棒材步進(jìn)式加熱爐出鋼節(jié)奏液壓系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)踐

李建宏

（山西通才工貿(mào)有限公司，山西 曲沃 043409）

1 液壓式步進(jìn)加熱爐概述

液壓式步進(jìn)加熱爐是鋼鐵企業(yè)軋鋼生產(chǎn)的重要裝備，它主要由步進(jìn)梁、升降斜軌、固定梁和升降液壓缸、平移液壓缸等組成，通過步進(jìn)梁的上升、前進(jìn)、下降、后退的循環(huán)動(dòng)作來完成鋼坯在加熱爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)梁的上升是通過升降液壓缸做功實(shí)現(xiàn)，下降要平衡坯重和自重才能完成；平移液壓缸用很小的力完成動(dòng)梁的前進(jìn)、后退。該棒材線采用的這種爐型，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量100萬t，工藝設(shè)備升級(jí)改造后年產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到150萬t。由于加熱爐設(shè)計(jì)最大出鋼能力沒變，出鋼節(jié)奏已經(jīng)不能滿足提產(chǎn)后的要鋼需求，步進(jìn)周期要求由原來最短周期36 s縮短到28 s以下，才能滿足提產(chǎn)后的出鋼速度，匹配整個(gè)軋鋼系統(tǒng)產(chǎn)能提升。

1.1 加熱爐設(shè)備技術(shù)要求

1）加熱爐采用雙輪斜軌式液壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)，步進(jìn)機(jī)構(gòu)帶有良好的升降和平移定心裝置。

2）步進(jìn)機(jī)構(gòu)采用節(jié)能型液壓系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鋼坯輕托輕放，以減少鋼坯對(duì)步進(jìn)梁的撞擊和氧化鐵皮脫落。

3）為減輕鋼坯加熱黑印，步進(jìn)梁交錯(cuò)布置。

4）加熱爐采用復(fù)合爐體結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)絕熱，減少爐體散熱。

5）步進(jìn)梁采用循環(huán)水冷卻。

6）加熱爐采用一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化，帶物料跟蹤功能。

1.2 步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)軌跡

步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)矩形運(yùn)動(dòng)軌跡。步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)由水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)組成。水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)的速度是變化的，其目的在于保證坯料以較低的速度接觸固定梁和活動(dòng)梁，減少對(duì)步進(jìn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)。正常生產(chǎn)時(shí)步進(jìn)梁停在低、后位。實(shí)際運(yùn)行中，水平行程會(huì)有一定的誤差，控制上采用每步補(bǔ)償?shù)姆绞?，確保坯料準(zhǔn)確的運(yùn)行到懸臂輥上。

1.3 縮短步進(jìn)梁循環(huán)步進(jìn)周期

裝料、步進(jìn)輸送、出鋼設(shè)備的總合運(yùn)動(dòng)周期要求滿足出鋼節(jié)奏要求。提高出鋼節(jié)奏，需要縮短步進(jìn)梁循環(huán)步進(jìn)周期，從以下幾方面因素綜合分析：提高升降液壓缸和平移液壓缸運(yùn)動(dòng)速度；從控制方面實(shí)現(xiàn)油缸增速-減速-停止的平緩運(yùn)動(dòng),保證液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；爐底設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與安裝精度要能夠與快速動(dòng)作相匹配。

2 實(shí)施方案

2.1 液壓系統(tǒng)介紹

原步進(jìn)機(jī)構(gòu)采用節(jié)能型的液壓系統(tǒng)，配備恒壓變量泵與比例閥以及配套的行程檢測與控制裝置，步進(jìn)梁升、降、進(jìn)、退及開始托起與放下鋼坯時(shí)均需低速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“慢起慢停”、“輕托輕放”，以減少氧化鐵皮脫落和避免由于撞擊而使水冷梁的絕熱層遭受破壞。步進(jìn)梁的上下升降行程為200 mm，水平行程為250 mm，步進(jìn)周期最短達(dá)到36 s。

液壓系統(tǒng)配置情況，步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)三大部分組成。關(guān)鍵部件包括：6 m3不銹鋼油箱；力士樂恒壓變量柱塞泵4臺(tái)，選用恒壓變量泵能使系統(tǒng)在整個(gè)控制過程中實(shí)現(xiàn)無溢流工作，達(dá)到最佳節(jié)能效果，工作制三用一備，型號(hào)為A10VSO140DR/32R-PPB12N00，配套電機(jī)功率55 kW；出口采用精度10μm賀德克高壓過濾器；升降液壓缸控制閥主要采用力士樂電液比例方向閥，型號(hào)為4WRZE32W8-500-7X/6EG24EK31/A1D3M；比例閥配套壓力補(bǔ)償器型號(hào)為ZDC32P-2/M；循環(huán)部分采用2臺(tái)螺桿泵，1臺(tái)換熱器和雙筒循環(huán)過濾器；升降液壓缸規(guī)格為2-Φ280×Φ180-710，平移液壓缸規(guī)格為Φ200×Φ140-315；主要管徑尺寸：站內(nèi)高壓主管道通徑DN50，回油主管道通徑DN80，升降液壓缸A路和B路管徑都為DN50，平移液壓缸A路和B路管徑都為DN25。

該液壓系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)相對(duì)比較科學(xué)合理，但是產(chǎn)能提升改造后，最短步進(jìn)周期已不能滿足生產(chǎn)需求。遵循節(jié)能降本設(shè)計(jì)改造原則，應(yīng)在盡可能降低成本費(fèi)用和節(jié)能環(huán)?；A(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)合理改造，既能滿足生產(chǎn)節(jié)奏，又不會(huì)造成電能與設(shè)備投資的多余浪費(fèi)。

2.2 提高液壓缸運(yùn)動(dòng)速度原理分析

液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度公式：

式中：Q為油缸腔進(jìn)油流量；A為有桿或無桿腔面積。

我們知道，液壓缸兩腔的面積是一定的，那么速度V與流量Q成正比，所以提高速度必須增加液壓缸兩腔的進(jìn)出流量。

流量Q=流速×（管道內(nèi)徑×管道內(nèi)徑×π÷4），即：

1.4.2 捕食線蟲真菌的捕器誘導(dǎo) 在體視顯微鏡10～100倍下，利用無菌牙簽以無菌操作技術(shù)轉(zhuǎn)接捕食線蟲真菌單個(gè)分生孢子到留有約1 cm×1 cm觀察室的直徑60 mm CMA平板上，密封后置于26.5℃恒溫箱中培養(yǎng)直至菌絲鋪滿觀察室，然后在觀察室中加入制備好的線蟲懸液200條左右，放置于恒溫箱中培養(yǎng)2～4 d，其間需用體視顯微鏡觀察是否產(chǎn)生捕器及捕器類型，并及時(shí)記錄結(jié)果。

式中：Q為流量，m3/h；D為管道內(nèi)徑，m；V為流體平均速度，m/s。

以上換算關(guān)系可推知，流量Q與管道內(nèi)徑D及流速V成正比關(guān)系。由此得出結(jié)論：提高液壓缸運(yùn)動(dòng)速度方法是增大液壓管徑D和提高液壓油流速V。

2.3 改造方案

1）液壓系統(tǒng)管道流速V主要由液壓泵輸出能力決定。液壓系統(tǒng)工作壓力15 MPa，單臺(tái)主泵額定流量Q=210 L/min，最大流量Qmax=308 L/min，工作制三用一備，液壓站最大輸出流量630～924 L/min，液壓缸運(yùn)動(dòng)所需流量范圍為400～800 L/min，從泵能力和節(jié)約電能降低成本角度考慮，能夠滿足液壓缸運(yùn)動(dòng)流量和壓力需求，無需變動(dòng)。

2）增大整個(gè)液壓介質(zhì)的通道內(nèi)徑D。第一從站內(nèi)開始，總供油管道由Φ63mm壁厚7mm增為Φ76mm壁厚8 mm，總回油管道由Φ89 mm壁厚4 mm增為Φ108 mm壁厚5 mm；第二步進(jìn)梁升降液壓缸比例閥組選擇通徑為DN32的比例換向閥，其最大流量值為1600 L/min，最大額定流量值為520 L/min；第三原步進(jìn)梁平移液壓缸比例閥組通徑DN16，最大流量值460 L/min，額定流量最大值18 L/min；改造為通徑為DN25的比例換向閥，最大流量87 L/min，額定流量最大值325 L/min；第四閥臺(tái)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸管路加粗：平移液壓缸供、回油管道由Φ34 mm壁厚4 mm增為Φ42 mm壁厚4 mm，升降液壓缸供、回油管道由Φ60 mm壁厚6 mm增為Φ76 mm壁厚8 mm；第五升降液壓缸進(jìn)油口縮頸部位直徑擴(kuò)大，直徑由Φ25 mm增為Φ38 mm。

采用升降油缸比例閥組與壓力補(bǔ)償器配套使用。

圖1為改造后液壓控制回路圖，圖1中所示部件22和23壓力補(bǔ)償器有良好的穩(wěn)定壓差。原步進(jìn)式加熱爐多采用比例方向閥的節(jié)流調(diào)速液壓系統(tǒng)，通過改變比例方向閥輸人信號(hào)的極性和大小，來改變液流的方向和流量大小，實(shí)現(xiàn)液壓缸桿的伸縮和平穩(wěn)的加減速運(yùn)動(dòng)。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于步進(jìn)梁運(yùn)送鋼坯的數(shù)量、質(zhì)量發(fā)生改變，亦即液壓缸所承受負(fù)載發(fā)生改變，將造成比例閥兩端壓差的變化，進(jìn)而影響通過閥口的流量，流量的不穩(wěn)定性致使液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度不能與輸人信號(hào)相匹配網(wǎng),并會(huì)發(fā)生步進(jìn)梁頓挫、抖動(dòng)現(xiàn)象。壓力補(bǔ)償器的應(yīng)用很好地解決了這一疑難問題。

圖1 改造后液壓控制回路圖（mm）

如圖1中所示部件17、18蓄能器的功能是將液壓系統(tǒng)中的壓力油儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)又重新放出。主要用途：

1）存貯能量，應(yīng)急液壓。蓄能器被廣泛利用作輔助能源，與壓力繼電器組合使用，在間歇工作的場合，可作為輔助能源，實(shí)現(xiàn)液壓泵的小型化并可節(jié)省能源。

2）吸收脈動(dòng)，平穩(wěn)系統(tǒng)。液壓泵排出的液體都具有較大的脈動(dòng)，這種脈動(dòng)會(huì)使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)，并破壞系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，在液壓泵出口處使用蓄能器可以有效的衰減脈動(dòng)，使裝置平穩(wěn)的工作。

3）吸收沖擊，保護(hù)回路。在液壓回路中，由于液壓閥急速閉合而發(fā)生載荷劇變，這種劇變會(huì)產(chǎn)生很大的瞬間沖擊壓力會(huì)破壞管道、管接頭或其它液壓元件，并產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲，使用蓄能器可有效緩和沖擊，保護(hù)液壓裝置。

4）熱膨脹消減泄漏補(bǔ)償。在壓力控制的閉式回路中，使用蓄能器可有效的補(bǔ)償溫度降低、內(nèi)部泄漏或外部泄漏而引起的壓力降低，也可有效控制由于溫度升高而引起的壓力上升、從而使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。

5）吸收振動(dòng)，減振平衡。蓄能器中膠囊充滿氣體可起到氣體彈簧的作用，可吸收升降缸步進(jìn)梁設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)，保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

提速后機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作加快，慣性沖量和振動(dòng)增大，機(jī)械機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和安裝精度要相應(yīng)提高，所以對(duì)爐底步進(jìn)梁機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，使得升降及橫移等鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足改造后快速動(dòng)作要求。

3 使用效果

3.1 步進(jìn)周期縮短，出鋼節(jié)奏加快

改造后液壓缸流量增加，運(yùn)動(dòng)速度提升，步進(jìn)周期縮短了5～10 s，最快步進(jìn)周期由原來36 s以上縮短到24～28 s，達(dá)到預(yù)計(jì)步進(jìn)周期28 s以內(nèi)的目標(biāo)。無論是開軋時(shí)段還是正常過鋼期間出鋼節(jié)奏都能滿足生產(chǎn)需求，而且還有提升空間，效果非常明顯。從加熱爐顯示畫面圖2可以看出，比例閥開度為60%時(shí)，加熱爐步進(jìn)周期能夠達(dá)到24 s。

圖2 加熱爐操作電腦顯示畫面

3.2 產(chǎn)量增加，效益提升

改造之前最快軋制速度93支/h，現(xiàn)在提高到100支鋼/h以上，完全滿足軋鋼生產(chǎn)所需的出鋼節(jié)奏，而且比例閥開度還留有余量。按每小時(shí)提高7支鋼計(jì)算，每支鋼2.40185 t，每小時(shí)提產(chǎn)16.8 t，每天提產(chǎn)400 t，每月提產(chǎn)1.2萬t，每年增產(chǎn)達(dá)到15萬t以上。

1）改造前液壓系統(tǒng)缺點(diǎn)。步進(jìn)梁下降時(shí)通過節(jié)流調(diào)速，重力勢能全部轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)生成大量的熱，引起局部高溫，為增加散熱效果油箱體積增大、附件要增多，成本升高；油品劣化加劇出現(xiàn)析炭、粘度降低等，只能通過增加冷卻器的冷卻能力來保持液壓系統(tǒng)的溫度；泵的數(shù)量增多，投資成本高、能量消耗大；這些設(shè)備在下降過程中釋放的大量“勢能”均轉(zhuǎn)化為熱量浪費(fèi)掉了。

2）增加蓄能器一項(xiàng)主要作用是能夠回收部分勢能，將鋼坯與設(shè)備下降過程的重力能部分回收，并在上升過程中釋放做功，不僅實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而且減少熱量轉(zhuǎn)化，防止油溫過熱，油箱平均溫度保持在33℃左右，較改造前平均溫度43℃降低10℃左右。

4 結(jié)語

縮短加熱爐步進(jìn)周期液壓系統(tǒng)改造方案有多種，而要綜合考慮改造周期、節(jié)能環(huán)保、投資成本等多個(gè)因素，選用一種最為簡單有效的科學(xué)方法尤為重要。通過上述改進(jìn)，運(yùn)行效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)：周期縮短、出鋼節(jié)奏加快、運(yùn)行平穩(wěn)、能耗不增加。本改造最大特點(diǎn)是在不增加液壓泵組和閥組的前提條件下，達(dá)到提高生產(chǎn)節(jié)奏的目的，節(jié)約了電能和較低制造成本費(fèi)用。