顶燃式热风炉刚性炉底上翘原因分析及改进

顶燃式热风炉刚性炉底上翘原因分析及改进
摘要：介绍了带预燃烧室的顶燃式热风炉钢性炉底的结构；建立力学模型分析了钢性炉底上翘的原因；提出了炉底结构的改进方案。

关键词：带预燃烧室的顶燃式热风炉；辐射梁；刚性炉底；
引言
山东省冶金设计院股份有限公司研究开发并有自主知识产权的带预燃室的顶燃式热风炉除莱钢从2001年起全部采用外，天钢3200m3高炉、安阳3200m3高炉、通钢2600m3高炉、济钢1750m3高炉、杭钢1260m3高炉、南钢1250m3高炉、首秦1260m3高炉、山东石横1080m3高炉、凌钢750m3高炉、济源450m3高炉、重钢2500m3高炉、吉林建龙1800m3高炉等均采用了带预燃室的顶燃式热风炉。

其中1000m3及以下级别高炉在2006年以前均采用了带辐射梁的刚性炉底，这种炉底结构简单，刚性足，自稳定性好。

但是部分热风炉在使用几年甚至刚建成后炉底就出现了上翘的现象，虽然这一问题对热风炉的正常操作不会有很大影响，但热风炉自身稳定性及抗震性将受到削弱，必须加以改进。

1引起顶燃式热风炉炉底上翘的原因
顶燃式热风炉炉底上翘的原因是多方面的，归纳起来有三个方面。

1）制造误差。

顶燃式热风炉炉底结构较为复杂，特别是中间H型钢焊接时和容易产生变形，使得热风炉还没有投入运行炉底就已经产生了部分上翘。

对于热风炉这种大直径设备来说完全避免是不可能的。

2）热风炉炉内压力及静载荷引起的弯曲变形。

热风炉正常工作气体压力为0.3~0.45MPa，内部气体压力对热风炉炉底产生均布载荷。

热风炉壳体、炉箅子、铁块等自重约1400t，通过炉柱子对炉底形成集中载荷。

这两种载荷叠加作用会对炉底梁产生弯曲挠度，这就会使炉底产生上翘。

3）温度效应产生变形。

由于炉壳和炉底结构保温形式和所处坏境不同，在炉底部分炉壳温度和炉底结构的温度相差较大，所以在经向上二者膨胀量有较大不同，二者协调结果而产生炉底上翘。

制造误差引起的的炉底上翘因其随机性暂不作讨论。

要理解后两个因素引起上翘的原因及引起炉底上翘的准确高度就有必要充分了解一下顶燃式热风炉炉底的结构，从而建立起力学模型进而加以分析，这样才能得出正确的结果。

1.1顶燃式热风炉炉底结构
顶燃式热风炉底结构由上顶板、下底板以及炉底梁组成，炉底梁呈辐射型圆周均布，共九根，梁两端分别与炉壳和中间的圆筒焊接。

炉底梁在靠近炉壳处以次梁做加强。

图1为莱钢股份公司1#750m3高炉大修改造工程热风炉的炉底结构。

图中1为热风炉炉柱子，2热风炉炉壳，3为炉底梁，4是土建基础。

从图中可以看出，上顶板、下底板、炉底梁、中间圆筒及炉壳通过焊接共同构成一个刚性的结构，用这种刚性的结构共同承担热风炉的全部载荷。

这些载荷包括预燃室、炉壳、热风炉大墙、拱顶、格子砖、铁块、炉箅子、炉柱子的重量，以及内压力引起的载荷。

其中格子砖、铁块、和炉箅子的重量通过12个炉柱子作用于热风炉炉底。

1.2顶燃式热风炉刚性炉底结构受力模型
热风炉刚性炉底受力分析可从三个方面加以进行，一是炉内气体压力载荷产生的挠度，二是静力载荷产生的挠度，三是温度差引起的协调变形。

根据叠加原理，三个因素共同作用产生的变形就是热风炉炉底上翘高度的理论值。

根据刚性炉底结构及受力情况，可以将受力模型简化为相关载荷作用于九根H型钢上的情形进行分析。

又由于炉柱子基本均匀布置于H型钢上（图1），而且H型钢圆周均布设置于炉底，因此，只要分析其中一根梁的变形就可以了。

1.2.1炉内气体压力对H型钢产生的挠度
热风炉往1000m3高炉送风时炉内气体压力最高为0.45MPa，对炉底作用按均布载荷考虑，其受力模型见图2。

因炉壳径向刚度远小于辐射梁刚度，所以两边约束按简支梁处理。

图中q 值按气体压力折算成每米梁上的均布载荷值。

简支梁的最大挠度就是内压力引起的炉底上翘的最大高度h1。

均布载荷引起的挠度计算公式为：
h1=5ql4/(384EI)
1.2.2静力载荷对H型钢产生的挠度
作用于炉底梁上的静力载荷包括预燃室、炉壳、热风炉大墙、格子砖、铁块、炉箅子的重量。

这些载荷是通过炉柱子作用于炉底梁上，对于梁的变形作用为集中载荷，其受力模型见图3。

假设热风炉炉底没有上翘，那么图中载荷P1和P2将被基础抵消，而基础上翘之后，静载荷的作用就是抵消部分上翘高度，因此其受力模型可以简化为受中间约束的简支梁。

图3中载荷P1为预燃室、炉壳、热风炉大墙、拱顶重量通过炉壳作用于炉底梁端部的载荷，P2和P3为格子砖、铁块、炉箅子、炉柱子的重量通过炉柱子作用于梁上的载荷。

集中载荷引起的扰度计算公式为：
h2=Pa2(3l-a)/(6EI)
1.2.3热膨胀变形协调关系引起的炉底上翘高度
热风炉炉壳内表面有喷涂层和耐火砖砌筑的大墙，外表面则裸露于空气中，炉壳温度在底部约80℃。

炉底结构上部只砌筑有一层硬质砖，内部浇注混凝土，下接热风炉基础，环境封闭，炉底梁温度约200℃。

因此二者在热风炉底部径向上热膨胀不一致，根据相容原理，炉底必然要上翘以协调二者的伸长不一致。

其原理模型见图4。

图中OA为热风炉炉底结构热膨胀后的长度，OA′为热风炉炉壳热膨胀后的长度，点A′的位置即为温度效应引起的炉底上翘后的位置。

因此A′B的长度就是炉底上翘高度h3。

热膨胀变形协调关系引起的炉底上翘高度其计算可以根据几何关系及热膨胀原理方便算出。

1.2.4热风炉炉底上翘高度
计算以上热风炉炉底结构受力模型可以得出炉底结构上翘的高度。

热风炉载荷见表1，根据载荷及热风炉尺寸参数计算出的热风炉内压力、静载荷以及温度效应引起的变形量见表2。

表1. 热风炉载荷
表2. 热风炉刚性炉底变形量
表中h1为气体压力对炉底结构产生的挠度，h2为静力载荷对炉底结构产生的挠度，h3为温度效应对炉底结构产生的上翘高度。

炉底结构上翘的高度
H = h1 - h2 + h3=31mm
图1为使用中的带预燃室顶燃式热风炉炉底上翘的实例照片。

从照片中可以看到炉底上翘的高度和计算结果接近。

2热风炉陆地结构改进
鉴于具有刚性炉底的热风炉均有不同程度的上翘现象，2006年开始山东省冶金设计院股份有限公司相继以一种柔性炉底结构替代了这种刚性炉底结构，图6是通化钢铁公司7#高炉热风炉炉底结构图，从图中可以看出预燃室、炉壳、拱顶重量载荷不再作用于炉底梁上，而是作用于地脚螺栓座上。

热风炉内压力引起的挠度也被地脚螺栓抵消。

另外，炉底梁与炉壳间的温度差引起的膨胀量不一致因梁末端与炉壳间留有间隙而得到补偿。

炉底梁的作用仅作为格子砖、炉箅子、炉柱子等重量的抗弯梁，这些载荷引起的挠度被基础抵消。

结束语
从2006年开始山东省冶金设计院股份有限公司相继以一种柔性炉底结构替代了这种刚性炉底结构，从几年来的使用情况来看，这种改进是成功的，热风炉再也没有出现过炉底上翘的现象。

回顾从发现问题、分析问题到解决问题这种设计的改进过程，对设计工作而言应该是一次水平的提高和启示。