棒材步进式加热炉出钢节奏液压系统的改进实践

李建宏

（山西通才工贸有限公司，山西 曲沃 043409）

1 液压式步进加热炉概述

液压式步进加热炉是钢铁企业轧钢生产的重要装备，它主要由步进梁、升降斜轨、固定梁和升降液压缸、平移液压缸等组成，通过步进梁的上升、前进、下降、后退的循环动作来完成钢坯在加热炉内的运动。步进梁的上升是通过升降液压缸做功实现，下降要平衡坯重和自重才能完成；平移液压缸用很小的力完成动梁的前进、后退。该棒材线采用的这种炉型，设计年产量100万t，工艺设备升级改造后年产量预计达到150万t。由于加热炉设计最大出钢能力没变，出钢节奏已经不能满足提产后的要钢需求，步进周期要求由原来最短周期36 s缩短到28 s以下，才能满足提产后的出钢速度，匹配整个轧钢系统产能提升。

1.1 加热炉设备技术要求

1）加热炉采用双轮斜轨式液压驱动步进机构，步进机构带有良好的升降和平移定心装置。

2）步进机构采用节能型液压系统，液压控制系统能实现钢坯轻托轻放，以减少钢坯对步进梁的撞击和氧化铁皮脱落。

3）为减轻钢坯加热黑印，步进梁交错布置。

4）加热炉采用复合炉体结构，加强绝热，减少炉体散热。

5）步进梁采用循环水冷却。

6）加热炉采用一级基础自动化，带物料跟踪功能。

1.2 步进梁的运动轨迹

步进梁的运动轨迹是一个矩形运动轨迹。步进梁运动由水平运动和垂直运动组成。水平运动和垂直运动的速度是变化的，其目的在于保证坯料以较低的速度接触固定梁和活动梁，减少对步进机构产生的冲击和震动。正常生产时步进梁停在低、后位。实际运行中，水平行程会有一定的误差，控制上采用每步补偿的方式，确保坯料准确的运行到悬臂辊上。

1.3 缩短步进梁循环步进周期

装料、步进输送、出钢设备的总合运动周期要求满足出钢节奏要求。提高出钢节奏，需要缩短步进梁循环步进周期，从以下几方面因素综合分析：提高升降液压缸和平移液压缸运动速度；从控制方面实现油缸增速-减速-停止的平缓运动,保证液压缸运动平稳；炉底设备钢结构强度与安装精度要能够与快速动作相匹配。

2 实施方案

2.1 液压系统介绍

原步进机构采用节能型的液压系统，配备恒压变量泵与比例阀以及配套的行程检测与控制装置，步进梁升、降、进、退及开始托起与放下钢坯时均需低速运行，实现“慢起慢停”、“轻托轻放”，以减少氧化铁皮脱落和避免由于撞击而使水冷梁的绝热层遭受破坏。步进梁的上下升降行程为200 mm，水平行程为250 mm，步进周期最短达到36 s。

液压系统配置情况，步进梁液压系统由动力系统、控制系统、循环系统三大部分组成。关键部件包括：6 m3不锈钢油箱；力士乐恒压变量柱塞泵4台，选用恒压变量泵能使系统在整个控制过程中实现无溢流工作，达到最佳节能效果，工作制三用一备，型号为A10VSO140DR/32R-PPB12N00，配套电机功率55 kW；出口采用精度10μm贺德克高压过滤器；升降液压缸控制阀主要采用力士乐电液比例方向阀，型号为4WRZE32W8-500-7X/6EG24EK31/A1D3M；比例阀配套压力补偿器型号为ZDC32P-2/M；循环部分采用2台螺杆泵，1台换热器和双筒循环过滤器；升降液压缸规格为2-Φ280×Φ180-710，平移液压缸规格为Φ200×Φ140-315；主要管径尺寸：站内高压主管道通径DN50，回油主管道通径DN80，升降液压缸A路和B路管径都为DN50，平移液压缸A路和B路管径都为DN25。

该液压系统整体设计相对比较科学合理，但是产能提升改造后，最短步进周期已不能满足生产需求。遵循节能降本设计改造原则，应在尽可能降低成本费用和节能环保基础上进行科学合理改造，既能满足生产节奏，又不会造成电能与设备投资的多余浪费。

2.2 提高液压缸运动速度原理分析

液压缸活塞运动速度公式：

式中：Q为油缸腔进油流量；A为有杆或无杆腔面积。

我们知道，液压缸两腔的面积是一定的，那么速度V与流量Q成正比，所以提高速度必须增加液压缸两腔的进出流量。

流量Q=流速×（管道内径×管道内径×π÷4），即：

1.4.2 捕食线虫真菌的捕器诱导 在体视显微镜10～100倍下，利用无菌牙签以无菌操作技术转接捕食线虫真菌单个分生孢子到留有约1 cm×1 cm观察室的直径60 mm CMA平板上，密封后置于26.5℃恒温箱中培养直至菌丝铺满观察室，然后在观察室中加入制备好的线虫悬液200条左右，放置于恒温箱中培养2～4 d，其间需用体视显微镜观察是否产生捕器及捕器类型，并及时记录结果。

式中：Q为流量，m3/h；D为管道内径，m；V为流体平均速度，m/s。

以上换算关系可推知，流量Q与管道内径D及流速V成正比关系。由此得出结论：提高液压缸运动速度方法是增大液压管径D和提高液压油流速V。

2.3 改造方案

1）液压系统管道流速V主要由液压泵输出能力决定。液压系统工作压力15 MPa，单台主泵额定流量Q=210 L/min，最大流量Qmax=308 L/min，工作制三用一备，液压站最大输出流量630～924 L/min，液压缸运动所需流量范围为400～800 L/min，从泵能力和节约电能降低成本角度考虑，能够满足液压缸运动流量和压力需求，无需变动。

2）增大整个液压介质的通道内径D。第一从站内开始，总供油管道由Φ63mm壁厚7mm增为Φ76mm壁厚8 mm，总回油管道由Φ89 mm壁厚4 mm增为Φ108 mm壁厚5 mm；第二步进梁升降液压缸比例阀组选择通径为DN32的比例换向阀，其最大流量值为1600 L/min，最大额定流量值为520 L/min；第三原步进梁平移液压缸比例阀组通径DN16，最大流量值460 L/min，额定流量最大值18 L/min；改造为通径为DN25的比例换向阀，最大流量87 L/min，额定流量最大值325 L/min；第四阀台到执行机构油缸管路加粗：平移液压缸供、回油管道由Φ34 mm壁厚4 mm增为Φ42 mm壁厚4 mm，升降液压缸供、回油管道由Φ60 mm壁厚6 mm增为Φ76 mm壁厚8 mm；第五升降液压缸进油口缩颈部位直径扩大，直径由Φ25 mm增为Φ38 mm。

采用升降油缸比例阀组与压力补偿器配套使用。

图1为改造后液压控制回路图，图1中所示部件22和23压力补偿器有良好的稳定压差。原步进式加热炉多采用比例方向阀的节流调速液压系统，通过改变比例方向阀输人信号的极性和大小，来改变液流的方向和流量大小，实现液压缸杆的伸缩和平稳的加减速运动。但在实际生产过程中，由于步进梁运送钢坯的数量、质量发生改变，亦即液压缸所承受负载发生改变，将造成比例阀两端压差的变化，进而影响通过阀口的流量，流量的不稳定性致使液压缸的运动速度不能与输人信号相匹配网,并会发生步进梁顿挫、抖动现象。压力补偿器的应用很好地解决了这一疑难问题。

图1 改造后液压控制回路图（mm）

如图1中所示部件17、18蓄能器的功能是将液压系统中的压力油储存起来，在需要时又重新放出。主要用途：

1）存贮能量，应急液压。蓄能器被广泛利用作辅助能源，与压力继电器组合使用，在间歇工作的场合，可作为辅助能源，实现液压泵的小型化并可节省能源。

2）吸收脉动，平稳系统。液压泵排出的液体都具有较大的脉动，这种脉动会使液压系统产生噪声、振动，并破坏系统的工作稳定性，在液压泵出口处使用蓄能器可以有效的衰减脉动，使装置平稳的工作。

3）吸收冲击，保护回路。在液压回路中，由于液压阀急速闭合而发生载荷剧变，这种剧变会产生很大的瞬间冲击压力会破坏管道、管接头或其它液压元件，并产生剧烈的振动和噪声，使用蓄能器可有效缓和冲击，保护液压装置。

4）热膨胀消减泄漏补偿。在压力控制的闭式回路中，使用蓄能器可有效的补偿温度降低、内部泄漏或外部泄漏而引起的压力降低，也可有效控制由于温度升高而引起的压力上升、从而使系统稳定的工作。

5）吸收振动，减振平衡。蓄能器中胶囊充满气体可起到气体弹簧的作用，可吸收升降缸步进梁设备的机械振动，保持运动的平稳性。

提速后机械机构动作加快，惯性冲量和振动增大，机械机构强度和安装精度要相应提高，所以对炉底步进梁机械结构进行加固，使得升降及横移等钢结构强度能够满足改造后快速动作要求。

3 使用效果

3.1 步进周期缩短，出钢节奏加快

改造后液压缸流量增加，运动速度提升，步进周期缩短了5～10 s，最快步进周期由原来36 s以上缩短到24～28 s，达到预计步进周期28 s以内的目标。无论是开轧时段还是正常过钢期间出钢节奏都能满足生产需求，而且还有提升空间，效果非常明显。从加热炉显示画面图2可以看出，比例阀开度为60%时，加热炉步进周期能够达到24 s。

图2 加热炉操作电脑显示画面

3.2 产量增加，效益提升

改造之前最快轧制速度93支/h，现在提高到100支钢/h以上，完全满足轧钢生产所需的出钢节奏，而且比例阀开度还留有余量。按每小时提高7支钢计算，每支钢2.40185 t，每小时提产16.8 t，每天提产400 t，每月提产1.2万t，每年增产达到15万t以上。

1）改造前液压系统缺点。步进梁下降时通过节流调速，重力势能全部转化为热能，导致液压系统生成大量的热，引起局部高温，为增加散热效果油箱体积增大、附件要增多，成本升高；油品劣化加剧出现析炭、粘度降低等，只能通过增加冷却器的冷却能力来保持液压系统的温度；泵的数量增多，投资成本高、能量消耗大；这些设备在下降过程中释放的大量“势能”均转化为热量浪费掉了。

2）增加蓄能器一项主要作用是能够回收部分势能，将钢坯与设备下降过程的重力能部分回收，并在上升过程中释放做功，不仅实现节能，而且减少热量转化，防止油温过热，油箱平均温度保持在33℃左右，较改造前平均温度43℃降低10℃左右。

4 结语

缩短加热炉步进周期液压系统改造方案有多种，而要综合考虑改造周期、节能环保、投资成本等多个因素，选用一种最为简单有效的科学方法尤为重要。通过上述改进，运行效果达到预期目标：周期缩短、出钢节奏加快、运行平稳、能耗不增加。本改造最大特点是在不增加液压泵组和阀组的前提条件下，达到提高生产节奏的目的，节约了电能和较低制造成本费用。