連鑄機設備基礎設計實踐

彭　堅

[摘要]簡要介紹連鑄機基礎結構布置和形式、基礎結構和構造設計原理；結合多項工程實踐，對設計控制、計算方法和構造措施進行對比分析，可供同類工程設計和施工參考。

[關鍵詞]連鑄機鋼包回轉臺 設備基礎 動力及承載力 構造設計與設計控制

中圖分類號：TB4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220129－03

一、連鑄工藝設施簡介

在黑色冶金工業(yè)工藝流程中，連鑄工藝位于承上啟下的位置，其作用是將成品鋼水澆鑄成供后續(xù)熱軋工藝需要的中間產品。目前常見的有不同規(guī)格方坯、圓管坯、板坯等產品，不同產品的連鑄設備略有不同，對應設備基礎也有差別。

目前，該產品的中間屬性和市場供求關系抬高了鑄坯附加值，各大鋼廠紛紛立項新建連鑄項目或改造原連鑄設備，以增強企業(yè)戰(zhàn)略競爭力。此時工藝重點考慮通過提高技術裝備水平帶動生產能力、作業(yè)率、成才率和產品質量的同步提高；最能代表該核心工藝資金密集性、高技術裝備水平的是其前處理澆鑄過程中的結晶、拉矯流程，具體表現在采用結晶器液壓振動代替機械振動提高鑄坯質量；改善扇形段的拉矯處理能力，以提高生產速度和產量；進行先進合理的電氣自動化控制系統(tǒng)改造或換代。這些都將導致該前處理區(qū)域的設備基礎結構設計更為復雜，相應須重點關注設計部位和解決的設計問題較多。而在后續(xù)傳動輥道運輸區(qū)間的功能設備如切割、去毛刺、堆垛、橫移、（連續(xù)或步進）冷卻、稱量打印等機械過程就大同小異，隨不同產品工藝要求變化布置位置，因此其后處理設備基礎設計就相對較為成熟。

連鑄工藝配套輔助專業(yè)有工藝水冷卻、沖渣水處理系統(tǒng)、二冷排蒸汽系統(tǒng)、設備液壓支持系統(tǒng)和電氣自動化控制系統(tǒng)，同時配設機械維修設施。這些系統(tǒng)在整個連鑄工藝流程中不同位置上都有各自的功能作用，結構設計人員在設備基礎設計中要注意配合上述各專業(yè)進行配套設施基礎結構綜合設計。

二、連鑄機設備基礎的總體結構形式

總體設計上，要求對連鑄全線設備基礎的地基持力層進行合理選擇；有瞬間沖擊荷載作用或旋轉設備作用下，設備基礎盡量避免過大偏心布置；針對不同設備荷載作用確定不同的支承結構或基礎剛度，并進行合理過渡，避免較大突變。這些都是應該在前期設計中要特別注意的問題。

連鑄設備基礎從結構設計復雜程度可以分為前區(qū)主機設備基礎設計和后區(qū)設備基礎設計。由于產品不同，連鑄機前、后區(qū)設備基礎的形式也有所不同，主要分為如下兩類：

第一類是大小方坯和圓坯連鑄機設備基礎：前區(qū)包括大包回轉臺及封閉式二冷密閉室及操作平臺，其產品（鑄坯）荷載較小，多流結晶振動器用平臺鋼梁分別支承；常見拉矯流數多為3～7流，拉矯機可用支墩或橫梁支承；后區(qū)為大面積坑槽基礎，中間以支柱支撐傳動輥道及各功能設備和運輸設備，直到鋼坯進入冷床設備基礎區(qū)域。

第二類是中寬厚板坯連鑄機設備基礎：一般為單流或雙流連鑄機設備基礎。前區(qū)包括回轉臺和半封閉二冷密閉室及操作平臺，板坯荷載較大，結晶器用單獨基礎或墻體支承，在扇形段中間分段設置其驅動電機拉拔板坯，基礎底部可能設有部分液壓閥臺、水道管廊地下室及電纜隧道；中后區(qū)為單、雙流沖渣溝、豎壁坑槽或臺式基礎支承傳動輥道運輸，兩側點式布置工藝前述各功能設備基礎與輥道支承基礎混澆。

三、連鑄設備基礎的一般問題

后區(qū)設備基礎設計主要考慮的問題有：改進結構形式使各功能設備的水平荷載傳遞路線更為合理，構造要求混凝土采取可靠防護措施，滿足紅熱鐵屑隔熱和沖渣水耐磨要求。近年來連鑄機后區(qū)輥道沖渣溝都較深，但豎壁的厚度由過去900～600mm厚反而減薄到650～450mm厚，且配筋也相應減少，這是參考了熱軋輥道基礎作法，即在沖渣溝兩側間隔設置拉梁，溝頂設置暗梁，同時考慮兩側各功能設備基礎的側向支撐作用的效果。除上述問題外，其余即為通常的坑槽基礎設計。

兩類形式前區(qū)設備基礎設計，都是圍繞核心的大包回轉臺和二冷密閉室區(qū)域基礎進行。一般情況下澆鑄平臺為鋼結構平臺，與回轉臺脫開或搭接布置，基礎則采用同一個大底板；平臺面在澆鑄時可能濺鋼水的范圍應配合工藝進行耐熱、耐磨設計，此外還應進行工作環(huán)境人性舒適化和安全設計，如操作室的隔音降噪、平臺事故逃生通道規(guī)劃等；二冷密閉室各構件皆處于較高濕熱溫度環(huán)境，須注意進行耐輻射熱及抗腐蝕構造設計。對于板坯連鑄機前區(qū)基礎及平臺，其支承的設備多，有中間罐車及其拖鏈平臺、渣盤、烘烤器、結晶器振動裝置、扇形段香蕉座和拔出軌道及其多級驅動電機、通風排蒸汽及冷卻水管道等，支承的這些設備荷載大，加上它們的吊裝、檢修、交通及其操作等設施，導致基礎標高在平面和空間尺寸頻繁變化，會出現很多洞口削弱、多級懸挑、偏心和扭剪構件，這類細小結構構件都是結構設計人員在大體量混凝土設備基礎設計中容易被遺漏或忽視之處，但它們卻很容易在特殊狀況下由于極端荷載、地震或設備振動時可能引起共振、應力集中、突變或復合應力效應，設計的疏忽可能導致構件失效從而出現事故。

可以看出，要做好該部分主機基礎設計，首先要弄清楚機械設備功能及其荷載作用方式，進而分析并組合其正常工作和極端狀況下結構設計需要的各種參數，然后經過反復推敲和比較，以求布置出合理的總體傳力體系和針對性設置支承、支撐、加強構件，再經過慎重的結構分析計算，專業(yè)概驗設計和細部構件處理過程，從而完成類似復雜設備基礎設計工作。加倍的耐心和細心是設計人員必備的優(yōu)秀品質，也是做好該類復雜設備基礎的前提和保證條件。

四、連鑄設備基礎中特殊部位結構設計

（一）結晶器振動裝置支撐鋼梁和框架結構整體剛度

小方坯和管、圓坯連鑄平臺多為鋼結構平臺，其多流結晶振動器無論是機械式還是液壓式都坐落在次鋼梁上，再通過框架主梁傳遞到框架柱。該主、次鋼梁的強度、整體穩(wěn)定和撓度計算都容易滿足設計要求，但很容易忽視其振動動力計算。例如在某工程單機試車時，就發(fā)現該部位振動超過允許振幅，現場采取在框架主梁下加設斜撐才解決了這一問題。

聯想該狀況與另外某原料場通廊工程鋼結構出現過的皮帶機抖落礦料、通廊上下晃動以至檢修人員不能通行狀況類似；其處理方式是加設斜撐或增加立柱。究其原因是直接支承動力設備荷載的鋼構件剛度有問題。

我們知道，任何結構都有一個固有頻率ω，見式（1），結晶器振動裝置有一個設定的工作頻率約150～400次/min，即一般鋼結構框架或梁的固有頻率或周期也恰在此區(qū)間，當頻率相同或接近時發(fā)生共振或諧振，引起設備使用困難。在低轉速高架旋轉設備基礎振動設計中，根據工程經驗采用大于2～４倍振源（轉子）質量去設定支承結構截面，以避免共振或將振動控制在被允許范圍；進行框架結構承載力計算時，采用2倍橫向、４倍豎向的振源（轉子）質量作為當量荷載與其他靜力荷載進行組合，以滿足規(guī)范中承載能力極限狀態(tài)計算的要求?，F在的鋼結構設計偏重于用高強材質降低單位面積耗鋼量，但在動力荷載作用條件下，以高強度代替增加配重不能解決振動問題，加大鋼構件截面高度或板厚有一定局限，因此，要解決振動問題，通過增加中間支承柱及平面或空間支撐構件體系，以減少計算跨度和增強框架抗平面或空間扭轉變形剛度，相應改變結構固有頻率，是避開或遠離振源頻率的可行方法。

大方坯或中寬厚板坯連鑄機的結晶器振動裝置較大，都對應布置在落地基礎上，基礎剛度就比較大，一般不會出現共振情況。

（二）混凝土澆鑄平臺和電氣室框架結構、回轉臺剪力墻（或筒體）結構與扇形段撥出軌道支承墻兼二冷密閉室墻體結構，三者整體澆筑與設置變形縫關系問題

早期的澆鑄平臺多采用鋼結構形式，與混凝土構件在適當的部位都互相脫開或搭接處理，相互間都留有自主變形的余地。近期的澆鑄平臺設計，考慮如電氣室、液壓閥臺等功能的組合布置，特別是設備成套項目更多地兼顧造價因素采用鋼筋混凝土結構。上述3種不同形式的結構幾乎成品字布置，由于設備運行及其支承構件傳力體系的連續(xù)性，很難按照規(guī)范要求設置變形縫。雙流板坯連鑄機平臺結構總長度一般都超出現澆框架結構55m、剪力墻結構45m的限制，且中間的二冷密閉室墻處在熱輻射和蒸氣潮濕環(huán)境，因此結構整體的溫度應力不容忽視。

在進行某工程設計時，采用了如下處理過程：計算程序中加大溫度應力折減參數設置；各層平臺框架梁與密閉室墻體連接處采用鉸接連接模型計算配筋，即允許梁繞墻轉動變形；密閉室墻體頂板結合安裝、檢修孔采用活動蓋板取代混凝土平臺，相應在墻體中間蓋板區(qū)域留有變形空間，就起到類似減少伸縮縫區(qū)段長度作用；同時，施工圖要求在適當位置沿高度設置通長后澆帶；濕熱環(huán)境的墻體采用耐輻射熱混凝土并適當摻加添加劑。通過上述計算和構造處理，該工程大部分在冬季施工的主體混凝土結構目前處在正常使用中，未發(fā)現由溫度應力引起明顯開裂。

（三）扇形段撥出軌道支承墻體兼二冷密閉室墻體被扇形段驅動電機軸承穿孔及排蒸汽管道、液壓管道等密集排列洞口削弱問題處理

板坯連鑄機的密閉室邊墻下部，階梯形布置有一排扇形段驅動電機軸承洞口和排蒸汽管道洞口及交通門洞，墻中間高度位置也單獨布置一排排蒸汽管道洞口，其中底層洞口水平間距最小處僅夠放置一根鋼筋，實際相當于構成一個大洞口；扇形段撥出軌道在該底層洞口上沿弧形布置一排預埋件，中間及上部也各布置一排預埋件，一個預埋件豎向荷載可達50～525kN，彎矩達87～360kN.m，且懸挑作用在墻體外625mm處。此時，原落地墻底層被各洞口分割成多個短柱，兩個或多個緊靠的洞口構成一個大洞口，如果仍然按剪力墻結構去設計、計算或構造加固配筋，就明顯偏離實際受力狀況（見圖1）。

實際工程設計時，在“墻”兩端設約束邊緣構件（暗柱）；將各層洞口頂部加強梁橫向延伸到兩端暗柱，預埋件處也同時設置加強橫梁到兩端暗柱，兩種加強梁的布置應綜合考慮，并可合并設置；底層洞口加固柱向上延伸到第一層加固橫梁后，間隔將該加固柱有規(guī)則地延伸到上部墻頂封邊梁，從而構成明晰的平面暗框架結構體系，這樣的轉換使得該墻體力學體系清晰，構件分析有章可循，受力明確，配筋合理，從而避開遇不規(guī)則洞口破壞時，仍舊按原剪力墻進行正斜向配設加固鋼筋的簡單處理方式，目前該墻體正常使用。

由于預埋件在墻體平面外方向上焊接撥出軌道荷載，使該處暗框架梁、柱形成彎剪扭復雜受力狀況，此時須進行局部構件的驗算；當墻體厚度較小或洞口間距太小導致暗柱和暗梁不能滿足彎剪扭計算要求時，可采用鋼骨混凝土進行加強處理。

（四）大包回轉臺結構及其支承墻體和中間樓層設計

1．大包回轉臺頂板一般由兩道墻體結構或筒體結構支承，主要承受旋轉機構設備荷載，中間設有1～3層平臺供工藝配水、電氣、液壓、通風等專業(yè)，分別將各自管道有組織進入結晶和扇形段拉矯設備機體內；平臺荷載一般為1.5kN/m2左右。頂部的設備旋轉機構，接受并支承鋼水罐，并從接收跨旋轉180°到澆鑄位。該旋轉機構生產時豎向荷載很大，同時產生三向彎矩，設備地腳螺栓較粗，由于埋置深度及埋設方式確定頂板厚度不同，同時地腳螺栓布置與回轉臺支承豎墻位置和豎墻間板的跨度也不同，導致頂板混凝土量及其配筋大，設計人員對該處的設計控制處理方式也不盡相同。

對近期已經投產的幾個連鑄機大包回轉臺頂板設計尺寸和配筋結果統(tǒng)計見表1。

從表1可以發(fā)現以下規(guī)律：

首先，對比寬中厚板坯連鑄機回轉臺頂板厚度及跨度差別較大，相應對頂板混凝土的承載能力極限狀態(tài)（抗彎抗剪強度和配筋）和正常使用極限狀態(tài)（剛度、振動、變形、裂縫）有較大影響，其結果是：

寬厚板坯回轉臺旋轉設備荷載極大；支承墻中心跨度5.5ｍ左右、頂板厚度在2.5ｍ以內的配筋，由承載力和裂縫控制，配筋率在0.61％左右；頂板厚在3ｍ以上的為構造配筋，配筋率為0.2％左右。值得注意的是荷載大小接近，頂板厚度之差卻在一倍以上，當然配筋率差異明顯；究其原因是因為板厚度由地腳螺栓錨固長度決定，且發(fā)現國外制造商提出的頂板厚度較薄是除采用直埋、套筒螺栓以外，還采用了對穿螺栓錨固方式。

方坯連鑄機回轉臺設備荷載較厚板坯小一倍以上；頂板厚度在2m左右，雖然板跨度有所差別，按構造配筋率0.25％左右可以滿足設計要求。究其原因可以發(fā)現，頂板跨度小或設備傳力點幾乎布置在支承墻體上，相應頂板實際荷載效應較小，僅由旋轉機構地腳螺栓錨固長度確定頂板厚度，且基本上是直埋或預埋套筒螺栓錨固方式。

其次，對比寬厚板與方圓坯連鑄機回轉臺的設備荷載布置分析，寬厚板設備傳力點（設備底板地腳螺栓位置）全部或多數布置在回轉臺頂板跨度內，其荷載要通過板傳遞到墻體，相應增大了板受彎、剪作用效應。從表中可以發(fā)現，當地腳螺栓布置在墻體部位，在最大荷載工位時極端彎矩荷載分解成豎向力直接向墻體傳遞，且此時頂板的控制荷載就為瞬間荷載，相應可以取小于1的組合系數，對減小板厚或配筋都很有效果。

第三，從回轉臺設備工作狀態(tài)極端荷載選取上分析，單罐滿包時偏心彎矩最大；結晶器事故狀態(tài)下可能出現2滿包負荷，此時豎向力最大；1個空罐1個滿包受料或該狀況旋轉時荷載介于兩者中間，且該種狀態(tài)正常生產最常見，設計中應按各種工況進行荷載組合并取最不利值進行設計。

2．關于回轉臺支撐墻體

回轉臺支承墻體或筒體除承受豎向荷載外還要承受回轉臺旋轉產生扭剪水平力。從表1中可以看出豎墻厚度明顯小于頂板厚度，因此在構造頂板與墻體交接點處應慎重處理。

首先，不宜按固接處理交接點，因為與頂板厚度的明顯差異，即便是按剛度分配彎矩，豎墻豎向配筋量也幾乎會到配筋率極限，且要適應反復旋轉荷載作用，要求疲勞、變形和裂縫控制就很難滿足；另外，較粗且密集的鋼筋拐彎并與頂板鋼筋搭接也會給鋼筋加工制作、綁扎和混凝土澆筑振搗施工造成極大困難。

回轉臺墻體一般較長，表1中墻體厚度承受扭轉分解成的水平荷載是沒有問題的；筒體結構抵抗扭轉荷載就更為有利。一般按構造配筋率適當加大些配置水平鋼筋，即1.0m厚墻體配置Ф20～25@150都能夠滿足設計需要。

其次，該墻體的構造應該按照混凝土規(guī)范對應的剪力墻或筒體有關要求進行節(jié)點加強，如設備、電氣和管線專業(yè)洞口設置暗柱加固；整體構造上在墻體端部或拐角處應設置構造邊緣構件或約束邊緣構件等。

其他位置墻體應參照二冷密閉室墻體見前述3.2條的處理方式。

3．關于樓層板厚度的取值

各層平臺板厚取值不能僅考慮本層豎向荷載作用，還要考慮水平力的傳遞及兼顧回轉臺整體水平剛度。設計中發(fā)現相近荷載作用下，國外資料給出了0.6m厚樓板資料，國內設計僅做到0.25～0.4m；其區(qū)別是在厚板中布置淺排水溝及有暗梁進行洞口加固，底板平整美觀，宜布置吊掛埋件，方便使用；當平臺板較薄時，往往需要布置明梁，預埋件布置不方便，施工較麻煩，但較節(jié)省混凝土。目前兩種布置都能正常使用。須注意的是：事故罐平臺板厚一般做到0.8～1.2m，與之平接的樓層板厚不宜做得太薄，防止剛度突變產生不利影響。

4．關于連鑄機前區(qū)混凝土體量優(yōu)化

板坯連鑄機的結晶澆鑄到一次切割前的基礎混凝土量較大，一般底板有2～3ｍ厚，再加上從地坪到8.5ｍ高的實心混凝土基礎，足夠平衡回轉臺傾翻彎矩。某工程該處底板厚2.5～1.9m，地下室頂板外商要求3.4ｍ厚，上部扇形段基礎結構實心混凝土達到10ｍ厚，混凝土量偏大。設計中發(fā)現外商將平臺柱荷載通過很厚地下室頂板再分配傳力給地下室柱及邊墻和中間落地基礎，同時地下室頂板面標高設置較低；實際上若通過調整地下室柱布置位置和抬高地下室頂面標高，是可以減少該頂板厚度的；在設計時將中間墻體在適當位置挖空，與其他樓層或隧道聯通，既方便管線布置同時也節(jié)約了混凝土。可見，通過精心設計，也是可以發(fā)現許多結構優(yōu)化之處的。

五、結語

目前的連鑄機設備基礎設計是有規(guī)律可循的，但仍處在局部計算加經驗構造設計階段。筆者認為：進行系統(tǒng)、完整、精確的三維分析，是亟待深入研發(fā)的課題。如旋轉荷載、機械或液壓振動等特殊荷載作用下的結構靜力和動力分析，這對設計優(yōu)化、專業(yè)設計標準化建設是一個全面的理論保證，同時也是一個有待繼續(xù)深入探討的專題。

作者簡介：

彭堅，男，漢族，重慶人，中冶賽迪工程技術股份有限公司，建筑工程設計部，教授級高級工程師，工業(yè)與民用建筑結構設計。