秦冶節能型熱風閥技術的研究與實踐

張勇　肖奎軍

摘 要：概述節能型熱風閥產品在材料和冷卻機理上的技術研究成果，介紹基于該研究成果的產品在太鋼

4 350 m3高爐、韓國現代4 350 m3高爐、寶鋼湛江5 050 m3高爐、首鋼京唐5 500 m3高爐工程應用情況和效果。

關鍵詞：節能型熱風閥；隔熱材料；雷諾數；工程應用；壽命

RESEARCH AND PRACTICE OF QINYE ENERGY-SAVING HOT BLAST VALVE TECHNOLOGY

Zhang Yong? ? Xiao Kuijun

（Engineering Technical Research Centre for Metallurgical Equipments of Hebei Province， Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co.， Ltd.? ? Qinhuangdao? ? 066318， China）

Abstract：This paper provides an overview of the technical research results of energy-saving hot blast valve in terms of materials and cooling mechanisms， and introduces the application and effect of the products based on the research results in 4 350 m3 blast furnace of TISCO， 4 350 m3 blast furnace of Hyundai Steel Co， 5 050 m3 blast furnace of Zhanjiang Iron&Steel ， and 5 500? m3 blast furnace of Shougang Jingtang Iron&Steel.

Key words： lenergy-saving hot blast valve;thermal insulation material; reynolds number; engineering application;life

0? ? 引? ? 言

隨著高爐煉鐵技術在資源利用、高爐長壽、節能和環境保護等領域的不斷深入發展，提高設備效率，降低能耗，減輕污染，加強資源回收利用，實現可持續發展，成為了煉鐵設備發展的方向。作為高爐熱風爐系統中的關鍵核心設備—熱風閥的節能性能、長壽性能也隨之成為產品技術提升的新方向。

熱風閥作為熱風管線上關鍵切斷設備，其可靠性一直備受鋼鐵廠關注，但其巨大的用水量也備受設計院和鋼鐵廠的詬病，因此低耗水量高可靠性的長壽熱風閥成為了設計院和鋼鐵廠的首選。隨著我國材料工業的長足進步，尤其是隔熱材料、耐熱材料、耐熱鋼等大量新型專用材料性能和新技術、新工藝日益提高，使熱風閥在低水量下可靠工作的技術可行性得到論證。另外，現代CAE分析技術的工程實踐應用，熱風閥的熱交換過程模擬得以實現，其冷卻機理日趨完善。因此，通過以上兩方面的深入研究，可使熱風閥產品不但能夠承受較高的風溫，具有較長的壽命，且具有顯著的節能降耗效果。

秦皇島秦冶重工有限公司作為國內最早研制高爐煉鐵熱風爐系統閥門的企業，尤其是在熱風爐關鍵核心設備熱風閥產品，擁有深厚的產品設計、制造、工程應用等多方面的技術基礎。經過十余年的研究與實踐，推出的節能型熱風閥產品在長壽性、可靠性得到了用戶充分認可，這進一步驗證了節能型熱風閥設計理論的正確性。

1? ? 節能型熱風閥材料技術研究

節能型熱風閥設計思路是通過減少冷卻水量實現自身能耗減小，并同時減少冷卻水對熱風溫度的影響。冷卻水量減少導致冷卻能力的降低，這將大大增加閥門主體鋼結構的熱負荷，對閥門壽命和穩定性產生極大影響，因此合理選擇材料，尤其是耐熱材料和隔熱材料，對于設計節能熱風閥尤其重要。而閥門密封面的冷卻是保證閥門功能實現的重中之重，因此合理設計密封面冷卻結構形式是節能型熱風閥技術研究的核心內容。

為研究不同耐火材料和隔熱材料的隔熱效果，采用試驗和有限元模擬分析結合的方法進行了隔熱材料的研究，為研究各種鋼材、耐材和焊材等的耐熱疲勞性，通過材料熱疲勞試驗機實對各種材料破壞過程進行了大量測試和研究[1]，總結了節能熱風閥選材原則，見表1。

2? ? 節能型熱風閥冷卻機理研究

熱風閥在工作狀態下，如圖3所示，閥體密封面水腔部分、閥板密封面外水圈部分無耐火材料隔熱，鋼結構直接暴露在1 250 ℃以上的熱風環境中的，工況最惡劣，其冷卻狀況直接影響閥門的性能與壽命。

節能熱風閥通過少量冷卻水保證關鍵密封部位的冷卻，因此合理的密封面水腔是熱風閥水冷結構設計的關鍵。傳統的熱風閥密封面水腔設計基于水流速設計，參考文獻中提出與密封面水腔水流速1.5～2.0? m/s[2]，這種設計方法只能粗略地估算設計流道截面，對于流道結構設計指導性不強。查閱相關文獻資料[3]，熱風閥的冷卻換熱形式屬于單向流體管內受迫對流換熱，要實現好的冷卻效果，需要較大的換熱系數k。由換熱系數計算公式可知，雷諾數Re是影響換熱系數的關鍵因素，利用雷諾數Re判定流動形式，進而判斷冷卻效果更準確。因此引入雷諾數判定密封面水腔冷卻效果，當

為進一步改進冷卻水道布置，優化水道截面形狀，優選耐熱和隔熱材料，實現節能熱風閥要求的少量冷卻水滿足冷卻要求，并保證閥門的長壽命使用，明確節能熱風閥閥體和閥板鋼基體溫度，尤其是密封處水腔溫度分布情況十分必要。根據前面確定的密封面水腔雷諾數和截面相關數據可計算出密封面水腔的換熱系數，為密封面水腔熱分析提供邊界計算條件。利用有限元熱分析軟件可對熱風閥的溫度和熱流密度進行模擬，如圖5所示為通徑

3? ? 節能型熱風閥工程應用情況

節能型熱風閥從2008年開始立項研發，初期產品閥蓋、閥體采用少水量全水冷結構形式，如圖6a所示，主要工程應用案例為首鋼京唐5 500 m³高爐的8臺DN1900節能型熱風閥，自2008年投產以來已在線穩定運行超過8年。后期隨著隔熱材料的不斷研究深入和使用，新型節能型熱風閥閥蓋采用了無水冷結構形式，閥體除密封面處都采用了無水冷結構形式，水量進一步減少，如圖6b所示結構，主要工程應用案例為韓國現代5 500 m³高爐的8臺DN1800節能型熱風閥、太鋼4 350 m³高爐的4臺DN1800節能型熱風閥、寶鋼湛江5 050 m³高爐的8臺DN1800節能型熱風閥，這些投產的產品使用工況、用水量和運行情況見表3。

4? ? 結? ? 語

秦冶重工經過十余年的研究與實踐，推出的節能型熱風閥產品在長壽性、可靠性得到了用戶充分認可，進一步驗證了節能型熱風閥在材料研究、冷卻機理研究上的正確性。

參考文獻

[1]? ? 邢衛平，孟翠娥.現代大型高爐熱風閥高溫長壽節能技術[J].通用機械，2011（5）：38-41+89.

[2]? ? 時彥林. 冶煉機械［M］. 北京：化學工業出版社，2004．

[3]? ? 李長友，錢東平. 工程熱力學與傳熱學［M］. 北京：中國農業大學出版社，2004.