КЛАПАН РЕГУЛИРОВКИ ГОРЯЧЕГО ДУТЬЯ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
HOT BLAST ADJUSTMENT VALVE FOR METALLURGICAL UNIT

Область техники
Изобретение относится к клапану регулировки горячего дутья для металлургической установки, прежде всего для регулировки потока горячего дутья доменной печи.
Уровень техники
В доменных печах горячий воздух, в общем именуемый горячим дутьем, вводится в печь для содействия восстановлению руды в печи.
Перед тем как воздух подают в печь, его нагревают до температуры 1250°С. Восстановительный газ или горячий воздух могут смешиваться в горячее дутье для дальнейшего содействия восстановлению руды в печи. Любой клапан, используемый для регулировки потока горячего дутья, подвергается воздействию экстремальных условий, заключающихся в том, что температура газа очень высокая, и газ также может быть очень агрессивным.
Является известным располагать дроссельные заслонки в питающих трубопроводах горячего дутья для регулировки потока горячего дутья в печь. Одна такая дроссельная заслонка известна из JP 09095720 и содержит имеющий форму диска элемент управления, установленный на оси вращения, расположенной по центру в канале горячего дутья. В закрытом положении имеющий форму диска элемент управления перпендикулярен потоку горячего дутья и, по существу, блокирует канал горячего дутья. Элемент управления может затем поворачиваться на 90° в открытое положение, причем элемент управления по существу параллелен потоку горячего дутья, позволяя тем самым горячему дутью проходить через клапан. Фактически, горячее дутье обтекает элемент управления по его двум сторонам. Недостаток такой дроссельной заслонки заключается в том, что ось вращения расположена по центру в трубопроводе, элемент управления все еще находится в канале горячего дутья, даже когда элемент управления находится в полностью открытом положении. Действительно, даже если ограничение потока элемента управления в открытом положении сведено к минимуму, элемент управления представляет собой препятствие для свободного прохождения потока горячего дутья через клапан. Кроме того, ввиду очень высоких температур, воздействию которым подвергается элемент управления, для охлаждения имеющего форму диска элемента управления предусмотрены каналы охлаждения. Однако такого охлаждения часто недостаточно для предотвращения повреждения элемента управления. В результате элемент управления по прошествии определенного времени нуждается в замене. Однако замена элемента управления является особенно трудной, так как доступ к элементу управления возможен только при его демонтаже и извлечении из трубопровода. Поэтому время обслуживания и расходы являются значительными.
Как видно выше, надежность и долговечность клапанов регулировки горячего дутья по типу дроссельной заслонки уменьшаются вследствие воздействия экстремальных условий. Такие регулирующие клапаны не только имеют недостаток, заключающийся в образовании препятствия в канале горячего дутья, но также требует больших производственных затрат и интенсивных, частых и дорогостоящих операций по его обслуживанию. Поэтому необходимо обеспечить лучшую функциональность клапана регулировки горячего дутья, предпочтительно с уменьшением связанных с этим затрат.
Техническая проблема
Целью данного изобретения является создание улучшенного клапана регулировки горячего дутья, который не имеет вышеописанных недостатков. Эта цель достигнута посредством клапана регулировки горячего дутья по п.1 формулы изобретения.
Общее описание изобретения
Изобретение предлагает клапан регулировки горячего дутья для металлургической установки, прежде всего для регулировки потока горячего дутья доменной печи. Клапан регулировки горячего дутья содержит металлический корпус клапана с огнеупорной футеровкой, в которой задан газовый канал, и рабочий орган клапана, расположенный с возможностью вращения в газовом канале, чтобы иметь возможность изменять свободное прохождение в газовом канале с помощью вращения рабочего органа клапана вокруг оси вращения между открытым положением и закрытым положением. Рабочий орган клапана имеет ограничивающую поверхность с вращательной симметрией вокруг оси вращения и имеет сквозное отверстие, расположенное в рабочем органе клапана в направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего органа клапана. Сквозное отверстие имеет поперечное сечение, по существу идентичное поперечному сечению газового канала. Кроме того, сквозное отверстие расположено в рабочем органе клапана так, чтобы быть соосным с газовым каналом, когда рабочий орган клапана находится в его открытом положении.
Согласно важному аспекту изобретения рабочий орган клапана содержит цилиндрический участок корпуса с первым основанием и противоположным вторым основанием. Первое основание снабжено соединительным средством для соединения рабочего органа клапана с валом, причем цилиндрический участок корпуса имеет диаметр, больший, чем диаметр газового канала. Рабочий орган клапана также содержит полусферический участок корпуса с основанием, расположенным на втором основании цилиндрического участка корпуса.
Такой клапан регулировки горячего дутья имеет преимущество в том, что когда элемент управления находится в открытом положении, горячее дутье может свободно протекать через отверстие элемента управления. Действительно, элемент управления не содержит препятствия для потока горячего дутья. В отличие от регулирующего клапана по типу дроссельной заслонки, который вызывает потерю давления до 20% при нахождении в открытом положении, потеря давления через открытый клапан регулировки согласно данному изобретению является незначительной. Кроме того, в своем закрытом положении клапан регулировки по типу дроссельной заслонки, в общем, имеет значительную утечку (до 40%). Вследствие особой формы (цилиндрические и полусферические участки корпуса) клапана регулировки горячего дутья согласно данному изобретению такая утечка может быть значительно снижена. Поэтому возможно улучшенная регулировка потока горячего дутья.
Предпочтительно, газовый канал и сквозное отверстие имеют круговое поперечное сечение, и сквозное отверстие имеет диаметр, по существу соответствующий диаметру газового канала.
Предпочтительно, сквозное отверстие имеет ось, перпендикулярную оси вращения рабочего органа клапана.
Предпочтительно, основание полусферического участка корпуса имеет диаметр, соответствующий диаметру второго основания цилиндрического участка корпуса.
Предпочтительно, основание полусферического участка корпуса расположено так, что оно лежит на оси газового канала.
Согласно важному аспекту данного изобретения соединительное средство, предпочтительно, содержит соединительный башмак на первом основании цилиндрического участка корпуса, причем соединительный башмак образует кольцевую канавку с соединительным фланцем внутри канавки, при этом соединительный фланец обращен к первому основанию цилиндрического участка корпуса. Соединительный фланец может быть параллелен первому основанию цилиндрического участка корпуса. Однако, предпочтительно, соединительный фланец расположен под углом, со скосом от первого основания по направлению к внешней периферии первого основания.
Согласно одному варианту осуществления данного изобретения вал содержит зажимное средство, входящее в зацепление с кольцевой канавкой в соединительном башмаке, причем зажимное средство является таковым, что контактная поверхность зажимного средства находится в плотном контакте с соединительным фланцем соединительного башмака таким образом, что вращательное движение вала передается на рабочий орган клапана. Предпочтительно, между контактной поверхностью зажимного средства и соединительным фланцем соединительного башмака расположена огнеупорная изоляционная бумага.
Предпочтительно, зажимное средство содержит по меньшей мере два зажимных элемента, входящих в зацепление с круговой канавкой, причем зажимные элементы соединены с увеличенным верхним участком вала. Для зацепления по меньшей мере с двумя зажимными элементами предпочтительно предусмотрено фиксирующее кольцо, предотвращая тем самым перемещение зажимных элементов в радиальном от соединительного башмака направлении.
По меньшей мере два зажимных элемента могут быть соединены с увеличенным верхним участком посредством винтов. Предпочтительно, винты снабжены пружинными средствами для притягивания зажимных элементов по направлению к увеличенному верхнему участку, причем винты, предпочтительно, снабжены гильзой для ограничения хода винта.
Для охлаждения вала и соединительных средств, вал, предпочтительно, снабжен охлаждающими каналами для подачи охлаждающей жидкости к увеличенному верхнему участку вала.
Между по меньшей мере двумя зажимными элементами и увеличенным верхним участком вала может быть расположена промежуточная пластина. Такая промежуточная пластина может быть снабжена вспомогательным валом, входящим в зацепление с соразмерным углублением, расположенным в соединительном башмаке рабочего органа клапана для создания соединения с геометрическим замыканием. Такое устройство может использоваться для обеспечения того, что рабочий орган клапана захвачен соединением с геометрическим замыканием, обеспечиваемым вспомогательным валом в маловероятном случае, если соединение с силовым замыканием между контактной поверхностью и соединительным фланцем разрушается.
Зажимные элементы, и/или фиксирующее кольцо, и/или промежуточная пластина, и/или вспомогательный вал изготовлены, предпочтительно, из жаропрочной стали. Теплоизоляционный материал может быть расположен в зазорах между различными элементами зажимных средств. Рабочий орган клапана, предпочтительно, образован монолитным из огнеупорного или керамического материала.
Предпочтительно, металлический корпус клапана содержит боковое отверстие для приведения в действие рабочего органа клапана посредством вала. Боковое отверстие имеет диаметр, по меньшей мере, немного больший, чем диаметр цилиндрического участка корпуса рабочего органа клапана. Такое боковое отверстие позволяет легко извлекать рабочий орган клапана из корпуса клапана для обслуживания. Отсутствует необходимость удалять корпус клапана для получения доступа к рабочему органу клапана в целях обслуживания.
Все подшипники для вала, предпочтительно, расположены вне металлического корпуса клапана, таким образом, подшипники не подвергаются воздействию экстремально суровых условий, присутствующих в металлическом корпусе клапана. Поэтому подшипники имеют более продолжительный срок службы.
В периферийной области первого основания рабочего органа клапана может быть расположена кольцевая канавка, причем кольцевой лист вступает в зацепление с кольцевой канавкой для образования лабиринтного уплотнения. Такое лабиринтное уплотнение предотвращает поступление большого количества горячего дутья в соединительное устройство и его прохождение по направлению к главному уплотнительному устройству. Таким образом, срок службы главного уплотнительного устройства может быть увеличен.
Краткое описание чертежей
Предпочтительный вариант осуществления изобретения будет описан с помощью примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
Фиг.1 разрез через клапан регулировки горячего дутья согласно данному изобретению,
Фиг.2 увеличенный вид соединения между рабочим органом клапана и представленным на фиг.1 валом, и
Фиг.3 вид в перспективе рабочего органа клапана согласно представленному на фиг.1 предпочтительному варианту осуществления.
Описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.1 схематично показан клапан регулировки горячего дутья для установки в трубопроводе горячего дутья. Клапан 10 регулировки горячего дутья содержит металлический корпус 12 клапана с входной стороной 14 и выходной стороной 16, каждая из которых содержит соединительный фланец 18 для соединения с трубопроводом (не показан). Внутри корпус 12 клапана содержит огнеупорную футеровку 20, в которой задан газовый канал 22 для подачи горячего дутья от входной стороны 14 до выходной стороны 16.
Рабочий орган 24 клапана расположен с возможностью вращения в газовом канале 22 для изменения свободного прохождения в нем посредством вращения рабочего органа 24 клапана вокруг оси 26 вращения между открытым положением и закрытым положением. Рабочий орган 24 клапана имеет ограничивающую поверхность с вращательной симметрией вокруг оси 26 вращения. Ограничивающая поверхность рабочего органа 24 клапана будет более подробно описана далее.
Рабочий орган 24 клапана содержит сквозное отверстие 28 с поперечным сечением, по существу идентичным поперечному сечению газового канала 22. Сквозное отверстие 28 расположено так, что когда рабочий орган 24 клапана находится в своем открытом положении, как показано на фиг.1, сквозное отверстие 28 расположено соосно газовому каналу 22 и образует продолжение газового канала 22, так что горячее дутье может свободно протекать от входной стороны 14 к выходной стороне 16 клапана 10 регулировки горячего дутья.
Рабочий орган 24 клапана содержит цилиндрический участок 30 корпуса с первым основанием 32 с соединительным башмаком 34 для соединения рабочего органа 24 клапана с валом 36. Соединение между валом 36 и рабочим органом 24 клапана будет более подробно описано далее со ссылкой на фиг.2.
Корпус 12 клапана оснащен боковым отверстием 38, позволяющим валу 36 проникать снаружи корпуса клапана в корпус клапана и соединяться с рабочим органом 24 клапана. Боковое отверстие 38 имеет такие размеры, которые позволяют извлекать рабочий орган 24 клапана из корпуса 12 клапана через это боковое отверстие 38. Поэтому обслуживание или замена рабочего органа 24 клапана может осуществляться легко и быстро. Отсутствует необходимость отсоединять клапан 10 регулировки горячего дутья от трубопровода на соединительных фланцах 18 для получения доступа к рабочему органу 24 клапана. Узел, содержащий рабочий орган 24 клапана и вал 36, поддерживается в положении посредством соединения узла 40 поддержки вала с соединительным фланцем 42.
Узел 40 поддержки вала, среди всего прочего, содержит подшипники 44 вала и главное уплотнительное устройство 46 (предпочтительно, в форме набивного сальника). Следует отметить, что все эти элементы расположены вне корпуса 12 клапана, то есть вдали от агрессивных условий, присутствующих внутри корпуса 12 клапана.
Теперь соединение между валом 36 и рабочим органом 24 клапана может быть описано более подробно со ссылкой на фиг.2. На центральном участке первого основания 32 рабочий орган 24 клапана содержит соединительный башмак 34, образующий кольцевую канавку 50, с наклонным соединительным фланцем 52 внутри канавки 50. Вал 36 содержит зажимные средства, входящие в зацепление с кольцевой канавкой 50. Зажимные средства образованы по меньшей мере двумя зажимными элементами 54 с выступом 56 для зацепления с кольцевой канавкой 50. Выступ 56 зажимного элемента 54 имеет поперечное сечение, по существу соответствующее поперечному сечению канавки 50 соединительного башмака 34. Контактная поверхность 58 выступа 56 находится в плотном контакте с соединительным фланцем 52 соединительного башмака 34, так что вращательное движение зажимных элементов 54, которые с возможностью вращения закреплены с валом 36, передается посредством контактной поверхности 58 и соединительного фланца 52 на рабочий орган 24 клапана. Для дальнейшего улучшения передачи усилия от вала 36 на рабочий орган 24 клапана между контактной поверхностью 58 и соединительным фланцем 52 может быть вложена огнеупорная изоляционная бумага 60.
По меньшей мере два зажимных элемента 54 предотвращены от перемещения радиально наружу посредством фиксирующего кольца 62, входящего в расположенную в зажимном элементе 54 кольцевую выемку 64.
По меньшей мере два зажимных элемента 54 соединены с увеличенным верхним участком 66 вала 36 посредством винтов 68. Винты 68 притягивают зажимные элементы 54 по направлению к увеличенному верхнему участку 66. Таким образом, винты 68 также плотно притягивают контактную поверхность 58 к соединительному фланцу 52 с тем, чтобы обеспечивать хороший контакт между зажимными элементами 54 и соединительным башмаком 34 рабочего органа 24 клапана. Увеличенный верхний участок 66 может быть образован единым целым с валом 36. Однако, предпочтительно, увеличенный верхний участок 66 образован раздельно и прикреплен к валу 36 посредством сварки.
Кроме того, между зажимными элементами 54 и увеличенным верхним участком 66 расположена промежуточная пластина 70. Соединение с геометрическим замыканием между промежуточной пластиной 70 и рабочим органом 24 клапана обеспечивается вспомогательным валом, например, предусмотренным на промежуточной пластине 70 многогранным валом 72, соосно оси 26 вращения вала 36, и соответствующей многогранной выемке 74 в соединительном башмаке 34 рабочего органа 24 клапана. В маловероятном случае, если разрушается соединение с силовым замыканием между контактной поверхностью 58 и соединительным фланцем 52, захват рабочего органа 24 клапана может быть осуществлен с помощью соединения с геометрическим замыканием, обеспечиваемым многогранным валом 72.
В увеличенном верхнем участке 66 и промежуточной пластине 70 винт 68, предпочтительно, направлен через гильзу 76, контактирующую с зажимным рабочим органом клапана 54 и, таким образом, ограничивающей ход винта 68. Гильза 76 предотвращает чрезмерный затяг винта 68 и, таким образом, потенциальное повреждение зажимного элемента соединительного башмака 34. Кроме того, пружина между промежуточной пластиной 70 и головкой 80 винта, предпочтительно, снабжена пружинным средством 78 с предварительным натяжением. Пружинное средство 78, которое может быть в форме тарельчатой пружины, обеспечивает то, что нагрузка на контактную зону (соединительный фланец 52 и контактная поверхность) ограничена до заданного натяжения. Действительно, вследствие вариаций температуры нагрузка на контактную зону может изменяться. Благодаря пружинному средству 78 и гильзе 76, эта нагрузка не может превышать заданного порогового значения.
Охлаждающая вода может подаваться на увеличенный верхний участок 66 вала 36 посредством самого вала 36. В верхней части вала охлаждающая вода распространяется радиально и собирается любыми известными средствами.
Следующим важным аспектом данного изобретения является низкая теплопередача от рабочего органа 24 клапана к валу 36. Действительно, рабочий орган 24 клапана, который расположен в непосредственном контакте с горячим дутьем, может легко достигать температур в районе 1200°С. Для того чтобы противостоять этому, рабочий орган 24 клапана, предпочтительно, изготовлен из огнеупорного или керамического материала. Различные элементы между рабочим органом 24 клапана и валом 36, то есть зажимные элементы 54, фиксирующее кольцо 62, промежуточная пластина 70 и многогранный вал 72, изготовлены из жаропрочной стали, уменьшая, таким образом, теплопередачу на вал 36. Для того чтобы еще более уменьшить теплопередачу, между различными элементами предусмотрены зазоры 82, и в этих зазорах расположен изоляционный материалом, такой как, например, изоляционный нетканый материал. Взаимодействие различных элементов и изоляционного материала позволяет температуре вала 36 быть не выше 40°С.
Как указано выше, уплотнение клапана 10 регулировки горячего дутья осуществляется в основном с помощью главного уплотнительного устройства 46, расположенного снаружи корпуса 12 клапана. Однако дополнительное уплотнение может быть предусмотрено с помощью кольцевого листа 84, расположенного параллельно и соосно оси 26 вращения. Кольцевой лист 84 содержит выступ 86, вступающий в зацепление с кольцевой канавкой 88, расположенной в периферийной части первого основания 32 рабочего органа 24 клапана. Входящий в зацепление с кольцевой канавкой 88 выступ 86 образует лабиринтное уплотнение, предотвращающее попадание большого количества горячего дутья в соединительное устройство и его перемещение по направлению к главному уплотнительному устройству 46.
Предпочтительный вариант осуществления рабочего органа 24 клапана показан на фиг.3. Показанный рабочий орган 24 клапана имеет наружную ограничивающую поверхность, образованную участком 30 цилиндрического корпуса с первым основанием 32 и противоположным вторым основанием 90, и участок 92 полусферического корпуса, соединенный основанием со вторым основанием 90 участка 30 цилиндрического корпуса. Основание полусферического участка 92 корпуса и второе основание 90 имеют идентичный диаметр. Первое основание 32 содержит соединительный башмак 34 для соединения с валом 36. Предпочтительно, полусферический участок 92 корпуса, цилиндрический участок 30 корпуса и соединительный башмак 34 выполнены монолитно. Сквозное отверстие 28 расположено так, что его центральная ось 94 лежит в плоскости, содержащей второе основание 90.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 клапан регулировки горячего дутья
12 корпус клапана
14 входная сторона
16 выходная сторона
18 соединительный фланец
20 огнеупорная футеровка
22 газовый канал
24 рабочий орган клапана
26 ось вращения
28 сквозное отверстие
30 цилиндрический участок корпуса
32 первое основание
34 соединительный башмак
36 вал
38 боковое отверстие
40 узел поддержки вала
42 соединительный фланец
44 подшипники вала
46 главное уплотнительное устройство
50 кольцевая канавка
52 соединительный фланец
54 зажимной элемент
56 выступ
58 контактная поверхность
60 огнеупорная изоляционная бумага
62 фиксирующее кольцо
64 кольцевая выемка
66 увеличенный верхний участок
68 винт
70 промежуточная пластина
72 многогранный вал
74 многогранная выемка
76 гильза
78 пружинное средство
80 головка винта
82 зазор
84 кольцевой лист
86 выступ
88 кольцевая канавка
90 второе основание
92 полусферический участок корпуса
94 центральная ось