料流调节阀与下密封阀合体结构的设计

冯文强 许俊斌

(秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛066318)

料流调节阀与下密封阀合体结构的设计

冯文强①许俊斌

(秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛066318)

下密封阀是炼铁高炉炉顶设备中保证密封炉内煤气的关键设备。料流调节阀是炉顶设备中调节排料速度或排料时间的唯一手段，起着控制、保持料罐内炉料向炉内的布料趋于均匀、合理的作用。下密封阀和料流调节阀共用一个箱体，设计成合体结构，可以降低串罐无料钟炉顶设备总高度，减少炼铁高炉的投资成本。应该把握几个设计关键点，仅供参考。

料流调节阀 下密封阀 通径 密封可靠性 设计关键点

1 工艺流程概述

秦冶研发并推出了具有自主知识产权的WZ系列炉顶设备，其结构简单，原理先进，具有更好的布料工艺性能，能更好的适应高炉炼铁工艺对于炉顶设备的要求。

料流调节阀是安装在料罐炉料排料口处，调节排料速度或排料时间，起着控制炉料流量的阀门。下密封阀是安装在料流调节阀下面，在上密封阀开启，料罐接受炉料时，对炉顶进行密封，防止炉内压力煤气外泄的阀门。在秦冶串罐无料钟炉顶设备标准配置中料流调节阀和下密封阀各有独立的箱体，两个部件间为法兰连接，方便设备检修维护，但高炉的钢结构等投资成本随之增加。本设计采用合体结构，能降低两个部件的总高度，最少能节约高炉成本几十万元。同时更能适应料钟式炉顶(投资成本较高、煤气泄漏严重，且炉顶总高较低)改造成无料钟式炉顶，为客户提供更好的选择，从而创造更多的经济效益和社会效益。

2 结构原理

料流调节阀采用液压缸驱动，通过曲柄、半轴、同步四连杆机构等驱动两块球形闸板正反旋转，实现阀门的开启和关闭。下密封阀采用液压缸驱动，通过曲柄、轴等驱动阀板旋转，实现阀门的开启和关闭。

图1 秦冶串罐式无料钟炉顶

图2 料流调节阀和下密封阀合体结构部分剖视图

1-料流调节阀传动轴; 2,9-料流调节阀连杆; 3-料流调节阀主动曲柄; 4,8-料流调节阀曲柄; 5-料流调节阀液压缸; 6,10-料流调节阀半轴; 7-下密封阀传动轴; 11-下密封阀液压缸; 12-料流调节阀阀板; 13-下密封阀阀板; 14-料流调节阀和下密封阀的箱体

料流调节阀的动作原理：液压缸在液压系统作用下，活塞杆伸出并推动主动曲柄逆时针方向旋转45°。传动轴通过键分别与主动曲柄、被动曲柄固定，曲柄通过不同连杆分别与正反半轴的曲柄连接，所以主动曲柄通过传动轴带动正反半轴各旋转45°分开，从而完成阀板由关闭到打开的动作。相反液压缸活塞杆回缩，主动曲柄通过传动轴带动正反半轴各旋转45°合拢，从而完成阀板由打开到关闭的动作。通过控制液压缸进出油量使料流调节阀能够按照高炉工艺要求随时停止在指定角度(角度精度在±0.2°以内)，从而达到控制炉料装入流量的作用。

下密封阀的动作原理：液压缸在液压系统作用下，活塞杆伸出并推动曲柄顺时针方向旋转100°。传动轴通过键分别与曲柄、杠杆固定，阀板与杠杆装配成一体，所以曲柄带动传动轴、杠杆、阀板沿顺时针方向旋转100°，从而完成阀板由打开到关闭的动作。相反，当液压缸活塞杆回缩时，带动曲柄、传动轴、杠杆、阀板一起逆时针方向旋转100°，完成阀板由关闭到打开的动作。经校核阀板打开100°时，炉料能够顺利从称量料罐进入到高炉内，且落料时的飞溅不会对阀板造成损伤。

3 几个设计关键点

以1000m3级高炉炉顶为例，要保证料流调节阀、下密封阀的可靠性，须考虑以下几个设计关键点：通径的选择、合体阀本体的强度、下密封阀密封面的形式及材质、液压缸的选择、传动轴轴径的计算、轴上联接键的校核。

3.1 通径的选择

布料器中心喉管的通径计算：

原料从矿物料闸阀出来时的速度

ν=λ×sinα×3.2×g×Rɑ

(1)

设计值：

Ω=720m3/h=720÷24÷60=0.5m3/s

取λ=0.8，代入式中得

经计算，中心喉管通径选取D=500mm为宜。

根据标准选取料流调节阀的通径为DN550mm，下密封阀的通径为DN700mm，可满足炉顶设备布料要求。

3.2 合体阀本体的强度

料流调节阀、下密封阀的强度应能承受给定的最高工作压力0.2MPa的1.25倍，且不得有结构变形。

首先对箱体进行三维建模，运用Solidworks Simulation—有限元静力分析工具对箱体进行静力学分析，对箱体上下法兰面进行约束，在箱体内表面上增加压力0.25MPa，再进行网格化处理如图3、图4，然后进行静力学分析——应力分析和位移分析。

图3 料流调节阀和下密封阀合体结构应力分析图

图4 料流调节阀和下密封阀合体结构位移分析图

可得此箱体在0.25MPa压力下的最大应力为110.5MPa，最大位移为0.7mm。箱体材料选用Q235B，该材料的许用屈服强度为220MPa以上，最大应力仅为许用强度的一半，满足箱体耐压强度要求。

3.3 下密封阀密封面的材质

密封面材质常见的有软密封、硬密封以及软硬密封等。软密封即密封副由非金属软质材料对非金属软质材料构成,硬密封即密封副由金属硬质材料对金属硬质材料构成,软硬密封即密封副由金属硬质材料对非金属软质材料构成。[2]

此下密封阀采用软硬密封，阀座为表面堆焊硬质合金的密封环，硅橡胶密封圈固定在阀板上。在阀门关闭时实现软硬结合密封，密封可靠，密封圈、阀座可定期更换，维护方便。硅橡胶密封圈种类较多，此处采用的硅橡胶主要性能参数如下：[3]

表1 硅橡胶材质性能参数表

3.4 液压缸的选择

料流调节阀和下密封阀的启闭都是以液压缸为驱动力。液压缸是下密封阀的动力源,它的选择至关重要，不但关系到下密封阀开、关及密封可靠的基本功能实现，而且直接影响传动轴轴径的选择。

以此下密封阀为例，它的密封属于转矩密封和自压密封复合的密封形式。阀板关闭瞬时状态的密封比压是由液压缸加在传动轴上的转矩产生的，此为液压缸转矩密封形式；阀板关闭状态的密封比压是由高炉内介质(煤气)作用在阀板上的压力自动产生的，此为自压密封形式。由于自压密封形式的存在，使此设计方案所需动力可以尽可能地减小，节省动力源。

由于阀板关闭状态为自动密封形式，即炉内压力的气压直接作用到阀板上，所以液压缸参数应该根据阀板关闭瞬时、阀板打开瞬时两种状态分别计算,取满足两种情况的结果为最终结果。

图5 阀板关闭及阀板打开瞬时状态图

1-下密封阀传动轴; 2-下密封阀密封圈; 3-下密封阀阀板; 4-下密封阀曲柄杠杆; 5-下密封阀液压缸; 6-下密封阀主动曲柄

3.4.1 料罐均压完的阀板关闭的状态

此时下密封阀处于液压缸转矩密封形式。当炉顶料罐均压完，料罐内与高炉内有很小的压差(约0.02MPa),须靠液压缸的动力进行密封，计算液压缸动力时可以视此时气压为0,以增大液压缸的安全系数。

阀板关闭瞬时状态计算：

图6 阀板关闭瞬时状态下阀板受力分析图

图7 阀板关闭瞬时状态下液压缸传导的分析图

图8 阀板关闭瞬时状态下液压缸作用密封面的分析图

1)阀板所受合力

∑F=F2-G

式中G—方案中阀板的重力，N。

2)F2为液压缸作用在阀板上的推力

3)阀板关闭状态下所受合力∑F

∑F=F2-G=F×S1×sinα÷S2-G

4)阀板密封面密封所需的最小力f

f=qMF×10×ɑ，N；

式中qMF—密封比压；a—密封面面积，cm2。

5)当密封面为软硬密封，且密封面材质中有中等硬度橡胶时，阀门需要的密封比压为：

式中PN—公称压力(此处为炉内气压的压力，PN≤0.2)，MPa；

bm—密封面宽度，mm。

但不能大于材料的许用密封比压。

6)阀板密封所需液压缸的最小推力F

假定∑F=f，则F×S1×sinα÷S2-G=qMF×10×a,由此可以计算出F。

取阀座与阀板的接触密封宽度进行计算，即可算出阀板密封所需液压缸最小推力F。

7)选择液压缸型号

设液压缸工作油压为p，液压缸无杆腔截面积为A1，则A1=F/P。

按照所需液压缸厂家样本，依据液压缸无杆腔截面积A1数值，使所选择液压缸的无杆腔截面积A1′>A1， 这样就能选出下密封阀须最小的液压缸规格。

3.4.2 料罐放散完的阀板关闭的状态

此时炉顶放散阀放散完毕，料罐内有很小的气压，约0.01MPa, 计算液压缸动力时，按高炉内气压0.2MPa计算,以增大液压缸的安全系数。

图9 阀板关闭瞬时状态下阀板受力分析图

1)阀板所受合力

式中G—方案中阀板的重力,N。

图10 阀板关闭瞬时状态下液压缸传导的分析图

图11 阀板关闭瞬时状态下液压缸作用密封面的分析图

4)阀板打开状态下所受合力∑F′

5)阀板密封面密封所需的最小力f

f=qMF×10×ɑ

式中a—密封面面积，cm2。

6)当密封面为软硬密封，且密封面材质中有中等硬度橡胶时，阀门需要的密封比压为：

式中PN—公称压力(此处为炉内气压的压力，PN≤0.2),MPa；

bm—密封面宽度,mm。

但不能大于材料的许用密封比压。

7)阀板密封所需液压缸的最小推力F

假定∑F=f，则F×S1×sinα÷S2-G=qMF×10×a，由此可以进行计算。

取阀座与阀板的接触密封宽度进行计算，即可算出阀板密封所需液压缸最小推力F。

8)选择液压缸型号

这样就能选出下密封阀须最大的液压缸规格。

结论：结合以上计算，选出其中一种符合炉顶设备的下密封阀设计要求的液压缸型号。

3.5 传动轴轴径的计算

从下密封阀的动作原理中可以看出，传动轴是下密封阀动力传递的重要零件。如果传动轴强度不够，则下密封阀无法正常工作，更无从谈其密封可靠性。

在此设计方案中，传动轴主要传递转矩，所以必须按扭转强度及刚度核算轴径。

3.5.1 扭转强度计算公式

d=17.2×(T÷τP)1/3[5]

式中d—轴端直径，mm；T—轴所传递的转矩，N·m，可取T为阀板关闭瞬时,阀板所需液压缸最小推力F产生的转矩；

τP—许用扭转切应力，MPa，当传动轴材料为40Cr时，τP取较大值55MPa[5]。

3.5.2 扭转刚度计算公式

d=9.3×(T÷φP)1/4[4]

式中d—轴端直径，mm；T—与扭转强度计算公式中的T相当，N·m；φP—许用扭转角，(°)/m，对于一般传动，可取φP=0.5～1(°)/m，此处取φP=0.5(°)/m。[5]

则d=9.3×(T÷φP)1/4，计算后圆整，并使d大于圆整值。

综合以上按扭转强度及刚度估算轴径的结果，应取传动轴轴径较大者。

3.6 轴上联接键的校核

校核曲柄键的静连接强度：

此处只进行键静连接时的挤压强度：计算公式为：

式中 T—转矩； D—轴的直径，mm； l—键的工作长度，l=L-r,mm； k—键与轮毂的接触高度,平键k=0.4×h(h为键高)。

图12 轴上连接键的简化图

取阀板关闭状态和打开状态，液压缸推力或拉力对传动轴产生的最大转矩。

阀板关闭状态，取T为阀板关闭瞬时,阀板所需液压缸最小推力F产生的转矩；

阀板打开状态，取T为正常液压缸工作油压P作用下, 阀板所需液压缸最小拉力F′产生的转矩，比较并取二者中较大者为T。

轴、键、曲柄的材质进行比较，取最弱材料的许用挤压应力值σpp。

由公式计算出σp值，比较σp与σpp，应使σp≤σpp，否则曲柄键会被压溃。

在计算过程中可考虑加大轴径D，重新按单键校核或保持轴径D不变,采用双键连接校核，此时键的长度相当于单键长度的1.5倍，所以双键时

比较σp与σpp,应使σp≤σpp。

结论：确定设计方案中曲柄所用轴径D及用单键还是双键。

以上六个设计关键点均考虑周全，且校核结果合格，则设计方案定能保证设备的可靠性。

4 成果

采用新设计的合体结构设备安装总高度由原来的3m(料流调节阀高度为0.8m、下密封阀高度为2.2m)降低到2.2m，设备总重量由原来的10t(料流调节阀重量为3.5t、下密封阀重量为6.5t)降低到现在的8.2t，总耗材随之减少，降低了生产制作成本，增强了产品的市场竞争力。

5 结束语

在设计中，只要抓住与其可靠性紧密相关的几个关键点，并对其进行合理选择和校核，就能保证炉顶设备的正常使用，也就保证了高炉生产的正常运行。

此种料流调节阀和下密封阀合体结构的无料钟炉顶设备已成功的应用到了我们公司的一些国内和越南、印度尼西亚项目中，为客户节约了投资成本，同时也为公司创造了一定的经济效益。

[1]严允进.炼铁机械(第2版).北京：冶金工业出版社，1990：163-164.

[2]苗玉金.上密封阀的设计[J].通用机械, 2013(7)：65.

[3]中国冶金设备总公司.现代大型高炉设备及制造技术[M].北京：冶金工业出版社,1996:114.

[4]陆培文.《实用阀门设计手册》第2版.北京：机械工业出版社,2007：740-741.

[5]成大先.《机械设计手册》第五版第2卷[M].北京：化学工业出版社,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

冯文强，男，1981年出生，2004年毕业于河北工业大学机械设计制造及其自动化专业，工程师，主要从事高炉炉顶设备的设计与研究

TF321.3

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.06.004

2014-07-18)