渣處理車間悶渣池結構優化

劉作一

（天津鋼鐵集團有限公司設計部，天津300301）

1 引言

隨著各鋼鐵公司產能的迅速增長，煉鋼產生的主要固體廢棄物——鋼渣的產量也在急劇增加，對廢棄鋼渣如何回收再利用便成為各鋼鐵公司主要面臨的棘手問題。目前國內鋼渣預處理方法較多，主要有熱悶法、風碎法、熱潑法等。天津鋼鐵集團有限公司隨著鋼廠量的不斷增長，原有熱潑法鋼渣處理方式已不能滿足現實生產及環保需要。經過充分調研，熱悶法鋼渣處理工藝兼顧了鋼渣性能的環保和穩定要求，符合公司長期發展的戰略需要，也有利于資源的再次利用，并且能夠創造可觀的經濟價值。因此公司決定采用熱悶渣工藝新建鋼渣處理生產線。

2 熱悶渣工藝簡介

液態高溫鋼渣運至鋼渣處理生產線，待適當降溫后直接傾倒于地下悶渣池中，蓋上池蓋并水封，然后進行打水，打水后鋼渣激冷破碎粉化使得渣鐵分離，鋼渣的化學性能得到進一步的穩定，一段時間后池內溫度降至60℃，打開池蓋，用挖掘機將鋼渣鏟出，進行磁選回收等處理。

3 悶渣池的工作環境及現狀

3.1 悶渣池的工藝環境

熱悶渣粉化的條件是鋼渣入池溫度、打水、蒸汽量控制三者的共同作用，粉化質量的好壞與這三者有著密不可分的關系。悶渣池的工作環境極其復雜和惡劣，長期處于高溫、高壓、高濕的工藝環境中，同時還要受人工挖掘誤差產生的碰撞。鑒于天津地區地下水位高的實際情況，地下悶渣池結構完好并保證不漏水是保證悶渣正常生產的關鍵。否則，悶渣池一旦開裂漏水，必然導致地下水侵入，會給正常生產帶來極大的安全隱患。

3.2 悶渣池的類型

目前，國內悶渣池主要有地上悶渣池及地下悶渣池兩種類型，其結構及構造形式為現澆鋼筋混凝土池壁內掛鋼坯的形式。因建筑材料發展水平所限，還沒有一種既能夠耐高溫，又具有很好強度性能的混凝土材料，也就是高強度鋼筋混凝土不耐熱，耐熱鋼筋混凝土強度低。由于受到建筑材料的限制，目前悶渣池的正常使用時間一般不超過1年，池壁混凝土長期處于高溫、高壓、高濕的反復作用下，鋼筋混凝土強度急劇降低，會逐漸出現裂紋、裂紋發展、鋼筋銹蝕漲裂成貫通裂縫、漏水、漏氣等現象，嚴重時悶渣池鋼筋混凝土池壁會大面積酥碎，完全失去工作能力，地上悶渣池會出現垮塌不能使用，天鋼轉爐車間地上悶渣池就是如此；地下悶渣池出現上述破壞后，雖不至于垮塌，并且在地下水位低的地區仍可以繼續使用，但地下水位高的地區開裂進水后，如繼續使用必將給正常生產帶來重大安全隱患。為確保安全生產，天津鋼鐵集團有限公司新建渣處理車間地下悶渣池必須進行設計優化。

4 地下悶渣池的優化設計

根據悶渣池的工作原理、工作環境及破壞形式，結合主要建筑材料混凝土的強度、耐熱及防水等不同特性，開拓創新，改變多年傳統設計思路，采用現澆鋼筋混凝土復合結構，充分發揮混凝土的不同特性。具體優化設計思路就是：將相同厚度的鋼筋混凝土池壁改為鋼筋混凝土復合結構，外測設高強抗滲鋼筋混凝土外壁，起受力兼防水作用；內側設耐熱鋼筋混凝土內壁，起耐熱兼隔熱作用；外壁與內壁之間設緩沖隔離層，起緩沖內壁熱應力變形兼阻斷熱橋作用。

4.1 場地工程地質及地下水概況

工程地質及地下水情況是影響結構設計的重要參數，針對不同的地質及地下水位情況應采取不同的結構設計手段以保證構筑物的安全使用，尤其針對地下構筑物就更為重要。

擬建場地位于天鋼廠區內，場地原為耕地，后經部分填墊至現地坪，場地地勢開闊，地形略有起伏，主要地層有人工填土層（厚度0.5～2.10 m）、全新統上組陸相沖積層（厚度1.20～2.80 m）、全新統中組海相沉積層（厚度13.20～14.70 m）等，地基承載力特征值約為100 fak（kPa）。本場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15 g，屬設計地震第二組，埋深20.00 m以上無成層飽和粉（砂）土，在抗震設計為7度時，場地屬非液化場地。總之，擬建場地屬沿海退海地區，地下水位較高且土質為淤泥質土，天然地基承載力較低，該場地為Ⅲ類場地屬建筑抗震不利地段。

根據悶渣池的性質，結合天津市地下水分布特征和地質條件綜合分析，對本構筑物有影響的地下水為淺層的第四系孔隙型潛水，場地地下潛水水位如下：

初見水位埋深1.50～2.50 m。

靜止水位埋深0.90～2.00 m。

潛水主要由大氣降水補給，以蒸發形式排泄，水位隨季節有所變化。一般年變幅在0.50～1.00 m左右。根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011），本場地標準凍結深度0.60 m。抗浮設計水位按設計室外地面標高以下0.50 m考慮。

4.2 結構具體優化設計方法

原設計悶渣池池壁采用970 mm厚C30防水鋼筋混凝土，池底為1200 mm厚C30防水鋼筋混凝土，池壁內側懸掛可移動鋼坯，池底沿排水方向放置連鑄廢方坯，此設計方法能夠滿足工藝要求。但考慮到現場場地屬于高水位地區，地下水壓力大等現場因素，經公司研究決定對原設計方案進行優化設計，以確保悶渣池能滿足安全生產需要。

根據悶渣池的工作原理、工況環境以及現有鋼筋混凝土材料的特點，優化設計過程中需要采取有效的構造措施來提高悶渣池的使用壽命，保證鋼渣處理生產線的正常運行。根據工藝要求地下悶渣池共12個，其中兩端頭悶渣池的工藝尺寸為6600 mm（寬）×8015 mm（長）×5300 mm（深），其余悶渣池工藝尺寸為6600 mm（寬）×8315 mm（長）×5300 mm（深）。

4．2．1 壓力平衡設計

悶渣池頂相對標高為0.300 mm，故大部分池體處于地下，池體在工作過程中由于高溫環境和打水所產生的壓力可由池外土壓力來平衡。由于悶渣池工藝十分復雜，不能準確地提供池內的設計極限壓力值，因此在設計過程中池壁外側鋼筋采用土壓力為控制外力值，悶渣池壁內側則依靠構造措施保證安全使用。

4．2．2 悶渣池的抗滲、隔熱措施

悶渣池外壁為600 mm厚防水鋼筋混凝土，內壁為400 mm厚（含30 mm厚聚氨酯隔離層）耐高溫鋼筋混凝土，配置耐極限溫度不小于1200℃。混凝土中粗細骨料選用膨脹系數小的耐火材料并摻入適量礦渣微細粉和高鋁粉。耐熱骨料中不允許摻入石灰石等普通混凝土用的石子。嚴格控制混凝土的水灰比，在攪拌及澆筑過程中不可以隨意加水，因為耐熱粗細骨料的保水性差，所以澆注過程中應分層澆注，另外，振搗要均勻且時間不宜過長，避免出現泌水、離析現象，以保證混凝土的密實度。混凝土施工前要選擇合適骨料，并通過試驗和計算確定合適配合比。總之，混凝土澆注質量是悶渣池施工的關鍵。內襯板構造方式見圖1，總體構造方式見圖2。悶渣池設內襯防水鋼板箱，以進一步加強防水效果，鋼板箱采用t=4 mm鋼板焊制，焊縫厚度h=4 mm，長度滿焊，鋼板箱采用場外整體制作，安裝前先進行閉水試驗，現場安裝采用鋼箱開孔與埋件MJ-1焊接連接，現場連接焊縫應保證滿焊，必要時可現場試漏。鋼板箱表面應做除銹處理，防腐涂料采用1200℃耐高溫油漆，涂層施工方法按產品說明書嚴格執行。

圖1 燜渣池內襯平面布置圖

圖2 燜渣池構造

悶渣池內襯防護材料為100 mm厚鋼板，利用公司廢板坯經軋制后形成850 mm×100 mm和750 mm×100 mm兩種規格即可，其固定滑道采用鋼板焊制成工字型，為了減少變形防護鋼板，采用上下分兩段安裝。混凝土側壁和鋼內襯之間預留縫隙，縫隙間可填充玄武巖或安山巖碎料，也可考慮就地取材，利用現成碎鋼渣填充。

悶渣池底板為耐高溫混凝土，底板上鋪普通耐火磚兩層，表面再鋪廢板坯一層，板坯厚度及排板規格視公司庫存情況確定，以達到就地取材、節約成本的目的，底部耐熱混凝土適當考慮坡度，干鋪耐火磚及板坯時應根據預埋排水管高度進行適當調整，以保證不影響底部排水效果。

優化設計時在內襯防護板與防水鋼箱之間預留的隔熱間隙，試生產階段發現隔熱間隙填充隔熱石料后，有內襯防護板產生擠壓變形的情況，取消隔熱填充石料后，解決了內襯防護板產生擠壓變形問題。

5 總結

通過優化設計及配置合理的構造措施，實施后的地下悶渣池滿足了工藝要求，并且保證了正常的安全生產，取得了良好的經濟效果和社會效益。總之，針對地下悶渣池驚醒的優化設計是成功的，解決了地下水位高地區行業設計難題，具有行業推廣價值。

[1]曾慶磊，向琴琴．鋼渣處理中悶渣池結構設計方法[J].工業建筑，2012（S 1）：77-78.