连铸机设备基础设计实践

彭　坚

[摘要]简要介绍连铸机基础结构布置和形式、基础结构和构造设计原理；结合多项工程实践，对设计控制、计算方法和构造措施进行对比分析，可供同类工程设计和施工参考。

[关键词]连铸机钢包回转台 设备基础 动力及承载力 构造设计与设计控制

中图分类号：TB4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0220129－03

一、连铸工艺设施简介

在黑色冶金工业工艺流程中，连铸工艺位于承上启下的位置，其作用是将成品钢水浇铸成供后续热轧工艺需要的中间产品。目前常见的有不同规格方坯、圆管坯、板坯等产品，不同产品的连铸设备略有不同，对应设备基础也有差别。

目前，该产品的中间属性和市场供求关系抬高了铸坯附加值，各大钢厂纷纷立项新建连铸项目或改造原连铸设备，以增强企业战略竞争力。此时工艺重点考虑通过提高技术装备水平带动生产能力、作业率、成才率和产品质量的同步提高；最能代表该核心工艺资金密集性、高技术装备水平的是其前处理浇铸过程中的结晶、拉矫流程，具体表现在采用结晶器液压振动代替机械振动提高铸坯质量；改善扇形段的拉矫处理能力，以提高生产速度和产量；进行先进合理的电气自动化控制系统改造或换代。这些都将导致该前处理区域的设备基础结构设计更为复杂，相应须重点关注设计部位和解决的设计问题较多。而在后续传动辊道运输区间的功能设备如切割、去毛刺、堆垛、横移、（连续或步进）冷却、称量打印等机械过程就大同小异，随不同产品工艺要求变化布置位置，因此其后处理设备基础设计就相对较为成熟。

连铸工艺配套辅助专业有工艺水冷却、冲渣水处理系统、二冷排蒸汽系统、设备液压支持系统和电气自动化控制系统，同时配设机械维修设施。这些系统在整个连铸工艺流程中不同位置上都有各自的功能作用，结构设计人员在设备基础设计中要注意配合上述各专业进行配套设施基础结构综合设计。

二、连铸机设备基础的总体结构形式

总体设计上，要求对连铸全线设备基础的地基持力层进行合理选择；有瞬间冲击荷载作用或旋转设备作用下，设备基础尽量避免过大偏心布置；针对不同设备荷载作用确定不同的支承结构或基础刚度，并进行合理过渡，避免较大突变。这些都是应该在前期设计中要特别注意的问题。

连铸设备基础从结构设计复杂程度可以分为前区主机设备基础设计和后区设备基础设计。由于产品不同，连铸机前、后区设备基础的形式也有所不同，主要分为如下两类：

第一类是大小方坯和圆坯连铸机设备基础：前区包括大包回转台及封闭式二冷密闭室及操作平台，其产品（铸坯）荷载较小，多流结晶振动器用平台钢梁分别支承；常见拉矫流数多为3～7流，拉矫机可用支墩或横梁支承；后区为大面积坑槽基础，中间以支柱支撑传动辊道及各功能设备和运输设备，直到钢坯进入冷床设备基础区域。

第二类是中宽厚板坯连铸机设备基础：一般为单流或双流连铸机设备基础。前区包括回转台和半封闭二冷密闭室及操作平台，板坯荷载较大，结晶器用单独基础或墙体支承，在扇形段中间分段设置其驱动电机拉拔板坯，基础底部可能设有部分液压阀台、水道管廊地下室及电缆隧道；中后区为单、双流冲渣沟、竖壁坑槽或台式基础支承传动辊道运输，两侧点式布置工艺前述各功能设备基础与辊道支承基础混浇。

三、连铸设备基础的一般问题

后区设备基础设计主要考虑的问题有：改进结构形式使各功能设备的水平荷载传递路线更为合理，构造要求混凝土采取可靠防护措施，满足红热铁屑隔热和冲渣水耐磨要求。近年来连铸机后区辊道冲渣沟都较深，但竖壁的厚度由过去900～600mm厚反而减薄到650～450mm厚，且配筋也相应减少，这是参考了热轧辊道基础作法，即在冲渣沟两侧间隔设置拉梁，沟顶设置暗梁，同时考虑两侧各功能设备基础的侧向支撑作用的效果。除上述问题外，其余即为通常的坑槽基础设计。

两类形式前区设备基础设计，都是围绕核心的大包回转台和二冷密闭室区域基础进行。一般情况下浇铸平台为钢结构平台，与回转台脱开或搭接布置，基础则采用同一个大底板；平台面在浇铸时可能溅钢水的范围应配合工艺进行耐热、耐磨设计，此外还应进行工作环境人性舒适化和安全设计，如操作室的隔音降噪、平台事故逃生通道规划等；二冷密闭室各构件皆处于较高湿热温度环境，须注意进行耐辐射热及抗腐蚀构造设计。对于板坯连铸机前区基础及平台，其支承的设备多，有中间罐车及其拖链平台、渣盘、烘烤器、结晶器振动装置、扇形段香蕉座和拔出轨道及其多级驱动电机、通风排蒸汽及冷却水管道等，支承的这些设备荷载大，加上它们的吊装、检修、交通及其操作等设施，导致基础标高在平面和空间尺寸频繁变化，会出现很多洞口削弱、多级悬挑、偏心和扭剪构件，这类细小结构构件都是结构设计人员在大体量混凝土设备基础设计中容易被遗漏或忽视之处，但它们却很容易在特殊状况下由于极端荷载、地震或设备振动时可能引起共振、应力集中、突变或复合应力效应，设计的疏忽可能导致构件失效从而出现事故。

可以看出，要做好该部分主机基础设计，首先要弄清楚机械设备功能及其荷载作用方式，进而分析并组合其正常工作和极端状况下结构设计需要的各种参数，然后经过反复推敲和比较，以求布置出合理的总体传力体系和针对性设置支承、支撑、加强构件，再经过慎重的结构分析计算，专业概验设计和细部构件处理过程，从而完成类似复杂设备基础设计工作。加倍的耐心和细心是设计人员必备的优秀品质，也是做好该类复杂设备基础的前提和保证条件。

四、连铸设备基础中特殊部位结构设计

（一）结晶器振动装置支撑钢梁和框架结构整体刚度

小方坯和管、圆坯连铸平台多为钢结构平台，其多流结晶振动器无论是机械式还是液压式都坐落在次钢梁上，再通过框架主梁传递到框架柱。该主、次钢梁的强度、整体稳定和挠度计算都容易满足设计要求，但很容易忽视其振动动力计算。例如在某工程单机试车时，就发现该部位振动超过允许振幅，现场采取在框架主梁下加设斜撑才解决了这一问题。

联想该状况与另外某原料场通廊工程钢结构出现过的皮带机抖落矿料、通廊上下晃动以至检修人员不能通行状况类似；其处理方式是加设斜撑或增加立柱。究其原因是直接支承动力设备荷载的钢构件刚度有问题。

我们知道，任何结构都有一个固有频率ω，见式（1），结晶器振动装置有一个设定的工作频率约150～400次/min，即一般钢结构框架或梁的固有频率或周期也恰在此区间，当频率相同或接近时发生共振或谐振，引起设备使用困难。在低转速高架旋转设备基础振动设计中，根据工程经验采用大于2～４倍振源（转子）质量去设定支承结构截面，以避免共振或将振动控制在被允许范围；进行框架结构承载力计算时，采用2倍横向、４倍竖向的振源（转子）质量作为当量荷载与其他静力荷载进行组合，以满足规范中承载能力极限状态计算的要求。现在的钢结构设计偏重于用高强材质降低单位面积耗钢量，但在动力荷载作用条件下，以高强度代替增加配重不能解决振动问题，加大钢构件截面高度或板厚有一定局限，因此，要解决振动问题，通过增加中间支承柱及平面或空间支撑构件体系，以减少计算跨度和增强框架抗平面或空间扭转变形刚度，相应改变结构固有频率，是避开或远离振源频率的可行方法。

大方坯或中宽厚板坯连铸机的结晶器振动装置较大，都对应布置在落地基础上，基础刚度就比较大，一般不会出现共振情况。

（二）混凝土浇铸平台和电气室框架结构、回转台剪力墙（或筒体）结构与扇形段拨出轨道支承墙兼二冷密闭室墙体结构，三者整体浇筑与设置变形缝关系问题

早期的浇铸平台多采用钢结构形式，与混凝土构件在适当的部位都互相脱开或搭接处理，相互间都留有自主变形的余地。近期的浇铸平台设计，考虑如电气室、液压阀台等功能的组合布置，特别是设备成套项目更多地兼顾造价因素采用钢筋混凝土结构。上述3种不同形式的结构几乎成品字布置，由于设备运行及其支承构件传力体系的连续性，很难按照规范要求设置变形缝。双流板坯连铸机平台结构总长度一般都超出现浇框架结构55m、剪力墙结构45m的限制，且中间的二冷密闭室墙处在热辐射和蒸气潮湿环境，因此结构整体的温度应力不容忽视。

在进行某工程设计时，采用了如下处理过程：计算程序中加大温度应力折减参数设置；各层平台框架梁与密闭室墙体连接处采用铰接连接模型计算配筋，即允许梁绕墙转动变形；密闭室墙体顶板结合安装、检修孔采用活动盖板取代混凝土平台，相应在墙体中间盖板区域留有变形空间，就起到类似减少伸缩缝区段长度作用；同时，施工图要求在适当位置沿高度设置通长后浇带；湿热环境的墙体采用耐辐射热混凝土并适当掺加添加剂。通过上述计算和构造处理，该工程大部分在冬季施工的主体混凝土结构目前处在正常使用中，未发现由温度应力引起明显开裂。

（三）扇形段拨出轨道支承墙体兼二冷密闭室墙体被扇形段驱动电机轴承穿孔及排蒸汽管道、液压管道等密集排列洞口削弱问题处理

板坯连铸机的密闭室边墙下部，阶梯形布置有一排扇形段驱动电机轴承洞口和排蒸汽管道洞口及交通门洞，墙中间高度位置也单独布置一排排蒸汽管道洞口，其中底层洞口水平间距最小处仅够放置一根钢筋，实际相当于构成一个大洞口；扇形段拨出轨道在该底层洞口上沿弧形布置一排预埋件，中间及上部也各布置一排预埋件，一个预埋件竖向荷载可达50～525kN，弯矩达87～360kN.m，且悬挑作用在墙体外625mm处。此时，原落地墙底层被各洞口分割成多个短柱，两个或多个紧靠的洞口构成一个大洞口，如果仍然按剪力墙结构去设计、计算或构造加固配筋，就明显偏离实际受力状况（见图1）。

实际工程设计时，在“墙”两端设约束边缘构件（暗柱）；将各层洞口顶部加强梁横向延伸到两端暗柱，预埋件处也同时设置加强横梁到两端暗柱，两种加强梁的布置应综合考虑，并可合并设置；底层洞口加固柱向上延伸到第一层加固横梁后，间隔将该加固柱有规则地延伸到上部墙顶封边梁，从而构成明晰的平面暗框架结构体系，这样的转换使得该墙体力学体系清晰，构件分析有章可循，受力明确，配筋合理，从而避开遇不规则洞口破坏时，仍旧按原剪力墙进行正斜向配设加固钢筋的简单处理方式，目前该墙体正常使用。

由于预埋件在墙体平面外方向上焊接拨出轨道荷载，使该处暗框架梁、柱形成弯剪扭复杂受力状况，此时须进行局部构件的验算；当墙体厚度较小或洞口间距太小导致暗柱和暗梁不能满足弯剪扭计算要求时，可采用钢骨混凝土进行加强处理。

（四）大包回转台结构及其支承墙体和中间楼层设计

1．大包回转台顶板一般由两道墙体结构或筒体结构支承，主要承受旋转机构设备荷载，中间设有1～3层平台供工艺配水、电气、液压、通风等专业，分别将各自管道有组织进入结晶和扇形段拉矫设备机体内；平台荷载一般为1.5kN/m2左右。顶部的设备旋转机构，接受并支承钢水罐，并从接收跨旋转180°到浇铸位。该旋转机构生产时竖向荷载很大，同时产生三向弯矩，设备地脚螺栓较粗，由于埋置深度及埋设方式确定顶板厚度不同，同时地脚螺栓布置与回转台支承竖墙位置和竖墙间板的跨度也不同，导致顶板混凝土量及其配筋大，设计人员对该处的设计控制处理方式也不尽相同。

对近期已经投产的几个连铸机大包回转台顶板设计尺寸和配筋结果统计见表1。

从表1可以发现以下规律：

首先，对比宽中厚板坯连铸机回转台顶板厚度及跨度差别较大，相应对顶板混凝土的承载能力极限状态（抗弯抗剪强度和配筋）和正常使用极限状态（刚度、振动、变形、裂缝）有较大影响，其结果是：

宽厚板坯回转台旋转设备荷载极大；支承墙中心跨度5.5ｍ左右、顶板厚度在2.5ｍ以内的配筋，由承载力和裂缝控制，配筋率在0.61％左右；顶板厚在3ｍ以上的为构造配筋，配筋率为0.2％左右。值得注意的是荷载大小接近，顶板厚度之差却在一倍以上，当然配筋率差异明显；究其原因是因为板厚度由地脚螺栓锚固长度决定，且发现国外制造商提出的顶板厚度较薄是除采用直埋、套筒螺栓以外，还采用了对穿螺栓锚固方式。

方坯连铸机回转台设备荷载较厚板坯小一倍以上；顶板厚度在2m左右，虽然板跨度有所差别，按构造配筋率0.25％左右可以满足设计要求。究其原因可以发现，顶板跨度小或设备传力点几乎布置在支承墙体上，相应顶板实际荷载效应较小，仅由旋转机构地脚螺栓锚固长度确定顶板厚度，且基本上是直埋或预埋套筒螺栓锚固方式。

其次，对比宽厚板与方圆坯连铸机回转台的设备荷载布置分析，宽厚板设备传力点（设备底板地脚螺栓位置）全部或多数布置在回转台顶板跨度内，其荷载要通过板传递到墙体，相应增大了板受弯、剪作用效应。从表中可以发现，当地脚螺栓布置在墙体部位，在最大荷载工位时极端弯矩荷载分解成竖向力直接向墙体传递，且此时顶板的控制荷载就为瞬间荷载，相应可以取小于1的组合系数，对减小板厚或配筋都很有效果。

第三，从回转台设备工作状态极端荷载选取上分析，单罐满包时偏心弯矩最大；结晶器事故状态下可能出现2满包负荷，此时竖向力最大；1个空罐1个满包受料或该状况旋转时荷载介于两者中间，且该种状态正常生产最常见，设计中应按各种工况进行荷载组合并取最不利值进行设计。

2．关于回转台支撑墙体

回转台支承墙体或筒体除承受竖向荷载外还要承受回转台旋转产生扭剪水平力。从表1中可以看出竖墙厚度明显小于顶板厚度，因此在构造顶板与墙体交接点处应慎重处理。

首先，不宜按固接处理交接点，因为与顶板厚度的明显差异，即便是按刚度分配弯矩，竖墙竖向配筋量也几乎会到配筋率极限，且要适应反复旋转荷载作用，要求疲劳、变形和裂缝控制就很难满足；另外，较粗且密集的钢筋拐弯并与顶板钢筋搭接也会给钢筋加工制作、绑扎和混凝土浇筑振捣施工造成极大困难。

回转台墙体一般较长，表1中墙体厚度承受扭转分解成的水平荷载是没有问题的；筒体结构抵抗扭转荷载就更为有利。一般按构造配筋率适当加大些配置水平钢筋，即1.0m厚墙体配置Ф20～25@150都能够满足设计需要。

其次，该墙体的构造应该按照混凝土规范对应的剪力墙或筒体有关要求进行节点加强，如设备、电气和管线专业洞口设置暗柱加固；整体构造上在墙体端部或拐角处应设置构造边缘构件或约束边缘构件等。

其他位置墙体应参照二冷密闭室墙体见前述3.2条的处理方式。

3．关于楼层板厚度的取值

各层平台板厚取值不能仅考虑本层竖向荷载作用，还要考虑水平力的传递及兼顾回转台整体水平刚度。设计中发现相近荷载作用下，国外资料给出了0.6m厚楼板资料，国内设计仅做到0.25～0.4m；其区别是在厚板中布置浅排水沟及有暗梁进行洞口加固，底板平整美观，宜布置吊挂埋件，方便使用；当平台板较薄时，往往需要布置明梁，预埋件布置不方便，施工较麻烦，但较节省混凝土。目前两种布置都能正常使用。须注意的是：事故罐平台板厚一般做到0.8～1.2m，与之平接的楼层板厚不宜做得太薄，防止刚度突变产生不利影响。

4．关于连铸机前区混凝土体量优化

板坯连铸机的结晶浇铸到一次切割前的基础混凝土量较大，一般底板有2～3ｍ厚，再加上从地坪到8.5ｍ高的实心混凝土基础，足够平衡回转台倾翻弯矩。某工程该处底板厚2.5～1.9m，地下室顶板外商要求3.4ｍ厚，上部扇形段基础结构实心混凝土达到10ｍ厚，混凝土量偏大。设计中发现外商将平台柱荷载通过很厚地下室顶板再分配传力给地下室柱及边墙和中间落地基础，同时地下室顶板面标高设置较低；实际上若通过调整地下室柱布置位置和抬高地下室顶面标高，是可以减少该顶板厚度的；在设计时将中间墙体在适当位置挖空，与其他楼层或隧道联通，既方便管线布置同时也节约了混凝土。可见，通过精心设计，也是可以发现许多结构优化之处的。

五、结语

目前的连铸机设备基础设计是有规律可循的，但仍处在局部计算加经验构造设计阶段。笔者认为：进行系统、完整、精确的三维分析，是亟待深入研发的课题。如旋转荷载、机械或液压振动等特殊荷载作用下的结构静力和动力分析，这对设计优化、专业设计标准化建设是一个全面的理论保证，同时也是一个有待继续深入探讨的专题。

作者简介：

彭坚，男，汉族，重庆人，中冶赛迪工程技术股份有限公司，建筑工程设计部，教授级高级工程师，工业与民用建筑结构设计。