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一：概述
当前，高炉喷煤系统的每根喷煤主管从分配器分出后的每根喷煤支管到高炉风口之间一般需经过多道90度直角弯头。调查发现，在实际喷煤过程中，这些直角弯头磨损较为严重，最快1周就被磨穿。支管磨穿后，造成煤粉外漏，对高炉环境造成较大的污染，对现场工作人员的身体健康也非常不利。同时，处理故障时不仅费时费力，且对应的风口不能喷煤，影响高炉喷煤的连续性、稳定性及喷煤量。本研究主要是彻底解决喷煤支管弯头频繁磨损的现状，降低对现场工作环境的污染，同时最大限度避免对生产造成影响。
二：面临现状及入手思路
在实际生产过程中，多数钢铁企业面临了很多加剧对输送管道及支管弯头磨损的不利因素，如：
1.原煤质量不稳定（特别是哈氏可磨指数上的不合格）影响煤粉质量，对整个沿途的输送管道会造成一定伤害；
2.某些钢铁企业为降本，在煤粉中混合一些其它燃料（如焦炭除尘灰等）进行复合喷吹，造成混合后的原煤可磨指数差，对管道磨损严重加剧；
3.在工艺操作过程中，煤粉的输送浓度一定程序上影响了煤粉流速，当煤粉流速过快时，对沿途管道的寿命也处于不利因素；
4.当喷煤距离较远，同时为了保证煤粉有合适的动能，在喷吹过程中只有被迫采取高罐压及沿途补气的方式喷吹，使煤粉在喷煤管道内的流速升高、浓度降低，在一定程度上加剧了管道的磨损。
为了不受以上不利因素的影响，同时一劳永逸解决问题，我们的入手思路是决定从弯头自身角度去研究。
三：设计原理及思路
对于耐磨弯头的研究，一般都是从材料和壁厚入手，使用更耐磨的材料、壁厚更厚的弯头。但均有其局限性。研究及实践表明，材料的硬度越高焊接性能就越差，材质也越脆，一旦磨穿就很难焊补；内衬陶瓷管道也是这样，一旦破损补焊会产生热熔脱胶，大片陶瓷片脱落，而且成本非常高，性价比太低。同时壁厚的增加也不是无限制的，弯头过于笨重会造成制造、安装困难，支吊架难以承受，因此不能彻底解决弯头磨损问题。在研究前期，我们试验采用的耐磨及加厚高压锅炉管弯头就印证了此项问题的存在，虽使用寿命在原有基础上有所增加，但寿命最多维持在1个月左右就陆续被磨穿。最终没有解决到根本问题就被否决了。最终迫使我们从其它角度去入手研究设计了，设计原则是：
1.采用焊接而不是铸造工艺、节约成本、不用模具。
2.部件采用標准件，不采用非标件，保证降低成本及制造效率。
3.采用普通碳钢材质，不采用不锈钢和其他耐磨钢种，降低成本，并且便于焊接。
研究前期，我们曾经构思过大量的弯头，其中不乏很多新颖奇特的想法，但限于实际生产过程中存在的诸多局限性，大部分构思都排出了。同时我们也到多个钢铁企业进行考察学习借鉴，结合实际情况综合考虑后最终保留了1种弯头进入实验阶段，即“电吹风型”弯头。以下为“电吹风型”弯头结构图及假想效果图（图1）：
“电吹风型”弯头主要有以下几个特点：
1.使用标准件普通碳钢材质制造，降低成本。
2.通过两次变径，由原有的内径23mm变径成33mm，再由内径33mm变径成73mm，根据拉瓦尔定律，变径后煤粉流速要降低，大大降低了煤粉对弯头的冲刷，同时两次变径的弯头防磨流动特性比较好，气流转弯以后的流场分布比较均匀。
3.弯头原来形状似“L”，在带煤粉的气流冲刷下，直角转弯处最易被吹穿。现使用的“电吹风型”弯头形状像“T”，这样就增加了一个缓冲区，煤粉气流到转弯处，压力得到缓解，冲刷作用大为减少。同时还延长垂直管上部200mm～300mm，形成了缓冲头（区），减缓了煤粉气流对管壁的直接冲击。
4.使用“电吹风型”弯头后，比单纯的使用“L”型直角变径弯头压降要小很多，确保了分配器压力及煤粉在喷煤主管内的合理流速。
四：设计理论依据
本项目实施的主要闪光点是在弯头处采取了变径，并在弯头转弯处留有缓冲区，通过变径降低煤粉流速（颗粒碰撞壁面的速度）来降低对壁面的磨损，通过弯头处留有的缓冲区来降低煤粉对壁面的冲击强度。
以下是利用LDV技术测量改造前及改造后的两种弯管内的气固两相流湍流流动，θ=为流体流动的角度（图2，图3）。
从以上可以得出：
（1）改造前的弯管内，固相在进入弯管后与气相逐渐发生分离，速度方向偏向外侧壁发生碰撞。而改造后的弯管内，进入弯管前和进入弯管后的气固两相流状态变化很小，进口及出口的煤粉可以近似于沿管壁方向移动。
（2）改造前的弯管内，煤粉直接撞击壁面的频率大，磨损量的值非常大。而改造后的弯管末端留有的缓冲区避免了煤粉颗粒直接撞击壁面，同时进口及出口的煤粉近似于沿管壁方向移动，因此可以视为煤粉颗粒对壁面的撞击可忽略不计，因此磨损量的值非常小。
五：效果实践
为了论证此次研究的可行性及实践效果，我们将此研究实际运用在某钢铁企业的高炉喷煤系统中，更换了近200支改造后的弯头，采用对比分析。通过近半年的跟踪，未出现一次此类弯头被磨穿事故，取得了阶段性成果，改进效果非常明显。可以肯定的说，此次研究及实践非常成功。
六：小结
目前，两相气力管道输送已在各工业体系中得到了广泛应用，管道磨穿的事故时有发生，尤其是弯头的磨损问题尤为突出，造成生产中断、增加维修工作量、造成环境污染。此次研究主要对弯管磨损机理、主要影响因素及预防措施进行了分析及阐述，使高炉喷煤的支管弯头磨损问题得以彻底解决，在以后的工作中，我们将考虑进一步优化设计并局部推广使用，使我们的设计成果达到更理想化的效果并应用在更多的领域中。
当前，高炉喷煤系统的每根喷煤主管从分配器分出后的每根喷煤支管到高炉风口之间一般需经过多道90度直角弯头。调查发现，在实际喷煤过程中，这些直角弯头磨损较为严重，最快1周就被磨穿。支管磨穿后，造成煤粉外漏，对高炉环境造成较大的污染，对现场工作人员的身体健康也非常不利。同时，处理故障时不仅费时费力，且对应的风口不能喷煤，影响高炉喷煤的连续性、稳定性及喷煤量。本研究主要是彻底解决喷煤支管弯头频繁磨损的现状，降低对现场工作环境的污染，同时最大限度避免对生产造成影响。
二：面临现状及入手思路
在实际生产过程中，多数钢铁企业面临了很多加剧对输送管道及支管弯头磨损的不利因素，如：
1.原煤质量不稳定（特别是哈氏可磨指数上的不合格）影响煤粉质量，对整个沿途的输送管道会造成一定伤害；
2.某些钢铁企业为降本，在煤粉中混合一些其它燃料（如焦炭除尘灰等）进行复合喷吹，造成混合后的原煤可磨指数差，对管道磨损严重加剧；
3.在工艺操作过程中，煤粉的输送浓度一定程序上影响了煤粉流速，当煤粉流速过快时，对沿途管道的寿命也处于不利因素；
4.当喷煤距离较远，同时为了保证煤粉有合适的动能，在喷吹过程中只有被迫采取高罐压及沿途补气的方式喷吹，使煤粉在喷煤管道内的流速升高、浓度降低，在一定程度上加剧了管道的磨损。
为了不受以上不利因素的影响，同时一劳永逸解决问题，我们的入手思路是决定从弯头自身角度去研究。
三：设计原理及思路
对于耐磨弯头的研究，一般都是从材料和壁厚入手，使用更耐磨的材料、壁厚更厚的弯头。但均有其局限性。研究及实践表明，材料的硬度越高焊接性能就越差，材质也越脆，一旦磨穿就很难焊补；内衬陶瓷管道也是这样，一旦破损补焊会产生热熔脱胶，大片陶瓷片脱落，而且成本非常高，性价比太低。同时壁厚的增加也不是无限制的，弯头过于笨重会造成制造、安装困难，支吊架难以承受，因此不能彻底解决弯头磨损问题。在研究前期，我们试验采用的耐磨及加厚高压锅炉管弯头就印证了此项问题的存在，虽使用寿命在原有基础上有所增加，但寿命最多维持在1个月左右就陆续被磨穿。最终没有解决到根本问题就被否决了。最终迫使我们从其它角度去入手研究设计了，设计原则是：
1.采用焊接而不是铸造工艺、节约成本、不用模具。
2.部件采用標准件，不采用非标件，保证降低成本及制造效率。
3.采用普通碳钢材质，不采用不锈钢和其他耐磨钢种，降低成本，并且便于焊接。
研究前期，我们曾经构思过大量的弯头，其中不乏很多新颖奇特的想法，但限于实际生产过程中存在的诸多局限性，大部分构思都排出了。同时我们也到多个钢铁企业进行考察学习借鉴，结合实际情况综合考虑后最终保留了1种弯头进入实验阶段，即“电吹风型”弯头。以下为“电吹风型”弯头结构图及假想效果图（图1）：
“电吹风型”弯头主要有以下几个特点：
1.使用标准件普通碳钢材质制造，降低成本。
2.通过两次变径，由原有的内径23mm变径成33mm，再由内径33mm变径成73mm，根据拉瓦尔定律，变径后煤粉流速要降低，大大降低了煤粉对弯头的冲刷，同时两次变径的弯头防磨流动特性比较好，气流转弯以后的流场分布比较均匀。
3.弯头原来形状似“L”，在带煤粉的气流冲刷下，直角转弯处最易被吹穿。现使用的“电吹风型”弯头形状像“T”，这样就增加了一个缓冲区，煤粉气流到转弯处，压力得到缓解，冲刷作用大为减少。同时还延长垂直管上部200mm～300mm，形成了缓冲头（区），减缓了煤粉气流对管壁的直接冲击。
4.使用“电吹风型”弯头后，比单纯的使用“L”型直角变径弯头压降要小很多，确保了分配器压力及煤粉在喷煤主管内的合理流速。
四：设计理论依据
本项目实施的主要闪光点是在弯头处采取了变径，并在弯头转弯处留有缓冲区，通过变径降低煤粉流速（颗粒碰撞壁面的速度）来降低对壁面的磨损，通过弯头处留有的缓冲区来降低煤粉对壁面的冲击强度。
以下是利用LDV技术测量改造前及改造后的两种弯管内的气固两相流湍流流动，θ=为流体流动的角度（图2，图3）。
从以上可以得出：
（1）改造前的弯管内，固相在进入弯管后与气相逐渐发生分离，速度方向偏向外侧壁发生碰撞。而改造后的弯管内，进入弯管前和进入弯管后的气固两相流状态变化很小，进口及出口的煤粉可以近似于沿管壁方向移动。
（2）改造前的弯管内，煤粉直接撞击壁面的频率大，磨损量的值非常大。而改造后的弯管末端留有的缓冲区避免了煤粉颗粒直接撞击壁面，同时进口及出口的煤粉近似于沿管壁方向移动，因此可以视为煤粉颗粒对壁面的撞击可忽略不计，因此磨损量的值非常小。
五：效果实践
为了论证此次研究的可行性及实践效果，我们将此研究实际运用在某钢铁企业的高炉喷煤系统中，更换了近200支改造后的弯头，采用对比分析。通过近半年的跟踪，未出现一次此类弯头被磨穿事故，取得了阶段性成果，改进效果非常明显。可以肯定的说，此次研究及实践非常成功。
六：小结
目前，两相气力管道输送已在各工业体系中得到了广泛应用，管道磨穿的事故时有发生，尤其是弯头的磨损问题尤为突出，造成生产中断、增加维修工作量、造成环境污染。此次研究主要对弯管磨损机理、主要影响因素及预防措施进行了分析及阐述，使高炉喷煤的支管弯头磨损问题得以彻底解决，在以后的工作中，我们将考虑进一步优化设计并局部推广使用，使我们的设计成果达到更理想化的效果并应用在更多的领域中。