钢铁厂冶炼炉残铁的裸露爆破

赵 文， 张智宇， 黄永辉

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2. 昆明理工大学 爆破新技术应用研究所， 昆明 650093；3. 昆明理工大学 电力工程学院，昆明 650093)

钢铁厂冶炼炉残铁的裸露爆破

赵 文1,2， 张智宇1,2， 黄永辉3

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093；2. 昆明理工大学 爆破新技术应用研究所， 昆明 650093；3. 昆明理工大学 电力工程学院，昆明 650093)

为尽早完成高台裸露残铁的清除工程，采用爆破技术进行清除。通过局部试爆选择合理孔网参数，使用高精度导爆管雷管逐孔起爆网路，架设拦挡设施，取得了较好的爆破效果。爆破后，块度适中，碎块没有散落也没有飞出；厂房内实测振速0.76 cm/s，小于安全允许振速，振动能量主要分布在20 Hz以上高频部分高于建构(筑)物自振频率，未对周围建(构)筑物产生不良影响；施工用时短，为钢铁厂技改工程的提早竣工和钢厂正常生产的恢复争取了时间。残铁硬度高，钻孔速度慢，钻头、钎杆损耗大，但具有一定的可爆性，单耗仅为0.4 kg/m3。可为类似工程的施工提供参考。

残铁；爆破拆除；逐孔起爆；飞散物

1 引言

冶炼炉炉膛长期对矿物进行煅烧，不可避免的会在炉底堆积形成大量熔渣，高炉在大修、更新时通常采取控制爆破方式将其清除。国内已有相关工程实践可供参考：张光寿等〔1〕在爆破清理冶炼炉炉膛耐火砖和残铁时分两步进行，炉壁耐火砖采用水平钻孔爆破，炉底残铁和耐火砖采用竖直钻孔；陈德志〔2〕在清理武钢第二炼钢厂冶炼炉残铁时利用爆破切割技术，将炉内长13 m、宽6 m的渣铁切割成6块，并由炉口吊出，减少了飞散物对炉壁的冲击；杨译等〔3〕在清理高温金属炉渣时采用孔内冷水降温，药包隔热物包裹加工制作爆破筒，安全地清理了高温状态下的炉渣。

以上类似工程均是在炉膛内进行，在炉膛内施工，炉壁可阻挡爆后碎块从基座散落，也能对飞散物损伤周围建筑设施起到阻止作用。而红河钢铁厂2号高炉爆破施工时高炉炉体已拆除，圆柱形残铁裸露于10 m高的高炉基座之上，爆区位于厂房内，残铁密度大，破碎后棱角锋利，对安全的要求较高。

2 工程概况

红河钢铁厂2号高炉技改大修，已拆除高炉炉体，需对高炉基座上部余留残铁进行清除。因残铁体积过大、工期紧张、周边环境复杂、机械破碎困难，决定对残铁在厂房内进行爆破拆除。

预拆除残铁位于10 m高的高炉基座之上，为不规则的圆柱形，高约2 m，直径约6 m，体积约57 m3。爆破作业点北侧17 m处为矿槽，西侧10 m处为中控室，南侧17 m处为除尘器卷扬机房，爆区下方垂直距离10 m、水平距离2 ～3 m处为输水管道，厂方要求输水管道不能被砸断或砸裂。爆区周边环境示意图见图1。

图1 爆区周边环境示意图Fig.1 Surroundings of blasting area

3 爆破方案

3.1 爆破方案的确定

炉底残铁是以生铁为主要成分并混有少量焦炭渣和矿石渣的固体混合物，具有较大的密度与较高的硬度。因爆区周边设施及构筑物对爆破振动控制的要求较高，最终选用塑料导爆管毫秒延时雷管实施逐孔起爆。根据当地可提供的雷管类型，孔内选用350 ms延时雷管，孔外选用25 ms延时雷管。整个起爆网路用两枚瞬发电雷管引爆。

3.2 炮孔成孔方式的选择

残铁成孔方式通常有两种：一种是根据高温熔融金属的特性，用氧炔切割工具在铁渣上吹出炮孔，成孔速度快，但成孔深度受到严重限制，且成孔形状不规整，爆破时安全性差；另一种是机械钻孔，钻孔的质量较高，但残铁硬度高导致钻孔速度慢，钻头和钎杆损耗大。考虑到该工程中残铁厚度与所需炮孔深度，且经现场手风钻钻孔试验，最终采用手风钻钻孔。

3.3 炸药单耗的确定

影响炸药单耗q的因素很多，应根据爆破体的材质、强度、匀质性、最小抵抗线和临空面条件等参考经验进行初步选取〔4〕。参考对渣铁进行爆破切割时单位面积消耗药量2.1～3.0 kg/m2〔5〕和爆破清除时单耗0.65 kg/m3〔6〕，结合经验在残铁局部进行试爆。试爆结果表明，炸药单耗为1.0 kg/m3时爆破后的残铁过于破碎，而本工程只需将残铁破碎为能适应顶部天车吊出的块度即可，故可适当减小炸药单耗，最终选取炸药单耗为0.4 kg/m3。

3.4 孔网参数及起爆网路

炮孔均匀布置在残铁上，用手风钻钻孔，除中间两排和残铁边缘几个炮孔外均采用梅花形布孔。炮孔布置及起爆网路见图2。

图2 炮孔布置及起爆网路Fig.2 Sketch of blastholes and initiation network

孔网参数如下：炮孔直径d=40 mm；最小抵抗线W=(18～25)d，取1.0 m；孔距a=W=1.0 m；排距b=(0.8～1)W，取0.95 m；孔深L=(0.6～0.9)H，取1.8 m；炸药单耗q=0.4 kg/m3；单孔药量Q取0.8 kg；炮孔总数n=26。

3.5 装药与填塞

残铁块整体已完全降到常温，不用考虑作业时炸药是否处于高温环境。采用φ32 mm乳化炸药连续装药。由于底部夹制作用较大，且高炉基座下一步也将拆除，无需考虑爆破对高炉基座的破坏，故将药包集中于炮孔底部。保证炮孔填塞质量，炮孔捣固时保护导爆管不受破坏。

4 振动校核及防护措施

本工程爆区在厂房内且为浅孔逐孔起爆网路，因此爆破安全防护主要是严格控制爆破振动强度和防止个别飞散物对人员、设备、建筑物造成危害。

4.1 爆破振动校核

根据萨道夫斯基公式〔7〕：

式中：v为地面质点峰值振动速度，cm/s；K、α为与地形、地质条件有关的系数和衰减指数；Q为最大单响药量；R为厂房外建筑物到爆源的最近距离。

不考虑爆区和地面间的高程差，爆破时爆区至厂房外最近被保护建筑物水平距离R为10 m，最大单响药量Q为0.8 kg，系数K取150，α取1.5。

计算得v=4.24 cm/s。由于被爆体三面临空，根据经验，振动速度能折减50%以上，因此到最近被保护建筑物的振动速度估计不会超过2 cm/s。根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)〔7〕爆破地震主振频率为10 ～50 Hz时，钢筋混凝土框架房屋的安全允许振速为3.5 ～4.5 cm/s。故爆破振动不会对附近建筑结构产生不良影响。

4.2 飞散物防护措施

由于周边环境，特别是高炉基座底部附近输水管道对飞散物控制要求高，除严格按照设计进行布孔、装药、填塞外，残铁顶部还需采用厚胶皮进行覆盖，胶皮上部覆盖沙袋(见图3)。

图3 残铁上部防护Fig.3 Upper protection

为防止破碎后的残铁块向周围散落，损伤建筑及下部裸露的输水管道，在高炉基座上部与残铁接触处向上搭设一圈槽型钢，槽型钢之间用钢管、钢筋焊接，使其形成一个稳固的整体固定在周围建筑上。槽型钢之间空隙用厚胶皮进行拦挡，胶皮外覆盖沙袋。为防止个别飞散物和残渣滚落，下方输水管道同样覆盖胶皮，胶皮上覆盖沙袋。拦挡防护设施见图4。

图4 拦挡防护设施Fig.4 Protection facilities for blocking

5 爆破效果及振动分析

5.1 爆破效果

因为有胶皮和沙袋覆盖，残铁周围架设的槽型钢及胶皮很好地拦挡了爆破后的碎块散落，有效控制了飞散物，保护了周围建筑和设施。爆破后残铁块度均匀、大小比较适当，有利于下一步清理。爆破振动也未对周围建筑造成损伤(见图5)。

图5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

5.2 振动分析

实际施工时，在爆区下方水平距离约5 m处布置了两个测点对爆破振动进行现场监测。其中一个测点的振动波形见图6。

图6 振动波形Fig.6 Blasting vibration waveform

该振动波最大振幅出现在起爆后1.65 s，最大振幅为0.76 cm/s。通过MATLAB对所测振动波进行HHT分析，得到爆破振动信号的频带能量分布特征(见图7)。

图7 频带能量百分比Fig.7 Frequency band energy percentage

普通构筑物的自振频率一般在10 Hz以下〔8〕。振动频率与构筑物固有频率越接近，越容易引起共振效应，而导致振动成倍加强，进而可能使构筑物局部或部分开裂破坏或失稳〔9〕。从图7看出，爆破振动信号能量分布范围较宽，主振能量主要集中于20～100 Hz，远离建(构)筑物的自振频率，且振速远小于规定〔7〕的爆破安全允许振速，故爆破振动不会对周围建筑结构产生不良影响，也验证了此次爆破所采用的爆破设计参数和起爆网路是可行的。

6 结语

(1)残铁硬度过大，手风钻钻孔时钻孔速度较慢，对钻头的磨损严重，钢钎也容易扭断，因此应准备足够的设备与人员并预留充足时间进行钻孔。

(2)残铁虽然硬度比较大，但可爆性较好。精细爆破时炸药单耗的确定，应先根据经验及类似工程进行试爆，再根据试爆结果调整。本次爆破炸药单耗为0.4 kg/m3，远小于许多工程实例建议的0.65～1.5 kg/m3，取得了良好爆破效果，可为类似爆破工程提供参考。

(3)通过采取合理的爆破设计参数和起爆网路，爆破峰值振速小于允许振速，主振能量在20 Hz以上，高于建(构)筑物的自振频率，不易引起共振，故本次爆破施工没有对周围建(构)筑物产生不良影响。

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Exposure blasting of residual iron in smelting furnace of steel

ZHAO Wen1,2, ZHANG Zhi-yu1,2, HUANG Yong-hui3

(1. Faculty of Land and Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;2.Institute of New Blasting Technology and Application, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

To complete the removal engineering of bared residual iron on the high platform as soon as possible, blasting technique was adopted. With partial test blasting, reasonable hole pattern parameters were selected and high-precision detonators were used to blast hole by hole. Additionally, blocking facilities were built and excellent blasting effect was obtained. After the blasting, the lumpiness was moderate and the fragments were not scattered or burst out. The actually measured vibration velocity was 0.76 cm/s in the plant, and it was smaller than the safety permissible vibration velocity. The vibration energy was distributed on high frequency part more than 20 Hz, and it was higher than the natural vibration frequency of the building (structure),which would not generate harmful effect on surrounding buildings (structures). Furthermore, the construction time was short. It strived time for advanced completion of technical transformation project of steel plant and recovery of normal production of steel plant. Though the residual iron hardness was high, drilling speed was slow, drill and drill rod loss were large, it had certain explosibility. Unit consumption of the project was only 0.4 kg/m3. It could provide a reference for similar projects.

Residual iron; Blasting demolition; Hole-by-hole initiation; Flying objects

1006-7051(2016)06-0079-04

2016-05-04

云南省应用基础研究资助项目(2013FZ036)

赵 文(1989-)，男，在读硕士，从事安全与爆破研究。E-mail：741037778@qq.com

张智宇(1973-)，男，硕士，副教授，从事爆破与安全研究。E-mail：924221851@qq.com

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.018