热风阀温度场的有限元分析

张宝生 李树勋

(1：兰州理工大学 甘肃兰州730050；2：秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛066006)

热风阀温度场的有限元分析

张宝生①1,2李树勋1

(1：兰州理工大学 甘肃兰州730050；2：秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛066006)

通过用有限元的方法对热风阀关键部位进行分析，得出了温度场对热风阀主要部件的影响结果，且分析结果与实际情况相吻合，说明了分析的合理性。此分析结果，为热风阀结构改进提供了理论依据。

热风阀 温度场 有限元分析

1 引言

热风阀是炼铁高炉热风炉系统的主要设备之一，为满足热风阀高风温和长寿命的要求，近十几年来各国都在探索热风阀结构的改进。其关键为研究热风阀主要部件在高温下的性能，从各国产品的相关资料来看，仅有少数厂家对热风阀产品的结构进行了温度场的分析。尤其在国内，几乎无厂家对热风阀进行温度场分析，分析计算仅凭经验估算，这些严重制约着热风阀产品质量的提高。

对热风阀进行温度场分析可以对热风阀温度定量化，可以较真实的反应热风阀的温度分布，同时可以解决热风阀材料的使用性能分析、高风温对阀门部件应力、变形及寿命的分析等实际问题。

由于热风阀的传热过程包括热传导、热对流及热辐射三种传热形式，属于复合传热，且阀门结构较复杂，材料种类众多，传统的解析法很难得到准确的分析结果，本文主要通过有限元法对热风阀的温度场进行分析，随着数值模拟技术的进步与发展，有限元技术对于热风阀的温度场分析可以真实的反应热风阀的传热情况。

2 热风阀结构介绍

热风阀主要由阀体、阀板、阀盖及传动装置等部件组成，由于其长期工作在1300℃左右的高温状态下，所以在阀门内部要充入冷却水对阀门进行冷却，并在阀门内部浇筑耐火浇注料，以保证阀门能够正常工作，其主要部件如图1所示。

3 有限元模型的建立和边界条件的确定

主要通过有限元的方法对热风阀的主要部件进行温度场分析，为了更加接近热风阀的实际工况，相关参数尽量与实际工况相同。

图1 热风阀结构示意图

3.1 模型的建立

根据热风阀的实际工况，对热风阀建立四种有限元模型，分别为：

1)阀门开启时阀板换热的模型(图2)；

2)阀门关闭时阀板换热的模型(图3)；

3)阀门开启时阀板外水圈同外界的换热模型(图4)，

4)阀门关闭时阀板外水圈同外界的换热模型(图5)。

图2 阀门开启时阀板传热模型图

为了较真实的反应热风阀的工作状况，对其进行开启、关闭两种工况的分析。其中，时间参数选用国内热风阀普遍的开启时间45min，关闭时间90min。为了计算简便，对模型进行了简化，并假设水道分布均匀。模型建立如下所示。

3.2 网格划分及边界条件的确定

图3 阀门关闭时阀板传热模型图

图4 阀门开启时外水圈辐射传热模型图

图5 阀门关闭时外水圈辐射传热模型

图6 阀门关闭时阀板有限元模型图

图7 阀门开启时阀板有限元模型

采用自适应网格划分技术使整个模型自动分配网格形式，考虑前后处理加载方式及结果的精确性，对网格进行局部自定义，网格图如图6～图8所示。

图8 阀门外水环有限元模型

对热风阀进行温度场数值模拟时设定条件如下：

1)模型及载荷具有对称性，设置单元的选项为轴对称；

2)考虑到热风阀的实际工况，热风管道具有热辐射作用，依据热辐射角系数的特性，建立简化热辐射模型如图4、图5。以阀体内表面和耐火浇注料的外表面为节点，建立单元，并输入耐火浇注料和钢材辐射率等边界条件；

3)对阀板表面添加对流换热系数。

对于热风阀非线性瞬态传热过程，对流换热系数的大小随温度的变化而变化。为了计算精度的准确性，对自然对流换热系数进行如下理论计算。

自然对流换热公式如下：

式中Ra—瑞利准则，Ra=Gr·Pr；Pr—普朗特准则；Gr—格拉晓夫准则，Gr=9βΔtl3/γ3；β—容积膨胀系数，1/K；γ—运动粘度m2/s；h—定型尺寸；Δt—tw-tf；tw—壁面温度；tf—远离壁面的流体温度；C,n—由实验确定的常数。

根据tm=1/2(tw+tf)，由《传热学》附表2查空气物性参数数据γ、λ、Pr计算β=1/Tm及Gr，Tm=273+tm，计算Gr·Pr数值，由Gr·Pr数值可以推出空气的流态及C,n。由无限大空间立壁的自然对流换热系数公式计算出努塞尔值，然后计算自然对流的换热系数α。经计算，Gr·Pr值处于1010～1013之间，炉壳外表面同外界换热为紊流换热，取C=0.1，n=1/3，根据相关公式，即可求出在不同壁温时的自然对流换热系数。

α=Nuλ/h

式中α—对流换热系数W/(m2·K)；h—定型尺寸m；λ—水导热系数W/(m·K)。

计算结果如表1所示。

表1 不同温度(℃)时自然对流换热系数 W/(m2·K)

图9 阀板中部特征点温度变化

图10 阀板外水圈下部外表面特征点温度变化

4 计算结果及分析

选取阀板中部位置的点为特征点，分析其温度随时间变化的情况，由图2、3模型得出的数据整理得出图9，取阀板外水圈下部外表面中点为特征点，由图4、5模型得出数据整理得到图10。

由图9可知，在阀门关闭的时间内，耐火浇注料的外表面温度上升到1123℃左右，在阀门开启时间内，温度下降到140℃左右，耐火材料冷表面(钢板本体的热表面)的温度在热风阀开闭的一个周期内(135min)，温度处在30～37℃之间。在耐火 材 料的保护下, 钢板本体的热表面的温度变化为7℃。通过分析可知，阀板上的耐火浇注料使阀门的温度变化幅度减小，热应力和热冲击减小，起到了保护阀门的效果。

由图10可知，在阀门的开启时间内，阀板外水圈热表面的温度由32℃上升到78℃，外水环的最大温度变化为46℃。通过分析可以看出，在阀门开启及关闭转换的时间内，温度变化剧烈，随着时间的变化，阀板外水圈在此循环应力的作用下，极易造成阀板产生热疲劳裂纹，与阀门实际使用情况此位置易因热疲劳而损坏相符。

5 结语

对热风阀主要部件在高温下进行了温度场分析，通过建立有限元分析模型，根据阀门实际工况条件，并考虑材料参数随温度变化的非线性，对热风阀的温度场进行了模拟。通过分析模拟，得出了阀门的失效形式及产生原因，经与实际情况对比符合实际情况。对热风阀进行的温度场分析可为制造厂家热风阀结构的改进提供理论参考。

[1]李金海,熊滨生.微水节能热风阀阀板的模拟分析[J].郑州大学学报，2008.

[2]庞方杰，徐济进，陈立功，张敏.全焊接阀门的焊接温度场拟合分析[J].焊接学报,2005.

[3]李孔祥谦.有限元法在传热学中的应用[M].北京:科学出版社，1998.

Finite Element Analysis about Temperature Field of Hot Blast Valve

Zhang Baosheng1,2Li Shuxun1

(1:Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050；2:Qinhuangdao Qinye Heavy Industry Co., Ltd., Qinhuangdao 066006)

By the finite element method to analyze the main components of the hot blast valve, obtained temperature field for the main components of hot blast valve affect the results. The analysis results are in good agreement with the actual situation, Illustrates the rationality of the analysis. The analysis of the results provide theoretical reference for the structure improvement of hot blast valve.

Hot blast valve Temperature field Finite element analysis

张宝生，男，1980年出生，兰州理工大学动力工程专业，硕士，工程师

TF321.8

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10.3969/j.issn.1001-1269.2015.02.011

2014-09-16)