超大型焦爐爐柱結構設計

崔程瑋，李月月(中鋼集團工程設計研究院有限公司大連焦化分院，遼寧 大連 116000)

0 引言

伴隨近年對環保與高煉焦品質需求，大型焦爐的建造成為首要趨勢。碳化室的每孔容積體積增加至50 m3左右，隨著孔洞容積的增加，碳化室也由最初的4 m高度增加到了最高7 m左右的高度，每孔碳化室的容煤量比之前的容量增加了1倍多。建造大型焦爐帶來高品質焦炭，同時優化了之前小型焦爐所達不到的低消耗熱量，還減少了占地面積，焦爐機械設施減少等，自動化程度高、降低運行成本的優勢使大型焦爐成為新寵兒。但是，焦爐的大型化不代表整個爐體各個部分都可以對尺寸肆意加，要對碳化室的各個尺寸數值之間的比例等問題進行深度研究。爐柱作為在焦爐保護任務中作為核心存在的特殊構件，其使用壽命與結構所能承受的強度都關系著爐體的使用生命周期。本文根據老式與新式爐柱對負載方面的新式分析流程，對柱頭與柱身分別進行了與負載數據相對應的合理分析，通過利用計算機軟件進行靜態分析獲得全新體系數據，避免老式數據對新型設計的影響。

1 在舊式爐柱基礎上改進新式爐柱

1.1 舊式爐柱

舊式爐柱在計算爐柱最大應力與爐柱可彎曲值方面是在均勻載荷基礎上計算得出的。雖然該類模型只考慮均布載荷，所以在計算方面比較方便，能夠在運用簡單的物理學公式進行相關計算，從而確定爐柱所受應力與彎度值的大小區間，但是因爐柱在實際運用中柱身是多區域進行不均勻受力，在不同的高度因為設計結構的大體差異，柱身的橫截面積與形狀不盡相同，所以基于這兩方面進行考慮得出具體實施流程。通過這類模型確定最大應力與爐柱曲度值的依據方式在不科學與安全性不能得以保障的情況下被淘汰。但是隨著技術的提高與不斷實時更新，通過軟件進行三維建模，并且運用有限元分析的方式已經得到了相關領域的大面積應用。利用計算機代替人工計算，在得到最大應力數值與彎曲度數值的同時進行優化設計模型，得到適用于新型大容積焦爐的爐柱結構形式[1]，并且減少最大應力極限的情況發生。

1.2 新型大容積焦爐爐柱

(1)隨著焦爐容積的增大，爐柱的結構也多改用了H型鋼結構，具有結構簡單，抗彎曲能力強等特點。在實際使用過程中結構的簡單化可大幅度降低成本，并且在優化與某一區域加強時也會在施工方面減少處理時間，使用壽命長[2]。在新型方案中保護彈性貼板不與柱體進行直接的面對面接觸模式，而是通過彈簧的螺栓進行隔離。如何在生產過程中對外圍砌體進行保護，成為了首要科目。因為爐體頂端方向各個區域所采用的材料種類有所區別，在升溫時導致各區域膨脹能力差異程度有所不同，進而需要保護的力也隨之有不同變化。新式方法利用彈簧的壓縮量來緩沖爐柱高處向不同區域施加力的方式，調節各處擁有不同差異的保護力；(2)在溫度雨雪等自然因素下，焦爐的所有配件都會有所變形，在溫差迅速下降20 ℃左右時，上部橫條的承載能力就會幾何倍下降，所以現今采用保護板彈性接觸爐柱的形式來提高其使用周期與可靠性。

2 新型爐柱的新思路

2.1 溫度因素

由于爐柱上方與爐體下部接壤部分在運作時溫度相對最高，而外側與其他部分溫度相對來說較低。借助材料的熱脹冷縮方面的相關性質可以得知，爐柱的實際形變方向與溫度載荷量相反，從爐柱的形變方面來講可以理解為對其是友好影響。因為爐柱的壓拉應力在載荷溫度下被干擾的能力不足以被考慮，隨著帶有短時間周期性的推焦過程的發生，可能在一定程度上會影響爐柱，其結構內側的溫度均勻增高會逐漸恢復產生的影響。所以在設計之初需要考慮的只有結構與材料在實際生產溫度下應力值的變化，并且選用符合要求的材料即可，其他問題可不做考慮。

2.2 爐柱的相對分析

2.2.1 爐柱承載力總體分析

以常見型7 m爐柱作為示范進行分析，爐柱的安裝位置為中間隔著帶有很多小彈簧的保護板的外側，上下端口有兩條橫拉條在彈簧的緩沖下進行撐緊，在爐柱的最下部通過下部橫梁對砌層墻體進行作用力；在水平方向上對爐柱承載能力進行分析，爐柱是上端與下端承載著拉條帶來的撐力，上下又各自與爐墻的不同位置墻體產生反作用力，這些力都是在彈簧的傳遞下進行，并且是從剛性力到彈性力的轉換，除存在這些受力情況以外還會有偶然情況所出現的影響，例如外環境與內環境產生的熱應力和焦爐在實際生產中的熱膨脹等。

2.2.2 爐柱整體

為保證爐柱整體的可靠性，如果放在一起分析并設計整體爐柱無疑會增加設計過程中的難度，還會帶來可靠性降低的可能，所以現今多采用分體研究，把柱身與柱頭分開進行獨立的細致分析與設計，從而達到所需要的要求，這樣放在一起的可靠性就會得到最好的保障。

2.2.3 柱身

在大容積新式焦爐中，通過確定焦爐高向各區的保護力，從而運用爐柱把相關的力合理的作用在爐體上。在爐頂的方位多采用在砌體外圍貼合保護板的形式，并且在爐柱外沿加設彈簧，增加彈性壓縮度對水平方向產生的摩擦力進行平衡，在燃燒區利用在爐柱高處均勻布施桿來運用頂桿的張力施加在保護貼板上，從而間接地使保護板貼合在爐墻。在這之后頂桿可以通過自身安裝的帶有彈力調節作用的彈簧，向爐體施加在彈簧壓縮量范圍內的高彈性保護力。蓄熱式滑動層各部分都設有彈力保護，并且間接地通過貼合板把彈力作用在爐體之上。通過確定爐體的各區域保護力情況，就摸清了爐柱主體的承重分布所相關受力情況。因現有體制大多采用易焊接成型的H型鋼材，所以在選擇所需鋼材材質方面應該根據其要求進行精準選用，需要利用真實模擬軟件對不同的橫截面尺寸進行建模，在分布好各線路彈簧后，再對這些位置進行模擬承載并在網絡下進行細致化操控，在這之后需要運用合理的方式來約束焦爐上下的橫向拉條與爐柱接觸的部分，同時考慮焦爐接觸爐柱的接觸面對其進行相關約束，在這些步驟完成以后對其整體進行靜態力學分析，得到相關數據來確定柱身在彎曲時的形變分布和所能承受的彎曲應力，還可適時調整彈簧在爐柱上的布施位置，對其進行變更優化。柱身需要滿足所需要的彎曲指標，如果柱身因材料等問題完成不了，需要兩種方法進行應對，一是直接換掉此類鋼材，另一種方法是對瑕疵部位進行補強，或者在此部位增加橫截面積的方式來降低彎曲程度，通過此兩類方法可以提高設計上的實際指標上限。在此之前，不可以運用老式的爐柱形變限制數值，因為在現有體制中，對焦爐的容積進行了大幅度的改變，焦爐爐柱的高度比老式爐柱也增加的更高，導致在形變時爐柱的彎曲程度也比常規的變形程度更加夸張。所以需要根據精確分析的相關結果進行限制，在保障柱身的彎曲力合理的包含于材料所承受的范圍之內的情況下，對柱身結構進行不斷地迭代優化。這樣可以保障彎曲應力在可控的范圍內，在可靠性上趨于完美。

2.2.4 柱頭

大型焦爐的現有設計為迎合焦化行業對浪費能源的合理運用，在節能提高自動化水平方面進行革新，現有焦爐采用利用上升管剩余溫度，碳化壓力的自動化調節系統來進行生產。焦爐的上部有操作平臺以及公用管道、集氣管等裝置，在集氣管內部含有煤氣、氨水等，在一些響應能源利用和環保等方面的控制系統及管道和電纜等設施外，加上述設備也都是只有爐柱獨自承擔。這些重量的增加成了在受力分析時不可忽略的關鍵節點。根據這些部分的分布位置不同，在分析外部條件時需要考慮其所在的位置進行對應式分析。通過對柱頭的負載情況進行合理的分類，可以依據分類的組合形式挖掘深層數據，以下進行對柱頭負載情況的分類：(1)迎合資源的合理運用加設的新設備、新管道、電纜等控制系統操縱臺等；(2)原有公用介質管道、操縱平臺；(3)集氣管放散裝置重量，煤氣管道重量，爐門車，并且在具體應用中爐門車是移動目標，沒有具體分布，對柱頭來說，當成移動負載目標來觀看。在計算時需在各個爐門車所到部位進行增加爐門車重量進入其中時精的承載數據。在對以上種類進行分類后就進入到了組合部分，隨機結合以上幾種分類所帶來的承載關系，可以在其中找出對柱頭負載最大的形式與對柱頭荷載最小的形式，在這些基礎上進一步進行對其設計進行可靠性分析。在此類分析過后可初步計算出柱頭所需的承載量，進而知道大體的柱頭結構橫截面的參數，利用軟件依舊建立柱頭模型，將已知的數據輸入計算機，增加所需束約的固定值對柱頭平面的結構進行約束，這些工作完成以后進行最后的靜態分析環節，可得到根據輸入柱頭承載的種類得到相對應狀態下的彎曲值與彎曲形變分布數據，并對其進行與柱身類似的相關優化，唯一區別點在于，如若出現了柱頭下撓情況，則需要增加橫截面尺寸或更換材料來改善。

3 結語

文章對老式焦爐爐柱的設計與新型爐柱進行了詳細的分析，并提出意見及建議；對已經不符合實際需求的相關參數進行修改，并且提出新種類大型焦爐爐柱的建設方案；著重解釋了如何運用三維軟件對所需爐柱物理結構進行靜態分析。從材料本身的彎曲應力與彈簧分布情況作為保障界限，在設計爐柱時利用“解耦”的相關概念，對柱身和柱頭進行了相對獨立的細致化討論定性，通過保護力在新式大型焦爐高的分布確定了柱身結構間的相關長度比例形式，另外考慮柱頭在原有設備承載下加入移動承載設備的情況下進行了精細的分類研究，通過此項研究肯定了柱頭載荷狀態的種類與具體的柱頭結構與大小，并從分析環節得到了柱身和柱頭的彎曲和變形位置，通過對這些區域的進一步優化使得此位置滿足了使用性能標準并增加了可靠性。