设计和应用新型料流调节阀

无料钟炉顶装料系统广泛应用于现代高炉炼铁，是大中型高炉顶装料设备的主流。料流调节阀是无料钟炉顶装料系统的关键设备之一，也称为流量调节阀。其主要功能：一是避免原材料与下密封阀直接接触；二是调整料流大小，即根据高炉情况控制料流调节阀开度的变化，使高炉在理想状态下正常运行。目前，球形料流调节阀广泛应用于无料钟炉顶。料闸形状为球形。两个闸板由两个同心的内外轴驱动，同心轴结构略显复杂"中冶赛迪开发了一种具有自主知识产权的紧凑型无料钟炉顶装料技术，已成功应用于实际工程中。平行轴料流调节阀是装料系统集成技术的关键设备之一。

1 结构设计

新型平行轴料流调节阀主要由箱体、中心导管、阀板、阀板摆臂、传动轴、连杆、驱动摇臂和驱动缸组成，如图1所示。

图1 平行轴料流调节阀结构

1-箱体；2-中心导管；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

该机构的传动路线分别为：驱动缸一控制摇臂-驱动轴一阀板摆臂一阀板；驱动缸一控制摇臂一连杆II一连杆I一个传动轴，一个阀板，一个摆臂，一个阀板。液压缸可通过上述传动机构伸缩控制阀板的开度，开阀角度范围为0°到68°。

上述结构简单紧凑，维护方便，各部件应力好，保证了结构设计的合理性。同时，开度的设计范围使闸门上的残留物完全清空，避免闸门关闭时堵塞，具有良好的生产环境适应性。

2 料流可控性及其控制系统研究

材料流量调节阀的主要作用之一是调节原材料的材料流量，因此材料流量的可控性是材料流量调节阀的关键性能之一。根据流量公式，绘制烧结矿和焦炭的材料流量曲线，如图2所示。

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图2

图3

从图2可以看出，随着开阀角度的增加，进料流量与开阀角度的关系曲线呈现出良好的线性关系。通过调整进料流量调节阀的开阀角度，可以有效控制原材料的流量，满足生产要求。图3显示了传统球形阀板材料流阀在相同计算参数下的进料流量曲线。与图2相比，平行轴材料流阀的流量曲线更温和，更接近线性增加，更有利于实现精确控制。

料流调节阀的开启角度最终由气缸驱动。为了调查阀板开度的控制性能，绘制了气缸行程与阀板开度之间的关系曲线，如图4所示。从图4中可以看出，气缸行程与阀板开度之间的关系往往是线性的，因此阀板的开度位置可以通过调整气缸行程来很好地控制。根据上述特点，赛迪专用阀研究开发了一种基于比例阀驱动的闭环液压控制系统。该系统具有良好的动态响应特性、高稳定性和高控制精度±0.1°。

根据以上分析，新型料流调节阀的下料流量控制性能良好，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

材料流量调节阀作为炼铁炉顶部设备之一，其工作条件和环境相对较差，需要良好的设备稳定性和可靠性。因此，材料流量调节阀的关键部件必须满足一定的强度要求。在设计中，各部件的最大应力不得超过材料屈服强度的1/3。

采用有限元分析软件Abaqus计算了料流调节阀从0开始的开度°到68°应力应变。开阀过程中料流调节阀的主要负荷包括：各部件的重力、阀板上的垂直作用力、材料与阀板的摩擦阻力、箱休内表面的0.375MPa的炉内压力。当开阀角度达到45°之后，中心导管已完全打开，阀板不再受垂直力和摩擦阻力的影响，只受重力的影响。

根据分析计算，箱体、驱动摇臂和阀板摆臂的应力较弱，箱体Mises随着开度的增加，应力先减小后增大。开度为68°最大值41.71MPa，但应力值变化不大。原因是箱体产生的应力主要来自炉内压力，箱体最大变形仅为0.2673mm。驱动摇臂的Mises应力开度为0°最大时应力值为52.46MPa，阀板摆臂Mises应力变化趋势与驱动摇臂基本相同，开度为0°初始位置应力值最大为54.5MPa。

上述分析结果表明，箱体、驱动摇臂和阀板摆臂的应力值小于材料屈服强度的30%，能很好地满足设计要求。

4 工程应用

新型平行轴式料流调节阀作为无料钟炉顶装料系统的关键设备之一，经过设备样机制造、制造车间样机调试、试验试验和实际生产应用。目前，该物流调节阀已成功应用于宝钢4966m3高炉和水钢2380m3.高炉实际应用良好，设备运行平稳可靠，阀角控制精度达到±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 平行轴料流调节阀产品(照片)

5 结语

设计、分析、计算和工程应用结果均表明，新型平行轴料流调节阀控制性能好，机构简单可靠，结构强度好，完全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的新型高炉无料钟料流调节阀。