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现代大型高炉热风阀高温长寿节能技术

发布日期:2017/06/01

  随着能源越来越紧缺,高炉炼铁设备的节能问题受到整个人类的高度重视。作为热风管线切断设备的热风阀的节能问题提上议事日程。

  1 热风阀特点

  1.1 高温:使用温度1450℃

  1.2 长寿:使用寿命15~20年。

  1.3 节能:热风温度降由传统结构的4℃降低到1.8℃。所用电能为传统结构的1/4以下。

  1.4 少水:水量为传统结构的1/3。

  那么,这些特点是靠什么来保证呢?

  基于多年来对热风阀的研制经验,通过大型计算机软件对阀门的温度场、热应力场、流场进行模拟工况分析,结合现代高炉技术发展,进行各项研究。并将研究结果应用到阀门的设计制造中去,产品即获得了优异的技术性能。

  2 对阀门所作的各项研究分析

  2.1 阀门破坏原因

  2.1.1 阀门在开启初期,热风流通面积狭小,热风流速增高,阀板热负荷加大。

  2.1.2阀板在全开状态下,阀板下部长期受热风涡流扫掠被吹扫出细微沟痕,逐渐产生微观裂纹,裂纹迁延直至漏水。

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  22.jpg2.1.3由于阀板漏水,阀体内耐火涂料受潮大片脱落,阀体接着也发生破坏。

  2.2 材料的破坏机理

  为研究不同材料和防护方式的耐热疲劳性,研制了材料热疲劳试验机,对材料破坏过程进行了大量测试和研究。分析结果:

  2.2.1材料在送风期和燃烧期转换时引起的低周波热应力循环导致疲劳。 图3 疲劳试验检测装置

  2.2.2 钢材在高温空气中氧化失效。材料本身的抗氧化性、热强性同样起着重要的影响。

  2.3 阀门温度场、应力场

  采用三维软件模拟仿真设计,施加等同工况的边界条件,对其温度场、应力场作有限元法应力分析。


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  分析结果:阀板钢板的高温度出现在外水环的两侧。大应力同样出现在阀板外水环两侧。

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  2.4 锚固钉受热

  采用三维软件给阀板(有绝热材料层)施加1450℃温度载荷,对锚固钉的受热作了加载分析。

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  经分析,锚固钉的高温度达857℃。

  2.5 阀门热风通道结构

  采用流场分析,使热风通道更合理,气流对阀体内侧冲刷小。

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  小结:管道变径的存在有利于减小阀板下沿的气体涡流强度,进而也就减小了热风对阀板和内侧板的冲刷侵蚀,延长阀门的使用寿命

  2.6 耐火衬里设计

  分析阀门内侧板失效机理:在阀体风道上方的大侧板被热风产生的涡流长时间吹扫,产生径向裂纹。

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  阀门内腔(除密封面外)捣固高阻热性的耐火材料,既保护阀门内腔钢材,又阻止热量向钢板的传递,减少了热能损失。

  2.7 冷却水量变化对温度载荷幅值的影响

  将阀板的冷却水量由50T/h降到25T/h,分析温度载荷的变化。

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  通过分析可以看出:50T 水时阀门钢体的应力值较25T时低,而应力变化幅度则明显的高出。也就是说,高冷却水降低了钢体的平均使用温度,同时也加大了冷热交变应力的影响,从而加速了钢体的热疲劳。因此,在原有的基础上,保证阀门达到设定的冷却效果的前提下,适当的降低阀门的冷却水用量,对提高阀门的使用寿命是有好处的。

  小结:疲劳是变化的载荷的时间效应。应力幅减小,可以缓解热疲劳。适当降低单位时间的冷却水量可以降低温度载荷的变化幅值,进而降低交变热应力的应力幅,缓解热疲劳,提高阀门使用寿命。

  3 结构设计

  3.1 大刚度、小水腔设计。保证冷却强度,减少冷却水带走的热量。

  3.2 阀门内腔(除密封面外)捣固高强、轻质耐火衬里,配合绝热材料,降低热负荷,达到节能效果。

  3.3 热风通道合理设计成变径结构。减少热风对阀板下沿的冲刷。

  3.4 关键部位耐热合金钢整体压延成型,接触热风部位无焊缝裸露。提高阀门耐热疲劳性能和抗高温氧化性能。

  4 材料保障

  4.1 钢材

  钢材的选择从以下三方面考虑:钢材的耐热疲劳性;钢材的抗氧化性;钢材的可焊性:碳当量≤0.35

  关键部位采用低合金耐热钢锻件。

  4.2焊接材料

  选择与母材相匹配的焊材焊接,等强度设计。

  4.3锚固钉材料

  锚固钉选择耐高温合金材料。

  4.4耐火衬里

  耐火衬里采用高性能耐材组合使用:(低水泥莫来石浇筑料 +轻质莫来石浇筑料 +绝热材料)

  • 耐材的耐火度:1750℃

  • 耐材的寿命:>15年(使用温度1450℃)

  绝热材料的使用温度:1200 ℃

  

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  5 热风阀节能、节水量比较

  热风阀的冷却水是在水道中循环的水,它是被循环利用的,并不是流失掉的。减少热风阀的冷却水量,只是节省了水泵的电能和冷却水升温带走的热能。 图3 节能节水量比较

  将阀门冷却水量降低到原来的1/2、水速减少到原来的1/2,根据能量公式E=0.5mv2,热风阀阀门供水系统每小时消耗的电能将减少到原来的1/8。

  适当的耐火涂层的设置使热风温度降由传统结构的4℃降到1.8℃。

  6 结语

  高温长寿节能热风阀产品,主要是通过多种现代技术和手段的运用,对热风阀的冷却、传热机理有了的深刻的了解和认识,形成了较完整的理论体系。同时,采用了大量新型专用材料和新技术、新工艺,从而使其产品不但能够承受较高的风温,具有较长的寿命,且具有显著的节能效果。