一、前言

　　隨著世界能源越來越緊缺，高爐煉鐵設(shè)備的節(jié)能問題受到整個(gè)世界的高度重視。作為熱風(fēng)管線切斷設(shè)備的熱風(fēng)閥的節(jié)能問題提上議事日程。

　　秦冶公司從2001年開始研制高溫、長(zhǎng)壽、節(jié)能型熱風(fēng)閥，至今，閥門特點(diǎn)鮮明，節(jié)能效果顯著。

二、熱風(fēng)閥特點(diǎn)

　　1)高溫：使用溫度1450℃。

　　2)長(zhǎng)壽：使用壽命15～20年。

　　3)節(jié)能：熱風(fēng)溫度降由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的4℃降低到1.8℃。所用電能為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/4以下。

　　4)節(jié)水：用水量為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/3。

　　基于幾十年來對(duì)熱風(fēng)閥的研制經(jīng)驗(yàn)，通過大型計(jì)算機(jī)軟件對(duì)閥門的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬工況分析，結(jié)合現(xiàn)代高爐技術(shù)發(fā)展，進(jìn)行各項(xiàng)研究。并將研究結(jié)果應(yīng)用到閥門的設(shè)計(jì)制造中去，產(chǎn)品即獲得了優(yōu)異的技術(shù)性能。

三、閥門研究分析

　　1.閥門破壞原因

　　閥門在開啟初期，熱風(fēng)流通面積狹小，熱風(fēng)流速增高，閥板熱負(fù)荷加大。閥板在全開狀態(tài)下，閥板下部長(zhǎng)期受熱風(fēng)渦流掃掠被吹掃出細(xì)微溝痕，逐漸產(chǎn)生微觀裂紋，裂紋遷延直至漏水。如圖1、圖2所示。由于閥板漏水，閥體內(nèi)耐火涂料受潮大片脫落，閥體接著也發(fā)生破壞。

圖1 閥板下部吹掃出的裂紋

圖2 閥體裂紋

　　2.材料的破壞機(jī)理

　　秦冶公司為研究不同材料和防護(hù)方式的耐熱疲勞性，研制了材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)材料破壞過程進(jìn)行了大量測(cè)試和研究。分析結(jié)果表明：

　　1)材料在送風(fēng)期和燃燒期轉(zhuǎn)換時(shí)引起的低周波熱應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致疲勞。

　　2)鋼材在高溫空氣中氧化失效。材料本身的抗氧化性、熱強(qiáng)性同樣起著重要的影響。

　　3.閥門溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)

　　采用三維軟件模擬仿真設(shè)計(jì)，施加等同工況的邊界條件，對(duì)其溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)作有限元法應(yīng)力分析，如圖3、圖4所示。

圖3 閥板總體溫度分布

圖4 閥板鋼板溫度分布

　　分析結(jié)果：閥板鋼板的最高溫度出現(xiàn)在外水環(huán)的兩側(cè)，最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在閥板外水環(huán)兩側(cè)，如圖5所示。

圖5 閥板外水環(huán)表面沿軸向熱應(yīng)力分布

　　4.錨固釘受熱

　　采用三維軟件給閥板(有絕熱材料層)施加1450℃溫度載荷，對(duì)錨固釘?shù)氖軣嶙髁思虞d分析，如圖6所示。經(jīng)分析，錨固釘?shù)淖罡邷囟冗_(dá)857℃，如圖7所示。

圖6 閥板整體溫度場(chǎng)(部分)

圖7 錨固釘?shù)臏囟葓?chǎng)

　　5.閥門熱風(fēng)通道結(jié)構(gòu)

　　采用流場(chǎng)分析(如圖8、圖9所示)，使熱風(fēng)通道更合理，氣流對(duì)閥體內(nèi)側(cè)沖刷最小。管道變徑的存在有利于減小閥板下沿的氣體渦流強(qiáng)度，進(jìn)而也就減小了熱風(fēng)對(duì)閥板和內(nèi)側(cè)板的沖刷侵蝕，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

圖8 熱風(fēng)通道有變徑時(shí)速度分布

圖9 熱風(fēng)通道無變徑時(shí)速度分布

　　6.耐火襯里設(shè)計(jì)

　　分析閥門內(nèi)側(cè)板失效機(jī)理：在閥體風(fēng)道上方的大側(cè)板被熱風(fēng)產(chǎn)生的渦流長(zhǎng)時(shí)間吹掃，產(chǎn)生徑向裂紋。閥門內(nèi)腔(除密封面外)搗固高阻熱性的耐火材料，既保護(hù)閥門內(nèi)腔鋼材，又阻止熱量向鋼板的傳遞，減少了熱能損失。

　　7.熱風(fēng)閥節(jié)能、節(jié)水量比較

　　熱風(fēng)閥的冷卻水是在水道中循環(huán)的水，它是循環(huán)利用的，并不是流失掉的。減少熱風(fēng)閥的冷卻水量，只是節(jié)省了水泵的電能和冷卻水升溫帶走的熱能，如圖10所示。

圖10 水量比較

　　將閥門冷卻水量降低到原來的1/2，水速減少到原來的1/2，根據(jù)能量公式E=0.5mv2，熱風(fēng)閥閥門供水系統(tǒng)每小時(shí)消耗的電能將減少到原來的1/8。

　　適當(dāng)?shù)哪突鹜繉拥脑O(shè)置使熱風(fēng)溫度降由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的4℃降到1.8℃。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1)大剛度、小水腔設(shè)計(jì)。保證冷卻強(qiáng)度，減少冷卻水帶走的熱量。

　　2)閥門內(nèi)腔(除密封面外)搗固高強(qiáng)、輕質(zhì)耐火襯里，配合絕熱材料，降低熱負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能效果。

　　3)熱風(fēng)通道合理設(shè)計(jì)成變徑結(jié)構(gòu)。減少熱風(fēng)對(duì)閥板下沿的沖刷。

　　4)關(guān)鍵部位耐熱鋼整體壓延成形，接觸熱風(fēng)部位無焊縫裸露。提高閥門耐熱疲勞性能和抗高溫氧化性能。

五、材料保障

　　1.鋼材

　　鋼材的選擇從以下三方面考慮：鋼材的耐熱疲勞性;鋼材的抗氧化性;鋼材的焊接性：碳當(dāng)量≤0.35。

　　關(guān)鍵部位采用低合金耐熱鋼鍛件。

　　2.焊接材料

　　選擇與母材相匹配的焊材焊接，等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

　　3.錨固釘材料

　　錨固釘選擇耐高溫合金材料。

　　4.耐火襯里

　　耐火襯里采用高性能耐材組合使用：低水泥莫來石澆筑料+輕質(zhì)莫來石澆筑料+絕熱材料。

　　耐材的耐火度：1750℃。

　　耐材的壽命：>15年(使用溫度1450℃)。

　　絕熱材料的使用溫度：1200℃。

六、與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品比較

　　1.結(jié)構(gòu)、應(yīng)力比較

　　(1)國(guó)外閥板國(guó)外閥板為鉆孔結(jié)構(gòu)，冷卻水道分布為方形，且閥板水圈分布在板芯兩側(cè)，有兩道焊縫暴露在熱風(fēng)中，如圖11所示。此結(jié)構(gòu)閥板應(yīng)力集中嚴(yán)重，對(duì)閥板冷卻不均勻。

圖11 國(guó)外閥板結(jié)構(gòu)

　　閥板外水環(huán)表面中心的熱應(yīng)力最大，為458MPa，接近材料的強(qiáng)度極限，如圖12所示。且這一應(yīng)力周期性變化，在時(shí)間的效應(yīng)下，將會(huì)使閥板邊緣產(chǎn)生裂紋，影響密封效果。

圖12 國(guó)外閥板熱應(yīng)力場(chǎng)

　　(2)秦冶閥板

　　秦冶閥板為螺旋式水道結(jié)構(gòu)，閥板外水圈為整體鍛造結(jié)構(gòu)，無焊縫暴露在熱風(fēng)中，如圖13所示。此結(jié)構(gòu)閥板應(yīng)力集中小，冷卻均勻。閥板外水圈兩側(cè)熱應(yīng)力最大，為115MPa，如圖14所示。遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限。

圖13 秦冶閥板結(jié)構(gòu)

圖14 秦冶閥板熱應(yīng)力場(chǎng)

　　國(guó)外閥板外水環(huán)表面最高應(yīng)力為458MPa，秦冶閥板為115MPa，應(yīng)力情況明顯優(yōu)于國(guó)外閥板(見圖15)。

圖15 閥板應(yīng)力比較圖

　　2.材料比較

　　通過下表中比較可以看出，秦冶閥門選材大部分與國(guó)外產(chǎn)品相同，部分優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。秦冶公司高溫長(zhǎng)壽節(jié)能熱風(fēng)閥無論從結(jié)構(gòu)上還是選材上都明顯優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。

秦冶與國(guó)外閥門選材對(duì)比表

七、結(jié)語(yǔ)

　　秦冶高溫長(zhǎng)壽節(jié)能熱風(fēng)閥產(chǎn)品，主要是通過多種現(xiàn)代技術(shù)和手段的運(yùn)用，對(duì)熱風(fēng)閥的冷卻、傳熱機(jī)理有了深刻的了解和認(rèn)識(shí)，形成了較完整的理論體系。同時(shí)，采用了大量新型專用材料和新技術(shù)、新工藝，從而使其產(chǎn)品不但能夠承受較高的風(fēng)溫，具有較長(zhǎng)的壽命，且具有顯著的節(jié)能效果。