双洞隧道下穿既有线的施工优化分析
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摘要: 北京地铁17号线东大桥站下穿既有6号线的单层双洞隧道,拟采用6导洞交叉中隔墙法施工。为控制既有线和地表的沉降,采用Flac3D数值计算方法,研究4种导洞施工顺序对既有隧道和地表沉降的影响规律,提出群洞影响系数以定量研究相邻隧道施工对变形的影响。计算结果表明,导洞竖向开挖施工方案,可有效减小既有线隧道最大沉降及群洞效应,为最优的施工顺序。
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1. 火焰清理定义
火焰清理是板坯表面清理的一道工序，主要用于去除板坯容易出现表面缺陷的金属层。SMS-20火焰清理机作业时，利用氧气、燃气形成燃烧火焰，预热板坯头部的局部区域，在其表面形成稳定的预热熔池，板坯以一定的速度向前移动，烧嘴喷出的高压氧气流使板坯表面金属氧化，并推动熔池向前移动，产生的氧化溶渣在高压水作用下粒化清除，从而将板坯表面下1.5~4.5 mm金属层剥除。清理后的板坯表面平整、光洁，表面质量得到极大提高。
2. 火焰清理机的板坯适用范围
适用SMS-20火焰清理机的板坯范围（包括尺寸和成份），具体见表1。按230 mm厚的板坯规格计算，设计产能可以达到110万t/a。
表 1 火焰清理机清理的板坯规格厚度/mm 宽度/mm 长度/mm 重量/t 碳质量分数/% 温度/°C 产量/h−1* 230、250 900~2200 9000~11000 16.15~47.19 0.10~0.80 室温~1092 8 注：*表示清理机每小时清理能力为8块板坯。 3. 火焰清理工艺流程
本钢炼钢厂改造的SMS-20火焰清理机可以双面清理，清理完上面和侧面后通过翻钢机进行翻面后清理下表面和另一个侧面，即呈现直角的方式进行清理。具体流程见图1。
根据需要清理板坯宽度选择不同数量的烧嘴以减少介质浪费，火焰清理烧嘴的数量：宽边为8组，侧面为1组。表2反映的是火焰清理模式下，满足火焰清理机的各模块的压力参数。火焰清理烧嘴由上预热块、下预热块及氧气槽组成。在板坯的火焰清理的预热阶段，下预热块喷高压燃气，上预热块喷高压燃气和低压氧气，氧气槽喷低压氧气；清理阶段，下预热块喷低压燃气，上预热块喷低压燃气和高压氧气，氧气槽喷高压氧气。
表 2 清理模式上下预热块压力参数kPa 板坯 位置 下预热块燃气 上预热块燃气 上预热块氧气 氧气槽氧气 低压 高压 低压 高压 低压 高压 低压 高压 热坯 上表面烧嘴 10 110 10 15 50 200 2~15 210 侧面烧嘴 10 110 10 15 50 220 2~15 210 温坯 上表面烧嘴 13 190 12 15 50 260 2~15 220 侧面烧嘴 13 190 12 15 50 280 2~15 220 冷坯 上表面烧嘴 15 190 15 30 50 300 2~15 230 侧面烧嘴 15 190 15 30 50 320 2~15 230 4. 板坯清理深度
SMS-20火焰清理机在稳定的清理氧气压力下，通过调节清理速度控制板坯清理深度。另外待清理板坯的成分和温度也对清理过程产生影响。清理速度v的确定过程如下：
v=f(B,C,T,P) (1) 式中：B为清理深度，mm；C为清理钢种碳质量分数，%；T为清理板坯温度，°C；P为清理氧气压力，kPa。在实际的控制过程中，首先根据生产工艺确定的清理深度要求和烧嘴的清理速度和清理厚度对应曲线关系（图2），初步确定清理速度v1。如规程要求汽车板清理深度按照3.0 mm进行控制，则根据图2的曲线关系，当前的板坯温度下，清理速度就需要选择10 m/min，如果要求3.5 mm的清理深度，需要选择7.5 m/min的清理速度。由于不同的钢种的含碳量所需要的清理氧气用量不同，因此，板坯的清理效率也会相应受到影响，含碳量越高，实际清理速度（v2）就得降低，v2与v1之比为清理速度百分比，具体情况如图3所示。
由此得到考虑含碳量的影响后的速度：
v2=v1⋅ηc (2) 式中，ηc为清理效率（根据长期生产获得的经验数据）。
由图2~3可知，清理同一钢种，其清理深度与速度呈负相关。在生产实践当中，对于同一钢种，其清理深度相同，相较于冷坯，热坯清理预热时间短，清理速度快，清理质量稳定，作业漏清率低。此外SMS-20火焰清理机作业稳定，如果能够热清热送，缩短板坯在加热炉的停留时间，将是节能降耗的有效途径。
5. 板坯表面缺陷对产品质量的影响
板坯表面缺陷若不进行清理直接进行加热轧制，会给轧制成品造成各种质量问题。板坯的表面气孔（气泡）、皮下气泡，容易在冷轧品表面产生条痕缺陷；板坯表面纵裂、横裂会在成材表面产生相应的表面裂纹和重皮[1]；皮下夹渣会使得冷轧品产生“亮线”、孔洞、疤坑等缺陷。
5.1 皮下气泡
板坯皮下气泡主要是钢液中的气体夹杂被树枝晶捕集或未能从板坯表面及时逸出，在钢坯中富集、长大形成气泡缺陷。在加热炉内，板坯皮下内表面被氧化而形成脱碳层，轧制后不能焊合，对应轧材表面呈现条痕状裂纹[2]。
5.2 表面裂纹
表面裂纹根据在板坯出现的位置不同可分为表面纵裂、表面横裂、角部纵裂、边裂、角裂等。其形成受钢水成分和连铸工艺等复杂因素的影响。板坯表面裂纹在轧制过程中无法消除，在成材表面产生相应的表面裂纹和重皮。
5.3 皮下夹杂
在连铸过程中，由于浇注时二次氧化，在结晶器钢水液面生成浮渣。结晶器液面波动，浮渣可能卷入到初生坯壳表面，残留后形成夹渣。此外，钢包、中间包的污染，中间包保护渣卷入、注流二次氧化以及精炼过程夹杂物带入亦将引起皮下夹杂。呈团絮聚集状夹杂物使得钢板在轧制过程中局部区域的强度下降，金属流变不连续；同时Al2O3夹杂硬度高，轧制过程中不参与变形；冷轧过程中随着加工硬化或加工应力不断增加，钢中大尺寸夹杂物和集中分布的夹杂物周围产生的附加应力以及夹杂物对基体的分隔作用使得在冷轧板表面出现翘皮、孔洞、条带等宏观缺陷[3]。
6. 火焰清理对去除表面缺陷的作用
表面缺陷在板坯中距离板坯表面的距离如图4所示，板坯振痕和皮下气孔多数分布在皮下0~1 mm，角部裂纹分布在皮下0~3 mm，表面纵向或横向裂纹主要分布在皮下0~6 mm，夹杂可分布在板坯各个区域，但以表皮浅层居多。3种普通轧制工艺，即冷装轧制（DR）、直过热装轧制（DHCR）、热装轧制（HCR），仅依靠清除形成的氧化铁皮，不足以去除深度大于2 mm的表面缺陷，而火焰清理+热轧工艺（CCR）可以满足要求。SMS-20火焰清理机清理深度在1.5~4.5 mm，加上加热炉形成的0~2 mm深度氧化铁皮，可最大限度处理绝大部分表面缺陷。对于不同钢种，其表面缺陷深度存在差异，可灵活的调整火焰清理深度，以减少清理带来的金属损耗。
SMS-20火焰清理机上线以来，冷轧汽车O5板合格率、浇次头坯合格率呈稳步上升趋势。火焰清理机清理深度根据连轧反馈结果进行调整，冷轧汽车O5板、浇次头尾坯、换水口等表面缺陷较多的板坯清理深度控制在3~4 mm，其他板坯控制在2~3 mm。根据反馈结果来看，SMS-20火焰清理机为产品质量提升具有积极作用。
7. 结论
（1）较于冷坯，热坯清理预热时间短，清理速度快，漏清率低，清理质量稳定，产能利用率高，建议作业时尽量保持热送热清。
（2）SMS-20火焰清理机清理质量稳定，无需下线人工清理，如果板坯能够热清热送，缩短加热炉停留时间，将大幅降低能耗。
（3）SMS-20火焰清理机清理深度在1.5~4.5 mm，可最大限度处理绝大部分表面缺陷，是提升产品质量有效途径。
（4）不同材质的板坯表面缺陷问题不同，可根据生产现状灵活调整清理深度，在保证产品质量的前提下，降低清理金属损耗，寻求经济效益的最大化。
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