中冶南方工程技術有限公司 （湖北武漢 430223） 竇 剛
【摘 要】針對某鋼鐵廠熱風閥的閥體出口側水冷圈密封面的下端出現大量溝痕的現象，深入分析了熱風爐換爐過程對熱風閥流場的影響。在詳細研究熱風爐換爐工況的基礎上，使用ANSYS Fluent對最有可能造成溝痕現象的工況進行了流場仿真，并將該工況下的流場同正常送風工況下的流場進行對比，指出造成上述溝痕的原因是該工況下的熱風沖刷腐蝕，并提出了相應的解決措施。
【關鍵詞】熱風閥 沖刷腐蝕 流場 有限元分析
一、 前言
熱風閥是高爐熱風爐系統中不可缺少的重要閥門，主要由閥板、閥體和閥蓋等部分組成。其應用在熱風爐系統中的熱風出口處，起切換熱風輸送的作用。隨著高爐的熱風溫度和壓力不斷提高，熱風閥的工作條件越來越嚴酷，常年在900~1 350℃和約0.4MPa壓力的條件下工作，是熱風爐閥門系統中工作條件最惡劣的設備。
某鋼鐵廠在生產實踐中發現熱風閥的閥體出口側的密封面下端出現大量溝痕，并且后期有很大概率發展為裂紋并漏水，最終使熱風閥報廢。根據外觀判斷，這些溝痕屬于熱空氣高速沖刷造成的沖刷腐蝕。熱風閥在完全打開正常送風時，熱風流場對閥體密封面的沖刷在圓周上是較為均勻的，不存在某一區域沖刷特別嚴重的情況；而熱風爐換爐過程中的管道內流場情況和正常送風時有很大不同。為了確定造成這些溝痕的具體原因，本文將研究熱風爐換爐過程對熱風閥流場的影響。
二、 高爐熱風爐換爐工藝簡介
高爐熱風爐系統參如圖1所示。熱風爐按燃燒期、送風期周期循環方式作業，為保證向高爐連續送風，一般每座高爐配置3~4座熱風爐交替工作。在熱風爐進行換爐時，當新送風的熱風爐的熱風閥沒有完全打開時，原送風的熱風爐仍需要保持送風，直到新送風的熱風爐達到正常工作狀態后，原送風的熱風爐才停止送風。
目前，熱風爐換爐的工藝流程一般如下：
1）熱風爐從燃燒期轉為送風期：關煤氣調節閥→關煤氣切斷閥（同時開啟煤氣吹掃閥進行管道吹掃）→關空氣調節閥→關空氣切斷閥斗→關煤氣燃燒閥（同時打開煤氣放散閥斗→關煙道閥，此時熱風爐處于“悶爐”狀態）→開冷風充壓閥進行均壓→冷風閥前后壓差達到規定值后，全開冷風閥→開熱風閥（或開熱風閥→開冷風閥）。此時熱風爐進入“送風”狀態。對于具體鋼鐵企業，冷風閥和熱風閥的開啟順序可能有所不同。
2）熱風爐從送風期轉為燃燒期：關冷風閥→關熱風閥（此時熱風爐處于“悶爐”狀態）→開廢氣閥（熱風爐均壓）→煙道閥前后壓差到達規定值后，開煙道閥斗關廢氣閥→開煤氣燃燒閥（同時關閉煤氣放散閥）→開空氣切斷閥→開煤氣切斷閥→小開空氣調節閥→小開煤氣調節閥→已點火→開空氣調節閥→開煤氣調節閥。此時熱風爐由“送風”轉為“燃燒”狀態。
三、 各種換爐工況下熱風閥內空氣流動情況
根據前述的換爐工藝，可以推斷出在各種換爐工況下通過熱風閥的熱空氣大致流動情況。
（1）若熱風爐需要從燃燒期轉為送風期 當換爐指令下達后，先打開充壓閥，使冷空氣進入熱風爐內部，結束悶爐狀態；在達到設定壓力后，工藝流程根據具體的鋼鐵企業有所區別：
1）先開啟冷風閥，再開啟熱風閥。在熱風閥開啟的過程中，由于冷風閥已打開，有大量熱空氣通過。
2）先開啟熱風閥，再開啟冷風閥。在熱風閥開啟的過程中，由于冷風閥未打開，且熱風閥前后（即熱風爐和熱風主管之間）的壓差很小，這種情況下通過熱風閥的空氣流量可忽略不計。
（2）若熱風爐需要從送風期轉為燃燒期 當換爐指令下達后，先關閉冷風閥，再關閉熱風閥。在熱風閥關閉的過程中，由于冷風閥已經關閉，熱風閥前后沒有壓力差，因此沒有熱空氣通過。
通過以上的分析，可知僅在熱風爐由燃燒期轉為送風期且熱風閥最后開啟的工況下，有大量熱空氣通過部分開啟狀態下的熱風閥，其余工況下幾乎沒有熱空氣通過熱風閥。恰好前文所述的鋼鐵廠在熱風爐從燃燒期轉為送風期時，就是熱風閥最后開啟。因此需要對這種工況下的熱風閥內部流場進行有限元分析，以確認其對熱風閥的具體影響。
下文中的有限元流場分析均采用ANSYS FLUENT進行計算。
四、 燃燒轉送風工況下的熱風閥流場分析
1. 計算通過熱風閥的空氣流量
在換爐的過程中，原處于送風期的熱風爐仍進行送風，直到換爐結束再切換到燃燒期。高爐主風機采取定風量操作，將風量分配到兩座并聯運行的熱風爐中。但由于剛開始送風的熱風爐的熱風閥沒有完全打開，氣流受到的阻力要大于另一座正常送風的熱風爐，因此通過兩個熱風閥的熱風流量并不相同，需要單獨計算。
本文采用有限元仿真來計算在熱風閥不同開度狀態下通過熱風閥的流量。
取兩座相鄰熱風爐混風室至高爐這一段的熱風管道內壁為分析對象。尺寸參照相關高爐，管道內徑1600mm，閥板直徑1800mm，簡化部分細節，不考慮混風，建立仿真幾何模型如圖2所示。此模型在部分開啟的熱風閥的安裝位置保留了伸入熱風管道內的閥板的幾何外形，忽略閥體內腔幾何形狀以及其他細節。由于同一高爐的不同熱風爐內壓力差別很小，為了將總風量分配至兩個熱風爐的管道中，將兩個混風室的入口用管道連接，在連接管道的中間設置了進風口。
給定邊界條件：入口流量7200m3/min，出口壓力0.42MPa，空氣溫度1250℃。
熱風閥的閥板開度300mm時，有限元計算結果表明通過此閥的空氣流量為1380m3/min；閥板開度600mm時，有限元計算結果表明通過此閥的空氣流量為2820m3/min。
2. 完全開啟狀態下熱風閥的流場分析
為了對比部分開啟狀態下熱風閥受沖刷的程度，有必要對非換爐狀態下完全開啟并且正常送風的熱風閥進行流場有限元仿真。本文取熱風閥完全開啟時的內腔及部分前后管道內壁作為研究對象，并做適當簡化，忽略閥板兩面與閥體的間隙以及閥板上的閥體內部空間，最終用于流場分析的模型見圖3。
給定邊界條件：入口流量7200m3/min，出口壓力0.42MPa，空氣溫度1 250℃。此時通過管道的熱風平均流速為60m/s。
熱風閥出口側的壁面1（見圖3）受到的剪切力云圖如圖4所示。圖4中的圓環為閥體冷卻水圈密封面輪廓，可見剪切力在密封面處的數值高于其他區域，但在圓周方向上分布較為均勻，上端沖刷較下端略為嚴重。這和本文前言中所述的溝痕分布情況并不吻合，說明這些溝痕并不是非換爐狀態下完全開啟正常送風的沖刷造成的。
3. 300mm開度下熱風閥的流場分析及對比
取熱風閥部分開啟時的內腔及部分前后管道內壁作為研究對象，并做適當簡化，忽略閥板與閥體的間隙，最終用于流場分析的幾何模型如圖5所示。取邊界條件同上進行流場有限元仿真，面1的壁面剪切力云圖如圖6所示，垂直中心面整體流速云圖如圖7所示。
從圖6可知，閥體水冷圈密封面處受到的熱風沖刷主要集中在下端圓周的90°范圍內，壁面剪切力最大為12.3Pa。對比全開狀態下的仿真結果，閥門開度300mm時密封面受到的壁面剪切力是全開狀態的約6倍。
從圖7可知，熱風在熱風閥前的流速約為13m/s，但經過閥板下沿后流速急劇增大，最大為124m/s。根據上述計算結果，熱風閥全開時熱風通過的流速為60m/s。雖然熱風閥開度300mm時的風量僅為全開狀態下風量的18%，但最大流速卻是全開狀態下流速的約2倍。
4. 600mm開度下熱風閥的流場分析及對比
用于本節流場分析的幾何模型參見圖5，僅閥板行程有所不同。取前述邊界條件進行流場有限元仿真，面1的壁面剪切力云圖如圖8所示，垂直中心面整體流速云圖如圖9所示。
從圖8可知，閥體水冷圈密封面處受到的熱風沖刷主要集中在下半部分，壁面剪切力最大為6.6Pa。對比仿真結果，閥門開度600mm時密封面受到的壁面剪切力約是全開狀態的3倍。
從圖9可知，熱風在熱風閥前的流速約為25m/s，但經過閥板下沿后流速急劇增大，最大為96m/s。雖然熱風閥開度600mm時的風量僅為全開狀態下風量的39%，但最大流速卻是全開狀態下流速的152%。
五、 結語
通過以上的分析及仿真可知，在熱風爐換爐的過程中，由燃燒期轉為送風期且熱風閥最后開啟的工況下，熱風閥閥體的水冷圈密封面下端在開啟過程中受到的熱風沖刷腐蝕要遠大于完全開啟狀態，而且閥門開度越小，熱風沖刷腐蝕越嚴重。而其余工況下幾乎沒有熱空氣通過熱風閥。
這種工況下閥體水冷圈密封面下端受到的沖刷腐蝕與本文前言中所述溝痕完全符合，并且此工況與前述鋼鐵廠的熱風爐換爐工藝也完全對應。盡管熱風閥開啟時間僅為20s左右，但是由于熱風爐系統常年不間斷工作造成的累積效應，加之相應鋼材無法承受高溫空氣（1 250℃）的沖刷腐蝕，因此認為溝痕現象是由于熱風爐從燃燒期轉為送風期的換爐過程中，熱風閥中受到的熱風沖刷腐蝕而造成。
為了防止熱風閥的閥體水冷圈密封面下端在熱風爐換爐過程中受到嚴重的熱風沖刷造成溝痕，可以采用以下的措施：
1）在熱風爐換爐由燃燒期轉為送風期的過程末期，先開啟熱風閥，再開啟冷風閥。
2）改變熱風閥閥體水冷圈的直徑，避開熱風沖刷最嚴重的區域。
3）對閥體的耐材內壁進行變徑，使熱風在進入熱風閥后朝管道中心徑向收縮，從而減少進入閥體中部槽體的熱空氣。