高炉主沟钢壳结构优化改进研究

高炉主沟钢壳结构优化改进研究

王天连

（宝钢湛江钢铁有限公司，广东省，湛江市，524000）

摘要：本研究着重探讨了湛江钢铁炼铁厂1号高炉的主沟钢壳结构优化改进问题。在1号高炉投产两年后，炉前4条主沟钢壳壳体相继出现了严重变形和开裂，对炉前的安全生产造成了较大的威胁。为解决这一问题，在2019年对炉前3号主沟钢壳进行了整体更换，并对新钢壳进行了结构优化。改进措施包括增加主体骨架钢板的厚度、更换材质以提高结构强度，并在尾部附近新增设防变形装置。这些改进措施显著提高了钢壳的抗变形能力，延长了使用寿命，降低了维护和备件费用，提高了生产效率，为炉前的稳产、高产和安全生产提供了保障。

关键词：高炉主沟，钢壳，结构优化，改进，使用寿命，安全生产

1.引言

在现代钢铁工业中，高炉作为一个关键的冶炼设备，承担着生产钢铁的重要任务。高炉的正常运行不仅对钢铁生产质量和效率有着直接影响，还关系到工人的生命安全和环境保护。然而，高炉出铁场主沟钢壳壳体问题一直是一个备受关注的挑战，特别是主沟钢壳结构的稳定性。湛江钢铁炼铁厂1号高炉的主沟钢壳在投运两年后，钢壳壳体陆续出现了较严重的结构变形和开裂情况。这不仅影响了高炉的正常运行，还对炉前的生产安全带来了巨大威胁。在此背景下，对炉前出铁场主沟钢壳结构进行改进研究变得尤为迫切。本研究旨在通过对主沟钢壳结构的优化和改进，解决高炉主沟钢壳的问题，以延长其使用寿命、降低维护成本、提高生产效率，并为钢铁企业的稳产、高产和安全生产提供可靠保障。

2.现状及问题

2.1钢壳壳体的使用情况

湛江钢铁炼铁厂1号高炉的主沟钢壳设备是高炉炉前出铁场出铁主沟的关键部件。钢壳底部砌筑有永久层耐材预制件，永久层上方浇筑有工作层耐火材料，出铁时熔融铁渣经过出铁主沟，主沟钢壳负责支撑承载钢壳内砌筑的耐材和高温熔融渣铁的重量和高温烘烤。钢壳壳体采用钢板焊接而成，其厚度、材质、结构及良好的力学性能在高炉炉前安全出铁中发挥着至关重要的作用[1]。

高炉主沟钢壳壳体在炉前出铁使用过程中经受了长期重载荷和高温炙烤，因此，其性能和耐久性至关重要。目前，湛江钢铁炼铁厂1号高炉使用的主沟钢壳壳体采用20mm厚的Q235B材质钢板，这是一种普通的结构钢，其力学性能和强度一般，在高炉目前高温、高负荷运行的工况条件下，其受力情况十分复杂，容易发生变形和裂纹。

2.2钢壳壳体的问题和挑战

在湛江钢铁炼铁厂1号高炉的使用过程中，主沟钢壳壳体出现了多种问题和挑战，其中包括：

结构变形：高温熔融渣铁通过主沟后，主沟钢壳壳体容易发生结构变形。这种变形不仅影响了钢壳的使用寿命，钢壳变形会导致内部砌筑的耐材出现开裂漏铁造成生产中断事故。

裂纹和开裂：主沟钢壳壳体经受高温和冷却的交替作用，容易引发裂纹和开裂，这进一步加剧了结构问题。

材质不适应：使用Q235B材质的主沟钢壳在高温下的抗变形能力不足，无法满足高炉运行的要求，容易导致结构问题。

维护和更换成本高昂：由于主沟钢壳的特殊性质，维护和更换成本非常高昂，不仅消耗了大量的人力和财力资源，还导致了高炉生产的停工和生产效率的降低。

2.3问题影响和风险分析

主沟钢壳的问题直接影响到高炉的运行稳定性、安全性和生产效率。问题的严重性可从以下几个方面进行分析：

生产受阻：主沟钢壳的结构问题会导致高炉的停工，这意味着生产线的中断和产能损失。

安全风险：结构问题可能引发不可控的情况，如炉前铁沟渣铁泄漏、火灾及设备烧损等，对工人的生命安全构成威胁。

维护成本增加：频繁的维护和更换主沟钢壳壳体增加了维护成本，包括人工费用和备件采购费用。

生产效率下降：高炉运行的不稳定性导致生产效率的下降，对公司经济效益和市场竞争力造成不利影响。

因此，解决主沟钢壳的结构问题不仅关系到工业安全，还对公司的经济效益和可持续发展具有深远的影响。为应对这些问题，需要采取有效的改进措施，提高主沟钢壳的性能和耐久性，以确保高炉的持续、安全、高效运行。

3.改进措施

3.1钢壳主体骨架结构优化

为解决主沟钢壳结构问题，深入优化了钢壳主体骨架结构。通过有限元分析和工程工具的应用，详细研究了钢壳在高炉运行条件下的应力分布，以明确定位主要受力区域和应力集中点。这使能够重新设计骨架结构，增强主要受力部位的支持，改进连接方式，并加强连接节点[2]。特别关注了高炉运行时的振动和震动，引入了适当的防震措施，以提高结构整体强度和稳定性。

图1：改型后新钢壳局部图

3.2材质更换和结构强度提升

为解决主沟钢壳问题，采取了材质更换和结构强度提升的关键措施。首先，将原有的Q235B材质更换为高强度的Q345B或其他适宜的高强度钢材，提高抗弯曲和变形的结构强度。同时，通过适当的热处理工艺，提高材质的硬度和耐高温性能，减少结构变形和裂纹的风险。此外，增加钢壳壳体的厚度（钢壳厚度由20mm增加到25mm），尤其是在主要受力区域，以提高结构的整体强度，有效减轻结构变形问题。

3.3钢壳尾部防变形装置的增设

尾部设计对主沟钢壳的稳定性至关重要。为应对尾部的受热和承重变形问题，引入了专门的防变形装置。这包括合理的支撑结构，温度监测与控制，以及确保承重均衡的措施。合理的支撑结构分散了尾部钢壳的受热和承重变形，确保了结构的稳定性。温度监测装置实时监测尾部温度，采取相应的控制措施以减轻热应力，保障结构的稳定性。同时，均衡的承重确保了尾部的稳定性，降低了结构的不均匀受力。

图2：改型后新钢壳就位砌筑效果图

4.产生的效果

4.1钢壳的抗变形能力提升

通过骨架结构的深度优化、材质更换和增加壁厚等措施，显著提高了主沟钢壳的抗变形能力。骨架结构的重新设计和强化节点的改进增加了整体结构的稳定性，降低了结构的变形风险。新材质的使用提高了抗弯曲和变形的结构强度，从根本上提升了钢壳的稳定性，确保其能够承受高温和高压的作用。这些改进措施共同作用，有效延长了钢壳的使用寿命。

4.2使用寿命延长

通过骨架结构的优化、材质更换、热处理工艺的应用以及增加壁厚等措施，成功延长了主沟钢壳的使用寿命。骨架结构的改进和重新设计，以及新材质的应用，减少了结构的疲劳和裂纹风险，提高了耐高温性能[3]。同时，防变形装置的增设降低了钢壳的受热和承重变形。这些综合改进措施使主沟钢壳的寿命显著延长，减少了更换和维护的频率，降低了生产成本。

4.3维护和备件费用的降低

改进措施的设计和实施降低了维护和备件费用。优化的骨架结构、耐高温材质的应用以及防变形装置的增设减少了维护的需求。钢壳的稳定性提高，降低了损坏和裂纹的风险，减少了备件更换的频率。这不仅减轻了企业的维护负担，还降低了备件采购的成本，对企业的经济效益有显著影响。

4.4生产效率的提高

通过改进措施的设计和实施，提高了生产效率。主沟钢壳的稳定性和可靠性增强，减少了生产中断的风险，确保高炉的持续运行。生产线的中断减少，产能得以提高，对公司的经济效益和市场竞争力产生积极影响。同时，减轻了工人的劳动负担，提高了劳动生产率，为生产提供了更大的保障。这一系列改进措施不仅确保了高炉的稳产和高产，还提升了生产效率，为企业的可持续发展奠定了坚实基础。

5.结论

综上所述，通过对湛江钢铁炼铁厂高炉主沟钢壳结构的深度优化和改进，成功提高了钢壳的抗变形能力，延长了使用寿命，降低了维护和备件费用，提高了生产效率。这一系列改进措施在实践中得到了验证，不仅加强了高炉的稳定性和安全性，还为企业的可持续发展提供了坚实的支持。这项研究为类似领域的工程提供了有力的参考，强调了结构优化和材质改进对于解决类似问题的关键作用。未来，将继续关注高炉运行中的挑战，不断探索更多创新性解决方案，以确保高炉的高效、安全运行，为钢铁产业的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]母惺,孙文武.本钢新1号高炉主沟断裂原因分析及处理[J].金属世界,2011(06):24-26.
[2]岳争超,柯显峰,李严,竺龙,张勇.新冶钢520m^3高炉炉料结构优化试验研究[J].江西冶金,2018

[3]于欣淼,王冰,李庆洋.大型高炉集成技术及装备的应用实践[J].山西冶金,2023,46(07):127-129.