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                      有限元分析在高爐熱風(fēng)閥設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

     1前言熱風(fēng)閥是高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，該閥主體主要由閥體、閥板、閥蓋三部分組成（見(jiàn)圖1）。熱風(fēng)閥工作介質(zhì)壓力為0.4～0.6MPa、溫度為1000℃～1350℃、流速達(dá)到28m/s的高溫?zé)峥諝?；熱風(fēng)閥是整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)
        1 前言
        熱風(fēng)閥是高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，該閥主體主要由閥體、閥板、閥蓋三部分組成（見(jiàn)圖1）。熱風(fēng)閥工作介質(zhì)壓力為0.4～0.6MPa、溫度為1000℃～1350℃、流速達(dá)到28m/s的高溫?zé)峥諝?；熱風(fēng)閥是整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)中工作條件zui嚴(yán)酷的設(shè)備之一。

圖1 流程示意圖
        在傳統(tǒng)熱風(fēng)閥設(shè)計(jì)中主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式和對(duì)生產(chǎn)出的實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，那么會(huì)存在許多問(wèn)題，如閥門(mén)的性能參數(shù)必須靠試驗(yàn)才能確定，閥門(mén)設(shè)計(jì)是否合格（或優(yōu)劣）只有實(shí)物出來(lái)后通過(guò)試驗(yàn)才能確定，因此成本很高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)流態(tài)及熱分析已成為可能。本文以國(guó)內(nèi)公司設(shè)計(jì)制作的DN1800微水節(jié)能熱風(fēng)閥為例，采用SolidWorks及ANSYS分析軟件，對(duì)閥體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流態(tài)及熱分析，通過(guò)以上分析深入了解熱風(fēng)閥冷卻水流態(tài)及材料受熱應(yīng)力影響情況，并成功開(kāi)發(fā)出節(jié)水約50%的微水節(jié)能型熱風(fēng)閥。
        2 熱風(fēng)閥閥體流態(tài)分析
        2.1 閥體流態(tài)分析
        閥體是熱風(fēng)閥zui重要的部件之一，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。閥體的冷卻是通過(guò)冷卻水的注入對(duì)其實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制冷卻，冷卻水的流動(dòng)形式直接影響冷卻效果。對(duì)于流道截面形狀復(fù)雜的流道，利用SolidWorks的流體分析軟件Floworks可以方便的分析流道內(nèi)的流體流動(dòng)情況以及各點(diǎn)的流速、壓力情況。根據(jù)分析結(jié)果可以確定流道內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re，而雷諾數(shù)反應(yīng)了流體流動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定的紊流狀態(tài)是管內(nèi)對(duì)流換熱的*狀態(tài)，保持流體在穩(wěn)定的紊流狀態(tài)是熱風(fēng)閥水冷卻的關(guān)鍵之一。當(dāng)雷諾數(shù)大于104時(shí)，流體為旺盛紊流狀態(tài)，熱交換效果好，冷卻水利用率高。通過(guò)對(duì)閥體結(jié)構(gòu)研究可知，閥體密封面水腔表面直接處于熱風(fēng)中，因此對(duì)該部分冷卻水的流動(dòng)形式研究特別重要。

 
        
        式中：um———流道截面處冷卻水平均流速；
        de———流道截面當(dāng)量直徑，
        其中：A———水道截面面積；
        L———流體潤(rùn)濕的流道周長(zhǎng)；
        ν———水的運(yùn)動(dòng)粘度。
        流動(dòng)形式判定準(zhǔn)則：
        1）Re＜2300層流；
        2）2300＜Re＜104過(guò)渡狀態(tài)；
        3）Re＞104旺盛紊流
        2.2 DN1800熱風(fēng)閥閥體流態(tài)分析
        下面對(duì)DN1800熱風(fēng)閥閥體進(jìn)行流態(tài)分析。
        定義閥體流態(tài)分析初始條件：
        1）閥體水腔（圖2、圖3）內(nèi)部截面面積A=5.1×10-3m2、周長(zhǎng)L=4.05×10-1m；
        2）設(shè)定DN1800熱風(fēng)閥閥門(mén)用水量為75t/h，其中閥體為44t/h、閥板為31t/h；
        3）冷卻水壓力0.8MPa、平均水溫40℃。

        通過(guò)上述初始條件建立有限元模型，并對(duì)閥體在不同水量下進(jìn)行流態(tài)分析比較。圖4、5為上述初始條件下的流態(tài)及速度分布圖，將分析出的數(shù)據(jù)帶入式（1）得出如下數(shù)據(jù)。

        由表1可知閥體在在設(shè)計(jì)水量為44t/h時(shí)雷諾數(shù)為Re=1.01×105＞104水腔內(nèi)冷卻水處于紊流狀態(tài)，換熱效果良好，水腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
        3 閥體熱分析
        3.1 閥體熱分析
        采用水強(qiáng)制冷卻熱風(fēng)閥是控制熱風(fēng)閥溫度的主要冷卻方式。單位時(shí)間冷卻水量、耐火材料的熱阻等參數(shù)直接影響熱風(fēng)閥冷卻的效果。充分地考慮這些因素的變化，合理地搭配這些參數(shù)是成功實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)閥冷卻的關(guān)鍵和決定節(jié)能降耗的數(shù)值。利用ANSYS熱分析功能對(duì)熱風(fēng)閥的溫度場(chǎng)和熱流通場(chǎng)的模擬，可以充分考慮這些參數(shù)對(duì)熱風(fēng)閥工作的影響，是設(shè)計(jì)新型節(jié)能長(zhǎng)壽熱風(fēng)閥的前提。
        閥體鋼結(jié)構(gòu)溫度分布可以反應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)受熱狀態(tài)，為閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在閥門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下，閥體密封面外水圈直接暴露在熱風(fēng)環(huán)境中的，工況zui惡劣；在閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，閥體小水腔部分與閥板外水圈之間的間隙也會(huì)有500℃左右的溫度，熱風(fēng)閥工作狀態(tài)圖如圖6所示。因此，閥體小水腔部分和閥板外水圈的冷卻狀況直接影響閥門(mén)的性能與壽命。

        3.2 DN1800熱風(fēng)閥閥體熱分析
        下面對(duì)DN1800熱風(fēng)閥閥體進(jìn)行受熱分析。
        1）定義閥體工作條件及材料參數(shù)：
        （1）設(shè)定該熱風(fēng)閥閥體熱風(fēng)溫度為1400℃，管道法蘭與閥體法蘭間溫度為1400℃，冷卻水進(jìn)水溫度為40℃、壓力為0.8MPa；
        （2）水腔材料為耐熱鋼，密度ρ=7850kg/m3、比熱容Cp=465J/（kg•K）、黑度EMIS=0.95、導(dǎo)熱系數(shù)0℃時(shí)為50W/（m•K）、800℃時(shí)為28W/（m•K）、1400℃時(shí)為15W/（m•K）；
        （3）耐火澆鑄料材料密度ρ=2380kg/m3、比熱容Cp=840J/（kg•K）、導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.75+0.00058tW/（m•k）。
        2）建立有限元模型進(jìn)行受熱分析：
        （1）對(duì)于閥體溫度分布中zui關(guān)鍵的是直接暴露于熱風(fēng)中的小水腔部分，而該部分是規(guī)整的環(huán)形空腔，為了簡(jiǎn)化有限元模型，用閥體軸向截面的熱分布狀況來(lái)反應(yīng)閥體的溫度分布狀況，實(shí)踐證明這種近似是在工程實(shí)踐誤差范圍之內(nèi)的。

        （2）為便于分析比較結(jié)果按上述參數(shù)條件在不同水量條件下對(duì)閥體腔體進(jìn)行了有限元分析。圖7、8、9、10為閥體有限元模型鋼結(jié)構(gòu)溫度分布狀況，由圖10可以求得小腔內(nèi)壁的平均溫度，以及小腔內(nèi)壁高于冷卻水沸點(diǎn)的長(zhǎng)度占整個(gè)小腔內(nèi)壁長(zhǎng)度的比例。（在設(shè)計(jì)密封面腔體結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)保證腔內(nèi)壁溫度低于冷卻水沸點(diǎn)，如內(nèi)壁存有高于沸點(diǎn)的區(qū)域，水流經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)將被汽化，腔內(nèi)溫度壓力將急劇升高，材料使用壽命將大大降低），因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證腔體內(nèi)高于冷卻水沸點(diǎn)的區(qū)域盡量小。對(duì)分析出的數(shù)據(jù)整理可得表2中溫度數(shù)據(jù)。

        （3）冷卻水的進(jìn)口壓力為0.8MPa，由于在腔內(nèi)部流通時(shí)產(chǎn)生壓損，論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)得知腔體內(nèi)壓力約為0.4MPa，在該壓力情況查資料得冷卻水的汽化溫度約為135℃，取安全系數(shù)K=1.25，腔體內(nèi)zui高溫度應(yīng)不高于108℃。由表2可知當(dāng)水量為44t/h時(shí)水腔內(nèi)zui高溫度為100.0℃，內(nèi)部溫度為51.1℃，不存在汽化點(diǎn)，這說(shuō)明該水量下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
        4 結(jié)論
        1）采用三維有限元分析軟件Floworks和AN-SYS，對(duì)熱風(fēng)閥閥體進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)流態(tài)和熱應(yīng)力等有限元分析，驗(yàn)證了閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷卻水用量的合理性。
        2）該閥2011年3月上線(xiàn)，整體耗水量為75t/h，相對(duì)傳統(tǒng)DN1800熱風(fēng)閥用水量150t/h耗水量減少了1/2。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及用戶(hù)反映了解該閥體整體運(yùn)作良好，整體質(zhì)量水平及耗水量已達(dá)到或接近熱風(fēng)閥水平，這說(shuō)明該種分析方法是比較可靠的。
        3）引進(jìn)新的設(shè)計(jì)理念，將流體分析及熱分析等先進(jìn)方法引進(jìn)了熱風(fēng)閥的設(shè)計(jì)，熱風(fēng)閥的節(jié)水節(jié)能一直是制造廠及用戶(hù)共同追求的目標(biāo)，通過(guò)本設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，降低成本，同時(shí)為新型熱風(fēng)閥的設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。