淺析“墻壓底”工藝在反拱底施工中的優(yōu)勢

沈斌

（十四冶建設(shè)集團(tuán)云南爐窯工程有限公司，云南 昆明 650000）

1 概述

陽極爐（圖1）、電爐（圖2）、反射爐（圖3）等爐型在運行中，爐底除了受到高溫作用，還遭受進(jìn)料時的撞擊、爐渣與熔融金屬流動時的沖刷和化學(xué)作用外，爐底耐火材料還要受到爐內(nèi)熔融金屬向上的推力和拉力，這是由兩個方面造成的：①在運行過程中，爐內(nèi)熔融金屬會隨耐火材料之間的磚縫滲流至磚底部，日積月累，逐漸沉積下來，對耐火磚形成一種由下向上的推力。②這些爐型設(shè)備主要是熔煉重金屬，密度較高，而耐火磚密度相較于重金屬較低，之間形成了很大的密度差，在運行過程中，會對耐火磚因浮力而產(chǎn)生的一種向上拉力，比如銅冶煉設(shè)備爐型，砌筑的耐火磚為鎂磚或鎂鉻磚，密度一般在3.1×103～3.3×103kg/m3，銅或粗銅熔融狀態(tài)的密度一般為8.92×103kg/m3，這之間的密度差是很大的。反拱底的設(shè)計就是為了克服這個問題，充分利用拱的力學(xué)優(yōu)點，將熔融金屬對耐火磚的力傳遞至兩側(cè)墻端，形成水平推力，并由拱腳磚與爐殼形成反向推力，從而維持整個反拱底的平衡，同時根據(jù)反拱型，將爐磚設(shè)計為下大上小的“八”字型，增大爐磚彼此間向上的抵抗力，陽極爐如圖4 所示。

圖1 陽極爐

圖2 電爐

圖3 反射爐

圖4 爐底磚型

2 傳統(tǒng)反拱底施工與“墻壓底”反拱底施工工藝

傳統(tǒng)反拱底施工如圖5 所示，該類型施工至爐墻邊線即停止作業(yè)，采用拱腳磚、背襯磚施工。

圖5 傳統(tǒng)反拱底施工

“墻壓底”反拱底施工前面工序和傳統(tǒng)施工完全相同，但施工至爐墻邊線，依然采用爐底磚進(jìn)行砌筑，砌筑寬度超過爐墻寬1/2 以上，再采用拱腳磚、背襯磚施工，砌筑至爐墻邊線以后，依然采用爐底反拱磚砌筑的部分，該部分磚體砌筑方式、工藝同爐底相同，但上部應(yīng)加工為水平，加工方法和原則為如下。

（1）以爐墻第一層磚層線為基準(zhǔn)，分別向上下在爐殼上刻畫不少于5 條磚層線（刻畫磚層線應(yīng)考慮灰縫厚度）。

（2）測量邊線外第一層爐底磚上部較低一角同磚層線的水平位置，以“就低不就高的原則”，即以該部位以下的磚層線為加工標(biāo)準(zhǔn)線進(jìn)行加工。加工應(yīng)保證爐磚上部水平且同磚層線在用一水平位置。

（3）同一層磚加工的水平標(biāo)準(zhǔn)線應(yīng)是同一條磚層線，不可跳層。

（4）邊線外第二層磚同樣以第一層磚的加工標(biāo)準(zhǔn)磚層線加工，第三層磚同樣以第一層加工標(biāo)準(zhǔn)磚層線加工。當(dāng)加工磚水平寬度達(dá)到爐墻標(biāo)準(zhǔn)磚寬度或砌筑模數(shù)時，加工標(biāo)準(zhǔn)磚層線提高一層，以此類推進(jìn)行。如爐墻磚為460mm×150mm×75mm，則爐底加工磚水平寬度達(dá)到150mm，加工標(biāo)準(zhǔn)線即向上一層。

其后的拱腳磚及背襯磚砌筑同傳統(tǒng)反拱底施工相同。墻壓底施工如圖6 所示。

圖6 “墻壓底”施工

3 “墻壓底”與傳統(tǒng)反拱底砌筑相比具備的優(yōu)勢

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

墻底交接處（圖7）是整個爐型較為薄弱的位置，該位置較為容易侵入熔融重金屬，從而對整個爐底產(chǎn)生不利的影響。對比傳統(tǒng)反拱底施工，“墻壓底”結(jié)構(gòu)在墻底交接處，依然采用爐底楔形磚施工，保持了楔形磚下大上小的優(yōu)勢，對侵入的熔融重金屬冷卻堆積后形成的向上的推力，同整個爐底一樣，形成了很大的反制作用[1]。

圖7 墻底交接處結(jié)構(gòu)

爐型中的反拱底，充分利用拱的力學(xué)優(yōu)點，將爐內(nèi)熔煉物對整個底的力形成水平推力，傳遞至兩側(cè)，通過兩側(cè)爐殼鋼結(jié)構(gòu)的反向推力，從而達(dá)到整個力學(xué)體系的平衡，由于耐火材料受熱膨脹較大的原因，爐磚之間的受力被增大了很多，爐磚之間在推力與方向推力的擠壓作用下，形成一個向上冒出的趨勢，拱腳磚位置由于磚型和結(jié)構(gòu)的原因，自身抵抗擠壓向上的能力較為薄弱，主要依賴于上部爐墻的壓力，傳統(tǒng)施工方法，拱腳磚主要依靠內(nèi)爐墻部分，該部分墻體不但要承受爐內(nèi)熔煉物的沖刷、浮力等，還要為其下的拱腳磚提供足夠的壓力，在整個結(jié)構(gòu)上顯得較為重要的同時，也成了較大的薄弱點，但“墻壓底”施工方法，將拱腳磚內(nèi)移至爐墻內(nèi)，如圖8 所示，充分的利用了整個爐墻的壓力，同時不直接同爐內(nèi)熔煉物接觸，在保證了拱腳磚的完整性的同時也克服了本身受向上擠壓的情況，將拱腳磚由于磚型、結(jié)構(gòu)等原因而造成的各種薄弱情況充分的解決，從而保證了整個反拱底結(jié)構(gòu)的完整性，受力的合理性[2]。

從傳統(tǒng)反拱底及“墻壓底”施工結(jié)構(gòu)上部可以看出，傳統(tǒng)施工方法上，在拱腳磚背襯位置，使用了標(biāo)準(zhǔn)磚（結(jié)構(gòu)上成長方體形狀），如前所述，在反拱底結(jié)構(gòu)中，磚體之間會形成一個向上擠壓的力，標(biāo)準(zhǔn)磚抵抗這個向上的擠壓力相對于楔形磚減弱了許多，完全依靠上部爐墻結(jié)構(gòu)的壓力，無形中增加了對上部墻體的推力，這個力對于整個爐體結(jié)構(gòu)是有害的，但“墻壓底”施工結(jié)構(gòu)，由于采用爐底楔形磚延伸至爐墻內(nèi)，將拱腳磚后移至爐殼鋼結(jié)構(gòu)位置，如圖9 所示，避免了拱腳磚背襯與鋼結(jié)構(gòu)之間的標(biāo)準(zhǔn)磚的使用，依靠爐底楔形磚型的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，由磚體本身來抵抗這個向上的擠壓力，避免了對上部爐墻壓力的依賴性，減少了對上部墻體的推力，讓整個爐體結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定[3]。

圖9 將拱腳磚后移至爐殼鋼結(jié)構(gòu)位置施工結(jié)構(gòu)

3.2 爐壽優(yōu)勢

工業(yè)爐的爐壽長短，直接影響了整個熔煉工藝的經(jīng)濟(jì)效益，每次工業(yè)爐檢修前，都得從各個方面綜合考慮方可停爐檢修，如果在生產(chǎn)過程中，工業(yè)爐出現(xiàn)事故，那對于整個冶煉廠帶來的經(jīng)濟(jì)損失是無法估量的，而且工業(yè)爐所使用的耐火材料價格都比較高昂，因此檢修的頻次多少，直接關(guān)乎整個熔煉生產(chǎn)成本，由此可見，工業(yè)爐爐壽長短的重要性。

在生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)熔融重金屬并不是靜止不動的，而是在爐內(nèi)翻滾或形成渦流，因此，爐內(nèi)耐火材料不但需要承受高溫，還要承受熔融金屬不斷的沖刷侵蝕，長此以往，耐火材料也會逐漸減少或變短，爐墻自身重力和壓力也逐漸減小，傳統(tǒng)反拱底施工由于拱腳磚是依靠內(nèi)爐墻的壓力，隨著爐墻壓力的減小甚至消失，拱腳磚將完全暴露于爐膛內(nèi)，在各種因素下，很容易出現(xiàn)松動或被擠壓向上的情況，造成整個反拱底受力失衡，從而出現(xiàn)“漂磚”或爐內(nèi)冶煉物燒穿的可能[4]。整臺工業(yè)爐也因此不得不停爐檢修，但“墻壓底”施工工藝由于拱腳磚內(nèi)移至爐墻內(nèi)，爐墻耐火材料被沖刷侵蝕而減少或變短造成的壓力減小對內(nèi)移后的拱腳磚的影響很小，甚至沒有任何影響，整個反拱底依然處于穩(wěn)定的狀態(tài)，并不影響工業(yè)爐的正常生產(chǎn)冶煉，爐壽得到很大的提高，而且由于“墻壓底”施工工藝的優(yōu)勢，工業(yè)爐檢修頻次得以大幅度減少，生產(chǎn)成本有所減低。沖刷如圖10 所示。

圖10 沖刷

3.3 材料優(yōu)勢

由于工業(yè)爐的使用環(huán)境特殊性，爐內(nèi)的耐火磚種類較多，異形磚的使用較為頻繁，磚型的增多對施工的難度、進(jìn)度都會造成很大的影響，而且各類磚型制作都需要專有的模具，一些用量較少的耐火磚由于模具制作成本，價格都會有很大提高。傳統(tǒng)反拱底施工工藝中，整個反拱底不但需要反拱底楔形磚、拱腳磚，還需要背襯磚，背襯磚對于整臺工業(yè)爐耐火材料的使用量占比很小，且只可使用在反拱底位置，造成了背襯磚的價格甚至比爐底楔形磚更高，而且增加了施工的煩瑣性[5]。“墻壓底”施工工藝，反拱底只需要反拱底楔形磚、拱腳磚兩類磚型，無論從工業(yè)爐本身造價方面，還是施工的簡便化方面都比傳統(tǒng)的反拱底施工工藝更具優(yōu)勢。

4 結(jié)語

隨著整個冶煉工藝水平的提高，工業(yè)爐作為火法冶煉的重要設(shè)備，從能耗、效率、環(huán)保、爐壽等各個方面也得到了質(zhì)的提高，很多新工藝、新材料得到廣泛推廣，反拱底作為眾多工業(yè)爐中的一個結(jié)構(gòu)，通過長久的施工經(jīng)驗的積累與工業(yè)爐本身的使用，從設(shè)計到施工，逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化、簡潔化，合理化。