卸灰閥沖蝕磨損分析及結構優化*

戴 波，程 啟，劉克儉，盧興福

（1.國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心，長沙 410205；2.湘潭大學機械工程學院，湖南湘潭 411105）

0 引言

1 數值計算模型

卸灰閥是鋼鐵領域一種應用廣泛的卸灰設備，在使用過程中，閥芯會受到氣流中粒子的沖蝕磨損。特別是在閥芯磨損后密封性變差的情況下，嚴重影響跨壓差排灰的密封性，漏風不僅會增加生產成本，造成資源的浪費。而且，漏風情況下顆粒對于閥門的磨損將會進一步加劇，從而大大降低閥門的使用壽命。基于上述背景，中冶長天國際工程有限公司開發出分相密封雙層卸灰閥，并率先應用于日本和歌山鋼鐵有限公司180 m2燒結項目中，并取得了良好的效果[1]。

國內外眾多學者對于沖蝕磨損的研究為本文提供有力的參考依據。趙健等[2]針對固液兩相流粒子沖蝕鉆頭內流道磨損機制，通過數值模擬和實驗相結合得到了粒子參數對內流道磨損的影響規律。劉洪斌[3]利用Fluent軟件進行數值模擬計算，采用DPM模型，通過改變入口流速、顆粒直徑、顆粒質量流量，數值模擬得出巖屑甩干機內部流場分布及2種刮刀轉子壁面沖蝕情況。偶國富等[4-5]針對高壓差調節閥的閥芯空蝕失效進行了數值模擬和結構優化，建立了節流過程中閥芯空蝕失效的預測方法。Duarte和El-Behery等[6]研究表明磨損部位的分布以及最大磨損出現的部位與顆粒濃度的關系并不明顯。Hutching等[7]研究了氣-固兩相流的沖蝕磨損問題中顆粒硬度與磨損率的關系，得出了沖蝕磨損率正比于顆粒硬度比值的n次方的結論。本文旨在從數值計算角度探究各因素對蘑菇頭卸灰閥磨損的影響，并對蘑菇頭卸灰閥進行結構優化。

1.1 控制方程

卸灰閥閥內為氣固兩相流，氣體為連續相，其控制方程為：

式中：ρ為氣相密度，kg/m3；t為時間，s；vi，vj為氣相速度分量，m/s；xi，xj為空間坐標，i≠j；P為壓力，Pa；τij為應力張量；gi為重力分量，N；SD為顆粒相對連續相作用的附加源相。

1.2 DPM模型及磨損模型

卸灰閥內部結構復雜，故流場運動和顆粒運動情況也較復雜，所以為了降低計算耗費的時間，提高計算效率，忽略顆粒與顆粒間的相互作用，采用Euler-Lagrangian法對卸灰閥進行氣固兩相流模擬。灰份顆粒在Lagrangian坐標系下的運動方程[8]如下所示：

式中：FD為單位曳力，N；g為重力加速度，m/s2；u和up分別為氣體速度和灰份顆粒速度，m/s；ρp和ρ分別為灰份顆粒密度和氣體密度，kg/m3；Fx為顆粒所受其他力，N。

許多學者針對顆粒對材料的沖蝕問題，進行了大量的試驗分析，并得出了很多沖蝕模型。本文所選用的沖蝕模型是關于粒子的入射角度、相對速度以及質量流量的函數，其表達式為[9]：

式中：Rerosion為沖蝕磨損率，kg/（s·m2）；N為碰撞顆粒數目；m為單顆粒質量，kg；C（d）為顆粒直徑函數，m；α為沖擊角度，（°）；A為顆粒投影在壁面的面積，m2；b（v）為顆粒速度指數函數。

2 數值模擬

2.1 幾何模型和計算網格

模型尺寸如圖1所示。由于蘑菇頭卸灰閥閥體部分含有復雜的曲面結構，難以全部劃分六面體網格，故對進口和出口部分采用六面體網格，閥體部分采用四面體網格，綜合考慮計算資源與網格質量，最終雙層卸灰閥計算網格數1 774 013。蘑菇頭卸灰閥網格數2 718 805。

圖1 蘑菇頭卸灰閥結構和網格模型

2.2 邊界條件

卸灰閥進口采用壓力進口邊界條件，卸灰閥出口采用充分發展的壓力出口，入口段和閥體以及閥座部分采取無滑移壁面。壁面離散相設置為反射邊界，反彈系數采用Grant&Tabakoff[10]提出的反彈經驗公式來預測顆粒與壁面的碰撞過程。

3 數值模擬結果分析

3.1 蘑菇頭卸灰閥磨損情況分析

在進口質量流量1 kg/s，顆粒粒徑0.1 mm，進口壓力500 Pa，閥門開度3°情況下對蘑菇頭卸灰閥進行磨損分析。

圖2 蘑菇頭卸灰閥沖蝕率云圖

如圖2所示，由于蘑菇頭的結構特點，蘑菇頭卸灰閥的磨損主要集中在閥殼部分，顆粒流經閥芯時大量的顆粒反彈沖擊閥殼，造成閥殼處大面積磨損，而閥芯處的磨損呈點狀分布。閥芯和閥殼處磨損的部位為閥芯與閥殼的密封面，密封面磨損后，會造成漏風。

3.2 蘑菇頭卸灰閥磨損規律分析

3.2.1 閥門開度對卸灰閥磨損的影響

在進口壓力500 Pa，顆粒粒徑0.1 mm，顆粒質量流量1 kg/s條件下，取閥門開度為3°、5°、7°、8°、10°、13°、15°，分別模擬閥門不同閉合狀態下流場及顆粒分布情況，磨損率曲線如圖3所示。仿真結果表明：隨著閥門開度的增大，閥殼和閥芯磨損率下降，在閥門開度為8°時，整體沖蝕率迅速下降到1×10-6kg·s-1·m-2，隨閥門開度增大在1×10-6kg·s-1·m-2附近波動。出現上述變化的原因是，當閥門開度較少時，閥芯密封處的過流截面狹窄，氣流通過此處的流速變化更為劇烈，從而作用在顆粒上拽力更大，使其通過卸灰閥密封處通道的速度更大。隨著閥門開度繼續增大后，流場的擾亂程度會降低，流道內不規則運動的顆粒數量及速度也會減少，因此顆粒與各個區域的碰撞次數及程度會顯著減少。

圖3 不同開度下卸灰閥磨損量變化曲線

圖4 不同質量流量下卸灰閥磨損量變化曲線

3.2.2 顆粒質量流量對卸灰閥磨損的影響

在進口壓力500 Pa，閥門開度3°，顆粒粒徑0.1 mm條件下，分別取質量流量為0.5 kg/s、1 kg/s、2 kg/s、3 kg/s、4 kg/s、5 kg/s、6 kg/s、7 kg/s計算沖蝕磨損。得到如圖4所示的磨損率結果。仿真結果表明，質量流量在0.5～4 kg/s時，隨著顆粒質量流量增大，卸灰閥磨損也隨之成一定線性關系增大，質量流量大于4 kg/s時，卸灰閥磨損增大趨于平緩。分析原因可知，顆粒質量分數的增大，單位時間內進入卸灰閥入口的顆粒數增多，卸灰閥殼體與顆粒之間的碰撞次數會增加；顆粒質量流量增多到一定量后，顆粒之間的干擾增多，沿卸灰閥壁面附近運動顆粒會接近飽和，增加的顆粒更多地從縫隙中隨氣流而過，使卸灰閥壁面受到顆粒碰撞、沖蝕次數逐漸趨于飽和，卸灰閥磨損率增長也會趨于平穩。

4 蘑菇頭卸灰閥結構優化

4.1 分相密封卸灰閥結構

通過上述得到閥門開度和質量流量對蘑菇頭卸灰閥磨損的影響，結合蘑菇頭卸灰閥在工業中的應用情況。可以得出，閥門開度對磨損的影響最大，特別是閥門開度在3°～5°時，磨損率明顯大于8°及以上開度時。工業應用上，當閥門關閉時，物料顆粒卡住閥門，形成了閥門的小開度，造成閥門磨損，磨損后密封不嚴，繼而閥門失效。由此，可以作為蘑菇頭卸灰閥閥門結構改進的方向，將閥芯密封面改為分相密封結構，如圖5所示，閥芯上部面為第一層密封面，閥芯下部面為第二層密封面。第一層密封面為固相密封面，用于阻隔物料，第二層密封面為氣相密封面，用于阻隔閥外氣體。即使閥門關閉時，固相密封面卡料，氣相密封面依然能實現密封，避免漏氣和物料在壓差作用下的飛濺。

圖5 分相密封卸灰閥結構

4.2 分相密封卸灰閥沖蝕磨損

在進口質量流量1 kg/s，顆粒粒徑0.1 mm，進口壓力500 Pa，閥門開度3°情況下對分相密封卸灰閥進行磨損分析。如圖6所示，在閥門開口側，閥殼、閥芯上部面、閥芯中部面和閥芯下部面均存在不同程度的磨損。由圖6（a）發現，磨損主要集中在區域1、2，區域1為閥芯上部與閥殼密封區域，區域2為閥殼與閥芯中部密封區域。由圖6（b）可以看出，沖蝕率最大的部位在閥芯頂面的中部，但此部位并非最為有害的，對漏風不構成影響。同樣的，圖6（c）中的區域2雖然磨損率數值最大但也并非為有害部位，區域1的磨損率為5.643×10-7～1.079×10-6kg·s-1·m-2，此區域與閥殼的接觸構成雙層密封結構，其磨損會直接破壞密封面。

圖6 分相密封卸灰閥沖蝕率云圖

由蘑菇頭卸灰閥磨損云圖和分相密封卸灰閥磨損分析對比可知，在磨損率的數值上，分相密封卸灰閥和蘑菇頭卸灰閥相差一個數量級，蘑菇頭卸灰閥的磨損率比分相密封卸灰閥更大。同時從結構上可以發現，蘑菇頭卸灰閥只有一層錐形密封面，在開閉過程中容易受到顆粒的卡阻而關閉不嚴，造成漏風沖蝕磨損，一旦密封面被破壞，就失去了密封性，卸灰閥就會很快失效。分相密封卸灰閥閥芯與閥殼有兩層密封面，上層密封為固相密封，主要攔截顆粒向下流動，下層密封為氣相密封，當上層密封面如受到顆粒卡阻，但碗狀結構閥芯依然能阻隔物料，為下層氣相密封提供更好的密封環境，下層密封面仍然能實現密封，避免了沖蝕磨損。

4.3 分相密封卸灰閥應用

改進后的獨立氣密封智能雙層卸灰閥在首鋼集團有限公司礦業公司推廣成功，并安裝于遷安球團車間鏈篦機灰箱下，如圖7所示。2018年11月設備安裝后一直穩定運行，灰箱下密封效果提高，自動卸料減輕了工人作業強度。

圖7 分相密封卸灰閥應用

5 結束語

（1）物料顆粒通過閥門時會直接沖擊閥芯和反彈沖擊閥殼對閥門結構造成一定程度的磨損。

（2）對不同影響因素對分相密封卸灰閥沖蝕磨損研究得出：卸灰閥閥門開度越小磨損程度越大；顆粒質量流量對卸灰閥磨損影響有限，質量流量達到4 kg/s后，對卸灰閥的磨損率趨于平穩。

（3）蘑菇頭卸灰閥比分相密封卸灰閥的磨損率更大，且分相密封卸灰閥在結構上具有兩層密封面的優勢，使用壽命更長。分相密封卸灰閥有兩層密封面，能在一定程度上延緩閥門的使用壽命，但也不能完全避免磨損。