馬鋼4000m3高爐爐缸應力探索

安吉南

1.高爐爐底板上翹現狀及抑制措施

1.1 高爐爐缸現狀

國內外典型高爐爐缸結構是冷卻壁-搗打料-碳磚陶瓷杯結構，這種傳熱結構最大的不確定因素在于搗打料層。高爐由休風到生產的過程中，有檢測數據表明爐殼被施加了一個70MPa的環向應力。另外查文獻得知[1]，對搗實的國內碳素搗打料施加50MPa的作用力，搗打料會發生3%-8%的變形量。高爐生產與休風的交替和爐缸熱應力的變化，會導致搗打料層發生變形量，變形的結果會導致產生氣隙。有文獻顯示[3]，根據高爐爐缸氣體成分測算的氣體導熱系數是0.042W/m.k，相當于碳磚導熱系數的1/300，會嚴重影響碳磚的熱量向冷卻壁傳導，這是爐缸碳磚侵蝕的重要原因。

以下計算的基礎數據經過反復確認，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，數據準確度較高，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，但由于水溫差監控設備問題，只從碳磚傳熱角度計算[2]。

上式中：q為熱流強度；λ為導熱系數；Δt為內外圈電偶溫差；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域，集中在2TH和北側區域。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域，集中在1TH與4TH之間區域（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

從以上爐缸現狀的數據分析來看，A高爐爐缸周向溫度極差大，部分區域熱流強度高，需要重點關注。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年投產后三年多發現爐底板上翹，爐底板四周翹起與基礎之間距離高達200mm左右，引起公司上下高度關注。兩座高爐爐底板上翹，導致整個爐殼上漲，影響了高爐設備的安全，特別是高爐冷卻水管的安全性。

由于爐底水冷管對作業的限制，采取“見縫插針”的辦法，沿爐底封板一周在高爐基礎上采用化學植筋的方式預埋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梁位置設置輔助壓緊裝置，從38根爐底H型鋼梁(HM250×170）兩端設置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測裝置的安裝調試；同步建立在線監控系統。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 爐底板應力監控系統

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

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

1.3 爐底板應力原因分析

1.3.1 兩高爐爐底板螺栓受力分析

圖1 兩高爐爐底板應力趨勢

從兩高爐爐底板螺栓斷裂情況看，均出現在爐底板應力2000噸左右。A高爐主要斷裂方位在2TH及兩側，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構存在差異，受力情況存在差異。

化學植筋的螺栓并未發現斷裂，這主要原因一方面是化學植筋的螺栓截面積較大，抗拉能力較強，而且由于化學植筋的壓板較長，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植筋的螺栓進行標定，應力有一定的釋放（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，會逐步出現斷裂現象，這與爐底板壓頭監控的數據基本吻合。M42的螺栓達到33噸時，會逐步出現斷裂。

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 爐底板應力與爐缸溫度關系

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

圖2 爐缸溫度分布

2.結論

（1）兩座高爐L型壓板斷裂均出現在應力總量達到2000噸水平時期，對應各壓頭值達到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植筋的螺栓。

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

（3）兩高爐正常生產時，爐底板應力變化主要受爐缸周向熱應力變化影響，目前跟蹤的爐缸數據顯示5-6層、7-8層和13-14層溫度變化與爐底板應力趨勢相關性很高。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，這進一步證明爐缸熱應力的影響程度。