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摘要：随着社会的发展与进步，重视探讨上密封阀在高炉无料钟炉顶设备的设计及应用对于现实生活中具有重要的意义。本文对 2500 m3高炉炉顶设备上密封阀在高炉炉顶设备中的作用、结构组成及传动原理进行了叙述，对上密封阀传动装置、密封圈等部件进行设计，对传动轴进行了受力分析及计算。
关键词 上密封阀；高炉；设备；设计；计算；原理；装置；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
随着高炉设备的大型化和炉顶压力的提高，炉顶装料设备也日趋庞大和复杂。为适应高炉冶炼技术进步的要求，相继出现了多钟式和钟阀式炉顶。但这些炉顶设备吨位重，尺寸大，制造运输困难，布料功能不理想，易磨损和密封困难。针对料针式炉顶装料设备的缺陷，卢森堡的PAULWURTH公司于七十年代初发明了无料钟炉顶设备，(即所谓无料钟炉顶)，并于1972年首先用于西德蒂森公司的一座中型高炉上。投产以后立即显示了它的优越性，得到了迅速推广，引起了世界炼铁界的普遍注意。
一、上密封阀结构特征
①传动方式采用液压传动，其优点是机构小巧，设备重量轻，结构简化，节省投资；
②运动平稳，阀开关时可减少冲击振动；
③选用标准型液压缸，系统化，便于检修更换；
④由接近开关控制阀的开关位置，使阀动作准确无误；
⑤阀体采用焊接件，重量轻，投资少，制造方便。
二、上密封阀结构及工作原理
上密封阀结构: 由阀板、阀座、密封圈及驱动装置等组成。工作原理: 上密封阀的开闭是由液压系统驱动阀板做旋转运动来完成的，当料罐排压后，上密封阀阀板打开，炉料从受料漏斗经过上密封阀到料罐里，当料罐停止装料后，上密封阀阀板关闭，对料罐进行密封，以保证高炉高压操作。为了保证阀板与阀座的密封性，在阀座的压头与密封圈接触面上堆焊硬质合金，阀板上的密封圈采用硅橡胶密封圈。
三、驱动装置
驱动装置由油缸、曲柄、轴、杠杆、阀板组成，见图 1。
3．1选择轴的材料
选取 40Cr 合金钢，调质处理，许用疲劳应力［σ-1］为 177 ～213 MPa。
图1上密封阀驱动装置示意图
3．2 按弯扭合成强度计算
( 1) 画轴的空间受力简图(图2－a)
( 2) 作水平面内的弯矩 MH图(图2－b)经计算得:
(3) 作垂直面内的弯矩 MV图(图2－c)经计算得:
(4) 作合成弯矩图( 图2－d)
(5) 作转矩 T 图(图2－e)
T = 22 325． 7 N·m
(6) 作当量弯矩 Me图( 图 2—f)
其中 α 为根据扭应力变化性质而定的校正系数，按应力脉动 α 取 0． 7。
( 7) 计算危险截面的轴径
由弯扭矩图得，危险截面在 B 处，由轴的结构尺寸知，计算 B 处的轴径即可。对于重要的轴选取小值，取［σ-1］=185 Mpa
根据选取的轴承型号，取 dB= 130 mm 符合设计要求。
图2 受力分析图
四、上密封閥在高炉无料钟炉顶设备的设计应用
炉顶设备是高炉生产的关键设备，是用来装入原料，并使炉内得到合理分布，同时起到炉顶密封作用的设备。在称量料罐上设有上密封阀，可以在称量料罐内炉料装入高炉时密封住高炉内煤气，是炉顶保证密封煤气的关键设备。料仓由壳体和上密封阀构成。壳体为钢板焊接而成。上密封阀的启闭采用液压缸通过曲拐轴驱动阀盖来完成，其结构简单，动作准确，便于维护。、密封面为钢对硅橡胶，保证气密性。阀座上有气体吹扫孔，在阀、盖将要关闭时次去胶圈上的炉料颗粒，以提高橡胶圈的使用寿命。另外，因吹扫气体的压力略大于炉内压力，当密封面产生局部损坏引起炉内压力外泄时，可以起到气封作用。
设计密封阀时应注意的问题是:直径要尽量小，其值主要根据炉料粒度和下料速度来决定。由于上密封阀长期在高温、大负荷以及粉尘、炉料、煤气的冲刷腐蚀等恶劣工况下工作，因此要求上密封阀具有相当高的密封性。
4.1阀板的支承形式：
阀板的支承点为三支点，这样可使整个阀板表面保持水平，每个支点与阀板相接触的头部设计成球面接触，这样可以调整由于制造安装所引起的误差，防止使用过程中可能出现的意外情况的发生，使密封更为可靠。
4.2阀板上密封胶圈的选择
密封胶圈采用硅橡胶，胶圈做成整体嵌在阀板周圈上。由于胶圈受剪切力的作用，设计时把断面设计成梯形，从而提高了抗剪强度，改善了抗剪切能力，并且在梯形下面留有凹槽以增加胶圈的弹性及吸收压缩量，橡胶圈工作面与阀体持平防止剪切破坏，胶圈做成整体可提高使用性能，抗拉强度可以达到19. 60 ~ 21. 56 Mpa，伸长率为100% ~ 500%，100%定伸强度为0. 98 ~ 2. 06 Mpa，最高使用温度可以达到315 C，一般常用温度为200 C，脆性温度可以（- 10 ~ 50）C，硅橡胶平均寿命可达半年之久。
4.3密封压头的结构
橡胶圈作为软密封嵌在阀板上，与其相接合的钢制硬压头结构型式采用的是单环式一道密封，其顶部是R25 mm粗糙度为 3. 2 的圆环接触面，胶圈不会受到划伤，单环压头的表面加焊硬质合金，堆焊钴基2#焊丝，厚度为 6 mm，其目的主要是提高压头的耐磨性和严密性。单环压头的顶部开有吹扫孔，可以通入氮气吹扫，在阀盖将要关闭时吹去胶圈上的灰尘，延长硅橡胶圈的寿命。吹扫孔不能太小，否则起不到吹扫作用。结构见图3。
图3压头
4.4 转轴密封
驱动阀板旋转的转轴两侧密封传统为盘根填料密封，密封性能较差，寿命低，并且不易维修。现采用了一种新的密封形式：U 型硅橡胶圈密封。这种密封呈多层布置，胶圈与胶圈之间设有隔环并注入干油润滑以延长胶圈寿命，压盖压紧后密封极为可靠。在阀体外两侧可实现胶圈的更换，方便维修，安全快捷。
结束语
目前我国已有多数高炉使用无料钟炉顶设备，国外已有上万座无料钟炉顶高炉。从发展趋势上看，高炉趋于大型化，并且越来越多的高炉都采用无料钟炉顶设备和技术。因此掌握这项技术并不断从实践中吸取经验，提高技术水平，是我国铜铁工业发展的需要。对2500 m3高炉上密封阀在其基础上进行了优化设计，结构简单，性能可靠，便于生产维护。从投产使用以来，运行稳定，满足了高炉生产工艺的要求，并且在高炉中得到推广应用。
参考文献
［1］徐灏． 机械设计手册( 第四卷) ［M］． 北京: 机械工业出版社，2001．
［2］蒋玉珍． 机械设计基础［M］． 北京: 机械工业出版社，2009．
［3］冶金工业部钢铁设计研究院主编:《炼铁机械设备设计》，冶金工业出版社出版，2002
［4］张寿荣，当代高炉炼铁发展趋向及我们的对策．钢铁，1996，(5)：
［5］张文新．国内外高炉的生产现状及发展趋向．钢铁钒钛，1997，(2)：
［6］王维兴．中国炼铁技术发展．钢铁，2003，(5)：
［7］丁根．我国23家公司进入全球钢铁公司80强．物资信息报，2005，
［8］张少军，尹忠俊．高炉大型化与我国高炉的发展状况．钢铁，1997，
关键词 上密封阀；高炉；设备；设计；计算；原理；装置；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
随着高炉设备的大型化和炉顶压力的提高，炉顶装料设备也日趋庞大和复杂。为适应高炉冶炼技术进步的要求，相继出现了多钟式和钟阀式炉顶。但这些炉顶设备吨位重，尺寸大，制造运输困难，布料功能不理想，易磨损和密封困难。针对料针式炉顶装料设备的缺陷，卢森堡的PAULWURTH公司于七十年代初发明了无料钟炉顶设备，(即所谓无料钟炉顶)，并于1972年首先用于西德蒂森公司的一座中型高炉上。投产以后立即显示了它的优越性，得到了迅速推广，引起了世界炼铁界的普遍注意。
一、上密封阀结构特征
①传动方式采用液压传动，其优点是机构小巧，设备重量轻，结构简化，节省投资；
②运动平稳，阀开关时可减少冲击振动；
③选用标准型液压缸，系统化，便于检修更换；
④由接近开关控制阀的开关位置，使阀动作准确无误；
⑤阀体采用焊接件，重量轻，投资少，制造方便。
二、上密封阀结构及工作原理
上密封阀结构: 由阀板、阀座、密封圈及驱动装置等组成。工作原理: 上密封阀的开闭是由液压系统驱动阀板做旋转运动来完成的，当料罐排压后，上密封阀阀板打开，炉料从受料漏斗经过上密封阀到料罐里，当料罐停止装料后，上密封阀阀板关闭，对料罐进行密封，以保证高炉高压操作。为了保证阀板与阀座的密封性，在阀座的压头与密封圈接触面上堆焊硬质合金，阀板上的密封圈采用硅橡胶密封圈。
三、驱动装置
驱动装置由油缸、曲柄、轴、杠杆、阀板组成，见图 1。
3．1选择轴的材料
选取 40Cr 合金钢，调质处理，许用疲劳应力［σ-1］为 177 ～213 MPa。
图1上密封阀驱动装置示意图
3．2 按弯扭合成强度计算
( 1) 画轴的空间受力简图(图2－a)
( 2) 作水平面内的弯矩 MH图(图2－b)经计算得:
(3) 作垂直面内的弯矩 MV图(图2－c)经计算得:
(4) 作合成弯矩图( 图2－d)
(5) 作转矩 T 图(图2－e)
T = 22 325． 7 N·m
(6) 作当量弯矩 Me图( 图 2—f)
其中 α 为根据扭应力变化性质而定的校正系数，按应力脉动 α 取 0． 7。
( 7) 计算危险截面的轴径
由弯扭矩图得，危险截面在 B 处，由轴的结构尺寸知，计算 B 处的轴径即可。对于重要的轴选取小值，取［σ-1］=185 Mpa
根据选取的轴承型号，取 dB= 130 mm 符合设计要求。
图2 受力分析图
四、上密封閥在高炉无料钟炉顶设备的设计应用
炉顶设备是高炉生产的关键设备，是用来装入原料，并使炉内得到合理分布，同时起到炉顶密封作用的设备。在称量料罐上设有上密封阀，可以在称量料罐内炉料装入高炉时密封住高炉内煤气，是炉顶保证密封煤气的关键设备。料仓由壳体和上密封阀构成。壳体为钢板焊接而成。上密封阀的启闭采用液压缸通过曲拐轴驱动阀盖来完成，其结构简单，动作准确，便于维护。、密封面为钢对硅橡胶，保证气密性。阀座上有气体吹扫孔，在阀、盖将要关闭时次去胶圈上的炉料颗粒，以提高橡胶圈的使用寿命。另外，因吹扫气体的压力略大于炉内压力，当密封面产生局部损坏引起炉内压力外泄时，可以起到气封作用。
设计密封阀时应注意的问题是:直径要尽量小，其值主要根据炉料粒度和下料速度来决定。由于上密封阀长期在高温、大负荷以及粉尘、炉料、煤气的冲刷腐蚀等恶劣工况下工作，因此要求上密封阀具有相当高的密封性。
4.1阀板的支承形式：
阀板的支承点为三支点，这样可使整个阀板表面保持水平，每个支点与阀板相接触的头部设计成球面接触，这样可以调整由于制造安装所引起的误差，防止使用过程中可能出现的意外情况的发生，使密封更为可靠。
4.2阀板上密封胶圈的选择
密封胶圈采用硅橡胶，胶圈做成整体嵌在阀板周圈上。由于胶圈受剪切力的作用，设计时把断面设计成梯形，从而提高了抗剪强度，改善了抗剪切能力，并且在梯形下面留有凹槽以增加胶圈的弹性及吸收压缩量，橡胶圈工作面与阀体持平防止剪切破坏，胶圈做成整体可提高使用性能，抗拉强度可以达到19. 60 ~ 21. 56 Mpa，伸长率为100% ~ 500%，100%定伸强度为0. 98 ~ 2. 06 Mpa，最高使用温度可以达到315 C，一般常用温度为200 C，脆性温度可以（- 10 ~ 50）C，硅橡胶平均寿命可达半年之久。
4.3密封压头的结构
橡胶圈作为软密封嵌在阀板上，与其相接合的钢制硬压头结构型式采用的是单环式一道密封，其顶部是R25 mm粗糙度为 3. 2 的圆环接触面，胶圈不会受到划伤，单环压头的表面加焊硬质合金，堆焊钴基2#焊丝，厚度为 6 mm，其目的主要是提高压头的耐磨性和严密性。单环压头的顶部开有吹扫孔，可以通入氮气吹扫，在阀盖将要关闭时吹去胶圈上的灰尘，延长硅橡胶圈的寿命。吹扫孔不能太小，否则起不到吹扫作用。结构见图3。
图3压头
4.4 转轴密封
驱动阀板旋转的转轴两侧密封传统为盘根填料密封，密封性能较差，寿命低，并且不易维修。现采用了一种新的密封形式：U 型硅橡胶圈密封。这种密封呈多层布置，胶圈与胶圈之间设有隔环并注入干油润滑以延长胶圈寿命，压盖压紧后密封极为可靠。在阀体外两侧可实现胶圈的更换，方便维修，安全快捷。
结束语
目前我国已有多数高炉使用无料钟炉顶设备，国外已有上万座无料钟炉顶高炉。从发展趋势上看，高炉趋于大型化，并且越来越多的高炉都采用无料钟炉顶设备和技术。因此掌握这项技术并不断从实践中吸取经验，提高技术水平，是我国铜铁工业发展的需要。对2500 m3高炉上密封阀在其基础上进行了优化设计，结构简单，性能可靠，便于生产维护。从投产使用以来，运行稳定，满足了高炉生产工艺的要求，并且在高炉中得到推广应用。
参考文献
［1］徐灏． 机械设计手册( 第四卷) ［M］． 北京: 机械工业出版社，2001．
［2］蒋玉珍． 机械设计基础［M］． 北京: 机械工业出版社，2009．
［3］冶金工业部钢铁设计研究院主编:《炼铁机械设备设计》，冶金工业出版社出版，2002
［4］张寿荣，当代高炉炼铁发展趋向及我们的对策．钢铁，1996，(5)：
［5］张文新．国内外高炉的生产现状及发展趋向．钢铁钒钛，1997，(2)：
［6］王维兴．中国炼铁技术发展．钢铁，2003，(5)：
［7］丁根．我国23家公司进入全球钢铁公司80强．物资信息报，2005，
［8］张少军，尹忠俊．高炉大型化与我国高炉的发展状况．钢铁，1997，