馮文強(qiáng) 許俊斌

(秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島066318)

料流調(diào)節(jié)閥與下密封閥合體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

馮文強(qiáng)①許俊斌

(秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島066318)

下密封閥是煉鐵高爐爐頂設(shè)備中保證密封爐內(nèi)煤氣的關(guān)鍵設(shè)備。料流調(diào)節(jié)閥是爐頂設(shè)備中調(diào)節(jié)排料速度或排料時(shí)間的唯一手段，起著控制、保持料罐內(nèi)爐料向爐內(nèi)的布料趨于均勻、合理的作用。下密封閥和料流調(diào)節(jié)閥共用一個(gè)箱體，設(shè)計(jì)成合體結(jié)構(gòu)，可以降低串罐無(wú)料鐘爐頂設(shè)備總高度，減少煉鐵高爐的投資成本。應(yīng)該把握幾個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，僅供參考。

料流調(diào)節(jié)閥 下密封閥 通徑 密封可靠性 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

1 工藝流程概述

秦冶研發(fā)并推出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的WZ系列爐頂設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理先進(jìn)，具有更好的布料工藝性能，能更好的適應(yīng)高爐煉鐵工藝對(duì)于爐頂設(shè)備的要求。

料流調(diào)節(jié)閥是安裝在料罐爐料排料口處，調(diào)節(jié)排料速度或排料時(shí)間，起著控制爐料流量的閥門。下密封閥是安裝在料流調(diào)節(jié)閥下面，在上密封閥開啟，料罐接受爐料時(shí)，對(duì)爐頂進(jìn)行密封，防止?fàn)t內(nèi)壓力煤氣外泄的閥門。在秦冶串罐無(wú)料鐘爐頂設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配置中料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥各有獨(dú)立的箱體，兩個(gè)部件間為法蘭連接，方便設(shè)備檢修維護(hù)，但高爐的鋼結(jié)構(gòu)等投資成本隨之增加。本設(shè)計(jì)采用合體結(jié)構(gòu)，能降低兩個(gè)部件的總高度，最少能節(jié)約高爐成本幾十萬(wàn)元。同時(shí)更能適應(yīng)料鐘式爐頂(投資成本較高、煤氣泄漏嚴(yán)重，且爐頂總高較低)改造成無(wú)料鐘式爐頂，為客戶提供更好的選擇，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 結(jié)構(gòu)原理

料流調(diào)節(jié)閥采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過曲柄、半軸、同步四連桿機(jī)構(gòu)等驅(qū)動(dòng)兩塊球形閘板正反旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。下密封閥采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過曲柄、軸等驅(qū)動(dòng)閥板旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。

圖1 秦冶串罐式無(wú)料鐘爐頂

圖2 料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥合體結(jié)構(gòu)部分剖視圖

1-料流調(diào)節(jié)閥傳動(dòng)軸; 2,9-料流調(diào)節(jié)閥連桿; 3-料流調(diào)節(jié)閥主動(dòng)曲柄; 4,8-料流調(diào)節(jié)閥曲柄; 5-料流調(diào)節(jié)閥液壓缸; 6,10-料流調(diào)節(jié)閥半軸; 7-下密封閥傳動(dòng)軸; 11-下密封閥液壓缸; 12-料流調(diào)節(jié)閥閥板; 13-下密封閥閥板; 14-料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥的箱體

料流調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作原理：液壓缸在液壓系統(tǒng)作用下，活塞桿伸出并推動(dòng)主動(dòng)曲柄逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)45°。傳動(dòng)軸通過鍵分別與主動(dòng)曲柄、被動(dòng)曲柄固定，曲柄通過不同連桿分別與正反半軸的曲柄連接，所以主動(dòng)曲柄通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)正反半軸各旋轉(zhuǎn)45°分開，從而完成閥板由關(guān)閉到打開的動(dòng)作。相反液壓缸活塞桿回縮，主動(dòng)曲柄通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)正反半軸各旋轉(zhuǎn)45°合攏，從而完成閥板由打開到關(guān)閉的動(dòng)作。通過控制液壓缸進(jìn)出油量使料流調(diào)節(jié)閥能夠按照高爐工藝要求隨時(shí)停止在指定角度(角度精度在±0.2°以內(nèi))，從而達(dá)到控制爐料裝入流量的作用。

下密封閥的動(dòng)作原理：液壓缸在液壓系統(tǒng)作用下，活塞桿伸出并推動(dòng)曲柄順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)100°。傳動(dòng)軸通過鍵分別與曲柄、杠桿固定，閥板與杠桿裝配成一體，所以曲柄帶動(dòng)傳動(dòng)軸、杠桿、閥板沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)100°，從而完成閥板由打開到關(guān)閉的動(dòng)作。相反，當(dāng)液壓缸活塞桿回縮時(shí)，帶動(dòng)曲柄、傳動(dòng)軸、杠桿、閥板一起逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)100°，完成閥板由關(guān)閉到打開的動(dòng)作。經(jīng)校核閥板打開100°時(shí)，爐料能夠順利從稱量料罐進(jìn)入到高爐內(nèi)，且落料時(shí)的飛濺不會(huì)對(duì)閥板造成損傷。

3 幾個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

以1000m3級(jí)高爐爐頂為例，要保證料流調(diào)節(jié)閥、下密封閥的可靠性，須考慮以下幾個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)：通徑的選擇、合體閥本體的強(qiáng)度、下密封閥密封面的形式及材質(zhì)、液壓缸的選擇、傳動(dòng)軸軸徑的計(jì)算、軸上聯(lián)接鍵的校核。

3.1 通徑的選擇

布料器中心喉管的通徑計(jì)算：

原料從礦物料閘閥出來時(shí)的速度

ν=λ×sinα×3.2×g×Rɑ

(1)

設(shè)計(jì)值：

Ω=720m3/h=720÷24÷60=0.5m3/s

取λ=0.8，代入式中得

經(jīng)計(jì)算，中心喉管通徑選取D=500mm為宜。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取料流調(diào)節(jié)閥的通徑為DN550mm，下密封閥的通徑為DN700mm，可滿足爐頂設(shè)備布料要求。

3.2 合體閥本體的強(qiáng)度

料流調(diào)節(jié)閥、下密封閥的強(qiáng)度應(yīng)能承受給定的最高工作壓力0.2MPa的1.25倍，且不得有結(jié)構(gòu)變形。

首先對(duì)箱體進(jìn)行三維建模，運(yùn)用Solidworks Simulation—有限元靜力分析工具對(duì)箱體進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)箱體上下法蘭面進(jìn)行約束，在箱體內(nèi)表面上增加壓力0.25MPa，再進(jìn)行網(wǎng)格化處理如圖3、圖4，然后進(jìn)行靜力學(xué)分析——應(yīng)力分析和位移分析。

圖3 料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥合體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖

圖4 料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥合體結(jié)構(gòu)位移分析圖

可得此箱體在0.25MPa壓力下的最大應(yīng)力為110.5MPa，最大位移為0.7mm。箱體材料選用Q235B，該材料的許用屈服強(qiáng)度為220MPa以上，最大應(yīng)力僅為許用強(qiáng)度的一半，滿足箱體耐壓強(qiáng)度要求。

3.3 下密封閥密封面的材質(zhì)

密封面材質(zhì)常見的有軟密封、硬密封以及軟硬密封等。軟密封即密封副由非金屬軟質(zhì)材料對(duì)非金屬軟質(zhì)材料構(gòu)成,硬密封即密封副由金屬硬質(zhì)材料對(duì)金屬硬質(zhì)材料構(gòu)成,軟硬密封即密封副由金屬硬質(zhì)材料對(duì)非金屬軟質(zhì)材料構(gòu)成。[2]

此下密封閥采用軟硬密封，閥座為表面堆焊硬質(zhì)合金的密封環(huán)，硅橡膠密封圈固定在閥板上。在閥門關(guān)閉時(shí)實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合密封，密封可靠，密封圈、閥座可定期更換，維護(hù)方便。硅橡膠密封圈種類較多，此處采用的硅橡膠主要性能參數(shù)如下：[3]

表1 硅橡膠材質(zhì)性能參數(shù)表

3.4 液壓缸的選擇

料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥的啟閉都是以液壓缸為驅(qū)動(dòng)力。液壓缸是下密封閥的動(dòng)力源,它的選擇至關(guān)重要，不但關(guān)系到下密封閥開、關(guān)及密封可靠的基本功能實(shí)現(xiàn)，而且直接影響傳動(dòng)軸軸徑的選擇。

以此下密封閥為例，它的密封屬于轉(zhuǎn)矩密封和自壓密封復(fù)合的密封形式。閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)的密封比壓是由液壓缸加在傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的，此為液壓缸轉(zhuǎn)矩密封形式；閥板關(guān)閉狀態(tài)的密封比壓是由高爐內(nèi)介質(zhì)(煤氣)作用在閥板上的壓力自動(dòng)產(chǎn)生的，此為自壓密封形式。由于自壓密封形式的存在，使此設(shè)計(jì)方案所需動(dòng)力可以盡可能地減小，節(jié)省動(dòng)力源。

由于閥板關(guān)閉狀態(tài)為自動(dòng)密封形式，即爐內(nèi)壓力的氣壓直接作用到閥板上，所以液壓缸參數(shù)應(yīng)該根據(jù)閥板關(guān)閉瞬時(shí)、閥板打開瞬時(shí)兩種狀態(tài)分別計(jì)算,取滿足兩種情況的結(jié)果為最終結(jié)果。

圖5 閥板關(guān)閉及閥板打開瞬時(shí)狀態(tài)圖

1-下密封閥傳動(dòng)軸; 2-下密封閥密封圈; 3-下密封閥閥板; 4-下密封閥曲柄杠桿; 5-下密封閥液壓缸; 6-下密封閥主動(dòng)曲柄

3.4.1 料罐均壓完的閥板關(guān)閉的狀態(tài)

此時(shí)下密封閥處于液壓缸轉(zhuǎn)矩密封形式。當(dāng)爐頂料罐均壓完，料罐內(nèi)與高爐內(nèi)有很小的壓差(約0.02MPa),須靠液壓缸的動(dòng)力進(jìn)行密封，計(jì)算液壓缸動(dòng)力時(shí)可以視此時(shí)氣壓為0,以增大液壓缸的安全系數(shù)。

閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)計(jì)算：

圖6 閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)下閥板受力分析圖

圖7 閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)下液壓缸傳導(dǎo)的分析圖

圖8 閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)下液壓缸作用密封面的分析圖

1)閥板所受合力

∑F=F2-G

式中G—方案中閥板的重力，N。

2)F2為液壓缸作用在閥板上的推力

3)閥板關(guān)閉狀態(tài)下所受合力∑F

∑F=F2-G=F×S1×sinα÷S2-G

4)閥板密封面密封所需的最小力f

f=qMF×10×ɑ，N；

式中qMF—密封比壓；a—密封面面積，cm2。

5)當(dāng)密封面為軟硬密封，且密封面材質(zhì)中有中等硬度橡膠時(shí)，閥門需要的密封比壓為：

式中PN—公稱壓力(此處為爐內(nèi)氣壓的壓力，PN≤0.2)，MPa；

bm—密封面寬度，mm。

但不能大于材料的許用密封比壓。

6)閥板密封所需液壓缸的最小推力F

假定∑F=f，則F×S1×sinα÷S2-G=qMF×10×a,由此可以計(jì)算出F。

取閥座與閥板的接觸密封寬度進(jìn)行計(jì)算，即可算出閥板密封所需液壓缸最小推力F。

7)選擇液壓缸型號(hào)

設(shè)液壓缸工作油壓為p，液壓缸無(wú)桿腔截面積為A1，則A1=F/P。

按照所需液壓缸廠家樣本，依據(jù)液壓缸無(wú)桿腔截面積A1數(shù)值，使所選擇液壓缸的無(wú)桿腔截面積A1′>A1， 這樣就能選出下密封閥須最小的液壓缸規(guī)格。

3.4.2 料罐放散完的閥板關(guān)閉的狀態(tài)

此時(shí)爐頂放散閥放散完畢，料罐內(nèi)有很小的氣壓，約0.01MPa, 計(jì)算液壓缸動(dòng)力時(shí)，按高爐內(nèi)氣壓0.2MPa計(jì)算,以增大液壓缸的安全系數(shù)。

圖9 閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)下閥板受力分析圖

1)閥板所受合力

式中G—方案中閥板的重力,N。

圖10 閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)下液壓缸傳導(dǎo)的分析圖

圖11 閥板關(guān)閉瞬時(shí)狀態(tài)下液壓缸作用密封面的分析圖

4)閥板打開狀態(tài)下所受合力∑F′

5)閥板密封面密封所需的最小力f

f=qMF×10×ɑ

式中a—密封面面積，cm2。

6)當(dāng)密封面為軟硬密封，且密封面材質(zhì)中有中等硬度橡膠時(shí)，閥門需要的密封比壓為：

式中PN—公稱壓力(此處為爐內(nèi)氣壓的壓力，PN≤0.2),MPa；

bm—密封面寬度,mm。

但不能大于材料的許用密封比壓。

7)閥板密封所需液壓缸的最小推力F

假定∑F=f，則F×S1×sinα÷S2-G=qMF×10×a，由此可以進(jìn)行計(jì)算。

取閥座與閥板的接觸密封寬度進(jìn)行計(jì)算，即可算出閥板密封所需液壓缸最小推力F。

8)選擇液壓缸型號(hào)

這樣就能選出下密封閥須最大的液壓缸規(guī)格。

結(jié)論：結(jié)合以上計(jì)算，選出其中一種符合爐頂設(shè)備的下密封閥設(shè)計(jì)要求的液壓缸型號(hào)。

3.5 傳動(dòng)軸軸徑的計(jì)算

從下密封閥的動(dòng)作原理中可以看出，傳動(dòng)軸是下密封閥動(dòng)力傳遞的重要零件。如果傳動(dòng)軸強(qiáng)度不夠，則下密封閥無(wú)法正常工作，更無(wú)從談其密封可靠性。

在此設(shè)計(jì)方案中，傳動(dòng)軸主要傳遞轉(zhuǎn)矩，所以必須按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度核算軸徑。

3.5.1 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式

d=17.2×(T÷τP)1/3[5]

式中d—軸端直徑，mm；T—軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m，可取T為閥板關(guān)閉瞬時(shí),閥板所需液壓缸最小推力F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；

τP—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa，當(dāng)傳動(dòng)軸材料為40Cr時(shí)，τP取較大值55MPa[5]。

3.5.2 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式

d=9.3×(T÷φP)1/4[4]

式中d—軸端直徑，mm；T—與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式中的T相當(dāng)，N·m；φP—許用扭轉(zhuǎn)角，(°)/m，對(duì)于一般傳動(dòng)，可取φP=0.5～1(°)/m，此處取φP=0.5(°)/m。[5]

則d=9.3×(T÷φP)1/4，計(jì)算后圓整，并使d大于圓整值。

綜合以上按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度估算軸徑的結(jié)果，應(yīng)取傳動(dòng)軸軸徑較大者。

3.6 軸上聯(lián)接鍵的校核

校核曲柄鍵的靜連接強(qiáng)度：

此處只進(jìn)行鍵靜連接時(shí)的擠壓強(qiáng)度：計(jì)算公式為：

式中 T—轉(zhuǎn)矩； D—軸的直徑，mm； l—鍵的工作長(zhǎng)度，l=L-r,mm； k—鍵與輪轂的接觸高度,平鍵k=0.4×h(h為鍵高)。

圖12 軸上連接鍵的簡(jiǎn)化圖

取閥板關(guān)閉狀態(tài)和打開狀態(tài)，液壓缸推力或拉力對(duì)傳動(dòng)軸產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。

閥板關(guān)閉狀態(tài)，取T為閥板關(guān)閉瞬時(shí),閥板所需液壓缸最小推力F產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；

閥板打開狀態(tài)，取T為正常液壓缸工作油壓P作用下, 閥板所需液壓缸最小拉力F′產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，比較并取二者中較大者為T。

軸、鍵、曲柄的材質(zhì)進(jìn)行比較，取最弱材料的許用擠壓應(yīng)力值σpp。

由公式計(jì)算出σp值，比較σp與σpp，應(yīng)使σp≤σpp，否則曲柄鍵會(huì)被壓潰。

在計(jì)算過程中可考慮加大軸徑D，重新按單鍵校核或保持軸徑D不變,采用雙鍵連接校核，此時(shí)鍵的長(zhǎng)度相當(dāng)于單鍵長(zhǎng)度的1.5倍，所以雙鍵時(shí)

比較σp與σpp,應(yīng)使σp≤σpp。

結(jié)論：確定設(shè)計(jì)方案中曲柄所用軸徑D及用單鍵還是雙鍵。

以上六個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)均考慮周全，且校核結(jié)果合格，則設(shè)計(jì)方案定能保證設(shè)備的可靠性。

4 成果

采用新設(shè)計(jì)的合體結(jié)構(gòu)設(shè)備安裝總高度由原來的3m(料流調(diào)節(jié)閥高度為0.8m、下密封閥高度為2.2m)降低到2.2m，設(shè)備總重量由原來的10t(料流調(diào)節(jié)閥重量為3.5t、下密封閥重量為6.5t)降低到現(xiàn)在的8.2t，總耗材隨之減少，降低了生產(chǎn)制作成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)中，只要抓住與其可靠性緊密相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行合理選擇和校核，就能保證爐頂設(shè)備的正常使用，也就保證了高爐生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

此種料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥合體結(jié)構(gòu)的無(wú)料鐘爐頂設(shè)備已成功的應(yīng)用到了我們公司的一些國(guó)內(nèi)和越南、印度尼西亞項(xiàng)目中，為客戶節(jié)約了投資成本，同時(shí)也為公司創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]嚴(yán)允進(jìn).煉鐵機(jī)械(第2版).北京：冶金工業(yè)出版社，1990：163-164.

[2]苗玉金.上密封閥的設(shè)計(jì)[J].通用機(jī)械, 2013(7)：65.

[3]中國(guó)冶金設(shè)備總公司.現(xiàn)代大型高爐設(shè)備及制造技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1996:114.

[4]陸培文.《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007：740-741.

[5]成大先.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版第2卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007：6-19.

Combine Structure Design for Material Control Gate and Lower Seal Valve

Feng Wenqiang Xu Junbin

(Qinye Heavy Industry Co., Ltd, Qinghuangdao 066318)

Lower seal valve of blast furnace top equipment is the key equipment to seal furnace gas. Material control gate of blast furnace top equipment is sole method to control charging speed or charging time, and can effect to control and keep uniform and rational distribution from hopper into furnace inner.lower seal valve and material control gate are inside the same casing, which can lower height of series connected no bell top charge equipment and reduce investment cost of blast furnace. Grasp some design key points, the deserve reference for the metallurgical enterprise.

Material control gate Lower seal valve Diameter Sealing reliability Design key point

馮文強(qiáng)，男，1981年出生，2004年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，主要從事高爐爐頂設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

TF321.3

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.004

2014-07-18)