热风阀是炼钢生产中必不可少的设备，阀板是热风阀的主体构件，承受着900～1350℃的高温，必须通过冷却才能正常工作。在热风阀的各个构件中，常因阀板外水环出现裂纹而引起整个设备出现故障，制约了热风阀的产品质量提高和设备的使用寿命。
世林（漯河）冶金设备有限公司研制出一种新型微水节能热风阀，这种热风阀的节水、节能效果明显。工作原理是采用多种耐火材料、多层结构组成隔热保护层。经过设计、计算，冷却水道采用特殊的结构，以较小流量的冷却水满足冷却要求。
本文以DN1800微水节能热风阀（如图1所示）为例，利用有限元分析软件ANSYS对阀板的热应力场进行了分析。
一、阀板的热应力数学模型和边界条件
1、热应力数学模型
阀板的热应力数学模型 如下：
（1）轴对称运动微分方程式：
图1 微水节能热风阀的结构简图
式中，τxy=τrx
（2）几何方程：
（3）物理方程：
热应力的广义虎克定律为
2、边界条件
图2所示是一个边界微元体MAB，它的内边MA和MB分别与内部微元体连接，而外边AB则受到边界条件的作用。n为AB边界的外法线。
图2 应力边界条件方程的推导
设AB面上作用有均布载荷面力Q0，它的2个分量为Qx和Qy。n在Ox和Oy轴上的方向余弦分别为
则有MA=mds，MB=lds
由平衡条件∑Fx=0和∑Fy=0，得
及
整理并略去高阶小项后，得应力边界条件
二、阀板的有限元分析
1、热应力场有限元模型
ANSYS提供了2种分析热应力的方法：直接法和间接法。本文采用间接法先进行热分析，有关热分析的过程见文献，然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。阀板的几何模型和有限元模型如图3和图4所示。
图3 阀板的几何模型
图4 阀板的有限元模型
2、计算结果及分析
由于不定型耐火材料的导热系数的不确定性，分别分析了导热系数为0.1W/（m•℃）和0.5W/（m•℃）的情况。
A、关闭状态
在关闭状态下，阀板的热应力分布如图5和图6所示。
图5 导热系数为0.1W/(m.℃)时的热应力
图6 导热系数为0.5W/(m.℃)时的热应力
由图5、图6可以看出，外水环所受的热应力最大，并且随着耐火材料导热系数的增大而增大，最大值为203MPa，此应力值小于材料的屈服极限。
B、完全开启状态
在完全开启状态下，阀板的热应力分布如图7所示。
由图7可以看出，在调节阀完全开启时，外水环受热风扫掠出现最大应力，最大值为207MPa，此应力值小于材料的屈服极限。
图7 阀门完全开启时的热应力
三、结论
由以上分析可知，热风阀在关闭状态和完全开启状态下，外水环处出现最大应力，此应力值小于材料的屈服极限，说明裂纹是由热疲劳引起的，这与实际情况相符，验证了模拟的合理性。为了防止出现热疲劳，应该采用特殊复合材料，提高材料的热强度极限，或者对闸板下部进行局部热浸渗铝，以提高闸板的抗高温氧化性，从而提高闸板的寿命。
