现代大型高炉热风阀高温长寿节能技术

一、前言

　　随着世界能源越来越紧缺，高炉炼铁设备的节能问题受到整个世界的高度重视。作为热风管线切断设备的热风阀的节能问题提上议事日程。

　　秦冶公司从2001年开始研制高温、长寿、节能型热风阀，至今，阀门特点鲜明，节能效果显著。

二、热风阀特点

　　1)高温：使用温度1450℃。

　　2)长寿：使用寿命15～20年。

　　3)节能：热风温度降由传统结构的4℃降低到1.8℃。所用电能为传统结构的1/4以下。

　　4)节水：用水量为传统结构的1/3。

　　基于几十年来对热风阀的研制经验，通过大型计算机软件对阀门的温度场、热应力场和流场进行模拟工况分析，结合现代高炉技术发展，进行各项研究。并将研究结果应用到阀门的设计制造中去，产品即获得了优异的技术性能。

三、阀门研究分析

　　1.阀门破坏原因

　　阀门在开启初期，热风流通面积狭小，热风流速增高，阀板热负荷加大。阀板在全开状态下，阀板下部长期受热风涡流扫掠被吹扫出细微沟痕，逐渐产生微观裂纹，裂纹迁延直至漏水。如图1、图2所示。由于阀板漏水，阀体内耐火涂料受潮大片脱落，阀体接着也发生破坏。

图1 阀板下部吹扫出的裂纹

图2 阀体裂纹

　　2.材料的破坏机理

　　秦冶公司为研究不同材料和防护方式的耐热疲劳性，研制了材料热疲劳试验机，对材料破坏过程进行了大量测试和研究。分析结果表明：

　　1)材料在送风期和燃烧期转换时引起的低周波热应力循环导致疲劳。

　　2)钢材在高温空气中氧化失效。材料本身的抗氧化性、热强性同样起着重要的影响。

　　3.阀门温度场、应力场

　　采用三维软件模拟仿真设计，施加等同工况的边界条件，对其温度场、应力场作有限元法应力分析，如图3、图4所示。

图3 阀板总体温度分布

图4 阀板钢板温度分布

　　分析结果：阀板钢板的最高温度出现在外水环的两侧，最大应力同样出现在阀板外水环两侧，如图5所示。

图5 阀板外水环表面沿轴向热应力分布

　　4.锚固钉受热

　　采用三维软件给阀板(有绝热材料层)施加1450℃温度载荷，对锚固钉的受热作了加载分析，如图6所示。经分析，锚固钉的最高温度达857℃，如图7所示。

图6 阀板整体温度场(部分)

图7 锚固钉的温度场

　　5.阀门热风通道结构

　　采用流场分析(如图8、图9所示)，使热风通道更合理，气流对阀体内侧冲刷最小。管道变径的存在有利于减小阀板下沿的气体涡流强度，进而也就减小了热风对阀板和内侧板的冲刷侵蚀，延长阀门的使用寿命。

图8 热风通道有变径时速度分布

图9 热风通道无变径时速度分布

　　6.耐火衬里设计

　　分析阀门内侧板失效机理：在阀体风道上方的大侧板被热风产生的涡流长时间吹扫，产生径向裂纹。阀门内腔(除密封面外)捣固高阻热性的耐火材料，既保护阀门内腔钢材，又阻止热量向钢板的传递，减少了热能损失。

　　7.热风阀节能、节水量比较

　　热风阀的冷却水是在水道中循环的水，它是循环利用的，并不是流失掉的。减少热风阀的冷却水量，只是节省了水泵的电能和冷却水升温带走的热能，如图10所示。

图10 水量比较

　　将阀门冷却水量降低到原来的1/2，水速减少到原来的1/2，根据能量公式E=0.5mv2，热风阀阀门供水系统每小时消耗的电能将减少到原来的1/8。

　　适当的耐火涂层的设置使热风温度降由传统结构的4℃降到1.8℃。

四、结构设计

　　1)大刚度、小水腔设计。保证冷却强度，减少冷却水带走的热量。

　　2)阀门内腔(除密封面外)捣固高强、轻质耐火衬里，配合绝热材料，降低热负荷，达到节能效果。

　　3)热风通道合理设计成变径结构。减少热风对阀板下沿的冲刷。

　　4)关键部位耐热钢整体压延成形，接触热风部位无焊缝裸露。提高阀门耐热疲劳性能和抗高温氧化性能。

五、材料保障

　　1.钢材

　　钢材的选择从以下三方面考虑：钢材的耐热疲劳性;钢材的抗氧化性;钢材的焊接性：碳当量≤0.35。

　　关键部位采用低合金耐热钢锻件。

　　2.焊接材料

　　选择与母材相匹配的焊材焊接，等强度设计。

　　3.锚固钉材料

　　锚固钉选择耐高温合金材料。

　　4.耐火衬里

　　耐火衬里采用高性能耐材组合使用：低水泥莫来石浇筑料+轻质莫来石浇筑料+绝热材料。

　　耐材的耐火度：1750℃。

　　耐材的寿命：>15年(使用温度1450℃)。

　　绝热材料的使用温度：1200℃。

六、与国外先进产品比较

　　1.结构、应力比较

　　(1)国外阀板国外阀板为钻孔结构，冷却水道分布为方形，且阀板水圈分布在板芯两侧，有两道焊缝暴露在热风中，如图11所示。此结构阀板应力集中严重，对阀板冷却不均匀。

图11 国外阀板结构

　　阀板外水环表面中心的热应力最大，为458MPa，接近材料的强度极限，如图12所示。且这一应力周期性变化，在时间的效应下，将会使阀板边缘产生裂纹，影响密封效果。

图12 国外阀板热应力场

　　(2)秦冶阀板

　　秦冶阀板为螺旋式水道结构，阀板外水圈为整体锻造结构，无焊缝暴露在热风中，如图13所示。此结构阀板应力集中小，冷却均匀。阀板外水圈两侧热应力最大，为115MPa，如图14所示。远小于材料的强度极限。

图13 秦冶阀板结构

图14 秦冶阀板热应力场

　　国外阀板外水环表面最高应力为458MPa，秦冶阀板为115MPa，应力情况明显优于国外阀板(见图15)。

图15 阀板应力比较图

　　2.材料比较

　　通过下表中比较可以看出，秦冶阀门选材大部分与国外产品相同，部分优于国外产品。秦冶公司高温长寿节能热风阀无论从结构上还是选材上都明显优于国外产品。

秦冶与国外阀门选材对比表

七、结语

　　秦冶高温长寿节能热风阀产品，主要是通过多种现代技术和手段的运用，对热风阀的冷却、传热机理有了深刻的了解和认识，形成了较完整的理论体系。同时，采用了大量新型专用材料和新技术、新工艺，从而使其产品不但能够承受较高的风温，具有较长的寿命，且具有显著的节能效果。