烧结烟气内循环系统烟风管道的设计与研究

周继瑞

（唐钢国际工程技术有限公司，唐山 063000）

传统工业制造对环境污染极大。在绿色、环保、生态发展的新理念下，降低污染、保护生态环境已成为工业生产创新发展的核心目标。以钢铁企业为例，作为传统高耗能、高污染产业，在烧结烟气循环技术大力普及应用的背景下，为实现对烧结烟气内循环系统的有效应用，还需从工艺设计的角度探究烟风管道设计的内容，确保烧结烟气内循环工艺在钢铁生产中得到科学合理的应用，助力钢铁生产实现节能创新。

1 烟风管道设计原则

在烧结烟气内循环系统烟风管道设计中，要明确烟风管道的布置位置，具体考虑管道系统布置的合理性、技术性及经济性，配合系统整体设计图与工艺方案，确保烟风管道布置的位置安全合理，在保证管道系统稳定、可靠运行的同时，为后续使用和运维检修提供便捷[1]。此外，需考虑系统整体布局的美观性。因此，要严格遵循烟风管道设计原则。

第一，合理敷设。在烟风管道布置设计中，为满足附件少、阻力小、通畅及顺直的设计要求，应架空敷设烟风管道，弯管弯曲半径以管径的1.0～1.5 倍进行设计，大小头扩散角不大于15°，确保管道系统内气流流通顺畅[2]。

第二，合理预留。在加装设计烟风管道过程中，要合理预留相应孔洞，特别是要合理控制孔洞缝隙大小。管道在穿过墙壁与楼板时，要保证与墙体预留孔洞间隙在20～90 mm。

第三，合理控制。管径的控制是烟风管道设计的要点，尤其在管道沿车间墙、柱敷设的情况下，要将车间墙、柱与管道外壁净距控制在500 mm 以上，需大于管道径。

第四，合理连接。烟风管道结构布置时，采用法兰将管道与设备相连接，并在管道弯管、垂直部位，设置合理、规范的灰管，为有效排出管道中积灰提供保障，确保管道系统运行通畅。

2 烟风管道规格与材料

2.1 烟风管道规格

2.1.1 圆形管道规格

在烧结烟气内循环系统圆形烟风管道设计中，需增加弯管处壁厚，以解决气体含尘量大的问题，并利用耐磨浇筑料对烧结机风箱处引出的风管进行喷涂处理，厚度控制为50～55 mm。

2.1.2 矩形管道规格

烧结室内空间存在局限性的情况下，一般根据矩形管道进行管道设计。烟风管道设计在矩形管道应用中，需利用合理、规范且具有科学性的内撑杆与加固肋，严格按照《烟风煤粉管道零部件典型设计手册》中矩形管道的规格要求进行设计。

2.2 烟风管道材料

要结合不同设计温度选择合适的烟风管道材料[3]。其中：当烟风管道布置于环冷机低温段时，烟气温度一般在200～250 ℃，可采用Q235-B 材质进行设计；当烟风管道布置在烧结机风箱接出部位时，烟气温度一般在430～450 ℃，需选取Q345-B 材质进行设计。在管道加固肋材选用中，要保证加固肋材和烟风管道材质一致。

2.3 烟风管道设计计算

烟风管道布置与管径设计要基于烧结工艺，计算烟风管道设计面积，确保烧结工艺专业性。

计算截面积，公式为

式中：F表示烟风管道截面积，m2；V表示烟气流量，m3·h-1；ω表示烟气流速，m·s-1。

若烟风管道设计选用圆形管道规格，直径计算公式为

式中：d表示圆形管道直径，m。

若烟风管道设计选用矩形管道规格，截面积计算公式为

式中：H表示矩形管道高，m；B表示矩形管道宽，m。

为避免出现管道与管道之间连接尺寸不符的问题，要统一计算管径尺寸，比如选择圆形管道规格，管道设计计算为管径尺寸=管道外径×壁厚；矩形管道规格条件下，管径尺寸=宽×高（外壁尺寸）。

3 烟风管道荷载与跨距

3.1 管道荷载分类

管道荷载分为永久荷载和活荷载。永久荷载是指管道内质、管道内部结构及附件的荷载；活荷载是指介质压力作用下的不平衡内压力，平台操作、检修及管内沉积物荷载。

3.2 管道跨距计算

3.2.1 跨距无附加负荷时计算

第一，计算管道允许跨距。依据强度条件，分别计算最大允许跨距与均布荷载连续敷设水平直管段，表达式为

式中：L表示管道允许跨距，m；[σ]t表示钢材热态应力，N·mm-2；W表示管道抗弯截面系数，cm3；φ表示焊缝系数；q表示管道长度的荷载，N·m-1。

第二，一定刚度下计算管道允许跨距。管道在一定跨距下有一定的挠度，弯曲挠度主要由管道自重产生，弯曲挠度的程度由管道质量决定。在刚度条件下管道允许跨距挠度的计算公式为

式中：I表示惯性矩，cm4；i0表示管道敷设坡度；Et表示钢材弹性模量，N·mm-2。

第三，计算管壁应力，公式为

式中：σ表示管壁应力，MPa。

第四，计算挠度，公式为

3.2.2 跨距有附加负荷时计算

跨距有附加负荷时，计算方法参考跨距无附加负荷时的计算。但在设计中，要根据烧结工艺与烟风管道结构，利用挠度计算公式，充分考虑管道设计中管径大的特点，并结合烧结烟气内循环系统的运行温度，计算带有负荷的跨距[4]。

4 烟风管道支架的设置

4.1 烟风管道支架分类

烟风管道支架可分为固定支架、单片支架、铰接支架。第一，固定支架。它固定整个管道结构，是管道支撑的重要部件，承载了管道质量，同时是管道横纵推力的重要支撑。第二，单片支架。它具有较高的灵活性与一定的刚度，轴线方向有位移。第三，铰接支架。它可用于弯曲处管道的支撑，承载垂直荷载。

4.2 管道支架布置原则

第一，布置烟风管道支架时，要确定支架类型，合理分配支点荷载；第二，重点考虑管道弯曲处支架的设置，水平弯管两侧应设置固定支架；第三，布置支架要结合管道管径，将支架布置在大管径的方向；第四，为保证管道和设备连接部位的质量，明确设备与管道连接部位，布置相应支架，使设备荷载完全由支架承受，减轻管道承载；第五，在烟风管道室外支架布置中，要使用单片活动支架进行设计，若管道结构复杂，可利用柔性支架；第六，管道转折点是支架布置的最佳区域，但要避免弯头焊缝处布置，防止悬臂过长。

4.3 计算管道固定支架水平推力

首先，计算补偿器的反弹力。反弹力的计算要考虑不同的条件和情况，如应用波纹管补偿器，计算波纹管刚度形成的反力。若使用非金属补偿器，则反弹力忽略不计[5]。

其次，计算不平衡内压。结合管道外部支架设置部位与支架的结构特性进行计算，以堵板荷阀门管段支架布置为例，不平衡内压计算公式为

式中：K为轴向推力，N；p0表示介质工作压强，MPa；A表示补偿器截面积，mm2。

最后，在布置活动性刚度支架的情况下，要将聚四氟乙烯板垫在接触面与活动性刚度支架上。

5 烟风管道保温与防腐

5.1 管道保温原则

第一，控制管道外表层温度不高于50 ℃，若环境温度超过25 ℃，则管道外表层温度要不低于50 ℃；第二，管道长期维护与操作部位要做管道保温，避免出现烫伤；第三，管道介质温度维持在稳定状态。

5.2 选择保温材料

烟风管道保温与防腐设计中，要选取最高使用温度比管道设计温度高的保温材料。在保护层设计中，首选金属保护层，一般使用铝合金板、镀锌薄钢板与彩钢板等材质。此外，考虑到烧结机头部、尾部风箱烟风管道内壁厚度的喷涂要求，要选用喷涂厚度达到50 mm 的莫来石喷涂料。每次喷涂要间隔3 m 的间距布置膨胀缝，缝隙的宽度设定为12 mm，并将硅酸铝纤维毡填充至膨胀缝中，再选用莫来石喷涂料进行喷涂[6]。

5.3 管道油漆与防腐

在管道防腐处理中，为增强烟风管道抗腐蚀性，延长管道使用寿命，需在管道表层进行不同程度的外部油漆处理，待管道所有部位完成喷涂后，采取科学除锈的方式，使烟风管道达到规定预处理等级；根据管道表层涂漆处理等级，采取与涂耐高温涂料相适应的除锈等级进行处理，其中管道穿墙处、弯管处及密集处，要涂刷介质名称及介质流向[7]。

6 结语

本研究基于烟风管道布置原则，深入了解烟风管道布置的相关要求，并通过分析烟风管道规格与材料，为设计出合理、规范且具有科学性的烟风管道系统提供参考。此外，探讨了烟风管道设计的荷载、跨距、支架布置及保温与防腐等内容，为设计高质量和具有可行性的烟风管道系统，在掌握钢结构专业知识的同时，需学习并掌握一定的热力管道知识，兼顾多种学科知识，设计出结构合理安全、工艺性能良好的烟风管道。