大型锻造厂房的全新改造设计

张建华 上海市机电设计研究院有限公司工艺设计二所

张建华（1960年～），男，大学本科、工学士、高级工程师。从事专业之一为锻造项目工程设计工作。

0 前言

近年来国内大型机械装备制造业一直处于一个高速发展时期，全国各地掀起了一股大型自由锻设备及重型热处理设备的投资建设热潮，纷纷启动重型装备项目。

在大型锻件项目实施过程中，建设（或改造）具有大型锻件生产能力的厂房，成为了首要且必须的前提条件。

1 项目简介

企业委托要求设计规模为锻件产量达到12万t/年，最大锻件单件重330t，环型类锻件最大直径Ø7.5m，轴类锻件最长27m，平均钢锭利用率64.9%。

该项目属于利用已有企业进行技术改造，主要包括扩建万吨水压机车间、扩建热处理车间等厂房及新建冷却循环水泵房、扩建锅炉房等。

要在已有企业不具备生产大型锻件的条件下，设计出一个满足特殊生产需要量身定制的生产厂房，首先需要一个优秀的整体设计方案。该整体方案包含了安全、可靠、具有可操作性、物流顺畅的工艺布局，同时包含了满足产品生产需求的新材料、新装备及满足实用要求的生产厂房等。

2 工艺设计

要获得优质的大型锻件，必须要将锻造和热处理等前后工序有机地结合起来，这就要求锻造加热炉、锻造机、操作机、锻后热处理炉、性能热处理炉、淬火冷却设备等大型热加工设备合理布置、密切协作。大型锻件通过火车、电动平车、锻造起重机、淬火起重机等多种运输手段在各个生产车间或工序中形成良好且有效的物流。

2.1 万吨水压机车间

在老车间主副跨的基础上向东接长51m，接长部分由西向东主要依次布置4m×18m、7.5m×10m、6m×13m、4m×14m等四台锻造加热炉，分别布置在10.5m、14m、12.5m、14m柱距内, 柱距不统一主要是满足所配置加热设备布置和起重机行驶范围。另有一台5m×13m锻造加热炉布置在与接长部分相邻老车间最后一个柱距内,形成五台锻造加热炉依次排列。

在老车间主跨主要布置设备有16 500t油压机（当时为世界上最大），630t·m操作机，5m×13m、5m×18m台车式燃气性能热处理炉，见图1及图2所示。

图1 16 500t油压机

新老车间起重机轨道贯通，锻件的运输采用250t、350t起重机，500t钢锭采用二台起重机台吊。

经改造后，万吨水压机车间可生产加热工件最长为16m，筒体类锻件最大直径为Ø7.5m，最大载重量为500t,锻后热处理轴类锻件最长为27m，筒体类锻件最大直径为Ø7.5m，最大锻件重量为330t。

每台燃气炉都有一个烟道，采用集中下排烟，即在室外狭小地方设计出满足工艺要求地下集中烟道（长66.11m），直至进入高80m，出口直径Ø3m的烟囱。

图2 630t·m操作机近景

2.2 热处理车间

在老车间（后称主跨）的基础上向西接长27m，柱距为13.5m、13.5m。将原室外遗弃多年的事故油槽（18m×13m×12.35m），纳入室内将其改造成布置2台Ø3.2m×15m井式热处理炉、1个Ø5m×18m油槽、一个Ø5m×18m水槽等，及在其上方+5m处设钢平台的热处理单元。改造过程中将槽底底板及四面侧壁进行特殊加固，并在侧壁上开凿满足Ø0.48～1.42m油管、水管穿行且具有防水功能的孔洞。由于原事故油槽平面一部分超过主跨南侧轴线且坑内不允许立厂房柱子，故向西接长的主跨南侧少一根厂房立柱，即27m柱距一跃而过。且改造后此处为双层起重机运行，轨高分别为+20m、+32m,其中+32m上行驶200t淬火起重机，单起重机梁就高达4m。

在紧贴主跨的南侧扩建24m×231m副跨，按工艺要求建造连续长地坑，其净尺寸为111.48m×9m×（-6m、-10m、-15m，在-15m处安装电梯）。在-15m地坑上方设+1m连续钢平台,其他深度地坑上方设+4.0m连续钢平台。连续长地坑内布置1台Ø2.8m×15m、2台Ø2.8m×12m、2台Ø2.2m×9m井式热处理炉，1台Ø5m×20m喷水喷风槽，1台Ø5m×14m喷风装置，1台Ø5m×14m水槽，1台Ø5m×14m油槽等装备及大型中间循环油槽等，见图3所示。

图3 热处理车间（连续长地坑）井式热处理炉等

3 厂房设计

20世纪90年代以后，随着国家钢铁业的进步，重型厂房向全钢结构发展，从屋盖、支撑、起重机梁系统到承重柱等，均采用型钢组合而成。全钢结构的应用较好地解决了高大厂房重型承载的需求，并且也建立起了符合国家规范的全钢结构力学体系和电算模块。

本文所涉及的厂房均为全钢结构、且重型钢结构设计。

3.1 热加工厂房特殊性

对于万吨水压机车间及热处理车间这类性质的厂房，均属于热加工生产性质的厂房，工件在生产中的温度可达1 200℃，为了防止因屋面积水渗漏到车间内而造成重大事故，屋面设计时必须采用外天沟。

因上述车间内布置有油压机、锻造加热炉及性能热处理炉等，当装载着加热后的工件从炉内出来或锻压时，工件产生非常巨大的热辐射，为减小辐射热对厂房的不利影响，在热源（设备）周围的厂房立柱必须外包耐火砖或刷耐火涂料。屋面必须设置大喉口屋脊通风器，其通风排热效果是传统要求的3倍。

大型锻件生产厂房内的起重机起吊吨位大、设备复杂、工作环境较为恶劣，一旦起重机发生故障，将会对生产造成极大的影响，因此，在100t以上起重机跨内必须设置检修起重机（或检修电动葫芦）及检修平台。

3.2 建筑设计

（1）万吨水压机车间（见图4所示）

车间主厂房扩建为单层钢结构，南北两跨，向东接长51m，柱距为分别是10.5m、14m、12.5m、14m，南面主跨30m，屋架下弦标高为27.08m；北面副跨21m，柱顶标高为15.5m。

图4 水压机车间外貌，右为高80m、出口直径Ø3m烟囱

主跨内新设Gn=250/80t、Gn=350/100t桥式起重机各1台，与老车间内轨道连通。主跨内设16t检修用电动葫芦吊。

车间主、副跨接长厂房均采用单脊双坡屋面，8mm厚钢板外天沟，屋面坡度同老厂房。屋面采设光带，屋脊处设屋面自然通风器长51m，接至老屋面的东头端跨中心，喉口6m（副跨3m），见图5所示。

图5 万吨水压机车间（接长部分）内部

（2）热处理车间（见图6所示）

车间主厂房扩建部分为单层钢结构，分南北两跨。北面主跨（即原热处理车间向西扩建部分）向西接长27m、跨度30m，柱距为2个13.5m，屋架下弦标高为40m。南面副跨（即原热处理车间向南扩建部分）跨度24m，东西长147.33m，柱距分别为13.5m、12.5m、11m、12m，柱顶标高为28m。

图6 热处理车间外貌（可看得出主跨接长）

主跨向西扩建部分设置上下双层起重机轨道：上层与原有32m轨道连通，行驶Gn=200/50t 淬火起重机；下层与原有20m标高轨道连通，行驶Gn=100/20t桥式起重机，并新增Gn=75/20淬火起重机。副跨设Gn=120/50t淬火起重机、Gn=75/20t、Gn=30/10t桥式起重机。主跨内二处分别设10t检修用电动葫芦吊。

主跨接长及北跨厂房均单脊双坡屋面，8mm厚钢板外天沟，主跨接长部分屋面与老车间屋面连通。屋面设采光带，主跨屋脊处设屋面自然通风机20m及副跨118m，喉口均为6m，见图7所示。

图7 热处理车间（副跨）内部

3.3 结构设计

3.3.1 扩建万吨水压机车间

老万吨水压机车间向东扩建接长51m，主跨宽度为30 m、副跨为21m。单层钢结构厂房，接长部分与老厂房起重机贯通。接长主跨内设250t及350t起重机各1台，副跨内不新增起重机，但老厂房副跨内原有起重机行驶至接长车间内。接长车间柱间布置有多台大型热处理炉设备，柱距采用10.5m、14m、12.5m、14m。

接长厂房结构选型：在主、副跨中柱间布置了5台锻造加热炉，致使接长部分无法布置柱间支撑，因此考虑接长部分采用与原厂房连接成一个结构体系，利用原有厂房柱间支撑。在新老厂房交接处不另立柱子。考虑与老厂房结构体系的一致，接长厂房主副跨上部脱开，形成二个独立的单跨钢框架结构。主跨下柱为格构柱，上柱为实腹式工字型柱。柱脚为插入式，起重机梁为实腹式工字型梁，制动桁架。主跨最东面车挡需建在车间外，起重机梁外挑。屋面为钢屋架，间距为8m，柱距为10.5m、14m、12.5m、14m，设置钢托架搁中间屋架，因起重机吨位大，屋架上下弦平面均设置了封闭的纵横向水平支撑，屋面檩条采用高频焊H型钢，墙面系统为单层彩钢板墙面。在柱距中间设置一道墙架柱，下段悬吊在辅助桁架下，上段支承在辅助桁架上面，墙檩为C型冷弯薄壁型钢，或高频焊H型钢檩条，山墙设置抗风桁架一道。副跨框架柱采用实腹式等截面工字型钢，框架梁采用实腹式变截面梁，屋面系统采用主次梁结构体系，起重机梁为实腹式工字型梁，墙面系统柱距中间设置一根墙架柱，檩条采用C型冷弯薄壁型钢。

厂房基础为桩基独立基础。在中柱距间布置有5台加热炉轨道基础，因重量大采用条形桩基。其中有1台加热炉轨道在老厂房柱间，采用灌注桩。该基础南端宜与新建油压机基础一起考虑。

油压机基础是一个14.9m×9m×6.915m深地坑，为保证油压机基础满足使用要求，同时将施工过程中对老厂房影响减到最小，采用满堂压桩处理，坑底不平整度达到几乎苛刻的规定要求。

（1）新老厂房关系

屋面系统：在新老厂房交接处59轴是老厂房的山墙轴线，老厂房屋面板长度6m，由于屋架中心离轴线1 000mm，而屋面板端部悬出屋架，导致扩建厂房的屋面檩条无法搁到屋架上，因此接长前必须将端开间6m范围的屋面板拆除后改为轻钢屋面，接长厂房的第一间托架应从59轴上柱（钢柱）焊出。

起重机梁系统：在59轴处原起重机梁同样悬出柱，导致接长厂房的起重机梁无法搁置，因此接长前须将原12m起重机梁拆除调换新起重机梁。

墙梁系统：接长厂房的墙梁搁置在老厂房柱上，原混凝土下柱须采取加固，增加牛腿用于搁置扩建厂房的墙梁。

（2）老厂房的抗震鉴定

老厂房建造于20世纪60年代，未考虑抗震设计。

主跨：接长厂房起重机梁与老厂房连成一整体，从东端原伸缩缝兼抗震缝即43轴往东至接长后山墙面形成新的结构单元，该新结构体系需满足现行规范的要求。为配合新油压机的工作，新增1台250t及1台350t起重机，控制荷载数据不能超过原有起重机对厂房的影响，厂房结构承载能力基本满足现行规范的要求。但是老厂房砼柱的箍筋不满足现行抗震设计规范的要求，必须进行抗震构造加固。加固范围为新增油压机范围内的结构单元。

副跨：扩建厂房并未增加起重机，其他使用荷载也没有改变,未超过老厂房的原设计使用荷载，但按现行规范副跨需进行抗震鉴定和加固。

3.3.2 扩建热处理车间

车间为原热处理车间（主跨30m）向西扩建接长27m，并向南侧扩建一跨（副跨24m），均为单层钢结构厂房。接长主跨双层轨高32m、20m与原厂房起重机轨道贯通，20m轨高除原有1台100t起重机需通过外，新增1台75t淬火起重机。扩建副跨设1台120t淬火起重机、1台75t起重机及1台30t淬火起重机，轨高20m。

扩建厂房下柱采用格构式钢柱，中间轴线C另立副跨的工字形小钢柱支承辅跨的起重机荷载，上柱为实腹式工字形柱，柱脚为锚栓连接，抗风柱设置1至2道抗风桁架。起重机梁为实腹式工字形梁，制动桁架；中间轴线柱距为27m的起重机梁采用箱形截面、制动桁架。因新老厂房交接处柱两边搁置不同跨度的起重机梁，考虑梁端支承高度相同，27m起重机梁用变截面（高度）梁；原厂房20轨高起重机梁按照2台100t运输起重机校核，不需加固。主跨屋面为钢屋架，中间27m柱距设置钢托架，檩条为高频焊H型钢。副跨屋面系统采用主次梁结构体系，檩条为C型冷弯薄壁型钢，墙面系统为单层彩钢板墙面，墙檩为C型冷弯薄壁型钢。C轴27m柱距内另增墙架柱由辅助桁架承重。

车间厂房基础为桩加独立承台，因工艺复杂，在副跨内布置连续长地坑，其净尺寸为111.48m×9m×（坑深-6m，-10m，-15m，在-15m）采用沉井施工法。

（1）新老厂房的关系

屋面系统：主跨在新老厂房交接处是老厂房山墙屋面板（12m）端部悬挑出屋架，导致接长屋面檩条无法搁置，故接长前必须将原端开间12m屋面板拆除后改为轻钢屋面。

起重机梁系统：在原起重机梁端悬挑部分因影响接长部分起重机梁的搁置，故必须割除，但原起重机梁可不拆除。

在老厂房南侧C轴线外新立的小钢柱高度与原厂房标高为 12m处的钢牛腿相碰，须将该牛腿割除，并将小钢柱与老厂房钢柱之间用角钢及横隔板拉结。

（2）老厂房的抗震鉴定

老厂房建造于20世纪70年代，未考虑抗震设计。

老厂房主跨（30m）钢结构部分：因扩建副跨对老厂房的影响，须考虑老厂房按现行规范的抗震鉴定，经按原设计钢材强度和截面复算，老厂房主结构基本能满足规范要求。

老厂房主跨（30m）混凝土结构部分：10～12轴因扩建影响，也须考虑老厂房的抗震鉴定，经复算，除老基础须补桩加固外，其他主结构也能满足承载力要求，但混凝土柱的箍筋间距不能满足现行抗震规范的要求，必须进行抗震构造加固。

综上所述大型锻件技改项目，设计中牵涉到老厂房改造或是扩建的内容，必然给建筑结构设计带来繁重的工作量，尤其是原有厂房建设时间较为久远，已无法判断该建筑物承载、抗震、沉降等方面情况或能力的情况下，必须委托有资质的公司对老厂房进行抗震鉴定。根据抗震鉴定报告，制定一系列的加固处理措施，如结构体系不完整、不符合现行规范要求的柱间支撑、屋面支撑按现行规范要求补全；结构构造不符合现行规范要求的，按现行规范进行加固处理；砼双肢加密区箍筋不符合要求，拟采用粘钢板加固（但环境温度必须<60℃）或用外包钢板进行加固处理；未与主体结构连接的女儿墙拆除重做，或采取加固构造措施。屋面及墙面伸缩缝处不满足抗震缝宽度的，拟将一侧的板拆除重做或局部凿除加固，以满足缝宽要求。对结构构件抗震验算承载力、稳定性等不满足现行规范要求的进行加固补强处理，如个别钢屋架、天窗架腹杆应力比、长细比超限的可加大截面面积，用粘钢板或贴焊型钢等方法进行补强。根据抗震鉴定，如原有建筑物年久失修，改造或加固费用巨大，综合施工周期等其他因素，也可建议将原厂房部分拆除重建。

若历史久远老厂房需接长，且起重机轨道须在新老厂房贯通时，查看老厂房轨道标高图样已无意义，多年来老厂房沉降，轨道此时实际标高已偏离图样标高。因此首先需要请有资质单位对老厂房起重机轨道标高进行实测（选择多个点），新厂房轨道标高按最终测试数据来确定，这样新老厂房轨道可以贯通。

若新厂房新增加起重机吨位远远超过老厂房起重机吨位，且需起重机新老厂房贯通，显然老厂房承受不起大吨位起重机使用，但又不允许拆掉重建。如何解决，比较可行方法是，在确保起重量的前提下，向起重机供应商提出起重机参数的限制值（即非标参数），将老厂房中最大起重机参数值作为新厂房大吨位起重机限制值，例如增加大吨位起重机两侧大车行走的轮子数，使其每个轮子的轮压值≤限制值；起重机大车、小车行走速度≤限制值等。万吨水压机车间就是采用此方法解决新增350t起重机驶入原最大只能行使200t起重机老厂房。

4 结论

按“十二五”规划需求，我国大型锻件产品的需求将维持在一个较高的水平。

因此，在短时期内迅速扩大我国大型锻件的生产能力，将是亟待解决的问题，而设计并建设有大型锻件生产能力的厂房，成为了首要且必须的前提条件。