超大型焦?fàn)t爐柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

崔程瑋，李月月(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)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(duì)環(huán)保與高煉焦品質(zhì)需求，大型焦?fàn)t的建造成為首要趨勢(shì)。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?fàn)t帶來(lái)高品質(zhì)焦炭，同時(shí)優(yōu)化了之前小型焦?fàn)t所達(dá)不到的低消耗熱量，還減少了占地面積，焦?fàn)t機(jī)械設(shè)施減少等，自動(dòng)化程度高、降低運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)使大型焦?fàn)t成為新寵兒。但是，焦?fàn)t的大型化不代表整個(gè)爐體各個(gè)部分都可以對(duì)尺寸肆意加，要對(duì)碳化室的各個(gè)尺寸數(shù)值之間的比例等問(wèn)題進(jìn)行深度研究。爐柱作為在焦?fàn)t保護(hù)任務(wù)中作為核心存在的特殊構(gòu)件，其使用壽命與結(jié)構(gòu)所能承受的強(qiáng)度都關(guān)系著爐體的使用生命周期。本文根據(jù)老式與新式爐柱對(duì)負(fù)載方面的新式分析流程，對(duì)柱頭與柱身分別進(jìn)行了與負(fù)載數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的合理分析，通過(guò)利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行靜態(tài)分析獲得全新體系數(shù)據(jù)，避免老式數(shù)據(jù)對(duì)新型設(shè)計(jì)的影響。

1 在舊式爐柱基礎(chǔ)上改進(jìn)新式爐柱

1.1 舊式爐柱

舊式爐柱在計(jì)算爐柱最大應(yīng)力與爐柱可彎曲值方面是在均勻載荷基礎(chǔ)上計(jì)算得出的。雖然該類(lèi)模型只考慮均布載荷，所以在計(jì)算方面比較方便，能夠在運(yùn)用簡(jiǎn)單的物理學(xué)公式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而確定爐柱所受應(yīng)力與彎度值的大小區(qū)間，但是因爐柱在實(shí)際運(yùn)用中柱身是多區(qū)域進(jìn)行不均勻受力，在不同的高度因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jìn)行考慮得出具體實(shí)施流程。通過(guò)這類(lèi)模型確定最大應(yīng)力與爐柱曲度值的依據(jù)方式在不科學(xué)與安全性不能得以保障的情況下被淘汰。但是隨著技術(shù)的提高與不斷實(shí)時(shí)更新，通過(guò)軟件進(jìn)行三維建模，并且運(yùn)用有限元分析的方式已經(jīng)得到了相關(guān)領(lǐng)域的大面積應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)代替人工計(jì)算，在得到最大應(yīng)力數(shù)值與彎曲度數(shù)值的同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，得到適用于新型大容積焦?fàn)t的爐柱結(jié)構(gòu)形式[1]，并且減少最大應(yīng)力極限的情況發(fā)生。

1.2 新型大容積焦?fàn)t爐柱

(1)隨著焦?fàn)t容積的增大，爐柱的結(jié)構(gòu)也多改用了H型鋼結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗彎曲能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在實(shí)際使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化可大幅度降低成本，并且在優(yōu)化與某一區(qū)域加強(qiáng)時(shí)也會(huì)在施工方面減少處理時(shí)間，使用壽命長(zhǎng)[2]。在新型方案中保護(hù)彈性貼板不與柱體進(jìn)行直接的面對(duì)面接觸模式，而是通過(guò)彈簧的螺栓進(jìn)行隔離。如何在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)外圍砌體進(jìn)行保護(hù)，成為了首要科目。因?yàn)闋t體頂端方向各個(gè)區(qū)域所采用的材料種類(lèi)有所區(qū)別，在升溫時(shí)導(dǎo)致各區(qū)域膨脹能力差異程度有所不同，進(jìn)而需要保護(hù)的力也隨之有不同變化。新式方法利用彈簧的壓縮量來(lái)緩沖爐柱高處向不同區(qū)域施加力的方式，調(diào)節(jié)各處擁有不同差異的保護(hù)力；(2)在溫度雨雪等自然因素下，焦?fàn)t的所有配件都會(huì)有所變形，在溫差迅速下降20 ℃左右時(shí)，上部橫條的承載能力就會(huì)幾何倍下降，所以現(xiàn)今采用保護(hù)板彈性接觸爐柱的形式來(lái)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(yùn)作時(shí)溫度相對(duì)最高，而外側(cè)與其他部分溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。借助材料的熱脹冷縮方面的相關(guān)性質(zhì)可以得知，爐柱的實(shí)際形變方向與溫度載荷量相反，從爐柱的形變方面來(lái)講可以理解為對(duì)其是友好影響。因?yàn)闋t柱的壓拉應(yīng)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(shí)間周期性的推焦過(guò)程的發(fā)生，可能在一定程度上會(huì)影響爐柱，其結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的溫度均勻增高會(huì)逐漸恢復(fù)產(chǎn)生的影響。所以在設(shè)計(jì)之初需要考慮的只有結(jié)構(gòu)與材料在實(shí)際生產(chǎn)溫度下應(yīng)力值的變化，并且選用符合要求的材料即可，其他問(wèn)題可不做考慮。

2.2 爐柱的相對(duì)分析

2.2.1 爐柱承載力總體分析

以常見(jiàn)型7 m爐柱作為示范進(jìn)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(hù)板的外側(cè)，上下端口有兩條橫拉條在彈簧的緩沖下進(jìn)行撐緊，在爐柱的最下部通過(guò)下部橫梁對(duì)砌層墻體進(jìn)行作用力；在水平方向上對(duì)爐柱承載能力進(jìn)行分析，爐柱是上端與下端承載著拉條帶來(lái)的撐力，上下又各自與爐墻的不同位置墻體產(chǎn)生反作用力，這些力都是在彈簧的傳遞下進(jìn)行，并且是從剛性力到彈性力的轉(zhuǎn)換，除存在這些受力情況以外還會(huì)有偶然情況所出現(xiàn)的影響，例如外環(huán)境與內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生的熱應(yīng)力和焦?fàn)t在實(shí)際生產(chǎn)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(shè)計(jì)整體爐柱無(wú)疑會(huì)增加設(shè)計(jì)過(guò)程中的難度，還會(huì)帶來(lái)可靠性降低的可能，所以現(xiàn)今多采用分體研究，把柱身與柱頭分開(kāi)進(jìn)行獨(dú)立的細(xì)致分析與設(shè)計(jì)，從而達(dá)到所需要的要求，這樣放在一起的可靠性就會(huì)得到最好的保障。

2.2.3 柱身

在大容積新式焦?fàn)t中，通過(guò)確定焦?fàn)t高向各區(qū)的保護(hù)力，從而運(yùn)用爐柱把相關(guān)的力合理的作用在爐體上。在爐頂?shù)姆轿欢嗖捎迷谄鲶w外圍貼合保護(hù)板的形式，并且在爐柱外沿加設(shè)彈簧，增加彈性壓縮度對(duì)水平方向產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行平衡，在燃燒區(qū)利用在爐柱高處均勻布施桿來(lái)運(yùn)用頂桿的張力施加在保護(hù)貼板上，從而間接地使保護(hù)板貼合在爐墻。在這之后頂桿可以通過(guò)自身安裝的帶有彈力調(diào)節(jié)作用的彈簧，向爐體施加在彈簧壓縮量范圍內(nèi)的高彈性保護(hù)力。蓄熱式滑動(dòng)層各部分都設(shè)有彈力保護(hù)，并且間接地通過(guò)貼合板把彈力作用在爐體之上。通過(guò)確定爐體的各區(qū)域保護(hù)力情況，就摸清了爐柱主體的承重分布所相關(guān)受力情況。因現(xiàn)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(zhì)方面應(yīng)該根據(jù)其要求進(jìn)行精準(zhǔn)選用，需要利用真實(shí)模擬軟件對(duì)不同的橫截面尺寸進(jìn)行建模，在分布好各線路彈簧后，再對(duì)這些位置進(jìn)行模擬承載并在網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行細(xì)致化操控，在這之后需要運(yùn)用合理的方式來(lái)約束焦?fàn)t上下的橫向拉條與爐柱接觸的部分，同時(shí)考慮焦?fàn)t接觸爐柱的接觸面對(duì)其進(jìn)行相關(guān)約束，在這些步驟完成以后對(duì)其整體進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)確定柱身在彎曲時(shí)的形變分布和所能承受的彎曲應(yīng)力，還可適時(shí)調(diào)整彈簧在爐柱上的布施位置，對(duì)其進(jìn)行變更優(yōu)化。柱身需要滿(mǎn)足所需要的彎曲指標(biāo)，如果柱身因材料等問(wèn)題完成不了，需要兩種方法進(jìn)行應(yīng)對(duì)，一是直接換掉此類(lèi)鋼材，另一種方法是對(duì)瑕疵部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，或者在此部位增加橫截面積的方式來(lái)降低彎曲程度，通過(guò)此兩類(lèi)方法可以提高設(shè)計(jì)上的實(shí)際指標(biāo)上限。在此之前，不可以運(yùn)用老式的爐柱形變限制數(shù)值，因?yàn)樵诂F(xiàn)有體制中，對(duì)焦?fàn)t的容積進(jìn)行了大幅度的改變，焦?fàn)t爐柱的高度比老式爐柱也增加的更高，導(dǎo)致在形變時(shí)爐柱的彎曲程度也比常規(guī)的變形程度更加夸張。所以需要根據(jù)精確分析的相關(guān)結(jié)果進(jìn)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(nèi)的情況下，對(duì)柱身結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷地迭代優(yōu)化。這樣可以保障彎曲應(yīng)力在可控的范圍內(nèi)，在可靠性上趨于完美。

2.2.4 柱頭

大型焦?fàn)t的現(xiàn)有設(shè)計(jì)為迎合焦化行業(yè)對(duì)浪費(fèi)能源的合理運(yùn)用，在節(jié)能提高自動(dòng)化水平方面進(jìn)行革新，現(xiàn)有焦?fàn)t采用利用上升管剩余溫度，碳化壓力的自動(dòng)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。焦?fàn)t的上部有操作平臺(tái)以及公用管道、集氣管等裝置，在集氣管內(nèi)部含有煤氣、氨水等，在一些響應(yīng)能源利用和環(huán)保等方面的控制系統(tǒng)及管道和電纜等設(shè)施外，加上述設(shè)備也都是只有爐柱獨(dú)自承擔(dān)。這些重量的增加成了在受力分析時(shí)不可忽略的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。根據(jù)這些部分的分布位置不同，在分析外部條件時(shí)需要考慮其所在的位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)式分析。通過(guò)對(duì)柱頭的負(fù)載情況進(jìn)行合理的分類(lèi)，可以依據(jù)分類(lèi)的組合形式挖掘深層數(shù)據(jù)，以下進(jìn)行對(duì)柱頭負(fù)載情況的分類(lèi)：(1)迎合資源的合理運(yùn)用加設(shè)的新設(shè)備、新管道、電纜等控制系統(tǒng)操縱臺(tái)等；(2)原有公用介質(zhì)管道、操縱平臺(tái)；(3)集氣管放散裝置重量，煤氣管道重量，爐門(mén)車(chē)，并且在具體應(yīng)用中爐門(mén)車(chē)是移動(dòng)目標(biāo)，沒(méi)有具體分布，對(duì)柱頭來(lái)說(shuō)，當(dāng)成移動(dòng)負(fù)載目標(biāo)來(lái)觀看。在計(jì)算時(shí)需在各個(gè)爐門(mén)車(chē)所到部位進(jìn)行增加爐門(mén)車(chē)重量進(jìn)入其中時(shí)精的承載數(shù)據(jù)。在對(duì)以上種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)后就進(jìn)入到了組合部分，隨機(jī)結(jié)合以上幾種分類(lèi)所帶來(lái)的承載關(guān)系，可以在其中找出對(duì)柱頭負(fù)載最大的形式與對(duì)柱頭荷載最小的形式，在這些基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析。在此類(lèi)分析過(guò)后可初步計(jì)算出柱頭所需的承載量，進(jìn)而知道大體的柱頭結(jié)構(gòu)橫截面的參數(shù)，利用軟件依舊建立柱頭模型，將已知的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，增加所需束約的固定值對(duì)柱頭平面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，這些工作完成以后進(jìn)行最后的靜態(tài)分析環(huán)節(jié)，可得到根據(jù)輸入柱頭承載的種類(lèi)得到相對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的彎曲值與彎曲形變分布數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行與柱身類(lèi)似的相關(guān)優(yōu)化，唯一區(qū)別點(diǎn)在于，如若出現(xiàn)了柱頭下?lián)锨闆r，則需要增加橫截面尺寸或更換材料來(lái)改善。

3 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)老式焦?fàn)t爐柱的設(shè)計(jì)與新型爐柱進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出意見(jiàn)及建議；對(duì)已經(jīng)不符合實(shí)際需求的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，并且提出新種類(lèi)大型焦?fàn)t爐柱的建設(shè)方案；著重解釋了如何運(yùn)用三維軟件對(duì)所需爐柱物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析。從材料本身的彎曲應(yīng)力與彈簧分布情況作為保障界限，在設(shè)計(jì)爐柱時(shí)利用“解耦”的相關(guān)概念，對(duì)柱身和柱頭進(jìn)行了相對(duì)獨(dú)立的細(xì)致化討論定性，通過(guò)保護(hù)力在新式大型焦?fàn)t高的分布確定了柱身結(jié)構(gòu)間的相關(guān)長(zhǎng)度比例形式，另外考慮柱頭在原有設(shè)備承載下加入移動(dòng)承載設(shè)備的情況下進(jìn)行了精細(xì)的分類(lèi)研究，通過(guò)此項(xiàng)研究肯定了柱頭載荷狀態(tài)的種類(lèi)與具體的柱頭結(jié)構(gòu)與大小，并從分析環(huán)節(jié)得到了柱身和柱頭的彎曲和變形位置，通過(guò)對(duì)這些區(qū)域的進(jìn)一步優(yōu)化使得此位置滿(mǎn)足了使用性能標(biāo)準(zhǔn)并增加了可靠性。