硅鐵電爐液壓系統介質異常消耗分析與改進

康宇涵，郭雄偉，聶大歡，牟金華

（內蒙古鄂爾多斯電力冶金集團股份有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016064）

1 前言

1.1 液壓傳動的優勢

在同等傳動功率下，液壓傳動裝置重量更輕、結構緊湊。輸出功率控制方面，液壓傳動的限制更小，可任意調節，調節裝置簡單，故障率低。液壓傳動的運動慣性小，支持頻繁和急速換向，輸出動能平穩，波動小。配合電磁閥元件，可支持DCS等自控系統實現完全自動化。

1.2 液壓系統在硅鐵冶煉裝備中的重要地位

功能上，液壓系統主要存在于電極把持系統、下料系統和爐門升降裝置中，作為動力輸出，主要可以實現電極的把持、電極壓放、電極升降、爐門升降、料管閘閥開閉等動作。言其重要，主要體現在了電極操作上。電極是硅鐵電爐供電系統中的末端輸出裝置，在冶煉生產中的作用是第一位的，其壓放量和電極工作端位置等工藝參數，直接影響著爐料坩堝區域做功情況、各相坩堝溝通情況、整體料層結構等。另外，電極把持系統發生故障，造成電極下滑、過度壓放等事故時，極易引發銅瓦打狐、電機殼打破、漏弧軟斷、破壞下把持吊掛等惡性后果。因此，保證液壓系統正常工作，并持續改進液壓系統裝備性能，才能為硅鐵生產工藝控制提供有力保障。

1.3 過度消耗的液壓系統維護費用

以鄂爾多斯市西金礦冶有限責任公司4×45MVA工程為例。在硅鐵產品成本構成當中，剔除工藝消耗品、安全物資、成套設備購置等費用以外，其余用于生產裝備日常檢修維護消耗的物料里，液壓系統維護費用占到了第一位。

如圖1所示，根據企業實際數據顯示：水乙二醇作為液壓系統介質，位居全部生產裝備日常維護消耗費用之首。外加油泵、油缸和管閥元件等其他屬于液壓系統的物料消耗，每年實際消耗約60萬元左右的維護費用于液壓系統中。然而，通過理論消耗測算與現場實地觀察可知，這樣的消耗，屬于嚴重的過度消耗。同時，液壓系統頻繁的發生故障，也為企業帶來損失和隱患。因此分析液壓系統故障原因，持續改進裝備性能，是迫切的和有必要的。

圖1 生產裝備日常檢修維護費用構成

1.4 45MVA 硅鐵電爐液壓系統基本結構

45MVA硅鐵電爐的液壓系統主要包含：核心部分、蓄能裝置、電極升降、上下抱閘、抱閘升降、壓力環波紋管、爐門升降、料管閘閥、鐘罩閥等部分。

2 實例分析

硅鐵電爐液壓系統屬于閉路系統，除去正常的揮發損失，和12個月的正常換油以外，全部屬于異常消耗。根據案例企業水乙二醇的異常補油記錄，如圖2所示，做 Pareto 分析可得，68.4%的異常消耗屬于系統管路爆裂（破損），導致帶壓的液壓介質急速消耗。而剩余的32.6%，是油缸、各接頭處的緩慢滲漏導致的液壓介質消耗。利用現場觀察、頭腦風暴、失效樹分析、C&E矩陣、FMEA等問題分析工具去分析，可以發現主要原因有以下幾點。

圖2 案例企業水乙二醇異常補油情況

（1）高壓油管選用不當。如壓力等級不足，或材質不適用。案例：壓力等級低，較工作壓力的預留余量不足，導致系統異常超壓時高壓油管爆裂噴油。或材質為非絕緣鋼絲編制的高壓油管，應用于絕緣不良的硅鐵電爐上，易發生油管鋼絲層連電發熱燒損橡膠管壁，導致油管爆裂噴油。

（2）各液壓元件間的連接方式不當。案例：選用軸向柱塞泵的用戶，因考慮該泵振動大的工作特點。當柱塞泵與下游第一個組件（如溢流集成塊）之間選用無縫焊管作為油管時，金屬管的低耐振性能極易導致油管焊口處因劇烈振動而崩開噴油。

（3）油管布局不合理。如兩個位置固定的組件間，連接過長的高壓油管。或油路處于高溫和易腐蝕性等惡劣環境內。案例：固定組件間，過長的高壓油管導致油管扭曲受傷，導致扭曲點易發生應力集中，造成油管破裂噴油。或遇到爐況異常，刺火頻繁時，料管高溫發紅，導致料管臨近的高壓油管燒損破裂噴油。

（4）電極上易發生連電打火區域的油管被打爛，造成介質泄漏。案例：供往下把持系統中壓力環波紋管的油管，管線長、保護套內空間小、管路密集，易發生將波紋管供油油管打爛，造成介質泄漏的事故。

（5）系統超壓。故障點可能為蓄能器故障或溢流集成塊故障。案例：當蓄能器氮氣壓力不足時，導致蓄能罐內氣體排空，活塞沖頂，造成系統壓力瞬間超壓，破壞油管噴油。

（6）高壓油管老化，未及時更換處理，最終導致油管爆裂造成泄露的。案例：料管閘板油管，工作環境較為惡劣，易受高溫影響提前老化，且數量龐大。按照實例企業4×45MVA 硅鐵電爐的13組料管為例，料管閘板油管共計210多路。因數量多和其他因素導致不能精確做預防性維護更換。案例企業每月平均發生3起料管油管爆裂事故，每起事故將造成平均3桶（200kg）的水乙二醇消耗，3桶水乙二醇折合人民幣約為6600元，而提前更換一根油管的費用僅為50元。

（7）密封材質或尺寸不合格。案例：電極抱閘Y性密封圈選用聚氨酯密封圈，導致聚氨酯快速被水乙二醇腐蝕，密封換新不久后再次開始滲漏。后更換為丁腈材質，但因供貨質量問題，發現新購密封圈比原有密封圈略小，尺寸偏差不超過 2mm。尺寸存在變差的密封圈，在安裝過程中就較為困難，在安裝之后很短時間內，便再次發生滲漏現象。

（8）易耗型油缸加工件加工精度不足。案例：油缸活塞桿表面未處理，或鍍層過薄，安裝后較短時間內便再次開始滲漏。導向套密封槽尺寸偏差僅在0.5以內的范圍時，就已經造成密封圈裝卡困難，且在投用后較短時間內由再次開始滲漏。

（9）已到壽命老化的密封不能及時更換。案例：在以往抱閘密封的更換中發現，換下來的密封50%以上都是老化嚴重造成的泄漏，少部分是材質不合適被腐蝕，或尺寸不合適被往復運動挫傷造成的介質泄漏。

（10）系統介質不清潔。案例：油路內介質不清潔，流入大力油缸（電極升降油缸）缸體內，卡入活塞與缸體縫隙間，和導向套與活塞桿間，在油缸運動時，將缸體內壁和活塞桿表面刮傷。由于刮痕過深，導致價值4萬元的缸體和活塞桿報廢換新。

3 改進措施

3.1 選用合適的電磁閥

如料管、鐘罩閥、爐門等閘閥開閉類油路，在失壓后，機械組件不會受其他動能影響，發生功能位置移動的，其電磁換向閥因選用為三位四通電磁閥。已經安裝為兩位四通閥的，也應及時更換。

如圖3所示，三位四通閥線圈未得到動作信號的情況下，其 P口是處于0位的，其出口A、B兩個方向均不帶壓。則閥臺下游管路中均無油壓，及時發生管路破損的，損失也幾乎可以忽略不計。

圖3 換向閥閥芯示意圖

3.2 合理選擇高壓油管材質和規格

因爐體絕緣不良，可能造成上把持系統連電，若選用鋼絲編織管，且非絕緣管頭的，可能造成鋼絲層連電發熱，燒損橡膠管壁，造成油管破損泄漏事故。因此，建議硅鐵電爐上把持系統、料管和爐門油缸等組件選用高壓樹脂絕緣油管。

3.3 恰當選擇連接方式，合理布局油路

類似于軸向柱塞泵之類的高振動液壓組件，在與其他組件對接時，該段的油路應采取高壓油管軟連接去替代硬連接，軟連接可以極大程度的吸收振動，降低事故率。而類似于下料管等易竄貨高溫的惡劣工作區域，選用高壓油管這樣不耐燒的油管就不合適了，應選用耐燒的金屬油管。合理布局油路也尤為重要：液壓泵站因選取在功能就近的位置，管路布局要緊湊，過度延長管線，只會增加事故率和維護量。并且，無縫焊管式金屬油管布線過長時，要嚴格做好固定工作，柱塞泵作為液壓能量源動力時，即使距離遠，來自油泵本身的振動消除了，但脈沖式的液壓能，也會造成硬連接油管的擺動，管線越長，擺動幅度越大，越容易將薄弱環節扭斷。因此增加管線的固定密度，是緩解慣性運動對管線傷害的必要手段。

3.4 改善液壓組件工作環境

金屬冶煉行業，高溫、高粉塵、高噪音等惡劣環境幾乎遍布整改生產功能位置，針對液壓系統部分，應采取各種手段來緩解不良環境因素對液壓組件的傷害。類似于爐門油缸、大力油缸、鐘罩閥油缸的活塞桿，受功能限制，基本長期處于活塞桿出桿狀態，活塞桿表面屬于液壓密封接觸面，在高溫、高粉塵環境中易受到損傷，最終導致液壓介質泄漏。所以，應使用防塵罩防護，減少惡劣環境對其的影響。三相電極，在電磁場交織作用下，產生密集且較為劇烈的振動現象時長發生。因此，安裝在電極把持平臺上的液壓組件和鋪設的管線，均應采用橡膠減振座等手段減振。

3.5 嚴格把關密封材質

采用水乙二醇作為液壓介質的企業，因嚴格禁止聚氨酯材質的密封材料流入廠內。低溫環境下的靜密封，和低溫環境下摩擦因數較低的動密封，推薦使用價格適中的丁腈密封。高溫環境和摩擦因數較高的場所推薦使用氟橡膠密封。超高溫環境，且對強度要求較高的環境，推薦選用價格略高但性能優良的聚四氟乙烯密封。

3.6 合理配置蓄能裝置

蓄能器，在硅鐵電爐液壓系統中，占到了舉足輕重的地位。它作為補償裝置，可以保障液壓能量輸出功率持續穩定。若發生故障時，極易造成系統超壓或失壓，從而引發油路爆裂介質滲漏、電機下滑、銅瓦打弧等惡性事故。因此，配置合適容量的蓄能器尤為重要。

以案例企業為例，如圖4所示，45MVA單臺硅鐵電爐，選用的蓄能裝置為活塞立式蓄能器，氮氣瓶五組，φ300×2100mm蓄能罐兩組，全部串聯。該蓄能裝置在歷史運行記錄中，略顯勉強。活塞沖頂、氮氣壓力不足導致的系統超壓和壓力不足時有發生。主要原因為補償容量和氮氣儲存量略小，一旦發生氮氣泄露或氮氣壓力不足時，在無人及時發現的情況下，便會造成對系統壓力的沖擊。為此，解決方式有兩種，其一為增加相同規格的蓄能罐1組合氮氣瓶3組。其二為蓄能罐體積擴大，并補加氮氣瓶容量。兩種手段的目標一致，就是保證充足的補償容量。足夠的蓄能體積才能儲存足夠的壓縮空間，從而才有充足的補償容量。大補償容量的蓄能裝置，可以延長氮氣重裝維護周期。足夠的活塞行程，足以應對大力油缸（電極升降油缸）運動等大規模系統壓力波動。因此，選用足量的蓄能裝置不僅可以穩定系統壓力，降低油路和液壓組件事故率，同時也降低了對電極工藝操作的限制，其次是未來穩定液壓驅動功率輸出，實現高度自動化的必要條件。

圖4 蓄能器原理圖

4 結語

大型硅鐵電爐液壓系統維護費用不容小視，重視并改善液壓系統維護的異常消耗是有必要且迫切的。對電磁閥、油管材質、密封材質、連接方式進行合理選型，對液壓管線和組件進行合理布局，可以為液壓介質的異常消耗起到改善作用。在案例企業實踐證明，改善效果明顯，每年可節約液壓系統維護成本25萬元。電磁閥、液壓閥、液壓集成塊的持續改進尤為迫切，是未來實現液壓驅動全自動化的決定性因素。

蓄能器寧大不可小，保證蓄能補償容量充足，不僅可以穩定系統壓力，同時可以釋放生產操作約束，自由靈活的操作電極，達到及時調整爐況的效果。