軋鋼加熱爐用三通閥的設(shè)計(jì)

　　鋼坯在以煤氣為燃料的加熱爐中加熱時(shí)，三通閥是用以控制煤氣、空氣、送入爐內(nèi)燃燒和排出爐內(nèi)燃燒煙氣的一種閥門，它共有三個(gè)導(dǎo)入和導(dǎo)出的接口，使用中每一個(gè)閥門的二個(gè)相通的接口是交替使用的，因?yàn)榧訜釥t兩側(cè)面的燒嘴是交替使用的，于是三通閥就起了進(jìn)排氣交替使用的目的。

　　三通閥可以是每個(gè)燒嘴配用一臺(tái)閥門，也可以將爐子每側(cè)面的一些燒嘴統(tǒng)一起來(lái)集中用一個(gè)閥門來(lái)完成交替任務(wù)，二種三通閥的結(jié)構(gòu)不盡相同，本文針對(duì)的是用一個(gè)閥門來(lái)集中控制的三通閥，所以閥門的氣體流量大，閥門的體積較大，于是進(jìn)出管徑也較大，下面是考慮設(shè)計(jì)時(shí)采用的原則和設(shè)計(jì)方法。

1、閥門的使用環(huán)境

　　閥門是用于氣體燃燒后煙氣經(jīng)蓄熱體后的場(chǎng)合，氣體通過(guò)時(shí)溫度比較高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，氣體壓力，煤氣為7000~9000Pa，空氣為10000~12000Pa，煙氣溫度不高于300℃，在這樣的環(huán)境下，閥門的材料需耐受溫度300℃以上及氣壓12000Pa以上，煤氣和煙氣中有腐蝕性成分，故又需耐腐蝕，同時(shí)煙氣或煤氣中細(xì)小顆粒的粉塵對(duì)運(yùn)動(dòng)部分的材料有粘附和摩擦作用，凡此種種在設(shè)計(jì)中需要加以考慮。氣體性能見(jiàn)表1。

表1 使用氣體性能

2、閥門的主要尺寸設(shè)計(jì)和型式的采用

　　閥門設(shè)計(jì)可以是立式或臥式，對(duì)于大型的閥門，為了考慮動(dòng)力氣缸桿的受力狀況以采用立式型為宜，大致型式見(jiàn)圖1。

圖1 雙氣缸三通閥系列主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　閥門設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)以進(jìn)口口徑為依據(jù)。

　　要設(shè)計(jì)一個(gè)閥門，最重要的是氣體在閥門內(nèi)通過(guò)時(shí)的壓力損失要盡可能小，閥門的體積也要盡量小，即可用的材料要最省，同時(shí)要能抗腐、耐磨、耐溫，用的動(dòng)力要盡量的小，能達(dá)到這樣的閥門，則設(shè)計(jì)是較為合理的。

　　氣流自進(jìn)氣口直至出氣口，如果能很平穩(wěn)地流過(guò)，則它的壓力損失將可達(dá)到最低，那么在閥門內(nèi)的各通過(guò)口直徑應(yīng)該都一樣大小，但如果是這樣，則閥門的體積比較大。為了要節(jié)約材料，應(yīng)盡量減小體積，從閥門的結(jié)構(gòu)型式看，唯一可以做的是將內(nèi)部密封口處縮小，由此減小閥門其他部位的尺寸，但縮小后的密封口將使氣體通過(guò)時(shí)形成湍流，增加了阻力系數(shù)，要使密封口處的阻力系數(shù)不是增加很大，而同時(shí)又能縮小閥體的尺寸，這是設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)。

　　以進(jìn)出口為基礎(chǔ)，則密封口的面積和進(jìn)出口面積的比值對(duì)阻力系數(shù)的關(guān)系是重要的，根據(jù)氣體流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)特點(diǎn)，在管道內(nèi)各種不同條件下的流動(dòng)結(jié)果，見(jiàn)圖2~圖6。

圖2 氣體在管道中流經(jīng)孔板時(shí)的阻力系數(shù)

圖3 氣體在管道中流經(jīng)管徑突然擴(kuò)大時(shí)的阻力系數(shù)

圖4 氣體在管道中流經(jīng)管徑突然縮小時(shí)的阻力系數(shù)

圖5 氣體在管道中流經(jīng)逐漸擴(kuò)大時(shí)的阻力系數(shù)

　　由圖2可見(jiàn)，密封口與進(jìn)口面積之比對(duì)阻力系數(shù)的相對(duì)關(guān)系是一曲線關(guān)系，當(dāng)密封口面積對(duì)進(jìn)出口面積比的比值大時(shí)，即二口徑的大小很接近時(shí)，阻力系數(shù)很小，但當(dāng)面積比小時(shí)，阻力系數(shù)就成倍地增長(zhǎng)，但要減小閥門體積，這個(gè)比值很有關(guān)系，從圖2中可以看出面積比在0.7以上時(shí)阻力系數(shù)很小，不到1，當(dāng)面積比在0.6以下時(shí)阻力系數(shù)很快上升，所以密封面處開(kāi)口不能收縮得太小，據(jù)此，設(shè)計(jì)中采用了0.7以上，平均以0.75計(jì)，密封口的面積縮小為進(jìn)氣口面積的75%時(shí)，形成湍流的阻力系數(shù)很小，這樣的閥門的體積可以得到一定的減小，而氣體通過(guò)閥門時(shí)不會(huì)引起阻力的很大增加。

圖6 氣體在管道中流經(jīng)逐漸縮小時(shí)的阻力系數(shù)

　　按照閥體結(jié)構(gòu)布置的需要，其他各處形成的阻力系數(shù)的曲線圖見(jiàn)圖3~圖6，按照閥門圖形設(shè)計(jì)要求做出的尺寸，其體積擴(kuò)大和縮小的結(jié)果，有關(guān)的比數(shù)均在較低的數(shù)值，從圖3~圖6可以看出，阻力最大也不超過(guò)1。由此看來(lái)，閥門中形成阻力最大的是密封口處面積的大小，是氣流形成湍流時(shí)所造成的阻力，掌握了此處的尺寸就能得到較理想的閥門設(shè)計(jì)。

　　阻力損失的計(jì)算公式，參照氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)：

　　式中：Δpk—局部阻力損失，MPa

　　只要各處阻力系數(shù)K的數(shù)值控制在較低的數(shù)值時(shí)，總的阻力損失就將是較低的。從以上情況出發(fā)，設(shè)計(jì)了進(jìn)出口尺寸為Φ400~900六種雙氣缸閥門的系列產(chǎn)品，其主要數(shù)據(jù)和型式見(jiàn)圖1和表2。

　　表2 蓄熱式燃?xì)饧訜釥t用雙氣缸三通換向閥系列設(shè)計(jì)主要尺寸表

3、閥門的抗腐和密封

　　煤氣或煙氣中含有某些腐蝕性物質(zhì)，所以在通過(guò)密封處時(shí)，在較高溫度下對(duì)閥體材料有腐蝕作用，普通的碳素鋼在短時(shí)期內(nèi)就會(huì)氧化腐蝕壞，所以在活動(dòng)板和閥體與活動(dòng)板相接觸處均需要用耐腐蝕的不銹鋼材料，采用ICr18Ni9Ti或ICr13材質(zhì)的不銹鋼，均可得到滿意的結(jié)果。

　　密封處因氣體溫度在300℃以下，所以用氟橡膠為密封條的彈性密封，密封的效果比較理想，但希望氣體中含雜質(zhì)較少，雜質(zhì)多了易粘附和堵塞密封處或?qū)⒚芊鈼l磨損壞，形成泄漏。其他與氣缸桿等摩擦處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優(yōu)于聚四氟乙烯。

　　如果氣體溫度>300℃，氟橡膠的密封條無(wú)法長(zhǎng)期承受高溫，會(huì)產(chǎn)生密封破壞，那么就應(yīng)采用較韌性材料的硬密封措施。

4、動(dòng)力氣缸的設(shè)計(jì)方法

　　閥門的密封處使用動(dòng)力氣缸將活動(dòng)板壓緊在基座上達(dá)到密封，動(dòng)力氣缸的使用有兩個(gè)目的，一個(gè)是當(dāng)要求密封時(shí)需由動(dòng)力氣缸的壓力將活動(dòng)板壓緊而密封住，不能被氣體所沖開(kāi);第二個(gè)目的是當(dāng)活動(dòng)板被閥內(nèi)氣體壓住而密封緊時(shí)，要用氣缸的力量將其打開(kāi)，這樣左右二個(gè)密封處能夠得到交替使用，輪換通道，三通閥就能靈活地交替使用。

　　要打開(kāi)或封緊密封口，所需要的最小力P是閥內(nèi)氣體對(duì)活動(dòng)板上的總壓力加氣缸桿和活塞活動(dòng)板等的總重量。

　　式中：P—打開(kāi)或封緊密封口所需的最小力

　　W—氣缸桿和活塞、活動(dòng)板等的總重量

　　如以CS900-AL-B-O閥門為例：

　　根據(jù)動(dòng)力氣缸制造廠提供的氣缸理論輸出力表的說(shuō)明，在實(shí)際選用中，表中的理論輸出力應(yīng)乘以0.6~0.8系數(shù)后再選用。

　　如考慮現(xiàn)場(chǎng)情況，有時(shí)壓縮空氣壓力的波動(dòng)或輸送路線較長(zhǎng)時(shí)會(huì)引起過(guò)大的壓力降，為保證生產(chǎn)條件下能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮以1.5的系數(shù)加以保險(xiǎn)。所以7566.7/0.6×1.5=18916.75N。

　　由此選用缸徑Φ250的動(dòng)力氣缸。按此計(jì)算法，系列中各閥門的選用氣缸見(jiàn)表2。

　　為了能使活動(dòng)板在密封口處有足夠的壓緊性能，氣缸選用的行程應(yīng)比活動(dòng)板的實(shí)際行程增加20~30mm。

5、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)上述的設(shè)計(jì)思路，在設(shè)計(jì)時(shí)和一些軋鋼廠的軋鋼加熱爐上應(yīng)用得到比較滿意的結(jié)果。

　　關(guān)于設(shè)計(jì)型式上是否可以進(jìn)一步改進(jìn)，或?qū)τ谀承┙Y(jié)構(gòu)上是否可以再予改善，這有待于長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)使用的考驗(yàn)結(jié)果和軋鋼加熱爐本身的進(jìn)一步改進(jìn)，根據(jù)整個(gè)爐型設(shè)計(jì)的改變?cè)儆枵{(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.