高新運(yùn) 

（原濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠）

摘  要  本文通過(guò)對(duì)高爐爐底結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)造成“爐底漏煤氣”、“爐底板上翹”、“爐體上漲”等故障的原因在于其爐底沒(méi)有按照耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，于是提出了高爐爐底應(yīng)該采用耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，并對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)中常用的半球形和二分之一扁圓球面形難以用于高爐爐底耐壓設(shè)計(jì)的原因進(jìn)行了分析，隨后提出幾種具有實(shí)用價(jià)值的“剛性爐底結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞  高爐爐底  爐底板  柔性爐底結(jié)構(gòu)  剛性爐底結(jié)構(gòu) 

1  前言

據(jù)了解除前蘇聯(lián)的捷爾任斯基工廠高爐使用過(guò)比較耐壓的半球形爐底結(jié)構(gòu)的外（見(jiàn)圖6），至今煉鐵領(lǐng)域的高爐，無(wú)論大小其爐底結(jié)構(gòu)均沒(méi)有按照耐壓標(biāo)準(zhǔn)或者壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，起因可能是源于早期的高爐使用風(fēng)壓較低，加上高爐自身重量較大沒(méi)有構(gòu)成威脅；從濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠的350m3高爐發(fā)展演變歷程來(lái)看，上世紀(jì)80年代后期由于逐漸提高風(fēng)壓，隨即發(fā)現(xiàn)“爐底漏煤氣”問(wèn)題在加重，于是開(kāi)始采取從外部治理的方法予以維護(hù)，如在爐底周圍的混凝土基礎(chǔ)上鑿出“環(huán)形溝槽”，在“環(huán)形溝槽”內(nèi)埋設(shè)“縱向環(huán)形鋼板”，并在“縱向環(huán)形鋼板”與高爐爐殼之間澆注混凝土，其上部再與爐殼進(jìn)行焊接密封（見(jiàn)圖1的左邊），最后再通過(guò)灌漿方法將“縱向環(huán)形鋼板”與高爐爐殼之間的剩余空隙填實(shí)；進(jìn)入本世紀(jì)初，高爐風(fēng)壓水平進(jìn)一步提高，“爐底漏煤氣”問(wèn)題更加突出，雖然已經(jīng)將上述治理方案納入350m3高爐常規(guī)設(shè)計(jì)（即在高爐大修改造之初就直接采用上述外部治理方案），但仍然難以杜絕“爐底漏煤氣”問(wèn)題的發(fā)生，為了進(jìn)一步解決“爐底漏煤氣”問(wèn)題，2004年起開(kāi)始效仿大型高爐安裝“爐底板”；其中4座350m3高爐在安裝爐底板后起到了一定的作用，特別是新開(kāi)爐的前兩年基本上不漏煤氣，但隨著爐役的延長(zhǎng)，“爐底漏煤氣”問(wèn)題又開(kāi)始出現(xiàn)，研究認(rèn)為，這應(yīng)該是爐底板周圍與爐殼之間的焊縫開(kāi)裂所致；隨后通過(guò)查閱相關(guān)圖紙資料和有關(guān)報(bào)道發(fā)現(xiàn)，許多大型高爐也存在“爐底漏煤氣”問(wèn)題，甚至還伴隨著“爐底板上翹”以及“爐體上漲”等問(wèn)題；筆者研究認(rèn)為：包括大型高爐之所以出現(xiàn)“爐底漏煤氣”、“爐底板上翹”以及“爐體上漲”問(wèn)題，關(guān)鍵原因在于“爐底板”包括整個(gè)爐底結(jié)構(gòu)，均沒(méi)有按照一定的耐壓標(biāo)準(zhǔn)或者壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)所致。

2  高爐爐底結(jié)構(gòu)的演變及“爐體上漲”、“爐底板上翹”原因分析

2.1  “無(wú)爐底板”時(shí)的爐底結(jié)構(gòu)及治理爐底漏煤氣的方法

通過(guò)多年的高爐工作經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)圖紙資料得知：較早的高爐是沒(méi)有“爐底板”的，均是在爐殼的最下面放置一個(gè)水平的“環(huán)形板圈”，該“環(huán)形板圈”直接放在高爐的混凝土基礎(chǔ)上，其“環(huán)形板圈”上直接焊接爐殼（見(jiàn)圖1，圖1是比較典型的“無(wú)爐底板”時(shí)爐底結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中還左邊示意了治理爐底漏煤氣的方法）；從圖1中還能夠看出，除沒(méi)有爐底板外，其爐殼內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也是難以阻擋煤氣泄漏的，以圖1為例，從爐殼向里依次是：一環(huán)碳素?fù)v打料，一環(huán)耐火磚，中間是耐熱混凝土“芯”；由于爐殼會(huì)因?yàn)槭軣岷褪軤t內(nèi)壓力的作用而直徑逐漸變大，碳素?fù)v打料會(huì)因?yàn)楦邷囟率蛊鋬?nèi)部的揮發(fā)份揮發(fā)而干燥甚至收縮，因而會(huì)導(dǎo)致?tīng)t殼與碳素?fù)v打料之間產(chǎn)生縫隙，煤氣就會(huì)通過(guò)該縫隙從爐底漏出；假如爐殼不膨脹，假如碳素?fù)v打料不收縮，假如爐殼與碳素?fù)v打料之間沒(méi)有縫隙，也仍然會(huì)因碳素?fù)v打料內(nèi)部揮發(fā)份揮發(fā)組織疏松空隙變大而漏煤氣；因此，在上述結(jié)構(gòu)條件下是很難做到爐底不漏煤氣的，為了盡可能地減少爐底漏煤氣，通常會(huì)采取爐體灌漿的方法以堵塞漏煤氣通道，以灌漿方法填充碳素?fù)v打料組織內(nèi)部的空隙，在實(shí)施爐體灌漿時(shí)甚至?xí)吹侥酀{能夠從爐底漏出，這一點(diǎn)就能夠證明爐底漏煤氣的通道是存在的，也能夠證明上述爐底結(jié)構(gòu)其密封性是較差的。

2.2  “柔性爐底結(jié)構(gòu)”以及爐底板在最下面的爐底結(jié)構(gòu)

所謂“柔性爐底結(jié)構(gòu)”是指在爐底的“冷卻管”上或“冷卻管”下設(shè)置了“爐底板”，并且該“爐底板”與爐殼之間采取的是“柔性連接”方式；常見(jiàn)“柔性連接”方式是將1/4圓管焊在爐殼與爐底板之間的連接處（見(jiàn)圖2，圖2是比較典型的有爐底板的“柔性爐底結(jié)構(gòu)”的示意圖），從圖2中可以看出，1/4的圓管以弧面的形式下面與爐底板焊接側(cè)面與爐殼焊接，以1/4圓管的弧面作為“柔性材料”吸收爐殼與爐底板之間的膨脹或收縮，并且作為爐底的密封部件；濟(jì)鋼350m3高爐和1750m3高爐以及3200m3高爐均是采用這種結(jié)構(gòu)，只是350m3高爐和1750m3高爐爐底板設(shè)置在爐底冷卻管（350m3高爐爐底是風(fēng)冷，1750m3和3200m3高爐爐底是水冷）的下面，而3200m3高爐則設(shè)置在爐底冷卻管的上面，但均屬于“柔性爐底結(jié)構(gòu)”。另一種爐底結(jié)構(gòu)是將爐底板布置在最下面（見(jiàn)圖3）。

有關(guān)資料顯示，無(wú)論是無(wú)爐底板的還是爐底板在冷卻管上、下的或是爐底板在最下面的，均有“爐體上漲”、“爐底板上翹”問(wèn)題發(fā)生的案例；所謂的“爐體上漲”“爐底板上翹”，實(shí)際上都是因?yàn)闋t內(nèi)受壓后“爐殼上升”所引起的，也就是由于“爐殼上升”把爐底板的邊沿（圓周上）或是無(wú)爐底板的“環(huán)形板圈”拉的向上翻轉(zhuǎn)變形（見(jiàn)圖4，圖4所顯示的是“爐體上漲”“爐底板上翹”的外觀情況示意圖）；筆者認(rèn)為產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因，除爐底板選用的材料“較薄”外，主要還是結(jié)構(gòu)問(wèn)題；以爐底板在最下面的為例，其爐殼與爐底板的縱剖面顯示是“直角形”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一般情況是承受不了多少壓力的，而且這種結(jié)構(gòu)也是壓力容器設(shè)計(jì)所不允許采用的。

造成“爐體上漲”、“爐底板上翹”除上述原因外，應(yīng)該還與“爐內(nèi)耐火材料砌體膨脹”有關(guān)，造成“爐內(nèi)耐火材料砌體膨脹”的原因雖然很多，但業(yè)內(nèi)比較認(rèn)同的主要是“鉛、鋅”等有害元素的侵入，當(dāng)“鉛、鋅”等有害元素侵入到耐火材料縫隙或滲透到其內(nèi)部后，耐火材料砌體會(huì)發(fā)生膨脹，當(dāng)該膨脹向上時(shí)會(huì)遇到高爐風(fēng)口大套和爐殼直徑收縮的阻擋，從而使“爐體上漲”的作用力轉(zhuǎn)而推向爐底，其外觀顯示是“爐體上漲”、“爐底板上翹”；另外，還有可能會(huì)存在上述兩個(gè)原因相互疊加的可能，即當(dāng)爐內(nèi)充壓后，如果爐底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，會(huì)導(dǎo)致一定程度的“爐體上漲”、“爐底板上翹”，同時(shí)會(huì)將耐火材料縫隙拉大，當(dāng)縫隙拉大后“鉛、鋅”等有害元素就更容易侵入，最終導(dǎo)致“爐體上漲”、“爐底板上翹”現(xiàn)象加??；總之，筆者認(rèn)為，凡是發(fā)生“爐體上漲”、“爐底板上翹”的高爐，其關(guān)鍵問(wèn)題均是爐底結(jié)構(gòu)耐壓等級(jí)不夠，或者是爐殼與爐底板的結(jié)合強(qiáng)度不夠，如果解決好爐底耐壓?jiǎn)栴}無(wú)論爐內(nèi)怎樣膨脹，均不會(huì)發(fā)生“爐體上漲”、“爐底板上翹”、“爐底漏煤氣”問(wèn)題。

2.3  現(xiàn)有解決方案及仍然存在的問(wèn)題

由于爐底結(jié)構(gòu)耐壓程度不夠致使許多廠家的高爐發(fā)生了“爐體上漲”、“爐底板上翹”和“爐底漏煤氣”問(wèn)題，凡是出現(xiàn)上述問(wèn)題的廠家都在積極地尋求治理和解決方案，其中一些廠家采用了“雙層爐底板”結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），并且已經(jīng)在幾座高爐上推廣應(yīng)用，由于采用該結(jié)構(gòu)的高爐投產(chǎn)年限較短，其效果還有待于跟蹤觀察；但是通過(guò)圖5不難看出，該爐底結(jié)構(gòu)僅僅是增加了一道密封而已，并沒(méi)有爐底耐壓方面的實(shí)質(zhì)性突破，其耐壓能力將不會(huì)提高多少。

從上述爐底結(jié)構(gòu)的整個(gè)情況來(lái)看，包括上下兩層爐底板和兩層爐底板之間的耐熱混凝土實(shí)際上可以看做是一個(gè)“活塞”，當(dāng)爐內(nèi)充入壓力后就會(huì)對(duì)“活塞”產(chǎn)生向下的“推力”，當(dāng)“推力”大于“爐殼以及附加在爐殼上的其他設(shè)備的重量”后，其“推力”就會(huì)“轉(zhuǎn)為”向下的作用力，最終將作用到最下面的爐底板與爐殼圓周的焊縫上，如果焊縫不是足夠的強(qiáng)，如果爐底板不是足夠的“厚”，其爐底板圓周與爐殼的焊縫之間就有可能被拉開(kāi)而漏煤氣，或是爐底板的圓周被拉的上翹；總之，筆者認(rèn)為該爐底結(jié)構(gòu)仍然不是真正的耐壓結(jié)構(gòu)，因此不可能具有持久的可靠性。

3  真正的爐底耐壓結(jié)構(gòu)及“剛性爐底結(jié)構(gòu)”

3.1  真正的耐壓結(jié)構(gòu)為什么沒(méi)有在高爐上得到推廣應(yīng)用

按照壓力容器來(lái)講，球形容器耐壓等級(jí)最高，其次是“管狀”并且兩端采用半球形封頭的容器，再就是“管狀”并且兩端采用二分之一扁圓球面封頭的容器，如油罐車的罐體；高爐爐體應(yīng)該屬于一種“管狀”容器，并且其爐內(nèi)壓力會(huì)隨著爐容的增大而加大，特別是高爐內(nèi)部是充滿煤氣的，其安全等級(jí)完全應(yīng)該按照壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按此，高爐爐底本應(yīng)采用半球形或者二分之一扁圓球面封頭，但由于半球形或者二分之一扁圓球面封頭本身制造難度極大，并且其制造難度還會(huì)隨著爐容（主要是直徑）的擴(kuò)大而進(jìn)一步加大，特別是作為壓力容器的封頭時(shí)，甚至還需要進(jìn)行熱處理后才能使用，這對(duì)于大直徑的高爐爐底來(lái)講幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的；除此之外高爐爐底還要承載幾百噸鐵水以及數(shù)千噸爐料，其使用環(huán)境又完全有別于一般的壓力容器，這可能是高爐爐底無(wú)法采用一般壓力容器常用的半球形或者二分之一扁圓球面封頭的主要原因，因此，從現(xiàn)有資料中只查到上世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)的捷爾任斯基工廠的高爐采用過(guò)半球形或者接近半球形爐底結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）外，至今未再見(jiàn)到有關(guān)這方面嘗試的報(bào)道。

3.2  “剛性爐底結(jié)構(gòu)”

由于“半球形或者二分之一扁圓球面封頭”形狀的高爐爐底難以推廣應(yīng)用，現(xiàn)有高爐的爐底結(jié)構(gòu)耐壓程度又不夠，于是筆者提出了“剛性爐底結(jié)構(gòu)”概念。

提出“剛性爐底結(jié)構(gòu)”的目的就是要將高爐爐底打造成：具有一定“剛度的”、“耐壓能力強(qiáng)的”、“抗拉的”、“不漏煤氣的”、“免維護(hù)的”。該“剛性爐底結(jié)構(gòu)”是以爐底板在最下面的布置形式為基礎(chǔ)的，在爐底板上焊接若干“條形肋板”，并將“條形肋板”所對(duì)應(yīng)的爐殼部位“切口”， 將“條形肋板”的所對(duì)應(yīng)部位嵌入到爐殼“切口”中焊接牢固；圖7展示了其安裝方法，圖中：1是爐殼、9是“爐殼切口”、11是“條形肋板”、10是爐底板、7是混凝土基礎(chǔ)、12是“環(huán)形肋板”、↓的箭頭表示爐殼向下安裝并將“條形肋板”所對(duì)應(yīng)的部位嵌入到“爐殼切口”中；圖8是放射狀“條形肋板”與“環(huán)形肋板”在爐底板上組合布置的示意圖，這是第一種剛性爐底結(jié)構(gòu)；第二種剛性爐底結(jié)構(gòu)是全部采用“條形肋板”并且全部按照放射狀安裝布置，其交點(diǎn)直接在爐底板的中心（附圖省略，可參考圖8）；為了焊接方便可在中心相交處適當(dāng)錯(cuò)位或是放置一個(gè)鋼棒，以保證焊接牢固。第三種剛性爐底結(jié)構(gòu)是，全部采用“條形肋板”并且全部平行布置（附圖省略）；第四種剛性爐底結(jié)構(gòu)是，在爐底板上同時(shí)縱、橫焊接“條形肋板”，使之形成“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”，“條形肋板”可以采取在相交處切口，然后通過(guò)相互扣合的方法安裝焊接，也可以先逐個(gè)焊接某一方向的“條形肋板”，然后將另一個(gè)方向的“條形肋板”按照網(wǎng)格尺寸切割成小塊再進(jìn)行焊接（附圖省略）；第五種剛性爐底結(jié)構(gòu)是，先在爐底板上焊好放射狀肋板或放射狀肋板和環(huán)形肋板的組合或全條形肋板或由條形肋板組合的“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，然后將爐底板包括“肋板”一起反過(guò)來(lái)，將“肋板”一面置于混凝土基礎(chǔ)上，形成“肋板”在下面的耐壓爐底結(jié)構(gòu)，然后在高爐爐殼周圍焊接“加強(qiáng)角”使之與爐底板牢固結(jié)合（見(jiàn)圖9，圖9中17 是“加強(qiáng)角”）。

4  結(jié)語(yǔ)

上面所述的剛性爐底結(jié)構(gòu)，就是利用“肋板”或“加強(qiáng)角”與爐殼交錯(cuò)焊接所形成的巨大的結(jié)合強(qiáng)度拉住爐殼使之不能上漲，利用“肋板”和爐底板大面積接觸焊接，使“肋板”的支撐力得到充分發(fā)揮，使?fàn)t底板不產(chǎn)生“翹起或者其它變形”，只要將“肋板”寬度、厚度計(jì)算準(zhǔn)確、選擇合適、焊接牢固，只要將“肋板”的布置密度選擇準(zhǔn)確，完全能夠滿足高爐爐底耐壓、密封的要求，并且該方法制造難度低、制造成本低、易于實(shí)施；而且該剛性爐底結(jié)構(gòu)，其肋板與肋板之間仍然能夠通過(guò)澆筑耐熱混凝土的方法進(jìn)行上表面找平（即按照設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行找平），仍然可以在找平層上面安裝水冷管或者風(fēng)冷管，甚至必要時(shí)仍然可以再安裝一層爐底板，其向上仍然可以按照常規(guī)方法砌筑耐火材料。總之，高爐采用上述剛性爐底結(jié)構(gòu)不會(huì)增加多少建設(shè)成本和建設(shè)時(shí)間，但其日后的爐底維護(hù)費(fèi)用將會(huì)大幅度節(jié)約，非常有利于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。