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矿物料闸阀的国产化研究实践

冯文强^①

(秦皇岛秦冶重工有限公司 秦皇岛 066318)

摘 要：针对国外某公司生产的非高炉炼铁装料系统中矿物料闸阀，进行了国产化研究。对关键部位密封结构进行重点攻关，保证设备控制精确，性能稳定，耐磨材料长寿，取得了良好的经济效益。

关 键 词：非高炉炼铁；装料系统；矿物料闸阀；国产化

1 概况

COREX熔融还原工艺是由国外公司研制开发的非高炉炼铁工艺。与传统高炉工艺不同，COREX流程中铁的还原和熔炼过程是在两个不同的容器中完成的。这两个容器分别是上部的竖炉和下部的熔炼造气炉，组成所谓的COREX塔^[1]。COREX－3000工艺流程如图1所示。

COREX－3000的基本流程是利用煤和氧气在气化炉下部的风口循环区燃烧产生热量和还原性气体，对加入到固定焦床表面的煤块进行加热和气化。文献^[2]的内容。还原竖炉排出的煤气仍有很高的发热值，可发电或作其他用途。

2 矿物料闸阀的简介

矿物料闸阀是COREX预还原竖炉的矿布料系统中非常重要的设备，安装于矿石料罐与布料器之间，用来控制矿料(球团矿和块矿，球团矿大小图1COREX－3000的工艺流程简图约为5～16mm，块矿大小约为10～30mm)到达矿物动态布料器的流量，采用的是伺服液压缸驱动方式，正常工作时内部有大量高温煤气和粉尘，所以高温高压下的密封性非常重要，如图2所示。

矿物料闸阀的主要作用：1)挡住料罐里的矿石，按工艺要求自动启闭；2)可调节阀板的开度，控制料流的大小，与布料器溜槽合理配合而满足各种形式布料的要求；3)精密控制阀开启的角度，程序控制液压缸的伸缩，阀板开启角度精确到0．1°。

3矿物料闸阀的结构特点

矿物料闸阀由一个伺服液压缸通过连杆机构进行驱动，阀板则由两个闸板构成，如图3所示。

闸板中间开长方形漏料口。它的主要结构包括箱体、轴及其密封、观察孔、衬板、连杆、液压缸等。

箱体是矿物料闸阀的主要框架，是其它部件的载体。观察孔用于修风时检查矿物料闸阀内部阀板的工作状态和是否磨穿等。衬板采用复合衬板技术，能大大的延长衬板的使用寿命。连杆是矿物料闸阀的主要传动部件，是矿物料闸阀的枢纽。伺服液压缸能够对阀板的开启和关闭进行驱动及定位，并通过控制液压缸的行程高精度定位，达到保证阀板开启角度准确性的要求。

4 矿物料闸阀关键点研究

以COREX-3000系统中矿物料闸阀为例，进行如下研究。

1)高压下密封可靠性矿物料闸阀的工况气体压力：正常：0．29～0．39MPa；冷煤气的参数：正常压力：0．38～0．48MPa，最大压力：0．55MPa；因煤气有毒，有一定的危险性。所以设备必须具有良好的密封性能，不能漏气，否则会给现场维修和操作带来巨大的危险。

(1)箱体密封及强度计算参照冶金行业标准《高炉无料钟炉顶装料设备》(YB/T012－2012)，设计箱体的密封试验压力为1．1倍设备最高工作压力(0．55MPa)，即为0．605MPa，保压时间为10分钟，压降小于0．01MPa；设计箱体的强大试验压力为1．25倍设备最高工作压力(0．55MPa)，即为0．6875MPa，保压时间30分钟，无结构变形，且压降小于0．01MPa。

设计时对箱体进行耐压强度压力分析，要求在0．6875MPa试验状态下箱体(材质为Q345B)所受最大应力不得超过91．7MPa，即保证在Q345B材质屈服强度275MPa的1/3以下。

首先对矿物料闸阀箱体进行三维建模，运用SolidworksSimulation－有限元静力分析工具对箱体进行静力学分析，对箱体上下法兰面进行约束，在箱体内表面上增加压力0．6875MPa，再进行网格化处理，然后进行静力学分析———应力分析如图4和位移分析如图5。可得此箱体在0．6875MPa压力下的最大应力为56．416MPa，最大位移为0．1019mm，满足箱体耐压强度要求。

(2)轴端密封及强度因公司此前尚未制作过在最高压力0．55MPa下的轴端密封，针对此项目与专门从事密封件制作的某国内公司合作，采用如下结构的机械密封组件替代国外产品，密封结构如图6所示。

2)耐磨材料的寿命和材料选取矿物料闸阀的阀板是最关键的部位，阀板的设计和使用寿命直接决定了阀的整体寿命，此材料的选择极为重要，原设计使用寿命为2年。

碳化钨是一种高硬度、高耐磨的合金材料，其最适合于在带有中度和重度冲击的强烈磨粒磨损条件下工作。因此阀板耐磨材料在选择设计中应用了碳化钨，从而使阀板的表面硬度达到了HRA89以上，极大了提高了阀板的抗冲击、抗磨损能力等。应用后，能够使阀板的设计寿命提高到5年以上。

3)矿物料闸阀的过料能力计算对这种矿物料闸阀的通径进行计算的目的是：保证装料设备有足够的装料能力，满足工艺操作要求。

矿料的流量为正常值：301～334t/h(165～185m³/h)，最大值：450t/h(250m³/h)，设计值：720m³/h；

矿物料闸阀的通径计算：

原料从矿物料闸阀出来时的速度

v=λ×sinα×3．2×g×Ra(1)

式中v—原料出口最小截面的流速，m/s；

λ—原料的流动系数，一般在0．6～1．2之间。烧结矿和天然矿取较大值，球团矿取最大值；

α—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—重力加速度，9．8m/s²；

Ra=FL—排料口的水力半径，m；

L=π×D—排料口的周边长度(半圆形料口)，m；

F=(π×D²/4)—排料口的流通面积(半圆形料口)，m²；

D—排料口直径，m。

Ω=v×F式中Ω—排料率。

设计值：Ω=720m³/h=720÷24÷60=0．5m³/s

经计算得D=466．5mm，选取D=500mm为宜。

4)矿物料闸阀的控制及定位图7中A=f(α)，S=f(α)，说明排料口截面积是开口度α的函数；而油缸行程S也是开口度α的函数。

矿物料闸阀采用的是伺服液压缸驱动，能够对液压缸的行程进行精确的定位，定位精度±0．1mm，从而保证阀板开启角度的精度。矿物料闸阀采用编程控制或手动按钮操作。最大开启速度为15°/s，开口精度为±0．1°以上。(见矿物料闸阀开度、液压缸行程与排料流量关系曲线图7)。

阀门可停在任何开度。不论自动或手动操作方式，每次排料后都必须完全开启一次，然后再关闭，以免在料罐内残留物料。

5 结束语

矿物料闸阀的成功设计和制造，填补了国内此项设备的空白，每台设备能为客户节约资金100万人民币左右，产生了一定的经济效益。同时，此类产品的国产化成功设计制作也为其它产品的国产化研究打下了基础。

参 考 文 献：

[1]   方觉．非高炉炼铁工艺与理论[M]．北京：冶金工业出版社，2003：146－147．

[2]   宋文刚．提高COREX－3000竖炉金属化率的探讨．炼铁[J]，2011，Vol．30(5)：60．

[3]   严允进．炼铁机械[M]．第2版．北京：冶金工业出版社，1990：163－164．