一、前言

　　隨著世界能源越來越緊缺，高爐煉鐵設備的節能問題受到整個世界的高度重視。作為熱風管線切斷設備的熱風閥的節能問題提上議事日程。

　　秦冶公司從2001年開始研制高溫、長壽、節能型熱風閥，至今，閥門特點鮮明，節能效果顯著。

二、熱風閥特點

　　1)高溫：使用溫度1450℃。

　　2)長壽：使用壽命15～20年。

　　3)節能：熱風溫度降由傳統結構的4℃降低到1.8℃。所用電能為傳統結構的1/4以下。

　　4)節水：用水量為傳統結構的1/3。

　　基于幾十年來對熱風閥的研制經驗，通過大型計算機軟件對閥門的溫度場、熱應力場和流場進行模擬工況分析，結合現代高爐技術發展，進行各項研究。并將研究結果應用到閥門的設計制造中去，產品即獲得了優異的技術性能。

三、閥門研究分析

　　1.閥門破壞原因

　　閥門在開啟初期，熱風流通面積狹小，熱風流速增高，閥板熱負荷加大。閥板在全開狀態下，閥板下部長期受熱風渦流掃掠被吹掃出細微溝痕，逐漸產生微觀裂紋，裂紋遷延直至漏水。如圖1、圖2所示。由于閥板漏水，閥體內耐火涂料受潮大片脫落，閥體接著也發生破壞。

圖1 閥板下部吹掃出的裂紋

圖2 閥體裂紋

　　2.材料的破壞機理

　　秦冶公司為研究不同材料和防護方式的耐熱疲勞性，研制了材料熱疲勞試驗機，對材料破壞過程進行了大量測試和研究。分析結果表明：

　　1)材料在送風期和燃燒期轉換時引起的低周波熱應力循環導致疲勞。

　　2)鋼材在高溫空氣中氧化失效。材料本身的抗氧化性、熱強性同樣起著重要的影響。

　　3.閥門溫度場、應力場

　　采用三維軟件模擬仿真設計，施加等同工況的邊界條件，對其溫度場、應力場作有限元法應力分析，如圖3、圖4所示。

圖3 閥板總體溫度分布

圖4 閥板鋼板溫度分布

　　分析結果：閥板鋼板的最高溫度出現在外水環的兩側，最大應力同樣出現在閥板外水環兩側，如圖5所示。

圖5 閥板外水環表面沿軸向熱應力分布

　　4.錨固釘受熱

　　采用三維軟件給閥板(有絕熱材料層)施加1450℃溫度載荷，對錨固釘的受熱作了加載分析，如圖6所示。經分析，錨固釘的最高溫度達857℃，如圖7所示。

圖6 閥板整體溫度場(部分)

圖7 錨固釘的溫度場

　　5.閥門熱風通道結構

　　采用流場分析(如圖8、圖9所示)，使熱風通道更合理，氣流對閥體內側沖刷最小。管道變徑的存在有利于減小閥板下沿的氣體渦流強度，進而也就減小了熱風對閥板和內側板的沖刷侵蝕，延長閥門的使用壽命。

圖8 熱風通道有變徑時速度分布

圖9 熱風通道無變徑時速度分布

　　6.耐火襯里設計

　　分析閥門內側板失效機理：在閥體風道上方的大側板被熱風產生的渦流長時間吹掃，產生徑向裂紋。閥門內腔(除密封面外)搗固高阻熱性的耐火材料，既保護閥門內腔鋼材，又阻止熱量向鋼板的傳遞，減少了熱能損失。

　　7.熱風閥節能、節水量比較

　　熱風閥的冷卻水是在水道中循環的水，它是循環利用的，并不是流失掉的。減少熱風閥的冷卻水量，只是節省了水泵的電能和冷卻水升溫帶走的熱能，如圖10所示。

圖10 水量比較

　　將閥門冷卻水量降低到原來的1/2，水速減少到原來的1/2，根據能量公式E=0.5mv2，熱風閥閥門供水系統每小時消耗的電能將減少到原來的1/8。

　　適當的耐火涂層的設置使熱風溫度降由傳統結構的4℃降到1.8℃。

四、結構設計

　　1)大剛度、小水腔設計。保證冷卻強度，減少冷卻水帶走的熱量。

　　2)閥門內腔(除密封面外)搗固高強、輕質耐火襯里，配合絕熱材料，降低熱負荷，達到節能效果。

　　3)熱風通道合理設計成變徑結構。減少熱風對閥板下沿的沖刷。

　　4)關鍵部位耐熱鋼整體壓延成形，接觸熱風部位無焊縫裸露。提高閥門耐熱疲勞性能和抗高溫氧化性能。

五、材料保障

　　1.鋼材

　　鋼材的選擇從以下三方面考慮：鋼材的耐熱疲勞性;鋼材的抗氧化性;鋼材的焊接性：碳當量≤0.35。

　　關鍵部位采用低合金耐熱鋼鍛件。

　　2.焊接材料

　　選擇與母材相匹配的焊材焊接，等強度設計。

　　3.錨固釘材料

　　錨固釘選擇耐高溫合金材料。

　　4.耐火襯里

　　耐火襯里采用高性能耐材組合使用：低水泥莫來石澆筑料+輕質莫來石澆筑料+絕熱材料。

　　耐材的耐火度：1750℃。

　　耐材的壽命：>15年(使用溫度1450℃)。

　　絕熱材料的使用溫度：1200℃。

六、與國外先進產品比較

　　1.結構、應力比較

　　(1)國外閥板國外閥板為鉆孔結構，冷卻水道分布為方形，且閥板水圈分布在板芯兩側，有兩道焊縫暴露在熱風中，如圖11所示。此結構閥板應力集中嚴重，對閥板冷卻不均勻。

圖11 國外閥板結構

　　閥板外水環表面中心的熱應力最大，為458MPa，接近材料的強度極限，如圖12所示。且這一應力周期性變化，在時間的效應下，將會使閥板邊緣產生裂紋，影響密封效果。

圖12 國外閥板熱應力場

　　(2)秦冶閥板

　　秦冶閥板為螺旋式水道結構，閥板外水圈為整體鍛造結構，無焊縫暴露在熱風中，如圖13所示。此結構閥板應力集中小，冷卻均勻。閥板外水圈兩側熱應力最大，為115MPa，如圖14所示。遠小于材料的強度極限。

圖13 秦冶閥板結構

圖14 秦冶閥板熱應力場

　　國外閥板外水環表面最高應力為458MPa，秦冶閥板為115MPa，應力情況明顯優于國外閥板(見圖15)。

圖15 閥板應力比較圖

　　2.材料比較

　　通過下表中比較可以看出，秦冶閥門選材大部分與國外產品相同，部分優于國外產品。秦冶公司高溫長壽節能熱風閥無論從結構上還是選材上都明顯優于國外產品。

秦冶與國外閥門選材對比表

七、結語

　　秦冶高溫長壽節能熱風閥產品，主要是通過多種現代技術和手段的運用，對熱風閥的冷卻、傳熱機理有了深刻的了解和認識，形成了較完整的理論體系。同時，采用了大量新型專用材料和新技術、新工藝，從而使其產品不但能夠承受較高的風溫，具有較長的壽命，且具有顯著的節能效果。