智能調(diào)節(jié)爐頂上密封閥夾緊力系統(tǒng)設(shè)計

吳志勇，楊培俊

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

爐頂是煉鐵高爐核心領(lǐng)域，用來向高爐內(nèi)輸入原燃料，使?fàn)t內(nèi)得到合理分布，且能保證高爐有穩(wěn)定密封性的設(shè)備系統(tǒng)［1］。20 世紀(jì)70 年代年代盧森堡保爾沃斯（PaulWurth）公司設(shè)計了無料鐘裝料設(shè)備（PW 型爐頂），其為積木式結(jié)構(gòu)，采用小直徑的上、下密封閥實(shí)現(xiàn)爐頂煤氣密封，采用旋轉(zhuǎn)溜槽和料流調(diào)節(jié)閥布料。無料鐘具有很大的優(yōu)越性，目前在國內(nèi)外得到了廣泛使用。上、下密封閥安裝在稱量罐的上、下口，起密封作用，屬于PW 型爐頂核心設(shè)備。上密封閥的開閉是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動閥板做旋轉(zhuǎn)、夾緊運(yùn)動來完成的，當(dāng)料罐排壓后，上密封閥打開，爐料從上料閘經(jīng)過上密封閥到稱量罐里，當(dāng)料罐停止裝料后，上密封閥關(guān)閉，對料罐進(jìn)行密封并充壓，以保證高爐高壓操作［2］。為了保證閥板與閥座的密封性，在閥座的壓圈與密封圈接觸面上堆焊硬質(zhì)合金，閥板上的密封圈采用硅橡膠密封圈。日常生產(chǎn)中，上密封閥由于開啟頻繁，運(yùn)行中載荷大，故障率較高，嚴(yán)重制約爐頂設(shè)備的運(yùn)行效率。

1 上密封閥高故障率原因分析

1.1 上密封閥系統(tǒng)故障統(tǒng)計分析

馬鋼擁有6 座高爐，全部采用無料鐘裝料設(shè)備（PW 型爐頂），2010～2020 年馬鋼產(chǎn)線高爐爐頂上密封閥故障率統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 2010～2020年高爐爐頂上密封閥故障率統(tǒng)計

馬鋼高爐定修周期為4 個月，每次定修均更換上密封閥硅膠密封圈，對上密驅(qū)動大臂進(jìn)行裂紋超聲探測。每12～18個月預(yù)防性更換上密封閥板，每36 個月更換上密驅(qū)動大臂。雖然上密封閥嚴(yán)格按照周期性管理及預(yù)防性維修模式，但是上密封閥的故障率仍居高不下。從表1 可以看出，機(jī)械故障占爐頂上密封閥總故障的72%，主要體現(xiàn)在上密封閥旋轉(zhuǎn)大臂開裂、閥板開裂以及閥板上的硅橡膠密封圈開裂。一旦上密封閥大臂開裂、閥板或密封圈開裂（見圖1），稱量罐無法得到有效密封，高爐就需要被迫休風(fēng)6～16 h，嚴(yán)重制約高爐高效生產(chǎn)。

圖1 上密封閥大臂、閥板、密封圈開裂圖

1.2 上密封閥大臂、閥板及密封圈開裂原因分析

（1）PW 型無料鐘爐頂主要設(shè)備有均排壓閥、上料閘、上密封閥、下密封閥、料流調(diào)節(jié)閥等［3］，這些設(shè)備均共用一套液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)采用恒壓變量泵，液壓系統(tǒng)取以上設(shè)備中最大所需壓力為設(shè)定壓力。在高爐休風(fēng)狀態(tài)下，對3 200 m3高爐的爐頂設(shè)備進(jìn)行液壓壓力測試可知，均排壓閥需求壓力約為8 MPa，上料閘滿載開啟需求壓力約為16 MPa，上密封閥夾緊動作需求壓力約為10 MPa，下料閘滿載開啟需求壓力約為15 MPa，下密封閥需求壓力約為12 MPa。上述單體設(shè)備最大需求壓力是16 MPa，因此一般PW 公司設(shè)計的串罐型爐頂液壓系統(tǒng)壓力設(shè)置為17 MPa 左右。盡管上密封閥夾緊動作只需要10 MPa 的壓力，但是系統(tǒng)壓力設(shè)定仍大于16 MPa。當(dāng)上密封閥板與閥座夾緊后，理想狀態(tài)下硅膠圈壓縮2～3 mm，但由于液壓壓力過大，常導(dǎo)致上密閥座的限位齒變形，閥板受力開裂變形。

（2）承載上密封的設(shè)備稱為稱量罐，是用來儲存、稱量爐料且具備充壓功能的容器。在高爐生產(chǎn)工藝中，當(dāng)上密封閥的閥板在液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動作用下，與上密封閥座夾緊后，高爐計算機(jī)系統(tǒng)通過控制均排壓系統(tǒng)向稱量罐內(nèi)充入0.2～0.3 MPa 的氣體，使得稱量罐內(nèi)部的氣體壓力稍大于高爐爐內(nèi)壓力，以便于礦石、焦炭等原燃料順利放入高爐。從這個工藝可以看出，當(dāng)稱量罐內(nèi)充入一定壓力的氣體后，上密封閥板在罐內(nèi)氣壓的作用下，產(chǎn)生較大的盲板力。稱量罐及上密封閥示意圖見圖2。

圖2 稱量罐及上密封閥示意圖

由于在上密封閥夾緊過程中，上密封閥板受到的壓力F為17 MPa 左右的液壓通過油缸活塞作用的夾緊力F1，以及充入0.2～0.3 MPa 壓力的氣體對上密封閥板產(chǎn)生的盲板力F2形成的疊加。

式中：F1—液壓通過油缸活塞作用的夾緊力，N；

P1—上密封閥液壓系統(tǒng)壓力，MPa；

A—油缸活塞面積，cm2；

d—油缸直徑，cm；

F2—?dú)怏w對上密封閥板產(chǎn)生的盲板力，N；

P2—充入稱量罐的氣體壓力，MPa；

D—上密封閥板的直徑，cm；

F—上密封閥板受到的壓力，N。

從上密封閥構(gòu)件來看，上密閥板、密封圈及上密大臂頻繁開裂，主要是因為上密閥板與閥座的夾緊力過大，大臂、閥板等剛性構(gòu)件產(chǎn)生疲勞。造成上密封閥板與閥座夾緊力過大的原因如下。

（1）爐頂所有設(shè)備共用一套液壓站，各單體設(shè)備的液壓回路壓力設(shè)定均等于系統(tǒng)壓力，上密封閥的液壓夾緊力超過了所需的液壓壓力。

（2）稱量罐等同于一個壓力容器，當(dāng)罐內(nèi)均壓向爐內(nèi)放料時，均壓氣體壓力對上密封閥板產(chǎn)生較大的盲板力。

2 智能調(diào)節(jié)爐頂上密封閥夾緊力設(shè)計

現(xiàn)以馬鋼2 500～4 000 m3高爐為例。爐頂采用DN1 600 的上密封閥，油缸活塞直徑d=12 cm，上密封閥閥板直徑160 cm，液壓系統(tǒng)壓力18 MPa，充入稱量罐的氣體壓力P2=0.2 MPa。

2.1 上密封閥閥座與閥板之間的夾緊力分析

為了便于計算，不考慮上密大臂機(jī)構(gòu)的力臂關(guān)系。

由（1）式得液壓產(chǎn)生的夾緊力：

由（2）式得均壓氣體產(chǎn)生的盲板力：

通過試驗，液壓系統(tǒng)只需要對液壓缸提供10 MPa的壓力就足以讓上密封閥完成動作，10 MPa 是上密封閥所需的臨界液壓系統(tǒng)壓力。

命名上密封閥所需的臨界夾緊力為F設(shè)，由（1）式得：

而在實(shí)際生產(chǎn)中，上密封閥板受到的壓力F為18 MPa 的液壓通過油缸活塞作用的夾緊力F1，以及充入0.2 MPa 壓力的氣體對上密封閥板產(chǎn)生的盲板力F2形成的疊加，F(xiàn)=F1+F2。只需F略大于F設(shè)，即可滿足運(yùn)行需要，F(xiàn)過大就會造成上密封閥板開裂，壽命縮短。因而理想狀態(tài)下F應(yīng)盡可能等于或稍大于F設(shè)，當(dāng)F2增大時，通過按比例減小F1值，盡可能保證F處于較小狀態(tài)。

通過反推計算，當(dāng)氣體對閥板的盲板力F≥F設(shè)時，液壓的壓力可以為0 MPa，靠氣體盲板力即可將上密封閥板夾緊。

由F設(shè)=1 130.4 N 可以計算得出：當(dāng)均壓氣體壓力達(dá)到0.056 MPa 時，僅靠充入稱量罐內(nèi)的氣體壓力即可將上密封閥板與閥座夾緊。液壓壓力可以降為0 MPa，因而0.056 MPa 為稱量罐氣體自封上密封閥板的壓力臨界值。

2.2 稱量罐均壓氣體壓力的檢測

在稱量罐上安裝一個壓力傳感器，能實(shí)時檢測稱量罐內(nèi)部壓力，輸出4～20 mA的電流信號。

2.3 上密封閥夾緊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計

針對造成上密封閥板與閥座夾緊力過大的2個因素，對爐頂上密封閥液壓回路重新進(jìn)行設(shè)計。

（1）對上密封閥液壓回路增加減壓閥，減壓閥初始調(diào)定壓力10 MPa。將爐頂液壓系統(tǒng)壓力從18 MPa 減壓到10 MPa，上密封閥夾緊，即可滿足實(shí)際運(yùn)行需要。其他上料閘等爐頂設(shè)備的液壓壓力仍為液壓系統(tǒng)壓力18 MPa。

（2）稱量罐內(nèi)充入0.056 MPa 的氣體后，上密封閥板產(chǎn)生的盲板力F2＞F設(shè)，即使上密封液壓油缸的壓力為0 MPa，盲板力也足夠支撐上密封閥板夾緊。在稱量罐內(nèi)部氣體壓力從0 MPa 升至0.2 MPa 的過程中，上密封閥板產(chǎn)生的盲板力從0 MPa 升至F2。因此可以將上密封閥液壓回路中增加的液壓減壓閥設(shè)計為比例減壓閥，將比例減壓閥初始壓力減至10 MPa，隨著稱量罐內(nèi)的壓力逐漸增加，比例減壓閥按比例減壓，當(dāng)氣體壓力達(dá)到0.056 MPa 時，液壓壓力減至0 MPa。

新設(shè)計的上密封閥液壓系統(tǒng)見圖3。

圖3 新設(shè)計的上密封閥液壓系統(tǒng)

在上密封液壓系統(tǒng)中疊加一個液壓比例減壓閥，把上密封閥的液壓系統(tǒng)壓力從18 MPa 降低至10 MPa。在高爐上料工藝中，當(dāng)上密封閥液壓系統(tǒng)兩位四通電磁閥得到夾緊信號后，電磁閥打開，液壓壓力油通過電磁閥及液壓調(diào)速閥到達(dá)夾緊油缸。夾緊油缸活塞桿通過油缸銷軸帶動連桿，連桿通過連接件帶動上密封閥板向上運(yùn)動，直到上密封閥板與上密閥座接觸后，此時夾緊信號到位，均排壓系統(tǒng)開始啟動，向稱量罐內(nèi)充入氮?dú)饣蛘呙簹?，稱量罐內(nèi)壓力從0 MPa向0.2 MPa逐漸增加，上密封閥液壓壓力相應(yīng)從10 MPa 降至0 MPa。相反，當(dāng)稱量罐內(nèi)的壓力通過均排壓系統(tǒng)排出后，罐內(nèi)的壓力從0.2 MPa 降至0 MPa 時，上密封閥液壓壓力從0 MPa增加至10 MPa。在整個上密封閥夾緊過程中，上密封閥的系統(tǒng)受力由以前的16～18 MPa，調(diào)整至現(xiàn)在的0～10 MPa，保證了上密封閥可靠運(yùn)行，延長了設(shè)備使用壽命。上密封閥液壓回路的壓力與稱量罐均壓氣體的壓力比例關(guān)系見圖4，控制關(guān)系見圖5。

圖4 液壓回路與均壓氣體壓力關(guān)系圖

圖5 均壓氣體壓力與液壓壓力控制關(guān)系圖

3 結(jié)語

根據(jù)上密封閥的閥板面積相對于油缸活塞直徑比達(dá)到10多倍的結(jié)構(gòu)原理，巧用稱量罐均壓所充入的氣體壓力對上密閥板產(chǎn)生的盲板力進(jìn)行自密封。稱量罐上的壓力變送器輸出的4～20 mA電信號通過計算機(jī)系統(tǒng)與液壓比例減壓閥相匹配，液壓比例減壓閥對上密封液壓缸液壓壓力進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，稱量罐均壓氣體增加，液壓壓力按比例減小，稱量罐排壓，氣體壓力降低，液壓壓力按比例增大。通過罐壓檢測、計算機(jī)系統(tǒng)和液壓比例減壓閥聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)節(jié)爐頂上密封閥夾緊力，從而降低上密封閥板受到的夾緊力，延長閥板使用壽命。