介绍了水煤浆加压气化装置用锁渣阀的结构及性能特点,分析了在设计过程中所遇到的技术难点及相关解决方案,阐述了密封面材料配对形式的选择及机加工工艺的特殊要求。
一、概述
随着国内煤化工产业的不断升温,水煤浆、多元料浆(以下统称水煤浆)气流床加压气化制取水煤气的生产工艺被大量采用。水煤浆气化工艺是在1 350℃、40MPa以上的高温、高压条件下,使水煤浆和氧气进行氧化还原反应,使煤部分变成煤气。煤气经过激冷水浴、洗涤、除尘制成水蒸汽饱和的合成气送出，而煤中部分未燃尽的碳和不可燃的灰分在高温下形成熔渣经水冷却和破渣机破碎，通过锁斗定期排入渣池。整个生产过程不仅存在高温、高压、易燃、易爆的气体介质和固体颗粒介质，还要求整个排渣集渣过程服从程序控制。在锁斗过程中，阀门用于具有高温、高压和高磨蚀等特点的集渣和排渣循环过程，开关频率高且在高压条件下具有严密密封性。因此，锁渣阀必须具有完善的结构设计、合理的材料配置、良好的制造工艺和设备、先进的表面处理技术和免维护的高输出力矩的执行机构，以确保其安全、快速、连续不间断地长寿命工作，用于控制气化炉的排渣程序，由于位置关键，技术要求高，造价也非常高。
二、工况特点及技术难点
1、工况特点
通常介质为含固态矿渣和灰分的高温渣水，不但对阀体的流道具有较大的冲蚀，对阀门的球体及阀座等动部件及密封面冲蚀和磨蚀更大，介质易粘结，要求阀门内件必须经过高技术的硬化处理使阀门具有较高的耐磨性能。除了考虑硬化材质硬度外，更重要的是硬化工艺，以达到除了硬度指数以外，其它指数也同样重要，如：厚度;与基材结合力度;在温度骤变工况的硬度值及结合力;局部超大压力因素;局部大颗粒因素。在正常生产中开关次数要求频繁，高压到低压，高温到低温的交替变化较大，要求阀门除标准产品具有的非常好的使用寿命和较高的密封等级外，更要考虑完全满足严酷工况的设计和制造，检测工艺。在整个循环过程中运行的工艺介质一般为占20%固体颗粒的渣水混合物，混合物中固体颗粒最大的粒度可达50mm。
工况系统高压力所形成的高速流体对阀门内件，如阀座、阀杆和关闭件等造成极大冲击，极易对内件表面快速冲蚀，使内件损坏。
渣水混合物中具有无数大大小小的硬质颗粒掺杂在高速流体中流动，对阀门内件撞击并冲刷，使阀杆与轴孔、阀座与关闭件接触表面间产生严重摩擦，从而发生剧烈磨损，使阀门打不开或关不严。
渣水混合物本身具有一定的腐蚀性，容易腐蚀被固体颗粒介质冲击破坏而暴露的新鲜表面，从而使阀门加速损坏。
渣水混合物的灰渣极易沉积并粘附在关闭件表面，微小的灰渣甚至会侵入阀座组件的内部，造成阀座活动实效，使阀门泄露甚至无法使用。
锁渣阀的口径一般较大，在高压力流体介质的作用下，对阀门密封面将形成较大的密封比压。同时阀门在高压状态下开启，而固体颗粒介质的摩擦阻力较大，容易造成阀门卡阻现象，因而阀门实际开启力矩远远大于一般流体介质在相同压力下的力矩。
2、主要的技术难点
相对普通的硬密封球阀来说，水煤浆气化装置用锁渣阀要适用于高温、高压、强冲蚀、强腐蚀等工况条件，还要承受频繁开关的恶劣工况，在设计和制造中存在不少技术难点。
a、锁渣阀开关频繁，每半小时开关一次，极易造成密封表面的磨损。
b、水煤浆加压气化装置用锁渣阀采用金属材料为密封面，需要较高的密封比压，因此如何从设计上保证适当的密封比压，提高零件的形位公差以及提高表面光洁度要求是十分重要的。
c、密封副表面硬度要求高，煤粉颗粒的硬度较高，此工况下在阀门关闭状态时要求球体和阀座表面硬度层有较高的硬度，否则煤浆颗粒附在球体表面上，从而破坏球体表面，以至于影响到阀门的整体密封性能。
d、由于介质中含有大量灰渣，易导致弹簧卡死，因此对弹簧要求较高，在结构上也得充分考虑。
e、自洁功能。在阀门的启闭过程总，由于煤浆的吸附性较强极易粘在球体表面上，介质颗粒被带到阀座与球体的密封面之间，破坏了球体与阀座之间的密封副，从而影响阀门的密封性能，使用寿命大大缩短。这要求阀门具有较好的自洁功能，以保证球体和阀座密封副不被破坏。
三、解决方案
根据以上技术难点，要研制出相应水煤浆气化装置用锁渣阀，就须有切合实际的可行性解决方案：
1、采用对中两体式设计，球、杆一体式且防吹出结构设计。阀杆与阀球采用一体式连接，下部支架与阀球为一体锻造而成，对阀球起到支撑作用，同时克服上游介质的压力。球杆采用一体式设计，即保证了球体的对中性，又避免了频繁开关后球体与阀杆脱离现象。加粗阀杆设计，并且结构上确保阀杆只承受阀门启闭扭矩，介质的推力由支承座和下轴承担，使阀杆的受力情况大大改善，确保阀杆能够长期可靠地工作，以避免频繁开关带来的阀门使用寿命大大缩短。
2、阀座碟形弹簧补偿结构，由于采用硬质合金等材料作为密封面，所需的密封比压较高。采用高强度、耐冲蚀金属密封球阀中采用“弹簧+阀座”的组合阀座结构形式，通过高负载弹簧提供一个近30kg/cm2初始预紧比压，即能满足低压情况下的密封性能，又能提供一个较高的密封剪切力，使阀座与球体始终紧贴在一起，这样在球阀开启关闭的过程中阀座对球体起到清洁作用。
3、密封副配对材料
通过多种密封副材料的配对比较，通常有下列几种方法：
a、球体表面渗氮(硬度≥800HV)与阀座密封面喷焊镍基WC(硬度≥65HRC);
b、球体表面与阀座密封面同时喷焊镍基WC(硬度≥65HRC);
c、球体表面喷焊镍基WC(硬度≥65HRC)与阀座密封面堆焊STL(硬度≥55HRC)。
通过分析对比：
a中球体密封面渗氮厚度和硬度方面可能很难满足此类型的工况条件，同时渗氮后会影响基体材料的机械综合性能;
b中球体表面与阀座密封面它们的硬度和强度都比较理想，但它们之间的抗咬性能可能相对较差;
c中密封面材料配对在硬度和强度等方面相对a、b较为理想。
材料加工工艺
由于球体密封喷焊镍基WC/钴基硬度极高(≥65HRC)，普通刀具无法加工，可能需要选择采用了立方氮化硼(PCBN)刀具加工、金刚石砂轮磨削。而且加工机床要有足够好的刚性强度，这样才可以提高机加工、磨削效率，同时保证零件的加工精度。特殊的硬度处理工艺，采用了金属重熔技术将镍基硬质合金可靠的与球体，阀座基体表面重新熔合在一起，有效的防止了硬质合金层的剥落、脱离。
4、阀座后面采用碟形暗黄加载，减少了圆柱形压缩弹簧容易受到微小灰渣的影响，而且在碟形弹簧两侧采用压环进行保护，防止杂质及脏物进入到碟形弹簧腔体，有效防止碟形弹簧的失效。同时阀座与阀体结合处的通道加有保护套，进一步有效防止杂质进入阀座后面的弹簧腔体，确保碟形弹簧长期有效工作。
5、阀座自刮削式设计。阀座采用硬质合金宽带带自刮削结构，阀门动作时，能刮擦沾粘在阀球上的颗粒介质，壁面异物刮伤密封面，对阀球表面实现自清洗，防止灰渣堵塞在密封面上。因此，使阀门在开关的同时实现密封面自清洁，确保阀门动作顺畅连续，不卡阻。
6、气动执行结构在现场提供的正常气源压力下的输出力矩保证为阀门在最大压差下操作扭矩的1.5倍以上，且其传动链的设计扭矩至少为阀门最大扭矩的2倍以上，使阀门在一般超压的情况下仍能保持稳定的启闭动作。
材料选择及硬化处理方式
由于锁斗系统的工艺介质具有高温、高压和高磨蚀等特点，同时渣水混合物具有一定的应力腐蚀倾向。因此要求阀门材料应耐腐蚀、耐冲刷、高强度，并应对球体、阀座等密封件进行适当的表面硬化处理，以达到较高硬度和高耐磨性。
1、阀体为ASME A216 WCB，球体和阀座采用双相不锈钢F51。
2、由于进出口端阀门通道容易受到高速流体的冲刷，因此安装可更换耐磨410衬套，以避免快速磨蚀，可有效耐受煤气化热炉渣的冲蚀和磨蚀和腐蚀。
3、阀杆、下轴出了承受扭转强度或介质压力外，还不可避免地受到介质中固体颗粒的磨蚀，因此采用双相不锈钢F51。
4、锁渣阀开关频繁，阀座和球体表面最容易受到冲刷和磨蚀。球体和阀座密封面表面硬度不能低于55HRC。同时还应保证硬化层应有一定的厚度且不能脱落。在F51基材上进行硬化处理，阀座密封面堆焊钴基合金(Co119)，加工后处合金层厚度不小于2mm，表面硬度≥55HRC。球体表面喷涂镍基碳化钨(WC)合金，喷焊层加工厚度不小于0.3mm，表面硬度为≥62HRC，球体椭圆不大于3丝，经研磨、配研后，表面光洁度达到了Ra0.2mm。
5、由于锁渣阀要求在高压下确保严密密封，因而球体和阀座应采用自动研磨机进行配对研磨以达到球体高的圆度、密封面的高吻合度和提高生产效率。
6、密封材料采用柔性石墨、金属缠绕片等，等用于高温、高压工况，并具耐火功能。