造紙廠蒸煮鍋進料球閥是制漿造紙裝置的重要部件之一，設置在蒸煮鍋頂部，專門用于控制物料裝填工序，是蒸煮鍋完成進料后，進料球閥關閉，并能夠在高壓情況下達到良好密封的一種特殊球閥，該球閥在造紙行業中通常稱之為“鍋蓋閥”。該閥進料口通過氣體量大，介質通常是造紙的固體物料、廢渣、廢漿，閥關閉后，隨著鍋內的蒸煮溫度和壓力逐漸升高，閥的出口側要承受很高的壓力。這種閥目前沒有技術標準，需要根據客戶的工藝參數要求量身定制，該閥目前全部靠國外進口，價格昂貴。為此，浙江力諾閥門研發出了一種新產品，同時還取得了實用新型專利，填補了國內空白。鍋蓋閥主要由左閥體、右閥體、球體、閥桿和閥座等零部件構成，如圖1所示。

    1 結構與原理

    1.1 單浮動閥座

    鍋蓋閥通過的介質一般是固體廢渣或廢漿，這對閥座會造成磨損，故采用金屬硬密封設計，閥座表面堆焊硬質合金，增強耐磨性，且堆焊應盡量靠近閥座外徑。同時，金屬硬密封能在閥起閉時對纖維物料起剪切作用，保證密封面和閥內的清潔，提高了可靠性與使用壽命。

圖1 蒸煮鍋進料球閥

    采用單浮動閥座設計（見圖2），閥座只設在進口側，閥座背面處設計了碟形預緊彈簧，使閥座始終與閥芯緊密接觸，在低壓的時候也可以達到密封要求。

圖2 閥座結構

    鍋蓋閥是起閉頻率比較高的元件，為提高閥芯與閥座的耐磨性，閥芯表面鍍硬鉻。起閉過程中，閥芯球面上的2個密封面可輪流使用，延長了密封面使用壽命。為了防止蒸煮鍋內高壓介質從浮動閥座與閥體間隙處泄漏，引發安全事故，在碟形彈簧外側設有2道O形密封圈，提高了閥座的密封性能。

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    鍋蓋閥工作時，其出口處壓力因受到鍋內壓力作用，遠高于進口處壓力，閥座與閥芯始終處于緊密接觸狀態，獲得了所需要的密封比壓，從而達到良好密封。蒸煮鍋內壓力越高，密封效果越好。    

    1.2 半軸承設計    

    新型鍋蓋閥的設計中采用2個半軸承來支承閥芯，這2個半軸承都安裝在上閥桿和下閥桿靠近出口的一側。當鍋蓋閥開起時，上下閥桿與半軸承接觸，閥芯能夠在小偏心的情況下靈活地起閉。當鍋蓋閥全關工作時，閥桿不受半軸承的制約，閥芯在介質的壓力下緊貼浮動閥座，壓力越高，閥座與閥芯密封比壓越大，密封效果越好，安全系數越高。蒸煮鍋停止蒸煮后，鍋內壓力下降，閥桿又能夠與半軸承接觸。新型半軸承結構的采用使鍋蓋閥能夠適應更多高溫、高壓的環境。

    1.3 安全聯鎖裝置

    鍋蓋閥通常工作在高壓狀態，為了防止蒸煮鍋閥門在這種情況下誤動作而造成事故，特設置安全聯鎖裝置（見圖3）。在盲法蘭上裝有壓力傳感器，傳感器與執行器相連，當鍋內壓力高于設定的安全開起壓力時，壓力傳感器傳送鎖定控制信號，使閥處于關閉狀態。當蒸煮完成且物料排放完，鍋內壓力低于安全開起設定壓力時，閥門執行器才可以動作，避免了鍋內壓力泄漏而產生的危險。

圖3　蒸煮鍋物料進口閥外觀圖

    2 閥體內腔CFD優化設計

    蒸煮鍋在進料過程中會有物料從鍋蓋閥沒有閥座的一側進入閥腔，如果閥腔容積太小，介質就會磨損閥芯表面，降低使用壽命；容積太大又會導致閥體體積過大，需要適當增大閥體內腔。在內腔與流道過渡處采用大圓弧順滑圓角（見圖3b），閥腔與蒸煮鍋之間沒有障礙，可以使進入閥腔的物料順暢流入蒸煮鍋，內腔不易滯留物料，從而不會產生閥門起閉阻滯。通過CFD數值模擬的方法來模擬鍋蓋閥的內部流場，優化內部結構。    

    2.1 流道建模與網格劃分

    計算模型采用如圖1所示的鍋蓋閥，通過三維建模軟件UG建立鍋蓋閥簡化結構。進行仿真分析前，要對流體部分進行網格劃分，通過布爾運算得到鍋蓋閥在全開狀態時的三維流道圖，并保存成。step格式。通過ICEM進行網格劃分，計算得出網格數為80萬格。

    2.2 Fluent采用的設置

    將.msh文件導入Fluent，設置后進行計算。湍流模型采用標準的κ－ε模型，離散方程的求解方法采用非結構網格上的SIMPLE算法，速度壓力場采用隱式的全場迭代解法，邊界條件規定速度進口與壓力出口。設定好上述求解控制方程后，即可求解閥芯全開狀態的模型。

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    2.3 仿真結果分析

    由于閥芯與出口側閥體內壁距離比較大，未形成阻尼，不會造成閥芯由于雜質而卡死的現象。圖4中閥體內腔1處壓力與出口2處壓力近似相等，出口壓力增大則閥座附近壓力也隨之增大。由于閥芯上下2個球面受到相同的介質壓力，這2個力大小相等，方向相反，故閥芯所受的軸向力為0。即在鍋蓋閥完全關閉時，蒸煮鍋內壓力越大，則圖4中2處壓力越大，閥芯與閥座接觸越緊密。

圖4 鍋蓋閥全開時壓力云圖

    鍋蓋閥在全開時的內流場速度矢量圖如圖5所示，其中圖5a是原始結構，閥體內腔與流道過渡處采用韌口；圖5b是優化后的結構。可以得出，閥體內部介質流速非常快，在原始結構中，閥體內腔與流道過渡處沖擊大，流阻大，介質對閥體磨損大。如果采用大圓弧順滑圓角，則使得流線非常光滑，沖擊小，流阻小，物料易進入蒸煮鍋。

圖5 原始結構和優化后閥體內流場數值模擬圖

    3 結語

    鍋蓋閥采用特殊的單閥座浮動結構設計，密封面的自適應能力強，密封效果明顯提高。同時，閥芯上的2個密封面可交替使用。試驗表明，新結構的采用使得鍋蓋閥壽命延長1倍。閥體內腔結構采用大圓弧順滑圓角，優化了流道結構，使得進入鍋蓋閥內的物料在小流阻的情況下即可進入蒸煮鍋。安全聯鎖裝置的設計可以保證蒸煮鍋內壓力過高時的鍋蓋閥關閉，避免鍋內壓力泄漏，產生危險。