一、前言
   隨著世界能源的日益短缺，高爐煉鐵設(shè)備的節(jié)能問(wèn)題受到了全世界的高度重視。熱風(fēng)閥作為熱風(fēng)管切割設(shè)備的節(jié)能問(wèn)題提上議事日程。
   秦冶公司自2001年開(kāi)發(fā)高溫、長(zhǎng)壽、節(jié)能熱風(fēng)閥以來(lái)，閥門特點(diǎn)鮮明，節(jié)能效果顯著。
   二、熱風(fēng)閥特點(diǎn)
   1)高溫:使用溫度1450℃。
   2)長(zhǎng)壽:使用壽命15~20年。
   3)節(jié)能:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱風(fēng)溫度下降4℃降低到1.8℃。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用的電能不到四分之一。
   4)節(jié)水:用水量為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/3。
   基于幾十年的熱風(fēng)閥開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)大型計(jì)算機(jī)軟件分析了閥門的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)，并結(jié)合現(xiàn)代高爐技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了研究。并將研究結(jié)果應(yīng)用于閥門的設(shè)計(jì)和制造，產(chǎn)品獲得了優(yōu)異的技術(shù)性能。
   3.閥門研究分析
   1.閥門損壞的原因
   閥門開(kāi)啟初期，熱風(fēng)循環(huán)面積小，熱風(fēng)流速增加，閥板熱負(fù)荷增加。當(dāng)閥板完全打開(kāi)時(shí)，閥板下部的長(zhǎng)期熱風(fēng)渦流被吹出細(xì)微的溝痕，逐漸產(chǎn)生微裂紋，直到漏水。如圖1所示1所示。圖2所示。由于閥板泄漏，閥體內(nèi)的耐火涂層脫落，損壞。

   
圖1 閥板下部吹出的裂紋

圖2 閥體裂紋

   2.材料破壞機(jī)制
   秦冶公司開(kāi)發(fā)了材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究了不同材料和保護(hù)方法的耐熱疲勞性，并對(duì)材料損壞過(guò)程進(jìn)行了大量的測(cè)試和研究。分析結(jié)果表明：
   1)材料在送風(fēng)和燃燒期間轉(zhuǎn)換引起的低周波熱應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致疲勞。
   2)鋼材在高溫空氣中氧化失效。材料本身的抗氧化性和熱強(qiáng)度也有重要影響。
   3.閥門溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)
   采用三維軟件模擬仿真設(shè)計(jì)，施加等同工況的邊界條件，對(duì)其溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)作有限元法應(yīng)力分析，如圖3、圖4所示。

圖3

圖4

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   分析結(jié)果：外水環(huán)兩側(cè)出現(xiàn)閥板鋼板的最高溫度，閥板外水環(huán)兩側(cè)出現(xiàn)最大應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 閥板外水環(huán)表面沿軸向熱應(yīng)力分布

   4.錨固釘受熱
   用三維軟件給閥板施加1450℃對(duì)錨固釘?shù)募訜徇M(jìn)行加載分析，如圖6所示。經(jīng)分析，錨固釘?shù)淖罡邷囟葹?57℃，如圖7所示。

   
圖6 閥板整體溫度場(chǎng)(部分)

圖7 錨固釘溫度場(chǎng)

   5.閥門熱風(fēng)通道結(jié)構(gòu)
   采用流場(chǎng)分析（如圖8、圖9所示），使熱風(fēng)通道更加合理，氣流最小化閥體內(nèi)部。管道直徑的存在有利于降低閥板下緣的氣體渦流強(qiáng)度，從而降低熱風(fēng)對(duì)閥板和內(nèi)板的侵蝕，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

圖8

圖9

   6.耐火襯里設(shè)計(jì)
   分析閥內(nèi)側(cè)板故障機(jī)理：閥風(fēng)管上方的大側(cè)板長(zhǎng)時(shí)間被熱風(fēng)產(chǎn)生的渦流吹走，產(chǎn)生徑向裂紋。閥內(nèi)腔（密封面除外）搗固耐熱性高的耐火材料，不僅保護(hù)閥內(nèi)腔鋼，而且防止熱量傳遞給鋼板，減少熱損失。
   7.熱風(fēng)閥節(jié)能節(jié)水
   熱風(fēng)閥的冷卻水是在水道中循環(huán)的水，它是循環(huán)的，而不是丟失的。減少熱風(fēng)閥的冷卻水量只節(jié)省了泵的電能和冷卻水加熱帶走的熱能，如圖10所示。

圖10 水量比較

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   將閥門冷卻水量降低到原來(lái)的1/2，水速減少到原來(lái)的1/2，根據(jù)能量公式E=0.5mv2.熱風(fēng)閥供水系統(tǒng)每小時(shí)消耗的電能將減少到原來(lái)的1/8。
   適當(dāng)?shù)哪突鹜繉釉O(shè)置使傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)溫度從4降低℃降到1.8℃。
   4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
   1)大剛度、小水腔設(shè)計(jì)。保證冷卻強(qiáng)度，減少冷卻水帶走的熱量。
   2)用保溫材料搗固高強(qiáng)度、輕質(zhì)耐火襯里，降低熱負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能效果。
   3)變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。減少熱風(fēng)對(duì)閥板下緣的沖刷。
   4)關(guān)鍵部位耐熱鋼整體壓延成型，接觸熱風(fēng)部位無(wú)焊縫裸露。提高閥門的耐熱疲勞性和耐高溫氧化性。
   五、材料保障
   1.鋼材
   鋼材的選擇從以下三個(gè)方面考慮：鋼材的耐熱疲勞性；鋼的抗氧化性；鋼的焊接性：碳當(dāng)量≤0.35。
   低合金耐熱鋼鍛件用于關(guān)鍵部位。
   2.焊接材料
   選用與母材相匹配的焊材焊接，等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
   3.錨固釘材料
   錨固釘選用耐高溫合金材料。
   4.耐火襯里
   耐火襯里采用高性能耐材組合使用：低水泥莫來(lái)石澆筑料＋輕質(zhì)莫來(lái)石澆筑料＋絕熱材料。
   耐火性：1750℃。
   耐久性材料的使用壽命:>15年(使用溫度為1450℃）。
   保溫材料使用溫度：12000℃。
   與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比
   1.結(jié)構(gòu)、應(yīng)力比較
   (1)國(guó)外閥板為鉆孔結(jié)構(gòu)，冷卻水道為方形，閥板水圈分布在板芯兩側(cè)，兩個(gè)焊縫暴露在熱風(fēng)中，如圖11所示。該結(jié)構(gòu)閥板應(yīng)力集中，閥板冷卻不均勻。

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   58MPa，接近材料的強(qiáng)度極限，如圖12所示。且這一應(yīng)力周期性變化，在時(shí)間的效應(yīng)下，將會(huì)使閥板邊緣產(chǎn)生裂紋，影響密封效果。

圖12 國(guó)外閥板熱應(yīng)力場(chǎng)

   (2)秦冶閥板
   秦冶閥板為螺旋水道結(jié)構(gòu)，閥板外水圈為整體鍛造結(jié)構(gòu)，熱風(fēng)無(wú)焊縫，如圖13所示。該結(jié)構(gòu)閥板應(yīng)力集中，冷卻均勻。閥板外水圈兩側(cè)熱應(yīng)力最大，為115MPa，如圖14所示。遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限。

圖13 秦冶閥板結(jié)構(gòu)

圖14 秦冶閥板熱應(yīng)力場(chǎng)

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   458MPa，秦冶閥板為115MPa，應(yīng)力明顯優(yōu)于國(guó)外閥板(見(jiàn)圖15)。

圖15 閥板應(yīng)力比較圖

   2.材料比較
   從下表可以看出，秦冶閥的選材大多與國(guó)外產(chǎn)品相同，有的優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。秦冶公司高溫長(zhǎng)壽節(jié)能熱風(fēng)閥在結(jié)構(gòu)和材料選擇上明顯優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。

秦冶與國(guó)外閥門選材比較表

   七、結(jié)語(yǔ)
   秦冶高溫長(zhǎng)壽節(jié)能熱風(fēng)閥產(chǎn)品主要通過(guò)應(yīng)用各種現(xiàn)代技術(shù)和手段，對(duì)熱風(fēng)閥的冷卻傳熱機(jī)制有深刻的了解和理解，形成了相對(duì)完整的理論體系。同時(shí)，采用了大量的新型特殊材料、新技術(shù)、新工藝，使其產(chǎn)品不僅能承受較高的風(fēng)溫，壽命長(zhǎng)，而且具有顯著的節(jié)能效果。