摘要：針對目前鋼鐵行業(yè)中沖渣產(chǎn)生的尾氣排放時的腐蝕問題，通過選材分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制定了切實(shí)可行的方案，通過實(shí)際工程驗(yàn)證了采用纖維增強(qiáng)塑料排煙筒的可行性，得到了很多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為鋼鐵行業(yè)應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料排煙筒提供了參考。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)塑料排煙筒，鋼鐵行業(yè)，尾氣排放

1 前  言

目前，在鋼鐵行業(yè)中，許多高爐采用INBA渣處理系統(tǒng)，沖渣產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)過冷凝塔處理后通過頂部鋼結(jié)構(gòu)煙囪排入大氣，冷凝塔位置一般緊鄰出鐵場廠房外邊緣，頂部鋼煙囪高約20ｍ左右，一般高于出鐵場廠房屋面，由于水蒸氣中含有H?S和SO?等有害氣體成分，會對爐頂鋼結(jié)構(gòu)及爐頂設(shè)備造成腐蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全和爐頂設(shè)備的正常運(yùn)行。

近年來，國內(nèi)很多高爐投產(chǎn)使用后不到10年就要進(jìn)行大修改造，爐頂轉(zhuǎn)換大平臺以上鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，平臺板需要更換，框架梁需要除銹并重新涂裝，銹蝕嚴(yán)重部位甚至需要加固處理，爐頂許多設(shè)備也腐蝕嚴(yán)重，需要維修和更換，這樣一來，不可避免地造成了人力、物力的巨大浪費(fèi)，降低冷凝塔頂部排放的水蒸氣對爐頂鋼結(jié)構(gòu)及設(shè)備的腐蝕也就成了目前亟待解決的問題，最有效的辦法：一是采用先進(jìn)的渣處理設(shè)備，盡可能降低處理后的蒸汽中有害成分的含量，二是將冷凝塔頂部煙囪的高度進(jìn)行加高，使排放的高度大于爐頂框架的高度，從而有效降低對爐頂鋼結(jié)構(gòu)及設(shè)備的影響，本文將結(jié)合具體實(shí)例針對第二種方案進(jìn)行介紹。

武鋼煉鐵廠某高爐INBA渣處理系統(tǒng)改造，擬拆除冷凝塔21ｍ以上部分，在頂部增設(shè)過渡段及煙囪，以便將冷凝塔內(nèi)蒸汽排入大氣，為避免蒸汽腐蝕爐頂設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)，打算將煙囪加高至頂部87ｍ，立面簡圖如圖１所示。

圖1 新增玻璃鋼煙囪立面圖

現(xiàn)有冷凝塔頂部設(shè)過渡段，過渡段高5ｍ，采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部噴涂耐火材料，新增煙囪固定在過渡段上，利用出鐵場廠房屋蓋系統(tǒng)、爐頂框架及煤氣上升管為支撐點(diǎn)，沿出鐵場廠房屋面上升到爐頂框架平臺頂部，煙囪加高部分垂直高度近 90ｍ，水平方向近40ｍ，若采用鋼結(jié)構(gòu)煙囪，則自重很大，且耐腐蝕能力差；若采用新型材料纖維增強(qiáng)塑料煙囪，則可有效解決這兩個問題。通過綜合比較，最終決定采用纖維增強(qiáng)塑料煙囪。

2.1 耐腐蝕性優(yōu)良

纖維增強(qiáng)塑料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可以抵抗包括酸、堿、鹽等多種介質(zhì)的腐蝕，對于鋼鐵行業(yè)的尾氣，纖維增強(qiáng)塑料是最佳的防腐蝕材料，由于沖渣產(chǎn)生的水蒸氣溫度高，實(shí)際測量可達(dá)100℃，又因其濕度較大且含有H?S和SO?等有害氣體成分，腐蝕性極強(qiáng)，經(jīng)過大量的現(xiàn)場掛片試驗(yàn)，最終決定采用美國亞仕蘭公司的D470酚醛環(huán)氧乙烯基酯樹脂作為基體材料。

2.2 使用壽命長

纖維增強(qiáng)塑料排煙筒在我國已有很長的使用歷史，其使用壽命可以達(dá)到30年以上，新制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB50051《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，纖維增強(qiáng)塑料排煙筒的設(shè)計(jì)使用壽命為30年。

2.3 安裝簡便

纖維增強(qiáng)塑料的比重較小，僅為鋼的1/4，重量的減輕使得其更易于運(yùn)輸和安裝，在本次排煙筒的安裝過程中，受到場地的限制無法搭架子，只能采用吊車進(jìn)行安裝作業(yè)，因?yàn)槔w維增強(qiáng)塑料排煙筒重量較輕，大大降低了吊裝費(fèi)用，也提高了安裝效率。

2.4 保溫隔熱

纖維增強(qiáng)塑料的保溫隔熱性能非常好，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)，在需要保溫的場合，纖維增強(qiáng)塑料設(shè)備可以不需要隔熱層，同時纖維增強(qiáng)塑料的熱膨脹系數(shù)比較小，可以有效減少膨脹節(jié)使用數(shù)量，纖維增強(qiáng)塑料與鋼材、PVC的熱性能詳情見表2。

2.5 造價低

從工程結(jié)構(gòu)的全壽命來考慮，纖維增強(qiáng)塑料煙囪的總造價相比其他材質(zhì)煙囪更有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)槔w維增強(qiáng)塑料材料具有耐腐蝕性、輕質(zhì)高強(qiáng)、使用壽命長、維護(hù)維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其綜合造價相對較低。

受到內(nèi)外腐蝕環(huán)境的影響，排煙筒的后期維護(hù)一直是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，采用纖維增強(qiáng)塑料排煙筒可以有效減少使用過程的后期維護(hù)，提高使用安全性，降低維護(hù)成本。

3.1 纖維增強(qiáng)塑料排煙筒設(shè)計(jì)

纖維增強(qiáng)塑料排煙筒的筒壁可分為三層 : 內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表面層，以下分別對這三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。

（1）內(nèi)襯層

內(nèi)襯層是與煙氣直接接觸的結(jié)構(gòu)，其主要作用是防止煙氣腐蝕、防止煙氣滲漏，所以對于防腐蝕內(nèi)層有多方面的要求，如氣密性、防腐蝕性和耐溫性，在本次設(shè)計(jì)中均采用美國亞仕蘭公司的D470為基體。

內(nèi)襯層通常由富樹脂層和次內(nèi)層組成，首先是一層玻璃纖維表面氈，其樹脂含量應(yīng)不小于90%，也可選用有機(jī)合成纖維材料，次內(nèi)層應(yīng)采用玻璃纖維短切氈或噴射紗，增強(qiáng)纖維必須為無堿纖維或ECR纖維，其厚度應(yīng)不小于2.5ｍｍ，整體樹脂樹脂含量應(yīng)不小于75%。

（2）結(jié)構(gòu)層

結(jié)構(gòu)層又稱為加強(qiáng)層，其作用主要是在載荷的作用下，確保產(chǎn)品具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)層中的增強(qiáng)纖維是主要的承載物，而樹脂的作用是起到分布載荷和傳遞載荷的作用，因此選擇高強(qiáng)度的增強(qiáng)纖維和性能良好的樹脂，是提高結(jié)構(gòu)層承載能力的關(guān)鍵。

在煙囪的鋪層結(jié)構(gòu)中，既要考慮煙囪的軸向抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎曲強(qiáng)度及對應(yīng)的模量，還要考慮其環(huán)向抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎曲強(qiáng)度及對應(yīng)的模量，以及層間的抗剪切強(qiáng)度。

煙囪主要考慮的是軸向強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度和環(huán)向強(qiáng)度，纖維增強(qiáng)塑料的層間剪切模量一般只有沿纖維方向模量的數(shù)十分之一，煙囪在正常工作時處于長期受拉或受壓的狀態(tài)，發(fā)生脫層破壞的可能性很大，因此必須通過鋪層設(shè)計(jì)提高層間抗剪切的強(qiáng)度，采用的方法主要是增加層間性能好的噴射紗(或短切氈)作為界面層，并且必須采用長纖維與短纖維層交替的方法進(jìn)行鋪層，即環(huán)向纏、單向布、噴射紗通過合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行交替鋪層并盡量保證對稱鋪層的原則。

結(jié)構(gòu)層通常由玻璃纖維連續(xù)紗或玻璃纖維織物浸漬樹脂纏繞成型，增強(qiáng)材料應(yīng)為無堿纖維或ECR纖維，同時纖維的浸潤劑應(yīng)與所用樹脂相匹配，其樹脂含量為 35%±5%，厚度由計(jì)算確定，鋪層的結(jié)構(gòu)主要由連續(xù)紗環(huán)向纏繞層、單向布、短切氈層(實(shí)際操作中多用噴射紗層)按照鋪層順序鋪設(shè)而成。

（3）外表面層

外表面層的作用主要是保護(hù)煙囪不受外部的環(huán) 境侵蝕以及防紫外線，外表面層由富樹脂層組成，樹脂含量應(yīng)大于75%，為增加外表面層的附著力，可用砂布(紙)打磨結(jié)構(gòu)層表面后再施工外表面層，外表面的增強(qiáng)纖維常采用一層短切氈和一層玻璃表面氈。

當(dāng)纖維增強(qiáng)塑料煙囪暴露在室外時，外表面層應(yīng)添加紫外線吸收劑，外表面層 的厚度應(yīng)不小于1mm。

3. 2  排煙筒的支撐設(shè)計(jì)

本工程中，煙囪下部與冷凝塔頂部采用閥門連接，煙囪橫跨出鐵場屋面水平段通過空間桁架及支架支撐在廠房屋面及轉(zhuǎn)換大平臺上，煙囪與桁架采用管托連接，煙囪由爐頂轉(zhuǎn)換大平臺至頂部豎向段通過三角形支架支撐系統(tǒng)支撐在爐頂框架柱和粗煤氣上升管上，其中標(biāo)高75m處采用固定支撐承受煙囪豎向和水平荷載，標(biāo)高60m、67m、79m處為輔助支撐，承受煙囪水平荷載并起水平約束作用，煙囪通過自帶止晃裝置與鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)采用螺栓連接進(jìn)行固定，所有支撐系統(tǒng)均采用鋼結(jié)構(gòu)，均在工廠加工制作，現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

桁架與支架的設(shè)計(jì)均采用PKPM軟件進(jìn)行分析計(jì)算，設(shè)計(jì)中主要考慮構(gòu)件本身的設(shè)計(jì)，保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以及穩(wěn)定性，另外，需要注意新增體系對原有出鐵場廠房結(jié)構(gòu)及爐頂框架結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)過復(fù)核，新增煙囪支撐系統(tǒng)后出鐵場廠房和爐頂框架柱的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)，一是水平段空間桁架的設(shè)計(jì)，二是豎向段固定支撐的設(shè)計(jì)，兩者均需結(jié)合現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行綜合考慮，本工程中，水平段空間桁架根據(jù)出鐵場屋面的形狀采取折線型空間桁架，斷面為三角形，兩端支架利用出鐵場廠房柱柱頂剛性系桿及爐頂轉(zhuǎn)換大平臺框架梁，分別設(shè)單片鉸接支架和固定支架，豎向段 75m 處利用現(xiàn)有爐 頂?shù)踯嚻脚_處吊車梁制動結(jié)構(gòu)，對原輔助桁架與吊車梁組成的空間體系進(jìn)行加固改造，形成固定支撐，承受煙囪豎向荷載與水平力。

4  排煙筒的施工

4. 1  纖維增強(qiáng)塑料排煙筒的制造

目前纖維增強(qiáng)塑料煙囪的成型工藝主要采用自動化機(jī)械纏繞成型，纖維增強(qiáng)塑料纏繞成型的優(yōu)點(diǎn)包括 :

（1）纏繞成型復(fù)合材料纖維含量高，力學(xué)性能好，沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到1000MPa；

（2）可設(shè)計(jì)性好，可以按照產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律、改變纏繞角以及布線規(guī)律，充分體現(xiàn)了復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)；

（3）可靠性好，纖維纏繞制品易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，工藝條件確定后，纏繞線型精確、完整，纏出來的產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良；

（4）生產(chǎn)效率高，采用機(jī)械化或自動化生產(chǎn)，需要操作人工少，纏繞速度快，按照 8m/節(jié)，纏繞成行的時間大約為2d，即4m/d，勞動生產(chǎn)率很高，現(xiàn)在制造的纖維增強(qiáng)塑料煙囪均為計(jì)算機(jī)控制自動化纏繞。

4. 2  排煙筒接口的粘接和膨脹節(jié)的安裝

纖維增強(qiáng)塑料排煙筒都是分段制作，為減少現(xiàn)場接口工作量，應(yīng)盡量減少分段數(shù)量，每段的長度應(yīng)盡量長，每根長度多在10~12m，接口都是采用平端對接，受現(xiàn)場施工條件的限制，只能采用手糊成型工藝，手糊成型相比纏繞施工簡便，且不需借助機(jī)械設(shè)備，但是產(chǎn)品的質(zhì)量與現(xiàn)場環(huán)境條件和工人的熟練程度、責(zé)任心等都有很大關(guān)系，需要控制的因素很多。

為保證接口的質(zhì)量，必須制定相應(yīng)的制造工藝規(guī)范，并應(yīng)注意以下幾點(diǎn) :

（1）接口時必須在煙囪的內(nèi)外兩側(cè)都粘接；

（2）接口所用材料不得低于排煙筒所用材料，樹脂必須與煙囪本體樹脂相同，所用玻璃纖維及其制品的類型應(yīng)與本體相同；

（3）接口作為載荷傳遞的關(guān)鍵部位，其強(qiáng)度不得低于本體強(qiáng)度；

（4）當(dāng)接口糊制完畢，進(jìn)行吊裝前，應(yīng)檢測其固化度，巴氏硬度不得低于25，繞圓周取8個點(diǎn)測量。

4.3 排煙筒施工及吊裝

所有鋼結(jié)構(gòu)支架及桁架均需在纖維增強(qiáng)塑料煙 囪安裝之前進(jìn)行施工，施工中，定位準(zhǔn)確后，利用吊車將支架吊裝就位，再與原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接固定，最后安裝水平桁架，待所有支撐系統(tǒng)安裝到位并復(fù)測完畢后進(jìn)行纖維增強(qiáng)塑料煙囪的安裝，施工時按照由下而上的順序進(jìn)行安裝，先安裝冷凝塔頂部至出鐵場屋面水平段，采用兩段安裝，接口設(shè)于水平桁架中部，待兩端全部吊裝就位后，利用焊于管托上的鋼板箍將煙囪與水平桁架進(jìn)行固定，最后吊裝煙囪豎向段，豎向段可一次吊裝到位，調(diào)整好后與支撐系統(tǒng)進(jìn)行固定，水平段與豎向段之間采用膨脹節(jié)，最后進(jìn)行調(diào)整安裝。

自2014年投運(yùn)后，經(jīng)過一年多的使用，纖維增  強(qiáng)塑料排煙筒運(yùn)行正常，檢修時未出現(xiàn)腐蝕、開裂、變形、老化和脫層的現(xiàn)象，排煙筒凝結(jié)水排出正常，滿足使用的要求，高爐INBA渣處理系統(tǒng)中，排煙筒作為一個重要構(gòu)筑物，維持其安全運(yùn)行非常重要，通過它將含硫蒸汽排放到爐頂平臺以上，可有效減輕蒸汽對爐頂設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益并保證爐頂結(jié)構(gòu)的安全，纖維增強(qiáng)塑料憑借自身優(yōu)異的耐腐蝕性能，且兼具自重輕、使用壽命長的特點(diǎn)，必將越來越廣泛地應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

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