液压缸悬臂结构料流调节阀的设计

田 杰，胡雪萍，盛正平

(中冶南方工程技术有限公司炼铁事业部，湖北 武汉 430223)

0 前言

无料钟炉顶设备是新一代高炉炉顶装料设备，其布料灵活、效果好，能更好地满足高炉冶炼对布料的要求［1］，目前我国绝大部分新建1 000 m3以上的高炉都采用了无料钟炉顶装料设备。料流调节阀是无钟炉顶装料系统中调节排料速度跟排料时间的重要工具，与布料器溜槽合理配合，能保障料罐内炉料均匀合理布置到炉内。同时，料流调节阀还可以有效保护下密封阀，使其免受料流冲击。

1 料流调节阀结构形式

目前使用的料流调节阀主要有球式液压缸结构、滚筒给料机结构、液压缸悬臂式结构三种。随着高炉大型化的发展及冶炼强度的不断加大，对炉顶设备也提出了更高的要求。作为炉顶设备的重要组成部分，料流调节阀在高炉布料过程中起着非常重要的作用。经过多年的生产实践检验，液压缸悬臂式结构的料流调节阀结构简单、布置占用空间小、操作方便、控制灵活、可靠性高，能很好地满足大型高炉的使用要求，其使用效果得到了业界的普遍肯定。

2 液压缸悬臂式料流调节阀的设计

2.1 组成及作用

如图1所示，液压缸悬臂式料流调节阀主要由阀箱壳体、上部导料溜槽、下部导料筒、阀板组件、传动装置组件及角度检测装置等组成。其中阀箱壳体是料流调节阀其它构件的载体，要求有足够的强度以及良好的密封性能。上部导料溜槽及下部导料筒内部嵌套硬质合金衬板或耐磨陶瓷，以有效抵御料流的冲刷。传动装置用于把液压缸的伸缩动作转化成阀板的启闭动作，角度检测装置能对阀板转动角度进行精确检测，作为实现准确布料的依据。

图1 料流调节阀三维模型Fig.1 Three-dimensional model of charging throttle valve

2.2 能力计算

以某钢厂3 800 m3高炉为例，计算料流调节阀的通径。首先计算料流调节阀的料流量，通常料流量是按照经验公式计算［4］。

式中，v为原料出口最小截面的流速，m/s;λ为原料的流动系数，一般在0.35～0.7之间，焦炭取较小值，烧结矿和天然矿取较大值，球团矿取最大值;α为出口料流的轴心线与水平面之间的夹角，垂直下料时α=90°g为重力加速度，m;L为排料口的周边长度 (半圆形料口)，m2;L=π×D，D为排料口直径，m;F为排料口的

式中，Ω为排料率;V为料罐有效容积，取V=70 m3;t为每次布料时间。

一般3 800 m3高炉在赶料线时，布料速度需达按每小时至少8批次料，即料罐装16次料，每次料循环时间为t=60×60/16=225 s。每次料循环的时间见表1。

表1 炉顶设备布料动作时间表Tab.1 schedule for charging action of furnace top equipment

动作 所需时间/s上密开启 3上密关闭 3料进入料罐 t1均压 16放散 8料流调节阀开启 3料流调节阀关闭 8下密封阀开启 3下密封阀关闭 3料从料罐下落 t 2

假定t1=t2，通过计算可知

一般布料时间要大于料进入料罐时间，依照相关经验，取t2=90 s。

取λ=0.5，经计算得D=870 mm

2.3 重要部件受力分析

由于该装置为悬臂式结构，需充分考虑转臂的刚度问题以及支撑传动装置的壳体强度。在对整个装置建模后，利用有限元分析软件对关键部件进行应力分析。

分析结果如图2、图3所示。

图2 变形曲线Fig.2 Deformation curve

由图2、图3可知，转臂最前端应变较大，达到3 mm，设计时，应充分考虑此处变形，采取措施加强该处区域的刚度;转臂最大应力约102 MPa，在可控范围内，但拐角处强度仍需考虑。

图3 应力曲线Fig.3 Stress curve

2.4 料流曲线的制定

当炉料批重和溜槽转速确定之后，调整炉料在炉内的分布较大程度上取决于料流调节阀的控制，因此，建立准确的料流曲线对于实现炉内炉料均匀分布及改善高炉操作等具有十分重要的意义。

料流曲线对应于料流调节阀料流量Q与开度α之间的函数关系。通常由数学模型计算或是装料实测得出计算垂直料面时不同开度角的料流量。

Qα=Fα×Vα=条件为垂直料面)

式中，α为料流调节阀开度角;Qα为开度角为α时的料流量;Fα为开度角为α时排料口的流通面积;Vα为开度角为α时原料出口最小截面的流速;Lα为开度为α时排料口的周边长度 (半圆形料口)。

表2 不同开度角对应的参数值Tab.2 Parameters corresponding to different apertures

由表2可以绘制出相应的料流曲线如图4所示:

图4 料流曲线Fig.4 Charging flow curves

实际上，料流量的大小除了与料流调节阀的开度有关外，还与炉料批重的大小及矿石、焦炭的粒度等诸多因素有关。综合考虑各种因素，建立一套完整的控制模式，依据这一模式去实时指导料流阀的开度，才能实现料流的均衡。目前国内有关单位已在控制模型方面做了很多卓有成效的工作［5-6］。

2.5 精度的控制

在得到料流曲线后，通过调节料流阀的开度就能控制单位时间流过料流阀的物料量。料流调节阀的实时开度是通过安装在传动轴末端的角度检测装置实现的。要想布料顺畅准确，角度的检测就必须准确可靠。

角度检测装置带有两个绝对值编码器，并行布置。当其中一台编码器发生故障时，自动化控制程序可以迅速切换，导入备用编码器数据，防止因编码器失灵引起高炉布料失控的事故。编码器的并行布置可通过一套专门的齿轮传动系统实现，原理是把一根轴的旋转通过一对齿轮的啮合转化为并列的两根输出轴同速转动。

3 结束语

悬壁结构的料流阀布置简单，动作可靠，后需空间小。料流调节阀的设计需考虑以下几点:

(1)结构设计需综合考虑，保证料流顺畅，尽量减小料流偏析以及料流对设备的冲刷;

(2)部件设计需要求足够强度与刚度，保证设备能力满足工况要求;

(3)料流曲线需准确可靠，更好满足布料操作的需要;

(4)检测及反馈系统需精确稳定，满足电气控制的要求。

［1］ 项中庸，王筱留．高炉设计－炼铁工艺设计理论与实践［M］．北京:冶金工业出版社，2007．

［2］ 冯文强．无料钟炉顶设备中一种新型球式数字缸料流调节阀的简介 ［J］．冶金设备，2009(5)．

［3］ 徐建峰．马钢2 500 m3料流调节阀故障诊断分析［J］．炼铁，2003(5)．

［4］ 罗振才．冶炼机械设计方法 ［M］．北京:冶金工业出版社，1993．

［5］ 顾德仁，李肇意．高炉料流调节阀重量控制模式初探 ［J］．宝钢技术，1995(2)．

［6］ 熊延飞．无料钟炉顶料流调节阀控制模型的研究［J］．冶金设备，2004(6)．