李凱?蓋曉明?宋訓雷

摘 要：擋料閥是無料鐘爐頂設備中的一個關鍵設備，以一種新型并罐式擋料閥為例，介紹了擋料閥的組成、工作過程和原理，設計擋料閥應當考慮的過料量以及液壓缸壓強計算，以及此種擋料閥的關鍵技術點，料打料式錐段襯板和驅動軸偏心結構。

關鍵詞：無料鐘爐頂；擋料閥；過料量；料打料結構；驅動軸偏心

ANALYSIS AND INTRODUCTION OF A KIND OF PARALLEL TANK UPPER MATERIAL VALE

Li Kai Ge Xiaoming Song Xunlei

（Engineering Technical Research Centre for Metallurgical Equipments of Hebei Province， Qin Huangdao Qinye Heavy Industry Co.， Ltd. Qinhuangdao 066318， China）

Abstract：The upper material valve is a key device in the bell-less furnace top equipment. This article takes a new parallel-tank upper material valve as an example to introduce the composition， working process and principle of the upper material valve. The design of the upper material valve should be considered. The calculation of material quantity and hydraulic cylinder pressure， as well as the key technical points of this kind of upper material valve， the eccentric structure of the material punching cone liner and the drive shaft.

Key words：Bell-less furnace top；Upper material valve; Overfeed；Feeding structure；Drive shaft eccentric structure

0 前 言

隨著煉鐵技術的發(fā)展，目前無料鐘煉鐵技術已經廣泛應用于全世界的高爐，煉鐵設備的形式更是多種多樣，擋料閥設備一般安裝在料斗和料罐之間，用于控制料斗放料口的啟閉，使料斗內爐料按照煉鐵工藝的要求間斷有序的裝入料罐內，在并罐無料鐘爐頂上，擋料閥的一般形式主要有擺動溜槽、翻板閥等，本文介紹一種新的用于并罐上擋料閥的結構形式。

1 工作過程及原理

本套爐頂設備從上到下依次為料斗、擋料閥、上密封閥、料罐、料流調節(jié)閥、下密封閥、波紋管以及布料器。爐料通過料車或皮帶裝入料斗裝置中，按照煉鐵工藝的要求通過控制擋料閥兩端閥板的啟閉，使料斗里面的爐料進入一個料罐內，待高爐內料面降低到一定數值后，提起探尺，再按照工藝的布料制度將料罐內爐料裝入高爐內，此時通過再次控制擋料閥，使得第二個料罐開始裝料，兩個料罐交替工作，一般一個裝礦石，另一個裝焦炭。

擋料閥由左右兩部分組成，兩部分結構完全一致，由液壓缸驅動曲柄轉動，曲柄通過花鍵與主軸連接，主軸轉動帶動閥板擺臂運動，從而實現擋料閥的開關動作。主動機構的支架上有擋料閥打開或關閉時插入安全銷的螺紋孔，主軸上連接了限位開關，限位開關用來感應擋料閥打開和關閉的位置并給PLC發(fā)送相應信號。

2 組成結構

擋料閥由驅動元件、主動機構、從動機構、殼體、擺臂、閥板、耐磨上部襯套、耐磨下部襯套、兩個檢修門等組成。見圖1、圖2以及圖3。

從擋料閥的組成結構可以看出，此種擋料閥維護檢修非常方便，易損件主要有耐磨上部襯套上面的襯板、耐磨下部襯套、閥板以及液壓缸。

耐磨上部襯套與料斗相連接，里面的襯板是由限位塊塞焊固定的，因此當襯板有磨損時，在料斗內部更換襯板非常方便。擋料閥左右各有一個檢修門，可以方便的更換耐磨下部襯套以及閥板。

3 相關計算及有限元分析

擋料閥首先要滿足爐頂布料工藝使用要求，因此首先對設備的過料能力以及液壓缸的壓強進行計算驗證，再次擋料閥要滿足設備可靠性要求，因此對設備中關鍵零部件的強度進行了有限元分析。

3.1 過料量計算

V速=λsinα√3.2gRd

L=πD

F=πD2/4

Rd=2F/L

Q=v速F

t時間=V體積/Q

式中：α為出口料流的軸心線與水平面之間的夾角，垂直下料時α=90°；D為中心喉管直徑，mm；L為中心喉管直徑周邊長，mm；F為中心喉管截面積，m2；Rd為水力半徑，m；v速為原料通過中心喉管的速度，m/s；λ為原料流動系數，焦炭0.4～0.5，燒結礦0.5～0.6；Q為原料通過中心喉管的流量，m3/s；V體積為料斗的有效容積，m3；t時間為一次布料時間，s；g為自由落體加速度，g=9.8 m/s。

料斗容積按20 m3計算，擋料閥開口為長方形，長950 mm，寬750 mm，等效為直徑φ800 mm的圓形開口，出口料流的軸心線與水平面之間的夾角α為67.5°，由于焦炭下料時間長，因此此處只算焦炭下料時間，按照上面的計算公式，得出結果如下：

v速=1.31m/s；t時間=30.4 s

對于并罐式爐頂結構，最好的效果為當一個料罐里面的物料按照布料制度布完料時，另一個料罐里面的料已經裝好，探尺提起時，可以立即布料。

粗略計算一下兩個過程分別所需的時間， 一個料罐放料過程時間約237 s。另一個料罐裝料過程時間約120 s，由于120 s遠低于237 s，因此擋料閥的過料能力完全能夠滿足煉鐵工藝的生產要求。

3.2 液壓缸壓強計算

當料斗裝滿料時，料斗內和擋料閥內的爐料對擋料閥閥板產生一個壓力，閥板要打開，必須要克服爐料和閥板之間的摩擦力，計算液壓缸需要的壓強。

T液壓缸=T爐料

T液壓缸=PSR cosα

T爐料=FkL

式中：T液壓缸為閥板打開時液壓缸的扭矩，Nm；

T爐料為爐料和閥板之間摩擦力產生的扭矩，Nm；P為閥板打開時液壓缸需要的壓強，MPa；S為液壓缸無桿腔面積，m2；R為液壓缸對應曲柄的半徑，m；F為爐料對閥板產生的壓力，N；L為爐料的旋轉半徑，m；k為爐料的摩擦系數；α為液壓缸初始壓力角。

液壓缸缸徑為125 mm，無桿腔對應打開，曲柄半徑R為35 mm，初始壓力角α為0.56°，爐料長95 mm，寬79 mm，高4 325 mm，爐料密度2 200 kg/m3，摩擦系數k為0.69，爐料旋轉半徑L為1 000 mm，代入相關參數，最終液壓缸需要的壓強P為11.25 MPa，液壓站系統(tǒng)壓力16 MPa，液壓缸選用的額定壓力是25 MPa，可以滿足使用要求。

3.3 花鍵軸有限元分析

對花鍵軸的強度分析如下，夾具固定在軸承配合處，材質為40Cr，受到扭矩T=48 287.5 N·m，受到物料壓力F=69 982 N，結果如圖4所示，可以滿足使用要求。

3.4 曲柄有限元分析

對曲柄的強度分析如下，夾具固定在花鍵配合處，材質為ZG270-500，受到液壓缸力為164 356 N，結果如圖5所示，可以滿足使用要求。

4 關鍵技術點

爐頂設備的穩(wěn)定運行是保證高爐生產效率的關鍵所在， 擋料閥作為爐頂設備之一，它的故障率直接影響整個高爐的正常生產。據了解，擋料閥可能出現的主要故障有：1）擋料閥內部迎料部位磨損嚴重，甚至擊穿；2）擋料閥閘板在開關動作時會出現卡料現象。針對以上兩點，采取解決方案。

4.1 料打料式的錐段襯板

如圖6所示，耐磨上部襯套由一個焊接殼體和耐磨襯板組成，錐段襯板上有橫豎筋組成的積窩格，落料后，積窩格內會填滿物料，再次下落的物料會砸到這些物料上，從而形成料打料模式，這種結構可以使耐磨襯板更加耐沖擊，延長使用壽命。

4.2 驅動軸偏心結構

如圖7所示，左側為閥板全部打開狀態(tài)，右側為閥板全部關閉狀態(tài)，左側閥板距襯套圓弧距離為100 mm，右側閥板距襯套圓弧距離為10 mm。閥板在由關閉到全部打開的過程中，襯板距襯套圓弧距離逐漸變大，因為襯套圓弧中心和閥板旋轉中心不重合，閥板旋轉中心靠外，因此距離越來越大。

這樣做的目的可以防止物料卡在閥板和襯套之間，使閥板能夠完全打開，物料順利下落。

5 潤滑

機械設備的穩(wěn)定運行離不開潤滑，有效的潤滑可以減少設備故障，延長設備使用壽命。推薦使用智能潤滑系統(tǒng)，智能潤滑系統(tǒng)由PLC控制，電磁給油器執(zhí)行，流量傳感器檢測，通過主管路和分管路給設備上的各個潤滑點供油。其特點為遠程操控，每一點的潤滑量、周期可自行設定，可以滿足設備不同位置的潤滑要求；實時監(jiān)控，可以及時發(fā)現故障點；精準檢測，可以準確判斷出故障點，方便維護檢修人員快速找出故障點并及時處理。

6 結 語

通過上述的介紹可知，此擋料閥可以滿足布料工藝的使用要求，有很好的耐磨抗砸性，并且不會出現卡料現象，結構形式簡單可靠，易于檢修維護。據了解，目前該設備在線使用約2年，設備狀況良好。

參考文獻

[1] 濮良貴.機械設計[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 項鐘庸，王筱留.高爐設計[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

[3] 陸培文，高鳳琴.閥門設計計算手冊[M].2版.北京：中國標準出版社，2009.