一种干熄焦炉斜风道支撑柱装配式构件制作方法

技术领域

本发明属于干熄焦炉技术领域，具体涉及一种基于浇注料与BIM技术的干熄焦炉斜风道支撑柱装配式构件制作方法，制作的预制件用于干熄焦炉内衬的装配式维修。

背景技术

干熄焦炉是干熄焦工艺核心设备，其中斜风道是整个干熄焦炉的关键部位，是干熄焦炉安全平稳运行和优势发挥的重要保障。斜风道下连冷却段，上承环风道，其支柱以倾斜方式支撑上部数百吨耐火材料，上下之间存在近400℃温度梯度，每年经历超1300次以上较大温度波动，维修频率高。干熄焦炉内衬建造时采用耐火砖自下而上砌筑形成，以中大型干熄焦炉(190t/h)为例，斜风道的耐火砖砖型便已达200余种，总重量超500t。当斜风道支撑柱耐火砖损毁需要维修时，传统维护技术仅能更换表面损毁的耐火砖，并且其工序繁杂、作业困难、修复质量差，难以保障维修后的斜风道服役寿命；或者将内衬全部拆除后重新砌筑，这又使得干熄焦炉的运营成本过高，经济性难以保障。

针对干熄焦炉斜风道支撑柱耐火砖损毁后的维护，目前更先进且合理的技术是采用浇注料制作斜风道支撑柱的预制件，通过“上拉下撑”或制作专用支撑架等方式，仅对损毁的斜风道支撑柱进行整体更换，该技术方案针对性强、维修作业工期短、工程成本低，并且浇注料作为不定形耐火材料，具备适应性强、快速定型、不需烧制的特性，在制作成块体后能够快速砌筑出斜风道支撑柱预制件。但现有技术在制作浇注料预制件时往往依据工程人员的经验进行制作，缺乏科学合理的方式设计、配置浇注料块体，导致干熄焦斜风道支撑柱预制件力学性能与热震稳定性差，投入使用后因存在薄弱部位而损毁频繁，大大降低了其服役寿命，影响干熄焦炉的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种干熄焦炉斜风道支撑柱装配式构件制作方法，可优化调整干熄焦炉斜风道支柱浇注料的排布形式，并在薄弱部位配置耐热不锈钢骨架，加强了预制件力学性能与热震稳定性，提升了预制件整体性，保障干熄焦炉内衬修复质量，延长更换后的干熄焦炉斜风道服役寿命，解决了现有预制件制作不规范、不科学的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种干熄焦炉斜风道支撑柱装配式构件制作方法，包括如下步骤：

S01，BIM建模：依据干熄焦炉炉衬设计图纸，建立斜风道支撑柱BIM三维模型；

S02，模型优化：基于BIM三维模型，调整内部浇注料块体的尺寸及灰缝布置；

S03，模拟计算：确定模型参数和边界条件，进行模拟耦合计算；

S04，结果分析：进行计算结果分析，符合材料强度要求则进行步骤S05，不符合要求则重复S02和S03；

S05，优化加强：再次进行分析，对预制件的压应力集中区进行结构加强；

S06，生产预制件：根据最终分析结果生产浇注料块体，并将浇注料块体砌筑成预制件。

进一步的，所述的S01，BIM建模：确保斜风道支撑柱BIM三维模型整体外形尺寸正确，用于后续排布优化。

进一步的，所述的S02，模型优化：保持建立的斜风道支撑柱BIM三维模型整体外形尺寸不变的前提下，优化浇注料块体，初次优化调整将浇注料块体尺寸调整为耐火砖尺寸的1～4倍，同时减少斜风道支撑柱的砌筑层数，减少到原来的40％～80％。

进一步的，所述的S03，模拟计算：确定浇注料物理性能参数，包括热导率、密度、弹性模量和热膨胀系数；确定耐火泥浆的高温抗压强度、高温抗折强度；确定热力学边界条件，将斜道支柱直接接触红焦的面视作第一类边界条件，不接触红焦的面视作第三类边界条件；确定作用荷载，将上部的耐火砖荷载等效到斜风道支撑柱上部，并且限制模型竖向位移；采用三维仿真软件，模拟干熄焦炉服役工况进行耦合计算。

进一步的，所述的S04，结果分析：分析优化后浇注料块体的受力情况以及耐火泥浆缝的受力情况，浇注料块体和耐火泥浆缝的应力均应小于自身材料强度的0.8倍。

进一步的，所述的S05，优化加强：通过仿真计算后找出预制件的压应力集中区，在该位置内的浇注料块体生产时，增设耐热钢筋进行加强，耐热钢筋在浇注料块体制作时放入。

进一步的，所述的耐热钢筋搭设形成骨架，骨架的横、纵和竖面形状均为井字形。

进一步的，所述的S06，生产预制件：根据预制件的尺寸要求，浇注料块体在±2mm误差允许范围内按尺寸制作；在保证浇注料流动性好的前提下尽量减少水的加入量；浇注料块体的养护温度为室温，温度过低，应采取保温措施；在浇注料块体有足够的强度后方可脱模；成型后的浇注料块体自然干燥48h后，根据浇注料材质、环境温度、预制件尺寸的影响因素，制定烘烤曲线，然后在炉内烘烤至800℃，并自然冷却，降温速度每小时不得大于25℃。

进一步的，所述的S06，生产预制件：浇注料块体制作完成后，利用优化后的BIM三维模型确定砌筑顺序，进行斜风道支撑柱预制件的砌筑，形成预制件。

本发明的有益效果：

(1)耐火浇注料具备适应性强、快速定型、不需烧制的特性，能够快速制作出用于斜风道支撑柱的各尺寸浇注料块体，并且块体尺寸大小还可依据需要进行调整优化；结合数字化BIM模型技术进行管控，控制斜风道支撑柱预制件质量，辅以数值仿真模拟计算，优化调整浇注料块体排布，增强浇注料预制件的整体性、抗裂性能、抗弯性能，提升干熄焦炉耐火内衬的服役寿命。

(2)通过数值模拟耦合计算，能够较为的准确计算出斜风支撑柱服役工况下浇注料块体、耐火泥浆缝的应力状态，为优化浇注料块体排布、耐火泥浆缝设置提供精准的数据支撑，并且利用本方法可以进行多次优化调整对比，选取浇注料块体搭配方案。

(3)浇注料排布优化要求浇注料块体、耐火泥浆缝的应力均应小于材料强度的0.8倍，为实际工况中预留了相应的强度余量；并且针对符合要求的斜风道支撑柱应力集中区，在浇注料块体中增设耐热不锈钢钢筋，搭设形成钢筋骨架，有效提高了浇注料块体的热震稳定性，使斜风支撑柱的服役寿命得到延长，保障了斜风道支撑柱更换后的质量。

(4)采用本方法生产的干熄焦炉斜风道支撑柱，制作高效集约、低碳环保，浇注料块体布置科学合理，力学性能与热学性能均得到提升，且预制件整体性强，薄弱部位得到针对性加强，可有效延长更换维修后的干熄焦炉服役寿命。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明浇注料块体的结构示意图(增加耐热钢筋)。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图1～图3所示，一种干熄焦炉斜风道支撑柱装配式构件制作方法，包括如下步骤：

S01，BIM建模：利用BIM建模软件，依据干熄焦炉炉衬设计图纸，建立斜风道支撑柱BIM三维模型，确保斜风道支撑柱BIM三维模型整体外形尺寸正确，用于后续排布优化。

S02，模型优化：基于BIM三维模型，保持建立的斜风道支撑柱BIM三维模型整体外形尺寸不变的前提下，调整内部浇注料块体的尺寸及灰缝布置。

由于原结构中是采用固定砖型的耐火砖砌筑，因此耐火砖的尺寸及砌筑形成的砖缝是不变的。但浇注料块体可以在现场制作，且块体的尺寸可以按照实际情况进行控制调整，块体制作后通过耐火泥浆砌成斜风道支撑柱预制件。

斜风道支撑柱采用耐火砖砌筑修建而成，一般存在砖缝较多的情况，这在服役过程中易导致砖缝受损、砖块剥离。采用浇注料块体砌筑，其优化调整在于减少砖缝，增大浇注料块体尺寸，合理布置浇注料块体与砖缝，以提升斜风道支撑柱整体性，使构件受力趋于合理。但过大的浇注料块体也存在施工困难的问题。因此针对浇注料块体的优化，初次优化调整将浇注料块体尺寸调整为耐火砖尺寸的1～4倍，同时减少斜风道支撑柱的砌筑层数，减少到原来的40％～80％。

S03，模拟计算：确定模型参数和边界条件，进行模拟耦合计算。

确定浇注料物理性能参数，包括热导率、密度、弹性模量和热膨胀系数(可由实验测得)。确定耐火泥浆的高温抗压强度、高温抗折强度(可由实验测得)。确定热力学边界条件，将斜道支柱直接接触红焦的面视作第一类边界条件，不接触红焦的面视作第三类边界条件。确定作用荷载，将上部的耐火砖荷载等效到斜风道支撑柱上部，并且限制模型竖向位移。

采用三维仿真软件，模拟干熄焦炉服役工况进行耦合计算，计算时砖缝等效设置为接触面。

S04，结果分析：进行计算结果分析，分析优化后浇注料块体的受力情况以及耐火泥浆缝(砖缝或灰缝)的受力情况，浇注料块体和耐火泥浆缝的应力均应小于自身材料强度的0.8倍。符合材料强度要求则进行步骤S05，不符合要求则重复S02和S03，再次进行浇注料块体排布的优化调整。

S05，优化加强：再次进行分析，通过仿真计算后找出预制件的压应力集中区(一般为支撑柱底部与内侧顶部)，对预制件的压应力集中区进行结构加强。在该位置内的浇注料块体生产时，增设φ10mm的0Cr25Ni20(310S)耐热不锈钢钢筋进行加强，耐热钢筋在浇注料块体制作时放入。

耐热钢筋沿横向、纵向和竖向搭设形成骨架，骨架的横、纵和竖面形状均为井字形，从而提升该部位浇注料块体强度，增强浇注料预制件的整体性、抗裂性能和抗弯性能。

S06，生产预制件：检查优化后的模型斜风道支撑柱尺寸、砖缝位置、砌筑顺序等，经检查无误后，根据最终分析结果生产浇注料块体，并将浇注料块体砌筑成预制件。

根据预制件的尺寸要求，浇注料块体在±2mm误差允许范围内按尺寸制作，尽可能做成负公差，便于安装砌筑。浇筑采用木模板，先根据预制件的外形制作模具模板，然后模具模板制作，四周采用木方与螺杆固定。

浇注料块体的浇注成型，在保证浇注料流动性好的前提下尽量减少水的加入量。浇注料块体的养护温度为室温，温度过低，应采取保温措施。在浇注料块体有足够的强度后方可脱模。

成型后的浇注料块体自然干燥48h后，根据浇注料材质、环境温度、预制件尺寸的影响因素，制定烘烤曲线，然后在炉内烘烤至800℃，并自然冷却(在150～350℃时要有足够的保温时间)，降温速度每小时不得大于25℃。烘烤时可在浇注料中适当加入防爆剂，防止浇注料块体炸裂。

浇注料块体制作完成后，利用优化后的BIM三维模型确定砌筑顺序，进行斜风道支撑柱预制件的砌筑，形成预制件，再将最终制作完成的预制件整体安装至焦炉内。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。