胡建波

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

鋼鐵企業(yè)屬于傳統(tǒng)的高耗能、高污染行業(yè)，如何采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)工藝改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、降耗是每個(gè)鋼鐵企業(yè)根本之路。燒結(jié)工序能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的10%左右，僅次于煉鐵工序，是鋼鐵生產(chǎn)的第二耗能大戶。燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù),使燒結(jié)主抽風(fēng)系統(tǒng)與煙氣循環(huán)系統(tǒng)能平衡運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,并且在燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣的減排、降低固體燃料消耗及提高燒結(jié)礦質(zhì)量等方面都有很好的效果。

隨著燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)的普遍應(yīng)用，煙風(fēng)管道的合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化也突顯出其重要性，它是燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝中的重要組成部分，不僅決定著工藝能否安全合理的運(yùn)行，也是整個(gè)系統(tǒng)投資的重要部分。煙風(fēng)管道具有管徑相對(duì)較大，介質(zhì)溫度較高，安裝情況比較復(fù)雜等特點(diǎn)，針對(duì)以上特點(diǎn)需要對(duì)煙風(fēng)管道的設(shè)計(jì)認(rèn)真梳理與研究，使煙氣循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定及合理。

1 燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)管道組成

1.1 煙風(fēng)管道系統(tǒng)主要組成部分

通常情況下，燒結(jié)煙氣循環(huán)管道系統(tǒng)主要由以下兩部分組成：

第一部分管道，由環(huán)冷機(jī)低溫段上罩接出，經(jīng)由多管除塵器、風(fēng)機(jī)接至燒結(jié)機(jī)上罩。此部分管道的工作溫度一般為200～250 ℃左右。

第二部分管道，由燒結(jié)機(jī)頭部風(fēng)箱與尾部風(fēng)管分別接出，匯合后經(jīng)由多管除塵器、風(fēng)機(jī)接至燒結(jié)機(jī)上罩。燒結(jié)機(jī)頭部風(fēng)箱風(fēng)溫約為150 ℃；燒結(jié)機(jī)尾部風(fēng)箱風(fēng)溫約為450 ℃。二者混合后風(fēng)溫約為200～250 ℃。

1.2 管道附屬設(shè)施

管道附屬設(shè)施通常包括彎管、大小頭、堵板、補(bǔ)償器、人孔、放灰管等。

2 煙風(fēng)管道的布置原則

管道的布置既要考慮管道系統(tǒng)本身的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，又要與總圖、工藝以及土建等相關(guān)專業(yè)配合，在安全合理的前提下，盡量做到檢修方便，布局美觀。

1)管道應(yīng)架空敷設(shè)，布置應(yīng)力求順直、通暢、附件少、阻力小，彎管的彎曲半徑按管徑的1～1.5倍設(shè)計(jì)；大小頭的擴(kuò)散角一般不大于15。，保證管道內(nèi)氣流順暢。

2)管道穿車間墻壁或樓板時(shí)，應(yīng)預(yù)留好相應(yīng)的孔洞，孔洞與管道外壁(如有外保溫，則為外保溫結(jié)構(gòu)保護(hù)層)應(yīng)留有一定的間隙，一般不應(yīng)小于20～100 mm。

3)管道沿車間墻或柱敷設(shè)時(shí)，管道外壁與車間墻或柱的凈距不小于500 mm，當(dāng)管道外徑小于500 mm時(shí)，應(yīng)不小于管道徑。

4)管道與設(shè)備一般采用法蘭連接。

5)在管道彎管附近、管道垂直起升等處宜設(shè)放灰管，以便于及時(shí)將管道中的積灰排出。

3 煙風(fēng)管道的規(guī)格與材料

3.1 煙風(fēng)管道規(guī)格

3.1.1 圓形管道規(guī)格

煙風(fēng)管道的截面一般采用圓形，常用直管段壁厚如下[1]：

DN1 000～DN2 000，壁厚6.0 mm。

DN2 200～DN3 500，壁厚8.0 mm。

DN3 600～DN4 000，壁厚10.0 mm。

考慮管道內(nèi)氣體含塵量較大，特別是由燒結(jié)機(jī)頭部、尾部風(fēng)箱引出的煙氣含塵量要遠(yuǎn)大于環(huán)冷機(jī)低溫段引出的煙氣含塵量，煙風(fēng)管道彎管處的壁厚應(yīng)適當(dāng)加厚，其中由燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱引出的風(fēng)管應(yīng)噴涂耐磨澆筑料，噴涂厚度為50 mm。

由于煙氣溫度較高，圓形管道規(guī)格≥DN1 000時(shí)，應(yīng)設(shè)置環(huán)形橫向加固肋，以增強(qiáng)管道的剛度，加固肋可以用扁鋼或角鋼等型鋼制作。

3.1.2 矩形管道規(guī)格

矩形管道在煙氣循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用較少，一般在燒結(jié)室內(nèi)空間有限的情況下使用，在采用矩形管道時(shí)，應(yīng)配置足夠的加固肋或內(nèi)撐桿。

關(guān)于管道規(guī)格及相關(guān)要求，可參見華東電力設(shè)計(jì)院編制的《煙風(fēng)煤粉管道零部件典型設(shè)計(jì)手冊(cè)》與國標(biāo)圖集06R403《鍋爐房風(fēng)煙道及附件》。

3.2 煙風(fēng)管道材料

管道的選材應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)溫度選用相應(yīng)的材質(zhì)。

1)由環(huán)冷機(jī)低溫段接出的煙風(fēng)管道，煙氣溫度約為200～250 ℃，應(yīng)選用Q235-B材質(zhì)。

2)由燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱接出的煙風(fēng)管道，煙氣溫度約為450 ℃，應(yīng)選用Q345-B材質(zhì)。

3)管道加固肋材質(zhì)應(yīng)與煙風(fēng)管道材質(zhì)一致。

3.3 煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)計(jì)算

煙風(fēng)管道的管徑一般由燒結(jié)工藝專業(yè)確定，當(dāng)管道布置需要對(duì)某個(gè)管段的管徑調(diào)整時(shí)，可按下面公式計(jì)算調(diào)整，調(diào)整后要與燒結(jié)工藝專業(yè)確認(rèn)。

煙風(fēng)管道截面積按下面公式計(jì)算：

(1)

式中：F—煙風(fēng)管道截面積，m2；V—煙氣流量，m3/h；ω—煙氣流速，流速一般取18～20m/s。

對(duì)于圓形管道，直徑計(jì)算：

(2)

式中：F—煙風(fēng)管道截面積，m2；d—圓形管道直徑(m)。

對(duì)于矩形管道，其截面積計(jì)算：

F=HB

(3)

式中：F—煙風(fēng)管道截面積，m2；H—矩形管道高，m；B—矩形管道寬，m。

在設(shè)計(jì)過程中管徑的尺寸要統(tǒng)一，以避免上下游專業(yè)或管道與設(shè)計(jì)之間連接尺寸不一致。一般圓形管道規(guī)格為管道外徑×壁厚；矩形管道規(guī)格為寬×高，其中寬與高均為外壁尺寸。

4 煙風(fēng)管道的補(bǔ)償

在煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)中，一定要重視管道熱脹冷縮的問題。要使管道在熱態(tài)時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少管道的二次應(yīng)力則必須考慮管道的補(bǔ)償。管道應(yīng)盡可能利用自然補(bǔ)償，當(dāng)自然補(bǔ)償無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)采用補(bǔ)償器。管道因溫度變化而引起的伸縮量，可按下面公式計(jì)算[2]：

ΔL=Lα(t2-t1)

(4)

式中：ΔL—管道伸縮量，cm；L—計(jì)算管長，m；α—管道的線膨脹系數(shù)，cm/(m·℃)；t1—管道設(shè)計(jì)安裝溫度，一般取用20 ℃；t2—管道設(shè)計(jì)溫度，℃，正常工作時(shí)的最高溫度。

4.1 補(bǔ)償器的選擇

煙風(fēng)管道建議選用非金屬補(bǔ)償器，其主要具有以下特點(diǎn)：

1)可以在較小的長度范圍內(nèi)，提供多維度的位移補(bǔ)償。

2)由于補(bǔ)償器元件采用橡膠玻璃纖維復(fù)合材料，幾乎沒有彈性力，可以簡化管路設(shè)計(jì)，節(jié)約支架成本。

3)橡膠玻璃纖維復(fù)合材料能有效地降低風(fēng)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

4)采用不同橡膠復(fù)合材料和在圈帶的內(nèi)部設(shè)置隔熱材料，可達(dá)到較寬的溫度范圍。

5)可以補(bǔ)償一定的安裝誤差。

4.2 補(bǔ)償器設(shè)置原則

1)在選擇補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)該因地制宜，結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的補(bǔ)償器。

2)煙風(fēng)管道在與設(shè)備相接時(shí)，通常要設(shè)補(bǔ)償器，如環(huán)冷機(jī)風(fēng)罩接口、多管除塵器進(jìn)出口、風(fēng)機(jī)進(jìn)出口、燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱接口等處。這樣可避免管道的受力傳遞到設(shè)備上，對(duì)設(shè)備造成損壞或安全隱患。

3)補(bǔ)償器一般安裝在管道的兩個(gè)固定支架中間，考慮到補(bǔ)償器本身的重量在管道膨脹與收縮的時(shí)候不發(fā)生扭曲，必須用兩個(gè)單片支架(或?qū)蛑Ъ?平均支撐補(bǔ)償器重量。單片支架的間距，在車間外部時(shí)一般為3～4 m，在車間內(nèi)部時(shí)最大不超過6 m。

4)在任意直管段上，兩個(gè)固定支架之間只能安裝一個(gè)補(bǔ)償器。

5)非金屬補(bǔ)償器安裝時(shí)，根據(jù)需要可以預(yù)壓縮或偏裝，但不允許冷拉。

6)當(dāng)選用波紋補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)考慮補(bǔ)償器預(yù)拉伸，預(yù)拉伸量為50%補(bǔ)償量。

5 煙風(fēng)管道的荷載及跨距

5.1 管道荷載分類

通常情況下，應(yīng)提供給土建專業(yè)的荷載如下[3]：

1)永久荷載，包括管道、管道附件及保溫結(jié)構(gòu)等自重，管道內(nèi)介質(zhì)的重量。

2)活荷載，管內(nèi)沉積物、平臺(tái)的操作或檢修荷載等，補(bǔ)償器的彈性力，介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生的不平衡內(nèi)壓力。

5.2 管道跨距計(jì)算

管道支架的跨距大小直接決定著管道支架的數(shù)量?？缇嗵≡斐晒艿乐Ъ苓^密，支架費(fèi)用增高，在保證管道安全和正常運(yùn)行的前提上，應(yīng)盡可能地增大管道支架跨距，以降低支架建設(shè)成本和支架維護(hù)費(fèi)用。管道支架允許跨距取決于管道材質(zhì)的強(qiáng)度、管道截面積、外部荷載大小以及管道允許的最大撓度。

5.2.1 跨距無附加負(fù)荷時(shí)的計(jì)算

煙風(fēng)管道積灰荷載，除塵器前一般按管道截面積的三分之一考慮，除塵器后一般按管道截面積的四分之一考慮。燒結(jié)系統(tǒng)煙氣內(nèi)粉塵的體積密度一般取1 700 kg/m3。

1)按強(qiáng)度條件計(jì)算管道允許跨距。

對(duì)于均布荷載并且連續(xù)敷設(shè)的水平直管段，最大允許跨距可按下列公式計(jì)算：

(5)

式中：L—管道允許跨距，m；[σ]t—鋼材熱態(tài)許用應(yīng)力，N/mm2；W—管道截面抗彎截面系數(shù)，cm3；φ—焊縫系數(shù)；q—管道單位長度計(jì)算荷載，N/m，包括永久荷載和活荷載。

2)按剛度條件計(jì)算管道允許跨距。

一般情況下，管道在一定的跨距下總有一定的撓度，由管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，按照坡度為0.005時(shí)的撓度不超過f=L/600計(jì)算，管壁的應(yīng)力不超過127.5 MPa。

對(duì)于均布荷載并且連續(xù)敷設(shè)的水平直管段，最大允許跨距可按下列公式計(jì)算[2]：

(6)

式中：L—管道允許跨距，m；I—慣性矩，cm4；i0—管道敷設(shè)坡度，i0一般取≥0.002；Et—在計(jì)算溫度下鋼材彈性模量，N/mm2。

3)管壁應(yīng)力計(jì)算公式[2]：

(7)

式中：σ—管壁應(yīng)力，MPa；L—管道允許跨距，m；q—管道單位長度計(jì)算荷載，N/m;W—管道截面抗彎截面系數(shù)，cm3。

4)撓度計(jì)算公式[2]：

(8)

式中：f—撓度；L—管道允許跨距，m；q—管道單位長度計(jì)算荷載，N/m;I—慣性矩，cm4。

5.2.2 跨距有附加負(fù)荷時(shí)的計(jì)算

當(dāng)煙風(fēng)管道有其他附加負(fù)荷時(shí)，在q中加上附加負(fù)荷，計(jì)算方法與上述公式相同。

管道跨距按強(qiáng)度公式計(jì)算的值大于撓度公式計(jì)算的值，為保證管道安全正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按撓度公式計(jì)算。

對(duì)于煙風(fēng)管道而言，管徑較大，工作溫度較高，計(jì)算的跨距應(yīng)適當(dāng)減小。

水平90°彎管兩支架之間的管道展開長度，不應(yīng)大于水平直管段上支架最大允許跨距的0.73倍。盡端直管兩支架之間的管道長度不應(yīng)大于水平直管段上支架最大允許跨距的0.81倍。

6 煙風(fēng)管道的支架布置

管道的支架是管道系統(tǒng)中的重要組成部分。管道支架有著支承管道重量，限制位移，平衡介質(zhì)反力和防止管道振動(dòng)等作用。在管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，合理布置和正確選擇支架類型，可以優(yōu)化管道的應(yīng)力分布情況，確保管道安全運(yùn)行。

6.1 常用煙風(fēng)管道支架分類

1)固定支架：管道的固定點(diǎn)，它承受管道軸向和橫向推力。

2)單片活動(dòng)支架：在管道軸線方向有位移，橫向有剛度。

3)鉸接支架：僅承受管道的垂直荷載，允許管道在平面上作任何方向的移動(dòng)，一般布置在自由膨脹的彎管處。

6.2 管道支架布置原則

1)布置煙風(fēng)管道支架時(shí)，力求各支點(diǎn)荷載均勻分配。

2)水平彎管兩側(cè)的支架，應(yīng)將其中一個(gè)布置在靠近彎管處。

3)大小頭兩側(cè)的支架，應(yīng)將支架設(shè)置在管徑大的一側(cè)。

4)與設(shè)備相連接的管道建議將支架設(shè)在設(shè)備接口附近，以避免設(shè)備承受管道荷載。

5)室外敷設(shè)的煙風(fēng)管道的獨(dú)立活動(dòng)支架，應(yīng)為柔性支架或半鉸接支架，可有效減少摩擦推力。

6)支架的布置應(yīng)盡量接近轉(zhuǎn)折點(diǎn)(但是不能在彎頭的焊縫上)，以免懸臂太長。

6.3 管道固定支架水平推力計(jì)算

固定支架的水平推力一般由幾個(gè)力組成，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)管道的實(shí)際布置形式計(jì)算。

通常在管道設(shè)計(jì)過程中，需要向土建專業(yè)提供的沿管道軸向水平荷載一般包括以下三種：

1)補(bǔ)償器的反彈力。

當(dāng)使用波紋管補(bǔ)償器時(shí)，反彈力為波紋管剛度產(chǎn)生的反力。

當(dāng)使用非金屬補(bǔ)償器時(shí)，反彈力可忽略不計(jì)。

2)管道內(nèi)的不平衡內(nèi)壓力。

當(dāng)固定支架布置在帶有彎管或者在裝有閥門、堵板的管段上時(shí)，內(nèi)壓水平荷載按下面公式計(jì)算：

F=p0A

(9)

式中：F—軸向推力，N；p0—介質(zhì)工作壓力，MPa；A—補(bǔ)償器的有效截面積，mm2。

3)剛性活動(dòng)支架的摩擦力。

當(dāng)用剛性活動(dòng)支架時(shí)，為固定支架至補(bǔ)償器之間各活動(dòng)支架的摩擦反力之和。建議在剛性活動(dòng)支架與管道的接觸面上墊兩層聚四氟乙烯板，摩擦系數(shù)μ可降為0.1。

7 管道的保溫與防腐

管道保溫的主要目的在于減少管道內(nèi)熱煙氣在輸送過程中的無益熱損失，保證熱煙氣的參數(shù)滿足工藝要求。其次在于改善工作環(huán)境、防止高溫燙傷人員。

7.1 管道保溫的原則

1)要求外表面溫度小于或等于50 ℃的管道，以及環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，外表面溫度大于50 ℃的管道。

2)凡管道需要經(jīng)常操作、維護(hù)，而又容易引起燙傷的部位。

3)生產(chǎn)中要求介質(zhì)溫度保持穩(wěn)定的管道。

7.2 保溫材料的選擇

1)保溫材料的允許最高使用溫度應(yīng)高于管道的設(shè)計(jì)溫度，也就是正常工作時(shí)的介質(zhì)最高溫度。

2)由于來自燒結(jié)機(jī)尾部風(fēng)箱的煙氣溫度約為450 ℃，建議選用硅酸鋁制品作為管道的保溫層。

3)保護(hù)層宜采用金屬保護(hù)層，通常采用彩鋼板、鍍鋅薄鋼板及鋁合金板等。由于煙風(fēng)管道的直徑較大，一般在DN2 000～DN4 000之間，建議使用厚度為0.60～0.75 mm的彩鋼板。

4)來自燒結(jié)機(jī)頭部和尾部風(fēng)箱的煙風(fēng)管道內(nèi)壁應(yīng)噴涂有厚度為50 mm的莫來石噴涂料。噴涂料每隔3 m設(shè)一道膨脹縫，膨脹縫寬度為10 mm，膨脹縫內(nèi)填充硅酸鋁纖維氈。建議選用密度為1 700 kg/m3的莫來石噴涂料。

7.3 管道的油漆和防腐

1)為減少管道的腐蝕，延長管道和保溫層的使用壽命，管道表面應(yīng)按不同要求進(jìn)行外部油漆。

2)管道在涂裝前需要進(jìn)行除銹處理，并達(dá)到規(guī)定的預(yù)處理等級(jí)。

3)設(shè)計(jì)溫度在120～420 ℃范圍內(nèi)的煙風(fēng)管道外表面宜涂耐高溫涂料。高于420 ℃的煙風(fēng)管道表面可只做除銹處理，除銹等級(jí)與涂漆管道相同。

4)管道彎管、穿墻處、管道密集的部位，應(yīng)涂刷介質(zhì)名稱及介質(zhì)流向。

8 結(jié)語

隨著我國冶金水平的不斷提高，燒結(jié)工藝也在不斷升級(jí)，近些年來，燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)在燒結(jié)廠建設(shè)中越來越普及，對(duì)煙風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也隨之不斷提高，管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好與不好，關(guān)系到工藝系統(tǒng)是否技術(shù)先進(jìn)與經(jīng)濟(jì)是否合理，關(guān)系到生產(chǎn)工藝是否安全可靠與節(jié)能環(huán)保。

熱風(fēng)管道的特點(diǎn)為管徑較大，一般在DN2 000～DN4 000之間；溫度較高，一般在150～450 ℃之間。所以，從管徑方面考慮其為結(jié)構(gòu)件；從溫度方面考慮其兼有熱力管道的特性。在管道設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮到其作為管道的特性，還要考慮其作為結(jié)構(gòu)件的性質(zhì)。所以，要想做好這部分管道的設(shè)計(jì)工作，不僅要掌握好鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，還要研究熱力管道相關(guān)知識(shí)，只有兩方面兼顧了，才能使管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度既安全，工藝性能又好，煙氣循環(huán)工藝系統(tǒng)的技術(shù)也更先進(jìn)與經(jīng)濟(jì)合理。