秦冶節(jié)能型熱風(fēng)閥技術(shù)的研究與實踐

張勇　肖奎軍

摘 要：概述節(jié)能型熱風(fēng)閥產(chǎn)品在材料和冷卻機(jī)理上的技術(shù)研究成果，介紹基于該研究成果的產(chǎn)品在太鋼

4 350 m3高爐、韓國現(xiàn)代4 350 m3高爐、寶鋼湛江5 050 m3高爐、首鋼京唐5 500 m3高爐工程應(yīng)用情況和效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型熱風(fēng)閥；隔熱材料；雷諾數(shù)；工程應(yīng)用；壽命

RESEARCH AND PRACTICE OF QINYE ENERGY-SAVING HOT BLAST VALVE TECHNOLOGY

Zhang Yong? ? Xiao Kuijun

（Engineering Technical Research Centre for Metallurgical Equipments of Hebei Province， Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co.， Ltd.? ? Qinhuangdao? ? 066318， China）

Abstract：This paper provides an overview of the technical research results of energy-saving hot blast valve in terms of materials and cooling mechanisms， and introduces the application and effect of the products based on the research results in 4 350 m3 blast furnace of TISCO， 4 350 m3 blast furnace of Hyundai Steel Co， 5 050 m3 blast furnace of Zhanjiang Iron&Steel ， and 5 500? m3 blast furnace of Shougang Jingtang Iron&Steel.

Key words： lenergy-saving hot blast valve;thermal insulation material; reynolds number; engineering application;life

0? ? 引? ? 言

隨著高爐煉鐵技術(shù)在資源利用、高爐長壽、節(jié)能和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的不斷深入發(fā)展，提高設(shè)備效率，降低能耗，減輕污染，加強(qiáng)資源回收利用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，成為了煉鐵設(shè)備發(fā)展的方向。作為高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心設(shè)備—熱風(fēng)閥的節(jié)能性能、長壽性能也隨之成為產(chǎn)品技術(shù)提升的新方向。

熱風(fēng)閥作為熱風(fēng)管線上關(guān)鍵切斷設(shè)備，其可靠性一直備受鋼鐵廠關(guān)注，但其巨大的用水量也備受設(shè)計院和鋼鐵廠的詬病，因此低耗水量高可靠性的長壽熱風(fēng)閥成為了設(shè)計院和鋼鐵廠的首選。隨著我國材料工業(yè)的長足進(jìn)步，尤其是隔熱材料、耐熱材料、耐熱鋼等大量新型專用材料性能和新技術(shù)、新工藝日益提高，使熱風(fēng)閥在低水量下可靠工作的技術(shù)可行性得到論證。另外，現(xiàn)代CAE分析技術(shù)的工程實踐應(yīng)用，熱風(fēng)閥的熱交換過程模擬得以實現(xiàn)，其冷卻機(jī)理日趨完善。因此，通過以上兩方面的深入研究，可使熱風(fēng)閥產(chǎn)品不但能夠承受較高的風(fēng)溫，具有較長的壽命，且具有顯著的節(jié)能降耗效果。

秦皇島秦冶重工有限公司作為國內(nèi)最早研制高爐煉鐵熱風(fēng)爐系統(tǒng)閥門的企業(yè)，尤其是在熱風(fēng)爐關(guān)鍵核心設(shè)備熱風(fēng)閥產(chǎn)品，擁有深厚的產(chǎn)品設(shè)計、制造、工程應(yīng)用等多方面的技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)過十余年的研究與實踐，推出的節(jié)能型熱風(fēng)閥產(chǎn)品在長壽性、可靠性得到了用戶充分認(rèn)可，這進(jìn)一步驗證了節(jié)能型熱風(fēng)閥設(shè)計理論的正確性。

1? ? 節(jié)能型熱風(fēng)閥材料技術(shù)研究

節(jié)能型熱風(fēng)閥設(shè)計思路是通過減少冷卻水量實現(xiàn)自身能耗減小，并同時減少冷卻水對熱風(fēng)溫度的影響。冷卻水量減少導(dǎo)致冷卻能力的降低，這將大大增加閥門主體鋼結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷，對閥門壽命和穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，因此合理選擇材料，尤其是耐熱材料和隔熱材料，對于設(shè)計節(jié)能熱風(fēng)閥尤其重要。而閥門密封面的冷卻是保證閥門功能實現(xiàn)的重中之重，因此合理設(shè)計密封面冷卻結(jié)構(gòu)形式是節(jié)能型熱風(fēng)閥技術(shù)研究的核心內(nèi)容。

為研究不同耐火材料和隔熱材料的隔熱效果，采用試驗和有限元模擬分析結(jié)合的方法進(jìn)行了隔熱材料的研究，為研究各種鋼材、耐材和焊材等的耐熱疲勞性，通過材料熱疲勞試驗機(jī)實對各種材料破壞過程進(jìn)行了大量測試和研究[1]，總結(jié)了節(jié)能熱風(fēng)閥選材原則，見表1。

2? ? 節(jié)能型熱風(fēng)閥冷卻機(jī)理研究

熱風(fēng)閥在工作狀態(tài)下，如圖3所示，閥體密封面水腔部分、閥板密封面外水圈部分無耐火材料隔熱，鋼結(jié)構(gòu)直接暴露在1 250 ℃以上的熱風(fēng)環(huán)境中的，工況最惡劣，其冷卻狀況直接影響閥門的性能與壽命。

節(jié)能熱風(fēng)閥通過少量冷卻水保證關(guān)鍵密封部位的冷卻，因此合理的密封面水腔是熱風(fēng)閥水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的熱風(fēng)閥密封面水腔設(shè)計基于水流速設(shè)計，參考文獻(xiàn)中提出與密封面水腔水流速1.5～2.0? m/s[2]，這種設(shè)計方法只能粗略地估算設(shè)計流道截面，對于流道結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)性不強(qiáng)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[3]，熱風(fēng)閥的冷卻換熱形式屬于單向流體管內(nèi)受迫對流換熱，要實現(xiàn)好的冷卻效果，需要較大的換熱系數(shù)k。由換熱系數(shù)計算公式可知，雷諾數(shù)Re是影響換熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，利用雷諾數(shù)Re判定流動形式，進(jìn)而判斷冷卻效果更準(zhǔn)確。因此引入雷諾數(shù)判定密封面水腔冷卻效果，當(dāng)

為進(jìn)一步改進(jìn)冷卻水道布置，優(yōu)化水道截面形狀，優(yōu)選耐熱和隔熱材料，實現(xiàn)節(jié)能熱風(fēng)閥要求的少量冷卻水滿足冷卻要求，并保證閥門的長壽命使用，明確節(jié)能熱風(fēng)閥閥體和閥板鋼基體溫度，尤其是密封處水腔溫度分布情況十分必要。根據(jù)前面確定的密封面水腔雷諾數(shù)和截面相關(guān)數(shù)據(jù)可計算出密封面水腔的換熱系數(shù)，為密封面水腔熱分析提供邊界計算條件。利用有限元熱分析軟件可對熱風(fēng)閥的溫度和熱流密度進(jìn)行模擬，如圖5所示為通徑

3? ? 節(jié)能型熱風(fēng)閥工程應(yīng)用情況

節(jié)能型熱風(fēng)閥從2008年開始立項研發(fā)，初期產(chǎn)品閥蓋、閥體采用少水量全水冷結(jié)構(gòu)形式，如圖6a所示，主要工程應(yīng)用案例為首鋼京唐5 500 m³高爐的8臺DN1900節(jié)能型熱風(fēng)閥，自2008年投產(chǎn)以來已在線穩(wěn)定運(yùn)行超過8年。后期隨著隔熱材料的不斷研究深入和使用，新型節(jié)能型熱風(fēng)閥閥蓋采用了無水冷結(jié)構(gòu)形式，閥體除密封面處都采用了無水冷結(jié)構(gòu)形式，水量進(jìn)一步減少，如圖6b所示結(jié)構(gòu)，主要工程應(yīng)用案例為韓國現(xiàn)代5 500 m³高爐的8臺DN1800節(jié)能型熱風(fēng)閥、太鋼4 350 m³高爐的4臺DN1800節(jié)能型熱風(fēng)閥、寶鋼湛江5 050 m³高爐的8臺DN1800節(jié)能型熱風(fēng)閥，這些投產(chǎn)的產(chǎn)品使用工況、用水量和運(yùn)行情況見表3。

4? ? 結(jié)? ? 語

秦冶重工經(jīng)過十余年的研究與實踐，推出的節(jié)能型熱風(fēng)閥產(chǎn)品在長壽性、可靠性得到了用戶充分認(rèn)可，進(jìn)一步驗證了節(jié)能型熱風(fēng)閥在材料研究、冷卻機(jī)理研究上的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 邢衛(wèi)平，孟翠娥.現(xiàn)代大型高爐熱風(fēng)閥高溫長壽節(jié)能技術(shù)[J].通用機(jī)械，2011（5）：38-41+89.

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[3]? ? 李長友，錢東平. 工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)［M］. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2004.