RH鋼包頂升液壓系統(tǒng)選擇策略

1、RH鋼包頂升液壓系統(tǒng)選擇策略汪龍，張文，許海虹，章德平（中冶南方工程技術(shù)有限公司，煉鋼分公司，湖北 武漢，430223）摘要:為了降低RH鋼包頂升液壓系統(tǒng)的成本，提高液壓系統(tǒng)的調(diào)速性能，以系統(tǒng)工作壓力和最大運(yùn)行速度為研究重點(diǎn)，結(jié)合歷年經(jīng)典工程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼包頂升液壓系統(tǒng)參數(shù)的選擇作了深入的探討。研究了國(guó)內(nèi)外各大工程公司的鋼包升降液壓系統(tǒng)資料，詳細(xì)分析和比較了目前通用的各種鋼包頂升液壓系統(tǒng)方案，為以后工程技術(shù)評(píng)審和設(shè)計(jì)提供了寶貴的資料和重要的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：RH鋼包頂升液壓系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)參數(shù)；液壓系統(tǒng)方案 中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Selection strategy

2、for RH ladle lifting hydraulic system（Iron & Steel Branch, WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223,China）WANG Long, ZHANG Wen, Xu Hai-hong, ZHANG De-ping,Abstract: to reduce the cost of RH ladle lifting hydraulic system and improve the speed control function, taking the sys

3、tem pressure and the maximum speed as the target, the parameter optimization was discussed basing on the design datum and experiences of past typical projects. By studying the system designed by institutes at home and broad, the common ladle lifting hydraulic systems were analyzed and compared, whic

4、h provides valuable references for technical appraisal and design of further projects.Key words: RH ladle lifting hydraulic system; hydraulic system parameters; hydraulic system schemeRH（即真空循環(huán)脫氣）系統(tǒng)是一種用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的鋼水二次精煉工藝設(shè)備，而鋼包升降系統(tǒng)是RH設(shè)備中最重要的系統(tǒng)之一。鋼包升降系統(tǒng)主要由頂升框架、液壓系統(tǒng)等組成。柱塞缸通過(guò)頂升框架將鋼包及鋼包車(chē)頂起，將鋼包送至處理高度1。液壓頂升系統(tǒng)作

5、為RH系統(tǒng)中復(fù)雜的核心設(shè)備， 在可靠性、安全性和自動(dòng)化程度上都有較高的要求，各大型鋼廠非常重視，因此如何設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的液壓系統(tǒng)，為以后項(xiàng)目改造、技術(shù)評(píng)審、設(shè)計(jì)指導(dǎo)等提供理論基礎(chǔ)，是本文討論的重點(diǎn)。1 鋼包頂升液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求鋼包頂升液壓系統(tǒng)是RH系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的設(shè)備之一，需要考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等。基于各大項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)頂升液壓系統(tǒng)的要求歸納如下：1） 滿足負(fù)載生產(chǎn)要求正確計(jì)算總負(fù)載是設(shè)計(jì)的前提和依據(jù)。2） 具有較好的自鎖性能為了在鋼水真空處理期間保持鋼包的位置高度不變，在鋼包頂?shù)缴a(chǎn)位置吹煉時(shí)，系統(tǒng)必須有較好的保壓性能和自鎖性能。根據(jù)目前鋼廠提出的保壓要求，24小時(shí)內(nèi)柱

6、塞缸最大允許下降量為10 mm。3）兩個(gè)處理位互不影響一套液壓系統(tǒng)控制兩個(gè)處理位，即便是控制一個(gè)處理位的油路出現(xiàn)問(wèn)題，也要確保另一個(gè)處理位能正常生產(chǎn)。鋼廠一般都是24小時(shí)不間斷生產(chǎn)，故在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，盡量保證兩個(gè)處理位液壓控制互相獨(dú)立，這樣不僅能保證生產(chǎn)的連續(xù)性，同時(shí)在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能比較方面的排除故障原因。 4）有應(yīng)急操作功能在停電或其他緊急事故狀態(tài)下，能用位于RH控制室附近平臺(tái)上的手動(dòng)降落液壓閥臺(tái)操作，使鋼包安全下降。 2 液壓系統(tǒng)參數(shù)的選擇策略 對(duì)于液壓系統(tǒng)而言，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)有兩個(gè)，力（壓力）和速度（流量），壓力由負(fù)載決定，而速度是系統(tǒng)需要控制的變量。如何在保證設(shè)備功能的前提下，

7、通過(guò)優(yōu)化參數(shù)來(lái)合理配置液壓系統(tǒng)，是本節(jié)討論的重點(diǎn)。為了分析和對(duì)比，表1列舉了中冶南方工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱WISDRI）已投產(chǎn)的各噸位RH液壓系統(tǒng)的參數(shù)表（表中所有工程采用的是WISDRI比例泵控系統(tǒng)）。2.1系統(tǒng)壓力的選擇2.1.1桿徑計(jì)算柱塞缸桿徑大小計(jì)算公式為： （1）F為總負(fù)載力，P為系統(tǒng)的工作壓力，A為柱塞缸的作用面積。其中總負(fù)載F主要包括鋼包加鋼水重量，頂升框架加耐材重量，油缸重量，鋼包車(chē)重量，導(dǎo)向輪阻力以及備用重量這六項(xiàng)，故總負(fù)載是固定的。而系統(tǒng)的工作壓力P是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇的。從表1數(shù)據(jù)可知，液壓系統(tǒng)的工作壓力主要有16MPa和21MPa。同等負(fù)載條件下，不同的工作壓力計(jì)算出來(lái)

8、的油缸大小區(qū)別也較大。以柳鋼2#RH和馬鋼電爐廠RH為例，兩者都為120tRH，但是柳鋼2#RH的柱塞缸桿徑為510，而馬鋼電爐廠RH的柱塞缸桿徑為600。因此，液壓系統(tǒng)的工作壓力是影響桿徑的重要因素刪掉了2.1.2節(jié)部分內(nèi)容。2.1.2壓力參數(shù)的選用原則液壓系統(tǒng)工作壓力到底是選用高壓還是中壓？從上面的分析可知，壓力越高柱塞缸桿徑越小，柱塞缸越小價(jià)格越經(jīng)濟(jì)。但是，壓力高也可能使電機(jī)功率高一檔，但從表1可知，由于電機(jī)功率檔次固定，大部分情況高壓并沒(méi)有改變電機(jī)功率。以燕鋼RH和天鐵RH為例，兩種壓力下電機(jī)功率不變，但是柱塞缸大小不一樣導(dǎo)致價(jià)格相差巨大。根據(jù)歷年工程經(jīng)驗(yàn)，2套柱塞缸價(jià)格基本上與液壓站

9、一樣，因此從成本角度考慮，柱塞缸影響因素比液壓站中任一個(gè)部件都要大。毫無(wú)疑問(wèn)，選用高壓可以極大程度降低整體成本，大約為18%。2.2 速度的選擇2.2.1泵站計(jì)算液壓泵是液壓系統(tǒng)中最核心的部件，泵的選擇依據(jù)主要是液壓系統(tǒng)的工作流量，RH中柱塞缸的流量計(jì)算公式為： （2）Q為柱塞缸的流量，A為柱塞缸的面積，V為速度。由于A在（1）式可計(jì)算出來(lái)，依此Q可以選擇泵的規(guī)格和電機(jī)功率。電機(jī)功率計(jì)算公式為： （3）W為電機(jī)功率，P為系統(tǒng)的工作壓力，Q為流量。由式（2）和（3）可知，油缸的速度對(duì)選擇泵和電機(jī)有直接的影響，速度過(guò)高必然導(dǎo)致需要更大功率的電機(jī)和更大排量的泵。從表1可知，最大速度跨度從2 3 m/

10、min，目前3 m/min速度設(shè)計(jì)基本淘汰，大部分集中在2.5 m/min，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，2.5 m/min完全滿足工藝生產(chǎn)要求。2.2.2 泵的規(guī)格對(duì)比從歷年工程可知，噸位在100t以下系統(tǒng)中，泵選用180 ml/r，在100t以上基本選用250 ml/r的泵。為什么從120tRH300tRH系統(tǒng)中，負(fù)載跨度這么大，但是都選用250 ml/r的泵呢？除了泵本身規(guī)格約束外，系統(tǒng)的最大運(yùn)行速度是選擇泵規(guī)格大小重要的參數(shù)。2.2.3速度參數(shù)的設(shè)定分析從前面可以，油缸速度對(duì)泵和電機(jī)大小的選擇都有影響，如果把最大速度統(tǒng)一成2 m/min，通過(guò)計(jì)算，噸位在200t以下的WISDRI泵控系統(tǒng)都可以用180

11、而不是250的泵，這樣可以極大節(jié)省系統(tǒng)的成本。第一，雖然頂升速度快慢與鋼廠年生產(chǎn)量有關(guān)，但是在整個(gè)工序時(shí)間中影響并不大。通過(guò)計(jì)算，2700 mm行程在2 m/min和2.5 m/min的時(shí)間差別為16 s。如果某些情況需要高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于主泵是二用一備的模式，啟用備用泵來(lái)完成是沒(méi)有任何問(wèn)題的。另外，從燕鋼，天鐵和日照這三個(gè)項(xiàng)目來(lái)看，最大速度選用2 m/min是沒(méi)有問(wèn)題的。第二，根據(jù)油缸最大速度2 m/min算出來(lái)的流量為實(shí)際流量，但是最后選泵的公稱流量時(shí)一般都高于實(shí)際流量，也就是說(shuō)實(shí)際上按照泵的公稱流量折算到油缸上的速度比2 m/min還要大。這從另一個(gè)角度說(shuō)明即使按照2m/min選擇的話，最

12、后允許最高速度還是會(huì)大于2 m/min的。表1 WISDRI經(jīng)典工程數(shù)據(jù)Table 1 WISDRI typical project data公稱容量/t系統(tǒng)壓力/MPa主泵規(guī)格/(mlr-1)電機(jī)功率/Kw柱塞缸桿徑/mm油缸速度/(mmin-1)總負(fù)載/t青鋼第二煉鋼廠RH 9021180x3132X3450 3300柳鋼2#RH12021250 x3132X35102.5390馬鋼電爐廠RH12016250 x3132X36002.5420酒鋼煉鋼二工廠RH12021250 x3132X35102.5390鄂鋼煉鋼廠RH13020250 x3160X35302.8440吉林建龍1#RH1

13、5021250 x3132X35302.5440燕鋼RH18021250 x3160X35802500天鐵熱軋板RH18016250 x3160X36302500新鋼三期技改RH21027250 x3200X35302.8550武鋼煉鋼總廠三分廠2#RH30020355 x3200X36502.85 5503 液壓系統(tǒng)方案的分析與比較3.1 WISDRI比例泵控系統(tǒng)該回路主要是由三臺(tái)主泵、兩臺(tái)控制泵、循環(huán)泵組和閥臺(tái)組成。主泵采用力士樂(lè)重型泵A4VSO/EO2，泵的原理圖見(jiàn)圖1。P口為控制油口，B口壓力油口，S吸油口。該回路是一個(gè)泵控容積調(diào)速回路，通過(guò)改變柱塞泵的斜盤(pán)正負(fù)擺角來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼包的上升和下

14、降，通過(guò)改變斜盤(pán)傾角的大小來(lái)調(diào)節(jié)升降速度，而斜盤(pán)傾角的大小是由電氣控制的比例換向閥來(lái)設(shè)定。柱塞缸上升時(shí)，SEV1b得電，活塞向右移動(dòng)，斜盤(pán)呈現(xiàn)正擺角，泵從S口吸油，從B出油；柱塞缸下降時(shí)，SEV1a得電，活塞向左移動(dòng)，斜盤(pán)呈現(xiàn)負(fù)擺角，此時(shí)泵B口變?yōu)檫M(jìn)油口，S為出油口。柱塞缸下降是通過(guò)自重下降，油管回路與上升時(shí)是一樣的，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變，泵克服電磁力帶動(dòng)電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速而進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，提供阻力矩以控制鋼包的下降2。鋼包的運(yùn)動(dòng)速度分為加速、勻速和減速三個(gè)階段，速度大小的控制是由比例換向閥來(lái)完成，比例閥配有放大器。在電氣編程中可以按照要求設(shè)定電壓信號(hào)的曲線，泵的斜盤(pán)擺角與該

15、電壓信號(hào)成正比，即通過(guò)電氣程序控制可以改變泵的輸出流量。圖1 A4VSO/EO2原理圖Fig.1 A4VSO/EO2 scheme3.2 WISDRI比例閥控系統(tǒng)該系統(tǒng)由變量泵和比例閥組成，從節(jié)能和調(diào)速角度來(lái)看，選用恒壓變量泵和比例閥構(gòu)成基本回路，不失為一種很好的組合形式。上升和下降速度各通過(guò)一個(gè)比例閥來(lái)調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。由于采用了DR控制方式，比其他控制方式的泵更便宜，另外也不需要控制泵，整個(gè)液壓系統(tǒng)造價(jià)低。由于RH一般都是雙工位，有2個(gè)頂升缸，工作時(shí)要求互不影響，該系統(tǒng)兩個(gè)工位油缸的上升和下降都是采用共用回路來(lái)調(diào)速的，如果元件出現(xiàn)故障，將影響另外一個(gè)工位的正常生產(chǎn)。由于該系統(tǒng)是最新的

16、設(shè)計(jì)，具體應(yīng)用效果要根據(jù)后期實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。3.3負(fù)載敏感控制系統(tǒng)（奧鋼聯(lián)）該方案是采用負(fù)載敏感泵與比例換向閥的壓力流量聯(lián)合控制。負(fù)載敏感控制就是講負(fù)載所需的壓力、流量與泵的壓力流量匹配起來(lái)最大程度提高系統(tǒng)效率的一種控制技術(shù)3。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是變量泵輸出的流量和壓力與負(fù)載需求完全一致。本系統(tǒng)中的泵采用的是A4VSO/DPF，控制方式為壓力流量控制。DP多用在并行操作中帶有多臺(tái)A4VSO的壓力控制4，該控制方式的特點(diǎn)是：所有的泵同步變量，一個(gè)先導(dǎo)閥可以設(shè)定所有泵的恒壓點(diǎn)。泵的原理圖如圖2。 X1和X2為先導(dǎo)控制口，B為壓力油口。其中，X1可以將負(fù)載壓力反饋到變量泵的負(fù)載敏感口，X2接遠(yuǎn)程溢流閥來(lái)設(shè)定泵

17、的工作壓力。由于鋼包上升、保壓和下降時(shí)候所需壓力不一樣，通過(guò)X2口可以設(shè)置不同的工作壓力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同負(fù)載工況的壓力設(shè)置。流量控制閥3也叫負(fù)載敏感閥，通過(guò)比例換向閥實(shí)現(xiàn)泵的輸出流量控制。比例閥兩端壓差=泵出口壓力-負(fù)載壓力，而泵出口壓力作用在流量閥3左側(cè)，負(fù)載壓力作用在閥3右側(cè)，當(dāng)閥3達(dá)到受力平衡時(shí)，彈簧壓力，F(xiàn)為彈簧預(yù)先設(shè)定的。負(fù)載敏感控制過(guò)程包括壓力適應(yīng)和流量適應(yīng)5。在流量適應(yīng)階段，當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，如果比例閥4的開(kāi)度減小，則閥4的壓差增大，推動(dòng)負(fù)載閥右移，斜盤(pán)傾角減小，泵輸出流量減少，此時(shí)泵的輸出壓力維持設(shè)定值。反之亦然。在壓力適應(yīng)階段，當(dāng)比例閥開(kāi)口度不變時(shí)，如果負(fù)載增加，先導(dǎo)控制口X1

18、原來(lái)的負(fù)載敏感口改為先導(dǎo)控制口壓力增大，由流量閥3的靜態(tài)受力平衡： 可知，當(dāng)不變，增大，則也增大?？梢?jiàn)，在流量適應(yīng)階段，泵輸出的流量是與比例閥的輸入信號(hào)成正比的，輸出壓力不變；在壓力適應(yīng)階段，泵的輸出壓力跟隨負(fù)載壓力的變化而變化，期間流量保持穩(wěn)定。當(dāng)鋼包保壓時(shí)，變量泵只需維持內(nèi)部泄露所需要的流量，不在向系統(tǒng)供油。圖中序號(hào)標(biāo)的有問(wèn)題圖2 A4VSO/DPF控制原理圖Fig.2 A4VSO/DPF control scheme1-變量缸2-壓力補(bǔ)償器 3-流量控制閥 4-節(jié)流閥 5-比例閥3.4 半閉式回路壓力泵控系統(tǒng)原理圖主要是由三臺(tái)主泵、兩臺(tái)控制泵、循環(huán)泵組和閥臺(tái)組成。主泵是采用力士樂(lè)的半閉式

19、泵，型號(hào)為A4VSH/HD1，泵的原理圖見(jiàn)圖3。X1為控制壓力口，X3/X4位先導(dǎo)壓力口，B和A為壓力油口。X1控制壓力來(lái)自控制泵， X3/X4的壓力來(lái)自升降閥臺(tái)的先導(dǎo)比例溢流閥，通過(guò)該比例溢流閥可以遠(yuǎn)程控制X3/X4壓力。而泵排量的無(wú)極調(diào)節(jié)取決于先導(dǎo)控制壓力X3/X4，也就說(shuō)通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溢流閥X3/X4的壓力來(lái)調(diào)節(jié)泵輸出的流量，繼而調(diào)節(jié)油缸的速度。該半閉式回路不同于常規(guī)的閉式回路，可以有效的避免閉式回路的一些缺點(diǎn)。通過(guò)將兩個(gè)油口一個(gè)固定為高壓油口A，另一個(gè)固定為低壓油口B并接油箱，可以在低壓側(cè)接過(guò)濾器提高系統(tǒng)的清潔度，另外設(shè)置了循環(huán)冷卻回路解決系統(tǒng)發(fā)熱問(wèn)題。系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖4該回路與WISD

20、RI比例泵控方案都是泵控容積調(diào)速回路，且都設(shè)有控制泵，用以向主泵提供控制壓力。不同點(diǎn)有控制方式和回路形式。該回路屬于壓力控制，即斜盤(pán)傾角的大小由先導(dǎo)壓力口X3和X4來(lái)控制，但是WISDRI回路屬于電氣控制，斜盤(pán)傾角大小由電氣信號(hào)調(diào)節(jié)；該回路屬于半閉式回路，WISDRI回路屬于開(kāi)式回路。 圖3 A4VSH/HD1原理圖Fig.3 A4VSH/HD1 scheme3.5四種方案的比較表2列舉了四種方案的特點(diǎn)及主要優(yōu)缺點(diǎn)。WISDRI比例泵控系統(tǒng)技術(shù)成熟，是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的鋼包頂升系統(tǒng)，業(yè)主接受度高；WISDRI比例閥控系統(tǒng)成本最低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，泵供貨周期短，已投產(chǎn)的項(xiàng)目反應(yīng)良好，效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證；奧鋼聯(lián)負(fù)載敏感控制系統(tǒng)節(jié)能效果好，但是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高；半閉式壓力泵控系統(tǒng)泵站緊湊，效率高，但是成本較高。具體選擇哪一種方案，除了考慮以上因素外，還需考慮業(yè)主對(duì)某一方案的接受程度。表2 四種方案對(duì)比 Table 2 four schemes comparison 價(jià)格系統(tǒng)組成回路形式泵控制方式優(yōu)缺點(diǎn)特點(diǎn)WISDRI比例泵控系統(tǒng)適中主泵+控制泵開(kāi)式電氣EO2泵供貨周期長(zhǎng) WISDRI比例閥控系統(tǒng)便宜主泵+