針對(duì)天鐵高爐新型液動(dòng)爐頂放散閥在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)不到位、密封面不嚴(yán)等問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)閥體自身運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理及閥座閥蓋密封面受熱膨脹等因素導(dǎo)致了休風(fēng)放散閥不能正常使用。經(jīng)分析后對(duì)高爐爐頂休風(fēng)放散閥系統(tǒng)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

　　隨著冶煉強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)對(duì)Φ600mm放散閥的控制。然而使用中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)開(kāi)關(guān)不到位，密封面不嚴(yán)等問(wèn)題，導(dǎo)致高爐二次休風(fēng)。這樣不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且耗費(fèi)了寶貴的休風(fēng)時(shí)間。為此，對(duì)休風(fēng)放散進(jìn)行了認(rèn)真的研究分析，針對(duì)存在的問(wèn)題對(duì)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(qū)動(dòng)，四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，閥門(mén)關(guān)閉后四桿機(jī)構(gòu)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(gòu)成：閥門(mén)包括閥蓋、閥座和閥體;驅(qū)動(dòng)裝置包括油缸、四桿機(jī)構(gòu)、緩沖裝置與萬(wàn)向連接裝置和調(diào)節(jié)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(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)螺栓總共四條，可以調(diào)節(jié)閥蓋在四桿機(jī)構(gòu)大驅(qū)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(duì)原Φ600mm放散閥的研究分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前油缸壓力足夠，且四連桿鎖緊機(jī)構(gòu)和密封材料均不是造成該問(wèn)題的原因。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)該閥的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、爐頂煤氣壓力、閥座受熱膨脹是造成Φ600mm放散閥關(guān)不嚴(yán)的主要原因。因此決定從這幾方面著手進(jìn)行改造。

1.油缸　2.四桿機(jī)構(gòu)　3.緩沖裝置與萬(wàn)向連接裝置　4.調(diào)節(jié)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(yùn)動(dòng)機(jī)理問(wèn)題分析

　　閥的運(yùn)動(dòng)機(jī)理見(jiàn)圖1，閥蓋密封面上部為內(nèi)圓錐體，下部為內(nèi)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(nèi)有一道槽，內(nèi)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?jī)?nèi)圓錐體壓緊閥座的下部外圓錐體，構(gòu)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(nèi)圓柱體壓緊閥座外圓柱體上的U形密封圈，構(gòu)成一道軟密封面。閥蓋與四桿機(jī)構(gòu)通過(guò)萬(wàn)向機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)螺栓連接，整個(gè)閥蓋可以認(rèn)為是一個(gè)以A點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)關(guān)閉的裝置，關(guān)閉時(shí)閥蓋以A點(diǎn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)。理論上，因?yàn)殚y座與閥蓋上都有一段圓柱體，關(guān)閉時(shí)要求閥蓋內(nèi)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(yùn)動(dòng)，而實(shí)際上整個(gè)閥蓋做的是一個(gè)圓周運(yùn)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(xiàn)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(jī)構(gòu)大驅(qū)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(diào)整量，關(guān)閉時(shí)，閥蓋在油缸壓力下可以完成一個(gè)自調(diào)整而關(guān)閉。但是如果閥蓋受爐頂壓力太大而傾斜嚴(yán)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(nèi)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(jī)構(gòu)大驅(qū)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，F(xiàn)1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(diào)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(xiàn)自調(diào)整，設(shè)計(jì)閥蓋與閥座的內(nèi)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(fù)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(jì)算，閥座半徑取整R=300mm，鑄鋼材料線(xiàn)膨脹系數(shù)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(shè)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(dǎo)致閥座與閥蓋卡阻，致使Φ600mm放散閥關(guān)不嚴(yán)。

3.4、問(wèn)題總結(jié)

　　該Φ600mm放散閥的閥蓋的運(yùn)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(dǎo)致Φ600mm放散閥關(guān)不嚴(yán)。

4、Φ600mm休風(fēng)放散閥改進(jìn)

　　為使Φ600mm放散閥更安全有效的運(yùn)行，研究了解決方案，改變了Φ600mm放散閥的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　經(jīng)研究，將此Φ600mm放散閥的閥座和閥蓋結(jié)構(gòu)形式調(diào)換，即閥座改為內(nèi)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(jié)構(gòu)形式改為現(xiàn)在的單一球面密封接觸結(jié)構(gòu)。改造后的閥蓋與閥座如圖3所示。因?yàn)橹挥幸粋�(gè)接觸面，因此閥座和閥蓋不會(huì)發(fā)生卡阻現(xiàn)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(tuán)公司機(jī)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 改造后的閥帽球面接觸密封面結(jié)構(gòu)

4.2.1、硬密封面改進(jìn)

　　球面密封相對(duì)錐面密封是一種較為可靠的密封結(jié)構(gòu)。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(jù)鐵廠(chǎng)多年來(lái)使用球面密封結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，球面結(jié)構(gòu)可以避免爐內(nèi)煤氣向外直吹，因此可以延長(zhǎng)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(dá)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(duì)表面堆焊技術(shù)，表面硬度更高，壽命更長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(diào)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(shè)計(jì)。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(diào)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(shè)備滿(mǎn)足要求，更換后要對(duì)設(shè)備進(jìn)行試壓并對(duì)閥蓋進(jìn)行調(diào)節(jié)。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?dú)馄窟B接，打開(kāi)氮?dú)馄块_(kāi)關(guān)，然后從0.1~0.4MPa逐漸調(diào)節(jié)氮?dú)鈮毫Γ�通過(guò)壓力表可以觀察記錄閥內(nèi)壓力。調(diào)節(jié)過(guò)程中觀察閥蓋是否漏氣或被氣壓頂開(kāi)。如果密封面漏氣，可以調(diào)節(jié)閥蓋上面的四條調(diào)節(jié)螺栓或更換U形密封圈，如果閥蓋被頂開(kāi)則可以調(diào)節(jié)閥蓋上面的碟簧，使之滿(mǎn)足要求。

6、結(jié)語(yǔ)

　　改進(jìn)后的Φ600mm放散閥已應(yīng)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(qiáng)度，提高了休風(fēng)放散閥的穩(wěn)定性，為天鐵高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造了條件。