天鐵高爐爐頂休風(fēng)放散閥的改進(jìn)

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

1、引言

　　隨著(zhù)冶煉強度的提高，天鐵高爐相繼采用了新型DN600NFS746-2.5型液動(dòng)爐頂放散閥(簡(jiǎn)稱(chēng)Φ600mm放散閥)，取代了原來(lái)采用配重結構的Φ600mm放散閥。該閥的主要優(yōu)點(diǎn)有：可以承受0.25MPa的額定壓力，體積輕便靈活且操作方便，實(shí)現對Φ600mm放散閥的控制。然而使用中發(fā)現此休風(fēng)放散閥存在如下問(wèn)題：在休風(fēng)放散閥開(kāi)關(guān)時(shí)經(jīng)常出現開(kāi)關(guān)不到位，密封面不嚴等問(wèn)題，導致高爐二次休風(fēng)。這樣不僅增加了工人的勞動(dòng)強度，而且耗費了寶貴的休風(fēng)時(shí)間。為此，對休風(fēng)放散進(jìn)行了認真的研究分析，針對存在的問(wèn)題對Φ600mm休風(fēng)放散閥作了改進(jìn)，改進(jìn)后使用效果良好。

2、DN600NFS746-2.5型液動(dòng)爐頂休風(fēng)放散閥原理

　　Φ600mm休風(fēng)放散閥采用液壓油缸驅動(dòng)，四桿機構傳動(dòng)，閥門(mén)關(guān)閉后四桿機構具有自鎖功能，改造前的新型Φ600mm休風(fēng)放散閥見(jiàn)圖1。Φ600mm放散閥主要由以下幾部分構成：閥門(mén)包括閥蓋、閥座和閥體;驅動(dòng)裝置包括油缸、四桿機構、緩沖裝置與萬(wàn)向連接裝置和調節螺栓。油缸桿伸出，打開(kāi)自鎖，閥蓋打開(kāi);油缸桿縮回，閥蓋關(guān)閉，并且通過(guò)D點(diǎn)自鎖。閥蓋與四桿機構通過(guò)萬(wàn)向軸相連接。萬(wàn)向軸上有緩沖蝶簧，可以緩沖閥蓋與閥座之間的撞擊。調節螺栓總共四條，可以調節閥蓋在四桿機構大驅動(dòng)臂上的位置。閥蓋與閥座關(guān)閉后通過(guò)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(wèn)題分析

　　經(jīng)過(guò)對原Φ600mm放散閥的研究分析，發(fā)現改進(jìn)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(wèn)題的原因。通過(guò)現場(chǎng)勘測發(fā)現該閥的運動(dòng)機理、爐頂煤氣壓力、閥座受熱膨脹是造成Φ600mm放散閥關(guān)不嚴的主要原因。因此決定從這幾方面著(zhù)手進(jìn)行改造。

1.油缸　2.四桿機構　3.緩沖裝置與萬(wàn)向連接裝置　4.調節螺栓　5.閥蓋　6.閥座　7.閥體

圖1 改造前的液動(dòng)放散閥

3.1、閥蓋運動(dòng)機理問(wèn)題分析

　　閥的運動(dòng)機理見(jiàn)圖1，閥蓋密封面上部為內圓錐體，下部為內圓柱體;閥座上部為外圓錐面，下部為外圓柱體。閥座圓柱體內有一道槽，內部裝有一道U形密封圈，該密封圈高出圓柱面1.5~2mm。閥關(guān)閉后，閥蓋的上部?jì)葓A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(gè)圓柱體之間有1mm的間隙，閥蓋內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(guò)萬(wàn)向機構和調節螺栓連接，整個(gè)閥蓋可以認為是一個(gè)以A點(diǎn)為中心旋轉關(guān)閉的裝置，關(guān)閉時(shí)閥蓋以A點(diǎn)為圓心做圓周運動(dòng)。理論上，因為閥座與閥蓋上都有一段圓柱體，關(guān)閉時(shí)要求閥蓋內圓柱體垂直套到閥座外圓柱體外面，這就要求閥蓋關(guān)閉時(shí)作上下直線(xiàn)運動(dòng)，而實(shí)際上整個(gè)閥蓋做的是一個(gè)圓周運動(dòng)，這樣Φ600mm放散閥關(guān)閉過(guò)程中就會(huì )產(chǎn)生閥蓋與閥座相互干涉的現象。

　　盡管閥蓋與閥座相互干涉，但是由于閥蓋與閥座的兩個(gè)圓柱體部分之間有1mm的間隙，同時(shí)閥蓋與四桿機構大驅動(dòng)臂的連接采用的是蝶簧與萬(wàn)向軸的連接，這種連接屬于柔性連接，因此閥蓋具有一個(gè)很小的調整量，關(guān)閉時(shí)，閥蓋在油缸壓力下可以完成一個(gè)自調整而關(guān)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(huì )卡阻，而致使閥蓋關(guān)不到位。

3.2、爐頂壓力因素問(wèn)題分析

　　在每次高爐休風(fēng)后，為使高爐順行，需要在Φ600mm放散閥打開(kāi)的情況下加料送風(fēng)，待高爐順行后再關(guān)閉Φ600mm放散閥。由于高爐已經(jīng)送風(fēng)，因此大量高壓煤氣從爐內噴出，閥蓋關(guān)閉時(shí)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(jiàn)圖2，閥蓋受爐頂煤氣壓力F1和四桿機構大驅動(dòng)臂的推力F2，這兩個(gè)力的合力為F合。關(guān)閉過(guò)程中，F1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(gè)向右的分力，因此造成閥蓋傾斜，閥蓋斜扣在閥座上面，這個(gè)偏移過(guò)大將造成閥蓋無(wú)法完成自調整而卡阻。

圖2 閥帽受力圖

3.3、熱膨脹問(wèn)題因素分析

　　改進(jìn)前的Φ600mm放散閥為便于閥蓋實(shí)現自調整，設計閥蓋與閥座的內圓柱體與外圓柱體之間的間隙為1mm。而實(shí)際上，在高爐開(kāi)Φ600mm放散閥加料送風(fēng)的過(guò)程中，從爐中放出的高爐煤氣溫度較高，閥座受烘烤會(huì )產(chǎn)生膨脹，直徑變大，而閥蓋由于打開(kāi)，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(guān)閉時(shí)閥座與閥蓋的卡阻。

　　如果按照關(guān)閉時(shí)閥座溫度升高250℃計算，閥座半徑取整R=300mm，鑄鋼材料線(xiàn)膨脹系數為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(jiàn)，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(guān)不嚴。

3.4、問(wèn)題總結

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

4、Φ600mm休風(fēng)放散閥改進(jìn)

　　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(lái)的密封面形式，并且硬密封面采用了新的熱處理技術(shù)。

　　4.1、閥結構改進(jìn)

　　經(jīng)研究，將此Φ600mm放散閥的閥座和閥蓋結構形式調換，即閥座改為內接觸面，閥蓋改為外接觸面，并且將原來(lái)的錐面與圓柱面的雙接觸面密封結構形式改為現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(gè)接觸面，因此閥座和閥蓋不會(huì )發(fā)生卡阻現象。這樣就解決了Φ600mm放散閥關(guān)閉中卡阻的問(wèn)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(jìn)

　　改進(jìn)前，Φ600mm放散閥采用軟硬雙重密封，并且軟硬密封分開(kāi)，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(jìn)后，利用集團公司機械廠(chǎng)的技術(shù)，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(jiàn)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(jìn)

　　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(shí)氣體中包含大量粉塵，鋼件在高溫條件下失去了其原來(lái)的硬度。一旦發(fā)生泄露，閥座與閥蓋的接觸面很快會(huì )被吹漏。根據鐵廠(chǎng)多年來(lái)使用球面密封結構的經(jīng)驗，球面結構可以避免爐內煤氣向外直吹，因此可以延長(cháng)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(jìn)

　　改進(jìn)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(jìn)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(jìn)的表面處理技術(shù)，相對表面堆焊技術(shù)，表面硬度更高，壽命更長(cháng)，并且工藝簡(jiǎn)單。

4.2.3、軟密封面改進(jìn)

　　新型閥體的軟密封從結構上做了較大改進(jìn)。改進(jìn)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(kāi)。改進(jìn)后U形密封圈移到了閥蓋外球面上。同時(shí)將兩道密封合二為一。這樣設計不僅解決了原來(lái)的卡阻問(wèn)題，而且可以提高閥體密封性能。

5、安裝與調試

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(shí)，拆下舊閥座和閥蓋，然后更換新的閥座和閥蓋。

5.2、調試

　　爐頂煤氣壓力為0.1~0.2MPa(表壓力)，最高不超過(guò)0.3MPa。為確保改進(jìn)后的設備滿(mǎn)足要求，更換后要對設備進(jìn)行試壓并對閥蓋進(jìn)行調節。試壓步驟如下：將Φ600mm放散閥關(guān)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(guò)高壓軟管將下法蘭接頭與氮氣瓶連接，打開(kāi)氮氣瓶開(kāi)關(guān)，然后從0.1~0.4MPa逐漸調節氮氣壓力，通過(guò)壓力表可以觀(guān)察記錄閥內壓力。調節過(guò)程中觀(guān)察閥蓋是否漏氣或被氣壓頂開(kāi)。如果密封面漏氣，可以調節閥蓋上面的四條調節螺栓或更換U形密封圈，如果閥蓋被頂開(kāi)則可以調節閥蓋上面的碟簧，使之滿(mǎn)足要求。

6、結語(yǔ)

　　改進(jìn)后的Φ600mm放散閥已應用于鐵廠(chǎng)各高爐，消除了原來(lái)Φ600mm放散閥存在的問(wèn)題，減輕了工人的勞動(dòng)強度，提高了休風(fēng)放散閥的穩定性，為天鐵高爐穩產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng )造了條件。