金川闪速炉弹性结构炉体工作原理与运行调节.pdf

1 2 金川闪速炉弹性结构炉体 工作原理与运行调节 王树亮 盒川公司第一冶炼厂，甘肃 7 3 7 1 0 0 擅量结台金川阿蘧炉的结构特点。对弹性结构力系的分布与平街、力系失衡与炉体膨 胀、以及弹性结构的运行调节等方面进行了研究，提出了弹性结构力系在垂直方向上遵守合力点的 原■；在水平方向上蕞守区域受力原则和对称受力的原则．盒川闪遮炉在实践中总结出的弹性结 构运行调节程序和原则对内遘炉的维护具有指导意义；对其他采用弹性结构的冶金炉的维护和设 计具有一定的参考价值． 美■词冈逮炉弹性结构力系平街；音力点；对称性 中髓分类号 r F 8 0 6文献标讽玛B 冶金炉的骨架有弹性和钢性之分．钢性 骨架冶金炉不可进行调节，弹性骨架可依据 炉体的膨胀进行适当的调节．金川闪速炉是 国内三台闪速炉中唯一采用弹性结构的，该 结构是奥地利奥镁公司为澳大利亚卡尔古利 冶炼厂设计的，金川公司又是通过北京有色 冶金设计研究总院从卡尔吉利冶炼厂引进． 金川闲速炉弹性骨架设计的夹紧力的大小和 分布是由奥镁公司提供的，但是奥镁公司并 没有向我们提供该弹性骨架的工作原理和运 行维护的技术．自金川闪速炉1 9 9 2 年底点 火投产到1 9 9 8 年的冷修前夕，炉体的膨胀以 及因膨胀引起的问题暴露出了不少，主要有 4 个方面 1 弹性骨架的夹紧力逐年增大 而且分布不均衡； 2 炉体膨胀量大而且不 均匀； 3 骨架多处变形、拉裂； 4 炉子砌体 同围板、圈板同位柱部分脱开等．表明我们 对内遗炉弹性结构的认识不够，投有形成一 套合理的维护和调整方法．冷修前，我们对 金川闪速炉弹性结构的原理进行了深入的研 究，并提出了闪速炉炉体的维护方法，在冷 修后投运，从目前的测试数据看，炉体膨胀 稳定，运行状况良好．本文将这些研究作一 总结，供大家参考． 1金川闪速炉结构介绍 1 ．1 炉体结构简介金川闪速炉由反应 塔、上升烟道和熔池炉体三大部分组成 如 图1 ．反应塔为竖式圆筒形结构，塔身悬挂 在专设的钢梁上，和熔池炉体完全脱开，热 膨胀时可以自由的上下伸缩；上升烟道是闪 速炉高温烟气的通道，为吊挂式矩形结构， 同熔池炉体也是脱开的；熔池炉体是闪速炉 的结构主体，反应塔端墙到上升烟道一段为 沉淀区，主要完成炉渣和冰铜的沉淀分离， 上升烟道到渣口端墙的区域为贫化区，主 要完成的是炉渣的还原贫化和冰铜的二次沉 淀分离．由于反应塔和上升烟道与熔池炉体 在结构上是脱开的，与炉体问没有力的相互 作用，运行调节也比较简单，所以，在本文的 讨论中，只讨论熔池炉体部分． 作者■介芏村亮 1 9 6 8 一 ，云膏玉覆人，盒川有色金■公司一冶工程师 万方数据 1 3 图1金川闪速炉炉体结构 1 ．反应塔；2 上升烟道；1 电投4 ．H 型木冷钢集；5 炉顶纵向约束粱；毛立柱71 肆 工字锕；8 ．炉底纵向约柬集；9 弹簧； 1 0 炉鹿横向约柬架；1 1 ．纵向长拉杆；1 2 ．炉璜横向约束莱；1 3 ．上升烟道槽钢吊挂砖架1 4 ．拉杆；1 5 ．基建集；1 6 ．炉底框槊 熔池炉体部分由炉底、炉墙、炉顶和水冷 件四部分组成炉底厚1 5 5 0 r a m ，是耐火材料 的主要砌筑量；炉墙向外倾斜1 0 4 5 0 r a m 厚，以上升烟道为界，沉淀区比贫化区高 9 0 0 m m , 贫化区炉顶为浇筑结构炉顶，沉淀 池为吊挂砖结构炉顶。反应塔和上升烟道区 域没有炉顶；同时，为了平衡耐火材料的热 负荷并保护耐火砌体，在炉墙和炉顶上布置 了大量的水冷件，大部分的水冷件既是冷却 件也是炉体的结构件．总的来看，闪速炉在 结构上具有以下特点1 炉体的结构是不均 匀的，主要体现在炉墙的高度和炉顶的分布 上；2 炉顶是相对独立的。炉顶的重量和膨 胀力是由炉壳和立柱来承担的，跟炉墙没有 关系． 1 ．2 炉体骨架结构简介闪速炉的骨架结 构庞大而且复杂 参见图1 ，可将它分为两 部分一部分由炉子的底粱、炉壳、炉顶的水 冷钢梁等构成，是炉子的结构件，多起支 撑、加强的作用；另一部分就是闪速炉的弹 性骨架结构，这一部分由6 2 根异形工宇钢立 柱、l O 根箱形纵横向压梁、8 根纵向长拉梁 杆、8 根横向拉梁．3 4 6 根蜗卷弹簧及相应的 短拉杆短拉粱等组成。在空间构成了庞大的 立体框架结构，将炉体捆绑夹持住．弹性骨 架的主要作用是，在炉子的生产运行中，在 保证炉子整体性的前提下控制炉子均衡的膨 胀。从而达到增加炉子运行的安全性和提高 炉子的运行寿命的目的． 2弹性结构工作原理 弹性骨架结构与炉体和炉内的熔体一道 构成了闪速炉弹性结构体系，生产运行中， 炉体将自身的热应力通过膨胀传递给弹性骨 架结构。骨架又将弹簧的夹紧力施加给炉 体，相互间力的作用与平衡就决定了炉子的 膨胀变化． 2 ．1 弹性结构力系的组成弹性结构力系 由两个力系组成 图2 ．一是炉子砌体力 系，即炉子作用于骨架的所有力 图中的f 序 列力 ．二是弹簧力系，即所有弹簧通过骨 架作用于炉体的力系 图中的F 序列力 ． F ， F z F 图2 弹性力系构成示意 F I 一炉底弹簧受力F 】一炉硬弹簧受力；F ，一沉淀池拱顶 弹簧受力；五一拱角弹簧受力 炉厦膨肇力 ；丘一炉厦重力 分力6 一黄墙重力分力；f 4 一舅墙膨胀力f J 一炉底膨胀 力；矗一炉底重力分力矗一熔■■压力． 万方数据 1 4 砌体力系主要由七部分组成 1 炉顶的 重力分力f 2 ，它等于沉淀池顶重力分力 贫 化区炉顶重力分力； 2 侧墙的重力分力B ； 3 炉底的重力分力名 4 熔体的侧压力f 7 ； 5 沉淀池拱顶和贫化区炉顶膨胀力 ； 6 侧墙膨胀力t “ 4 7 炉底的膨胀力f 5 ． 弹簧力系由炉底弹簧受力F 、炉顶弹簧 受力F 、沉淀池拱顶弹簧受力F 3 和拱角弹 簧受力f l 四部分组成。拱角弹簧的受力实 际就是炉顶的膨胀力． 2 ．2 弹性结构力系的平衡与分布根据力 学原理，要使力系平衡，就必须要使力系的 合力矩等于零 ∑M F ∑M f ；0 1 即闪速炉弹性力系平衡的条件是炉体力 系同弹簧力系的合力矩相等，且力的作用方 向相反．下面，我们来介绍有关力系的分布 规律． 2 ．2 ．1 力系在垂直方向上的分布合力 点原则从垂直方向来看，炉体作用于骨架 各力，一定会在骨架上的某一点A 处形成一 个合力f 弹簧作用于骨架各力，也一定会在 骨架上的某一点B 处形成一个合力F 如图3 所示 。显然，只有当A 点和B 点在同一个 点；且∑f 一∑F 时，弹性力系才能够达到平 衡。由于炉体力系是客观存在的必然，要使 体系平衡．弹簧力系就一定要按照炉体力系 的合力点来进行分配，使炉顶和炉底弹簧力 量以炉体力系的台力点B 为支点达到力矩 ￡F 1 Z F 圈3 合力点原则示意圈 平衡，这就是合力点原则．根据合力点的原 则，对奥镁公司提供的设计弹簧受力进行计 算分析，就可以得出金川闪速炉设计的炉体 力系的合力点位置在侧墙位于炉底拱角 砖部位，在端墙位于熔池中部。 2 ．2 ．2 力系在水平方向上的分布之一区 域受力的原则 同垂直方向上力合力点原则相似，在水 平方向上，弹簧力系的分布也是以炉体力系 的分布为依据的．由于结构和工作温度的不 同，炉体力系在水平方向上的分布并不是均 匀的．炉体力系的不同主要取决于工作温度 和结构，沉淀池炉体膨胀力是最大的，按照 “取大”的原则，侧墙弹簧作用力的大小可按 沉淀池侧墙炉体力系的大小来分布；端墙弹 簧作用力的大小可以按照反应塔侧端墙炉体 力系的大小来分布．考虑炉顶的影响时，只 需要在有炉顶的区域加上炉顶力的作用即 可．由此，可以将炉体力系在水平方向上的 分布划分为端墙区、有炉顶区和无炉顶区， 考虑到方形炉子四个角在力量分布上的特殊 位置，将其特别划分为端头区，这样，炉子水 平方向上就可以划为8 个不同的区域 见图4 ． 按图4 的区域划分对奥镁公司提供的金 川闪速炉设计弹簧夹紧力进行计算，结果如 下 t ／m A 2 2 嚣 E 2 1 ．7 5 B 2 2 ∞ F 2 2 ．4 C 2 1 ．6 7 G 2 33 3 D 2 2 ．1 3 0 H 2 33 3 。。 o 掣i f 叫cr D 川E F AB 田4闪速炉受力区域划分 A 、F 一墙头区；B 一贫化区；c 一上升烟道E ； D 一况控浦拱顶区；E 一反应塔区；G ．H 一孵■墙区 r ⋯ L 1 l 叫』 万方数据 1 5 可以看出，金川闪速炉弹性结构弹簧力 系在水平方向上的分布确实是遵循不同的区 域施与不同的力量的区域原则的． 2 ．2 ．3力系在水平方向上的分布之二 对称分布的原则炉体耐火材料的热应力，必 然要通过热膨胀来得到释放，当热膨胀在一 个方向上受阻．就要在相反的方向上的到补 偿．因此施加给炉体一对对称的夹紧力是炉 体膨胀的内在要求．对于金川闪速炉，弹簧 力系对称分布的具体内容就是在相对称的 受力面上相对称的区域上的相对称的弹簧组 的受力要相等． 3 弹性力系的失衡与炉体膨胀 3 ．1弹性力系失衡的原因 1 水冷件漏水水冷件漏水时，将使浸 水耐火砖发生“水化”现象，从而产生异常膨 胀，增大该部位的炉体膨胀力。 2 炉体工作温度的变化耐火材料在 不同的工作温度下有不同的膨胀力和膨胀 量．任何冶金炉，都不可避免的要经历不同 的生产负荷、不同的操作温度，以及停炉检 修等使炉体工作温度发生大幅度波动的阶 段，因此在炉子的服役区，炉体力系本身就 不可能是稳定的． 3 炉子负载的变化在炉子检修期，一 般都要将炉内的熔体放尽，从而使炉体的负 载减少约7 0 0 r ；同时炉子砌体和炉体构件设 施的部分拆除，也将使骨架的承载减少．这 使得弹性结构原有的夹紧力出现富裕．另一 方面检修结束后．前述的变化得到恢复，而 且新换耐火砌体的膨胀还要明显大于旧砌 体，又使得弹性结构的夹紧力出现不足． 3 ．2 弹性力系的失衡与炉体膨胀一般而 盲。力量的改变将首先使力系在垂直方向上 的分布发生变化，例如新换炉顶、墙体或上 部水冷件漏水使上部墙体发生水化时，炉体 力系的合力作用点将上移 图3 A ’ ，此时，如 果弹簧力系的合力点设有随之上移，两力系 的合力将形成一对转矩．骨架对炉顶的约束 能力将减低 见图3 ∑f ’和∑F ，炉体上部就 要发生异常膨胀．随着上部炉体的膨胀，炉 顶弹簧的受力将逐渐增大，弹簧力系的合力 点也将逐渐上移 囝3 B ’ ，自动产生了顺应 炉体力系的趋势，而此时，炉顶的膨胀渐趋 稳定，上部力量逐渐减弱，炉体力系的合力 点又逐渐下移到近似A 点，由于炉体膨胀的 不可逆性，弹簧力系的合力点不可能再自动 下移到B 点，两力系的合力又形成了同先前 反向的一对转矩 图2 ∑F ’和Z f ，骨架对炉 底的约束力被减弱，从而又可能使炉底产生 异常膨胀的趋势；随炉底膨胀的加剧，炉体 力系和弹簧力系的台力点位置又将下移，之 后，随膨胀的稳定，炉体力系的合力点又发 生回移．如此运行的结果是炉体的膨胀量和 弹簧的受力都越来越大，体系的状况越来越 差．金川闪速炉实测的炉底弹簧受力远大于 炉顶，弹簧力系的合力点发生了较大的下 移，使得弹簧力系对炉顶的约束能力下降， 从而造成炉顶膨胀量普遍大于炉底。 4弹性结构的运行调节 弹性结构力系的失衡是一种常见的、必 然的现象．出现力系失衡以后，我们必须进 行调整，使之重新恢复平衡，否则，炉子将发 生异常的膨胀，危及炉子的运行安全和使用 寿命．金川公司冶炼厂在几年的生产实践 中，研究总结出了如下一些弹性结构运行调 节的原则和方法。 4 ．1 炉体膨胀的测量在闪速炉炉顶和炉 底共安装了2 8 个膨胀指示器，一般每两周进 行一次全面的测量，在增大生产负荷或者检 修期间等特殊时期还要增加测量的次数。 4 ．2 炉体受力的测量通过测量弹簧的工 作长度，然后根据弹簧的压缩曲线进行计算 得出．一般每月进行一次全面的测算，在增 大生产负荷、检修时要增加测量的频度，在 发现炉体发生异常的膨胀时要马上进行全面 万方数据 1 6 的测算． 4 ．3 弹性结构工作状况的分析炉子发生 异常膨胀，必然要导致炉体受力的增大，但 炉体受力增大却不一定是因为炉体膨胀，所 以，必须对测量的炉体膨胀和受力进行分 析 1 炉子整体膨胀方向的分析，要准确把 握炉子膨胀的趋势，发生膨胀的原因以及膨 胀的进行情况； 2 炉体整体受力状况的分 析，要从合力点的漂移量、区域受力和对称 受力的失衡情况来把握弹性力系的失衡程 度； 3 将炉体的膨胀与受力结合起来进行 分析，搞清膨胀与受力间的关系，要准确掌 握如何进行受力调整能够减小或消除炉体的 膨胀势． 4 ．4 弹性结构运行调节的原则 1 必须根 据炉体的膨胀情况进行受力调整； 点、区域受力和对称受力三个原则的方向进 行； 3 讲究面受力，单个弹簧和单个弹簧组 受力过大或过小都是没有意义和不正常的， 闪速炉弹性结构要求的是体系的均衡； 4 适时和适量的调整，依据膨胀势的变 化情况进行适量的调整，一般讲，每一个弹 簧组一次的调整量不应超过5 吨． 4 ．5 金川闪速炉弹性结构运行调节的效果 金川闪速炉自1 9 9 8 年冷修以后采用上述的 原理和原则指导弹性结构的运行调节，取得 了满意的效果。2 0 0 0 年3 月1 7 日同9 8 年8 月3 日实测的炉体膨胀变化情况如表1 ．从 表中可以看出，对于床面积达2 0 0 多m2 的 金川闪速炉来讲，炉体的膨胀是十分微小和 稳定的． 2 炉体受力的调整要朝着趋向于合力 裹1闪速炉炉体膨胀量 r a m 指示器编号 膨胀量 指示器编号 膨胀量 2 5 1 6 l 3 l 1 7 7 1 01 11 21 31 4 0132 2 42 52 6 2 7 2 8 - 24- - 47l 5结语 1 金川闪速炉弹簧力系与炉体力系的 关系和分布是符合合力点、区域受力及对称 受力的原则的； 2 弹性结构力系的失衡与炉体的膨胀 之闻是存在相互影响的关系的，通过对弹簧 力系适时适量的调整，是可以有效的控制炉 体的异常膨胀的； 3 所制定的弹性结构运行调节原则是 符合金川闪速炉的实际的，是可以指导金川 闪速炉的运行调节的。 由于各种原因，我国在弹性结构冶金炉 的研究上远落后于国外，国内对于弹性结构 的运行调节和维护也没有引起使用弹性结构 冶金炉厂家的足够重视，作者呼唤更多的同 行关注并参与到这一课题的研究． 糍 万方数据