0 前言

一般水泥廠的生料調配站、 水泥調配站、 煤粉製備、 生料均化庫和水泥庫底多設計了儲存物料的鋼倉。這些倉與近年興起的鋼板倉不同， 因為鋼板倉貯存量比較大， 由專門的公司設計和製造， 可用於水泥、 粉煤灰、 礦渣、 糧食、 油脂、 麵粉、 飼料等粉狀物料的儲存， 被廣泛用於化工、 輕工、 環保、 電力等行業及港口等。本文研究的鋼倉容量比較小， 一般為幾十噸、 幾百噸， 並都設置有荷重傳感器， 以便操作人員比較準確判斷倉內物料的重量， 這是非常重要的。因為倉內物料過少會影響出料精度， 不能調配準確；倉滿後仍繼續喂料， 會使物料從倉頂溢出， 既增加了清理現場的勞動強度， 也影響了環境衛生。這些帶荷重傳感器的鋼倉是由承擔水泥廠設計的設計院自行設計的， 本文就這類鋼倉的工藝設計及其優化作一總結介紹。

1 鋼倉優化設計的必要性

我們注意到有的設計者對鋼倉設計不夠重視，但對這類鋼倉進行設計優化， 可大大節約基建投資和經營費用。

（1）減少鋼倉本體的投資。對這樣的設計進行優化， 以一條5000t/d熟料生產線及與之配套的水泥磨係統為例， 其優化設計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備的尺寸 （如相同儲量的倉， 若外形設計得過高， 這樣就增加了輸送設備的長度） ， 並繼而影響整個生產線的占地大小和基建費用。例如： 目前我們常用膠帶輸送機向調配站倉頂輸送物料， 一般預均化堆場至原料調配站多采用 16°傾角。某工程6000t/d生產線經優化後， 倉頂高度可降低14m， 這樣石灰石預均化堆場與生料調配站間距可縮短 14× tan16°=48.8 m， 使工廠總長度縮短近50 0 m， 可減少工廠用地， 並可縮短膠帶輸送機長度以及膠帶輸送機廊道， 電纜廊道及工廠內道路、 管網等長度。這些項目節省的錢， 一般比鋼倉本體節約的金額多很多倍。

（3）減少生產電耗。由於減少了膠帶輸送機的長度和物料提升高度， 就減少了提升、 輸送物料的電耗； 而且廠區緊湊後， 縮短了輸送長度， 也減少了導線中電流的電耗， 從而減少了總電耗， 投產後可以節約運行生產成本。

2 鋼倉外形的設計確定

2.1 鋼倉的容量

由於有荷重傳感器在線檢測倉內物料重量， 因此料倉的容量不必設計過大。例如： 生料磨和水泥磨的主要原料石灰石和熟料儲量以接近且不超過2 0 h運行的用量為宜。其他物料， 雖然儲存期要長一些， 因為用量較少， 故倉的儲量要明顯小於石灰石和熟料的儲量， 現將鋼倉設計與物料的有關數據。

2.2 鋼倉直徑和高度的計算

這裏我們以一個要求儲量為500t、 直徑D=7.5m熟料鋼倉的設計為例， 來探討鋼倉形狀的確定和優化。要優化鋼倉高度， 我們把倉底錐溜角設計得等於表1推薦的溜角即可， 而倉頂物料是休止角狀態，因此倉內物料1。為研究方便， 出料口這裏按Φ1m計， 因為這樣大的出料口不會膨料。

（1）       倉內熟料總體積 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係

仍以上述熟料鋼倉為例， 進一步對該鋼倉直徑與總高之間的關係進行研究。

2.3.1 對於底錐部分
 

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 （1） 式求導， 並令導數 V′=0， 可計算得到極值 H ， 即：

上例中， 我們將儲量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。具體計算如下：

以上計算說明， 對儲量500t的熟料鋼倉， 當直徑為Φ11.69時， 其高度最小， 為9.1m。保持同樣儲量但當將鋼倉直徑分別設計為Φ11， Φ10， Φ9，Φ8.5，Φ8， Φ7.5， Φ7， Φ6.5， Φ6m時， 鋼倉總高度均將超過9.1m， 有關計算數值列入表2。根據表2數據分析，綜合考慮鋼倉本體及對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 為儲存物料質量， t； r 為物料體積質量，t/m ³ ； K 為係數， 取 K =1~1.5。

3 倉頂形狀的探討

鋼倉直徑較大時， 支撐頂蓋的梁承受載荷較大，因為彎矩 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） 後， 其頂梁彎矩隻有原彎矩的16%； 另頂蓋的麵積縮小了， 頂梁承受頂蓋重力的單位載荷 q 還會減小， 因此可以大大節省頂蓋和頂梁鋼材。

往往因頂蓋自重和設備載荷作用， 使原設計水平的鋼倉頂蓋安裝使用後出現中部向下凹陷現象，若該鋼倉露天布置， 雨後凹陷處常積雨水， 既不便巡檢，又腐蝕頂蓋。故建議較大的鋼倉頂蓋， 可設計成台錐形。

這裏以Φ7.5m熟料鋼倉為例， 我們來比較一下優化前後的情況， 優化前後二種倉頂形狀如圖3所示。原設計中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圓板麵積及由倉頂蓋向下高度1.46m這一段圓柱體的麵積和為：

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

優化成台錐後， 頂蓋直徑Φ3m， 由頂蓋向下高度1.461m， 這一段為圓錐台， 頂蓋及圓錐台麵積為：

錐體及倉項蓋均用t=6mm鋼板， 支撐頂蓋板用的主梁采用12.6a槽鋼， 共重2.863t， 可節約鋼材3.676t，優化後隻有原重量的42%。

4 鋼倉的支座和下錐體的設計

4.1 鋼倉的支座設計

為了使支座受力合理， 一個鋼倉優先設置3個支座， 因為三個支座理論上圈梁是靜定梁， 即使由於安裝誤差， 各個支座受力變化不大， 對安裝要求相對低一些。關於3支座的設計， 我們在另文中詳細討論， 這裏不再論述。這裏隻對三個支點以上的多支點支座的注意事項做些說明， 一個鋼倉為什麽要設置多支點支座呢？因為水泥廠迅速大型化及自動化程度提高， 使帶微型荷重傳感器的鋼倉直徑越來越大。我們參與的國外工程， 業主要求Φ8m， Φ9m甚至更大直徑的鋼倉都要設置荷重傳感器， 仍用3個支點圈梁太大不便處理， 我們就設計成3個以上支座， 使環梁仍然比較小巧， 可以節約鋼材。但是圈梁就成為靜不定梁， 這就需要每個支座都設置荷重傳感器。應當強調， 超過3個支座的鋼倉， 安裝荷重傳感器時應當認真找正， 用對應各傳感器指示的承載重量基本相等的方法把基礎找平， 以確保它們在投產後受力均衡。我們在承擔建設的國外工程中， 牢牢把住這一點， 投產後使用至今效果一直很好。

4.2 鋼倉下錐體設計

除通過強度計算確定錐體鋼板厚度外， 設計中還要注意以下兩個問題， 即要有足夠的剛度和強的抗磨性能。

（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） 為在錐體外圓斷續焊接型鋼 （圖中為角鋼） 加固圈， （b） 為在錐體內圓斷續焊接型鋼 （圖中為扁鋼） 加固圈。我們認為圖4 （b） 方法比圖4 （a） 好， 因為圖4 （b） 的加固圈不僅增加了錐體剛度而且由於扁鋼的阻擋， 在錐體內部形成一個不動的料層來承受流動物料的磨損， 我們習慣叫做料磨料， 因此還保護了錐體鋼板不被磨損。

（2）能經受物料的不斷磨損。除圖4 （b） 的方法料磨料外， 還有圖4 （c） 的方法， 是在錐體內壁鋪設耐磨襯板 （一般用Q345鋼板或其它耐磨鋼製造）或敷設噴塗耐磨光滑的非金屬麵材料。有人認為粘濕物料流動性差， 極易堵塞錐口應當采用這一方案。但我們認為這圖4 （c） 並不是一個很好的方案， 尤其是一些地方把襯板用螺栓固定在錐壁上， 螺栓容易鬆脫， 導致細碎物料從螺栓孔漏下， 汙染環境。有的耐磨非金屬襯板不耐低溫， 在我國東北、 西北地區的水泥廠嚴寒冬季過冷而脆裂。因為種種原因掉落的襯板， 還可能在流程中引起其它故障。對於粘濕物料， 為保持物料流通暢、 不堵塞， 因為長條狀口不易膨料， 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， 設計成天圓地方， 下麵改成矩形長口， 如圖4 （d） 所示， 來解決堵料問題， 能取得良好效果

5 結語

由以上對鋼倉外形、 包括倉頂和下椎體形狀及支座的分析研究， 提出鋼倉優化設計的具體方法。鋼倉的優化設計是十分必要的， 它不僅可以節約鋼倉倉體本身的重量， 更重要的是由於鋼倉外形優化後， 可以減小工廠占地麵積， 縮短膠帶輸送機和電纜及其廊道的長度， 減少道路、 管網長度， 達到減少基建投資和經營費用的目的。水泥工廠是一個相對投資較大， 耗能較高的企業， 我們向綠色經濟發展， 降低這兩種消耗就顯得格外重要。

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