燒結煙氣內循環系統煙風管道的設計與研究

周繼瑞

（唐鋼國際工程技術有限公司，唐山 063000）

傳統工業制造對環境污染極大。在綠色、環保、生態發展的新理念下，降低污染、保護生態環境已成為工業生產創新發展的核心目標。以鋼鐵企業為例，作為傳統高耗能、高污染產業，在燒結煙氣循環技術大力普及應用的背景下，為實現對燒結煙氣內循環系統的有效應用，還需從工藝設計的角度探究煙風管道設計的內容，確保燒結煙氣內循環工藝在鋼鐵生產中得到科學合理的應用，助力鋼鐵生產實現節能創新。

1 煙風管道設計原則

在燒結煙氣內循環系統煙風管道設計中，要明確煙風管道的布置位置，具體考慮管道系統布置的合理性、技術性及經濟性，配合系統整體設計圖與工藝方案，確保煙風管道布置的位置安全合理，在保證管道系統穩定、可靠運行的同時，為后續使用和運維檢修提供便捷[1]。此外，需考慮系統整體布局的美觀性。因此，要嚴格遵循煙風管道設計原則。

第一，合理敷設。在煙風管道布置設計中，為滿足附件少、阻力小、通暢及順直的設計要求，應架空敷設煙風管道，彎管彎曲半徑以管徑的1.0～1.5 倍進行設計，大小頭擴散角不大于15°，確保管道系統內氣流流通順暢[2]。

第二，合理預留。在加裝設計煙風管道過程中，要合理預留相應孔洞，特別是要合理控制孔洞縫隙大小。管道在穿過墻壁與樓板時，要保證與墻體預留孔洞間隙在20～90 mm。

第三，合理控制。管徑的控制是煙風管道設計的要點，尤其在管道沿車間墻、柱敷設的情況下，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。煙風管道結構布置時，采用法蘭將管道與設備相連接，并在管道彎管、垂直部位，設置合理、規范的灰管，為有效排出管道中積灰提供保障，確保管道系統運行通暢。

2 煙風管道規格與材料

2.1 煙風管道規格

2.1.1 圓形管道規格

在燒結煙氣內循環系統圓形煙風管道設計中，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燒結機風箱處引出的風管進行噴涂處理，厚度控制為50～55 mm。

2.1.2 矩形管道規格

燒結室內空間存在局限性的情況下，一般根據矩形管道進行管道設計。煙風管道設計在矩形管道應用中，需利用合理、規范且具有科學性的內撐桿與加固肋，嚴格按照《煙風煤粉管道零部件典型設計手冊》中矩形管道的規格要求進行設計。

2.2 煙風管道材料

要結合不同設計溫度選擇合適的煙風管道材料[3]。其中：當煙風管道布置于環冷機低溫段時，煙氣溫度一般在200～250 ℃，可采用Q235-B 材質進行設計；當煙風管道布置在燒結機風箱接出部位時，煙氣溫度一般在430～450 ℃，需選取Q345-B 材質進行設計。在管道加固肋材選用中，要保證加固肋材和煙風管道材質一致。

2.3 煙風管道設計計算

煙風管道布置與管徑設計要基于燒結工藝，計算煙風管道設計面積，確保燒結工藝專業性。

計算截面積，公式為

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

若煙風管道設計選用圓形管道規格，直徑計算公式為

式中：d表示圓形管道直徑，m。

若煙風管道設計選用矩形管道規格，截面積計算公式為

式中：H表示矩形管道高，m；B表示矩形管道寬，m。

為避免出現管道與管道之間連接尺寸不符的問題，要統一計算管徑尺寸，比如選擇圓形管道規格，管道設計計算為管徑尺寸=管道外徑×壁厚；矩形管道規格條件下，管徑尺寸=寬×高（外壁尺寸）。

3 煙風管道荷載與跨距

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質、管道內部結構及附件的荷載；活荷載是指介質壓力作用下的不平衡內壓力，平臺操作、檢修及管內沉積物荷載。

3.2 管道跨距計算

3.2.1 跨距無附加負荷時計算

第一，計算管道允許跨距。依據強度條件，分別計算最大允許跨距與均布荷載連續敷設水平直管段，表達式為

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

第二，一定剛度下計算管道允許跨距。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生，彎曲撓度的程度由管道質量決定。在剛度條件下管道允許跨距撓度的計算公式為

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

第三，計算管壁應力，公式為

式中：σ表示管壁應力，MPa。

第四，計算撓度，公式為

3.2.2 跨距有附加負荷時計算

跨距有附加負荷時，計算方法參考跨距無附加負荷時的計算。但在設計中，要根據燒結工藝與煙風管道結構，利用撓度計算公式，充分考慮管道設計中管徑大的特點，并結合燒結煙氣內循環系統的運行溫度，計算帶有負荷的跨距[4]。

4 煙風管道支架的設置

4.1 煙風管道支架分類

煙風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。它固定整個管道結構，是管道支撐的重要部件，承載了管道質量，同時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，布置煙風管道支架時，要確定支架類型，合理分配支點荷載；第二，重點考慮管道彎曲處支架的設置，水平彎管兩側應設置固定支架；第三，布置支架要結合管道管徑，將支架布置在大管徑的方向；第四，為保證管道和設備連接部位的質量，明確設備與管道連接部位，布置相應支架，使設備荷載完全由支架承受，減輕管道承載；第五，在煙風管道室外支架布置中，要使用單片活動支架進行設計，若管道結構復雜，可利用柔性支架；第六，管道轉折點是支架布置的最佳區域，但要避免彎頭焊縫處布置，防止懸臂過長。

4.3 計算管道固定支架水平推力

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

其次，計算不平衡內壓。結合管道外部支架設置部位與支架的結構特性進行計算，以堵板荷閥門管段支架布置為例，不平衡內壓計算公式為

式中：K為軸向推力，N；p0表示介質工作壓強，MPa；A表示補償器截面積，mm2。

最后，在布置活動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性剛度支架上。

5 煙風管道保溫與防腐

5.1 管道保溫原則

第一，控制管道外表層溫度不高于50 ℃，若環境溫度超過25 ℃，則管道外表層溫度要不低于50 ℃；第二，管道長期維護與操作部位要做管道保溫，避免出現燙傷；第三，管道介質溫度維持在穩定狀態。

5.2 選擇保溫材料

煙風管道保溫與防腐設計中，要選取最高使用溫度比管道設計溫度高的保溫材料。在保護層設計中，首選金屬保護層，一般使用鋁合金板、鍍鋅薄鋼板與彩鋼板等材質。此外，考慮到燒結機頭部、尾部風箱煙風管道內壁厚度的噴涂要求，要選用噴涂厚度達到50 mm 的莫來石噴涂料。每次噴涂要間隔3 m 的間距布置膨脹縫，縫隙的寬度設定為12 mm，并將硅酸鋁纖維氈填充至膨脹縫中，再選用莫來石噴涂料進行噴涂[6]。

5.3 管道油漆與防腐

在管道防腐處理中，為增強煙風管道抗腐蝕性，延長管道使用壽命，需在管道表層進行不同程度的外部油漆處理，待管道所有部位完成噴涂后，采取科學除銹的方式，使煙風管道達到規定預處理等級；根據管道表層涂漆處理等級，采取與涂耐高溫涂料相適應的除銹等級進行處理，其中管道穿墻處、彎管處及密集處，要涂刷介質名稱及介質流向[7]。

6 結語

本研究基于煙風管道布置原則，深入了解煙風管道布置的相關要求，并通過分析煙風管道規格與材料，為設計出合理、規范且具有科學性的煙風管道系統提供參考。此外，探討了煙風管道設計的荷載、跨距、支架布置及保溫與防腐等內容，為設計高質量和具有可行性的煙風管道系統，在掌握鋼結構專業知識的同時，需學習并掌握一定的熱力管道知識，兼顧多種學科知識，設計出結構合理安全、工藝性能良好的煙風管道。