首钢京唐公司1号高炉施工工艺探讨

    在首钢京唐钢铁厂一期一步5500m3高炉施工中，北京首钢建设集团有限公司（首建集团公司）全面总结了日本、欧洲5000m3以上高炉及国内大型高炉的设计和生产经验，坚持“高效、低耗、优质、长寿、清洁”的设计理念，采用先进实用、成熟可靠、节能环保、优质长寿的工艺技术和设备材料，实现了高炉的大型化、高效化、现代化、长寿化、清洁化。此高炉为国内首座5000m3以上特大型高炉，采用了当今国际炼铁技术领域的十大类、68项先进技术，具有21世纪国际先进水平和强大的竞争力。一期一步高炉总高126.4m，有效容积5500m3，年工作日355天，年生产449万吨铁水，设计寿命25年（一代炉龄）。共完成土方6.4万m3，浇筑混凝土5.315万m3，钢结构制作安装2.9万吨，设备安装9224吨，电缆敷设123.5公里，各种管道4.5公里，并成功实现了1号5500m3高炉基础混凝土连续浇筑84.5小时，共10454m3.

    基础混凝土施工的主要特点和技术难点

    高炉基础2007年3月12日正式开始施工， 4月2日上午9：00开始浇筑砼，经过连续84.5个小时的不间断浇注，顺利完成了浇注混凝土10454m3的施工任务。整个高炉基础施工历时24天。

    5500m3高炉基础浇注是国内最厚的大体积混凝土浇注工程，工程量最大，质量要求高，养护困难，必须一次不间断连续浇注完成。首建集团公司高度重视，组织工程技术人员制定了详细周密的技术方案和施工组织实施方案，并聘请国内知名的混凝土裂缝专家进行评审和技术把关。施工中采用了国内最先进的测温技术和应力应变技术，随时掌握内外温差，确保控制在25℃以内。搅拌站至高炉工地往返6公里的运距，采用了26台9m3的水泥罐车，每台按规定时间跑12个往返，共1248车次。整个施工过程没有发生任何安全质量问题，创造了中国冶金工程建设史上的新纪录。

    为了获得大积体混凝土施工数据，首钢集团公司采用电脑监控技术，对砼内部温度及砼应力进行了监测，获得了第一手数据资料。使砼内外温差、内部应力达到了非常理想的水平。工程实体达到了内实外光的要求，受到了专家一致好评，开创了国内冶金行业大体积混凝土施工的新纪元。

    钢结构制作安装特点、技术难点

    高炉炉壳炉壳安装精度要求很高，组对后要求严格将风口带、铁口带水平标高偏差控制在4mm以内、对口错边量6mm以内、炉壳钢板圈的最大直径与最小直径差（55.8mm），以及钢板圈相对炉底中心的最大偏差不大于30mm.在跨带冷却壁的围板安装中，易产生焊接收缩，要满足冷却壁的安装精度要求，围板安装难度就增加了。

    作业场地属沿海气候，空气湿度大，雨雪天气多，极易产生气孔、延迟裂纹、未熔合、夹渣等焊接缺陷。

    钢板材质属于微合金高强钢（HSLA）。需要解决在焊接、冷却过程中的热裂、冷裂、氢致裂纹等问题。

    该材质中含有氮元素，如果焊接不当很容易产生时效脆化，因此需要严格控制焊接工艺参数，防止因氮元素的偏聚而出现的裂纹、气孔等现象。

    由于高炉容积较大，最大直径处达18.6m.受客观条件和吊装能力所限，大部分炉壳围板不能在地面组焊成型后整带吊装到位，有部分立缝只能在高空焊接完成。

    热风围管热风围管内部砌筑和喷涂对管道椭圆度要求很高，允许偏差在5mm内，比普通大直径卷焊钢管制作椭圆度要求提高了5mm. 42个短节对应高炉42个风口直吹管，要确保42套风口设备的安装精度，对短节弦长以及相互间尺寸的加工和安装精度提出了很高要求。

    热风围管安装精度，环管上表面高低差要求控制在10mm内。围管内表面至高炉外壳的距离允许偏差要求控制在20mm以内。

    上升管、五通球上升管在70m高空对接安装，垂直度控制在20mm以内。

    五通球需开5个孔与四根上升管和一根下降管相联，然后在110m高空进行组对安装，开孔位置允许偏差3mm，开孔直径与支管直径之差2~5mm.五通球在113m高空安装组对，安装标高偏差要求控制在±30mm以内，纵横中心偏差不超过30mm.构件的安装顺序给吊车的设置和吊装带来很大难度。五通球重量达62吨，安装中心标高▽113m，DBQ4000吊车只能在五通球吊装到位后擎住，再利用630吨吊车进行第四根上升管弯管的安装。

    下降管下降管上联五通球，下接旋风除尘器，是自立门架式结构的超长（66m）钢管斜横梁，中间无支撑，两端为固定口连接。设计要求整体门架结构形成前，五通球及旋风除尘器伸出部分不能承受较大的悬臂弯矩。

    下降管安装位置高（上口标高113.2m，下口标高63.103m），重量大（176t），其下是矩形出铁厂房；吊装重量大，考虑施工成本及场地狭窄的现场条件，无法使用两台超大型吊车抬吊就位。同时沿海施工吊装构件高空横向风力大（常年3级风以上）。

    由于五通球上伸出弯管及旋风除尘器上斜插管为空间结构，管壁厚20mm，空中组装误差及焊接变形较大，下降管与其为固定口相连，空中组对困难。

    炉体框架炉体框架柱截面尺寸大，内部结构极为复杂，施工图深化设计和加工制作难度很大。

    框架结构内部采用了横向横隔板、纵向T型加劲肋的结构形式。框架柱在12m内就有9组横隔板和10根T型钢，箱型柱内部结构复杂，焊接量大，易变形。

    框架柱单节柱最重达101吨。

    各层平台采用八卦式结构布置，设计要求平台梁两端安装精度控制在1mm以内，以保证高强螺栓的安装。

    防腐蚀要求高该地区属于沿海地区，空气湿度大，氯离子含量高，对钢结构腐蚀性强，因此除锈防腐是非常重要的环节。因此采用喷砂除锈达到Sa2.5级后，刷富锌底漆，它是性能优异、具备阴极保护的电化学涂料。

    底漆：环氧富锌漆一遍，干膜厚度60μm（室外）；中间漆：环氧云铁漆一遍，干膜厚度80μm（室外）；面漆：脂肪族聚氨酯面漆两遍，干膜厚度60μm（室外）。

    在炉本体钢结构制作安装中采取的有效措施

    高炉炉壳安装和焊接控制工艺炉壳安装和焊接工艺流程：设备调试→炉壳吊装组对→装配交检→焊前预热→炉壳立缝焊接→炉壳环缝焊接→焊接检验→焊后热处理。

    高炉第1带～12带炉壳按出厂单元进行吊装、组对焊接；第13带～16带先在安装现场组焊成单带，然后整带安装就位；第17带～22带在工厂每相邻两带组焊成一个单元，然后发运到安装现场直接吊装就位。第23带、第24带+25带分别在工厂组焊成带，然后发运到安装现场直接吊装就位。

    吊装组对后调整、测量，再调整、复测，合格后加固，进行焊接，采用二氧化碳气体保护焊的方法。

    严格执行焊前预热、焊后缓冷、焊后热处理工艺，采用电加热方法，利用计算机控制技术+WDJK-360型控制柜对履带式电加热器进行适时控制，设定控制参数实现全程自动控制，保证了焊接和热处理的质量；同时这也是解决由于现场高湿度可能引起焊接缺陷问题的措施之一。

    预热温度：120~150℃；后热温度：250~300℃；热处理温度：650℃。

    严格控制焊接程序，先焊炉内侧焊缝，然后在外侧碳弧气刨清根、打磨合格后，再对外侧焊缝实施焊接，同时采取对称焊、多层多道焊、分段退焊等方法，最大限度降低因为厚板焊接存在的拘束度过大而产生裂纹的可能性。

    针对BB503材料的特点：在焊接过程中为防止氮元素在焊缝处偏聚，严格控制熔合比，严格控制焊接线能量和层间温度。

    针对沿海焊接施工的特点，严格执行了以下控制措施：在炉壳对接、组焊过程中，视天气情况，适当采取防风、防雨、防雪等措施，确保焊接质量要求。

    严格清理焊接坡口表面及两侧距坡口边缘30㎜内的水渍、铁锈、油污、渣和其它杂质。

    严格控制焊材的含水量：CO2气体保护焊用的CO2气体应保持干燥，气体纯度不小于99.8%（体积法），含水量不大于0.005%（重量法）。

    严格执行焊前预热、焊后后热、缓冷的工艺措施。

    为保证炉壳的尺寸和炉顶标高，采取了带与带之间预留间隙的方法进行调整，通过计算使间隙在2~4mm内，在焊后收缩的情况下，完全满足了冷却壁的安装和炉顶设备安装的要求。

    热风围管制作、安装工艺采用数控切割，切割后的尺寸极限偏差控制在±1mm内。

    围管短节组对过程中，依次检查组对后内侧和外侧弦长，以保证围管整体圆度。

    制作完成后整体预拼装，对有超差部分进行地面调整。

    在9.9m平台上组对，提前在平台上划出十字中心线、围管内外边缘线，围管整体组装完后进行焊接加固，防止变形。

    在34m平台上设立4个吊点，利用滑轮组进行同步整体吊装，吊装过程中全程监测高度。

    吊装到位后测量环管内表面至高炉外壳的距离，在确保合格后利用垂直吊杆固定。

    上升管制作安装工艺采用数控切割下料，把切割偏差控制在了±1mm以内。

    上升管地面组对，整体吊装，减少高空作业难度和满足上升管垂直度的要求。

    五通球制作安装工艺措施球片用专用胎具压制，为保证各块边缘成形精度，在每块四周加放3倍板厚的压头量。

    五通球支架和支撑按30°周圈布置，在基准圆外侧的球壳板处均匀点焊定位块，然后以定位块和胎具为基准，按顺序装配赤道带壳板。待纵缝定位焊接完成后装上、下极带。

    五通球与上升管四个接口设立活动短节，以便在高空组对时调整，提高了组装精度，加快了施工进度。

    根据五通球焊接容易变形等特点，首建集团公司经过精确定位，对五通口相贯线进行精确切割，并加设16道放射型防变形拉筋，保证了其椭圆度达到图纸及规范要求。

    下降管计算机模拟吊装技术。根据现有施工场地及吊车起重能力，确定吊装构件大小（分2段吊装），施工前用计算机模拟整个吊装过程，精确制定下降管部件现场组对位置、吊车及起吊重物运行路线、就位过程，确保构件平稳无障碍吊装。

    精确计算构件重心，确定主吊点及调整绳悬挂点，确保构件按安装位置角度起吊。

    下降管上装有梯子、栏杆及均压放散管等附件，必须精确计算组装后构件的重心，选择正确的主吊点及调整绳悬挂点，在离开地面前调整好角度，才能精确安装就位，实现与固定口的组对。

    采用可调式支架，空中调整及支撑上管段。

    按照安装位置，用计算机模拟设计上管段“人”字形支撑架，支脚与炉顶平台梁铰接，在炉顶平台设链式起重机，用钢丝绳拉支架顶住横梁，在五通球上焊接吊耳挂固定定滑轮，通过链式起重机、钢丝绳调整支撑架位置，进而支撑或调整管段安装角度。

    仪器精确测量五通球伸出管及旋风除尘器斜插管空间位置，确定下管段长度及角度。

    用进口高精度TDA5005全站仪精确测量五通球伸出管口、旋风除尘器斜插管口相对高炉中心线的角度、位置座标点，计算确定下段管的长度，测量精度达到了0.3mm.三角形法测量下管段吊起角度，配重调整，使吊起角度与安装就位角度完全相同。按安装就位角度精确计算下管段重心，用吊车试吊离地面，下管段上口挂重锤，由下管口下部拉钢线，用钢角尺测量使钢线与重锤线垂直后，测量两钢线长度与计算值对比，然后在两管端调整配重，直至两者相等后起吊。

    选择晴朗风力小的天气，上午10点钟以后吊装，避免沿海早晚风大的影响。

    通过实施以上6项措施，下降管上段2小时吊装就位组对完，下段4小时吊装就位组对完，管口长度偏差23mm，径向偏差5mm，高于规范径向偏差10mm的要求，而且快捷安全完成吊装任务。

    炉体框架柱、梁针对框架柱、梁结构复杂，节点深化困难的问题。首建集团公司成立了专门的详图深化设计小组，利用AutoCAD进行空间建模，在此基础上拆分零部件图，提高了详图质量，确保了配合尺寸精度，满足了工程需要。

    炉体箱型柱、梁造型复杂，内部加劲肋数量多，焊接过程中易变形。首建集团公司根据不同的构件和不同的节点形式采用如下控制方法，对控制焊接变形和残余应力达到了事半功倍的效果：划分制作单元，安排合理装配、焊接顺序：翼缘板、腹板、隔板、T型肋等均经过变形校正后方可进行装配。装配时按结构特点，采取一次装配、焊接、二次装配、二次焊接的方法，确保装配、焊接质量。

    采用手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊、埋弧焊接等多种焊接方式以适应不同的结构型式和空间位置。

    厚板焊接采用焊前预热、多层多道焊、分段退焊、焊后缓冷等方法，焊接过程中控制层间温度在100~200℃，以控制焊接变形和应力。

    对焊缝集中的部位：采用小规范、对称焊等方法，以减小焊接应力和变形。

    在满足设计要求的情况下，隔板和加劲肋采用间断焊接的方法。

    对于要求开坡口的部位，尽量采用双面对称坡口，并在多层焊接过程中采用对称焊。

    针对炉体框架柱、梁安装精度高的要求及构件重量大的问题，首建集团公司采取了以下措施进行控制。

    利用CAD在电脑上对柱基数据进行测量，复核基础的标高以及和炉基中心的距离。保证安装时立柱间对角线距离控制在了7mm内，比相关规范15mm的要求有了明显提高。

    安装时用经纬仪测中心线的垂直度，用水准仪测量检查标高，下部用千斤和倒链微调，合格后将垫板垫实、螺栓把紧。

    经过计算，首建集团公司选用4000t.m吊车对炉体框架柱进行吊装，选用300t履带吊对炉体框架梁进行吊装。

    通过以上的措施，既解决了由于结构复杂，给详图深化设计带来的困难，又消除了构件制作中的焊接变形，所安装的炉体框架柱垂直度偏差最大为10mm、均在规范要求的20mm以内，炉体框架梁水平度均在2mm内。

    新技术应用

    高炉炉壳BB503特厚钢板焊接技术；厚板热处理采用计算机自动控制。

    使用进口的高精度TDA5005全站仪，对高炉标高及中心线进行三维坐标测量（TDA5005全站仪其角度测量精度标准偏差±0.5〞；自动水平补偿设置精度±0.3〞；总精度±0.3mm；测距精度±0.2mm）。

    大截面厚板箱型梁焊接、热处理工艺及应用技术。

    采用数控相贯线切割机进行钢管切割下料，并采用数控编程对每根构件尺寸及每个相贯口形状进行切割下料。该方法操作简单，工艺先进，切割精度和效率高。尤其是对各种复杂的钢管贯口，更能体现其自动切割、高效切割和高质量切割的优点。

    计算机信息化管理：模拟吊装、详图设计、资料管理。

    具有沿海地区特色的钢结构防腐技术。