高炉炉前液压系统远程控制技术研究

同国庆，回广振，向以成，宗立杏

(中钢集团西安重机有限公司，陕西 西安 710201)

0 前言

炉前设备用于高炉冶炼中的出铁作业，包括机械设备和控制设备两个部分。机械设备有堵口设备液压泥炮、开口设备液压开口机、铁钩覆盖设备液压揭盖机，统称炉前三机。控制设备包含液压系统和电控系统[1]。液压系统为炉前三机中的执行机构液压缸，液压马达提供液压动力，电控系统控制液压泵，液压阀驱动炉前三机实现开堵口作业，液压阀台及电控系统配置决定炉前操作模式，其主要操作方式有手动阀操作、电控按钮手柄操作、远程遥控操作、HMI控制画面操作四种。全自动PLC程序控制在技术上已经实现[2]，但因炉前作业工况复杂多变、安全要求高等因素未能普遍使用，数据较少。

1 炉前电液技术的发展

随着我国钢铁工业的成熟和发展，炉前电液技术经历了气动控制[3]、手动阀控制、电动控制、遥控控制的发展过程，目前正在向全自动控制发展。在我国钢铁行业高速发展期，各大钢铁公司采用最为普遍的是手动阀控制技术，该类产品以其结构简单、故障率低、费用小的优点备受中小型高炉市场青睐。但随着绿色无尘冶炼的兴起，炉前设备采用封闭作业已经成为主流趋势，手动阀控制技术因操作位置固定，视线受阻，安全性降低，已无法满足高炉出铁作业控制要求。同时为了提升高炉利用系数，出铁作业向短流程、高频次发展，原有的300 t泥炮正在被400 t和500 t泥炮替代，350 J凿岩机正在被450 J和500 J凿岩机取代[4-5]。早期的手动阀台存在液压压力低、流量小和无法远程操作的问题，产品面临着升级的市场需求。

2 炉前电液遥控技术

国内钢铁公司炉前采用的主流炉前三机均为液压驱动，其执行元件包含液压缸、液压马达、凿岩机，其阀台工作原理如图1所示。炉前设备的作业由液压泵站系统提供动力，由液压阀台中的手动阀手柄进行设备操作控制[6]。本文主要针对此类产品的遥控升级进行研究，中钢西重共设计了四种产品，分别是手自一体液压阀台、电动阀台、并联阀台、双回路阀台。四种产品适合800～5 000 m3高炉炉前遥控升级改造使用，可以满足不同的工况和用户的操作需求。

图1 手动阀台原理图

2.1 手自一体液压阀台

流量及压力可以满足使用，手动阀操作效果良好的炉前液压阀台，可以采用手自一体阀台进行遥控升级。升级方法是将原有的手动阀台中的手动换向阀更换，使用同等规格的手自一体换向阀，更换把合螺栓，铺设电缆线槽及端子箱，液压阀块中其他控制阀和控制油路保持不变，新增PLC控制系统和遥控器，并连接原有电控动力柜，将手自一体阀的控制电磁铁接入PLC控制系统，通过遥控器、PLC控制系统、手自一体阀实现炉前设备的远程操作控制。手自一体阀保留有操作手柄，因此该产品可同时实现液压阀手柄操作和遥控远程操作的功能。

2.2 电动阀台控制

为了彻底解决早期液压阀台在压力流量和操作控制中的不足，中钢西重设计了电动液压阀台产品进行高炉炉前遥控升级，方法是将原有的手动阀台拆除，更换全新设计的电动阀台，电动阀台采用电磁换向阀对炉前三机进行动作控制，泥炮旋转、小车送进、开口机回转等关键动作采用比例换向阀进行精确控制[7]，同时增加PLC控制柜、电控操作台、遥控器，配置打泥量和开口深度检测系统，可实现遥控操作、电控操作台操作、HMI三种操作模式[8]，应急及检修状态下采用电控操作台对炉前设备所有动作进行操作，每个铁口配备一套电动阀台，施工时需重新连接阀台管道，新制电动阀台的管道接口及走向可根据原手动阀台进行设计，其阀台工作原理如图2所示。

图2 电动阀台原理图

2.3 并联阀台控制

对于需要保留原手动阀台的钢铁公司，中钢西重设计了并联阀台控制产品。并联阀台控制为两个阀台独立控制，升级方法是在原有的手动阀台操作室内新增一套电动阀台，电动阀台采用电磁换向阀和比例阀对炉前三机各动作进行控制，安装时将油源管路及阀台出口AB管路和原手动阀台进行并联，两套阀台中间管道采用独立的阀门进行切断，同时增加PLC控制柜、电控操作台、遥控器[9]，配置打泥量和开口深度检测系统接入电动阀台，实现设备的远程遥控操作。全新设计电动阀台的压力和流量，满足新的炉前设备使用要求，原手动阀台增加保压功能，两套阀台采用一用一备的工作方式，均可独立控制炉前三机，并联阀台产品具有手动阀操作、电控操作台操作、遥控器操作、HMI四种操作方式。

2.4 双回路阀台控制

中钢西重在炉前遥控升级中也设计了双回路阀台控制产品。双回路阀台为一个阀台两种控制回路，配置有手动阀和电动阀，同时全面提升液压阀台性能。升级方法是将原有的手动阀台拆除更换为全新设计生产的双回路阀台，其中一路采用手动换向阀控制，一路采用电磁换向阀或比例换向阀控制，所有回路均根据升级后的炉前设备压力和流量进行计算设计[10]。为了便于布管和安装，阀台中手动和电动两个回路一般相邻布置，安装时只需用新阀台替换旧阀台，连接对应管道接口即可。同时增加PLC控制柜、电控操作台、遥控器，配置打泥量和开口深度检测系统接入双回路阀台，双回路阀台产品可实现手动阀操作、电控操作台操作、遥控器操作、HMI四种操作方式。

3 炉前遥控升级技术分析

3.1 手自一体液压阀台技术分析

手自一体升级方案在中小型高炉中使用比较普遍，具有施工周期短，费用小，无需液压管道及基础改造，不易对液压系统造成污染的优点。手自一体阀采用了电磁岛阀驱动手动阀芯的设计，同时具备主阀芯手柄驱动功能和电磁岛阀驱动主阀芯动作的功能，可最大限度地保留原液压阀台的性能和操作方式。但该产品也存在诸多缺点，例如无法采用比例换向阀，难以实现炉前设备的精准控制，遥控操作时阀芯只有关闭和开启两种状态，流量不可调导致冲击较大，设备故障率偏高，属于不完全升级产品，阀台的压力和流量没有提升，无法满足泥炮和凿岩机的升级需求。同时手自一体阀为非标液压元件，多为中小公司产品，质量参差不齐，尤其是大通径手自一体阀存在遥控或电控操作时手动阀手柄也会随之动作的缺点，具有一定的安全风险。

3.2 电动阀台控制技术分析

采用电动阀台替换手动阀台的升级方案，可根据设备的控制需求，设计制造全新的液压阀台，可采用电磁换向阀进行控制，也可采用比例换向阀对开堵口动作进行精准控制。通过比例阀实现设备运行时的多种速度，可较大程度地减少开堵口机的冲击，降低设备故障率，通过自动速度连续控制也可减少开口时钻杆的损耗，电动阀台可满足泥炮及开口机升级后的压力和流量需求，可实现电控操作台、遥控器、HMI三种操作方式，属于大型高炉中普遍使用的成熟技术[11]。该产品的主要缺点是无手动阀操作，对于中小型高炉手动阀台的操作人员，存在操作不习惯的情况，主要问题在于手动阀手柄和遥控器的操作力度和操作手法差异较大，但在培训及熟练使用后，该情况可以得到有效改善。

3.3 并联阀台控制技术分析

并联阀台采用两个液压阀台。升级时保留了原有的手动阀台，新设计了电动阀台，两阀台并联使用同时控制炉前开堵口设备。新增阀台可以使用电磁换向阀控制，也可以使用比例换向阀进行速度连续控制。新增阀台可满足泥炮及凿岩机的升级需求，手动阀台保持不变，该产品正常作业时使用遥控操作，遥控故障时采用电控操作台操作[12]，紧急状态下采用原有的手动阀台操作。该产品具有操作方式多样，使用便捷，作业安全性高等优点，存在的主要缺点是液压管路复杂，基础施工多，液压系统易产生污染，对炉前阀台操作室内的安装空间要求较高，升级成本高，同时因采用并联系统，新旧阀台的液压回路匹配性较差，往往对手动阀台也需要进行升级，在使用过程中该产品也存在备件消耗量大和故障率高的缺点，尤其是在溜炮、液压阀内泄、液压阀堵塞等故障时，排查问题比较困难。

3.4 双回路阀台控制技术分析

双回路阀台采用一个液压阀台，阀台中每个设备动作设计双液压回路进行控制，每个回路均按照升级后的泥炮和凿岩机压力流量进行设计，电动回路可以采用比例换向阀进行速度连续控制，手动回路采用手动阀操作功能，具有操作多样、安全性高、液压回路匹配性好的优点。和新旧并联阀台产品比较，双回路阀台一体式产品节省了安装空间，节省了阀台之间管道的铺设和施工，减少了施工量和施工时间，减少了液压系统的污染问题。但双回路阀台体积较大，存在设备成本高、液压回路复杂、备件及维护成本高的缺点。

4 结束语

随着炉前无线遥控技术不断成熟，炉前远程遥控操作将逐步替代手动阀操作，远程及自动化作业是高炉炉前操作的发展趋势。根据已投入的炉前遥控产品使用情况分析，电动阀台产品具有故障率低、自动化程度高的优点；双回路阀台产品具有操作方式多样、匹配性好的优点；并联阀台采用一用一备的工作方式，操作安全性高；手自一体液压阀台产品具有施工简单、成本低的优点。四种炉液压阀台产品针对不同的用户需求，解决了炉前封闭作业视线受阻的问题，实现了炉前设备的远程遥控控制功能。