淺談軋鋼廠液壓系統的節能減排

王磊，毛召芝

(1.寶鋼股份厚板部，上海201901;2.中冶京誠工程技術有限公司軋鋼工程技術所，北京100176)

鋼鐵工業是國民經濟建設的基礎產業，同時也是高耗能產業，其能耗占全國總能耗的15%左右。然而，隨著我國國民經濟的高速發展，資源、能源的約束日益增強，國家下達的GDP 能耗約束指標日益受到各級政府的重視。在一些鋼鐵大省，鋼鐵行業一直是節能工作的重點和難點［1］。具體到軋鋼生產工序，除了優化軋制工藝外，軋制設備的優化設計和軋制液壓系統效率的提高也可以為企業的節能減排起到關鍵的作用。下面將通過對液壓系統的控制元件、執行元件、工作介質和輔助裝置等進行改進，以提高系統的能量利用率或提高系統的效率，從而達到液壓系統節能的目的［2］。

1 液壓系統動力裝置

1.1 液壓主泵的應用

軋鋼生產線的液壓系統動力裝置主要是指液壓泵組，該裝置類似于人體的心臟，是整個系統的動力來源處，同時也是系統的最關鍵的設備之一。目前軋鋼液壓系統用做動力源的主泵主要有柱塞泵和葉片泵，其主要區別是效率的高低，采用進口柱塞泵的效率可高達95%左右，國產柱塞泵的效率可達90%左右，采用葉片泵的效率則只有85%左右。例如:某厚板軋機AGC 高壓液壓系統主泵組的傳動電機的功率高達10 ×132 kW;某熱連軋軋機AGC 高壓液壓系統主泵組的傳動電機的功率高達7 ×160 kW;某酸軋機組的軋機低壓液壓系統主泵組的傳動電機的功率高達6 ×110 kW。顯而易見，采用不同的泵組輸送功率的差距可達近百千瓦。根據調研統計，目前國內大多數國有大中型企業在軋鋼生產線上為主要設備(例如軋機、剪機、矯直機等)的輸送液壓動力源的系統采用進口的柱塞泵，其他輔助設備采用國產柱塞泵作為動力源，這樣既保證了系統的穩定性和高效率，又能達到節能的目的。但是大部分民營企業在新建項目的時候出于建設投資資金的考慮，會盡量采用國產柱塞泵組和葉片泵，這樣節約了第一次的建設投資，但是會在影響機組作業率的同時增加運營成本，節能的效果相對較差。

1.2 蓄能器的應用

蓄能器是將壓力液體的液壓能轉換為勢能儲存起來，當系統需要時再由勢能轉化為液壓能而做功的容器。當蓄能器作為輔助動力源時，在液壓系統工作時能補充油量，減少液壓主泵供油，降低電機功率，減少液壓系統尺寸及質量，節約投資［3］。例如某鋼廠酸軋機組的液壓AGC 系統在正常軋制時，由于軋制壓下量相對AGC 缸行程較小，但是頻響高，所以在伺服系統上設置了蓄能器以實現高頻響軋制液壓油的快速進出;同時在進行輥縫的快速開閉時，如果設計的液壓站系統不考慮蓄能器將使泵的數量或者能力增加，從而使總的電機功率大幅增加30%～50%;所以綜合考慮，為系統設置6 ×60 L 的皮囊式蓄能器，通過合理匹配蓄能器參數和液壓泵參數，在保證系統各項功能要求的情況下，大幅減小液壓泵及原動機的容量，使系統能量得以合理應用，減少系統發熱和溫升，提高系統效率。目前，蓄能器作為輔助動力源已在各類液壓設備中得到了廣泛應用，成為實現液壓系統節能的重要技術手段之一［2］。

2 關鍵液壓閥的選用

液壓閥的能耗表現在工作時，會引起閥及其連接部位產生泄漏、內摩擦及發熱等，如溢流閥的溢流損失，以及設在液壓缸或馬達的回油路上的背壓閥的壓力損失等。

2.1 帶記憶功能的電磁換向閥的應用

在軋鋼生產線的一般場合，液壓缸或者液壓馬達的動作主要是雙向，所以電磁換向閥幾乎是應用最廣泛的液壓元件之一。盡管單個電磁換向閥的功耗較低(約30 W)但是其數量之多，也不容小視。例如在酸軋機組的軋機工作輥、中間輥以及支撐輥的鎖緊裝置等的液壓控制回路上采用帶定位器的電磁換向閥(俗稱帶“記憶”功能，即只需瞬間通電即完成換向開關動作后，閥芯位置無需一直長時間得電來保持)，從而保證線圈壽命長，在高低溫、防爆等場合有較高的安全性。

2.2 比例閥加壓力補償器的應用

從根本上講，比例控制就是使輸出與輸入之間保持線性關系，使執行元件(機構)的動作能隨著給定信號變化而準確、敏捷地反應。目前多數比例閥能滿足這樣的要求，但不少設備在使用中其執行機構的負載是不斷變化的(步進梁系統)，如果僅靠比例閥實現的流量控制來實現對變負載的速度控制，在開環回路中是很難實現的，閉環回路從理論上是可行的，但必須要求高速PLC 和配套的高頻響伺服比例閥或伺服閥［4］。通過和壓力補償器的配套使用，可以保證在負載壓力發生變化時系統或回路輸出流量的穩定。例如在某軋鋼生產線的步進梁行走機構中采用了比例換向閥與壓力補償器的設計形式，運行很平穩，運行一年來沒有發生過鋼卷傾翻等事故。在各種不帶壓力補償器的普通比例閥中，彈簧反饋型閥的流量分辨率為1∶20，電反饋型閥的流量分辨率為1∶100，而配置壓力補償器后這類閥的調節比可達到1∶300，且整個壓差變化范圍內的流量特性很好。所以壓力補償器與比例方向閥的結合提高了液壓系統控制精度，同時也是目前液壓控制系統中大力推廣的節能降耗技術之一。

3 冷卻與加熱裝置

由于軋鋼生產線的液壓站相對來說都屬于大中型，并且液壓油的溫度是整個系統工作穩定性的關鍵參數之一，所以軋鋼生產線的液壓站基本上都采用凈環水作為冷卻介質的循環冷卻裝置，同時在油箱上采用插入式的電加熱形式。

3.1 循環冷卻裝置

循環冷卻裝置一般設計為循環泵加冷卻器的結構形式。循環泵一般有齒輪泵和螺桿泵兩種形式，冷卻器一般有板式和管式兩種形式。由于螺桿泵和板式冷卻器的效率較高，所以一般采用螺桿泵和板式冷卻器作為循環冷卻裝置。根據經驗統計數據，冷卻器的功率一般為主泵組電機功率的30%左右。板式冷卻器的面積、流道模型設計、材質、板片厚度以及布置形式等對傳熱效率影響比較大，另外也要關注機組的冷卻介質的工藝情況。上述參數對系統的散熱冷卻效果至關重要。山東、河北某些地區處于鹽堿地帶，水質堿性偏高，容易產生結垢等不利于冷卻的現象。例如山東東部沿海地區某鋼廠的冷軋機組高壓AGC 液壓系統的油溫在生產運行一段時間后一直偏高，甚至在冬天此種現象也常有發生，并且該板式換熱器采用世界一流產品，材質為不銹鋼304，面積達到30 m2，夏天進水溫度最高低于30 ℃。在排除質量故障以及設計失誤后，拆除該換熱器時發現由于水質問題導致板片結垢現象嚴重，影響了熱交換效率，造成油溫一直居高不下，電能耗和冷卻水量增加，間接造成水處理的能耗提高。

3.2 加熱裝置

目前軋鋼生產線上液壓介質的加熱主要采用油箱插入式電加熱器。液壓介質的溫升也是整個系統能量消耗較大的一部分。而決定加熱能耗的因素主要有:電加熱器的功率、介質的黏度、輸送管路的大小及長度、油箱的容積及結構、油箱的保溫等。其中電加熱器的功率一般按照每立方米的容積配置1.5～2.0 kW即可。介質的黏度主要是考慮國內南北方的冬季溫差大，一般在北方的機組考慮黏度比南方要略低。而液壓站盡量布置在靠近流量最大的用戶點，并且有條件的北方用戶盡量將其布置在地下油庫，管徑的設計要盡量考慮富余量小，這樣除了減少設備投資還能減少熱量散發的面積。油箱的容積按照國家相關規范及設計經驗，一般取泵組最大工作流量的6～10 倍，但是基于目前的節能和綠色設計要求，油箱的容積在滿足生產的前提下盡量考慮倍數關系較小值;另外在北方地區盡量考慮方型結構形式，在南方地區則偏向于圓柱型結構形式。

4 其他工藝等因素

軋鋼生產線由于液壓執行機構(液壓缸和液壓馬達)眾多，所以液壓站的數量也比較分散。但是在設計的時候應盡量壓縮液壓站的數量，盡量將同類型、就近的液壓執行機構納入一個液壓系統中，這樣就會減少系統數量，使液壓系統的裝機容量下降。例如某酸軋機組和連續退火機組將帶鋼的糾偏裝置由原設計單獨的液壓站優化納入到機組入出口等其他液壓站中，到達了既不影響機組生產，也節能的效果。

在設計液壓系統時，要與生產線工藝及機械設備充分結合，了解工藝生產時序以及機械設備的功能和結構，充分考慮機組最大工藝參數在生產時的作業率(即耗量最大的用戶點的使用概率)，在做液壓系統設計時不設單獨常規的備用泵組，在機組最大工藝參數生產時投入備用泵。

軋鋼生產線的液壓系統大多數布置在地下油庫等單獨的空間，在生產過程中，液壓系統的裝機功率最終都轉化為熱量通過油箱、管路、元件等散發出去，所以地下油庫的通風就顯得尤為關鍵，特別是風量大小、風管的布置、通風口的設置等都對熱量的及時合理疏散影響很大。由于之前的軋鋼生產線特別是國有企業的機組，液壓系統主要是由外方做詳細設計甚至供貨，所以油庫的通風系統的基本數據由外方提供;而民營企業大多對地下油庫的通風關注較少。所以到目前機組大部分設備特別是液壓系統已經具備國產化的條件，通風系統這一以前不太關注但是對系統節能也很關鍵的因素也要詳細考慮周全。

另外系統的密封性能也是液壓系統節能減排的影響因素之一。隨著液壓系統設備長時間運轉，有些液壓元件、管件之間連接處的密封老化，導致出現泄漏，所以在設計的時候盡量選用錐密封，同時生產方要根據統計的經驗數據，盡量在密封等老化之前提前更換，做到提前預防，將跑、冒、滴、漏提前消除。

5 結束語

隨著國家十二五規劃對環境保護的日益重視，以及2013年下半年我國大部分地區特別是京津冀地區出現的持續霧霾天氣，鋼鐵行業作為“三高行業”，已經成為眾矢之的，所以鋼鐵行業的環保門檻越來越高，節能減排壓力越來越大。作為軋鋼生產線的液壓設備，根據粗略統計，裝機容量和固定投資基本上都占機組的10%左右，但是直到近兩年才在設計制造和生產維護的過程中關注其節能減排。文中從設計和生產維護的角度出發，對軋鋼生產線的液壓設備的節能減排點進行了細化和分析，希望為后續新建或改造項目以及現有生產線的維護，提供一些思路和方法。

［1］李輝，程繼軍，郜學，等.鋼鐵行業節能量定量分析模型的研究與應用［C］//第九屆中國鋼鐵年會論文集，2013:1-7.

［2］蘇欣平，楊鋼，肖匯，等.液壓系統節能的應用與發展［J］.流體傳動與控制，2011(2):61-63.

［3］成大先.機械設計手冊:第四卷［M］.4 版.北京:化學工業出版社，2002:17-686.

［4］楊殿寶.壓力補償器在液壓系統中的應用［J］.流體傳動與控制，2012(3):38-40.