二冷水流量控制阀技术改造.docx

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二冷水流量控制阀技术改造

二冷水流量控制阀技术改造

酒钢天风不锈钢有限公司

沈强好

二冷水流量控制阀技术改造

【摘要】针对我厂一期连铸机二冷水系统模块所存在的设计缺陷，基于生产工艺需要控制的目标反复进行了二冷水泄水系统的计算、分析。

对存在问题的闸板阀、气动蝶阀进行了重新选型和设计，并改进了管路。

此次的设计解决了管路振动大蝶阀易坏的缺陷和冷却水流量、压力波动范围较大的难题，满足了生产的需要。

【关键词】连铸机二冷水气动蝶阀自动控制

一、引言

带液芯铸坯从结晶器底部被拉出后，在二次冷却区继续受到冷却，对铸坯中剩余的过热、潜热和显热进行释放。

二次冷却对铸坯液相穴形状和深度具有非常重要的影响，其水的流量、压力控制是否合理直接关系到连铸过程的顺行以及铸坯表面和内部质量。

合适的压力和水量应确保满足以下几个方面的冶金准则：

泵站能够提供足够的压力、流量以满足设计的钢坯冷却的需水量。

管路能够承载压力冲击和流量输送能力。

合适的管路设计能够满足水路的正常，供水的连续性、稳定性。

能够选用合适的阀，适应各个阶段的调节控制，并且能够保证使用寿命、控制精度和满足管路振动，确保输水系统的正常运行和各个管路流量分配问题。

本文就关于二冷水系统泄水回路泄水阀的易损，管路振动大的问题就行了设计和改进。

二、原设计原理（如图一）

图一

我厂的一号连铸机采用的是连续铸钢法，是把液态的钢水用连铸机浇铸、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。

连续铸钢具有生产工序简化、金属收得率高、能源消耗低、自动化程度高、生产率高、铸坯质量好等诸多优点。

连铸技术对我厂的发展产生了巨大的推动力，并使得钢铁产品具有市场竞争力。

连铸浇钢的一个重要环节就是二次冷却，二次冷却配水模型的控制原则是先根据铸坯的规格，钢坯钢种、连铸生产过程来计算铸坯方向的凝固厚度和表面温度，与生产工艺温度相比较，再根据计算值与生产中实测铸坯表面温度值的差异来调节二冷水流量。

此次采取的方法是通过传热学模型离线计算出各种工艺条件下水量与拉速的优化关系，预先设定在计算机中，运用在线的拉速和浇铸长度动态计算铸坯从弯曲面到各二冷区中心的平均停留时间，换算出各二冷区的等效拉速，然后根据实际的工艺参数如钢水温度、结晶器传热、二冷水温度等与设定值的偏差来修正水量。

如图所示将所算的配水量经过不通的管路分配到二冷区的各个部分，通过泄水回路来控制不同钢种浇钢所需的配水量，在开启和关闭各个区的水量时调节压力和开口度，以及停浇时的配水量。

泄水回路是并联在进水管路，有压力传感器来传递压力来控制气动阀的开启和关闭来控制管路的泄水量。

原回路由于压力冲击大，波动性强，动作频繁等原因而使得气动蝶阀和闸板阀容易泄露、损坏而导致控制压力不够和精度不高，从而影响钢坯的质量。

三、改进设计原理（如图二）

考虑到阀的性能和管路压力影响，将通径100mm的闸板阀改为通径为100mm的截止阀，将通径100的气动蝶阀改为通径为50的气动球阀。

图二

通过改进此回路，利用各阀的特点，以优补缺，充分发挥了各阀的优势，使得管路有了很大的改善。

即解决了管路泄漏，又使得管路流量趋向了稳定性和准确性。

方便了远程控制，满足了各钢种系列所需的水量，从而保证了钢坯的质量。

四、阀的优缺点

1.闸板阀

闸板阀是最常用的截断阀之一，主要用来接通或截断管路中的介质，不运用于调节介质流量。

运用的压力、温度及直径范围很大，尤其运用于中、大直径的管道。

优点：

（1）流体阻力小。

闸体内部介质通孔是直通的，介质流经时不改变其流动方向，因而流动阻力较小。

（2）启闭较省力。

启闭时阀板运动方向与介质流动方向相垂直。

与其他阀门相比，阀的启闭较为省力。

　　（3）介质流动方向一般不受限制。

介质可从两侧任意方向流过，均能达到接通或截断的目的。

便于安装，运用于介质的流动方向可能改变的管

缺点：

（1）高度大、启闭时间长。

由于开启时需将阀板完全提升到阀座通孔上方，关闭时又需将阀板全部落下挡住阀座通孔，所以阀板的启闭行程很大，其高度也相应增大，启闭时间较长。

（2）密封面易产生擦伤。

启闭时阀板与阀座相接触的两密封面之间有相对滑动，在介质力用途下易产生擦伤，从而破坏密封性能，影响使用寿命。

2.气动蝶阀

气动蝶阀是由气动执行器和蝶阀组成。

气动蝶阀是用随阀柑转动的圆形蝶板做启闭性，以实现启用动作的气动阀门主要做截断阀使用，亦可设计成具有调节或段阀兼调节的功能，目前蝶阀在低压大中口径管道上的使用越来越多。

优点：

蝶阀结构简单、体积小、重量轻，只由少数几个零件组成。

而且只需旋转90°即可快速启闭，操作简单，同时该阀门具有良好的流体控制特性。

蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产生的压力降很小，故具有较好的流量控制特性。

缺点：

蝶阀有弹密封和金属的密封两种密封型式。

弹性密封阀门，密封圈可以镶嵌在阀体上或附在蝶板周边。

采用金属密封的阀门一般比弹性密封的阀门寿命长，但很难做到完全密封。

金属密封能适应较高的工作温度，弹性密封则具有受温度限制的缺陷。

3.截止阀

截止阀的启闭件是塞形的阀瓣，密封面呈平面或锥面，阀瓣沿阀座的中心线作直线运动。

阀杆的运动形式，（通用名称：

暗杆），也有升降旋转杆式，（通用名称：

明杆）截止阀是指关闭件（阀瓣）沿阀座中心线移动的阀门。

根据阀瓣的这种移动形式，阀座通口的变化是与阀瓣行程成正比例关系。

由于该类阀门的阀杆开启或关闭行程相对较短，而且具有非常可靠的切断功能，又由于阀座通口的变化与阀瓣的行程成正比例关系，非常适合于对流量的调节。

因此，这种类型的阀门非常适合作为切断或调节以及节流用。

截止阀的闭合原理是，依靠阀杠压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止介质流通。

截止阀只许介质单向流动，安装时有方向性。

截止阀的结构长度大于闸阀，同时流体阻力大，长期运行时，密封可靠性不强。

优点：

（1）结构简单，制造和维修比较方便。

（2）工作行程小，启闭时间短。

　　（3）密封性好，密封面间磨擦力小，寿命较长。

　（4）截止阀阀体的结构形式有直通式、直流式和直角式。

直通式是最常见的结构，但其流体的阻力最大。

直流式流体阻力较小，多用于含固体颗粒或粘度大的流体。

直角式阀体多采用锻造，适用于较小通经、较高压力的的截止阀。

缺点：

（1）流体阻力大，开启和关闭时所需力较大。

（2）不适用于带颗粒、粘度较大、易结焦的介质。

　　（3）调节性能较差。

　（4）截止阀的种类按阀杆螺纹的位置分有外螺纹式、内螺纹式。

按介质的流向分，有直通式、直流式和角式。

截止阀按密封形式分，有填料密封截止阀和波纹管密封截止阀。

（5）波纹管密封截止阀采用波纹管密封的设计，完全消除了普通阀门阀杆填料密封老化快易泄露的缺点，不但提高了使用能源效率，增加生产设备安全性，减少了维修费用及频繁的维修保养，还提供了清洁安全的工作环境。

4．气动球阀

　气动球阀只需要用气动执行器用气源旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。

完全平等的阀体内腔为介质提供了阻力很小、直通的流道。

通常认为球阀最适宜直接做开闭使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用。

球阀的主要特点是本身结构紧凑，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等。

球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。

优点：

（1）流体阻力小，其阻力系数与同长度的管段相等。

（2）结构简单、体积小、重量轻。

　　（3）紧密可靠，目前球阀的密封面材料广泛使用塑料、密封性好，在真空系统中也已广泛使用。

　（4）操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90°，便于远距离的控制。

　　（5）维修方便，气动球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方便。

　　（6）在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。

　　（7）适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。

　　（8）因为气动球阀动力源采用的是气体，一般为0.2-0.8MPa压力，相对比较安全。

气动球阀如果漏气的话，相对液动、电动来说，气体可以直接排出，对环境没有污染，同时具有较高的安全性。

　　（9）相对于手动和涡轮转动球阀来说，气动球阀可以大口径配置，（手动和涡轮转动球阀一般都在DN300口径以下，气动球阀目前可以达到DN1200口径。

）

五、力学分析

物体相对于流体运动所受的逆物体运动方向或沿来流速度方向的流体动力的分力，称为流体阻力，此力施加在阀芯即对阀芯产生了很大的作用力。

由于水的粘性作用，物体表面会产生与物面相切的摩擦力，全部摩擦力的合力称为摩擦阻力。

与物面相垂直的气流压力合成的阻力称压差阻力。

在不考虑粘性和没有尾涡的条件下，亚声速流动中物体的压差阻力为零。

在实际流体中，粘性作用下不仅会产生摩擦阻力，而且会使物面压强分布与理想流体中的分布有别，并产生压差阻力。

对于具有良好流线形的物体，在未发生边界层分离的情形，粘性引起的压差阻力比摩擦阻力小得多。

对于非流线形物体,边界层分离会造成很大的压差阻力,成为总阻力中的主要部分。

由于回路的管路是基本不变的，所以施加在管壁的力基本不变。

但是由于阀的不同，施加在阀的力而大有不同，经过阀的阻力称为局部阻力。

1、局部阻力的算法

hj=ζω2／2g（Pa）

式中hj——局部阻力损失（Pa）

ω——流体的平均速度（m/s）

g——流体的密度（kg/m2）

ζ——局部阻力系数。

由上式可知，局部阻力损失与动压头成正比，与局部阻力系数ζ有关。

局部阻力系数ζ一般由实验测得，可通过手册及有关资料查到。

下面介绍几种常遇到的局部阻力系数的求法。

①管道突然扩大：

§=（1-F1/F2）2

②管道突然缩小：

§=0.5*（1-F2/F1）2

③管道逐渐扩大时：

§=（1-F1/F2）2*（1-cosа/2）

2、局部阻力系数的变化规律：

①一般局部变化越快，则§值越大；

②一般在计算中遇到前后速度不同时，取较大值代入w。

③§值的大小取决于局部阻碍相关尺寸。

因此在设计管道时，避免突然扩大、缩小和急转弯，以减少涡流，降低局部阻力损失。

由于蝶阀的阀芯闸板型，是快速闸下或抬起，变化较快，但是球阀的阀芯是球形，抬起和封闭时都是比较平稳的，所以局部阻力小，及对阀芯的冲击力比蝶阀小。

3、边界层对流体的阻力

边界层是在被扰流物流表面上的一层厚度很小且其中的流动具有很大法向梯度和旋度的流动区域。

在边界层中呈现有较强的粘性作用，并形成对流体的阻力。

该阻力的产生的根源是流体与物体表面的粘性切应力。

当边界层绕过不同的物体时，会使边界层突然变厚，而是压力达到最低后压力有上升。

在边界层中本来已受粘性阻力作用的流体又额外受到于流动方向相反的压力作用，结果其动能不足以产生长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。

是边界层变厚。

即对物体产生了很大的作用力，而物体的表面和形状影响很大。

由于蝶阀的阀芯是闸板，通过时不是很顺畅容易产生边界层加厚的想象，而球阀的阀芯是球形对边界层加厚影响不是很大，因此受到的力比较小。

六、结论

1.通过对几种阀的力学分析和计算，重新选择了符合实际控制要求的阀门，消除了设计缺陷。

2.通过此次改造提高了二冷水自动控制的精度。

参考文献

[1]罗惕乾，流体力学，北京：

机械工业出版社,2007.5

[2]雷天觉，新编液压工程手册，北京：

机械工业出版社,1998

[3]成大先，机械设计手册，北京：

化学工业出版社，2000