的措施。

高炉炉底板边缘上翘现象

该4000m3高炉于2007年2月建成投产,到目前已运行10年多,其间设备运行总体正常。2011年底,高炉炉底板边缘发生上翘现象。随后,工作人员对炉底板上翘进行监测,2012年5月初炉底板上翘50mm~110mm,没有漏煤气和温度异常情况;吹氧管从边缘开口处插入2500mm左右深度,此后监测发现边缘上翘有发展趋势,并且在高炉休风时上翘高度会略有下降,复风后又上升,到2015年,边缘上翘已达180mm左右。

2012年,该高炉对炉底板上翘可能造成的问题进行了普查,发现以下现象:炉底板边缘上翘情况严重,边缘一圈与基础脱开,炉身上涨检测装置表明炉体向上位移明显;炉顶导出管补偿器以及风口送风支管补偿器变形严重,变形量已超出补偿器补偿范围;下罐与上方结构梁之间的空间由于高炉炉体向上位移已经变得非常小,影响下罐称量,需要割梁。各种现象表明,高炉已整体向上位移,炉底板呈锅底状。

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原因探析

开炉初期,炉底密封板并未发生较大程度的上翘现象,因此,此次炉底密封板较大的上翘不是由于高炉开炉热膨胀导致。为了探析何种原因导致高炉炉底板上翘,工作人员对高炉的荷载工况和受力进行了分析。

高炉炉壳结构在特殊的工作条件下,与一般压力容器和钢结构有所不同,其荷载工况和受力状况十分复杂。该高炉为自立式框架结构,高炉本体与炉体框架脱开,煤气上升管、上料罐、热风围管等重量由炉体框架承载,通过波纹补偿器与高炉本体脱开。

按GB50567-2010,高炉壳体结构上的荷载可分为恒荷载、活荷载、偶然荷载3类。恒荷载包括壳体自重、固定在炉壳上的相关设备和内衬的重力等,活荷载包括炉顶料重、炉料重、铁水压力、气体压力、耐火砌材膨胀作用、煤气上升管膨胀反力、壳体内外温差时的应力,偶然荷载包括高炉坐料时产生的荷载。

活荷载之炉内气体压力对炉底板边缘的向上提升力Q1k。炉内气体作用于高炉轴向的力,分为向上和向下一对力,轴向向下的力(炉底板的盲板力)作用于炉底板上,使炉底板紧贴于基墩,无法向下位移;而轴向向上的力作用于炉顶封罩、炉身内壁,使炉壳承受一个竖向向上的提升力,炉壳直径越大、炉内压力越大,竖向的提升力越大。

炉内气体压力作用的提升力与炉内压力、炉壳直径等有关。经分析计算,该4000m3高炉炉内压力使炉壳上升的纵向力约在5100t~6900t范围内波动。炉内气体产生的炉壳所在圆的单位周长上纵向力N1为1.186t/cm,炉内气体产生的纵向力Q1k为6702t。

活荷载之炉缸侧壁耐材膨胀导致的纵向膨胀力F。砖衬膨胀时,一方面通过摩擦力将力传递给炉壳侧壁,一方面通过上顶风口装置将力传递给炉壳,尤其是当风口下方预留的膨胀缝过小或陶瓷杯采用压杯的形式时,这种对炉壳的向上膨胀力F更加明显。

同厂的2500m3高炉,炉体结构、材质与4000m3高炉相同,碱金属、锌等有害元素负荷不低于4000m3高炉,也有中套上翘现象,生产了13年7个月没有发生炉底板边缘上翘现象,这不能说明有害元素是炉底板边缘上翘的主要原因。

活荷载之炉壳受热后的膨胀应力Q2k。高炉开炉后,炉壳受热后承受膨胀应力,导致炉底板径向和炉壳周向膨胀。如果炉底板径向膨胀量大于炉壳周向膨胀量的1/π倍(周向膨胀量约24mm),则可能造成少量的边缘上翘,Q2k与ΔD/ΔL正相关。经分析计算,该高炉炉壳周向膨胀量ΔL为23.72mm,炉底板径向膨胀量ΔD为7.55mm。

恒荷载——炉壳及其附属物的重力Gk。现代高炉一般为自立式框架结构,炉壳自重及其固定在炉壳上的冷却壁、镶砖、内衬耐材、炉喉钢砖、风口大中小套、下料罐、炉顶设备等,给炉壳一个向下的重力,它可以抵消一部分使炉壳向上的纵向提升力。该4000m3高炉的这个重力在开炉初期约为6055t;随着炉役延长,内衬侵蚀和冷却壁磨损,这个重力逐渐减小,按照目前内衬和冷却壁等磨损失重20%估算,重力已减小到4430t。

活荷载之炉底板抗形变力QP。经分析计算,弯曲半径ρ约为27419mm,弹性变形弯矩为9783Nmm,抗形变力QP为22.53t。

综上所述,炉底板上翘是各种复杂的因素综合作用的结果。正常生产时,炉壳受到的向上提升力包括炉内气体压力产生的向上提升力,炉缸侧壁耐材膨胀导致的竖向膨胀力以及炉底板受热后的膨胀应力等。炉壳上升需要克服的阻力有炉壳以及固定在炉壳上的设备和耐材的重力、炉底板抗形变力等。因此,最终传递给炉底封板边缘的向上提升力应为荷载效应组合值S=Q1k+F+Q2k-Gk-QP。若S为负值,炉底板不会上翘;S为正值,可能上翘。

经计算,该4000m3高炉开炉时,S最小值为-887t,S最大值为647t;侵蚀后,S最小值为738t,S最大值为2272t。

因此,该高炉炉底板边缘上翘的主要原因是:随着高炉大型化、炉衬薄壁化、炉顶压力的提高,炉内压力作用于炉顶封罩、炉身等处向上的力,通过炉壳对炉底板边缘造成上升的力变大;炉衬薄壁化后,作用于炉壳的向下的重力减小,并随炉役延长,内衬侵蚀、冷却壁磨损而变小,难以抵消炉内压力造成的对炉底板边缘的上提力;而高炉大型化后,炉底板直径变大,其刚度又不够,抵抗形变的力不足,从而发生弹性变形和塑性变形而产生边缘上翘。

上述分析得到了实践证实,生产中实测到该高炉这个综合的提升力是存在的。在高炉休风时,这个综合的提升力随风压变化,一般下降600t~700t,并且测得炉壳带动炉底板边缘也随之发生上下位移,休风时炉底板边缘落下几毫米,复风时上移回去,每次休复风均如此。

在提升力的持久作用下,炉底板将发生塑性变形,休风时盲板力消失,提升力随之降低,但降到一定值时停止下降。随着休风时间延长,由于在炉体重力持续作用下塑性变形的抵抗力变小,所以测得的提升力又开始下降,复风后测得的提升力又上升。但由于塑性变形的抵抗力存在,提升力不会立即回到原水平,而是慢慢上升到原水平。

处理措施

基于以上原因分析的结果,降低炉内压力、增加作用于炉壳上的重力、增加炉底板刚度等,会对炉底板边缘上翘产生有效的抑制作用。处理措施既要尽可能多地抵消上涨力,又要防止炉底板频繁上下位移,导致炉底板疲劳和内衬损坏。该高炉采取了如下措施:

一是控制炉内压力,减小上涨力。该高炉限制炉顶压力不超过225kPa,通过上下部调剂发展两道气流,高炉压差由180kPa降到170kPa。

二是增加作用于炉壳上的重力,抑制炉底板继续上翘。如果在炉壳的某高度位置上增加一周配重,可以起到抑制上涨力的作用,但空间有限,且可能对炉壳造成损伤。该高炉在高炉基础上沿炉底封板一周(R9450~R9490处),采用化学植筋的方式埋100多个M36~M42的螺栓,通过压板扣住炉底板边缘,利用螺栓抗拔力来平衡炉壳上涨力,从而抑制炉底板上翘;在压板下装少数测压压头,检测上涨力变化。一周锚栓可以抵抗炉壳的上涨力1700t~2200t。这种结构基本不影响炉底板、炉壳温变热应力的释放。

三是增加炉底板刚度。如果将炉底边缘环板与其下方的HM250×175型钢结构焊接起来,相当于给厚度25mm的炉底板增加了加强筋,由平盖盲板变成正交加筋盲板,刚度大大增加,可有效抑制上翘。但由于该炉炉底板上翘后,炉底温度传不到H型钢,长久裸露在阴湿大气中的H型钢上翼缘已被严重腐蚀,与辐板脱开,此方案未能实现。

四是防止炉底板回落。炉底板边缘已悬空,上下动态位移,不仅不利于传热,而且容易造成炉内耐材损坏和炉底板疲劳失效。为此,在高炉基础与上翘炉底板之间空隙内,利用导热性好、流动性好的浇注料填实,既防止炉底板回落,又将炉底板的热量传导给炉底板下的炉底水冷管。

采取上述措施处理后,炉底板上翘趋势及上下位移得到抑制,已一年多时间,炉底板仍基本紧贴下面浇注料,炉底传热也得到改善,炉底板下2根一串的水冷管水温差上升0.1℃左右,炉底板下温度基本在50℃~60℃。但由于空间受限,埋设的螺栓直径稍小,加上动载变化,竖向上提力不均,局部有螺栓被拉断现象,该高炉采取了及时补螺栓等措施处理。

问题探讨

目前,国内高炉炉底出现跑煤气现象并不罕见,炉底板上翘也陆续出现,炉底板有时被称为“煤气封板”,值得商榷。笔者认为,高炉炉底板不光起密封煤气作用,还作为高炉这个特大型压力容器的重要组成部分,承载炉内气体压力等,发挥巨大盲板力作用。因此,现代高炉炉底板结构设计需要按压力容器结构改进,并在标准中加以明确规范。

国内比较多见的高炉炉底板结构大致归纳为3类:

第一类是吸收上世纪70年代前苏联技术发展起来的高炉炉底煤气封板结构,当时高炉容积小、炉衬厚、炉顶压力低(有的为常压)。随着高炉大型化、炉衬薄壁化、炉顶压力的提高,这类炉底结构虽然进行了较大改进,但炉底跑煤气、炉体上涨现象等问题逐渐显现。

第二类是上世纪80年代吸收日本技术发展起来的高炉炉底板结构,由于理解和核算问题,在薄壁化、更高炉顶压力下,炉底板上翘等问题逐渐出现。

第三类是在炉底板下或炉底板上采用了加强结构,如将炉底水冷管安装在炉底板上方一定高度的位置,在炉底板到水冷管之间浇注较厚的钢筋耐热混凝土,增加了炉底板的刚度,甚至再在水冷管上加一层煤气封板,封板边缘与炉壳间采用弹性连接。还有的将炉底环板与下方的型钢连接,形成了类似加筋盲板的结构,亦增加了炉底板的刚度,或在基墩预埋螺栓固定,均抑制了炉底板上翘。

第一类炉底板结构已不适合现代高炉,第二、三类若设计合理是可以满足需要的。高炉设计时除了陶瓷杯预留足够的膨胀缝外,随着高炉大型化、炉衬薄壁化、炉内压力的提高,炉内气体压力对炉底板的盲板力要引起足够重视,要认真核算炉体侵蚀后的荷载效应组合值,充分考虑炉壳竖向提升力的因素,采取合理的设计方案,有效防止生产中炉底板上翘。如果限制炉顶压力,不利于冶炼强化,增厚炉衬壁也不经济,增加炉底板刚度相对经济合理。

采取第二类结构时,建议在炉底环板与炉缸段T形连接处加焊站筋,以克服该处的较大应力,即要对GB50567-2010的7.2.6条进行修改。另外,炉底板与水冷梁上翼橼采用圆形塞焊孔连接,除了要做到塞焊孔直径为底板厚度的3倍,填焊高度为板厚的1/2,且不应小于16mm外,向炉底板下压力灌浆时要掌握好灌浆压力,以免灌浆时塞焊脱开,投产后漏煤气。

当然,除第二类结构外,在炉底板上面加焊站筋或浇注钢筋混凝土也能起到增加炉底板刚度的效果。或者采用类似于热风炉的压力容器弧线连接结构,亦可有效抑制炉底板上翘。为了克服炉底板上翘,造成地脚螺栓被拔起的问题,以及防上由于底板变形引起漏煤气,可以在基础设计中改进地脚螺栓的固定方式,在下部设置加固的钢圈,地脚螺栓伸长到基础钢圈上面,直接与炉壳钢圈相连接。

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