一种新型料流调节阀的设计及应用

    无料钟炉顶装料系统广泛采用于现代高炉炼铁，是大中型高炉炉顶装料设备的主流。料流调节阀是无料钟炉顶装料系统中的关键设备之一，又称流量调节阀。其主要作用：一是，避免原料与下密封阀直接接触；二是，调节料流的大小，即通过料流调节阀开度的变化对料罐内原料流量按高炉炉况进行控制，使高炉在理想状态下正常运行。目前，无料钟炉顶中运用比较广泛的是球形料流调节阀，料闸形状为球形，2个闸板由2根同心的内外轴分别带动，其同心轴结构稍显复杂"中冶赛迪开发了一种具有自主知识产权的紧凑式并罐无料钟炉顶装料技术，已成功应用于实际工程中，平行轴式料流调节阀则是该装料系统集成技术的关键设备之一。

    1 结构设计

    该新型平行轴式料流调节阀主要由箱体、中心导料管、阀板、阀板摆臂、传动轴、连杆、驱动摇臂及驱动油缸组成，如图1所示。

图1 平行轴式料流调节阀结构示意

1-箱体；2-中心导料管；3-驱动油缸；4-驱动摇臂；5-连杆I；6-连杆II；7-传动轴；8-阀板摆臂；9-阀板

    该机构传动路线分别为：驱动油缸一驭动摇臂-传动轴一阀板摆臂一阀板；驱动油缸一驭动摇臂一连杆II一连杆I一传动轴一阀板摆臂一阀板。液压缸通过伸缩动作，经上述传动机构即可实现阀板的开度控制，其开阀角度范围为0°到68°。

    上述结构简单紧凑，检修方便易行，各构件受力较好，保证了结构设计的合理性。同时，开度的设计范围使得料闸上的残料完全放空，避免料闸关闭时出现卡阻，具有良好的生产环境适应能力。

    2 料流流量可控性及其控制系统研究

    料流调节阀其主要作用之一是调节原料的下料流量，因此下料流量的可控性能是料流调节阀的关键性能之一。根据流量公式计算得到各个开度大小的对应的料流量，绘制得到烧结矿和焦炭的下料流量曲线，如图2所示。

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图2 平行轴式料流阀下料流量曲线

图3 传统球形料流阀下料流量曲线

    由图2可知，料流调节阀的下料流量随着开阀角度的增大而呈现平滑的上升趋势，下料流量与开阀角度的关系曲线呈现出较好的线性关系。通过调节料流调节阀的开阀角度，能有效的控制原料的流量，满足生产要求。图3为传统球形阀板料流阀在各计算参数相同情况下的下料流量曲线，与图2进行对比，可以看出平行轴式料流阀流量曲线更加平缓，更接近于线性增加，更有利于实现精确控制。

    料流调节阀的开阀角度最终由油缸驱动实现，为考察阀板开度大小的控制性能，绘制了油缸行程与阀板开度关系曲线如图4所示。从图4看出，油缸行程与阀板开度的关系趋于线性关系，因此可以通过调节油缸的行程很好地控制阀板的开度位置。针对上述特性，赛迪专阀研究开发了基于比例阀驱动的料流阀闭环液压控制系统。该系统动态响应特性好、稳定性高，控制精度达到±0.1°。

    由以上分析可得，该新型料流调节阀的下料流量控制性能是良好的，能充分满足无料钟炉顶装料系统的生产工艺要求。

图4 平行轴式油缸行程与阀板开度的关系

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    3 结构强度有限元分析

    作为炼铁炉顶设备之一的料流调节阀，其工况环境比较恶劣，这就要求具有良好的设备稳定性与可靠性。因此，料流调节阀的各关键零部件必须达到一定的强度要求。设计时，要求各零部件的最大应力不得超过本身材质屈服强度的的1/3。

    采用有限元分析软件Abaqus计算了料流调节阀开度从0°到68°的应力应变变化情况。料流调节阀在开阀过程中受到的主要载荷包括：各零部件的重力、阀板上的垂直作用力、物料与阀板的摩擦阻力，以及箱休内表面受到0.375MPa的炉内压力。当开阀角度达到45°后，中心导料管已达到全开状态，阀板不再受垂直作用力及摩擦阻力的作用，只受到重力的作用。

    经分析计算可知，箱体、驱动摇臂以及阀板摆臂三个主要构件的受力情况较弱，箱体Mises应力随着开度的增大先减小后增大。在开度为68°时达到最大值41.71MPa，但应力值变化不大。其原因是箱体产生应力主要来源于自身所受的炉内压力，箱体的最大变形也只有0.2673mm。驱动摇臂的Mises应力开度为0°时应力值最大，为52.46MPa，阀板摆臂Mises应力变化趋势和驱动摇臂基本一致，在开度为0°的初始位置应力值最大为54.5MPa。

    以上分析结果表明箱体、驱动摇臂及阀板摆臂的应力值均小于本身材质的屈服强度的30%，能很好的满足设计要求。

    4 工程应用

    作为无料钟炉顶装料系统的关键设备之一，该新型平行轴式料流调节阀经过了设备样机制造、制造车间样机调试、试验测试及实际生产应用等阶段。目前，该料流调节阀已经成功应用于宝钢4966m3高炉和水钢2380m3高炉上，实际应用情况良好，设备动作运行平稳可靠，开阀角度控制精度达到±0.1°，可实现料流量的精确控制。经实际工程运用，验证了设备的设计过程，表明了该设备达到了设计目的，完全能满足生产工艺要求。图5为料流调节阀产品。

图5 平行轴式料流调节阀产品（照片）

    5 结语

    设计、分析计算及工程应用的结果均表明：设计的新型平行轴式料流调节阀控制性能良好、机构简易可靠、结构强度好，完全能满足高炉无料钟炉顶装料系统的工艺要求，是一种值得广泛推广使用的高炉无料钟新型料流调节阀。