配重式爐頂放散閥的設計與計算

高紅亮

（1：河北省冶金專用設備工程技術研究中心 河北秦皇島066318；2：秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島066318）

1 前言

爐頂放散閥作為一種安全設備，安裝在煉鐵高爐爐頂的放散管道上，它的作用是保證高爐內部壓力恒定，使得高爐能夠正常運行。當高爐內壓力達到所允許的最大值時，爐頂放散閥開啟，放散掉多余的壓力，以保持高爐內部壓力始終保持恒定，避免壓力過大導致事故發生。

爐頂放散閥主要有兩種結構形式，一種是配重式爐頂放散閥，另一種是無配重的碟簧倉式爐頂放散閥，其廣泛應用于煉鐵高爐上。本文主要介紹配重式爐頂放散閥結構以及閥門在設計過程中密封力、配重重量和牽驅動大小的計算。

2 工作原理

配重式放散閥由閥體、閥座、閥蓋、導桿、配重、拉桿以及驅動裝置組成，如圖1所示。閥門采用焊接或法蘭連接的方式與管道連接；閥座上鑲嵌有橡膠圈，閥門關閉時，閥蓋在配重的重力作用下壓緊密封圈，達到密封效果。閥體上設有導向套，閥蓋上安裝有導桿，依靠導向桿的導向作用，保證每次起閉的過程閥蓋的密封面都能與閥體的密封面緊密貼合。

圖1 配重式爐頂放散閥

閥門的起閉是通過電動卷揚或液壓缸拉動拉桿，拉桿帶動閥蓋打開和關閉。閥蓋下的導桿在閥體上的導向套中做垂直運動，從而控制閥蓋的運動軌跡始終保持垂直，使得閥門關閉時閥蓋與閥座密封面的相對位置始終不變。閥門關閉時閥蓋在配重的壓力作用下與閥座密封面貼合并壓緊密封圈，實現密封。閥門密封面上的密封比壓靠配重的壓力所產生。

3 主要參數計算

配重式放散閥設計時，閥門的密封力、配重力及驅動力的大小計算非常關鍵。在計算閥門配重大小時，如果配重力計算的太小，則無法為密封面提供足夠的密封比壓，使得閥門無法實現密封；配重力計算的過大，會產生過度設計，增加制作成本，同時會導致開啟閥門所需的驅動力增大，驅動閥門的驅動裝置規格就要增大，造成浪費。在計算閥門驅動力時，驅動力計算過小，則選擇的驅動裝置無法正常開啟閥門造成安全事故；驅動力計算過大，則同樣會導致選擇驅動裝置規格過大，造成成本的增加。

本文計算的爐頂放散閥，公稱通徑為DN650mm，介質工作壓力P＝0.21MPa，閥門放散壓力PN為1.1－1.2倍工作壓力，PN取0.25MPa，閥門起閉為卷揚機驅動。閥門各零部件結構尺寸在設計過程中給出，根據已知條件計算閥門所需配重力以及卷揚機驅動力的大小。可根據計算出的結果結合實際使用條件（空間位置、施工環境等），調整各個結構件的尺寸，從而得出更加合理的設計結果。

3.1 密封面上總作用力計算

密封面結構如圖2所示。閥門要實現密封，必須克服兩方面的力：一是密封面上的密封力FMF；一是介質作用在閥蓋上的介質力FMJ。

圖2 密封面結構

3.1.1 密封面上的密封力計算

密封力的大小與密封面上的必需比壓大小、密封面的寬度以及介質壓力有關。當密封面為橡膠時，必需比壓和密封力為：

式中：qMF—必需比壓，即密封面單位面積上所必需的最小壓力，MPa；

PN—閥門放散壓力，取0.25MPa；

FMF—密封力，N；

bM—密封面寬度，取12.5mm；

DMN—密封面內徑，取720mm。

3.1.2 介質力計算

影響介質力大小的因素包括密封面內徑DMN、密封面寬度bM以及介質壓力PN，計算公式見式（3）：

式中：FMJ—介質力，N；

3.1.3 密封面上總作用力計算

密封面上總作用力的大小等于密封力與介質力之和，計算公式見式（4）：

3.1.4 計算結果

計算項 qMF FMF FMJ FMZ計算結果0.688MPa 19811N 101788N 121599N

3.2 配重力計算

閥門的密封是靠配重來提供密封比壓的，因此正確選擇配重的重量非常關鍵。閥門的受力如圖3所示。根據閥門密封要求，結合放散閥的受力特點分析，閥蓋與配重的重力在密封面上的合力必須要大于等于密封面上的總作用力，這樣閥門才能夠實現密封。配重力計算公式見式（5）：

圖3 受力分析圖

式中：L1－配重力臂，取2600mm；

L2－閥蓋力臂，取718mm；

FFG－閥蓋重力，取4680N。

計算得：FPZ＝32287N＝3228.7kg

因此，放散閥配重重量為3228.7kg。

3.3 驅動力計算

閥門開啟的驅動力由電動卷揚提供，為了能夠選擇合適的卷揚機，必須計算出閥門驅動力的大小。閥門受力簡圖如圖4所示，根據受力情況分析，閥門驅動力相對于鉸點A的扭矩必須大于閥蓋與配重的重力相對于鉸點A的扭矩，才能保證閥門正常起閉。驅動力計算公式見（6）：

圖4 受力分析圖

式中：L3－驅動力臂，取3110mm。

計算得：FQ＝28090N＝2809kg

通過計算得出卷揚機最小拉力為2809kg，考慮到一定的安全系數，可選用3.5t卷揚機。

4 結語

閥門在實際工作過程中，各關節的摩擦力也會對最終計算結果產生影響。考慮到此影響，閥門放散壓力已經按最大系數1.2倍來考慮。結合實際制作和使用經驗，完全滿足要求。

爐頂放散閥是高爐煉鐵系統中的重要設備，其設計的合理與否直接影響煉鐵高爐的正常使用，因此在設計過程中應做充分的理論分析與計算，保證閥門設計合理可靠。