液壓缸懸臂結(jié)構(gòu)料流調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)

田 杰，胡雪萍，盛正平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鐵事業(yè)部，湖北 武漢 430223)

0 前言

無(wú)料鐘爐頂設(shè)備是新一代高爐爐頂裝料設(shè)備，其布料靈活、效果好，能更好地滿足高爐冶煉對(duì)布料的要求［1］，目前我國(guó)絕大部分新建1 000 m3以上的高爐都采用了無(wú)料鐘爐頂裝料設(shè)備。料流調(diào)節(jié)閥是無(wú)鐘爐頂裝料系統(tǒng)中調(diào)節(jié)排料速度跟排料時(shí)間的重要工具，與布料器溜槽合理配合，能保障料罐內(nèi)爐料均勻合理布置到爐內(nèi)。同時(shí)，料流調(diào)節(jié)閥還可以有效保護(hù)下密封閥，使其免受料流沖擊。

1 料流調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式

目前使用的料流調(diào)節(jié)閥主要有球式液壓缸結(jié)構(gòu)、滾筒給料機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓缸懸臂式結(jié)構(gòu)三種。隨著高爐大型化的發(fā)展及冶煉強(qiáng)度的不斷加大，對(duì)爐頂設(shè)備也提出了更高的要求。作為爐頂設(shè)備的重要組成部分，料流調(diào)節(jié)閥在高爐布料過(guò)程中起著非常重要的作用。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，液壓缸懸臂式結(jié)構(gòu)的料流調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置占用空間小、操作方便、控制靈活、可靠性高，能很好地滿足大型高爐的使用要求，其使用效果得到了業(yè)界的普遍肯定。

2 液壓缸懸臂式料流調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)

2.1 組成及作用

如圖1所示，液壓缸懸臂式料流調(diào)節(jié)閥主要由閥箱殼體、上部導(dǎo)料溜槽、下部導(dǎo)料筒、閥板組件、傳動(dòng)裝置組件及角度檢測(cè)裝置等組成。其中閥箱殼體是料流調(diào)節(jié)閥其它構(gòu)件的載體，要求有足夠的強(qiáng)度以及良好的密封性能。上部導(dǎo)料溜槽及下部導(dǎo)料筒內(nèi)部嵌套硬質(zhì)合金襯板或耐磨陶瓷，以有效抵御料流的沖刷。傳動(dòng)裝置用于把液壓缸的伸縮動(dòng)作轉(zhuǎn)化成閥板的啟閉動(dòng)作，角度檢測(cè)裝置能對(duì)閥板轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行精確檢測(cè)，作為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確布料的依據(jù)。

圖1 料流調(diào)節(jié)閥三維模型Fig.1 Three-dimensional model of charging throttle valve

2.2 能力計(jì)算

以某鋼廠3 800 m3高爐為例，計(jì)算料流調(diào)節(jié)閥的通徑。首先計(jì)算料流調(diào)節(jié)閥的料流量，通常料流量是按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［4］。

式中，v為原料出口最小截面的流速，m/s;λ為原料的流動(dòng)系數(shù)，一般在0.35～0.7之間，焦炭取較小值，燒結(jié)礦和天然礦取較大值，球團(tuán)礦取最大值;α為出口料流的軸心線與水平面之間的夾角，垂直下料時(shí)α=90°g為重力加速度，m;L為排料口的周邊長(zhǎng)度 (半圓形料口)，m2;L=π×D，D為排料口直徑，m;F為排料口的

式中，Ω為排料率;V為料罐有效容積，取V=70 m3;t為每次布料時(shí)間。

一般3 800 m3高爐在趕料線時(shí)，布料速度需達(dá)按每小時(shí)至少8批次料，即料罐裝16次料，每次料循環(huán)時(shí)間為t=60×60/16=225 s。每次料循環(huán)的時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 爐頂設(shè)備布料動(dòng)作時(shí)間表Tab.1 schedule for charging action of furnace top equipment

動(dòng)作 所需時(shí)間/s上密開(kāi)啟 3上密關(guān)閉 3料進(jìn)入料罐 t1均壓 16放散 8料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟 3料流調(diào)節(jié)閥關(guān)閉 8下密封閥開(kāi)啟 3下密封閥關(guān)閉 3料從料罐下落 t 2

假定t1=t2，通過(guò)計(jì)算可知

一般布料時(shí)間要大于料進(jìn)入料罐時(shí)間，依照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，取t2=90 s。

取λ=0.5，經(jīng)計(jì)算得D=870 mm

2.3 重要部件受力分析

由于該裝置為懸臂式結(jié)構(gòu)，需充分考慮轉(zhuǎn)臂的剛度問(wèn)題以及支撐傳動(dòng)裝置的殼體強(qiáng)度。在對(duì)整個(gè)裝置建模后，利用有限元分析軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力分析。

分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 變形曲線Fig.2 Deformation curve

由圖2、圖3可知，轉(zhuǎn)臂最前端應(yīng)變較大，達(dá)到3 mm，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮此處變形，采取措施加強(qiáng)該處區(qū)域的剛度;轉(zhuǎn)臂最大應(yīng)力約102 MPa，在可控范圍內(nèi)，但拐角處強(qiáng)度仍需考慮。

圖3 應(yīng)力曲線Fig.3 Stress curve

2.4 料流曲線的制定

當(dāng)爐料批重和溜槽轉(zhuǎn)速確定之后，調(diào)整爐料在爐內(nèi)的分布較大程度上取決于料流調(diào)節(jié)閥的控制，因此，建立準(zhǔn)確的料流曲線對(duì)于實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)爐料均勻分布及改善高爐操作等具有十分重要的意義。

料流曲線對(duì)應(yīng)于料流調(diào)節(jié)閥料流量Q與開(kāi)度α之間的函數(shù)關(guān)系。通常由數(shù)學(xué)模型計(jì)算或是裝料實(shí)測(cè)得出計(jì)算垂直料面時(shí)不同開(kāi)度角的料流量。

Qα=Fα×Vα=條件為垂直料面)

式中，α為料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度角;Qα為開(kāi)度角為α?xí)r的料流量;Fα為開(kāi)度角為α?xí)r排料口的流通面積;Vα為開(kāi)度角為α?xí)r原料出口最小截面的流速;Lα為開(kāi)度為α?xí)r排料口的周邊長(zhǎng)度 (半圓形料口)。

表2 不同開(kāi)度角對(duì)應(yīng)的參數(shù)值Tab.2 Parameters corresponding to different apertures

由表2可以繪制出相應(yīng)的料流曲線如圖4所示:

圖4 料流曲線Fig.4 Charging flow curves

實(shí)際上，料流量的大小除了與料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度有關(guān)外，還與爐料批重的大小及礦石、焦炭的粒度等諸多因素有關(guān)。綜合考慮各種因素，建立一套完整的控制模式，依據(jù)這一模式去實(shí)時(shí)指導(dǎo)料流閥的開(kāi)度，才能實(shí)現(xiàn)料流的均衡。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)單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

在得到料流曲線后，通過(guò)調(diào)節(jié)料流閥的開(kāi)度就能控制單位時(shí)間流過(guò)料流閥的物料量。料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)時(shí)開(kāi)度是通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸末端的角度檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的。要想布料順暢準(zhǔn)確，角度的檢測(cè)就必須準(zhǔn)確可靠。

角度檢測(cè)裝置帶有兩個(gè)絕對(duì)值編碼器，并行布置。當(dāng)其中一臺(tái)編碼器發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)化控制程序可以迅速切換，導(dǎo)入備用編碼器數(shù)據(jù)，防止因編碼器失靈引起高爐布料失控的事故。編碼器的并行布置可通過(guò)一套專門的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，原理是把一根軸的旋轉(zhuǎn)通過(guò)一對(duì)齒輪的嚙合轉(zhuǎn)化為并列的兩根輸出軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

懸壁結(jié)構(gòu)的料流閥布置簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，后需空間小。料流調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)需考慮以下幾點(diǎn):

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮，保證料流順暢，盡量減小料流偏析以及料流對(duì)設(shè)備的沖刷;

(2)部件設(shè)計(jì)需要求足夠強(qiáng)度與剛度，保證設(shè)備能力滿足工況要求;

(3)料流曲線需準(zhǔn)確可靠，更好滿足布料操作的需要;

(4)檢測(cè)及反饋系統(tǒng)需精確穩(wěn)定，滿足電氣控制的要求。

［1］ 項(xiàng)中庸，王筱留．高爐設(shè)計(jì)－煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2007．

［2］ 馮文強(qiáng)．無(wú)料鐘爐頂設(shè)備中一種新型球式數(shù)字缸料流調(diào)節(jié)閥的簡(jiǎn)介 ［J］．冶金設(shè)備，2009(5)．

［3］ 徐建峰．馬鋼2 500 m3料流調(diào)節(jié)閥故障診斷分析［J］．煉鐵，2003(5)．

［4］ 羅振才．冶煉機(jī)械設(shè)計(jì)方法 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1993．

［5］ 顧德仁，李肇意．高爐料流調(diào)節(jié)閥重量控制模式初探 ［J］．寶鋼技術(shù)，1995(2)．

［6］ 熊延飛．無(wú)料鐘爐頂料流調(diào)節(jié)閥控制模型的研究［J］．冶金設(shè)備，2004(6)．