棒材步進式加熱爐出鋼節奏液壓系統的改進實踐

李建宏

（山西通才工貿有限公司，山西 曲沃 043409）

1 液壓式步進加熱爐概述

液壓式步進加熱爐是鋼鐵企業軋鋼生產的重要裝備，它主要由步進梁、升降斜軌、固定梁和升降液壓缸、平移液壓缸等組成，通過步進梁的上升、前進、下降、后退的循環動作來完成鋼坯在加熱爐內的運動。步進梁的上升是通過升降液壓缸做功實現，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梁的前進、后退。該棒材線采用的這種爐型，設計年產量100萬t，工藝設備升級改造后年產量預計達到150萬t。由于加熱爐設計最大出鋼能力沒變，出鋼節奏已經不能滿足提產后的要鋼需求，步進周期要求由原來最短周期36 s縮短到28 s以下，才能滿足提產后的出鋼速度，匹配整個軋鋼系統產能提升。

1.1 加熱爐設備技術要求

1）加熱爐采用雙輪斜軌式液壓驅動步進機構，步進機構帶有良好的升降和平移定心裝置。

2）步進機構采用節能型液壓系統，液壓控制系統能實現鋼坯輕托輕放，以減少鋼坯對步進梁的撞擊和氧化鐵皮脫落。

3）為減輕鋼坯加熱黑印，步進梁交錯布置。

4）加熱爐采用復合爐體結構，加強絕熱，減少爐體散熱。

5）步進梁采用循環水冷卻。

6）加熱爐采用一級基礎自動化，帶物料跟蹤功能。

1.2 步進梁的運動軌跡

步進梁的運動軌跡是一個矩形運動軌跡。步進梁運動由水平運動和垂直運動組成。水平運動和垂直運動的速度是變化的，其目的在于保證坯料以較低的速度接觸固定梁和活動梁，減少對步進機構產生的沖擊和震動。正常生產時步進梁停在低、后位。實際運行中，水平行程會有一定的誤差，控制上采用每步補償的方式，確保坯料準確的運行到懸臂輥上。

1.3 縮短步進梁循環步進周期

裝料、步進輸送、出鋼設備的總合運動周期要求滿足出鋼節奏要求。提高出鋼節奏，需要縮短步進梁循環步進周期，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動速度；從控制方面實現油缸增速-減速-停止的平緩運動,保證液壓缸運動平穩；爐底設備鋼結構強度與安裝精度要能夠與快速動作相匹配。

2 實施方案

2.1 液壓系統介紹

原步進機構采用節能型的液壓系統，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，步進梁升、降、進、退及開始托起與放下鋼坯時均需低速運行，實現“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。步進梁的上下升降行程為200 mm，水平行程為250 mm，步進周期最短達到36 s。

液壓系統配置情況，步進梁液壓系統由動力系統、控制系統、循環系統三大部分組成。關鍵部件包括：6 m3不銹鋼油箱；力士樂恒壓變量柱塞泵4臺，選用恒壓變量泵能使系統在整個控制過程中實現無溢流工作，達到最佳節能效果，工作制三用一備，型號為A10VSO140DR/32R-PPB12N00，配套電機功率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，型號為4WRZE32W8-500-7X/6EG24EK31/A1D3M；比例閥配套壓力補償器型號為ZDC32P-2/M；循環部分采用2臺螺桿泵，1臺換熱器和雙筒循環過濾器；升降液壓缸規格為2-Φ280×Φ180-710，平移液壓缸規格為Φ200×Φ140-315；主要管徑尺寸：站內高壓主管道通徑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。

該液壓系統整體設計相對比較科學合理，但是產能提升改造后，最短步進周期已不能滿足生產需求。遵循節能降本設計改造原則，應在盡可能降低成本費用和節能環保基礎上進行科學合理改造，既能滿足生產節奏，又不會造成電能與設備投資的多余浪費。

2.2 提高液壓缸運動速度原理分析

液壓缸活塞運動速度公式：

式中：Q為油缸腔進油流量；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出流量。

流量Q=流速×（管道內徑×管道內徑×π÷4），即：

1.4.2 捕食線蟲真菌的捕器誘導 在體視顯微鏡10～100倍下，利用無菌牙簽以無菌操作技術轉接捕食線蟲真菌單個分生孢子到留有約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2～4 d，其間需用體視顯微鏡觀察是否產生捕器及捕器類型，并及時記錄結果。

式中：Q為流量，m3/h；D為管道內徑，m；V為流體平均速度，m/s。

以上換算關系可推知，流量Q與管道內徑D及流速V成正比關系。由此得出結論：提高液壓缸運動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）液壓系統管道流速V主要由液壓泵輸出能力決定。液壓系統工作壓力15 MPa，單臺主泵額定流量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，液壓缸運動所需流量范圍為400～800 L/min，從泵能力和節約電能降低成本角度考慮，能夠滿足液壓缸運動流量和壓力需求，無需變動。

2）增大整個液壓介質的通道內徑D。第一從站內開始，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；第四閥臺到執行機構油缸管路加粗：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；第五升降液壓缸進油口縮頸部位直徑擴大，直徑由Φ25 mm增為Φ38 mm。

采用升降油缸比例閥組與壓力補償器配套使用。

圖1為改造后液壓控制回路圖，圖1中所示部件22和23壓力補償器有良好的穩定壓差。原步進式加熱爐多采用比例方向閥的節流調速液壓系統，通過改變比例方向閥輸人信號的極性和大小，來改變液流的方向和流量大小，實現液壓缸桿的伸縮和平穩的加減速運動。但在實際生產過程中，由于步進梁運送鋼坯的數量、質量發生改變，亦即液壓缸所承受負載發生改變，將造成比例閥兩端壓差的變化，進而影響通過閥口的流量，流量的不穩定性致使液壓缸的運動速度不能與輸人信號相匹配網,并會發生步進梁頓挫、抖動現象。壓力補償器的應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中的壓力油儲存起來，在需要時又重新放出。主要用途：

1）存貯能量，應急液壓。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，實現液壓泵的小型化并可節省能源。

2）吸收脈動，平穩系統。液壓泵排出的液體都具有較大的脈動，這種脈動會使液壓系統產生噪聲、振動，并破壞系統的工作穩定性，在液壓泵出口處使用蓄能器可以有效的衰減脈動，使裝置平穩的工作。

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

4）熱膨脹消減泄漏補償。在壓力控制的閉式回路中，使用蓄能器可有效的補償溫度降低、內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、從而使系統穩定的工作。

5）吸收振動，減振平衡。蓄能器中膠囊充滿氣體可起到氣體彈簧的作用，可吸收升降缸步進梁設備的機械振動，保持運動的平穩性。

提速后機械機構動作加快，慣性沖量和振動增大，機械機構強度和安裝精度要相應提高，所以對爐底步進梁機械結構進行加固，使得升降及橫移等鋼結構強度能夠滿足改造后快速動作要求。

3 使用效果

3.1 步進周期縮短，出鋼節奏加快

改造后液壓缸流量增加，運動速度提升，步進周期縮短了5～10 s，最快步進周期由原來36 s以上縮短到24～28 s，達到預計步進周期28 s以內的目標。無論是開軋時段還是正常過鋼期間出鋼節奏都能滿足生產需求，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，加熱爐步進周期能夠達到24 s。

圖2 加熱爐操作電腦顯示畫面

3.2 產量增加，效益提升

改造之前最快軋制速度93支/h，現在提高到100支鋼/h以上，完全滿足軋鋼生產所需的出鋼節奏，而且比例閥開度還留有余量。按每小時提高7支鋼計算，每支鋼2.40185 t，每小時提產16.8 t，每天提產400 t，每月提產1.2萬t，每年增產達到15萬t以上。

1）改造前液壓系統缺點。步進梁下降時通過節流調速，重力勢能全部轉化為熱能，導致液壓系統生成大量的熱，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的溫度；泵的數量增多，投資成本高、能量消耗大；這些設備在下降過程中釋放的大量“勢能”均轉化為熱量浪費掉了。

2）增加蓄能器一項主要作用是能夠回收部分勢能，將鋼坯與設備下降過程的重力能部分回收，并在上升過程中釋放做功，不僅實現節能，而且減少熱量轉化，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 結語

縮短加熱爐步進周期液壓系統改造方案有多種，而要綜合考慮改造周期、節能環保、投資成本等多個因素，選用一種最為簡單有效的科學方法尤為重要。通過上述改進，運行效果達到預期目標：周期縮短、出鋼節奏加快、運行平穩、能耗不增加。本改造最大特點是在不增加液壓泵組和閥組的前提條件下，達到提高生產節奏的目的，節約了電能和較低制造成本費用。