轧钢加热炉用三通阀的设计
钢坯在以煤气为燃料的加热炉中加热时，三通阀是用以控制煤气、空气、送入炉内燃烧和排出炉内燃烧烟气的一种阀门，它共有三个导入和导出的接口，使用中每一个阀门的二个相通的接口是交替使用的，因为加热炉两侧面的烧嘴是交替使用的，于是三通阀就起了进排气交替使用的目的。
三通阀可以是每个烧嘴配用一台阀门，也可以将炉子每侧面的一些烧嘴统一起来集中用一个阀门来完成交替任务，二种三通阀的结构不尽相同，本文针对的是用一个阀门来集中控制的三通阀，所以阀门的气体流量大，阀门的体积较大，于是进出管径也较大，下面是考虑设计时采用的原则和设计方法。
1、阀门的使用环境
阀门是用于气体燃烧后烟气经蓄热体后的场合，气体通过时温度比较高，根据现场情况，气体压力，煤气为7000~9000Pa，空气为10000~12000Pa，烟气温度不高于300℃，在这样的环境下，阀门的材料需耐受温度300℃以上及气压12000Pa以上，煤气和烟气中有腐蚀性成分，故又需耐腐蚀，同时烟气或煤气中细小颗粒的粉尘对运动部分的材料有粘附和摩擦作用，凡此种种在设计中需要加以考虑。气体性能见表1。
表1 使用气体性能
2、阀门的主要尺寸设计和型式的采用
阀门设计可以是立式或卧式，对于大型的阀门，为了考虑动力气缸杆的受力状况以采用立式型为宜，大致型式见图1。
图1 双气缸三通阀系列主要结构简图
阀门设计的主要出发点以进口口径为依据。
要设计一个阀门，最重要的是气体在阀门内通过时的压力损失要尽可能小，阀门的体积也要尽量小，即可用的材料要最省，同时要能抗腐、耐磨、耐温，用的动力要尽量的小，能达到这样的阀门，则设计是较为合理的。
气流自进气口直至出气口，如果能很平稳地流过，则它的压力损失将可达到最低，那么在阀门内的各通过口直径应该都一样大小，但如果是这样，则阀门的体积比较大。为了要节约材料，应尽量减小体积，从阀门的结构型式看，唯一可以做的是将内部密封口处缩小，由此减小阀门其他部位的尺寸，但缩小后的密封口将使气体通过时形成湍流，增加了阻力系数，要使密封口处的阻力系数不是增加很大，而同时又能缩小阀体的尺寸，这是设计中的要点。
以进出口为基础，则密封口的面积和进出口面积的比值对阻力系数的关系是重要的，根据气体流动时的流动特点，在管道内各种不同条件下的流动结果，见图2~图6。
图2 气体在管道中流经孔板时的阻力系数
图3 气体在管道中流经管径突然扩大时的阻力系数
图4 气体在管道中流经管径突然缩小时的阻力系数
图5 气体在管道中流经逐渐扩大时的阻力系数
由图2可见，密封口与进口面积之比对阻力系数的相对关系是一曲线关系，当密封口面积对进出口面积比的比值大时，即二口径的大小很接近时，阻力系数很小，但当面积比小时，阻力系数就成倍地增长，但要减小阀门体积，这个比值很有关系，从图2中可以看出面积比在0.7以上时阻力系数很小，不到1，当面积比在0.6以下时阻力系数很快上升，所以密封面处开口不能收缩得太小，据此，设计中采用了0.7以上，平均以0.75计，密封口的面积缩小为进气口面积的75%时，形成湍流的阻力系数很小，这样的阀门的体积可以得到一定的减小，而气体通过阀门时不会引起阻力的很大增加。
图6 气体在管道中流经逐渐缩小时的阻力系数
按照阀体结构布置的需要，其他各处形成的阻力系数的曲线图见图3~图6，按照阀门图形设计要求做出的尺寸，其体积扩大和缩小的结果，有关的比数均在较低的数值，从图3~图6可以看出，阻力最大也不超过1。由此看来，阀门中形成阻力最大的是密封口处面积的大小，是气流形成湍流时所造成的阻力，掌握了此处的尺寸就能得到较理想的阀门设计。
阻力损失的计算公式，参照气体在管道内流动时：
式中：Δpk—局部阻力损失，MPa
只要各处阻力系数K的数值控制在较低的数值时，总的阻力损失就将是较低的。从以上情况出发，设计了进出口尺寸为Φ400~900六种双气缸阀门的系列产品，其主要数据和型式见图1和表2。
表2 蓄热式燃气加热炉用双气缸三通换向阀系列设计主要尺寸表
3、阀门的抗腐和密封
煤气或烟气中含有某些腐蚀性物质，所以在通过密封处时，在较高温度下对阀体材料有腐蚀作用，普通的碳素钢在短时期内就会氧化腐蚀坏，所以在活动板和阀体与活动板相接触处均需要用耐腐蚀的不锈钢材料，采用ICr18Ni9Ti或ICr13材质的不锈钢，均可得到满意的结果。
密封处因气体温度在300℃以下，所以用氟橡胶为密封条的弹性密封，密封的效果比较理想，但希望气体中含杂质较少，杂质多了易粘附和堵塞密封处或将密封条磨损坏，形成泄漏。其他与气缸杆等摩擦处密封可用聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯，改性聚四氟乙烯的性能优于聚四氟乙烯。
如果气体温度>300℃，氟橡胶的密封条无法长期承受高温，会产生密封破坏，那么就应采用较韧性材料的硬密封措施。
4、动力气缸的设计方法
阀门的密封处使用动力气缸将活动板压紧在基座上达到密封，动力气缸的使用有两个目的，一个是当要求密封时需由动力气缸的压力将活动板压紧而密封住，不能被气体所冲开;第二个目的是当活动板被阀内气体压住而密封紧时，要用气缸的力量将其打开，这样左右二个密封处能够得到交替使用，轮换通道，三通阀就能灵活地交替使用。
要打开或封紧密封口，所需要的最小力P是阀内气体对活动板上的总压力加气缸杆和活塞活动板等的总重量。
式中：P—打开或封紧密封口所需的最小力
W—气缸杆和活塞、活动板等的总重量
如以CS900-AL-B-O阀门为例：
根据动力气缸制造厂提供的气缸理论输出力表的说明，在实际选用中，表中的理论输出力应乘以0.6~0.8系数后再选用。
如考虑现场情况，有时压缩空气压力的波动或输送路线较长时会引起过大的压力降，为保证生产条件下能正常运转，设计时考虑以1.5的系数加以保险。所以7566.7/0.6×1.5=18916.75N。
由此选用缸径Φ250的动力气缸。按此计算法，系列中各阀门的选用气缸见表2。
为了能使活动板在密封口处有足够的压紧性能，气缸选用的行程应比活动板的实际行程增加20~30mm。
5、结语
通过上述的设计思路，在设计时和一些轧钢厂的轧钢加热炉上应用得到比较满意的结果。
关于设计型式上是否可以进一步改进，或对于某些结构上是否可以再予改善，这有待于长期现场使用的考验结果和轧钢加热炉本身的进一步改进，根据整个炉型设计的改变再予调整。
参考文献：
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].3版.北京：机械工业出版社，2004.
