焦爐抵抗墻設(shè)計的依據(jù)
蘇 瑞 王樂平（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，鞍山114002)
抵抗墻是確保焦爐爐體能夠長期正常生產(chǎn)的關(guān)鍵構(gòu)筑物之一，對于在抵抗墻設(shè)計中沿用的主要數(shù)據(jù)，如溫度分布、荷載、柱頂位移等一直存在著諸多疑問和與實際生產(chǎn)有矛盾之處。為此，我公司在上世紀60年代以來，歷經(jīng)10余年，對數(shù)座焦爐的基礎(chǔ)從烘爐開始直至正常生產(chǎn)，進行了系統(tǒng)的觀測，取得了完整的數(shù)據(jù)，并成功地應(yīng)用在焦爐設(shè)計中。本文將上述成果及改進設(shè)計方案介紹于后。
1 焦爐爐體構(gòu)造概述
以JN43型焦爐為例，爐體自上而下按其功能可分為：
1) 爐頂區(qū)。主要作用是按生產(chǎn)管理要求從看火孔觀測燃燒室爐溫，在裝煤孔向炭化室裝煤，從上升管排出荒煤氣以及裝有各種設(shè)備。
2) 燃燒室、炭化室區(qū)。燃燒室位于炭化室兩側(cè)，通過燃燒室與炭化室之間的爐墻將高溫傳導(dǎo)于煤餅，使之干餾生成焦炭。
3) 斜道區(qū)。位于焦爐中部，是連接燃燒室與蓄熱室之間的重要通道。在斜道區(qū)內(nèi)留有斜向孔道，它將燃燒后的高溫廢氣送入蓄熱室，吸收了廢熱的蓄熱室將空氣預(yù)熱后送至燃燒室。
4) 蓄熱室。位于斜道區(qū)的下部，在蓄熱室內(nèi)安放有大量薄壁格子磚，當燃燒室排送廢氣時（廢氣從上向下排放，稱為下降氣流），將近1000℃的余熱被格子磚吸收后進入蓄熱室底部的小煙道。冷空氣從小煙道經(jīng)蓄熱室送至燃燒室的過程中，冷空氣自下而上的運行（稱上升氣流）過程中，被格子磚吸收熱量預(yù)熱升溫，再經(jīng)斜道進入燃燒室與煤氣匯合燃燒，以充分利用熱能。
5) 小煙道區(qū)。在蓄熱室的下端，位于爐體的最底部，是名副其實的煙道，直通爐體外部，與廢氣開閉器相連接。隨著廢氣開閉器的操作，或向小煙道內(nèi)輸送冷空氣，或向分煙道排送廢氣。
2 抵抗墻的結(jié)構(gòu)布置與功能
我國設(shè)計的抵抗墻結(jié)構(gòu)，主要采用構(gòu)架墻板式，其特點是結(jié)構(gòu)簡潔，功能明確，經(jīng)濟實用。結(jié)構(gòu)由梁、柱和墻板組成，在爐體的頂部、斜道和小煙道3個部位各布置有水平梁。柱的布置則與基礎(chǔ)構(gòu)架柱的位置相對應(yīng)，以便于操作人員通行和安裝、檢修設(shè)備。墻板布置在緊靠爐體一側(cè)，其上部與爐頂水平橫梁相連，下部與小煙道水平梁相連，在機側(cè)與焦側(cè)（左、右側(cè)）則與爐體邊緣相適應(yīng)。具體尺寸由工藝確定，總體尺寸要考慮爐體烘爐熱膨脹后的要求。由于焦爐自身的特征，需通過各種措施約束焦爐爐體從烘爐至正常投產(chǎn)期間按照設(shè)計要求進行熱變形，因此對抵抗墻結(jié)構(gòu)提出了嚴格的要求。
首先，抵抗墻要有足夠的剛度和強度，在一代爐齡期間（一般為25年）不發(fā)生超過規(guī)定的傾斜變形，這也是對抵抗墻和斜道區(qū)水平梁的要求。在工藝設(shè)計中，為確保焦爐整體不發(fā)生超過允許的熱變形，在斜道區(qū)內(nèi)每層磚之間，每隔一定距離設(shè)有膨脹縫。烘爐期間依靠抵抗墻的作用力，克服斜道區(qū)上部荷載（爐體、設(shè)備等）在各膨脹縫滑動面產(chǎn)生的摩擦力，使各預(yù)留的膨脹縫閉合，以確保爐體整體尺寸和各部位的相關(guān)位置基本不變。斜道區(qū)水平梁就是為此而設(shè)置的。
抵抗墻柱是斜道區(qū)水平梁的支點。亦是小煙道區(qū)水平梁的支撐點，柱的高度很高，從焦爐地下室底部直至爐頂，因此，要求有足夠的剛度。柱頂與爐頂區(qū)水平梁相銜接，爐頂水平梁則是抵抗墻柱的支承點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時從構(gòu)造上要考慮此因素。工藝設(shè)計中在爐頂有數(shù)根強大的縱拉條，將焦爐縱向兩端的抵抗墻緊緊地拉住，使之共同工作?？v拉條本應(yīng)是抵抗墻柱的良好支承點，但是由于受到爐頂設(shè)備如看火孔、裝煤孔、上升管和裝煤車軌道的限制，縱拉條不能設(shè)在對應(yīng)抵抗墻柱的位置上，只能分別固定在爐頂區(qū)水平梁上，因此爐頂區(qū)水平梁就成為柱的支承點。
抵抗墻的內(nèi)側(cè)與爐體相接觸，工藝對墻面平直度要求很嚴格，其目的是在烘爐期間作為滑動面使爐體順利膨脹。因此，在抵抗墻的表面需設(shè)有3cm厚的找平層，以調(diào)節(jié)施工誤差，保證墻面的平直度，同時對混凝土墻面在高溫作用下起到保護作用。
3 溫度、荷載、柱頂位移
3.1 溫度
在1978～1980年，系統(tǒng)地觀測了JN43型(65孔）焦爐抵抗墻，選擇了爐間臺一側(cè)靠焦側(cè)的半個抵抗墻布置測點，其測溫點布置圖見圖1。
圖1 抵抗墻測溫點布置圖
圖1 中抵抗墻DZ-2柱內(nèi)表面的升溫曲線見圖2；DB-2板內(nèi)的表面溫度分布曲線見圖3 ; DZ-1柱的內(nèi)表面溫度分布曲線見圖4；DB-1板的內(nèi)表面溫度分布見圖5 ; DZ-2柱的內(nèi)表面溫度分布曲線見圖6。從上述觀測結(jié)果可以歸納以下幾點。
（1）升溫緩慢。從圖2可見，抵抗墻內(nèi)表面的升溫過程與焦爐基礎(chǔ)頂板不同?；A(chǔ)頂板在正常加熱前溫度已達到最高值，改為正常加熱之后溫度隨即下降并逐漸趨于穩(wěn)定。而抵抗墻則不然，烘爐開始后即逐漸緩慢升溫，正常加熱之后直至焦爐出焦仍在繼續(xù)升溫，到焦爐生產(chǎn)調(diào)整達到正常出焦時間（17.5h)后，抵抗墻內(nèi)表面各部位的溫度才逐步趨于穩(wěn)定，其溫度值遠高于基礎(chǔ)頂板。原因之一是焦爐的烘爐升溫是嚴格按計劃進行的，初期升溫很慢，以保證硅磚平穩(wěn)渡過幾個晶體轉(zhuǎn)化點，以控制住爐體的膨脹變形。其二是焦爐端部的燃燒室、蓄熱室與抵抗墻之間砌有較厚的實體爐端墻，在砌體材料不僅具有導(dǎo)熱性能（導(dǎo)熱系數(shù)），還具有儲熱性能（導(dǎo)溫系數(shù)），因此，抵抗墻的升溫過程與熱作用的時間有關(guān)。從第一次出焦調(diào)整到正常結(jié)焦時間（約1個月），抵抗墻逐漸達到熱平衡狀態(tài)，此時抵抗墻內(nèi)表面方能達到最高溫度值。
圖2 抵抗墻DZ-2柱內(nèi)表面的升溫曲線
圖3 DB-2內(nèi)表面溫度分布曲線
圖4 DZ-1內(nèi)表面溫度分布曲線
圖5 DB-1內(nèi)表面溫度分布曲線
圖6 DZ-2內(nèi)表面溫度分布曲線
（2）抵抗墻內(nèi)表面溫度。從圖2的各部位的升溫曲線可看出，斜道區(qū)的溫度遠高于其他部位，從柱和板的內(nèi)表面溫度分布曲線（圖3～6)更明顯地展示出斜道區(qū)溫度最高，這主要是爐體構(gòu)造決定的。如在端燃燒室與抵抗墻之間有較厚的爐端墻，其內(nèi)部除有一部分硅磚砌體外，在燃燒室高度范圍內(nèi)還留有約50mm寬的貫通機側(cè)和焦側(cè)的空氣隔熱層。此外，還砌有紅磚和硅藻土磚作為隔熱層，在端蓄熱室和抵抗墻之間也砌有隔熱層。在斜道區(qū)范圍內(nèi)，爐體硅磚直接砌筑至抵抗墻的內(nèi)表面，且沒有隔熱層，因為硅磚的導(dǎo)熱系數(shù)遠高于其他隔熱材料，因此斜道區(qū)溫度最高。從升溫曲線可見，斜道區(qū)中部最高溫度達575℃。至于爐頂區(qū)，為了防止大面積散失熱量和改善爐頂?shù)牟僮鳁l件，除了在裝煤孔、看火孔和上升管等部位局部采用硅磚以外，其余大量采用耐火粘土磚和紅磚，只在爐頂表面砌筑一層缸磚。近年來已將紅磚和硅藻土磚改為隔熱性能更好的漂珠磚。
加熱煤氣種類變更不會對抵抗墻內(nèi)表面溫度帶來升降變化，季節(jié)變化對其影響也很小，實地觀測結(jié)果見表1和表2。
表1 焦爐煤氣改高爐煤氣加熱溫度變化（℃）
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時 間 |
DZ－1 |
DB－1 |
DZ－2 |
DB－2 |
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19790406（高爐煤氣加熱） |
409 |
451 |
522 |
612 |
|
19800627（焦爐煤氣加熱） |
401 |
460 |
521 |
611 |
表2 季節(jié)變化對抵抗墻溫度的影響（℃）
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時 間 |
斜道區(qū) |
蓄熱室 |
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DZ－1 |
DB－1 |
DZ－2 |
DB－2 |
DZ－1 |
DB－1 |
DZ－2 |
DB－2 |
|
19790406 |
451 |
505 |
575 |
574 |
160 |
285 |
325 |
260 |
|
19800724 |
479 |
|
589 |
577 |
162 |
312 |
322 |
256 |
根據(jù)上述觀測結(jié)果，以前沿用的抵抗墻內(nèi)表面溫度采用均勻分布150℃是不符合實際的。20世紀80年代初的一項引進設(shè)計中，6m炭化室抵抗墻采用板式結(jié)構(gòu)。在進行技術(shù)設(shè)計審查時，我方曾指出抵抗墻的溫度取值——內(nèi)表面溫度為均勻分布150℃不符合實際，斜道區(qū)應(yīng)高于其他部位，但未引起對方重視。投產(chǎn)后廠方發(fā)現(xiàn)抵抗墻板產(chǎn)生數(shù)條自上而下的豎向嚴重裂縫，板頂部裂縫寬度分別達3～7mm，裂縫長達4～5m。在該項目的二期工程時，我們按實際溫度曲線進行了設(shè)計，有效地消除了裂縫，墻板完整無損。在烘爐、生產(chǎn)過程中，對抵抗墻內(nèi)表面溫度進行了系統(tǒng)地觀測，結(jié)果表明，抵抗墻各部位溫度值及分布規(guī)律與上述一致。
3.2 荷載
抵抗墻承受的荷載主要來自斜道區(qū)爐體的膨脹推力，因為斜道區(qū)構(gòu)造與炭化室、蓄熱室不同，炭化室本身是空的，生產(chǎn)時用來裝煤料，相鄰燃燒室也是一排空的立火道，供熱氣流運行。蓄熱室本身是用來擺放格子磚的，其墻體與格子磚之間留有空隙，所以在烘爐加熱時對硅磚雖有膨脹量，但都被周圍的空隙所吸收，所以對抵抗墻不產(chǎn)生推力。
斜道區(qū)則為實體結(jié)構(gòu)，為防止爐體產(chǎn)生大量熱變形以及保持炭化室、燃燒室與蓄熱室相對位置不發(fā)生變化，因此在斜道區(qū)內(nèi)每隔一定距離，每層磚內(nèi)都留有滑動的膨脹縫，膨脹縫的大小是與烘爐完成后砌體的膨脹量相吻合。在斜道區(qū)上部有爐體砌體和設(shè)備重量的壓力，要使各層磚砌體的滑動面發(fā)揮作用，則抵抗墻要對斜道區(qū)產(chǎn)生足夠的反作用力以克服各滑動面產(chǎn)生的摩擦力。斜道區(qū)推力的大小，隨爐型大小而不同。我們曾經(jīng)對兩種爐型進行了實測。實測數(shù)據(jù)證明，實際產(chǎn)生的推力值遠小于過去沿用的推力值，可降低40%（此數(shù)據(jù)值已在設(shè)計中采用）。
爐頂區(qū)位于爐體的最頂層，荷載很輕，而且相當一部分是隔熱砌體，所以爐頂區(qū)對抵抗墻的推力較小，較過去沿用的推力值可降低65%。以上兩項數(shù)據(jù)均已編入《煉焦爐基礎(chǔ)設(shè)計參考資料》中。觀測證明，抵抗墻的墻板區(qū)域過去沿用的均勻分布荷載是不存在的，因而予以否定。
3.3 柱頂位移
焦爐頂部有縱向拉條，將焦爐兩
的抵抗墻拉結(jié)。隨著焦爐烘爐升溫、爐體膨脹和縱拉條的升溫膨脹則使抵抗墻向外傾斜。為保證爐體不產(chǎn)生異常變形，在每根縱拉條的端部都設(shè)有彈簧，隨著焦爐的升溫隨時測量和調(diào)整彈簧的噸位，以控制抵抗墻在規(guī)定的傾斜度內(nèi)。我們曾對兩種爐型的柱頂位移量進行觀測，其結(jié)果與工藝要求基本一致。
4 設(shè)計、構(gòu)造及其他
4.1 抵抗墻結(jié)構(gòu)的改革
抵抗墻過去通用的整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計存在兩個問題：一是墻板易出現(xiàn)斜裂縫，通稱“米”字形裂縫；二是施工困難。由于整體現(xiàn)澆混凝土墻板在結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，造成巨大的偏重，設(shè)計又不允許出現(xiàn)向內(nèi)傾斜，因此施工單位要求改進設(shè)計。
關(guān)于“米”字形裂縫，從上述溫度分布曲線得知，由于斜道區(qū)溫度遠高于相鄰部位，故形成張力，混凝土為脆性材料，抗拉力很薄弱，因此易產(chǎn)生這種裂縫。在避免產(chǎn)生這種裂縫的同時，也為了解決施工墻板內(nèi)側(cè)偏重的問題，故將整體現(xiàn)澆的混凝土墻板，在兩柱之間分割成數(shù)塊預(yù)制墻板，將墻板四角設(shè)埋設(shè)件與柱預(yù)留埋設(shè)件焊接，上下板之間采用坐漿法，使之接觸嚴密，在板的橫向，由于柱截面較寬，在兩塊板之間留有后澆帶，以保證平整。設(shè)計中在墻板內(nèi)表面設(shè)有抹面層，以保證抵抗墻的平直度，同時也是抵抗墻與爐體之間的良好滑動面。由于墻板改為預(yù)制板，構(gòu)造上是簡支結(jié)構(gòu)，不產(chǎn)生溫度應(yīng)力，消除了溫度裂縫，這種方案在80年代的幾項工程中采用，深受施工單位的歡迎。
在抵抗墻的邊柱（靠機、焦側(cè)）外尚有一段現(xiàn)澆墻板（約lm左右），因為這段板端工藝要求埋設(shè)件較多，較復(fù)雜，所以仍保留現(xiàn)澆。
4.2 抵抗墻采用普通混凝土問題
從20世紀50年代中期以來，在鞍山、包頭、武漢、北京、太原、邯鄲、安陽等地建設(shè)了許多大型焦爐，對抵抗墻多采用普通混凝土，到80年代后期這些焦爐已經(jīng)陸續(xù)超過了一代爐齡，需進行翻建大修。經(jīng)過檢查鑒定，抵抗墻結(jié)構(gòu)基本完好，經(jīng)過局部維修仍可繼續(xù)使用。這與測得的高溫值沒有矛盾，其原因如下：
1) 在設(shè)計中已規(guī)定采用礦渣硅酸鹽水泥，這本身就具備良好的抗熱性能，有的建設(shè)單位還采用了抗熱性能較好的骨料。
2) 抵抗墻內(nèi)表面的抹面找平層對混凝土結(jié)構(gòu)起到很好的保護作用，在拆爐過程中可以清楚地看到找平層的作用。
3) 在原冶金建筑科學(xué)研究院主編的《冶金工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土抗熱設(shè)計規(guī)程》(YS12-79）中指出“穩(wěn)定熱源作用下的結(jié)構(gòu)，可按使用經(jīng)驗，將溫度上限200℃適當提高”。前蘇聯(lián)在20世紀60年代出版的《較高溫度作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中對焦爐基礎(chǔ)規(guī)定上限為350℃。其主要原因是焦爐基礎(chǔ)所承受的是穩(wěn)定性溫度作用；其次，在斜道區(qū)及其附近范圍的溫度雖然超過了200℃，但其截面的平均溫度基本符合上述兩規(guī)程的規(guī)定。
4.3 水平梁的設(shè)計與構(gòu)造
關(guān)于各水平梁與柱的截面選擇與構(gòu)造在《煉焦爐基礎(chǔ)設(shè)計參考資料》中已規(guī)定，在此不再贅述，現(xiàn)補充以下幾點。
（1） 爐頂水平梁。爐頂水平梁的跨度小，但從使用與構(gòu)造要求的截面較大，為了滿足縱拉條端部設(shè)置彈簧的需要，梁底與柱邊緣須留有一定距離（約200mm )，因此，梁底與爐端（間）臺邊緣之間有較大空隙。為操作方便及防止工具與煤塵、雜物的脫落，保證下層工作人員的安全，在梁、柱空隙處設(shè)置鋼蓋板，在蓋板的下表面設(shè)有擋板（要留出柱頭位移需要的空隙）。設(shè)計時在梁的側(cè)面要考慮裝煤車行走時輪壓的作用。
（2） 斜道區(qū)水平梁。斜道區(qū)水平梁的位置與機、焦兩側(cè)操作臺和爐端（間）臺第二層平臺在同一平面上。以往的設(shè)計中，梁的截面高度較大，有的與柱截面高度一致。由于梁的跨度較小，截面高度可以減小。但在與爐間（端）臺邊緣之間較大空隙處，必須設(shè)置鋼蓋板，在板底表面要設(shè)置擋板。
（3） 小煙道水平梁。梁的位置與基礎(chǔ)構(gòu)架、基礎(chǔ)頂板的上表面相一致，在以往的設(shè)計中水平梁曾作為基礎(chǔ)頂板的支承點，由于這種方案使頂板與梁之間產(chǎn)生許多矛盾，故改為設(shè)置邊排基礎(chǔ)構(gòu)架，使水平梁與基礎(chǔ)頂板脫離，效果良好。因此，水平梁成為構(gòu)造需要，但在墻板改為預(yù)制板時，水平梁則成為預(yù)制板的支承點，這時水平梁的內(nèi)表面應(yīng)突出柱的內(nèi)表面，突出尺寸與預(yù)制板厚度相一致。
4.4 其他
《煉焦爐基礎(chǔ)設(shè)計參考資料》一書中，對基礎(chǔ)構(gòu)架預(yù)制邊柱鉸接節(jié)點構(gòu)造推薦采用梁柱之間設(shè)小墊板的做法，已在多個工程中采用，生產(chǎn)中應(yīng)用正常，此構(gòu)造是可行的，但對施工要求較嚴格。有許多節(jié)點在構(gòu)架梁底鋼板與柱頂小墊板之間未能形成面接觸，而是線接觸，現(xiàn)場需采取嵌入薄鋼板，施工繁瑣。后來，在鞍鋼工程中將預(yù)制節(jié)點改用坐漿法構(gòu)造，保證了梁柱間全面積接觸，實踐效果良好，不僅滿足了設(shè)計要求，而且節(jié)省鋼材。
基礎(chǔ)頂板縱向機、焦兩側(cè)設(shè)有邊梁，在對應(yīng)每個燃燒室處設(shè)有小牛腿，以便在安裝爐柱時作為支撐點，在小牛腿的中心處預(yù)留圓孔，安裝爐柱下部橫拉條及彈簧，以固定爐柱及套靴。因此，牛腿突出邊梁下的表面很大，影響了地下室內(nèi)自然通風(fēng)和采光。因上述要求對小牛腿的標高、尺寸、預(yù)留孔等要求很嚴，且牛腿數(shù)量較多，稍不慎易導(dǎo)致大量返工。為此，在北焦工程中，將爐柱下拉條的位置抬高，并埋入基礎(chǔ)頂板內(nèi)，取得以下的好效果。
1) 取消了小牛腿，擴大了邊梁底部與分煙道頂面之間的空間，改善了自然通風(fēng)、采光及地下室的操作環(huán)境。
2) 由于下拉條埋入基礎(chǔ)頂板內(nèi)，對設(shè)在基礎(chǔ)頂板兩端的煤氣支管不再受下拉條的影響，可采用與其他相同的煤氣支管，方便了施工與檢修。
3) 由于取消了小牛腿，抬高了下拉條，使爐柱縮短，節(jié)省了鋼材。
