焦炉抵抗墙设计的依据
苏 瑞 王乐平（中冶焦耐工程技术有限公司，鞍山114002)
抵抗墙是确保焦炉炉体能够长期正常生产的关键构筑物之一，对于在抵抗墙设计中沿用的主要数据，如温度分布、荷载、柱顶位移等一直存在着诸多疑问和与实际生产有矛盾之处。为此，我公司在上世纪60年代以来，历经10余年，对数座焦炉的基础从烘炉开始直至正常生产，进行了系统的观测，取得了完整的数据，并成功地应用在焦炉设计中。本文将上述成果及改进设计方案介绍于后。
1 焦炉炉体构造概述
以JN43型焦炉为例，炉体自上而下按其功能可分为：
1) 炉顶区。主要作用是按生产管理要求从看火孔观测燃烧室炉温，在装煤孔向炭化室装煤，从上升管排出荒煤气以及装有各种设备。
2) 燃烧室、炭化室区。燃烧室位于炭化室两侧，通过燃烧室与炭化室之间的炉墙将高温传导于煤饼，使之干馏生成焦炭。
3) 斜道区。位于焦炉中部，是连接燃烧室与蓄热室之间的重要通道。在斜道区内留有斜向孔道，它将燃烧后的高温废气送入蓄热室，吸收了废热的蓄热室将空气预热后送至燃烧室。
4) 蓄热室。位于斜道区的下部，在蓄热室内安放有大量薄壁格子砖，当燃烧室排送废气时（废气从上向下排放，称为下降气流），将近1000℃的余热被格子砖吸收后进入蓄热室底部的小烟道。冷空气从小烟道经蓄热室送至燃烧室的过程中，冷空气自下而上的运行（称上升气流）过程中，被格子砖吸收热量预热升温，再经斜道进入燃烧室与煤气汇合燃烧，以充分利用热能。
5) 小烟道区。在蓄热室的下端，位于炉体的最底部，是名副其实的烟道，直通炉体外部，与废气开闭器相连接。随着废气开闭器的操作，或向小烟道内输送冷空气，或向分烟道排送废气。
2 抵抗墙的结构布置与功能
我国设计的抵抗墙结构，主要采用构架墙板式，其特点是结构简洁，功能明确，经济实用。结构由梁、柱和墙板组成，在炉体的顶部、斜道和小烟道3个部位各布置有水平梁。柱的布置则与基础构架柱的位置相对应，以便于操作人员通行和安装、检修设备。墙板布置在紧靠炉体一侧，其上部与炉顶水平横梁相连，下部与小烟道水平梁相连，在机侧与焦侧（左、右侧）则与炉体边缘相适应。具体尺寸由工艺确定，总体尺寸要考虑炉体烘炉热膨胀后的要求。由于焦炉自身的特征，需通过各种措施约束焦炉炉体从烘炉至正常投产期间按照设计要求进行热变形，因此对抵抗墙结构提出了严格的要求。
首先，抵抗墙要有足够的刚度和强度，在一代炉龄期间（一般为25年）不发生超过规定的倾斜变形，这也是对抵抗墙和斜道区水平梁的要求。在工艺设计中，为确保焦炉整体不发生超过允许的热变形，在斜道区内每层砖之间，每隔一定距离设有膨胀缝。烘炉期间依靠抵抗墙的作用力，克服斜道区上部荷载（炉体、设备等）在各膨胀缝滑动面产生的摩擦力，使各预留的膨胀缝闭合，以确保炉体整体尺寸和各部位的相关位置基本不变。斜道区水平梁就是为此而设置的。
抵抗墙柱是斜道区水平梁的支点。亦是小烟道区水平梁的支撑点，柱的高度很高，从焦炉地下室底部直至炉顶，因此，要求有足够的刚度。柱顶与炉顶区水平梁相衔接，炉顶水平梁则是抵抗墙柱的支承点，在结构设计时从构造上要考虑此因素。工艺设计中在炉顶有数根强大的纵拉条，将焦炉纵向两端的抵抗墙紧紧地拉住，使之共同工作。纵拉条本应是抵抗墙柱的良好支承点，但是由于受到炉顶设备如看火孔、装煤孔、上升管和装煤车轨道的限制，纵拉条不能设在对应抵抗墙柱的位置上，只能分别固定在炉顶区水平梁上，因此炉顶区水平梁就成为柱的支承点。
抵抗墙的内侧与炉体相接触，工艺对墙面平直度要求很严格，其目的是在烘炉期间作为滑动面使炉体顺利膨胀。因此，在抵抗墙的表面需设有3cm厚的找平层，以调节施工误差，保证墙面的平直度，同时对混凝土墙面在高温作用下起到保护作用。
3 温度、荷载、柱顶位移
3.1 温度
在1978～1980年，系统地观测了JN43型(65孔）焦炉抵抗墙，选择了炉间台一侧靠焦侧的半个抵抗墙布置测点，其测温点布置图见图1。
图1 抵抗墙测温点布置图
图1 中抵抗墙DZ-2柱内表面的升温曲线见图2；DB-2板内的表面温度分布曲线见图3 ; DZ-1柱的内表面温度分布曲线见图4；DB-1板的内表面温度分布见图5 ; DZ-2柱的内表面温度分布曲线见图6。从上述观测结果可以归纳以下几点。
（1）升温缓慢。从图2可见，抵抗墙内表面的升温过程与焦炉基础顶板不同。基础顶板在正常加热前温度已达到最高值，改为正常加热之后温度随即下降并逐渐趋于稳定。而抵抗墙则不然，烘炉开始后即逐渐缓慢升温，正常加热之后直至焦炉出焦仍在继续升温，到焦炉生产调整达到正常出焦时间（17.5h)后，抵抗墙内表面各部位的温度才逐步趋于稳定，其温度值远高于基础顶板。原因之一是焦炉的烘炉升温是严格按计划进行的，初期升温很慢，以保证硅砖平稳渡过几个晶体转化点，以控制住炉体的膨胀变形。其二是焦炉端部的燃烧室、蓄热室与抵抗墙之间砌有较厚的实体炉端墙，在砌体材料不仅具有导热性能（导热系数），还具有储热性能（导温系数），因此，抵抗墙的升温过程与热作用的时间有关。从第一次出焦调整到正常结焦时间（约1个月），抵抗墙逐渐达到热平衡状态，此时抵抗墙内表面方能达到最高温度值。
图2 抵抗墙DZ-2柱内表面的升温曲线
图3 DB-2内表面温度分布曲线
图4 DZ-1内表面温度分布曲线
图5 DB-1内表面温度分布曲线
图6 DZ-2内表面温度分布曲线
（2）抵抗墙内表面温度。从图2的各部位的升温曲线可看出，斜道区的温度远高于其他部位，从柱和板的内表面温度分布曲线（图3～6)更明显地展示出斜道区温度最高，这主要是炉体构造决定的。如在端燃烧室与抵抗墙之间有较厚的炉端墙，其内部除有一部分硅砖砌体外，在燃烧室高度范围内还留有约50mm宽的贯通机侧和焦侧的空气隔热层。此外，还砌有红砖和硅藻土砖作为隔热层，在端蓄热室和抵抗墙之间也砌有隔热层。在斜道区范围内，炉体硅砖直接砌筑至抵抗墙的内表面，且没有隔热层，因为硅砖的导热系数远高于其他隔热材料，因此斜道区温度最高。从升温曲线可见，斜道区中部最高温度达575℃。至于炉顶区，为了防止大面积散失热量和改善炉顶的操作条件，除了在装煤孔、看火孔和上升管等部位局部采用硅砖以外，其余大量采用耐火粘土砖和红砖，只在炉顶表面砌筑一层缸砖。近年来已将红砖和硅藻土砖改为隔热性能更好的漂珠砖。
加热煤气种类变更不会对抵抗墙内表面温度带来升降变化，季节变化对其影响也很小，实地观测结果见表1和表2。
表1 焦炉煤气改高炉煤气加热温度变化（℃）
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时 间 |
DZ－1 |
DB－1 |
DZ－2 |
DB－2 |
|
19790406（高炉煤气加热） |
409 |
451 |
522 |
612 |
|
19800627（焦炉煤气加热） |
401 |
460 |
521 |
611 |
表2 季节变化对抵抗墙温度的影响（℃）
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时 间 |
斜道区 |
蓄热室 |
|
DZ－1 |
DB－1 |
DZ－2 |
DB－2 |
DZ－1 |
DB－1 |
DZ－2 |
DB－2 |
|
19790406 |
451 |
505 |
575 |
574 |
160 |
285 |
325 |
260 |
|
19800724 |
479 |
|
589 |
577 |
162 |
312 |
322 |
256 |
根据上述观测结果，以前沿用的抵抗墙内表面温度采用均匀分布150℃是不符合实际的。20世纪80年代初的一项引进设计中，6m炭化室抵抗墙采用板式结构。在进行技术设计审查时，我方曾指出抵抗墙的温度取值——内表面温度为均匀分布150℃不符合实际，斜道区应高于其他部位，但未引起对方重视。投产后厂方发现抵抗墙板产生数条自上而下的竖向严重裂缝，板顶部裂缝宽度分别达3～7mm，裂缝长达4～5m。在该项目的二期工程时，我们按实际温度曲线进行了设计，有效地消除了裂缝，墙板完整无损。在烘炉、生产过程中，对抵抗墙内表面温度进行了系统地观测，结果表明，抵抗墙各部位温度值及分布规律与上述一致。
3.2 荷载
抵抗墙承受的荷载主要来自斜道区炉体的膨胀推力，因为斜道区构造与炭化室、蓄热室不同，炭化室本身是空的，生产时用来装煤料，相邻燃烧室也是一排空的立火道，供热气流运行。蓄热室本身是用来摆放格子砖的，其墙体与格子砖之间留有空隙，所以在烘炉加热时对硅砖虽有膨胀量，但都被周围的空隙所吸收，所以对抵抗墙不产生推力。
斜道区则为实体结构，为防止炉体产生大量热变形以及保持炭化室、燃烧室与蓄热室相对位置不发生变化，因此在斜道区内每隔一定距离，每层砖内都留有滑动的膨胀缝，膨胀缝的大小是与烘炉完成后砌体的膨胀量相吻合。在斜道区上部有炉体砌体和设备重量的压力，要使各层砖砌体的滑动面发挥作用，则抵抗墙要对斜道区产生足够的反作用力以克服各滑动面产生的摩擦力。斜道区推力的大小，随炉型大小而不同。我们曾经对两种炉型进行了实测。实测数据证明，实际产生的推力值远小于过去沿用的推力值，可降低40%（此数据值已在设计中采用）。
炉顶区位于炉体的最顶层，荷载很轻，而且相当一部分是隔热砌体，所以炉顶区对抵抗墙的推力较小，较过去沿用的推力值可降低65%。以上两项数据均已编入《炼焦炉基础设计参考资料》中。观测证明，抵抗墙的墙板区域过去沿用的均匀分布荷载是不存在的，因而予以否定。
3.3 柱顶位移
焦炉顶部有纵向拉条，将焦炉两
的抵抗墙拉结。随着焦炉烘炉升温、炉体膨胀和纵拉条的升温膨胀则使抵抗墙向外倾斜。为保证炉体不产生异常变形，在每根纵拉条的端部都设有弹簧，随着焦炉的升温随时测量和调整弹簧的吨位，以控制抵抗墙在规定的倾斜度内。我们曾对两种炉型的柱顶位移量进行观测，其结果与工艺要求基本一致。
4 设计、构造及其他
4.1 抵抗墙结构的改革
抵抗墙过去通用的整体现浇钢筋混凝土结构设计存在两个问题：一是墙板易出现斜裂缝，通称“米”字形裂缝；二是施工困难。由于整体现浇混凝土墙板在结构的内侧，造成巨大的偏重，设计又不允许出现向内倾斜，因此施工单位要求改进设计。
关于“米”字形裂缝，从上述温度分布曲线得知，由于斜道区温度远高于相邻部位，故形成张力，混凝土为脆性材料，抗拉力很薄弱，因此易产生这种裂缝。在避免产生这种裂缝的同时，也为了解决施工墙板内侧偏重的问题，故将整体现浇的混凝土墙板，在两柱之间分割成数块预制墙板，将墙板四角设埋设件与柱预留埋设件焊接，上下板之间采用坐浆法，使之接触严密，在板的横向，由于柱截面较宽，在两块板之间留有后浇带，以保证平整。设计中在墙板内表面设有抹面层，以保证抵抗墙的平直度，同时也是抵抗墙与炉体之间的良好滑动面。由于墙板改为预制板，构造上是简支结构，不产生温度应力，消除了温度裂缝，这种方案在80年代的几项工程中采用，深受施工单位的欢迎。
在抵抗墙的边柱（靠机、焦侧）外尚有一段现浇墙板（约lm左右），因为这段板端工艺要求埋设件较多，较复杂，所以仍保留现浇。
4.2 抵抗墙采用普通混凝土问题
从20世纪50年代中期以来，在鞍山、包头、武汉、北京、太原、邯郸、安阳等地建设了许多大型焦炉，对抵抗墙多采用普通混凝土，到80年代后期这些焦炉已经陆续超过了一代炉龄，需进行翻建大修。经过检查鉴定，抵抗墙结构基本完好，经过局部维修仍可继续使用。这与测得的高温值没有矛盾，其原因如下：
1) 在设计中已规定采用矿渣硅酸盐水泥，这本身就具备良好的抗热性能，有的建设单位还采用了抗热性能较好的骨料。
2) 抵抗墙内表面的抹面找平层对混凝土结构起到很好的保护作用，在拆炉过程中可以清楚地看到找平层的作用。
3) 在原冶金建筑科学研究院主编的《冶金工业厂房结构钢筋混凝土抗热设计规程》(YS12-79）中指出“稳定热源作用下的结构，可按使用经验，将温度上限200℃适当提高”。前苏联在20世纪60年代出版的《较高温度作用下钢筋混凝土结构设计规程》中对焦炉基础规定上限为350℃。其主要原因是焦炉基础所承受的是稳定性温度作用；其次，在斜道区及其附近范围的温度虽然超过了200℃，但其截面的平均温度基本符合上述两规程的规定。
4.3 水平梁的设计与构造
关于各水平梁与柱的截面选择与构造在《炼焦炉基础设计参考资料》中已规定，在此不再赘述，现补充以下几点。
（1） 炉顶水平梁。炉顶水平梁的跨度小，但从使用与构造要求的截面较大，为了满足纵拉条端部设置弹簧的需要，梁底与柱边缘须留有一定距离（约200mm )，因此，梁底与炉端（间）台边缘之间有较大空隙。为操作方便及防止工具与煤尘、杂物的脱落，保证下层工作人员的安全，在梁、柱空隙处设置钢盖板，在盖板的下表面设有挡板（要留出柱头位移需要的空隙）。设计时在梁的侧面要考虑装煤车行走时轮压的作用。
（2） 斜道区水平梁。斜道区水平梁的位置与机、焦两侧操作台和炉端（间）台第二层平台在同一平面上。以往的设计中，梁的截面高度较大，有的与柱截面高度一致。由于梁的跨度较小，截面高度可以减小。但在与炉间（端）台边缘之间较大空隙处，必须设置钢盖板，在板底表面要设置挡板。
（3） 小烟道水平梁。梁的位置与基础构架、基础顶板的上表面相一致，在以往的设计中水平梁曾作为基础顶板的支承点，由于这种方案使顶板与梁之间产生许多矛盾，故改为设置边排基础构架，使水平梁与基础顶板脱离，效果良好。因此，水平梁成为构造需要，但在墙板改为预制板时，水平梁则成为预制板的支承点，这时水平梁的内表面应突出柱的内表面，突出尺寸与预制板厚度相一致。
4.4 其他
《炼焦炉基础设计参考资料》一书中，对基础构架预制边柱铰接节点构造推荐采用梁柱之间设小垫板的做法，已在多个工程中采用，生产中应用正常，此构造是可行的，但对施工要求较严格。有许多节点在构架梁底钢板与柱顶小垫板之间未能形成面接触，而是线接触，现场需采取嵌入薄钢板，施工繁琐。后来，在鞍钢工程中将预制节点改用坐浆法构造，保证了梁柱间全面积接触，实践效果良好，不仅满足了设计要求，而且节省钢材。
基础顶板纵向机、焦两侧设有边梁，在对应每个燃烧室处设有小牛腿，以便在安装炉柱时作为支撑点，在小牛腿的中心处预留圆孔，安装炉柱下部横拉条及弹簧，以固定炉柱及套靴。因此，牛腿突出边梁下的表面很大，影响了地下室内自然通风和采光。因上述要求对小牛腿的标高、尺寸、预留孔等要求很严，且牛腿数量较多，稍不慎易导致大量返工。为此，在北焦工程中，将炉柱下拉条的位置抬高，并埋入基础顶板内，取得以下的好效果。
1) 取消了小牛腿，扩大了边梁底部与分烟道顶面之间的空间，改善了自然通风、采光及地下室的操作环境。
2) 由于下拉条埋入基础顶板内，对设在基础顶板两端的煤气支管不再受下拉条的影响，可采用与其他相同的煤气支管，方便了施工与检修。
3) 由于取消了小牛腿，抬高了下拉条，使炉柱缩短，节省了钢材。
