石墨化爐分體式爐蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

陳彬斌，劉 兵

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

石墨化爐爐蓋是在石墨化爐工作過程中用于收集高溫?zé)煔?200 ℃～300 ℃，含有SO2、粉塵等污染物)并將煙氣排放到廠房主煙道的專用設(shè)備。目前，石墨化爐爐蓋的結(jié)構(gòu)分為一體式或分體式，一體式爐蓋是一個整體結(jié)構(gòu)，因此在安裝或拆卸時(shí)只需要吊運(yùn)一次，通過與專有的爐蓋天車配合，還可以實(shí)現(xiàn)爐蓋的自動化安裝和拆卸。但隨著近年來石墨化爐產(chǎn)能的擴(kuò)大，所需爐蓋的尺寸也越來越大，一體式爐蓋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為保證吊運(yùn)過程中的強(qiáng)度和剛度要求，需要耗費(fèi)更多的鋼材，并且隨著尺寸的增大，吊運(yùn)的難度也隨之增加。分體式爐蓋采用分節(jié)結(jié)構(gòu)，一般分為2～3節(jié)，安裝時(shí)各節(jié)爐蓋相互組裝構(gòu)成爐蓋整體，使用廠房的普通天車吊鉤就可以進(jìn)行單節(jié)爐蓋的安裝和拆卸，具有結(jié)構(gòu)輕便、投資小的優(yōu)點(diǎn)。本文將對分體式爐蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并基于SOLIDWORKS對爐蓋主體框架鋼結(jié)構(gòu)在吊運(yùn)過程中的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元模擬校核。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 分體式爐蓋的組成

以國內(nèi)某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的爐蓋整體尺寸30×6 m(長×寬)為例，從結(jié)構(gòu)分節(jié)的經(jīng)濟(jì)性和安裝、拆卸過程中的便捷性綜合考慮，將其分成2節(jié)，見圖1。每一節(jié)爐蓋均由主體框架、面板、防爆口、快開口、排煙管等部件組成。該爐蓋的排煙管設(shè)置在側(cè)部，快開口安裝在爐蓋的排煙側(cè)，防爆口安裝在爐蓋的背排煙側(cè)。每一節(jié)爐蓋均對稱設(shè)置4個吊耳，通過鋼絲繩和廠房普通天車吊鉤就能對其進(jìn)行吊運(yùn)、安裝和拆卸。相鄰兩節(jié)爐蓋之間通過槽鋼扣合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)密封，見圖2。安裝時(shí)先裝2#爐蓋再裝1#爐蓋，拆卸時(shí)先拆1#爐蓋再拆2#爐蓋。

圖1 分體式爐蓋的組成

圖2 槽鋼扣合結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.2.1 安全泄放結(jié)構(gòu)

在爐蓋工作工程中，石墨化爐產(chǎn)生的煙氣會在爐蓋內(nèi)部富集并通過排煙管進(jìn)入廠房的工藝主煙道，當(dāng)煙氣流通出現(xiàn)異常時(shí)，由于煙氣的不斷富集，會在爐蓋內(nèi)部形成局部的蹩壓，當(dāng)壓力超過爐蓋所能承受的范圍時(shí)會破壞爐蓋結(jié)構(gòu)并發(fā)生安全事故。因此，在爐蓋排煙側(cè)設(shè)置快開口，在爐蓋背排煙側(cè)設(shè)置防爆口。如果現(xiàn)場工人發(fā)現(xiàn)爐蓋排煙異常時(shí)，可以手動打開快開口，使蹩壓富集的煙氣快速逸散，避免安全事故的發(fā)生。如果爐蓋排放煙氣異常且未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐蓋內(nèi)部壓力達(dá)到防爆口預(yù)設(shè)定的爆破壓力時(shí)，防爆口上的隔板會自動破開，使蹩壓富集的煙氣通過防爆口快速逸散，避免安全事故的發(fā)生?？扉_口和防爆口的雙保險(xiǎn)安全泄放結(jié)構(gòu)能盡可能的保障爐蓋在工作過程中的安全。

1.2.2 排煙管部件

排煙管部件由支管、總管、蝶閥、軟連接、封嘴、把手、掛鉤和支撐結(jié)構(gòu)等組成，見圖3。2個支管分別插入到爐蓋中，使?fàn)t蓋內(nèi)部的煙氣能夠就近通過支管流向總管，可以調(diào)節(jié)2個支管上的蝶閥，平衡氣壓，使煙氣的流通效果更好。總管下端是軟連接和封嘴，當(dāng)爐蓋工作結(jié)束后，工作人員可以利用把手將封嘴掛在主管的掛鉤上，避免在爐蓋吊運(yùn)過程中封嘴的晃動和對軟連接造成的損傷。爐蓋安裝到位后，工作人員將封嘴從掛鉤上取下，與工藝主煙道連通。排煙管與工藝主煙道的連接通常采用法蘭或是軟連接捆綁結(jié)構(gòu)，操作繁瑣。這里采用水封結(jié)構(gòu)，見圖4。其可以實(shí)現(xiàn)封嘴和主煙道的快速連接和密封，簡化了工作人員的操作。同時(shí)，軟連接的存在可以彌補(bǔ)爐蓋安裝過程中產(chǎn)生的位置偏差。

1.2.3 爐蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的爐蓋橫截面通常采用拱形結(jié)構(gòu)，但是集煙效果不是很好，而本文設(shè)計(jì)了一種頂部楔形結(jié)構(gòu)，見圖5。這種頂部楔形結(jié)構(gòu)可以使煙氣能夠更好地向頂部富集，同時(shí)因?yàn)榕艧煿茉O(shè)置在楔形結(jié)構(gòu)的“豎直邊”上，富集的煙氣能夠更好地向外排出，能夠優(yōu)化爐蓋的集煙和排煙效果。

圖3 排煙管部件的組成

圖4 封嘴與工藝主煙道的水封結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 橫截面結(jié)構(gòu)比較

1.2.4 面板的安裝方式

在爐蓋框架外表面安裝面板是為了實(shí)現(xiàn)爐蓋內(nèi)部的封閉，以便更好的集煙和排煙。通常采用焊接的方式來安裝面板，面板材料為普通碳鋼，厚度為2 mm。因此在焊接時(shí)，面板會容易出現(xiàn)焊損、焊穿、變形大等問題。且在爐蓋使用過程中，因受到煙氣的腐蝕，面板容易損壞，不僅影響集煙和排煙效果，外觀也很難看。本文的爐蓋面板材料采用不銹鋼，通過鉚接將面板固定在框架上，然后在面板與框架的縫隙處填充耐高溫密封膠。既能保證爐蓋的封閉性，又能增加面板的使用壽命和美觀性。

2 爐蓋框架的有限元模擬

為了保證爐蓋在吊運(yùn)過程中的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)盡可能優(yōu)化鋼材的用量，下面將通過SOLIDWORKS軟件對本文中設(shè)計(jì)的爐蓋框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬校核。

首先是建立爐蓋框架的三維模型，為了簡化計(jì)算模型，在計(jì)算時(shí)去掉不受力的不銹鋼面板。在四個吊耳位置添加固定約束，模擬通過四個吊點(diǎn)對爐蓋進(jìn)行吊運(yùn)的工況。對爐蓋整體添加豎直向下的重力，在爐蓋框架側(cè)面的角鋼上添加排煙管支撐對其作用的壓力，見圖6。通過有限元模擬，爐蓋在吊運(yùn)過程中的應(yīng)力分布和變形分布見圖7、圖8。

圖6 爐蓋框架模型

圖7 爐蓋框架的應(yīng)力分布

圖8 爐蓋框架的變形分布

從圖7可以看到，在爐蓋吊運(yùn)過程中，應(yīng)力分布基本上都不大于60 Mpa，最大應(yīng)力116 Mpa的位置在吊耳與框架的焊接接頭部位，小于130 Mpa，且小于188 Mpa(0.8倍Q235B的屈服強(qiáng)度，0.8為焊接安全系數(shù))。從圖8可以看到，爐蓋最大變形的位置處于中部，且是向下變形，最大的變形量為10.1 mm，相對于爐蓋框架長度方向的尺寸150 000 mm，撓度變形小于1/1 000。因此，從上述模擬結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的爐蓋框架在整體吊運(yùn)過程中的強(qiáng)度和剛度是滿足要求的。并且通過比較分體式爐蓋和一體式爐蓋的框架重量發(fā)現(xiàn)，對于30 m×6 m(長×寬)的爐蓋框架，分體式爐蓋的總重量比一體式爐蓋的總重量減輕約30 %～40 %。

3 結(jié) 語

該文介紹了分體式爐蓋的特點(diǎn)和組成，并對爐蓋的安全泄放結(jié)構(gòu)、排煙管部件、橫截面結(jié)構(gòu)、面板的安裝方式等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使?fàn)t蓋的使用更加安全、可靠、高效。利用SOLIDWORKS軟件對爐蓋框架進(jìn)行了有限元模擬校核，在保證爐蓋吊運(yùn)過程中強(qiáng)度和剛度的要求下，分體式爐蓋框架的鋼材用量會比一體式爐蓋減少30 %～40 %。隨著石墨化爐產(chǎn)能和規(guī)格的日益增大，分體式爐蓋結(jié)構(gòu)輕便、投資小的優(yōu)勢會愈加明顯，更能受到用戶的青睞。