煉鋼轉爐用氣動蝶閥結構設計

胡萬強

(許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌461000)

閥桿軸心同時偏離蝶片中心及本體中心，且密封副為斜椎的蝶閥稱為三偏心蝶閥。三偏心蝶閥因具有無死區設計、雙重安全構造、本體閥座構造等特點，廣泛應用于介質溫度小于425℃的治金、電力、石油化工以及給排水和市政建設等工業管道上，作調節流量和載斷流體使用。三偏心蝶閥自問世以來，為滿足日益嚴酷的工況要求，其本身也在經歷著自我完善和不斷發展的過程。即使最基本的零泄漏，理論上三偏心蝶閥都可以做到，但實際上還是有賴于周密的設計和精密的制造。此次設計的蝶閥即為三偏心蝶閥，采用雙作用氣缸驅動，主要用于鋼鐵廠轉爐爐氣的回收，也可用于化工、電站、石油等行業。

1 三偏心蝶閥主要零件設計

作者所設計的三偏心蝶閥如圖1所示，該閥主要由閥體、閥桿、蝶板、蝶柱、支架、支座等零件組成。此閥的工作原理是:氣缸通過閥桿帶動蝶板轉動，蝶板與閥體密封面吻合，將通道切斷，即為關閉;反之，則為開啟。

1.1 閥體結構設計

閥體是蝶閥中重要零件之一，其質量通常占整個閥體總質量的70%左右。根據轉爐煉鋼產生一氧化碳、二氧化碳、氮氣、氫氣、水蒸氣、少量的氧氣及微量的甲烷等廢氣這一特點，閥體選用球墨鑄鐵QT400，它有足夠的強度、剛度和耐腐蝕性，可以滿足設計要求。

圖1 三偏心蝶閥結構圖

根據參考資料，查得相應的公稱壓力pg=2.5×105Pa，由公稱通徑DN=100 mm 和公稱壓力即可確定蝶閥的法蘭類型為鑄鐵雙法蘭連接，查相關文獻可得閥體的結構總長為L=150 mm，寬度為K=160 mm。根據閥門的流通能力和流體的阻力系數要求，確定閥體的流動通道為100 mm。

閥體最小壁厚可根據以下公式計算:

式中:p'為關閉瞬間前后的壓力差，p'=317.52 Pa。將相關數據代入以上公式，可得T≥12.37 mm，圓整后取T=15 mm。

設計的閥體結構圖見圖2。

圖2 閥體結構圖

1.2 碟板的設計計算

(1)蝶板大端直徑D的確定

根據GB/T 12238-2008，由公稱通徑可得出蝶板大端的直徑即蝶閥閥座的最小通徑D=94 mm。

(2)蝶板中性面長短半徑的確定

蝶板中性面的長半徑

短半徑

式中:A0為蝶閥閥座最小通徑的一半;α為偏心角，根據密封副材料，偏心角取目前閥門制造商廣為采用的參數，選α=15°;E為蝶板中性面，取值10 mm。將相關數據代入以上公式中，得RA=45.56 mm，RB=43.89 mm。

1.3 蝶閥密封比的確定

可得蝶閥密封比的公式為:

式中:pj為計算壓力，pj=pg+p';m為比例系數，取值為1;a為外圓半徑，取值35 mm;c為內圓半徑，取1 mm;b為密封副接觸寬度，取值27.2 mm。將以上數據代入公式，得:qh=22.74×105Pa，對于剛性密封面，qh按公式計算出來的值降低25%，即qh=17.05×105Pa。

1.4 蝶閥的軸向和徑向偏心距設計計算

經過計算，徑向偏心距e滿足0 ＜e ＜RA/2，軸向偏心距c滿足5 mm ＜c ＜32.8 mm。因蝶閥的密封力矩與徑向偏心距近似成正比關系，因此應盡量降低徑向偏心距e的大小。徑向偏心距e 同時也滿足如下關系:

將相關數據代入上式中，得e ＜11.16 mm，根據實際要求，可取e=8 mm。設閥桿直徑為d，為了保證蝶閥具有完整、連續的密封表面，則軸向偏心距c還應滿足下面公式:為了增加閥桿的剛度，閥桿的直徑值應取大些，經綜合考慮，取c=20 mm，代入上式，計算得閥桿直徑d=24 mm。

2 傳動方案的設計及分析

由于該蝶閥主要用于鋼鐵轉爐，對精度和聲音的要求不高，故采用氣動驅動方式，氣缸采用雙作用式普通單氣缸。三偏心蝶閥通過閥桿帶動蝶板轉動，如果蝶板與閥體密封面吻合，將通道切斷，即為關閉;反之，則為開啟。氣動系統見圖3所示。

圖3 氣動系統圖

3 結束語

氣動蝶閥主要是由氣動執行器和蝶閥組成，氣動蝶閥是用隨閥桿轉動的圓形蝶板做啟閉件，以實現啟用動作的氣動閥門，主要用作截斷閥使用。而三偏心蝶閥作為比較高級的一種蝶閥，因其獨特的性能在國民生產和生活中得到比較廣泛的應用。作者針對鋼鐵轉爐系統設計了一種三偏心蝶閥，并對其主要零件進行了設計計算。

參考文獻:

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