高爐爐底板邊緣為何上翹?如何應對?

如何搭鼓風爐

近年來，國內一些高爐出現爐底跑煤氣嚴重，有的爐底板上翹等問題，甚至投產不久的爐缸發生燒穿事故，嚴重威脅人身裝置安全。延長高爐爐缸爐底的壽命，對於實現高爐長壽和安全生產尤為重要。

黃髮元 姜曦

目前，國內外許多研究者透過對高爐的解體研究和爐缸爐底模擬計算，分析了高爐爐缸爐底侵蝕機理，但是對於高爐爐底板上翹現象研究的報道很少。下面透過對某廠4000m3高爐爐殼爐底板荷載組合分析計算，初探高爐爐底板上翹的原因和減少爐底板上翹的措施。

高爐爐底板邊緣上翹現象

該4000m3高爐於2007年2月建成投產，到目前已執行10年多，其間裝置執行總體正常。2011年底，高爐爐底板邊緣發生上翹現象。隨後，工作人員對爐底板上翹進行監測，2012年5月初爐底板上翹50mm~110mm，沒有漏煤氣和溫度異常情況；吹氧管從邊緣開口處插入2500mm左右深度，此後監測發現邊緣上翹有發展趨勢，並且在高爐休風時上翹高度會略有下降，復風后又上升，到2015年，邊緣上翹已達180mm左右。

2012年，該高爐對爐底板上翹可能造成的問題進行了普查，發現以下現象：爐底板邊緣上翹情況嚴重，邊緣一圈與基礎脫開，爐身上漲檢測裝置表明爐體向上位移明顯；爐頂匯出管補償器以及風口送風支管補償器變形嚴重，變形量已超出補償器補償範圍；下罐與上方結構梁之間的空間由於高爐爐體向上位移已經變得非常小，影響下罐稱量，需要割梁。各種現象表明，高爐已整體向上位移，爐底板呈鍋底狀。

原因探析

開爐初期，爐底密封板並未發生較大程度的上翹現象，因此，此次爐底密封板較大的上翹不是由於高爐開爐熱膨脹導致。為了探析何種原因導致高爐爐底板上翹，工作人員對高爐的荷載工況和受力進行了分析。

高爐爐殼結構在特殊的工作條件下，與一般壓力容器和鋼結構有所不同，其荷載工況和受力狀況十分複雜。該高爐為自立式框架結構，高爐本體與爐體框架脫開，煤氣上升管、上料罐、熱風圍管等重量由爐體框架承載，透過波紋補償器與高爐本體脫開。

按GB50567-2010，高爐殼體結構上的荷載可分為恆荷載、活荷載、偶然荷載3類。恆荷載包括殼體自重、固定在爐殼上的相關裝置和內襯的重力等，活荷載包括爐頂料重、爐料重、鐵水壓力、氣體壓力、耐火砌材膨脹作用、煤氣上升管膨脹反力、殼體內外溫差時的應力，偶然荷載包括高爐坐料時產生的荷載。

活荷載之爐內氣體壓力對爐底板邊緣的向上提升力Q1k。爐內氣體作用於高爐軸向的力，分為向上和向下一對力，軸向向下的力（爐底板的盲板力）作用於爐底板上，使爐底板緊貼於基墩，無法向下位移；而軸向向上的力作用於爐頂封罩、爐身內壁，使爐殼承受一個豎向向上的提升力，爐殼直徑越大、爐內壓力越大，豎向的提升力越大。

爐內氣體壓力作用的提升力與爐內壓力、爐殼直徑等有關。經分析計算，該4000m3高爐爐內壓力使爐殼上升的縱向力約在5100t~6900t範圍內波動。爐內氣體產生的爐殼所在圓的單位周長上縱向力N1為1。186t/cm，爐內氣體產生的縱向力Q1k為6702t。

活荷載之爐缸側壁耐材膨脹導致的縱向膨脹力F。磚襯膨脹時，一方面透過摩擦力將力傳遞給爐殼側壁，一方面透過上頂風口裝置將力傳遞給爐殼，尤其是當風口下方預留的膨脹縫過小或陶瓷杯採用壓杯的形式時，這種對爐殼的向上膨脹力F更加明顯。

同廠的2500m3高爐，爐體結構、材質與4000m3高爐相同，鹼金屬、鋅等有害元素負荷不低於4000m3高爐，也有中套上翹現象，生產了13年7個月沒有發生爐底板邊緣上翹現象，這不能說明有害元素是爐底板邊緣上翹的主要原因。

活荷載之爐殼受熱後的膨脹應力Q2k。高爐開爐後，爐殼受熱後承受膨脹應力，導致爐底板徑向和爐殼周向膨脹。如果爐底板徑向膨脹量大於爐殼周向膨脹量的1/π倍（周向膨脹量約24mm），則可能造成少量的邊緣上翹，Q2k與ΔD/ΔL正相關。經分析計算，該高爐爐殼周向膨脹量ΔL為23。72mm，爐底板徑向膨脹量ΔD為7。55mm。

恆荷載——爐殼及其附屬物的重力Gk。現代高爐一般為自立式框架結構，爐殼自重及其固定在爐殼上的冷卻壁、鑲磚、內襯耐材、爐喉鋼磚、風口大中小套、下料罐、爐頂裝置等，給爐殼一個向下的重力，它可以抵消一部分使爐殼向上的縱向提升力。該4000m3高爐的這個重力在開爐初期約為6055t；隨著爐役延長，內襯侵蝕和冷卻壁磨損，這個重力逐漸減小，按照目前內襯和冷卻壁等磨損失重20%估算，重力已減小到4430t。

活荷載之爐底板抗形變力QP。經分析計算，彎曲半徑ρ約為27419mm，彈性變形彎矩為9783Nmm，抗形變力QP為22。53t。

綜上所述，爐底板上翹是各種複雜的因素綜合作用的結果。正常生產時，爐殼受到的向上提升力包括爐內氣體壓力產生的向上提升力，爐缸側壁耐材膨脹導致的豎向膨脹力以及爐底板受熱後的膨脹應力等。爐殼上升需要克服的阻力有爐殼以及固定在爐殼上的裝置和耐材的重力、爐底板抗形變力等。因此，最終傳遞給爐底封板邊緣的向上提升力應為荷載效應組合值S=Q1k+F+Q2k-Gk-QP。若S為負值，爐底板不會上翹；S為正值，可能上翹。

經計算，該4000m3高爐開爐時，S最小值為-887t，S最大值為647t；侵蝕後，S最小值為738t，S最大值為2272t。

因此，該高爐爐底板邊緣上翹的主要原因是：隨著高爐大型化、爐襯薄壁化、爐頂壓力的提高，爐內壓力作用於爐頂封罩、爐身等處向上的力，透過爐殼對爐底板邊緣造成上升的力變大；爐襯薄壁化後，作用於爐殼的向下的重力減小，並隨爐役延長，內襯侵蝕、冷卻壁磨損而變小，難以抵消爐內壓力造成的對爐底板邊緣的上提力；而高爐大型化後，爐底板直徑變大，其剛度又不夠，抵抗形變的力不足，從而發生彈性變形和塑性變形而產生邊緣上翹。

上述分析得到了實踐證實，生產中實測到該高爐這個綜合的提升力是存在的。在高爐休風時，這個綜合的提升力隨風壓變化，一般下降600t~700t，並且測得爐殼帶動爐底板邊緣也隨之發生上下位移，休風時爐底板邊緣落下幾毫米，復風時上移回去，每次休復風均如此。

在提升力的持久作用下，爐底板將發生塑性變形，休風時盲板力消失，提升力隨之降低，但降到一定值時停止下降。隨著休風時間延長，由於在爐體重力持續作用下塑性變形的抵抗力變小，所以測得的提升力又開始下降，復風后測得的提升力又上升。但由於塑性變形的抵抗力存在，提升力不會立即回到原水平，而是慢慢上升到原水平。

處理措施

基於以上原因分析的結果，降低爐內壓力、增加作用於爐殼上的重力、增加爐底板剛度等，會對爐底板邊緣上翹產生有效的抑制作用。處理措施既要儘可能多地抵消上漲力，又要防止爐底板頻繁上下位移，導致爐底板疲勞和內襯損壞。該高爐採取瞭如下措施：

一是控制爐內壓力，減小上漲力。

該高爐限制爐頂壓力不超過225kPa，透過上下部調劑發展兩道氣流，高爐壓差由180kPa降到170kPa。

二是增加作用於爐殼上的重力，抑制爐底板繼續上翹。

如果在爐殼的某高度位置上增加一週配重，可以起到抑制上漲力的作用，但空間有限，且可能對爐殼造成損傷。該高爐在高爐基礎上沿爐底封板一週（R9450~R9490處），採用化學植筋的方式埋100多個M36~M42的螺栓，透過壓板扣住爐底板邊緣，利用螺栓抗拔力來平衡爐殼上漲力，從而抑制爐底板上翹；在壓板下裝少數測壓壓頭，檢測上漲力變化。一週錨栓可以抵抗爐殼的上漲力1700t~2200t。這種結構基本不影響爐底板、爐殼溫變熱應力的釋放。

三是增加爐底板剛度。

如果將爐底邊緣環板與其下方的HM250×175型鋼結構焊接起來，相當於給厚度25mm的爐底板增加了加強筋，由平蓋盲板變成正交加筋盲板，剛度大大增加，可有效抑制上翹。但由於該爐爐底板上翹後，爐底溫度傳不到H型鋼，長久裸露在陰溼大氣中的H型鋼上翼緣已被嚴重腐蝕，與輻板脫開，此方案未能實現。

四是防止爐底板回落。

爐底板邊緣已懸空，上下動態位移，不僅不利於傳熱，而且容易造成爐內耐材損壞和爐底板疲勞失效。為此，在高爐基礎與上翹爐底板之間空隙內，利用導熱性好、流動性好的澆注料填實，既防止爐底板回落，又將爐底板的熱量傳導給爐底板下的爐底水冷管。

採取上述措施處理後，爐底板上翹趨勢及上下位移得到抑制，已一年多時間，爐底板仍基本緊貼下面澆注料，爐底傳熱也得到改善，爐底板下2根一串的水冷管水溫差上升0。1℃左右，爐底板下溫度基本在50℃~60℃。但由於空間受限，埋設的螺栓直徑稍小，加上動載變化，豎向上提力不均，區域性有螺栓被拉斷現象，該高爐採取了及時補螺栓等措施處理。

問題探討

目前，國內高爐爐底出現跑煤氣現象並不罕見，爐底板上翹也陸續出現，爐底板有時被稱為“煤氣封板”，值得商榷。筆者認為，高爐爐底板不光起密封煤氣作用，還作為高爐這個特大型壓力容器的重要組成部分，承載爐內氣體壓力等，發揮巨大盲板力作用。因此，現代高爐爐底板結構設計需要按壓力容器結構改進，並在標準中加以明確規範。

國內比較多見的高爐爐底板結構大致歸納為3類：

第一類

是吸收上世紀70年代前蘇聯技術發展起來的高爐爐底煤氣封板結構，當時高爐容積小、爐襯厚、爐頂壓力低（有的為常壓）。隨著高爐大型化、爐襯薄壁化、爐頂壓力的提高，這類爐底結構雖然進行了較大改進，但爐底跑煤氣、爐體上漲現象等問題逐漸顯現。

第二類

是上世紀80年代吸收日本技術發展起來的高爐爐底板結構，由於理解和核算問題，在薄壁化、更高爐頂壓力下，爐底板上翹等問題逐漸出現。

第三類

是在爐底板下或爐底板上採用了加強結構，如將爐底水冷管安裝在爐底板上方一定高度的位置，在爐底板到水冷管之間澆注較厚的鋼筋耐熱混凝土，增加了爐底板的剛度，甚至再在水冷管上加一層煤氣封板，封板邊緣與爐殼間採用彈性連線。還有的將爐底環板與下方的型鋼連線，形成了類似加筋盲板的結構，亦增加了爐底板的剛度，或在基墩預埋螺栓固定，均抑制了爐底板上翹。

第一類爐底板結構已不適合現代高爐，第二、三類若設計合理是可以滿足需要的。高爐設計時除了陶瓷杯預留足夠的膨脹縫外，隨著高爐大型化、爐襯薄壁化、爐內壓力的提高，爐內氣體壓力對爐底板的盲板力要引起足夠重視，要認真核算爐體侵蝕後的荷載效應組合值，充分考慮爐殼豎向提升力的因素，採取合理的設計方案，有效防止生產中爐底板上翹。如果限制爐頂壓力，不利於冶煉強化，增厚爐襯壁也不經濟，增加爐底板剛度相對經濟合理。

採取第二類結構時，建議在爐底環板與爐缸段T形連線處加焊站筋，以克服該處的較大應力，即要對GB50567-2010的7。2。6條進行修改。另外，爐底板與水冷樑上翼櫞採用圓形塞焊孔連線，除了要做到塞焊孔直徑為底板厚度的3倍，填焊高度為板厚的1/2，且不應小於16mm外，向爐底板下壓力灌漿時要掌握好灌漿壓力，以免灌漿時塞焊脫開，投產後漏煤氣。

當然，除第二類結構外，在爐底板上面加焊站筋或澆注鋼筋混凝土也能起到增加爐底板剛度的效果。或者採用類似於熱風爐的壓力容器弧線連線結構，亦可有效抑制爐底板上翹。為了克服爐底板上翹，造成地腳螺栓被拔起的問題，以及防上由於底板變形引起漏煤氣，可以在基礎設計中改進地腳螺栓的固定方式，在下部設定加固的鋼圈，地腳螺栓伸長到基礎鋼圈上面，直接與爐殼鋼圈相連線。

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