首鋼京唐公司1號高爐施工工藝探討

    發(fā)布日期：2009-04-14

首鋼京唐公司1號高爐施工工藝探討

 

    在首鋼京唐鋼鐵廠一期一步5500m3高爐施工中，北京首鋼建設(shè)集團有限公司（首建集團公司）全面總結(jié)了日本、歐洲5000m3以上高爐及國內(nèi)大型高爐的設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗，堅持“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長壽、清潔”的設(shè)計理念，采用先進實用、成熟可靠、節(jié)能環(huán)保、優(yōu)質(zhì)長壽的工藝技術(shù)和設(shè)備材料，實現(xiàn)了高爐的大型化、高效化、現(xiàn)代化、長壽化、清潔化。此高爐為國內(nèi)首座5000m3以上特大型高爐，采用了當(dāng)今國際煉鐵技術(shù)領(lǐng)域的十大類、68項先進技術(shù)，具有21世紀(jì)國際先進水平和強大的競爭力。一期一步高爐總高126.4m，有效容積5500m3，年工作日355天，年生產(chǎn)449萬噸鐵水，設(shè)計壽命25年（一代爐齡）。共完成土方6.4萬m3，澆筑混凝土5.315萬m3，鋼結(jié)構(gòu)制作安裝2.9萬噸，設(shè)備安裝9224噸，電纜敷設(shè)123.5公里，各種管道4.5公里，并成功實現(xiàn)了1號5500m3高爐基礎(chǔ)混凝土連續(xù)澆筑84.5小時，共10454m3.

    基礎(chǔ)混凝土施工的主要特點和技術(shù)難點

    高爐基礎(chǔ)2007年3月12日正式開始施工， 4月2日上午9：00開始澆筑砼，經(jīng)過連續(xù)84.5個小時的不間斷澆注，順利完成了澆注混凝土10454m3的施工任務(wù)。整個高爐基礎(chǔ)施工歷時24天。

    5500m3高爐基礎(chǔ)澆注是國內(nèi)最厚的大體積混凝土澆注工程，工程量最大，質(zhì)量要求高，養(yǎng)護困難，必須一次不間斷連續(xù)澆注完成。首建集團公司高度重視，組織工程技術(shù)人員制定了詳細周密的技術(shù)方案和施工組織實施方案，并聘請國內(nèi)知名的混凝土裂縫專家進行評審和技術(shù)把關(guān)。施工中采用了國內(nèi)最先進的測溫技術(shù)和應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)，隨時掌握內(nèi)外溫差，確?？刂圃?st1:chmetcnv UnitName="℃" SourceValue="25" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0" w:st="on">25℃以內(nèi)。攪拌站至高爐工地往返6公里的運距，采用了26臺9m3的水泥罐車，每臺按規(guī)定時間跑12個往返，共1248車次。整個施工過程沒有發(fā)生任何安全質(zhì)量問題，創(chuàng)造了中國冶金工程建設(shè)史上的新紀(jì)錄。

    為了獲得大積體混凝土施工數(shù)據(jù)，首鋼集團公司采用電腦監(jiān)控技術(shù)，對砼內(nèi)部溫度及砼應(yīng)力進行了監(jiān)測，獲得了第一手數(shù)據(jù)資料。使砼內(nèi)外溫差、內(nèi)部應(yīng)力達到了非常理想的水平。工程實體達到了內(nèi)實外光的要求，受到了專家一致好評，開創(chuàng)了國內(nèi)冶金行業(yè)大體積混凝土施工的新紀(jì)元。

    鋼結(jié)構(gòu)制作安裝特點、技術(shù)難點

    高爐爐殼爐殼安裝精度要求很高，組對后要求嚴(yán)格將風(fēng)口帶、鐵口帶水平標(biāo)高偏差控制在4mm以內(nèi)、對口錯邊量6mm以內(nèi)、爐殼鋼板圈的最大直徑與最小直徑差（55.8mm），以及鋼板圈相對爐底中心的最大偏差不大于30mm.在跨帶冷卻壁的圍板安裝中，易產(chǎn)生焊接收縮，要滿足冷卻壁的安裝精度要求，圍板安裝難度就增加了。

    作業(yè)場地屬沿海氣候，空氣濕度大，雨雪天氣多，極易產(chǎn)生氣孔、延遲裂紋、未熔合、夾渣等焊接缺陷。

    鋼板材質(zhì)屬于微合金高強鋼（HSLA）。需要解決在焊接、冷卻過程中的熱裂、冷裂、氫致裂紋等問題。

    該材質(zhì)中含有氮元素，如果焊接不當(dāng)很容易產(chǎn)生時效脆化，因此需要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，防止因氮元素的偏聚而出現(xiàn)的裂紋、氣孔等現(xiàn)象。

    由于高爐容積較大，最大直徑處達18.6m.受客觀條件和吊裝能力所限，大部分爐殼圍板不能在地面組焊成型后整帶吊裝到位，有部分立縫只能在高空焊接完成。

    熱風(fēng)圍管熱風(fēng)圍管內(nèi)部砌筑和噴涂對管道橢圓度要求很高，允許偏差在5mm內(nèi)，比普通大直徑卷焊鋼管制作橢圓度要求提高了5mm. 42個短節(jié)對應(yīng)高爐42個風(fēng)口直吹管，要確保42套風(fēng)口設(shè)備的安裝精度，對短節(jié)弦長以及相互間尺寸的加工和安裝精度提出了很高要求。

    熱風(fēng)圍管安裝精度，環(huán)管上表面高低差要求控制在10mm內(nèi)。圍管內(nèi)表面至高爐外殼的距離允許偏差要求控制在20mm以內(nèi)。

    上升管、五通球上升管在70m高空對接安裝，垂直度控制在20mm以內(nèi)。

    五通球需開5個孔與四根上升管和一根下降管相聯(lián)，然后在110m高空進行組對安裝，開孔位置允許偏差3mm，開孔直徑與支管直徑之差2~5mm.五通球在113m高空安裝組對，安裝標(biāo)高偏差要求控制在±30mm以內(nèi)，縱橫中心偏差不超過30mm.構(gòu)件的安裝順序給吊車的設(shè)置和吊裝帶來很大難度。五通球重量達62噸，安裝中心標(biāo)高▽113m，DBQ4000吊車只能在五通球吊裝到位后擎住，再利用630噸吊車進行第四根上升管彎管的安裝。

    下降管下降管上聯(lián)五通球，下接旋風(fēng)除塵器，是自立門架式結(jié)構(gòu)的超長（66m）鋼管斜橫梁，中間無支撐，兩端為固定口連接。設(shè)計要求整體門架結(jié)構(gòu)形成前，五通球及旋風(fēng)除塵器伸出部分不能承受較大的懸臂彎矩。

    下降管安裝位置高（上口標(biāo)高113.2m，下口標(biāo)高63.103m），重量大（176t），其下是矩形出鐵廠房；吊裝重量大，考慮施工成本及場地狹窄的現(xiàn)場條件，無法使用兩臺超大型吊車抬吊就位。同時沿海施工吊裝構(gòu)件高空橫向風(fēng)力大（常年3級風(fēng)以上）。

    由于五通球上伸出彎管及旋風(fēng)除塵器上斜插管為空間結(jié)構(gòu)，管壁厚20mm，空中組裝誤差及焊接變形較大，下降管與其為固定口相連，空中組對困難。

    爐體框架爐體框架柱截面尺寸大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，施工圖深化設(shè)計和加工制作難度很大。

    框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用了橫向橫隔板、縱向T型加勁肋的結(jié)構(gòu)形式。框架柱在12m內(nèi)就有9組橫隔板和10根T型鋼，箱型柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接量大，易變形。

    框架柱單節(jié)柱最重達101噸。

    各層平臺采用八卦式結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計要求平臺梁兩端安裝精度控制在1mm以內(nèi)，以保證高強螺栓的安裝。

    防腐蝕要求高該地區(qū)屬于沿海地區(qū)，空氣濕度大，氯離子含量高，對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性強，因此除銹防腐是非常重要的環(huán)節(jié)。因此采用噴砂除銹達到Sa2.5級后，刷富鋅底漆，它是性能優(yōu)異、具備陰極保護的電化學(xué)涂料。

    底漆：環(huán)氧富鋅漆一遍，干膜厚度60μm（室外）；中間漆：環(huán)氧云鐵漆一遍，干膜厚度80μm（室外）；面漆：脂肪族聚氨酯面漆兩遍，干膜厚度60μm（室外）。

    在爐本體鋼結(jié)構(gòu)制作安裝中采取的有效措施

    高爐爐殼安裝和焊接控制工藝爐殼安裝和焊接工藝流程：設(shè)備調(diào)試→爐殼吊裝組對→裝配交檢→焊前預(yù)熱→爐殼立縫焊接→爐殼環(huán)縫焊接→焊接檢驗→焊后熱處理。

    高爐第1帶～12帶爐殼按出廠單元進行吊裝、組對焊接；第13帶～16帶先在安裝現(xiàn)場組焊成單帶，然后整帶安裝就位；第17帶～22帶在工廠每相鄰兩帶組焊成一個單元，然后發(fā)運到安裝現(xiàn)場直接吊裝就位。第23帶、第24帶+25帶分別在工廠組焊成帶，然后發(fā)運到安裝現(xiàn)場直接吊裝就位。

    吊裝組對后調(diào)整、測量，再調(diào)整、復(fù)測，合格后加固，進行焊接，采用二氧化碳氣體保護焊的方法。

    嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱、焊后緩冷、焊后熱處理工藝，采用電加熱方法，利用計算機控制技術(shù)+WDJK-360型控制柜對履帶式電加熱器進行適時控制，設(shè)定控制參數(shù)實現(xiàn)全程自動控制，保證了焊接和熱處理的質(zhì)量；同時這也是解決由于現(xiàn)場高濕度可能引起焊接缺陷問題的措施之一。

    預(yù)熱溫度：120~150℃；后熱溫度：250~300℃；熱處理溫度：650℃。

    嚴(yán)格控制焊接程序，先焊爐內(nèi)側(cè)焊縫，然后在外側(cè)碳弧氣刨清根、打磨合格后，再對外側(cè)焊縫實施焊接，同時采取對稱焊、多層多道焊、分段退焊等方法，最大限度降低因為厚板焊接存在的拘束度過大而產(chǎn)生裂紋的可能性。

    針對BB503材料的特點：在焊接過程中為防止氮元素在焊縫處偏聚，嚴(yán)格控制熔合比，嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度。

    針對沿海焊接施工的特點，嚴(yán)格執(zhí)行了以下控制措施：在爐殼對接、組焊過程中，視天氣情況，適當(dāng)采取防風(fēng)、防雨、防雪等措施，確保焊接質(zhì)量要求。

    嚴(yán)格清理焊接坡口表面及兩側(cè)距坡口邊緣30㎜內(nèi)的水漬、鐵銹、油污、渣和其它雜質(zhì)。

    嚴(yán)格控制焊材的含水量：CO2氣體保護焊用的CO2氣體應(yīng)保持干燥，氣體純度不小于99.8%（體積法），含水量不大于0.005%（重量法）。

    嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱、焊后后熱、緩冷的工藝措施。

    為保證爐殼的尺寸和爐頂標(biāo)高，采取了帶與帶之間預(yù)留間隙的方法進行調(diào)整，通過計算使間隙在2~4mm內(nèi)，在焊后收縮的情況下，完全滿足了冷卻壁的安裝和爐頂設(shè)備安裝的要求。

    熱風(fēng)圍管制作、安裝工藝采用數(shù)控切割，切割后的尺寸極限偏差控制在±1mm內(nèi)。

    圍管短節(jié)組對過程中，依次檢查組對后內(nèi)側(cè)和外側(cè)弦長，以保證圍管整體圓度。

    制作完成后整體預(yù)拼裝，對有超差部分進行地面調(diào)整。

    在9.9m平臺上組對，提前在平臺上劃出十字中心線、圍管內(nèi)外邊緣線，圍管整體組裝完后進行焊接加固，防止變形。

    在34m平臺上設(shè)立4個吊點，利用滑輪組進行同步整體吊裝，吊裝過程中全程監(jiān)測高度。

    吊裝到位后測量環(huán)管內(nèi)表面至高爐外殼的距離，在確保合格后利用垂直吊桿固定。

    上升管制作安裝工藝采用數(shù)控切割下料，把切割偏差控制在了±1mm以內(nèi)。

    上升管地面組對，整體吊裝，減少高空作業(yè)難度和滿足上升管垂直度的要求。

    五通球制作安裝工藝措施球片用專用胎具壓制，為保證各塊邊緣成形精度，在每塊四周加放3倍板厚的壓頭量。

    五通球支架和支撐按30°周圈布置，在基準(zhǔn)圓外側(cè)的球殼板處均勻點焊定位塊，然后以定位塊和胎具為基準(zhǔn)，按順序裝配赤道帶殼板。待縱縫定位焊接完成后裝上、下極帶。

    五通球與上升管四個接口設(shè)立活動短節(jié)，以便在高空組對時調(diào)整，提高了組裝精度，加快了施工進度。

    根據(jù)五通球焊接容易變形等特點，首建集團公司經(jīng)過精確定位，對五通口相貫線進行精確切割，并加設(shè)16道放射型防變形拉筋，保證了其橢圓度達到圖紙及規(guī)范要求。

    下降管計算機模擬吊裝技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)有施工場地及吊車起重能力，確定吊裝構(gòu)件大?。ǚ?段吊裝），施工前用計算機模擬整個吊裝過程，精確制定下降管部件現(xiàn)場組對位置、吊車及起吊重物運行路線、就位過程，確保構(gòu)件平穩(wěn)無障礙吊裝。

    精確計算構(gòu)件重心，確定主吊點及調(diào)整繩懸掛點，確保構(gòu)件按安裝位置角度起吊。

    下降管上裝有梯子、欄桿及均壓放散管等附件，必須精確計算組裝后構(gòu)件的重心，選擇正確的主吊點及調(diào)整繩懸掛點，在離開地面前調(diào)整好角度，才能精確安裝就位，實現(xiàn)與固定口的組對。

    采用可調(diào)式支架，空中調(diào)整及支撐上管段。

    按照安裝位置，用計算機模擬設(shè)計上管段“人”字形支撐架，支腳與爐頂平臺梁鉸接，在爐頂平臺設(shè)鏈?zhǔn)狡鹬貦C，用鋼絲繩拉支架頂住橫梁，在五通球上焊接吊耳掛固定定滑輪，通過鏈?zhǔn)狡鹬貦C、鋼絲繩調(diào)整支撐架位置，進而支撐或調(diào)整管段安裝角度。

    儀器精確測量五通球伸出管及旋風(fēng)除塵器斜插管空間位置，確定下管段長度及角度。

    用進口高精度TDA5005全站儀精確測量五通球伸出管口、旋風(fēng)除塵器斜插管口相對高爐中心線的角度、位置座標(biāo)點，計算確定下段管的長度，測量精度達到了0.3mm.三角形法測量下管段吊起角度，配重調(diào)整，使吊起角度與安裝就位角度完全相同。按安裝就位角度精確計算下管段重心，用吊車試吊離地面，下管段上口掛重錘，由下管口下部拉鋼線，用鋼角尺測量使鋼線與重錘線垂直后，測量兩鋼線長度與計算值對比，然后在兩管端調(diào)整配重，直至兩者相等后起吊。

    選擇晴朗風(fēng)力小的天氣，上午10點鐘以后吊裝，避免沿海早晚風(fēng)大的影響。

    通過實施以上6項措施，下降管上段2小時吊裝就位組對完，下段4小時吊裝就位組對完，管口長度偏差23mm，徑向偏差5mm，高于規(guī)范徑向偏差10mm的要求，而且快捷安全完成吊裝任務(wù)。

    爐體框架柱、梁針對框架柱、梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點深化困難的問題。首建集團公司成立了專門的詳圖深化設(shè)計小組，利用AutoCAD進行空間建模，在此基礎(chǔ)上拆分零部件圖，提高了詳圖質(zhì)量，確保了配合尺寸精度，滿足了工程需要。

    爐體箱型柱、梁造型復(fù)雜，內(nèi)部加勁肋數(shù)量多，焊接過程中易變形。首建集團公司根據(jù)不同的構(gòu)件和不同的節(jié)點形式采用如下控制方法，對控制焊接變形和殘余應(yīng)力達到了事半功倍的效果：劃分制作單元，安排合理裝配、焊接順序：翼緣板、腹板、隔板、T型肋等均經(jīng)過變形校正后方可進行裝配。裝配時按結(jié)構(gòu)特點，采取一次裝配、焊接、二次裝配、二次焊接的方法，確保裝配、焊接質(zhì)量。

    采用手工電弧焊、二氧化碳氣體保護焊、埋弧焊接等多種焊接方式以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)型式和空間位置。

    厚板焊接采用焊前預(yù)熱、多層多道焊、分段退焊、焊后緩冷等方法，焊接過程中控制層間溫度在100~200℃，以控制焊接變形和應(yīng)力。

    對焊縫集中的部位：采用小規(guī)范、對稱焊等方法，以減小焊接應(yīng)力和變形。

    在滿足設(shè)計要求的情況下，隔板和加勁肋采用間斷焊接的方法。

    對于要求開坡口的部位，盡量采用雙面對稱坡口，并在多層焊接過程中采用對稱焊。

    針對爐體框架柱、梁安裝精度高的要求及構(gòu)件重量大的問題，首建集團公司采取了以下措施進行控制。

    利用CAD在電腦上對柱基數(shù)據(jù)進行測量，復(fù)核基礎(chǔ)的標(biāo)高以及和爐基中心的距離。保證安裝時立柱間對角線距離控制在了7mm內(nèi)，比相關(guān)規(guī)范15mm的要求有了明顯提高。

    安裝時用經(jīng)緯儀測中心線的垂直度，用水準(zhǔn)儀測量檢查標(biāo)高，下部用千斤和倒鏈微調(diào)，合格后將墊板墊實、螺栓把緊。

    經(jīng)過計算，首建集團公司選用4000t.m吊車對爐體框架柱進行吊裝，選用300t履帶吊對爐體框架梁進行吊裝。

    通過以上的措施，既解決了由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給詳圖深化設(shè)計帶來的困難，又消除了構(gòu)件制作中的焊接變形，所安裝的爐體框架柱垂直度偏差最大為10mm、均在規(guī)范要求的20mm以內(nèi)，爐體框架梁水平度均在2mm內(nèi)。

    新技術(shù)應(yīng)用

    高爐爐殼BB503特厚鋼板焊接技術(shù)；厚板熱處理采用計算機自動控制。

    使用進口的高精度TDA5005全站儀，對高爐標(biāo)高及中心線進行三維坐標(biāo)測量（TDA5005全站儀其角度測量精度標(biāo)準(zhǔn)偏差±0.5〞；自動水平補償設(shè)置精度±0.3〞；總精度±0.3mm；測距精度±0.2mm）。

    大截面厚板箱型梁焊接、熱處理工藝及應(yīng)用技術(shù)。

    采用數(shù)控相貫線切割機進行鋼管切割下料，并采用數(shù)控編程對每根構(gòu)件尺寸及每個相貫口形狀進行切割下料。該方法操作簡單，工藝先進，切割精度和效率高。尤其是對各種復(fù)雜的鋼管貫口，更能體現(xiàn)其自動切割、高效切割和高質(zhì)量切割的優(yōu)點。

    計算機信息化管理：模擬吊裝、詳圖設(shè)計、資料管理。

    具有沿海地區(qū)特色的鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)。