1　概述

熱風調節閥是高爐生產中必不可少的設備，閥板是熱風閥的主體構件，它承受著高達1000～1350℃的高溫，必須在冷卻條件下才能正常工作。

在熱風閥使用過程中，常因閥板外水環出現裂紋使整個設備無法正常工作[1]，所以提高閥板的使用壽命是延長熱風閥整體壽命的關鍵。由于流體和固體材料的熱物理參數隨溫度變化的非線性、閥板幾何形狀的復雜性、閥板復合換熱的多樣性以及載荷工況多變性，給熱風閥閥板的熱分析和熱強度分析帶來很大的困難。國內對熱風閥閥板的熱分析和熱強度分析僅限于簡單的手算和憑經驗估算，嚴重制約了熱風閥產品質量的提高和設備使用壽命的延長。有限元分析是處理復雜非線性問題行之有效的方法之一，本文采用大型有限元軟件包ANSYS對國內某鋼廠的熱風閥閥板溫度場和熱應力場進行了數值模擬，為閥板長壽提供有益的參考。

2　有限元模型的建立和邊界條件的確定

2.1　有限元模型的建立

(1)閥板幾何模型的建立

幾何模型以國內某鋼鐵公司現有的1.8m熱風閥為原型。為了控制計算規模和提高計算速度，對其作了必要的簡化處理，假定閥板中水道分布是均勻的，內水圈螺旋水道做同心圓處理，忽略進水管、出水管周圍的微小筋板結構。簡化模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

1—內水環；2—鋼質骨架；3—耐火水泥襯；4—外水環

(2)有限元模型的建立

簡化的幾何模型具有軸對稱特征，同時閥板兩面的載荷也具有近似對稱性，所以設置單元的選項為軸對稱。選用熱分析單元PLANE55劃分耐火材料襯和閥板鋼質內外水圈。考慮到風道、滑道的熱輻射作用，采用帶有孤立節點N1、N2、N3的表面單元確定輻射情況。模型采用的耐火材料輻射率為0.95，鋼材的輻射率為0.8，Stefen-Boltzmann常數為5.67×10-8W/(m2·K4)。所建有限元模型見圖2。

圖2　有限元模型

1—水道表面；2—內水環鋼材熱表面(耐火水泥冷表面)；

3—耐火水泥熱表面；4—外水環熱表面

(3)材料熱物理參數

鋼材及耐火材料的熱物理參數，如比熱容、導熱系數等是溫度的非線性函數，本文熱物理參數選自參考文獻。

2.2　邊界條件的確定

根據實際工況，把有限元分析分為開啟、關閉兩種情況。為了真實描述實際情況，采用瞬態分析法，時間采用國內某鋼廠實際熱風閥開閉時間，開啟為45min，關閉為90min。

閥板工況包含開啟和關閉兩鐘狀態，兩種狀態的熱對流和熱輻射的邊界條件討論如下。

2.2.1　關閉狀態下熱邊界條件的確定

(1)熱輻射邊界條件的確定

閥板關閉狀態下，耐火水泥表面與風道主要以輻射形式進行熱交換，橫向風道的表面溫度取關閉狀態下的平均溫度，為1150℃(國內某鋼鐵公司現場實際數據)，并將該溫度加在孤立節點N1、N2上。此時外水環和閥體滑道的溫度比較低，接近水溫，節點N3的溫度為30℃。

(2)熱風對流換熱邊界條件的確定

閥板關閉狀態下，熱風與耐火水泥熱表面以自然對流方式進行換熱，自然對流換熱系數很小(同輻射相比)，可忽略。外水環熱表面同閥體型腔的換熱屬于有限空間的自然對流換熱，換熱系數可忽略。

(3)水道表面的對流換熱

內外水環水道表面的換熱屬矩形流道的受迫紊流水強制換熱，首先依據公式1計算出流道的定型尺寸。

式中　d_e———當量直徑，m；
　f———流道斷面面積，m²；
　 U———流體濕潤的流道周邊，m。

依據迪圖斯—貝爾特公式2計算出內外水圈的努塞爾數：

式中　Nu_f———水的努塞爾數；
　Re_f———水的雷諾數；
Pr_f———水的普朗特數。

依據公式3計算出強制對流換熱系數：

式中　α———對流換熱系數，W/(m²·℃)；
λ———水導熱系數，W/(m·℃)；
　d———特征尺寸，m。

流體通道呈螺旋型，流體將在流場中形成二次環流，對α加入管道彎曲的修正系數見公式4。

式中　R———螺旋管的曲率半徑，m；
　 ε_R———管道彎曲影響的修正系數。

2.2.2　開啟狀態下熱邊界條件的確定

(1)熱輻射邊界條件的確定

閥板開啟狀態下，閥板提升至閥體的型腔內，耐火水泥表面與閥體型腔主要以輻射形式進行熱交換，閥板正對面的閥體型腔鋼板的溫度接近水溫，取溫度值為30℃，加在孤立節點N1、N2上。閥板外水環熱表面單元受到風道壁面的熱輻射作用，可近似看成小物體大空間換熱，把風道壁面溫度1150℃加在孤立節點N3上。

(2)對流換熱

熱風與閥板耐火水泥表面的換熱為有限空間的自然對流換熱，換熱系數可忽略，水道的強制對流換熱依據公式1～4計算。

閥板開啟狀態下，閥板外水圈下表面被熱風掃掠，屬于熱空氣強制對流換熱，依據外掠平板紊流平均換熱準則關聯式5可近似計算出其努塞爾數。

式中　Nu_f———熱風的努塞爾數；
　Re_f———熱風的雷諾數；
　Pr_f———熱風的普朗特數。

依據公式3計算出熱風的強制對流換熱系數，加在帶有孤立節點N3的表面單元上。

3　熱應力場有限元模型的確定

熱應力場的有限元模型建立在溫度場模型的基礎上，所用模型同溫度場模型一致，首先進入結構分析程序，加入熱膨脹系數、彈性模量、泊松比等材料參數，然后加入特定時間點的閥板溫度場作為溫度載荷，進行熱應力的準靜態分析。

4　計算結果和討論

4.1　溫度場結果

特征點位置如圖2所示。對結果處理后得到特征點溫度隨時間變化的曲線見圖3～4。

圖3　耐火水泥熱表面的溫度與時間關系

圖4　鋼材溫度與時間關系

由圖3可知，在開閉的一個周期內，耐火水泥熱表面的溫度變化達到了970℃，耐火材料蝕損的原因是由于表面溫度的急劇變化。

由圖4可知，鋼制骨架的溫度和外水環熱表面的溫度遠高于閥板內水環表面的溫度，8100s(或16200s)時，外水環外表面的溫度達到最高，此時外水環外表面的熱應力最大。

4.2　熱應力結果

將8100s時的閥板溫度場作為溫度載荷進行熱應力的準靜態分析。整個閥板的鋼材熱應力
云圖見圖5。

圖5　閥板熱應力云圖

外水環所受的熱應力最大，外水環受熱風掃掠和受風道輻射的外表面邊緣部分應力幅值最大為115MPa，此應力值小于材料的屈服極限，說明裂紋是由熱疲勞引起的。現場應用表明，邊緣部分使用一段時間后出現裂紋，說明實際模擬與現有的失效形式和失效區域相吻合，間接地驗證了模擬的合理性。

為了防止出現熱疲勞，可采取以下措施：

(1)降低閥板外水環的溫度載荷，在開啟時，通過變頻技術增加水速，增強水的強制換熱能力；
(2)增加閥板的行程，使外水環表面受熱風掃掠和受風道表面熱輻射強度降低；
(3)采用高強度耐熱合金鋼，提高材料的熱強度極限；
(4)防止外水環的剛度突變，采取外水環的等壁厚設計，減小熱變形，抑制熱應力；
(5)增加外水環的防護層，在外層粘貼耐火材料，以降低鋼材部分的溫度載荷；
(6)為了防止熱疲勞，應有足夠的過渡圓角，提高材料表面的光潔度，如采用噴丸處理等；
(7)在滿足水壓的前提下，減小外水環的壁厚和熱阻，以便快速帶走鋼材中的熱量，來降低溫度載荷。

5　結論

(1)根據實際設備和實際工況，考慮材料參數隨溫度變化的非線性和熱輻射傳熱的非線性，進行了熱風閥閥板的瞬態溫度場和準靜態熱應力場的模擬。整套模擬思路和模擬方法對熱風閥的熱分析和熱強度研究具有借鑒作用。
(2)實際模擬與現有的失效形式和失效區域相吻合，說明了模擬的有效性。
(3)根據模擬和生產實際，提出了延長熱風閥壽命的措施。

參考文獻

1　宋明，趙麗.長壽命熱風閥.2001中國鋼鐵年會論文集
2　任澤霈，梅飛鳴.傳熱學.北京：中國建筑工業出版社，1993
3　陳家祥.連續鑄鋼手冊.北京：冶金工業出版社，1990
4　錢濱江.簡明傳熱手冊.北京：高等教育出版社，1983