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  0 前言

一般水泥廠的生料調(diào)配站、 水泥調(diào)配站、 煤粉制備、 生料均化庫和水泥庫底多設(shè)計(jì)了儲(chǔ)存物料的鋼倉。這些倉與近年興起的鋼板倉不同， 因?yàn)殇摪鍌}貯存量比較大， 由專門的公司設(shè)計(jì)和制造， 可用于水泥、 粉煤灰、 礦渣、 糧食、 油脂、 面粉、 飼料等粉狀物料的儲(chǔ)存， 被廣泛用于化工、 輕工、 環(huán)保、 電力等行業(yè)及港口等。本文研究的鋼倉容量比較小， 一般為幾十噸、 幾百噸， 并都設(shè)置有荷重傳感器， 以便操作人員比較準(zhǔn)確判斷倉內(nèi)物料的重量， 這是非常重要的。因?yàn)閭}內(nèi)物料過少會(huì)影響出料精度， 不能調(diào)配準(zhǔn)確；倉滿后仍繼續(xù)喂料， 會(huì)使物料從倉頂溢出， 既增加了清理現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)強(qiáng)度， 也影響了環(huán)境衛(wèi)生。這些帶荷重傳感器的鋼倉是由承擔(dān)水泥廠設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)院自行設(shè)計(jì)的， 本文就這類鋼倉的工藝設(shè)計(jì)及其優(yōu)化作一總結(jié)介紹。

1 鋼倉優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

我們注意到有的設(shè)計(jì)者對(duì)鋼倉設(shè)計(jì)不夠重視，但對(duì)這類鋼倉進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化， 可大大節(jié)約基建投資和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。

（1）減少鋼倉本體的投資。對(duì)這樣的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化， 以一條5000t/d熟料生產(chǎn)線及與之配套的水泥磨系統(tǒng)為例， 其優(yōu)化設(shè)計(jì)的效益可使鋼倉本體的鋼材用量減少約200t。

（2）減少水泥廠基建投資。鋼倉外形尺寸將直接影響配套輸送設(shè)備的尺寸 （如相同儲(chǔ)量的倉， 若外形設(shè)計(jì)得過高， 這樣就增加了輸送設(shè)備的長(zhǎng)度） ， 并繼而影響整個(gè)生產(chǎn)線的占地大小和基建費(fèi)用。例如： 目前我們常用膠帶輸送機(jī)向調(diào)配站倉頂輸送物料， 一般預(yù)均化堆場(chǎng)至原料調(diào)配站多采用 16°傾角。某工程6000t/d生產(chǎn)線經(jīng)優(yōu)化后， 倉頂高度可降低14m， 這樣石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)與生料調(diào)配站間距可縮短 14× tan16°=48.8 m， 使工廠總長(zhǎng)度縮短近50 0 m， 可減少工廠用地， 并可縮短膠帶輸送機(jī)長(zhǎng)度以及膠帶輸送機(jī)廊道， 電纜廊道及工廠內(nèi)道路、 管網(wǎng)等長(zhǎng)度。這些項(xiàng)目節(jié)省的錢， 一般比鋼倉本體節(jié)約的金額多很多倍。

（3）減少生產(chǎn)電耗。由于減少了膠帶輸送機(jī)的長(zhǎng)度和物料提升高度， 就減少了提升、 輸送物料的電耗； 而且廠區(qū)緊湊后， 縮短了輸送長(zhǎng)度， 也減少了導(dǎo)線中電流的電耗， 從而減少了總電耗， 投產(chǎn)后可以節(jié)約運(yùn)行生產(chǎn)成本。

2 鋼倉外形的設(shè)計(jì)確定

2.1 鋼倉的容量

由于有荷重傳感器在線檢測(cè)倉內(nèi)物料重量， 因此料倉的容量不必設(shè)計(jì)過大。例如： 生料磨和水泥磨的主要原料石灰石和熟料儲(chǔ)量以接近且不超過2 0 h運(yùn)行的用量為宜。其他物料， 雖然儲(chǔ)存期要長(zhǎng)一些， 因?yàn)橛昧枯^少， 故倉的儲(chǔ)量要明顯小于石灰石和熟料的儲(chǔ)量， 現(xiàn)將鋼倉設(shè)計(jì)與物料的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 鋼倉直徑和高度的計(jì)算

這里我們以一個(gè)要求儲(chǔ)量為500t、 直徑D=7.5m熟料鋼倉的設(shè)計(jì)為例， 來探討鋼倉形狀的確定和優(yōu)化。要優(yōu)化鋼倉高度， 我們把倉底錐溜角設(shè)計(jì)得等于表1推薦的溜角即可， 而倉頂物料是休止角狀態(tài)，因此倉內(nèi)物料1。為研究方便， 出料口這里按Φ1m計(jì)， 因?yàn)檫@樣大的出料口不會(huì)膨料。

（1）       倉內(nèi)熟料總體積 V ： 
 

（5）頂錐中熟料重 G ₃ ：

G ₃ =r _熟料 × V ₃ =r _熟料 ×π/12  D ² × h ₃ =1.45×π/12× 7.5 ² × 2.435=52t

（6）圓柱體部分料重 G ₂ ：

G ₂ =G - G ₁ - G ₃ =500-79.88-52=368.12t

（7）圓柱部分高 h 2 ：

2.3 鋼倉直徑與高度的關(guān)系

仍以上述熟料鋼倉為例， 進(jìn)一步對(duì)該鋼倉直徑與總高之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

 

2.3.1 對(duì)于底錐部分
 

2.3.4 物料總體積

V=V ₁ +V ₂ +V ₃ =0.785 4D ² H-0.431 8D ³ +0.3927D ² -0.130 9      （1）

2.3.5 求鋼倉的極值高度和倉容

對(duì) （1） 式求導(dǎo)， 并令導(dǎo)數(shù) V′=0， 可計(jì)算得到極值 H ， 即：

上例中， 我們將儲(chǔ)量500t熟料鋼倉的體積 V =344.8m ³ 代入 （3） 式中， 可求得鋼倉直徑的最大值D _max ； 再將求得的 D _max 值代入 （2） 式， 就可得到熟料鋼倉的最小總高。具體計(jì)算如下：

以上計(jì)算說明， 對(duì)儲(chǔ)量500t的熟料鋼倉， 當(dāng)直徑為Φ11.69時(shí)， 其高度最小， 為9.1m。保持同樣儲(chǔ)量但當(dāng)將鋼倉直徑分別設(shè)計(jì)為Φ11， Φ10， Φ9，Φ8.5，Φ8， Φ7.5， Φ7， Φ6.5， Φ6m時(shí)， 鋼倉總高度均將超過9.1m， 有關(guān)計(jì)算數(shù)值列入表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析，綜合考慮鋼倉本體及對(duì)全廠其它因素的綜合影響，我們推薦鋼倉直徑 D 按 （4） 式確定:

式中： G 為儲(chǔ)存物料質(zhì)量， t； r 為物料體積質(zhì)量，t/m ³ ； K 為系數(shù)， 取 K =1~1.5。

3 倉頂形狀的探討

鋼倉直徑較大時(shí)， 支撐頂蓋的梁承受載荷較大，因?yàn)閺澗?nbsp;M 與跨距 l 的平方成正比， 即頂梁承受彎矩： M=1/8 ql ² （式中 q 是頂梁承受頂蓋重力的單位載荷） 。例如， Φ7.5m鋼倉， 若將Φ7.5m的平頂蓋改做成Φ3m， 頂梁彎矩的比值為 3 ² /7.5 ² =0.16 。即縮小頂蓋尺寸 （從7.5m縮至3m） 后， 其頂梁彎矩只有原彎矩的16%； 另頂蓋的面積縮小了， 頂梁承受頂蓋重力的單位載荷 q 還會(huì)減小， 因此可以大大節(jié)省頂蓋和頂梁鋼材。

往往因頂蓋自重和設(shè)備載荷作用， 使原設(shè)計(jì)水平的鋼倉頂蓋安裝使用后出現(xiàn)中部向下凹陷現(xiàn)象，若該鋼倉露天布置， 雨后凹陷處常積雨水， 既不便巡檢，又腐蝕頂蓋。故建議較大的鋼倉頂蓋， 可設(shè)計(jì)成臺(tái)錐形。

這里以Φ7.5m熟料鋼倉為例， 我們來比較一下優(yōu)化前后的情況， 優(yōu)化前后二種倉頂形狀如圖3所示。原設(shè)計(jì)中Φ7.5m圓柱體與Φ7.5m頂蓋相連接，見圖3 （a） ， 倉壁用t=8mm鋼板， 頂蓋用t=6mm鋼板，支撐頂蓋的主梁采用36a槽鋼， 僅倉頂蓋Φ7.5m圓板面積及由倉頂蓋向下高度1.46m這一段圓柱體的面積和為：

π/4  D ² +π× D× h=π/4× 7.5 ² +π × 7.5× 1.461=78.6m ²

加上支撐頂蓋的槽鋼梁共重6.359 t

優(yōu)化成臺(tái)錐后， 頂蓋直徑Φ3m， 由頂蓋向下高度1.461m， 這一段為圓錐臺(tái)， 頂蓋及圓錐臺(tái)面積為：

錐體及倉項(xiàng)蓋均用t=6mm鋼板， 支撐頂蓋板用的主梁采用12.6a槽鋼， 共重2.863t， 可節(jié)約鋼材3.676t，優(yōu)化后只有原重量的42%。

4 鋼倉的支座和下錐體的設(shè)計(jì)

4.1 鋼倉的支座設(shè)計(jì)

為了使支座受力合理， 一個(gè)鋼倉優(yōu)先設(shè)置3個(gè)支座， 因?yàn)槿齻€(gè)支座理論上圈梁是靜定梁， 即使由于安裝誤差， 各個(gè)支座受力變化不大， 對(duì)安裝要求相對(duì)低一些。關(guān)于3支座的設(shè)計(jì)， 我們?cè)诹砦闹性敿?xì)討論， 這里不再論述。這里只對(duì)三個(gè)支點(diǎn)以上的多支點(diǎn)支座的注意事項(xiàng)做些說明， 一個(gè)鋼倉為什么要設(shè)置多支點(diǎn)支座呢？因?yàn)樗鄰S迅速大型化及自動(dòng)化程度提高， 使帶微型荷重傳感器的鋼倉直徑越來越大。我們參與的國(guó)外工程， 業(yè)主要求Φ8m， Φ9m甚至更大直徑的鋼倉都要設(shè)置荷重傳感器， 仍用3個(gè)支點(diǎn)圈梁太大不便處理， 我們就設(shè)計(jì)成3個(gè)以上支座， 使環(huán)梁仍然比較小巧， 可以節(jié)約鋼材。但是圈梁就成為靜不定梁， 這就需要每個(gè)支座都設(shè)置荷重傳感器。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)， 超過3個(gè)支座的鋼倉， 安裝荷重傳感器時(shí)應(yīng)當(dāng)認(rèn)真找正， 用對(duì)應(yīng)各傳感器指示的承載重量基本相等的方法把基礎(chǔ)找平， 以確保它們?cè)谕懂a(chǎn)后受力均衡。我們?cè)诔袚?dān)建設(shè)的國(guó)外工程中， 牢牢把住這一點(diǎn)， 投產(chǎn)后使用至今效果一直很好。

4.2 鋼倉下錐體設(shè)計(jì)

除通過強(qiáng)度計(jì)算確定錐體鋼板厚度外， 設(shè)計(jì)中還要注意以下兩個(gè)問題， 即要有足夠的剛度和強(qiáng)的抗磨性能。

（1）要有足夠的剛度， 具體做法如圖4 （a） 和圖4 （b） 。其中圖4 （a） 為在錐體外圓斷續(xù)焊接型鋼 （圖中為角鋼） 加固圈， （b） 為在錐體內(nèi)圓斷續(xù)焊接型鋼 （圖中為扁鋼） 加固圈。我們認(rèn)為圖4 （b） 方法比圖4 （a） 好， 因?yàn)閳D4 （b） 的加固圈不僅增加了錐體剛度而且由于扁鋼的阻擋， 在錐體內(nèi)部形成一個(gè)不動(dòng)的料層來承受流動(dòng)物料的磨損， 我們習(xí)慣叫做料磨料， 因此還保護(hù)了錐體鋼板不被磨損。

（2）能經(jīng)受物料的不斷磨損。除圖4 （b） 的方法料磨料外， 還有圖4 （c） 的方法， 是在錐體內(nèi)壁鋪設(shè)耐磨襯板 （一般用Q345鋼板或其它耐磨鋼制造）或敷設(shè)噴涂耐磨光滑的非金屬面材料。有人認(rèn)為粘濕物料流動(dòng)性差， 極易堵塞錐口應(yīng)當(dāng)采用這一方案。但我們認(rèn)為這圖4 （c） 并不是一個(gè)很好的方案， 尤其是一些地方把襯板用螺栓固定在錐壁上， 螺栓容易松脫， 導(dǎo)致細(xì)碎物料從螺栓孔漏下， 污染環(huán)境。有的耐磨非金屬襯板不耐低溫， 在我國(guó)東北、 西北地區(qū)的水泥廠嚴(yán)寒冬季過冷而脆裂。因?yàn)榉N種原因掉落的襯板， 還可能在流程中引起其它故障。對(duì)于粘濕物料， 為保持物料流通暢、 不堵塞， 因?yàn)殚L(zhǎng)條狀口不易膨料， 我們從錐體下部直徑較大處開始， 即在容易起拱、 膨料的縮口之前， 設(shè)計(jì)成天圓地方， 下面改成矩形長(zhǎng)口， 如圖4 （d） 所示， 來解決堵料問題， 能取得良好效果

5 結(jié)語

由以上對(duì)鋼倉外形、 包括倉頂和下椎體形狀及支座的分析研究， 提出鋼倉優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法。鋼倉的優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的， 它不僅可以節(jié)約鋼倉倉體本身的重量， 更重要的是由于鋼倉外形優(yōu)化后， 可以減小工廠占地面積， 縮短膠帶輸送機(jī)和電纜及其廊道的長(zhǎng)度， 減少道路、 管網(wǎng)長(zhǎng)度， 達(dá)到減少基建投資和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用的目的。水泥工廠是一個(gè)相對(duì)投資較大， 耗能較高的企業(yè)， 我們向綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 降低這兩種消耗就顯得格外重要。

 

 

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