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摘 要：料流调节阀是无料钟炉顶精确调节布料速度的唯一手段，它与布料溜槽共同控制和保持矿料合理、均匀的布向高炉内的料面。料流调节阀开度值的大小和开口形状直接影响高炉布料的合理性与均匀性。通过对国内大型无料钟炉顶设备中常见的四种形式料流调节阀的深入研究与分析，总结了每种形式料流调节阀的优缺点，并绘制了开启角度与开口面积的曲线，给出了驱动原理图和阀板开启角度精度曲线。
关键字：料流调节阀 结构形式 开口形状 料流曲线 精度 无料钟炉顶
1 前言
无料钟炉顶装料设备对提高高炉顶压、改善高炉布料、充分利用煤气以及延长高炉寿命起到重要作用。目前，国内炼铁高炉炉顶装料设备普遍采用串罐或并罐结构，其主要设备构成为：受料斗、挡料阀、上密封阀、料罐、下密封阀、料流调节阀、波纹补偿器、布料器、布料溜槽。料流调节阀是无料钟炉顶设备中唯一能够精确调节布料速度的设备，在炼铁生产过程中起到至关重要的作用。合理选择料流阀板开口形状、快速准确地调整料流调节阀阀板的开度值，能够有效的控制料流速度、减小料流偏析，通过布料溜槽的干涉作用，最终实现布料的均匀性，满足炼铁工艺的要求。因此，开度精度的控制就成了高炉炉顶装料操作的关键点之一，阀板开口形状也至关重要。本文就同种规格不同结构形式的液压驱动型料流调节阀在结构、开口面积、开启角度曲线方面进行了比较和分析。
2 料流调节阀结构
料流调节阀结构基本相同，其主要部件构成为：料流调节阀壳体、下料管、阀板、驱动单元、检测单元等组成。它们的主要区别在于阀板开口形状和驱动机构。
2.1 单阀板形式
顾名思义，该种形式的料流调节阀只有一个阀板，一般情况为两侧液压缸同时驱动阀板，且有两套角度检测设备，其中一套为备用状态。阀板开启方向根据炼铁高炉实际情况而定，可分为远离或靠近高炉中心线方向开启两种不同形式。高炉需要布料时，根据工艺布料开启角度，液压缸驱动阀板从下料喉管的一侧向另一侧打开，达到设定角度停止，开口形式在水平面上投影近似为不等边六边形或不规则扇形。为了保证使用寿命，通常阀板外形要大于下料喉管内部有效通径一定尺寸。其结构简图如图1所示。
图1 单阀板形式简图
2.2 双阀板平行对开式
双阀板平行对开式料流调节阀与单阀板形式相比，最大区别为：具有两个阀板。料流调节阀处于关闭状态时，两个阀板接触线与驱动轴中心线在空间上平行。当阀板要开启时，液压缸驱动四连杆机构，使两个阀板等速向两边开启，其开口形状在水平面上投影近似为长方形。为保证阀板使用寿命，关闭时，两阀板有一定的重叠。这种形式料流调节阀两阀板回转轴平行，通过连杆连接，单液压缸四连杆机构驱动两个阀板。其结构简图如图2所示。
图2 双阀板平行对开形式简图
也有一些生产厂家将连接的连杆去掉，改用齿轮传动，但是整体结构形式相似，不再赘述。
2.3 双阀板菱形开口式
双阀板菱形开口式料流调节阀也称PW型料流调节阀，最早由卢森堡PW公司发明，并在世界范围取得成功。该种形式料流调节阀驱动端采用轴套轴、单液压缸四连杆机构进行驱动，阀板为两个不等直径近似八分之一球形的异性阀板组（俗称“瓜瓣”）组成。阀板开启时，开口形式在水平面上投影近似菱形或正方形，其中心与下料喉管中心重合，下料形状为柱状，为最合理的下料形状。其结构简图如图3所示。
图3 双阀板菱形开口形式简图
3 阀板开口面积
在实际高炉生产布料过程中，料流调节阀开度值存在一个临界值，只有开度值大于该临界值时，矿料才会通过料流阀。临界值与矿料粒度、炉顶顶压等因素有关，并且四连杆机构在驱动两个阀板时，存在不同步性，这两个因素对面积近似计算影响很小，此处不予考虑。计算面积时，只计算阀板开启一定角度时，阀板外形边线与下料喉管围成的空间形状在水平面上投影面积，为了方便数据的比较和通用化，对数据进行归一化处理，公式如下：
阀板开口面积S=实际投影面积S1/下料喉管面积A
使用solidworks2012建立公称通径相同的三种形式料流调节阀三维模型。模拟开度值和开口面积时，以5°为步长模拟单阀板形式料流调节阀开度值与面积关系，以2.5°为步长模拟双阀板形式料流调节阀开度值与面积关系，这样可以满足单双阀板形式调节阀均以5°为步长开启阀板，进而转化为平面图，最后计算面积。表1、表2、表3分别给出四种形式料流调节阀开度值与对应归一化面积S数值。规定料流调节阀阀板全闭和全开时，面积S分别为0和1。
表1 单阀板形式开口面积
表2 平行对开形式开口面积
表3 菱形开口式开口面积
由于受篇幅所限，以上表格只给出部分数据。阀板全开时的角度值与料流调节阀阀板的回转半径有关，而回转半径的大小会直接影响设备的高度，在实际生产中，因为设备高度或其他原因，阀板开启角度会有所差别。以下运用数学多项式插值方法分别拟合出四种形式料流调节阀开启角度与开口面积曲线图，并给出相应开口形状近似平面图。
单阀板形式开启角度与开口面积曲线如图4所示。
图4 单阀板形式开口面积
平行对开式开启角度与开口面积曲线如图5所示。
图5 平行对开式开口面积
菱形开口式开启角度与开口面积曲线如图6所示。
图6 菱形开口式开口面积
比较四种形式料流调节阀阀板开启角度与开口面积曲线图，如图7所示。结合表1、表2和表3，分析图7可以得出：
1）54°时，平行开口式和单阀板形式开口面积相等；
2）在54°之前，开启相同角度，平行开口式的开口面积均大于其他三种调节阀；
3）菱形开口式下料形状最好，为柱状。
图7 开口面积对比
4 阀板开启角度分析
由于加工、装配误差的存在，开启角度与理想值总存在一定的误差，并且双阀板料流调节阀的驱动并不是平行四连杆机构，两个阀板开启角度也存在不同步性，但是在常用角度范围内同步性较好，就可以满足使用。
4.1 单阀板形式
对于单阀板形式料流调节阀，因为只有一个阀板，如果不考虑制造加工误差，开启角度值不存在误差，也不存在不同步问题。阀板既可以顺时针开启，也可以逆时针开启，根据实际情况额定。如图8所示，为单阀板形式开启角度简图。
图8 单阀板开启角度原理
4.2 平行对开式
平行对开式料流调节阀驱动原理为：驱动端为两个平行的轴，其中一轴液压缸驱动，通过连杆驱动另一轴来实现两阀板的对开。原理简图如图9所示。
图9 平行对开式驱动原理
图9中，全开角度为阀板完全开启角度，角度值为45°，即两阀板全开夹角为90°。最大角度为料流调节阀最大开启角度，此处为70°。在阀板关闭时，从动轴的驱动臂为水平，驱动轴的驱动臂与水平中心线夹角70°。通过三维以2.5°为步长模拟出两个阀板的开启角度，受篇幅所限，给出部分数据，如表4所示。
表4 驱动轴与从动轴开启角度
采用数学多项式插值方法，拟合出驱动轴和从动轴开启角度曲线，如图10所示。结合表4和图10可以看出，驱动轴开启角度值为线性变化，而从动轴开启角度为非线性变化，在0°～70°之间，从动轴曲线均位于驱动轴曲线下方，且驱动轴全开启45°时，从动轴开启42°，滞后3°，即存在不同步现象。
图10 角度对比
4.3 菱形开口式
菱形开口式料流调节阀驱动原理为：固定一个驱动枢轴和空/实心轴中心，液压缸驱动驱动臂绕驱动枢轴转动，驱动臂通过两个连杆分别连接空心轴和实心轴，从而实现内外阀板绕空/实心轴中心的转角。驱动端为两个平行的轴，其中一轴液压缸驱动，通过连杆驱动另一轴来实现两阀板的对开。原理简图如图11所示。
图11 菱形开口式驱动原理
图11中，全开角度为阀板完全开启角度，角度值为45°。最大角度为料流调节阀最大开启角度，此处为63°。通过三维以2.5°为步长模拟出两个阀板的开启角度，受篇幅所限，给出部分数据，如表5所示。
表5 内阀板与外阀板开启角度
图12 角度对比
采用数学多项式插值方法，拟合出内阀板和外阀板开启角度曲线，如图12所示。结合表5和图12可以看出，内阀板开启角度值为线性变化，外阀板开启角度为非线性变化，在0°～63°之间，外阀板曲线均位于内阀板曲线下方，且内阀板全开启45°时，从动轴开启40.7°，滞后4.3°，即存在不同步现象。
5 结束语
通过对料流调节阀的结构、开口形状，开口面积以及开启角度的研究，并结合四种形式料流调节阀实际使用情况的反馈，以结构形式、开口面积变化趋势、阀板开启角度同步性、料流对下料喉管的冲刷程度、料流偏析为指标，对四种形式料流调节阀进行比较，如表6所示。
表6 指标对比
在实际炼铁生产过程中，各个炼铁高炉的各项指标都存在差别，同一座高炉的每批矿料的粒度、密度、湿度等也都不同。高炉布料是离散的流体流动，其流动规律远比连续流体规律复杂的多，无法完全把握影响料流的种种因素。要实现大型及特大型高炉布料尽可能合理，需要准确的数学模型和庞大的现场布料数据库，通过不断积累和摸索，研发新技术，最终提高无料钟高炉炉顶装备的国产化水平，使国产冶金装备达到世界领先水平。
来源：网络转载
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发表于 2016-11-25 20:10:15
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