石墨化爐分體式爐蓋結構設計及其優化

陳彬斌，劉 兵

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，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煙氣(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備。目前，石墨化爐爐蓋的結構分為一體式或分體式，一體式爐蓋是一個整體結構，因此在安裝或拆卸時只需要吊運一次，通過與專有的爐蓋天車配合，還可以實現爐蓋的自動化安裝和拆卸。但隨著近年來石墨化爐產能的擴大，所需爐蓋的尺寸也越來越大，一體式爐蓋在結構設計時為保證吊運過程中的強度和剛度要求，需要耗費更多的鋼材，并且隨著尺寸的增大，吊運的難度也隨之增加。分體式爐蓋采用分節結構，一般分為2～3節，安裝時各節爐蓋相互組裝構成爐蓋整體，使用廠房的普通天車吊鉤就可以進行單節爐蓋的安裝和拆卸，具有結構輕便、投資小的優點。本文將對分體式爐蓋的結構進行設計和優化，并基于SOLIDWORKS對爐蓋主體框架鋼結構在吊運過程中的強度和剛度進行有限元模擬校核。

1 結構設計與優化

1.1 分體式爐蓋的組成

以國內某項目設計的爐蓋整體尺寸30×6 m(長×寬)為例，從結構分節的經濟性和安裝、拆卸過程中的便捷性綜合考慮，將其分成2節，見圖1。每一節爐蓋均由主體框架、面板、防爆口、快開口、排煙管等部件組成。該爐蓋的排煙管設置在側部，快開口安裝在爐蓋的排煙側，防爆口安裝在爐蓋的背排煙側。每一節爐蓋均對稱設置4個吊耳，通過鋼絲繩和廠房普通天車吊鉤就能對其進行吊運、安裝和拆卸。相鄰兩節爐蓋之間通過槽鋼扣合結構來實現密封，見圖2。安裝時先裝2#爐蓋再裝1#爐蓋，拆卸時先拆1#爐蓋再拆2#爐蓋。

圖1 分體式爐蓋的組成

圖2 槽鋼扣合結構

1.2 結構優化

1.2.1 安全泄放結構

在爐蓋工作工程中，石墨化爐產生的煙氣會在爐蓋內部富集并通過排煙管進入廠房的工藝主煙道，當煙氣流通出現異常時，由于煙氣的不斷富集，會在爐蓋內部形成局部的蹩壓，當壓力超過爐蓋所能承受的范圍時會破壞爐蓋結構并發生安全事故。因此，在爐蓋排煙側設置快開口，在爐蓋背排煙側設置防爆口。如果現場工人發現爐蓋排煙異常時，可以手動打開快開口，使蹩壓富集的煙氣快速逸散，避免安全事故的發生。如果爐蓋排放煙氣異常且未被及時發現，當爐蓋內部壓力達到防爆口預設定的爆破壓力時，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，避免安全事故的發生。快開口和防爆口的雙保險安全泄放結構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、掛鉤和支撐結構等組成，見圖3。2個支管分別插入到爐蓋中，使爐蓋內部的煙氣能夠就近通過支管流向總管，可以調節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，當爐蓋工作結束后，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構，操作繁瑣。這里采用水封結構，見圖4。其可以實現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，軟連接的存在可以彌補爐蓋安裝過程中產生的位置偏差。

1.2.3 爐蓋結構優化

傳統的爐蓋橫截面通常采用拱形結構，但是集煙效果不是很好，而本文設計了一種頂部楔形結構，見圖5。這種頂部楔形結構可以使煙氣能夠更好地向頂部富集，同時因為排煙管設置在楔形結構的“豎直邊”上，富集的煙氣能夠更好地向外排出，能夠優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構示意圖

圖5 橫截面結構比較

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現爐蓋內部的封閉，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，面板會容易出現焊損、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過程中的強度和剛度，同時盡可能優化鋼材的用量，下面將通過SOLIDWORKS軟件對本文中設計的爐蓋框架結構進行有限元模擬校核。

首先是建立爐蓋框架的三維模型，為了簡化計算模型，在計算時去掉不受力的不銹鋼面板。在四個吊耳位置添加固定約束，模擬通過四個吊點對爐蓋進行吊運的工況。對爐蓋整體添加豎直向下的重力，在爐蓋框架側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，爐蓋在吊運過程中的應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，在爐蓋吊運過程中，應力分布基本上都不大于60 Mpa，最大應力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的屈服強度，0.8為焊接安全系數)。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，從上述模擬結果可知，設計的爐蓋框架在整體吊運過程中的強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現，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 語

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