新型氧化铝工业用阀―――双偏心式半球阀宋效法，刘善标（中国长城铝业公司机动部，河南郑州450041）心结构的特点，关闭切除结垢，磨损自行补偿，开辟了解决常用阀门存在问题的新途径。本文介绍了新型阀门的结构特点，总体设计和现场使用情况。

　　在氧化铝生产过程中，用于控制含有固体颗粒及易析出结晶的料浆阀门，其密封性能和使用寿命如何保证是现实中存在的问题。通常使用的闸阀、旋塞阀、法国KLEIN公司的Y型截止阀等，由于湿法生产中不可避免的磨损、结垢等原因，造成阀门密封失效、寿命短、开关沉重。因此，开发新型氧化铝工业用阀始终是一项待解决的课题。

　　原郑州铝厂引进德国管道化溶出设备中，CANALI公司生产的控制热载体熔盐流动的半球阀，是氧化铝生产中的新型阀门。在此基础上，经过消化吸收，研制成新型工业阀门―――双偏心式半球阀。它的开发成功，为解决生产流程中因结晶析出沉淀、结垢等影响溶液输送的问题提供了可靠的控制阀门。

　　1氧化铝工业用阀现状目前，阀门种类较多，氧化铝工业用阀常用的是旋塞阀、闸阀、截止阀等。

　　旋塞阀（考克）：锥面楔紧密封，旋转扭矩加大，结垢时开关更困难，甚至扭断阀芯。

　　闸阀：闸板轴向楔紧密封，结垢时会加快磨损而泄漏，特别是底部死区堆积结垢而导致关不上此外，副密封在开关过程中磨损，易损坏。

　　球阀：包括固定球球阀、浮动球球阀、半球阀等，特点是靠阀座的预紧力来密封，预紧力导致密封面母液和较高的溶出温度等，完全可以减轻结疤，提高氧化铝相对溶出率，满足管道化生产的需要。

　　4结语本文主要从物相角度对河南铝土矿预热过程中矿（赤）泥的相转变和主要矿物的行为进行了综合分析研究，结果表明：⑴河南矿的高温预热过程是一个复杂的多相反应过程。含硅矿物高岭石全部分解，伊利石部分溶解到280℃，Nk =160g/l条件下，伊利石分解率为⑵在预热过程中生成的水化石榴石化学组成为O 形成的水铝硅酸钠主要有两种形态：方钠石Ⅲ型（组成式为Na O）的碳酸盐钙霞石型（化学⑶选择适当的工艺条件，如较细的矿石粒度、低苛性碱浓度、富钾母液和较高的溶出温度等，可以减轻结疤、提高氧化铝相对溶出率、满足管道化生产方式。

　　〔1〕杨重愚。氧化铝生产工艺学〔M〕。冶金工业出版社， 1982.

　　〔2〕许启丽。贾沟铝土矿溶出试验〔R〕。郑州铝厂研究所（内部资料）。

　　〔3〕闫晋钢。铝土矿定量相分析〔A〕。全国无标定量相分析会议论文〔5〕陈万坤，彭关才。一水硬铝石型铝土矿的强化溶出技术〔M〕。冶金工业出版社， 1977.

　　摩擦力增大，转动扭矩加大密封面磨损后因无自动补偿而泄漏。

　　截止阀：包括Y型截止阀（法国KLEIN公司料浆阀）、锥型截止阀等，共同特点是曲线过流，阻力大，结垢严重，正面压紧密封而关不严。

　　总之，结垢与磨损是氧化铝工业用阀的主要问题，阀门寿命短，直接影响到生产的正常进行。

　　2双偏心式半球阀简介双偏式半球阀不同于现行的各种类型阀门，其密封方式是环绕在球面上的变形楔作用的偏心结构。它是阀将操作机床上常用的偏心夹紧机构应用在阀门的启闭机构上，创造出新型工业用阀门。

　　双偏心式半球阀的结构，见图1.

　　阀芯3是半球面型偏心位置的密封件，与固定在阀体2上的阀座4形成球面―――环带型密封副。

　　阀芯是靠阀杆1与芯轴6支撑在阀体2的内腔中，由于阀杆中心不在阀芯的球面几何中心上，也不在阀体的贯通中线上，当手轮7通过蜗轮机构驱动带花键连接的阀杆1转动90°时，半球面阀芯绕固定轴心旋转，形成阀芯与阀座的相对运动，实现阀门的启闭作用。

　　关键是球面几何中心与回转中心不同心，呈两锥偏心状态。转动偏心阀芯就产生球面与固定的阀座密封面间的相对运动，开启时，阀芯与阀座迅速脱离，关闭时，阀芯偏心复位在原来的偏置位置上。如此组成阀门动作的偏心机构，即利用偏心轮的变形楔作用原理来实现阀门的闸紧机构。

　　3流体工作状态控制流体通过阀门内腔，使阀芯在开关过程中的不同相对位置都能保持阀门良好的流通性能，是阀门必需具备的重要功能。双偏心式半球阀调控流体通过阀门时的工作状态和开关过程，如图2.

　　关闭关态：流体在球面前受阻，控制管路截流，流体不能通过阀门。由于阀芯的楔紧作用，流体在压力4.0M Pa的逆向作用下，没有渗漏现象。关闭过程中阀芯与阀座之间的缝隙由大到小，旋转运动中的剪切作用能将附着在其上面的结垢切掉开启时，阀芯与阀座及时分离，无接触摩擦，缝隙由小到大，旋转运动阀芯可轻易地开启。

　　半开状态：流体大部分从开启的阀芯下侧、半球的凹心部分通过球面上部的受阻流体，从球面上侧部分与阀体之间形成的侧隙中流过。随着开启程度的不同，通道截面积大小的变化、流道的变化，上下侧两部分流量大小比例的变化，就可以调节通过阀门的流量大小，起到节流作用。

　　全开状态：此时流体可以畅通无阻地从阀芯内部的凹心部分直接通过，不象截止阀、蝶阀那样流道受阻、有障碍。故双偏心式半球阀属于直通阀，阀门流量系数大，阻尼小。

　　从以上流体通过双偏心式半球阀的状态，可以看出这种阀门的优点是：关闭严紧，性能稳定，开启迅速轻便，磨损自行补偿，全开直通，阻尼小半开状态能起到调节作用，所以，资料介绍，德国CANALI公司称此阀门为大流量调节阀（M axiflub stellven 4闸紧原理与自锁条件偏心闸紧机构是利用偏心轮的变形楔作用原理及楔形在一定条件下的自锁性能来实现闸紧作用的楔形结构。如图3 ，如果将圆偏心展开成平面，偏心机构实际上就是环绕旋转在轴上的斜面结构。斜面的升程是偏心量e的2倍。

　　将偏心机构应用于阀门的启闭装置上，是一项成熟技术的移植与发展，是这种快速夹紧机构的扩大应用。设计偏心闸紧机构，应遵循偏心机构应用的三项技术要求，满足其使用条件：⑴自锁条件⑵闸紧力⑶适宜的闸紧位置4 .1自锁条件如图3 ，斜面机构的自锁条件是斜面螺旋升角α小于偏心体与底面，偏心轴与孔壁间的摩擦角ψ之和即：螺旋升角小于摩擦角：式中：W―――偏心轮受底面的反作用力，即夹紧力―――偏心轮与底面、偏心轮轴与孔壁间的摩擦力e―――偏心轮中心的偏心量D、d―――偏心轮与偏心轮轴的直径―――摩擦系数。

　　令摩擦系数μ=0.1 ，且忽略偏心轮轴与孔壁间的摩擦力矩，取μ=0 ，上式化简为：实际应用中，考虑到系统中诸部位的摩擦及阀座环口的非平面因素，取μ=0.15 ，可以满足：即自锁条件为：偏心球体直径D、偏心量e满足上述条件，就能在相关尺寸设计中保证阀门自锁条件，即阀门在使用中不会自行松开，不会不安全。

　　4 .2足够的闸紧力按照偏心机构就是单面楔形的斜面环绕在转轴上，形成阀座与球面相似于螺旋机构的原理，如图4 ，分析其作用力。

　　回转力矩M绕转轴O点的作用力传至阻力点P处时，所产生的力矩，即p点的受力Q形成力矩：作用力Q ， O点的反作用力Q及摩擦力F之间形成平衡状态，略去α角，视作水平方向力的平衡：两端同乘回转半径ρ，化简：式中斜角α、摩擦角ψ都很小，设摩擦角ψ=ψ式中：W―――闸紧力α―――接触点P处的螺旋升角―――摩擦角ρ―――转轴中心O点至着力点P（接触点）的距离。

　　如图计算，即偏心点P处的曲率半径：按图3所示，近似计算，又可化简为：圆偏心的闸紧力W ，比直接作用的斜面螺旋闸紧力略小实际计算，在额定的回转力矩M作用下，s―――螺旋叶片螺距，本例取s =0.3m ψ―――物料填充系数，选ψ=0.25 ρ―――物料密度，比照Al熟料窑灰密度选c―――物料倾斜系数，本例为水平输送，选c = 2 .3物料冷却输送距离L根据现场情况确定L =6m由上述计算可以看出，螺旋叶片直径仅需0.185m即可满足输送要求，但考虑到本机实际以冷却作用为主，主要目的是提高冷却效果，传送为辅，而在下料量一定，转速一定的情况下，为增大热交换强度，由上式⑴可见，减小物料填充量，加大螺旋叶片直径D均可以使物料在U型槽底部处于薄层状态，有利于物料与冷却水之间的热交换。为此重新对ψ进行取值（取ψ=0.05），然后再求螺旋叶片直经调整，本次设计时取D =0.5m.

　　3结语本方案由中州铝厂检修分厂设计制造，自1993年起分别在焦作、新乡两地投入使用，实践证明该机连续冷却性能良好，可将高温物料由出窑时的1200℃迅速冷却到100℃，完全满足了生产工艺的技术要求。如果用本方案替代目前大型企业通常采用的园筒式外淋冷却机将大大减少其设备体积。以我厂下料量为55t/h的Υ4000mm的园筒式冷却机为例，若以螺旋结构替代，其螺旋直径仅需〔1〕氧化铝生产设备〔Z〕。中国有色金属工业总公司， 1990.

　　〔2〕化学工业炉设计手册〔Z〕。化学工业出版社， 1988.

　　足以达到中、低压阀门的闸紧力及密封比压。

　　4 .3适宜的闸紧距离偏心闸紧机构，实际上起闸紧作用的只是图4中展开线段上靠近P点的很短一小段展开图是近似于楔形的曲线，其斜面升角α也是变化的，实用设计中将偏心夹紧*合理的作用点P左右3～5mm范围内作为工作线段就足够补偿用了。

　　偏心距的选择应使偏心球面曲线处于等进曲线―――阿基米德螺线的近似曲线使得当偏心闸紧位置移动时，球面两侧接触点不等的曲率半径ρ，仍能各自等量前移，与固定的密封座保持压紧状态，不失阀门的密封性能，即所谓密封自行补偿性能。

　　5结语⑴氧化铝工业用阀使用寿命短，主要是阀门磨蚀与结垢所致。常用的标准阀门，由于结构和材质不能适应生产工艺要求，导致维修及更换频繁，严重影响生产的正常进行。探索适用于氧化铝工业的新型阀门是多年来面临的课题。

　　⑵为适应氧化铝工业用阀的技术要求，克服现有的常用标准阀门存在的问题和缺陷，推出了新型阀门―――双偏心式半球阀。其特点是流通性能好，密封可靠耐用，开启迅速轻便，磨损自行补偿，特别在切除结垢方面有其独到的优点。获得了国家专利（ZL97240 .1），为氧化铝工业提供了一种较好的工艺控制阀门。

　　⑶长城铝业公司氧化铝厂五车间脱硅工序，用BQ341H半球阀代替原来使用的闸阀，方便了工艺操作，寿命由原来的一个月延长到3～4个月。山东铝业公司第二氧化铝厂三车间种分出料岗位上，原用阀门2～3个月就泄漏，改用双偏心式半球阀之后，使用周期延长到8个月。减少了操作使用更换次数，同时提高了经济效益。

　　⑷双偏心式半球阀是适用于选矿工艺条件下不同介质工况的新型工艺阀门，其开发研究尚属新领域。德国、美国、中国等都将新型阀门―――偏心（半）球阀推向市场，可以预见这种新型阀门将得到越来越广泛的应用。

　　〔1〕浅论氧化铝工业用阀。轻金属〔J〕。1994， 2.

　　〔3〕阀门设计手册〔Z〕。机械工业出版社， 1982.