連鑄機鋼包長水口液壓控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用

丁 進 何 漢

（柳州鋼鐵股份有限公司轉(zhuǎn)爐煉鋼廠，廣西 柳州 545002）

0 引言

連鑄工藝中，鋼包長水口是控制鋼液從鋼包流向中間包的唯一通道，其主要作用是防止鋼液同空氣接觸發(fā)生二次氧化，確保鋼水的質(zhì)量，能有效避免鋼液飛濺，確保操作人員及設(shè)備的安全。

鋼包長水口操作裝置按操作方式分為手動式、半自動式和全自動式三種。手動式操作裝置利用杠桿原理，采用尾部加配重塊的方式實現(xiàn)鋼包長水口與鋼包底部滑板面的貼緊，操作難度大，密封效果差，水口的更換需要兩個人配合操作，在早期的連鑄機上應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)在基本被淘汰。全自動式長水口操作裝置主要是利用工業(yè)機器人實現(xiàn)水口的更換操作，能實現(xiàn)操作的無人化，但是投資成本高，維護難度大，目前只在國內(nèi)少量的高端連鑄機上使用。半自動長水口操作裝置可借助液壓缸及渦輪蝸桿機構(gòu)的動作實現(xiàn)水口的更換工作，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，投資成本低，目前廣泛應(yīng)用于國內(nèi)方坯、板坯連鑄機上。

半自動鋼包長水口操作裝置由立柱、支撐臂、液壓缸、旋轉(zhuǎn)手輪、水口夾持裝置等組成，同過操作長水口操作裝置的旋轉(zhuǎn)手輪，能實現(xiàn)鋼包長水口的前進、后退、上升、下降、旋轉(zhuǎn)等動作。鋼包長水口操作裝置的旋轉(zhuǎn)由渦輪蝸桿傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，升降由液壓缸的上升、下降來實現(xiàn)。

為實現(xiàn)連鑄全過程保護澆注，鋼包長水口需要始終同鋼包底部滑板下水口緊密接觸，因此要求鋼包長水口操作裝置具備同鋼包升降隨動的功能。半自動鋼包長水口操作裝置設(shè)計的難點及關(guān)鍵點就是保證液缸隨動升降控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、低故障率，避免澆注過程中水口的下跌或鋼包下降過程中水口支撐臂被壓彎，保證在連鑄澆注過程中，鋼包長水口始終同鋼包底部滑板面貼緊，以實現(xiàn)鋼液的保護澆注。

1 傳統(tǒng)鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計原理

如圖1所示，溢流減壓閥的調(diào)定壓力為8MPa，根據(jù)溢流減壓閥的壓力控制特性，則其減壓壓力為8MPa，其溢流壓力為9.5MPa～10MPa。鋼包長水口通過長水口操作裝置與鋼包底部機構(gòu)密封接觸。當連鑄機處于澆注狀態(tài)時，將操作箱控制按鈕旋至上升位并保持，電磁換向閥的a端得電，P管的液壓油經(jīng)溢流減壓閥、單向節(jié)流閥b、截止閥c進入液壓缸的無桿腔，液壓缸有桿腔的液壓油經(jīng)截止閥b，單向節(jié)流閥a、液控單向閥、電磁換向閥進入T管，液壓缸的活塞桿始終處于伸出狀態(tài)，液壓缸的輸出力帶動長水口操作裝置支撐臂將長水口壓緊在鋼包機構(gòu)底部。當鋼包上升時，鋼包長水口操作裝置帶動鋼包長水口跟隨鋼包向上運動；當鋼包下降時，液壓缸無桿腔壓力升高，無桿腔的液壓油壓力大于溢流減壓閥的調(diào)定壓力值10MPa時，液壓缸無桿腔的液壓油經(jīng)減壓溢流閥溢流回T管，液壓缸的活塞桿向下運動，使長水口操作裝置的支撐臂帶動鋼包長水口向下運動，但長水口始終同鋼包底部緊密貼合。因此，不論鋼包上升還是下降，只要將鋼包長水口操作裝置的控制按鈕置于上升狀態(tài)并保持，鋼包長水口可始終跟隨鋼包的上升、下降，實現(xiàn)隨動功能。

圖1 傳統(tǒng)鋼包長水口操作裝置液壓控制原理圖

當需要更換鋼包長水口時，鋼包長水口需要升降并能夠停止在任何位置。長水口操作裝置需要上升時，將鋼包長水口操作裝置的控制按鈕置于上升位，電磁換向閥的a端得電，P管的壓力油經(jīng)溢流減壓閥、單向節(jié)流閥b、截止閥c進入液壓缸的無桿腔，液壓缸有桿腔的液壓油經(jīng)截止閥b、單向節(jié)流閥a、液控單向閥、電磁換向閥流回T管，液壓缸帶動長水口操作裝置上升；長水口操作裝置需要下降時，將鋼包長水口操作裝置的控制按鈕置于下降位，電磁換向閥的b端得電，P管的壓力油經(jīng)電磁換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥a、截止閥b進入液壓缸的有桿腔，液壓缸無桿腔的液壓油經(jīng)截止閥c、單向節(jié)流閥b、溢流減壓閥溢流回T管，液壓缸帶動長水口操作裝置下降；長水口操作裝置需要停止時，將長水口操作裝置的控制按鈕置于停止位，電磁換向閥的a、b端都不得電，液控單向閥的控制油壓力為零，液控單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，長水口操作裝置可以停止在任何位置。

2 傳統(tǒng)鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)存在的問題分析

從液壓控制系統(tǒng)的原理分析，傳統(tǒng)鋼包長水口操作裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計可滿足鋼包長水口的升降、停止以及同鋼包隨動的功能。該系統(tǒng)在柳鋼轉(zhuǎn)爐廠5#方坯連鑄機上使用以來，在澆鋼過程中多次出現(xiàn)水口下跌、鋼包長水口操作裝置的支撐臂被鋼包壓彎的情況。設(shè)備的高故障率無法滿足連鑄機穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)需求。

經(jīng)分析，鋼包長水口操作裝置支撐臂被壓彎的原因為溢流減壓閥故障無法溢流，其故障機理為：當鋼包在下降過程中，即使液壓缸無桿腔的壓力值高于溢流閥的調(diào)定壓力值，溢流閥也不溢流，系統(tǒng)無法回油，鋼包長水口操作裝置的支撐臂無法隨動下降，長水口操作裝置的支撐臂被鋼包壓彎。

澆鋼過程中水口自動下跌原因為溢流減壓閥故障導致液壓缸的無桿腔無壓力油，水口在鋼流的沖擊及水口操作裝置自身的重力作用下下降，進而導致水口脫離鋼包底部。

該溢流減壓閥為德國力士樂公司產(chǎn)品，其性能及質(zhì)量均有較好的保障，系統(tǒng)使用的工作介質(zhì)為水乙二醇，其清潔度等級自投產(chǎn)以后基本穩(wěn)定在NAS7級的水平，系統(tǒng)清潔度等級遠遠優(yōu)于溢流減壓閥及其長水操作裝置液壓控制系統(tǒng)其他液壓元件要求的NAS9級的水平。該系統(tǒng)其他液壓元件幾乎處于零故障狀態(tài)，但溢流減壓閥卻多次發(fā)生故障。

經(jīng)分析，主因為鋼包長水口操作裝置因設(shè)備布局于中間包車上，長水口操作裝置液壓缸及其控制閥臺、管路長期受到鋼包、中間包中熔融鋼液的熱輻射，周邊環(huán)境溫度高，液壓缸、液壓缸連接軟管內(nèi)部的橡膠件易劣化，劣化剝落后的顆粒物流經(jīng)溢流減壓閥時會使其閥芯卡死或阻尼孔堵塞，導致溢流減壓閥的溢流端無法溢流或減壓端無法進油。但該系統(tǒng)的其他液壓元件幾乎未發(fā)生過故障。

溢流減壓閥為減壓閥和溢流閥的組合閥，集減壓和溢流的兩種功能于一體。當調(diào)定減壓閥的壓力值時，溢流閥的壓力值根據(jù)減壓閥的壓力值自動設(shè)定，其溢流壓力比減壓壓力高1.5MPa～2MPa。溢流減壓閥因其組合閥特性，結(jié)構(gòu)復雜，抗污染能力比普通的減壓閥和溢流閥都要差，因此該系統(tǒng)其他液壓元件幾乎無故障，但是溢流減壓閥卻頻繁發(fā)生液壓故障。

因此，要想提升鋼包長水口液壓操作裝置的穩(wěn)定性及可靠性，降低系統(tǒng)故障率，設(shè)計時應(yīng)該避免使用結(jié)構(gòu)復雜、抗污染能力差的溢流減壓閥。

3 鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計

針對鋼包長水口操作裝置惡劣的工作環(huán)境，在確保鋼包長水口操作裝能上升、下降、停止以及能跟隨鋼包隨動并始終壓緊鋼包底部的情況下，簡化液壓控制回路的設(shè)計，取消溢流減壓閥，利用結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力更強的減壓閥和溢流閥替代結(jié)構(gòu)復雜、抗污染能力差的溢流減壓閥，實現(xiàn)鋼包長水口操作裝置在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定、可靠動作。

在圖1的傳統(tǒng)設(shè)計中，利用Y型中位機能的電磁換向閥和液控單向閥的組合形式，實現(xiàn)了中位狀態(tài)下液壓缸的鎖緊功能。該組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是利用液控單向閥的幾乎零泄漏的特點，在電磁換向閥失電情況下使液壓缸可以可靠地停留在任何位置，此種回路形式通常應(yīng)用于需要工作機構(gòu)完全可靠地長時間停留在某一位置的情況。但是在鋼包長水口液壓操作裝置中，在澆注狀態(tài)下，長水口操作裝置需要一直壓緊在鋼包底部，這時候液壓缸的無桿腔需要一直通著壓力油，只有在澆注結(jié)束或澆注開始前換水口時，才需要水口操作裝置上升或下降，然后短暫地停留，對長時間精準地停留在某一位置沒有苛刻的要求。因此，采用O型電磁換向閥的中位鎖緊功能即可滿足要求，這樣可以極大地簡化液壓系統(tǒng)控制回路，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

為避免采用結(jié)構(gòu)復雜、故障率高的溢流減壓閥，該文的設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單的直動式減壓閥和一個直動式溢流閥替代原系統(tǒng)溢流減壓閥的功能。如圖2所示，將減壓閥的調(diào)定壓力設(shè)定為8MPa，溢流閥的調(diào)定壓力設(shè)定為10MPa，替代圖1中溢流減壓閥的功能。當連鑄機處于澆注狀態(tài)時，將操作箱控制按鈕旋至上升位并保持，電磁換向閥的a端得電，P管的液壓油經(jīng)截止閥a、單向閥b、減壓閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥b、截止閥c進入液壓缸的無桿腔，液壓缸有桿腔的液壓油經(jīng)截止閥b、單向節(jié)流閥a、電磁換向閥流入T管，液壓缸的活塞桿始終處于伸出狀態(tài)，液壓缸的輸出力帶動長水口操作裝置支撐臂將長水口壓緊在鋼包機構(gòu)底部。當鋼包上升時，鋼包長水口操作裝置帶鋼包長水口跟隨鋼包向上運動；當鋼包下降時，液壓缸無桿腔壓力升高，無桿腔的液壓油壓力大于溢流閥的調(diào)定壓力時，液壓缸無桿腔的液壓油經(jīng)溢流閥溢流回T管，液壓缸的活塞桿向下運動，長水口操作裝置的支撐臂帶動鋼包長水口向下運動，但長水口始終同鋼包底部緊密貼合。因此，不論鋼包上升還是下降，只要將鋼包長水口操作裝置的控制按鈕置于上升狀態(tài)并保持，鋼包長水口即始終跟隨鋼包升降，并壓緊在鋼包底部，實現(xiàn)同鋼包隨動并壓緊的功能。

圖2 創(chuàng)新設(shè)計型鋼包長水口操作裝置液壓控制原理圖

當需要更換鋼包長水口時，鋼包長水口需要升降并能夠停止在任何位置。長水口操作裝置需要上升時，將鋼包長水口操作裝置的控制按鈕置于上升位，電磁換向閥的a端得電，P管的壓力油經(jīng)截止閥a、單向閥b、減壓閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥b、截止閥c進入液壓缸的無桿腔，液壓缸有桿腔的液壓油經(jīng)截止閥b、單向節(jié)流閥a、電磁換向閥流回T管，液壓缸帶動長水口操作裝置上升；長水口操作裝置需要下降時，將鋼包長水口操作裝置的控制按鈕置于下降位，電磁換向閥的b端得電，P管的壓力油經(jīng)截止閥a、單向閥b、減壓閥、電磁換向閥，單向節(jié)流閥a、截止閥b進入液壓缸的有桿腔，液壓缸無桿腔的液壓油經(jīng)截止閥c、單向節(jié)流閥b、電磁換向閥進入T管，液壓缸帶動長水口操作裝置下降；長水口操作裝置需要停止時，將長水口操作裝置的控制按鈕置于停止位，電磁換向閥的a、b端都不得電，電磁換向閥的閥芯處于中位，換向閥的P、T、A、B口均被堵死，長水口操作裝置可以停止在任何位置。

4 鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計的液壓控制回路特點

鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計的液壓控制回路有如下特點：1） 采用O型機能的三位四通電磁換向閥，實現(xiàn)液壓缸的換向運動及停止鎖緊功能。2） 采用雙向回油節(jié)流調(diào)速回路，實現(xiàn)了液壓缸活塞桿雙向運動速度的自由控制，回油節(jié)流調(diào)速可利用節(jié)流閥的阻尼作用，產(chǎn)生一定的背壓，平衡鋼包長水口操作機構(gòu)下降過程中的重力，使得負載在下降過程中更加平穩(wěn)。3） 采用減壓調(diào)壓回路，使得支路壓力可根據(jù)支路負載的壓力需求靈活調(diào)節(jié)，避免主油路過高的壓力對支路造成不必要的沖擊，延長油缸及機構(gòu)的使用壽命。4） 在支路P管設(shè)置高壓球閥及單向閥，T管設(shè)置單向閥，方便該回路控制系統(tǒng)的設(shè)備檢修，也可避免其他回路的壓力波動對該回路的影響。5） 創(chuàng)新性地利用溢流閥的溢流功能實現(xiàn)系統(tǒng)的過載回油功能，確保了機構(gòu)同鋼包下降隨動的動作要求。

5 新型鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)點

對比圖2所示的新型鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)和圖1所示的傳統(tǒng)設(shè)計，新型液壓控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。1） 采用O型中位機能的電磁換向閥代替Y型機能的電磁換向閥加液控單向閥的鎖緊回路，在滿足生產(chǎn)工況要求的情況下簡化了液壓控制系統(tǒng)，降低了設(shè)備制造成本及后期的維護成本，降低了系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2） 采用直動式減壓閥和直動式溢流閥替代原有的溢流減壓閥，將系統(tǒng)的減壓功能和溢流功能獨立開來，有效避免了結(jié)構(gòu)復雜、制造難度大、抗污染能力差、成本高的溢流減壓閥帶來的系統(tǒng)性問題，使系統(tǒng)能有效適應(yīng)連鑄中間包、鋼包熱輻射的惡劣的工況環(huán)境。3） 系統(tǒng)回路簡單，減壓閥和溢流閥的壓力可獨立調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)直觀，操作方便，降低了設(shè)備的維護難度。4）全部使用國產(chǎn)化液壓元件，為裝備國產(chǎn)化創(chuàng)造了有利條件，確保了關(guān)鍵技術(shù)不被國外公司卡脖子，為民族工業(yè)的發(fā)展壯大做出貢獻。

6 新型鋼包長水口操作裝置液壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用

柳鋼轉(zhuǎn)爐廠1#方坯連鑄機、1#板坯連鑄機、2#板坯連鑄機三臺鑄機均由中冶京誠設(shè)計院設(shè)計制造，鋼包長水口操作裝置采用半自動控制方式，通過人工旋轉(zhuǎn)長水口操作裝置的旋轉(zhuǎn)手輪實現(xiàn)鋼包長水口的更換。投產(chǎn)后，三臺連鑄機頻繁發(fā)生澆注過程中水口下落，鋼液飛濺，對設(shè)備及操作人員的人身安全造成巨大的威脅。水口下落后無法實現(xiàn)連鑄保護澆注，鋼液與空氣接觸發(fā)生二次氧化，影響鑄坯的質(zhì)量，制約高質(zhì)量鋼種的生產(chǎn)，嚴重時還會造成鑄機生產(chǎn)的中斷，造成巨大的經(jīng)濟損失。長水口操作裝置的支撐臂也經(jīng)常被鋼包壓彎，每年需要進行多次更換，備件需求量大，設(shè)備維護勞動強度大，成本高。

2020年2月，工程技術(shù)人員按圖2所示的思路對長水口操作裝置的液壓控制系統(tǒng)進行了改造，改造時所有液壓元件采用國產(chǎn)品牌，實現(xiàn)了系統(tǒng)的國產(chǎn)化，系統(tǒng)制造費用降低了50%，改造后的設(shè)備于2020年2月底投產(chǎn)使用。

改造后，1#方坯連鑄機、1#板坯連鑄機、2#板坯連鑄機連續(xù)運行24個月未發(fā)生澆注過程中水口下跌的設(shè)備故障，長水口操作裝置的支撐臂被鋼包壓彎的事故也得到了解決，未更換過長水口操作裝置的支撐臂。實現(xiàn)了連鑄全過程的保護澆注，提升了鑄坯的質(zhì)量，為高端鋼種的開發(fā)創(chuàng)造了條件。液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)到元件的全國產(chǎn)化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性得到了極大的提升，實現(xiàn)了系統(tǒng)的免維護，降低了系統(tǒng)的運行及維護成本，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)語

連鑄機鋼包長水口操作裝置長期受鋼包、中間包熔融鋼液的輻射，工作環(huán)境惡劣，設(shè)計時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境，在滿足其升、降及隨鋼包升降隨動并壓緊鋼包底部的工藝需求下，應(yīng)盡可能簡化液壓控制系統(tǒng)回路的設(shè)計，避免采用結(jié)構(gòu)復雜、抗污染能力差的液壓元件，以最簡化的回路、最簡單的元件，實現(xiàn)系統(tǒng)復雜的控制功能。提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，實現(xiàn)系統(tǒng)的全國產(chǎn)化，降低系統(tǒng)的運行、維護成本。