卸灰阀冲蚀磨损分析及结构优化*

戴 波，程 启，刘克俭，卢兴福

（1.国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，长沙 410205；2.湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭 411105）

0 引言

1 数值计算模型

卸灰阀是钢铁领域一种应用广泛的卸灰设备，在使用过程中，阀芯会受到气流中粒子的冲蚀磨损。特别是在阀芯磨损后密封性变差的情况下，严重影响跨压差排灰的密封性，漏风不仅会增加生产成本，造成资源的浪费。而且，漏风情况下颗粒对于阀门的磨损将会进一步加剧，从而大大降低阀门的使用寿命。基于上述背景，中冶长天国际工程有限公司开发出分相密封双层卸灰阀，并率先应用于日本和歌山钢铁有限公司180 m2烧结项目中，并取得了良好的效果[1]。

国内外众多学者对于冲蚀磨损的研究为本文提供有力的参考依据。赵健等[2]针对固液两相流粒子冲蚀钻头内流道磨损机制，通过数值模拟和实验相结合得到了粒子参数对内流道磨损的影响规律。刘洪斌[3]利用Fluent软件进行数值模拟计算，采用DPM模型，通过改变入口流速、颗粒直径、颗粒质量流量，数值模拟得出岩屑甩干机内部流场分布及2种刮刀转子壁面冲蚀情况。偶国富等[4-5]针对高压差调节阀的阀芯空蚀失效进行了数值模拟和结构优化，建立了节流过程中阀芯空蚀失效的预测方法。Duarte和El-Behery等[6]研究表明磨损部位的分布以及最大磨损出现的部位与颗粒浓度的关系并不明显。Hutching等[7]研究了气-固两相流的冲蚀磨损问题中颗粒硬度与磨损率的关系，得出了冲蚀磨损率正比于颗粒硬度比值的n次方的结论。本文旨在从数值计算角度探究各因素对蘑菇头卸灰阀磨损的影响，并对蘑菇头卸灰阀进行结构优化。

1.1 控制方程

卸灰阀阀内为气固两相流，气体为连续相，其控制方程为：

式中：ρ为气相密度，kg/m3；t为时间，s；vi，vj为气相速度分量，m/s；xi，xj为空间坐标，i≠j；P为压力，Pa；τij为应力张量；gi为重力分量，N；SD为颗粒相对连续相作用的附加源相。

1.2 DPM模型及磨损模型

卸灰阀内部结构复杂，故流场运动和颗粒运动情况也较复杂，所以为了降低计算耗费的时间，提高计算效率，忽略颗粒与颗粒间的相互作用，采用Euler-Lagrangian法对卸灰阀进行气固两相流模拟。灰份颗粒在Lagrangian坐标系下的运动方程[8]如下所示：

式中：FD为单位曳力，N；g为重力加速度，m/s2；u和up分别为气体速度和灰份颗粒速度，m/s；ρp和ρ分别为灰份颗粒密度和气体密度，kg/m3；Fx为颗粒所受其他力，N。

许多学者针对颗粒对材料的冲蚀问题，进行了大量的试验分析，并得出了很多冲蚀模型。本文所选用的冲蚀模型是关于粒子的入射角度、相对速度以及质量流量的函数，其表达式为[9]：

式中：Rerosion为冲蚀磨损率，kg/（s·m2）；N为碰撞颗粒数目；m为单颗粒质量，kg；C（d）为颗粒直径函数，m；α为冲击角度，（°）；A为颗粒投影在壁面的面积，m2；b（v）为颗粒速度指数函数。

2 数值模拟

2.1 几何模型和计算网格

模型尺寸如图1所示。由于蘑菇头卸灰阀阀体部分含有复杂的曲面结构，难以全部划分六面体网格，故对进口和出口部分采用六面体网格，阀体部分采用四面体网格，综合考虑计算资源与网格质量，最终双层卸灰阀计算网格数1 774 013。蘑菇头卸灰阀网格数2 718 805。

图1 蘑菇头卸灰阀结构和网格模型

2.2 边界条件

卸灰阀进口采用压力进口边界条件，卸灰阀出口采用充分发展的压力出口，入口段和阀体以及阀座部分采取无滑移壁面。壁面离散相设置为反射边界，反弹系数采用Grant&Tabakoff[10]提出的反弹经验公式来预测颗粒与壁面的碰撞过程。

3 数值模拟结果分析

3.1 蘑菇头卸灰阀磨损情况分析

在进口质量流量1 kg/s，颗粒粒径0.1 mm，进口压力500 Pa，阀门开度3°情况下对蘑菇头卸灰阀进行磨损分析。

图2 蘑菇头卸灰阀冲蚀率云图

如图2所示，由于蘑菇头的结构特点，蘑菇头卸灰阀的磨损主要集中在阀壳部分，颗粒流经阀芯时大量的颗粒反弹冲击阀壳，造成阀壳处大面积磨损，而阀芯处的磨损呈点状分布。阀芯和阀壳处磨损的部位为阀芯与阀壳的密封面，密封面磨损后，会造成漏风。

3.2 蘑菇头卸灰阀磨损规律分析

3.2.1 阀门开度对卸灰阀磨损的影响

在进口压力500 Pa，颗粒粒径0.1 mm，颗粒质量流量1 kg/s条件下，取阀门开度为3°、5°、7°、8°、10°、13°、15°，分别模拟阀门不同闭合状态下流场及颗粒分布情况，磨损率曲线如图3所示。仿真结果表明：随着阀门开度的增大，阀壳和阀芯磨损率下降，在阀门开度为8°时，整体冲蚀率迅速下降到1×10-6kg·s-1·m-2，随阀门开度增大在1×10-6kg·s-1·m-2附近波动。出现上述变化的原因是，当阀门开度较少时，阀芯密封处的过流截面狭窄，气流通过此处的流速变化更为剧烈，从而作用在颗粒上拽力更大，使其通过卸灰阀密封处通道的速度更大。随着阀门开度继续增大后，流场的扰乱程度会降低，流道内不规则运动的颗粒数量及速度也会减少，因此颗粒与各个区域的碰撞次数及程度会显著减少。

图3 不同开度下卸灰阀磨损量变化曲线

图4 不同质量流量下卸灰阀磨损量变化曲线

3.2.2 颗粒质量流量对卸灰阀磨损的影响

在进口压力500 Pa，阀门开度3°，颗粒粒径0.1 mm条件下，分别取质量流量为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计算冲蚀磨损。得到如图4所示的磨损率结果。仿真结果表明，质量流量在0.5～4 kg/s时，随着颗粒质量流量增大，卸灰阀磨损也随之成一定线性关系增大，质量流量大于4 kg/s时，卸灰阀磨损增大趋于平缓。分析原因可知，颗粒质量分数的增大，单位时间内进入卸灰阀入口的颗粒数增多，卸灰阀壳体与颗粒之间的碰撞次数会增加；颗粒质量流量增多到一定量后，颗粒之间的干扰增多，沿卸灰阀壁面附近运动颗粒会接近饱和，增加的颗粒更多地从缝隙中随气流而过，使卸灰阀壁面受到颗粒碰撞、冲蚀次数逐渐趋于饱和，卸灰阀磨损率增长也会趋于平稳。

4 蘑菇头卸灰阀结构优化

4.1 分相密封卸灰阀结构

通过上述得到阀门开度和质量流量对蘑菇头卸灰阀磨损的影响，结合蘑菇头卸灰阀在工业中的应用情况。可以得出，阀门开度对磨损的影响最大，特别是阀门开度在3°～5°时，磨损率明显大于8°及以上开度时。工业应用上，当阀门关闭时，物料颗粒卡住阀门，形成了阀门的小开度，造成阀门磨损，磨损后密封不严，继而阀门失效。由此，可以作为蘑菇头卸灰阀阀门结构改进的方向，将阀芯密封面改为分相密封结构，如图5所示，阀芯上部面为第一层密封面，阀芯下部面为第二层密封面。第一层密封面为固相密封面，用于阻隔物料，第二层密封面为气相密封面，用于阻隔阀外气体。即使阀门关闭时，固相密封面卡料，气相密封面依然能实现密封，避免漏气和物料在压差作用下的飞溅。

图5 分相密封卸灰阀结构

4.2 分相密封卸灰阀冲蚀磨损

在进口质量流量1 kg/s，颗粒粒径0.1 mm，进口压力500 Pa，阀门开度3°情况下对分相密封卸灰阀进行磨损分析。如图6所示，在阀门开口侧，阀壳、阀芯上部面、阀芯中部面和阀芯下部面均存在不同程度的磨损。由图6（a）发现，磨损主要集中在区域1、2，区域1为阀芯上部与阀壳密封区域，区域2为阀壳与阀芯中部密封区域。由图6（b）可以看出，冲蚀率最大的部位在阀芯顶面的中部，但此部位并非最为有害的，对漏风不构成影响。同样的，图6（c）中的区域2虽然磨损率数值最大但也并非为有害部位，区域1的磨损率为5.643×10-7～1.079×10-6kg·s-1·m-2，此区域与阀壳的接触构成双层密封结构，其磨损会直接破坏密封面。

图6 分相密封卸灰阀冲蚀率云图

由蘑菇头卸灰阀磨损云图和分相密封卸灰阀磨损分析对比可知，在磨损率的数值上，分相密封卸灰阀和蘑菇头卸灰阀相差一个数量级，蘑菇头卸灰阀的磨损率比分相密封卸灰阀更大。同时从结构上可以发现，蘑菇头卸灰阀只有一层锥形密封面，在开闭过程中容易受到颗粒的卡阻而关闭不严，造成漏风冲蚀磨损，一旦密封面被破坏，就失去了密封性，卸灰阀就会很快失效。分相密封卸灰阀阀芯与阀壳有两层密封面，上层密封为固相密封，主要拦截颗粒向下流动，下层密封为气相密封，当上层密封面如受到颗粒卡阻，但碗状结构阀芯依然能阻隔物料，为下层气相密封提供更好的密封环境，下层密封面仍然能实现密封，避免了冲蚀磨损。

4.3 分相密封卸灰阀应用

改进后的独立气密封智能双层卸灰阀在首钢集团有限公司矿业公司推广成功，并安装于迁安球团车间链篦机灰箱下，如图7所示。2018年11月设备安装后一直稳定运行，灰箱下密封效果提高，自动卸料减轻了工人作业强度。

图7 分相密封卸灰阀应用

5 结束语

（1）物料颗粒通过阀门时会直接冲击阀芯和反弹冲击阀壳对阀门结构造成一定程度的磨损。

（2）对不同影响因素对分相密封卸灰阀冲蚀磨损研究得出：卸灰阀阀门开度越小磨损程度越大；颗粒质量流量对卸灰阀磨损影响有限，质量流量达到4 kg/s后，对卸灰阀的磨损率趋于平稳。

（3）蘑菇头卸灰阀比分相密封卸灰阀的磨损率更大，且分相密封卸灰阀在结构上具有两层密封面的优势，使用寿命更长。分相密封卸灰阀有两层密封面，能在一定程度上延缓阀门的使用寿命，但也不能完全避免磨损。