鋼坯在以煤氣為燃料的加熱爐中加熱時，三通閥是用以控制煤氣、空氣、送入爐內(nèi)燃燒和排出爐內(nèi)燃燒煙氣的一種閥門，它共有三個導(dǎo)入和導(dǎo)出的接口，使用中每一個閥門的二個相通的接口是交替使用的，因為加熱爐兩側(cè)面的燒嘴是交替使用的，于是三通閥就起了進排氣交替使用的目的。

　　三通閥可以是每個燒嘴配用一臺閥門，也可以將爐子每側(cè)面的一些燒嘴統(tǒng)一起來集中用一個閥門來完成交替任務(wù)，二種三通閥的結(jié)構(gòu)不盡相同，本文針對的是用一個閥門來集中控制的三通閥，所以閥門的氣體流量大，閥門的體積較大，于是進出管徑也較大，下面是考慮設(shè)計時采用的原則和設(shè)計方法。

1、閥門的使用環(huán)境

　　閥門是用于氣體燃燒后煙氣經(jīng)蓄熱體后的場合，氣體通過時溫度比較高，根據(jù)現(xiàn)場情況，氣體壓力，煤氣為7000~9000Pa，空氣為10000~12000Pa，煙氣溫度不高于300℃，在這樣的環(huán)境下，閥門的材料需耐受溫度300℃以上及氣壓12000Pa以上，煤氣和煙氣中有腐蝕性成分，故又需耐腐蝕，同時煙氣或煤氣中細小顆粒的粉塵對運動部分的材料有粘附和摩擦作用，凡此種種在設(shè)計中需要加以考慮。氣體性能見表1。

表1 使用氣體性能

2、閥門的主要尺寸設(shè)計和型式的采用

　　閥門設(shè)計可以是立式或臥式，對于大型的閥門，為了考慮動力氣缸桿的受力狀況以采用立式型為宜，大致型式見圖1。

圖1 雙氣缸三通閥系列主要結(jié)構(gòu)簡圖

　　閥門設(shè)計的主要出發(fā)點以進口口徑為依據(jù)。

　　要設(shè)計一個閥門，最重要的是氣體在閥門內(nèi)通過時的壓力損失要盡可能小，閥門的體積也要盡量小，即可用的材料要最省，同時要能抗腐、耐磨、耐溫，用的動力要盡量的小，能達到這樣的閥門，則設(shè)計是較為合理的。

　　氣流自進氣口直至出氣口，如果能很平穩(wěn)地流過，則它的壓力損失將可達到最低，那么在閥門內(nèi)的各通過口直徑應(yīng)該都一樣大小，但如果是這樣，則閥門的體積比較大。為了要節(jié)約材料，應(yīng)盡量減小體積，從閥門的結(jié)構(gòu)型式看，唯一可以做的是將內(nèi)部密封口處縮小，由此減小閥門其他部位的尺寸，但縮小后的密封口將使氣體通過時形成湍流，增加了阻力系數(shù)，要使密封口處的阻力系數(shù)不是增加很大，而同時又能縮小閥體的尺寸，這是設(shè)計中的要點。

　　以進出口為基礎(chǔ)，則密封口的面積和進出口面積的比值對阻力系數(shù)的關(guān)系是重要的，根據(jù)氣體流動時的流動特點，在管道內(nèi)各種不同條件下的流動結(jié)果，見圖2~圖6。

圖2 氣體在管道中流經(jīng)孔板時的阻力系數(shù)

圖3 氣體在管道中流經(jīng)管徑突然擴大時的阻力系數(shù)

圖4 氣體在管道中流經(jīng)管徑突然縮小時的阻力系數(shù)

圖5 氣體在管道中流經(jīng)逐漸擴大時的阻力系數(shù)

　　由圖2可見，密封口與進口面積之比對阻力系數(shù)的相對關(guān)系是一曲線關(guān)系，當(dāng)密封口面積對進出口面積比的比值大時，即二口徑的大小很接近時，阻力系數(shù)很小，但當(dāng)面積比小時，阻力系數(shù)就成倍地增長，但要減小閥門體積，這個比值很有關(guān)系，從圖2中可以看出面積比在0.7以上時阻力系數(shù)很小，不到1，當(dāng)面積比在0.6以下時阻力系數(shù)很快上升，所以密封面處開口不能收縮得太小，據(jù)此，設(shè)計中采用了0.7以上，平均以0.75計，密封口的面積縮小為進氣口面積的75%時，形成湍流的阻力系數(shù)很小，這樣的閥門的體積可以得到一定的減小，而氣體通過閥門時不會引起阻力的很大增加。

圖6 氣體在管道中流經(jīng)逐漸縮小時的阻力系數(shù)

　　按照閥體結(jié)構(gòu)布置的需要，其他各處形成的阻力系數(shù)的曲線圖見圖3~圖6，按照閥門圖形設(shè)計要求做出的尺寸，其體積擴大和縮小的結(jié)果，有關(guān)的比數(shù)均在較低的數(shù)值，從圖3~圖6可以看出，阻力最大也不超過1。由此看來，閥門中形成阻力最大的是密封口處面積的大小，是氣流形成湍流時所造成的阻力，掌握了此處的尺寸就能得到較理想的閥門設(shè)計。

　　阻力損失的計算公式，參照氣體在管道內(nèi)流動時：

　　式中：Δpk—局部阻力損失，MPa

　　只要各處阻力系數(shù)K的數(shù)值控制在較低的數(shù)值時，總的阻力損失就將是較低的。從以上情況出發(fā)，設(shè)計了進出口尺寸為Φ400~900六種雙氣缸閥門的系列產(chǎn)品，其主要數(shù)據(jù)和型式見圖1和表2。

　　表2 蓄熱式燃氣加熱爐用雙氣缸三通換向閥系列設(shè)計主要尺寸表

3、閥門的抗腐和密封

　　煤氣或煙氣中含有某些腐蝕性物質(zhì)，所以在通過密封處時，在較高溫度下對閥體材料有腐蝕作用，普通的碳素鋼在短時期內(nèi)就會氧化腐蝕壞，所以在活動板和閥體與活動板相接觸處均需要用耐腐蝕的不銹鋼材料，采用ICr18Ni9Ti或ICr13材質(zhì)的不銹鋼，均可得到滿意的結(jié)果。

　　密封處因氣體溫度在300℃以下，所以用氟橡膠為密封條的彈性密封，密封的效果比較理想，但希望氣體中含雜質(zhì)較少，雜質(zhì)多了易粘附和堵塞密封處或?qū)⒚芊鈼l磨損壞，形成泄漏。其他與氣缸桿等摩擦處密封可用聚四氟乙烯或改性聚四氟乙烯，改性聚四氟乙烯的性能優(yōu)于聚四氟乙烯。

　　如果氣體溫度>300℃，氟橡膠的密封條無法長期承受高溫，會產(chǎn)生密封破壞，那么就應(yīng)采用較韌性材料的硬密封措施。

4、動力氣缸的設(shè)計方法

　　閥門的密封處使用動力氣缸將活動板壓緊在基座上達到密封，動力氣缸的使用有兩個目的，一個是當(dāng)要求密封時需由動力氣缸的壓力將活動板壓緊而密封住，不能被氣體所沖開;第二個目的是當(dāng)活動板被閥內(nèi)氣體壓住而密封緊時，要用氣缸的力量將其打開，這樣左右二個密封處能夠得到交替使用，輪換通道，三通閥就能靈活地交替使用。

　　要打開或封緊密封口，所需要的最小力P是閥內(nèi)氣體對活動板上的總壓力加氣缸桿和活塞活動板等的總重量。

　　式中：P—打開或封緊密封口所需的最小力

　　W—氣缸桿和活塞、活動板等的總重量

　　如以CS900-AL-B-O閥門為例：

　　根據(jù)動力氣缸制造廠提供的氣缸理論輸出力表的說明，在實際選用中，表中的理論輸出力應(yīng)乘以0.6~0.8系數(shù)后再選用。

　　如考慮現(xiàn)場情況，有時壓縮空氣壓力的波動或輸送路線較長時會引起過大的壓力降，為保證生產(chǎn)條件下能正常運轉(zhuǎn)，設(shè)計時考慮以1.5的系數(shù)加以保險。所以7566.7/0.6×1.5=18916.75N。

　　由此選用缸徑Φ250的動力氣缸。按此計算法，系列中各閥門的選用氣缸見表2。

　　為了能使活動板在密封口處有足夠的壓緊性能，氣缸選用的行程應(yīng)比活動板的實際行程增加20~30mm。

5、結(jié)語

　　通過上述的設(shè)計思路，在設(shè)計時和一些軋鋼廠的軋鋼加熱爐上應(yīng)用得到比較滿意的結(jié)果。

　　關(guān)于設(shè)計型式上是否可以進一步改進，或?qū)τ谀承┙Y(jié)構(gòu)上是否可以再予改善，這有待于長期現(xiàn)場使用的考驗結(jié)果和軋鋼加熱爐本身的進一步改進，根據(jù)整個爐型設(shè)計的改變再予調(diào)整。

參考文獻：

　　[1]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.