燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)煙風(fēng)管道的設(shè)計(jì)與研究

周繼瑞

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，唐山 063000）

傳統(tǒng)工業(yè)制造對(duì)環(huán)境污染極大。在綠色、環(huán)保、生態(tài)發(fā)展的新理念下，降低污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境已成為工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)新發(fā)展的核心目標(biāo)。以鋼鐵企業(yè)為例，作為傳統(tǒng)高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)，在燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)大力普及應(yīng)用的背景下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的有效應(yīng)用，還需從工藝設(shè)計(jì)的角度探究煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)的內(nèi)容，確保燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)工藝在鋼鐵生產(chǎn)中得到科學(xué)合理的應(yīng)用，助力鋼鐵生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能創(chuàng)新。

1 煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)原則

在燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)中，要明確煙風(fēng)管道的布置位置，具體考慮管道系統(tǒng)布置的合理性、技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性，配合系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖與工藝方案，確保煙風(fēng)管道布置的位置安全合理，在保證管道系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的同時(shí)，為后續(xù)使用和運(yùn)維檢修提供便捷[1]。此外，需考慮系統(tǒng)整體布局的美觀性。因此，要嚴(yán)格遵循煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)原則。

第一，合理敷設(shè)。在煙風(fēng)管道布置設(shè)計(jì)中，為滿足附件少、阻力小、通暢及順直的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)架空敷設(shè)煙風(fēng)管道，彎管彎曲半徑以管徑的1.0～1.5 倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，大小頭擴(kuò)散角不大于15°，確保管道系統(tǒng)內(nèi)氣流流通順暢[2]。

第二，合理預(yù)留。在加裝設(shè)計(jì)煙風(fēng)管道過(guò)程中，要合理預(yù)留相應(yīng)孔洞，特別是要合理控制孔洞縫隙大小。管道在穿過(guò)墻壁與樓板時(shí)，要保證與墻體預(yù)留孔洞間隙在20～90 mm。

第三，合理控制。管徑的控制是煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，尤其在管道沿車間墻、柱敷設(shè)的情況下，要將車間墻、柱與管道外壁凈距控制在500 mm 以上，需大于管道徑。

第四，合理連接。煙風(fēng)管道結(jié)構(gòu)布置時(shí)，采用法蘭將管道與設(shè)備相連接，并在管道彎管、垂直部位，設(shè)置合理、規(guī)范的灰管，為有效排出管道中積灰提供保障，確保管道系統(tǒng)運(yùn)行通暢。

2 煙風(fēng)管道規(guī)格與材料

2.1 煙風(fēng)管道規(guī)格

2.1.1 圓形管道規(guī)格

在燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)圓形煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)中，需增加彎管處壁厚，以解決氣體含塵量大的問題，并利用耐磨澆筑料對(duì)燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱處引出的風(fēng)管進(jìn)行噴涂處理，厚度控制為50～55 mm。

2.1.2 矩形管道規(guī)格

燒結(jié)室內(nèi)空間存在局限性的情況下，一般根據(jù)矩形管道進(jìn)行管道設(shè)計(jì)。煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)在矩形管道應(yīng)用中，需利用合理、規(guī)范且具有科學(xué)性的內(nèi)撐桿與加固肋，嚴(yán)格按照《煙風(fēng)煤粉管道零部件典型設(shè)計(jì)手冊(cè)》中矩形管道的規(guī)格要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 煙風(fēng)管道材料

要結(jié)合不同設(shè)計(jì)溫度選擇合適的煙風(fēng)管道材料[3]。其中：當(dāng)煙風(fēng)管道布置于環(huán)冷機(jī)低溫段時(shí)，煙氣溫度一般在200～250 ℃，可采用Q235-B 材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)煙風(fēng)管道布置在燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱接出部位時(shí)，煙氣溫度一般在430～450 ℃，需選取Q345-B 材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在管道加固肋材選用中，要保證加固肋材和煙風(fēng)管道材質(zhì)一致。

2.3 煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)計(jì)算

煙風(fēng)管道布置與管徑設(shè)計(jì)要基于燒結(jié)工藝，計(jì)算煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)面積，確保燒結(jié)工藝專業(yè)性。

計(jì)算截面積，公式為

式中：F表示煙風(fēng)管道截面積，m2；V表示煙氣流量，m3·h-1；ω表示煙氣流速，m·s-1。

若煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)選用圓形管道規(guī)格，直徑計(jì)算公式為

式中：d表示圓形管道直徑，m。

若煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)選用矩形管道規(guī)格，截面積計(jì)算公式為

式中：H表示矩形管道高，m；B表示矩形管道寬，m。

為避免出現(xiàn)管道與管道之間連接尺寸不符的問題，要統(tǒng)一計(jì)算管徑尺寸，比如選擇圓形管道規(guī)格，管道設(shè)計(jì)計(jì)算為管徑尺寸=管道外徑×壁厚；矩形管道規(guī)格條件下，管徑尺寸=寬×高（外壁尺寸）。

3 煙風(fēng)管道荷載與跨距

3.1 管道荷載分類

管道荷載分為永久荷載和活荷載。永久荷載是指管道內(nèi)質(zhì)、管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及附件的荷載；活荷載是指介質(zhì)壓力作用下的不平衡內(nèi)壓力，平臺(tái)操作、檢修及管內(nèi)沉積物荷載。

3.2 管道跨距計(jì)算

3.2.1 跨距無(wú)附加負(fù)荷時(shí)計(jì)算

第一，計(jì)算管道允許跨距。依據(jù)強(qiáng)度條件，分別計(jì)算最大允許跨距與均布荷載連續(xù)敷設(shè)水平直管段，表達(dá)式為

式中：L表示管道允許跨距，m；[σ]t表示鋼材熱態(tài)應(yīng)力，N·mm-2；W表示管道抗彎截面系數(shù)，cm3；φ表示焊縫系數(shù)；q表示管道長(zhǎng)度的荷載，N·m-1。

第二，一定剛度下計(jì)算管道允許跨距。管道在一定跨距下有一定的撓度，彎曲撓度主要由管道自重產(chǎn)生，彎曲撓度的程度由管道質(zhì)量決定。在剛度條件下管道允許跨距撓度的計(jì)算公式為

式中：I表示慣性矩，cm4；i0表示管道敷設(shè)坡度；Et表示鋼材彈性模量，N·mm-2。

第三，計(jì)算管壁應(yīng)力，公式為

式中：σ表示管壁應(yīng)力，MPa。

第四，計(jì)算撓度，公式為

3.2.2 跨距有附加負(fù)荷時(shí)計(jì)算

跨距有附加負(fù)荷時(shí)，計(jì)算方法參考跨距無(wú)附加負(fù)荷時(shí)的計(jì)算。但在設(shè)計(jì)中，要根據(jù)燒結(jié)工藝與煙風(fēng)管道結(jié)構(gòu)，利用撓度計(jì)算公式，充分考慮管道設(shè)計(jì)中管徑大的特點(diǎn)，并結(jié)合燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，計(jì)算帶有負(fù)荷的跨距[4]。

4 煙風(fēng)管道支架的設(shè)置

4.1 煙風(fēng)管道支架分類

煙風(fēng)管道支架可分為固定支架、單片支架、鉸接支架。第一，固定支架。它固定整個(gè)管道結(jié)構(gòu)，是管道支撐的重要部件，承載了管道質(zhì)量，同時(shí)是管道橫縱推力的重要支撐。第二，單片支架。它具有較高的靈活性與一定的剛度，軸線方向有位移。第三，鉸接支架。它可用于彎曲處管道的支撐，承載垂直荷載。

4.2 管道支架布置原則

第一，布置煙風(fēng)管道支架時(shí)，要確定支架類型，合理分配支點(diǎn)荷載；第二，重點(diǎn)考慮管道彎曲處支架的設(shè)置，水平彎管兩側(cè)應(yīng)設(shè)置固定支架；第三，布置支架要結(jié)合管道管徑，將支架布置在大管徑的方向；第四，為保證管道和設(shè)備連接部位的質(zhì)量，明確設(shè)備與管道連接部位，布置相應(yīng)支架，使設(shè)備荷載完全由支架承受，減輕管道承載；第五，在煙風(fēng)管道室外支架布置中，要使用單片活動(dòng)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，若管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可利用柔性支架；第六，管道轉(zhuǎn)折點(diǎn)是支架布置的最佳區(qū)域，但要避免彎頭焊縫處布置，防止懸臂過(guò)長(zhǎng)。

4.3 計(jì)算管道固定支架水平推力

首先，計(jì)算補(bǔ)償器的反彈力。反彈力的計(jì)算要考慮不同的條件和情況，如應(yīng)用波紋管補(bǔ)償器，計(jì)算波紋管剛度形成的反力。若使用非金屬補(bǔ)償器，則反彈力忽略不計(jì)[5]。

其次，計(jì)算不平衡內(nèi)壓。結(jié)合管道外部支架設(shè)置部位與支架的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行計(jì)算，以堵板荷閥門管段支架布置為例，不平衡內(nèi)壓計(jì)算公式為

式中：K為軸向推力，N；p0表示介質(zhì)工作壓強(qiáng)，MPa；A表示補(bǔ)償器截面積，mm2。

最后，在布置活動(dòng)性剛度支架的情況下，要將聚四氟乙烯板墊在接觸面與活動(dòng)性剛度支架上。

5 煙風(fēng)管道保溫與防腐

5.1 管道保溫原則

第一，控制管道外表層溫度不高于50 ℃，若環(huán)境溫度超過(guò)25 ℃，則管道外表層溫度要不低于50 ℃；第二，管道長(zhǎng)期維護(hù)與操作部位要做管道保溫，避免出現(xiàn)燙傷；第三，管道介質(zhì)溫度維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 選擇保溫材料

煙風(fēng)管道保溫與防腐設(shè)計(jì)中，要選取最高使用溫度比管道設(shè)計(jì)溫度高的保溫材料。在保護(hù)層設(shè)計(jì)中，首選金屬保護(hù)層，一般使用鋁合金板、鍍鋅薄鋼板與彩鋼板等材質(zhì)。此外，考慮到燒結(jié)機(jī)頭部、尾部風(fēng)箱煙風(fēng)管道內(nèi)壁厚度的噴涂要求，要選用噴涂厚度達(dá)到50 mm 的莫來(lái)石噴涂料。每次噴涂要間隔3 m 的間距布置膨脹縫，縫隙的寬度設(shè)定為12 mm，并將硅酸鋁纖維氈填充至膨脹縫中，再選用莫來(lái)石噴涂料進(jìn)行噴涂[6]。

5.3 管道油漆與防腐

在管道防腐處理中，為增強(qiáng)煙風(fēng)管道抗腐蝕性，延長(zhǎng)管道使用壽命，需在管道表層進(jìn)行不同程度的外部油漆處理，待管道所有部位完成噴涂后，采取科學(xué)除銹的方式，使煙風(fēng)管道達(dá)到規(guī)定預(yù)處理等級(jí)；根據(jù)管道表層涂漆處理等級(jí)，采取與涂耐高溫涂料相適應(yīng)的除銹等級(jí)進(jìn)行處理，其中管道穿墻處、彎管處及密集處，要涂刷介質(zhì)名稱及介質(zhì)流向[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究基于煙風(fēng)管道布置原則，深入了解煙風(fēng)管道布置的相關(guān)要求，并通過(guò)分析煙風(fēng)管道規(guī)格與材料，為設(shè)計(jì)出合理、規(guī)范且具有科學(xué)性的煙風(fēng)管道系統(tǒng)提供參考。此外，探討了煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)的荷載、跨距、支架布置及保溫與防腐等內(nèi)容，為設(shè)計(jì)高質(zhì)量和具有可行性的煙風(fēng)管道系統(tǒng)，在掌握鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，需學(xué)習(xí)并掌握一定的熱力管道知識(shí)，兼顧多種學(xué)科知識(shí)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理安全、工藝性能良好的煙風(fēng)管道。