浅谈轧钢厂液压系统的节能减排

王磊，毛召芝

(1.宝钢股份厚板部，上海201901;2.中冶京诚工程技术有限公司轧钢工程技术所，北京100176)

钢铁工业是国民经济建设的基础产业，同时也是高耗能产业，其能耗占全国总能耗的15%左右。然而，随着我国国民经济的高速发展，资源、能源的约束日益增强，国家下达的GDP 能耗约束指标日益受到各级政府的重视。在一些钢铁大省，钢铁行业一直是节能工作的重点和难点［1］。具体到轧钢生产工序，除了优化轧制工艺外，轧制设备的优化设计和轧制液压系统效率的提高也可以为企业的节能减排起到关键的作用。下面将通过对液压系统的控制元件、执行元件、工作介质和辅助装置等进行改进，以提高系统的能量利用率或提高系统的效率，从而达到液压系统节能的目的［2］。

1 液压系统动力装置

1.1 液压主泵的应用

轧钢生产线的液压系统动力装置主要是指液压泵组，该装置类似于人体的心脏，是整个系统的动力来源处，同时也是系统的最关键的设备之一。目前轧钢液压系统用做动力源的主泵主要有柱塞泵和叶片泵，其主要区别是效率的高低，采用进口柱塞泵的效率可高达95%左右，国产柱塞泵的效率可达90%左右，采用叶片泵的效率则只有85%左右。例如:某厚板轧机AGC 高压液压系统主泵组的传动电机的功率高达10 ×132 kW;某热连轧轧机AGC 高压液压系统主泵组的传动电机的功率高达7 ×160 kW;某酸轧机组的轧机低压液压系统主泵组的传动电机的功率高达6 ×110 kW。显而易见，采用不同的泵组输送功率的差距可达近百千瓦。根据调研统计，目前国内大多数国有大中型企业在轧钢生产线上为主要设备(例如轧机、剪机、矫直机等)的输送液压动力源的系统采用进口的柱塞泵，其他辅助设备采用国产柱塞泵作为动力源，这样既保证了系统的稳定性和高效率，又能达到节能的目的。但是大部分民营企业在新建项目的时候出于建设投资资金的考虑，会尽量采用国产柱塞泵组和叶片泵，这样节约了第一次的建设投资，但是会在影响机组作业率的同时增加运营成本，节能的效果相对较差。

1.2 蓄能器的应用

蓄能器是将压力液体的液压能转换为势能储存起来，当系统需要时再由势能转化为液压能而做功的容器。当蓄能器作为辅助动力源时，在液压系统工作时能补充油量，减少液压主泵供油，降低电机功率，减少液压系统尺寸及质量，节约投资［3］。例如某钢厂酸轧机组的液压AGC 系统在正常轧制时，由于轧制压下量相对AGC 缸行程较小，但是频响高，所以在伺服系统上设置了蓄能器以实现高频响轧制液压油的快速进出;同时在进行辊缝的快速开闭时，如果设计的液压站系统不考虑蓄能器将使泵的数量或者能力增加，从而使总的电机功率大幅增加30%～50%;所以综合考虑，为系统设置6 ×60 L 的皮囊式蓄能器，通过合理匹配蓄能器参数和液压泵参数，在保证系统各项功能要求的情况下，大幅减小液压泵及原动机的容量，使系统能量得以合理应用，减少系统发热和温升，提高系统效率。目前，蓄能器作为辅助动力源已在各类液压设备中得到了广泛应用，成为实现液压系统节能的重要技术手段之一［2］。

2 关键液压阀的选用

液压阀的能耗表现在工作时，会引起阀及其连接部位产生泄漏、内摩擦及发热等，如溢流阀的溢流损失，以及设在液压缸或马达的回油路上的背压阀的压力损失等。

2.1 带记忆功能的电磁换向阀的应用

在轧钢生产线的一般场合，液压缸或者液压马达的动作主要是双向，所以电磁换向阀几乎是应用最广泛的液压元件之一。尽管单个电磁换向阀的功耗较低(约30 W)但是其数量之多，也不容小视。例如在酸轧机组的轧机工作辊、中间辊以及支撑辊的锁紧装置等的液压控制回路上采用带定位器的电磁换向阀(俗称带“记忆”功能，即只需瞬间通电即完成换向开关动作后，阀芯位置无需一直长时间得电来保持)，从而保证线圈寿命长，在高低温、防爆等场合有较高的安全性。

2.2 比例阀加压力补偿器的应用

从根本上讲，比例控制就是使输出与输入之间保持线性关系，使执行元件(机构)的动作能随着给定信号变化而准确、敏捷地反应。目前多数比例阀能满足这样的要求，但不少设备在使用中其执行机构的负载是不断变化的(步进梁系统)，如果仅靠比例阀实现的流量控制来实现对变负载的速度控制，在开环回路中是很难实现的，闭环回路从理论上是可行的，但必须要求高速PLC 和配套的高频响伺服比例阀或伺服阀［4］。通过和压力补偿器的配套使用，可以保证在负载压力发生变化时系统或回路输出流量的稳定。例如在某轧钢生产线的步进梁行走机构中采用了比例换向阀与压力补偿器的设计形式，运行很平稳，运行一年来没有发生过钢卷倾翻等事故。在各种不带压力补偿器的普通比例阀中，弹簧反馈型阀的流量分辨率为1∶20，电反馈型阀的流量分辨率为1∶100，而配置压力补偿器后这类阀的调节比可达到1∶300，且整个压差变化范围内的流量特性很好。所以压力补偿器与比例方向阀的结合提高了液压系统控制精度，同时也是目前液压控制系统中大力推广的节能降耗技术之一。

3 冷却与加热装置

由于轧钢生产线的液压站相对来说都属于大中型，并且液压油的温度是整个系统工作稳定性的关键参数之一，所以轧钢生产线的液压站基本上都采用净环水作为冷却介质的循环冷却装置，同时在油箱上采用插入式的电加热形式。

3.1 循环冷却装置

循环冷却装置一般设计为循环泵加冷却器的结构形式。循环泵一般有齿轮泵和螺杆泵两种形式，冷却器一般有板式和管式两种形式。由于螺杆泵和板式冷却器的效率较高，所以一般采用螺杆泵和板式冷却器作为循环冷却装置。根据经验统计数据，冷却器的功率一般为主泵组电机功率的30%左右。板式冷却器的面积、流道模型设计、材质、板片厚度以及布置形式等对传热效率影响比较大，另外也要关注机组的冷却介质的工艺情况。上述参数对系统的散热冷却效果至关重要。山东、河北某些地区处于盐碱地带，水质碱性偏高，容易产生结垢等不利于冷却的现象。例如山东东部沿海地区某钢厂的冷轧机组高压AGC 液压系统的油温在生产运行一段时间后一直偏高，甚至在冬天此种现象也常有发生，并且该板式换热器采用世界一流产品，材质为不锈钢304，面积达到30 m2，夏天进水温度最高低于30 ℃。在排除质量故障以及设计失误后，拆除该换热器时发现由于水质问题导致板片结垢现象严重，影响了热交换效率，造成油温一直居高不下，电能耗和冷却水量增加，间接造成水处理的能耗提高。

3.2 加热装置

目前轧钢生产线上液压介质的加热主要采用油箱插入式电加热器。液压介质的温升也是整个系统能量消耗较大的一部分。而决定加热能耗的因素主要有:电加热器的功率、介质的黏度、输送管路的大小及长度、油箱的容积及结构、油箱的保温等。其中电加热器的功率一般按照每立方米的容积配置1.5～2.0 kW即可。介质的黏度主要是考虑国内南北方的冬季温差大，一般在北方的机组考虑黏度比南方要略低。而液压站尽量布置在靠近流量最大的用户点，并且有条件的北方用户尽量将其布置在地下油库，管径的设计要尽量考虑富余量小，这样除了减少设备投资还能减少热量散发的面积。油箱的容积按照国家相关规范及设计经验，一般取泵组最大工作流量的6～10 倍，但是基于目前的节能和绿色设计要求，油箱的容积在满足生产的前提下尽量考虑倍数关系较小值;另外在北方地区尽量考虑方型结构形式，在南方地区则偏向于圆柱型结构形式。

4 其他工艺等因素

轧钢生产线由于液压执行机构(液压缸和液压马达)众多，所以液压站的数量也比较分散。但是在设计的时候应尽量压缩液压站的数量，尽量将同类型、就近的液压执行机构纳入一个液压系统中，这样就会减少系统数量，使液压系统的装机容量下降。例如某酸轧机组和连续退火机组将带钢的纠偏装置由原设计单独的液压站优化纳入到机组入出口等其他液压站中，到达了既不影响机组生产，也节能的效果。

在设计液压系统时，要与生产线工艺及机械设备充分结合，了解工艺生产时序以及机械设备的功能和结构，充分考虑机组最大工艺参数在生产时的作业率(即耗量最大的用户点的使用概率)，在做液压系统设计时不设单独常规的备用泵组，在机组最大工艺参数生产时投入备用泵。

轧钢生产线的液压系统大多数布置在地下油库等单独的空间，在生产过程中，液压系统的装机功率最终都转化为热量通过油箱、管路、元件等散发出去，所以地下油库的通风就显得尤为关键，特别是风量大小、风管的布置、通风口的设置等都对热量的及时合理疏散影响很大。由于之前的轧钢生产线特别是国有企业的机组，液压系统主要是由外方做详细设计甚至供货，所以油库的通风系统的基本数据由外方提供;而民营企业大多对地下油库的通风关注较少。所以到目前机组大部分设备特别是液压系统已经具备国产化的条件，通风系统这一以前不太关注但是对系统节能也很关键的因素也要详细考虑周全。

另外系统的密封性能也是液压系统节能减排的影响因素之一。随着液压系统设备长时间运转，有些液压元件、管件之间连接处的密封老化，导致出现泄漏，所以在设计的时候尽量选用锥密封，同时生产方要根据统计的经验数据，尽量在密封等老化之前提前更换，做到提前预防，将跑、冒、滴、漏提前消除。

5 结束语

随着国家十二五规划对环境保护的日益重视，以及2013年下半年我国大部分地区特别是京津冀地区出现的持续雾霾天气，钢铁行业作为“三高行业”，已经成为众矢之的，所以钢铁行业的环保门槛越来越高，节能减排压力越来越大。作为轧钢生产线的液压设备，根据粗略统计，装机容量和固定投资基本上都占机组的10%左右，但是直到近两年才在设计制造和生产维护的过程中关注其节能减排。文中从设计和生产维护的角度出发，对轧钢生产线的液压设备的节能减排点进行了细化和分析，希望为后续新建或改造项目以及现有生产线的维护，提供一些思路和方法。

［1］李辉，程继军，郜学，等.钢铁行业节能量定量分析模型的研究与应用［C］//第九届中国钢铁年会论文集，2013:1-7.

［2］苏欣平，杨钢，肖汇，等.液压系统节能的应用与发展［J］.流体传动与控制，2011(2):61-63.

［3］成大先.机械设计手册:第四卷［M］.4 版.北京:化学工业出版社，2002:17-686.

［4］杨殿宝.压力补偿器在液压系统中的应用［J］.流体传动与控制，2012(3):38-40.