0 前言

一般水泥厂的生料调配站、 水泥调配站、 煤粉制备、 生料均化库和水泥库底多设计了储存物料的钢仓。这些仓与近年兴起的钢板仓不同， 因为钢板仓贮存量比较大， 由专门的公司设计和制造， 可用于水泥、 粉煤灰、 矿渣、 粮食、 油脂、 面粉、 饲料等粉状物料的储存， 被广泛用于化工、 轻工、 环保、 电力等行业及港口等。本文研究的钢仓容量比较小， 一般为几十吨、 几百吨， 并都设置有荷重传感器， 以便操作人员比较准确判断仓内物料的重量， 这是非常重要的。因为仓内物料过少会影响出料精度， 不能调配准确；仓满后仍继续喂料， 会使物料从仓顶溢出， 既增加了清理现场的劳动强度， 也影响了环境卫生。这些带荷重传感器的钢仓是由承担水泥厂设计的设计院自行设计的， 本文就这类钢仓的工艺设计及其优化作一总结介绍。

1 钢仓优化设计的必要性

我们注意到有的设计者对钢仓设计不够重视，但对这类钢仓进行设计优化， 可大大节约基建投资和经营费用。

（1）减少钢仓本体的投资。对这样的设计进行优化， 以一条5000t/d熟料生产线及与之配套的水泥磨系统为例， 其优化设计的效益可使钢仓本体的钢材用量减少约200t。

（2）减少水泥厂基建投资。钢仓外形尺寸将直接影响配套输送设备的尺寸 （如相同储量的仓， 若外形设计得过高， 这样就增加了输送设备的长度） ， 并继而影响整个生产线的占地大小和基建费用。例如： 目前我们常用胶带输送机向调配站仓顶输送物料， 一般预均化堆场至原料调配站多采用 16°倾角。某工程6000t/d生产线经优化后， 仓顶高度可降低14m， 这样石灰石预均化堆场与生料调配站间距可缩短 14× tan16°=48.8 m， 使工厂总长度缩短近50 0 m， 可减少工厂用地， 并可缩短胶带输送机长度以及胶带输送机廊道， 电缆廊道及工厂内道路、 管网等长度。这些项目节省的钱， 一般比钢仓本体节约的金额多很多倍。

（3）减少生产电耗。由于减少了胶带输送机的长度和物料提升高度， 就减少了提升、 输送物料的电耗； 而且厂区紧凑后， 缩短了输送长度， 也减少了导线中电流的电耗， 从而减少了总电耗， 投产后可以节约运行生产成本。

2 钢仓外形的设计确定

2.1 钢仓的容量

由于有荷重传感器在线检测仓内物料重量， 因此料仓的容量不必设计过大。例如： 生料磨和水泥磨的主要原料石灰石和熟料储量以接近且不超过2 0 h运行的用量为宜。其他物料， 虽然储存期要长一些， 因为用量较少， 故仓的储量要明显小于石灰石和熟料的储量， 现将钢仓设计与物料的有关数据。

2.2 钢仓直径和高度的计算

这里我们以一个要求储量为500t、 直径D=7.5m熟料钢仓的设计为例， 来探讨钢仓形状的确定和优化。要优化钢仓高度， 我们把仓底锥溜角设计得等于表1推荐的溜角即可， 而仓顶物料是休止角状态，因此仓内物料1。为研究方便， 出料口这里按Φ1m计， 因为这样大的出料口不会膨料。

（1）       仓内熟料总体积 V ： 
 

（5）顶锥中熟料重 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）圆柱体部分料重 G ₂ ：

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

（7）圆柱部分高 h 2 ：

2.3 钢仓直径与高度的关系

仍以上述熟料钢仓为例， 进一步对该钢仓直径与总高之间的关系进行研究。

 

2.3.1 对于底锥部分
 

2.3.4 物料总体积

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 求钢仓的极值高度和仓容

对 （1） 式求导， 并令导数 V′=0， 可计算得到极值 H ， 即：

上例中， 我们将储量500t熟料钢仓的体积 V =344.8m ³ 代入 （3） 式中， 可求得钢仓直径的最大值D _max ； 再将求得的 D _max 值代入 （2） 式， 就可得到熟料钢仓的最小总高。具体计算如下：

以上计算说明， 对储量500t的熟料钢仓， 当直径为Φ11.69时， 其高度最小， 为9.1m。保持同样储量但当将钢仓直径分别设计为Φ11， Φ10， Φ9，Φ8.5，Φ8， Φ7.5， Φ7， Φ6.5， Φ6m时， 钢仓总高度均将超过9.1m， 有关计算数值列入表2。根据表2数据分析，综合考虑钢仓本体及对全厂其它因素的综合影响，我们推荐钢仓直径 D 按 （4） 式确定:

式中： G 为储存物料质量， t； r 为物料体积质量，t/m ³ ； K 为系数， 取 K =1~1.5。

3 仓顶形状的探讨

钢仓直径较大时， 支撑顶盖的梁承受载荷较大，因为弯矩 M 与跨距 l 的平方成正比， 即顶梁承受弯矩： M=1/8 ql ² （式中 q 是顶梁承受顶盖重力的单位载荷） 。例如， Φ7.5m钢仓， 若将Φ7.5m的平顶盖改做成Φ3m， 顶梁弯矩的比值为 3 ² /7.5 ² =0.16 。即缩小顶盖尺寸 （从7.5m缩至3m） 后， 其顶梁弯矩只有原弯矩的16%； 另顶盖的面积缩小了， 顶梁承受顶盖重力的单位载荷 q 还会减小， 因此可以大大节省顶盖和顶梁钢材。

往往因顶盖自重和设备载荷作用， 使原设计水平的钢仓顶盖安装使用后出现中部向下凹陷现象，若该钢仓露天布置， 雨后凹陷处常积雨水， 既不便巡检，又腐蚀顶盖。故建议较大的钢仓顶盖， 可设计成台锥形。

这里以Φ7.5m熟料钢仓为例， 我们来比较一下优化前后的情况， 优化前后二种仓顶形状如图3所示。原设计中Φ7.5m圆柱体与Φ7.5m顶盖相连接，见图3 （a） ， 仓壁用t=8mm钢板， 顶盖用t=6mm钢板，支撑顶盖的主梁采用36a槽钢， 仅仓顶盖Φ7.5m圆板面积及由仓顶盖向下高度1.46m这一段圆柱体的面积和为：

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

加上支撑顶盖的槽钢梁共重6.359 t

优化成台锥后， 顶盖直径Φ3m， 由顶盖向下高度1.461m， 这一段为圆锥台， 顶盖及圆锥台面积为：

锥体及仓项盖均用t=6mm钢板， 支撑顶盖板用的主梁采用12.6a槽钢， 共重2.863t， 可节约钢材3.676t，优化后只有原重量的42%。

4 钢仓的支座和下锥体的设计

4.1 钢仓的支座设计

为了使支座受力合理， 一个钢仓优先设置3个支座， 因为三个支座理论上圈梁是静定梁， 即使由于安装误差， 各个支座受力变化不大， 对安装要求相对低一些。关于3支座的设计， 我们在另文中详细讨论， 这里不再论述。这里只对三个支点以上的多支点支座的注意事项做些说明， 一个钢仓为什么要设置多支点支座呢？因为水泥厂迅速大型化及自动化程度提高， 使带微型荷重传感器的钢仓直径越来越大。我们参与的国外工程， 业主要求Φ8m， Φ9m甚至更大直径的钢仓都要设置荷重传感器， 仍用3个支点圈梁太大不便处理， 我们就设计成3个以上支座， 使环梁仍然比较小巧， 可以节约钢材。但是圈梁就成为静不定梁， 这就需要每个支座都设置荷重传感器。应当强调， 超过3个支座的钢仓， 安装荷重传感器时应当认真找正， 用对应各传感器指示的承载重量基本相等的方法把基础找平， 以确保它们在投产后受力均衡。我们在承担建设的国外工程中， 牢牢把住这一点， 投产后使用至今效果一直很好。

4.2 钢仓下锥体设计

除通过强度计算确定锥体钢板厚度外， 设计中还要注意以下两个问题， 即要有足够的刚度和强的抗磨性能。

（1）要有足够的刚度， 具体做法如图4 （a） 和图4 （b） 。其中图4 （a） 为在锥体外圆断续焊接型钢 （图中为角钢） 加固圈， （b） 为在锥体内圆断续焊接型钢 （图中为扁钢） 加固圈。我们认为图4 （b） 方法比图4 （a） 好， 因为图4 （b） 的加固圈不仅增加了锥体刚度而且由于扁钢的阻挡， 在锥体内部形成一个不动的料层来承受流动物料的磨损， 我们习惯叫做料磨料， 因此还保护了锥体钢板不被磨损。

（2）能经受物料的不断磨损。除图4 （b） 的方法料磨料外， 还有图4 （c） 的方法， 是在锥体内壁铺设耐磨衬板 （一般用Q345钢板或其它耐磨钢制造）或敷设喷涂耐磨光滑的非金属面材料。有人认为粘湿物料流动性差， 极易堵塞锥口应当采用这一方案。但我们认为这图4 （c） 并不是一个很好的方案， 尤其是一些地方把衬板用螺栓固定在锥壁上， 螺栓容易松脱， 导致细碎物料从螺栓孔漏下， 污染环境。有的耐磨非金属衬板不耐低温， 在我国东北、 西北地区的水泥厂严寒冬季过冷而脆裂。因为种种原因掉落的衬板， 还可能在流程中引起其它故障。对于粘湿物料， 为保持物料流通畅、 不堵塞， 因为长条状口不易膨料， 我们从锥体下部直径较大处开始， 即在容易起拱、 膨料的缩口之前， 设计成天圆地方， 下面改成矩形长口， 如图4 （d） 所示， 来解决堵料问题， 能取得良好效果

5 结语

由以上对钢仓外形、 包括仓顶和下椎体形状及支座的分析研究， 提出钢仓优化设计的具体方法。钢仓的优化设计是十分必要的， 它不仅可以节约钢仓仓体本身的重量， 更重要的是由于钢仓外形优化后， 可以减小工厂占地面积， 缩短胶带输送机和电缆及其廊道的长度， 减少道路、 管网长度， 达到减少基建投资和经营费用的目的。水泥工厂是一个相对投资较大， 耗能较高的企业， 我们向绿色经济发展， 降低这两种消耗就显得格外重要。

 

 

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