高炉出铁场设计的若干问题探讨

2013-08-21张国玲

山西建筑 2013年5期

张国玲

(中冶华天工程技术有限公司，江苏南京 210019)

1 综合评述

高炉是炼铁车间的重要组成部分，出铁场是高炉出渣铁的操作场所，故设计出处理渣铁的出铁场结构和布置，是关系到高炉生产能否顺利进行的重要问题。最早的小型高炉出铁场平台是实心的，不利于工艺的设备布置。现在设计的出铁场主要由高架式混凝土平台和排架式厂房构成[1]。

2 大、小型高炉出铁场的设计要点

2.1 混凝土平台

小高炉出铁场混凝土平台柱距一般都是6 m×6 m，布置比较规整，出铁场都是有坡度的，这样大大降低了渣铁沟的深度，便于日后的清渣工作，但由于混凝土平台板是阶梯形，使得平台上某些部位的填砂很厚，有的地方甚至达到了1 m～2 m，大大增加了平台上填砂量;小高炉出铁场的渣沟是砌筑在混凝土平台上，且与混凝土平台之间有砂垫层，这样不与平台连成一整体，当渣沟由于铁水温度较高而发生位移时，整个渣沟在平台上摩擦滑动，从而减少了混凝土平台梁板柱的位移变形，避免了混凝土梁板柱的开裂。由于出铁场平台有坡度，不利于物料的运输和工人的操作。

以前设计的大型高炉出铁场平台同小型高炉出铁场一样，也是阶梯形的。最新设计和建造的大型高炉，出铁场趋向平坦，物料运输更便利，这样大大方便了人们在出铁场上进行各种操作，而且各高炉均设有从地面至出铁场平台的公路，便于物料的运输[2-5]。在结构布置上大胆的采用了以沟壁作为平台梁，这样大大减少了填砂，但同时增加了渣铁沟的深度，这就需要加宽沟的宽度，以便于日后对渣铁沟的维护、清理，同时由于沟的深度加大，使得沟内铁水传来的热量不容易散发。

已经投产的某钢厂3 600 m3高炉出铁场，由于在施工过程中为了方便施工，用耐热混凝土将沟壁与钢渣沟之间的隔热砖浇筑在一起。而且钢渣沟与混凝土沟之间的填砂层和隔热砖与混凝土沟底也成了一个整体，这就使得工程投产后由于渣沟内温度变化引起混凝土沟的温度变形，进而引起沟最外侧的混凝土柱产生了裂缝。因此在以后的设计中，一定要注意混凝土沟与钢渣沟之间的隔热措施。混凝土沟与钢渣沟不能浇筑在一起，特别是沟内混凝土梁与钢渣沟之间要有足够的耐火泥砌筑耐火砖，沟底板上要先铺一层不小于100 mm厚的填砂，然后再铺足够的隔热砖，沟侧混凝土梁必须采用耐热混凝土，如图1所示。

普通混凝土[6]在环境温度超过300℃后，其强度急剧下降，这是由于水泥石中的水化产物在高温下分解脱水，晶格结构遭到破坏的缘故。当温度达到600℃ ～900℃时，含有石英岩与石灰岩的集料会急剧膨胀并产生化学分解，也使混凝土强度显著降低。所以普通混凝土的正常使用温度不应超过250℃。

图1 混凝土沟示意图

耐热混凝土是指能够长期承受高温(250℃ ～1 300℃)作用，高温下保持工作所需要的物理力学性能的特种混凝土。耐热混凝土主要用于工业窑炉基础、外壳、烟囱及原子能压力容器等处，除长时间承受高温作用外，还会承受加热冷却的反复温度变化作用。耐热混凝土由耐热集料与适量的胶结料(有时还添加矿物料)和水按一定的比例配制而成。耐热混凝土按其胶结材料不同分为水泥耐热混凝土和水玻璃耐热混凝土。其中水泥耐热混凝土又分为普通硅酸盐水泥耐热混凝土(耐热温度700℃～1 200℃)、矿渣酸盐水泥耐热混凝土(耐热温度700℃ ～900℃)和高铝水泥耐热混凝土(耐热温度1 300℃ ～1 400℃)等几种。水玻璃耐热混凝土的耐热温度为600℃～1 200℃。

耐热混凝土的材料选用有如下要点:

1)水泥。强度等级不得低于32.5 MPa，水泥中所掺的混合材料不得含有比石灰岩类熔点低且在高温下易于分解软化的材料。

2)掺合材料。当工作温度高于700℃时，必须加入掺合材料。掺合材料是在拌制耐热混凝土时掺入的具有耐热作用的细粒粉料。加入掺合料首先可以增加混凝土的密实性，减少高温变形;其次某些掺合料可以与水泥水化物起化学反应而减轻水泥水化物在高温下的体积变化。掺合材料种类有粘土质(粘土熟料、粘土砖、红砖、高铝质滴铝砖，矾土熟料)、镁质(冶金镁砂、镁砖)、粉煤灰及高炉重矿渣等。

3)集料不宜采用石灰岩及石英质集料。石灰岩集料易在高温下分解，石英质集料在高温下会发生较大的体积变形(扩大至原体积的1.3倍～1.5倍)，将导致混凝土结构的破坏。因此耐热混凝土的集料应选择在高温下体积变形小且化学性质比较稳定的材料。可用粘土熟料、铝矾土熟料、耐火砖碎料、红砖碎料、高炉矿渣、碎镁砖、烧结镁砂、铬铁矿、玄武岩及辉绿岩等。集料中严禁混有石灰岩等有害杂质。耐热混凝土的配合比设计，应根据混凝土的工作强度、极限工作温度、材料来源及经济因素加以综合考虑，并通过试验确定。在试验中应注意用水量(或水玻璃用量)在满足和易性要求下应尽量减少，其坍落度应比普通混凝土小10 mm～20 mm;宜用机械搅拌，搅拌时间要比普通混凝土延长1 min～2 min。耐热混凝土浇筑后应精心养护，水泥耐热混凝土宜在15℃～25℃的潮湿环境中养护，水玻璃耐热混凝土宜在15℃～30℃的干燥环境中养护;水泥耐热混凝土在气温低于7℃、水玻璃耐热混凝土在低于10℃时施工，即应按照冬季施工规定执行，并不得掺用化学促凝剂。

2.2 排架式厂房

2.2.1 厂房柱

小型高炉出铁场厂房柱采用工字形混凝土预制柱，这样制作比较方便，但养护工期长，吊装比较麻烦。

大型高炉出铁场厂房采用全钢结构，厂房柱采用格构式阶形柱，工字形截面采用三块钢板焊接而成。柱肩梁位于上柱和下柱交接处，便于将上柱的内力传递到下柱并兼作吊车梁的支座。因此，肩梁必须具有足够的刚度和强度，以保证阶形柱能够整体工作。阶形柱下柱的两工字形截面之间要设置水平缀条，这样可以减少柱的平面计算长度。

2.2.2 屋面

小高炉出铁场屋盖系统中采用的是三角形屋架，屋面坡度为45°，天窗屋面坡度为20°，从直观上这种三角形屋架自身结构庞大，构件数量及节点处理繁多，制作起来比较麻烦，由于体形较大，安装也比较困难。同一榀屋架中杆件种类不宜过多，就要把规格相近的构件归并统一，造成了材料的浪费;另外很多杆件由长细比控制，材料的强度没有完全发挥，还有相当大的余量，也是造成浪费的因素。大型高炉出铁场屋面形式主要有三种:1)同小型高炉出铁场一样采用三角形屋架，两侧出铁场屋面是独立的，这就使得屋面排水比较麻烦。2)三角拱式屋架，其结构形式简单，构件数量很少，受力合理，每个杆件可以最大限度的利用构件自身的强度，节点处理也十分简单，制作和安装方便，同时用钢量也较低，在施工过程中受到了施工单位和业主的好评，已投产某钢铁厂3 600 m3高炉出铁场屋面就是采用这种屋面形式，见图2。这种屋面形式结构简洁，受力明确，体型也较小，构件数量少，仅5根杆件，3种断面，便于制作，由于屋架与柱头铰接，安装起来也十分方便。上部屋面梁为受弯构件，简单的焊接工字钢[7]。当屋面荷载较小时，应尽量选用H型钢，减少制作麻烦。水平杆为拉杆，相当于屋架的下弦，竖直杆为吊杆，为了减小拉杆的平面内计算长度和自身挠度，屋面梁和拉杆可以最大限度的发挥材料的强度，应力可以用足。由于杆件较少，节点也就少了许多，仅有两个节点，屋脊刚性节点和支座节点。屋脊做成刚性可以减小屋面梁的截面高度，充分利用屋面梁的材料强度。采用高强螺栓连接，根据节点弯矩大小来计算高强螺栓的个数。支座节点处理也十分简单，类似于通常的十字形短柱，仅仅在支座处增加了水平拉杆，由于拉杆的拉力较大，在支座设计中连接板及焊缝强度一定要注意满足内力的要求。3)整个出铁场作一个屋面，这样屋面排水比较方便，而且可以用屋面梁代替屋架，屋面梁采用焊接工字型钢，由三块钢板焊接而成，同大型屋架相比较，具有自重轻，制作简单，运输和安装方便等优点。屋面梁与柱顶连接采用高强螺栓(刚接)，屋面梁在屋脊处分段制作，用高强螺栓拼接，且在断开处设置两顶板，顶板一般采用不小于40 mm厚的钢板(如图3，图4所示)。