有限元分析在高炉热风阀设计中的应用

        1 前言
        热风阀是高炉热风炉系统中重要的设备之一，该阀主体主要由阀体、阀板、阀盖三部分组成（见图1）。热风阀工作介质压力为0.4～0.6MPa、温度为1000℃～1350℃、流速达到28m/s的高温热空气；热风阀是整个热风炉系统中工作条件最严酷的设备之一。

图1 流程示意图

        在传统热风阀设计中主要依靠经验公式和对生产出的实物进行试验，那么会存在许多问题，如阀门的性能参数必须靠试验才能确定，阀门设计是否合格（或优劣）只有实物出来后通过试验才能确定，因此成本很高。随着计算机技术的发展，利用数值模拟技术进行复杂结构多物理场流态及热分析已成为可能。本文以国内公司设计制作的DN1800微水节能热风阀为例，采用SolidWorks及ANSYS分析软件，对阀体冷却系统进行流态及热分析，通过以上分析深入了解热风阀冷却水流态及材料受热应力影响情况，并成功开发出节水约50%的微水节能型热风阀。
        2 热风阀阀体流态分析
        2.1 阀体流态分析
        阀体是热风阀最重要的部件之一，结构见图2。阀体的冷却是通过冷却水的注入对其实现强制冷却，冷却水的流动形式直接影响冷却效果。对于流道截面形状复杂的流道，利用SolidWorks的流体分析软件Floworks可以方便的分析流道内的流体流动情况以及各点的流速、压力情况。根据分析结果可以确定流道内流体的雷诺数Re，而雷诺数反应了流体流动状态，稳定的紊流状态是管内对流换热的最佳状态，保持流体在稳定的紊流状态是热风阀水冷却的关键之一。当雷诺数大于104时，流体为旺盛紊流状态，热交换效果好，冷却水利用率高。通过对阀体结构研究可知，阀体密封面水腔表面直接处于热风中，因此对该部分冷却水的流动形式研究特别重要。

       
        式中：um———流道截面处冷却水平均流速；
        de———流道截面当量直径，
        其中：A———水道截面面积；
        L———流体润湿的流道周长；
        ν———水的运动粘度。
        流动形式判定准则：
        1）Re＜2300层流；
        2）2300＜Re＜104过渡状态；
        3）Re＞104旺盛紊流
        2.2 DN1800热风阀阀体流态分析
        下面对DN1800热风阀阀体进行流态分析。
        定义阀体流态分析初始条件：
        1）阀体水腔（图2、图3）内部截面面积A=5.1×10-3m2、周长L=4.05×10-1m；
        2）设定DN1800热风阀阀门用水量为75t/h，其中阀体为44t/h、阀板为31t/h；
        3）冷却水压力0.8MPa、平均水温40℃。

        通过上述初始条件建立有限元模型，并对阀体在不同水量下进行流态分析比较。图4、5为上述初始条件下的流态及速度分布图，将分析出的数据带入式（1）得出如下数据。

        由表1可知阀体在在设计水量为44t/h时雷诺数为Re=1.01×105＞104水腔内冷却水处于紊流状态，换热效果良好，水腔结构设计合理满足设计要求。
        3 阀体热分析
        3.1 阀体热分析
        采用水强制冷却热风阀是控制热风阀温度的主要冷却方式。单位时间冷却水量、耐火材料的热阻等参数直接影响热风阀冷却的效果。充分地考虑这些因素的变化，合理地搭配这些参数是成功实现热风阀冷却的关键和决定节能降耗的数值。利用ANSYS热分析功能对热风阀的温度场和热流通场的模拟，可以充分考虑这些参数对热风阀工作的影响，是设计新型节能长寿热风阀的前提。
        阀体钢结构温度分布可以反应钢结构受热状态，为阀体结构设计提供理论依据。在阀门全开的状态下，阀体密封面外水圈直接暴露在热风环境中的，工况最恶劣；在阀门关闭状态下，阀体小水腔部分与阀板外水圈之间的间隙也会有500℃左右的温度，热风阀工作状态图如图6所示。因此，阀体小水腔部分和阀板外水圈的冷却状况直接影响阀门的性能与寿命。

        3.2 DN1800热风阀阀体热分析
        下面对DN1800热风阀阀体进行受热分析。
        1）定义阀体工作条件及材料参数：
        （1）设定该热风阀阀体热风温度为1400℃，管道法兰与阀体法兰间温度为1400℃，冷却水进水温度为40℃、压力为0.8MPa；
        （2）水腔材料为耐热钢，密度ρ=7850kg/m3、比热容Cp=465J/（kg•K）、黑度EMIS=0.95、导热系数0℃时为50W/（m•K）、800℃时为28W/（m•K）、1400℃时为15W/（m•K）；
        （3）耐火浇铸料材料密度ρ=2380kg/m3、比热容Cp=840J/（kg•K）、导热系数λ=0.75+0.00058tW/（m•k）。
        2）建立有限元模型进行受热分析：
        （1）对于阀体温度分布中最关键的是直接暴露于热风中的小水腔部分，而该部分是规整的环形空腔，为了简化有限元模型，用阀体轴向截面的热分布状况来反应阀体的温度分布状况，实践证明这种近似是在工程实践误差范围之内的。

        （2）为便于分析比较结果按上述参数条件在不同水量条件下对阀体腔体进行了有限元分析。图7、8、9、10为阀体有限元模型钢结构温度分布状况，由图10可以求得小腔内壁的平均温度，以及小腔内壁高于冷却水沸点的长度占整个小腔内壁长度的比例。（在设计密封面腔体结构时应保证腔内壁温度低于冷却水沸点，如内壁存有高于沸点的区域，水流经过该区域时将被汽化，腔内温度压力将急剧升高，材料使用寿命将大大降低），因此在设计时应保证腔体内高于冷却水沸点的区域尽量小。对分析出的数据整理可得表2中温度数据。

        （3）冷却水的进口压力为0.8MPa，由于在腔内部流通时产生压损，经理论计算及经验得知腔体内压力约为0.4MPa，在该压力情况查资料得冷却水的汽化温度约为135℃，取安全系数K=1.25，腔体内最高温度应不高于108℃。由表2可知当水量为44t/h时水腔内最高温度为100.0℃，内部温度为51.1℃，不存在汽化点，这说明该水量下满足设计要求。
        4 结论
        1）采用三维有限元分析软件Floworks和AN-SYS，对热风阀阀体进行了冷却系统流态和热应力等有限元分析，验证了阀体结构设计和冷却水用量的合理性。
        2）该阀2011年3月上线，整体耗水量为75t/h，相对传统DN1800热风阀用水量150t/h耗水量减少了1/2。通过现场调查及用户反映了解该阀体整体运作良好，整体质量水平及耗水量已达到或接近国际最先进热风阀水平，这说明该种分析方法是比较可靠的。
        3）引进新的设计理念，将流体分析及热分析等先进方法引进了热风阀的设计，热风阀的节水节能一直是制造厂及用户共同追求的目标，通过本设计方法的应用，降低成本，同时为新型热风阀的设计提供一定的理论基础。
        参考文献
        ［1］任泽霈，蔡睿贤主编.《热工手册》.北京：机械工业出版社，2002
        ［2］孙蓟泉，刘庆国主编.《传热学》.哈尔滨：东北林业大学出版社，1997
        ［3］王庆五，左昉，胡仁喜等编著.《ANSYS10.0机械设计》.北京：机械工业出版社，2006