一、前言

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

　　秦冶公司從2001年開始研制高溫、長壽、節(jié)能型熱風閥，至今，閥門特點鮮明，節(jié)能效果顯著。

二、熱風閥特點

　　1)高溫：使用溫度1450℃。

　　2)長壽：使用壽命15～20年。

　　3)節(jié)能：熱風溫度降由傳統(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。

　　基于幾十年來對熱風閥的研制經(jīng)驗，通過大型計算機軟件對閥門的溫度場、熱應(yīng)力場和流場進行模擬工況分析，結(jié)合現(xiàn)代高爐技術(shù)發(fā)展，進行各項研究。并將研究結(jié)果應(yīng)用到閥門的設(shè)計制造中去，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，熱風流通面積狹小，熱風流速增高，閥板熱負荷加大。閥板在全開狀態(tài)下，閥板下部長期受熱風渦流掃掠被吹掃出細微溝痕，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.材料的破壞機理

　　秦冶公司為研究不同材料和防護方式的耐熱疲勞性，研制了材料熱疲勞試驗機，對材料破壞過程進行了大量測試和研究。分析結(jié)果表明：

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

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

　　3.閥門溫度場、應(yīng)力場

　　采用三維軟件模擬仿真設(shè)計，施加等同工況的邊界條件，對其溫度場、應(yīng)力場作有限元法應(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_857℃，如圖7所示。

圖6 閥板整體溫度場(部分)

圖7 錨固釘?shù)臏囟葓?/p>

　　5.閥門熱風通道結(jié)構(gòu)

　　采用流場分析(如圖8、圖9所示)，使熱風通道更合理，氣流對閥體內(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度，進而也就減小了熱風對閥板和內(nèi)側(cè)板的沖刷侵蝕，延長閥門的使用壽命。

圖8 熱風通道有變徑時速度分布

圖9 熱風通道無變徑時速度分布

　　6.耐火襯里設(shè)計

　　分析閥門內(nèi)側(cè)板失效機理：在閥體風道上方的大側(cè)板被熱風產(chǎn)生的渦流長時間吹掃，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.熱風閥節(jié)能、節(jié)水量比較

　　熱風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，熱風閥閥門供水系統(tǒng)每小時消耗的電能將減少到原來的1/8。

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

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1)大剛度、小水腔設(shè)計。保證冷卻強度，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、輕質(zhì)耐火襯里，配合絕熱材料，降低熱負荷，達到節(jié)能效果。

　　3)熱風通道合理設(shè)計成變徑結(jié)構(gòu)。減少熱風對閥板下沿的沖刷。

　　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，等強度設(shè)計。

　　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、與國外先進產(chǎn)品比較

　　1.結(jié)構(gòu)、應(yīng)力比較

　　(1)國外閥板國外閥板為鉆孔結(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中，如圖11所示。此結(jié)構(gòu)閥板應(yīng)力集中嚴重，對閥板冷卻不均勻。

圖11 國外閥板結(jié)構(gòu)

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

圖12 國外閥板熱應(yīng)力場

　　(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。遠小于材料的強度極限。

圖13 秦冶閥板結(jié)構(gòu)

圖14 秦冶閥板熱應(yīng)力場

　　國外閥板外水環(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外產(chǎn)品相同，部分優(yōu)于國外產(chǎn)品。秦冶公司高溫長壽節(jié)能熱風閥無論從結(jié)構(gòu)上還是選材上都明顯優(yōu)于國外產(chǎn)品。

秦冶與國外閥門選材對比表

七、結(jié)語

　　秦冶高溫長壽節(jié)能熱風閥產(chǎn)品，主要是通過多種現(xiàn)代技術(shù)和手段的運用，對熱風閥的冷卻、傳熱機理有了深刻的了解和認識，形成了較完整的理論體系。同時，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溫，具有較長的壽命，且具有顯著的節(jié)能效果。