天鐵高爐爐頂休風放散閥的改進

　　針對天鐵高爐新型液動爐頂放散閥在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的開關不到位、密封面不嚴等問題進行研究，發(fā)現(xiàn)閥體自身運轉(zhuǎn)機理及閥座閥蓋密封面受熱膨脹等因素導致了休風放散閥不能正常使用。經(jīng)分析后對高爐爐頂休風放散閥系統(tǒng)進行了改進。改進后效果良好，提高了爐頂休風放散閥的使用效率。

1、引言

　　隨著冶煉強度的提高，天鐵高爐相繼采用了新型DN600NFS746-2.5型液動爐頂放散閥(簡稱Φ600mm放散閥)，取代了原來采用配重結構的Φ600mm放散閥。該閥的主要優(yōu)點有：可以承受0.25MPa的額定壓力，體積輕便靈活且操作方便，實現(xiàn)對Φ600mm放散閥的控制。然而使用中發(fā)現(xiàn)此休風放散閥存在如下問題：在休風放散閥開關時經(jīng)常出現(xiàn)開關不到位，密封面不嚴等問題，導致高爐二次休風。這樣不僅增加了工人的勞動強度，而且耗費了寶貴的休風時間。為此，對休風放散進行了認真的研究分析，針對存在的問題對Φ600mm休風放散閥作了改進，改進后使用效果良好。

2、DN600NFS746-2.5型液動爐頂休風放散閥原理

　　Φ600mm休風放散閥采用液壓油缸驅(qū)動，四桿機構傳動，閥門關閉后四桿機構具有自鎖功能，改造前的新型Φ600mm休風放散閥見圖1。Φ600mm放散閥主要由以下幾部分構成：閥門包括閥蓋、閥座和閥體;驅(qū)動裝置包括油缸、四桿機構、緩沖裝置與萬向連接裝置和調(diào)節(jié)螺栓。油缸桿伸出，打開自鎖，閥蓋打開;油缸桿縮回，閥蓋關閉，并且通過D點自鎖。閥蓋與四桿機構通過萬向軸相連接。萬向軸上有緩沖蝶簧，可以緩沖閥蓋與閥座之間的撞擊。調(diào)節(jié)螺栓總共四條，可以調(diào)節(jié)閥蓋在四桿機構大驅(qū)動臂上的位置。閥蓋與閥座關閉后通過軟硬雙層密封起到密封作用，硬密封為錐面密封，表面堆焊Ni60，軟密封為閥座上的U形圈。

3、問題分析

　　經(jīng)過對原Φ600mm放散閥的研究分析，發(fā)現(xiàn)改進前油缸壓力足夠，且四連桿鎖緊機構和密封材料均不是造成該問題的原因。通過現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)該閥的運動機理、爐頂煤氣壓力、閥座受熱膨脹是造成Φ600mm放散閥關不嚴的主要原因。因此決定從這幾方面著手進行改造。

1.油缸　2.四桿機構　3.緩沖裝置與萬向連接裝置　4.調(diào)節(jié)螺栓　5.閥蓋　6.閥座　7.閥體

圖1 改造前的液動放散閥

3.1、閥蓋運動機理問題分析

　　閥的運動機理見圖1，閥蓋密封面上部為內(nèi)圓錐體，下部為內(nèi)圓柱體;閥座上部為外圓錐面，下部為外圓柱體。閥座圓柱體內(nèi)有一道槽，內(nèi)部裝有一道U形密封圈，該密封圈高出圓柱面1.5~2mm。閥關閉后，閥蓋的上部內(nèi)圓錐體壓緊閥座的下部外圓錐體，構成一道硬密封;而下部的兩個圓柱體之間有1mm的間隙，閥蓋內(nèi)圓柱體壓緊閥座外圓柱體上的U形密封圈，構成一道軟密封面。閥蓋與四桿機構通過萬向機構和調(diào)節(jié)螺栓連接，整個閥蓋可以認為是一個以A點為中心旋轉(zhuǎn)關閉的裝置，關閉時閥蓋以A點為圓心做圓周運動。理論上，因為閥座與閥蓋上都有一段圓柱體，關閉時要求閥蓋內(nèi)圓柱體垂直套到閥座外圓柱體外面，這就要求閥蓋關閉時作上下直線運動，而實際上整個閥蓋做的是一個圓周運動，這樣Φ600mm放散閥關閉過程中就會產(chǎn)生閥蓋與閥座相互干涉的現(xiàn)象。

　　盡管閥蓋與閥座相互干涉，但是由于閥蓋與閥座的兩個圓柱體部分之間有1mm的間隙，同時閥蓋與四桿機構大驅(qū)動臂的連接采用的是蝶簧與萬向軸的連接，這種連接屬于柔性連接，因此閥蓋具有一個很小的調(diào)整量，關閉時，閥蓋在油缸壓力下可以完成一個自調(diào)整而關閉。但是如果閥蓋受爐頂壓力太大而傾斜嚴重，或者閥座受熱膨脹致使閥座與閥蓋之間的間隙減小，閥座與閥蓋就會卡阻，而致使閥蓋關不到位。

3.2、爐頂壓力因素問題分析

　　在每次高爐休風后，為使高爐順行，需要在Φ600mm放散閥打開的情況下加料送風，待高爐順行后再關閉Φ600mm放散閥。由于高爐已經(jīng)送風，因此大量高壓煤氣從爐內(nèi)噴出，閥蓋關閉時受到爐頂煤氣的巨大壓力沖刷而產(chǎn)生傾斜。該閥閥蓋受力圖見圖2，閥蓋受爐頂煤氣壓力F1和四桿機構大驅(qū)動臂的推力F2，這兩個力的合力為F合。關閉過程中，F(xiàn)1可以看作是不變的力;F2大小不變，方向變;F合的大小方向都在變，但是總有一個向右的分力，因此造成閥蓋傾斜，閥蓋斜扣在閥座上面，這個偏移過大將造成閥蓋無法完成自調(diào)整而卡阻。

圖2 閥帽受力圖

3.3、熱膨脹問題因素分析

　　改進前的Φ600mm放散閥為便于閥蓋實現(xiàn)自調(diào)整，設計閥蓋與閥座的內(nèi)圓柱體與外圓柱體之間的間隙為1mm。而實際上，在高爐開Φ600mm放散閥加料送風的過程中，從爐中放出的高爐煤氣溫度較高，閥座受烘烤會產(chǎn)生膨脹，直徑變大，而閥蓋由于打開，與閥座成90°，不受到煤氣的烘烤，這樣閥座與閥蓋的兩圓柱面之間的間隙就減小了，甚至變成負值。這樣就造成了關閉時閥座與閥蓋的卡阻。

　　如果按照關閉時閥座溫度升高250℃計算，閥座半徑取整R=300mm，鑄鋼材料線膨脹系數(shù)為α=12.9×10-6～13.9×10-6/℃，取α=13×10-6/℃，則閥座受熱后直徑將加大，設受熱后閥座直徑增大的值為ΔD，則：

ΔD=2Rαt=2×250×13×10-6×300=1.95mm

　　這樣，閥座與閥蓋的間隙變?yōu)椋?/p>

δ=1-1.95/2=0.025mm

　　由此可見，閥座受熱使閥座與閥蓋之間的間隙明顯減小，這樣小的間隙導致閥座與閥蓋卡阻，致使Φ600mm放散閥關不嚴。

3.4、問題總結

　　該Φ600mm放散閥的閥蓋的運動干涉、爐頂煤氣壓力過大和閥座受熱膨脹綜合作用，造成閥蓋關閉過程中卡阻，從而導致Φ600mm放散閥關不嚴。

4、Φ600mm休風放散閥改進

　　為使Φ600mm放散閥更安全有效的運行，研究了解決方案，改變了Φ600mm放散閥的結構，改變了原來的密封面形式，并且硬密封面采用了新的熱處理技術。

　　4.1、閥結構改進

　　經(jīng)研究，將此Φ600mm放散閥的閥座和閥蓋結構形式調(diào)換，即閥座改為內(nèi)接觸面，閥蓋改為外接觸面，并且將原來的錐面與圓柱面的雙接觸面密封結構形式改為現(xiàn)在的單一球面密封接觸結構。改造后的閥蓋與閥座如圖3所示。因為只有一個接觸面，因此閥座和閥蓋不會發(fā)生卡阻現(xiàn)象。這樣就解決了Φ600mm放散閥關閉中卡阻的問題。

(a)閥帽

(b)閥座

圖3 改造后的閥帽與閥座

4.2、閥體密封面改進

　　改進前，Φ600mm放散閥采用軟硬雙重密封，并且軟硬密封分開，硬密封采用的是錐面密封，表面堆焊不銹鋼;軟密封采用U形密封圈。改進后，利用集團公司機械廠的技術，使軟硬密封合為一體，閥座和閥蓋接觸面采用球面密封結構，表面涂覆碳化鎢。軟密封的U形密封圈由閥座移到閥蓋外表面。改造后的閥帽球面接觸密封面結構見圖4。

圖4 改造后的閥帽球面接觸密封面結構

4.2.1、硬密封面改進

　　球面密封相對錐面密封是一種較為可靠的密封結構。爐頂煤氣高溫高壓，同時氣體中包含大量粉塵，鋼件在高溫條件下失去了其原來的硬度。一旦發(fā)生泄露，閥座與閥蓋的接觸面很快會被吹漏。根據(jù)鐵廠多年來使用球面密封結構的經(jīng)驗，球面結構可以避免爐內(nèi)煤氣向外直吹，因此可以延長閥體的使用壽命。因此這里閥座與閥蓋密封面采用球面密封面。

4.2.2、表面熱處理改進

　　改進前，閥座與閥蓋接觸面采用的是Ni60焊條堆焊，然后上下密封體配合研磨，堆焊層硬度為40HRC。改進后，接觸面為球面，表面涂覆碳化鎢，然后上下密封體配合研磨，硬度可達到45~68HRC。涂覆碳化鎢是一種較為先進的表面處理技術，相對表面堆焊技術，表面硬度更高，壽命更長，并且工藝簡單。

4.2.3、軟密封面改進

　　新型閥體的軟密封從結構上做了較大改進。改進前，軟密封的U形圈位于閥座上面，閥座與閥蓋的軟硬兩道密封分開。改進后U形密封圈移到了閥蓋外球面上。同時將兩道密封合二為一。這樣設計不僅解決了原來的卡阻問題，而且可以提高閥體密封性能。

5、安裝與調(diào)試

5.1、安裝

　　為方便新型閥座和閥蓋裝配，新型閥座和閥蓋的裝配尺寸完全按照改造前的Φ600mm放散閥設計。使用時，拆下舊閥座和閥蓋，然后更換新的閥座和閥蓋。

5.2、調(diào)試

　　爐頂煤氣壓力為0.1~0.2MPa(表壓力)，最高不超過0.3MPa。為確保改進后的設備滿足要求，更換后要對設備進行試壓并對閥蓋進行調(diào)節(jié)。試壓步驟如下：將Φ600mm放散閥關閉，并將閥體下法蘭用盲板封住，盲板下部裝有接頭與壓力表，通過高壓軟管將下法蘭接頭與氮氣瓶連接，打開氮氣瓶開關，然后從0.1~0.4MPa逐漸調(diào)節(jié)氮氣壓力，通過壓力表可以觀察記錄閥內(nèi)壓力。調(diào)節(jié)過程中觀察閥蓋是否漏氣或被氣壓頂開。如果密封面漏氣，可以調(diào)節(jié)閥蓋上面的四條調(diào)節(jié)螺栓或更換U形密封圈，如果閥蓋被頂開則可以調(diào)節(jié)閥蓋上面的碟簧，使之滿足要求。

6、結語

　　改進后的Φ600mm放散閥已應用于鐵廠各高爐，消除了原來Φ600mm放散閥存在的問題，減輕了工人的勞動強度，提高了休風放散閥的穩(wěn)定性，為天鐵高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造了條件。