RH钢包顶升液压系统选择策略

1、RH钢包顶升液压系统选择策略汪龙，张文，许海虹，章德平（中冶南方工程技术有限公司，炼钢分公司，湖北 武汉，430223）摘要:为了降低RH钢包顶升液压系统的成本，提高液压系统的调速性能，以系统工作压力和最大运行速度为研究重点，结合历年经典工程的设计数据和经验，对钢包顶升液压系统参数的选择作了深入的探讨。研究了国内外各大工程公司的钢包升降液压系统资料，详细分析和比较了目前通用的各种钢包顶升液压系统方案，为以后工程技术评审和设计提供了宝贵的资料和重要的参考价值。 关键词：RH钢包顶升液压系统；液压系统参数；液压系统方案 中图分类号：TH137.7 文献标识码：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（即真空循环脱气）系统是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺设备，而钢包升降系统是RH设备中最重要的系统之一。钢包升降系统主要由顶升框架、液压系统等组成。柱塞缸通过顶升框架将钢包及钢包车顶起，将钢包送至处理高度1。液压顶升系统作

5、为RH系统中复杂的核心设备， 在可靠性、安全性和自动化程度上都有较高的要求，各大型钢厂非常重视，因此如何设计出经济合理的液压系统，为以后项目改造、技术评审、设计指导等提供理论基础，是本文讨论的重点。1 钢包顶升液压系统设计要求钢包顶升液压系统是RH系统中非常关键的设备之一，需要考虑系统设计的合理性、经济性、安全性等。基于各大项目的设计经验，对顶升液压系统的要求归纳如下：1） 满足负载生产要求正确计算总负载是设计的前提和依据。2） 具有较好的自锁性能为了在钢水真空处理期间保持钢包的位置高度不变，在钢包顶到生产位置吹炼时，系统必须有较好的保压性能和自锁性能。根据目前钢厂提出的保压要求，24小时内柱

6、塞缸最大允许下降量为10 mm。3）两个处理位互不影响一套液压系统控制两个处理位，即便是控制一个处理位的油路出现问题，也要确保另一个处理位能正常生产。钢厂一般都是24小时不间断生产，故在设计液压系统时，尽量保证两个处理位液压控制互相独立，这样不仅能保证生产的连续性，同时在液压系统出现故障时能比较方面的排除故障原因。 4）有应急操作功能在停电或其他紧急事故状态下，能用位于RH控制室附近平台上的手动降落液压阀台操作，使钢包安全下降。 2 液压系统参数的选择策略 对于液压系统而言，关键的设计参数有两个，力（压力）和速度（流量），压力由负载决定，而速度是系统需要控制的变量。如何在保证设备功能的前提下，

7、通过优化参数来合理配置液压系统，是本节讨论的重点。为了分析和对比，表1列举了中冶南方工程技术有限公司（以下简称WISDRI）已投产的各吨位RH液压系统的参数表（表中所有工程采用的是WISDRI比例泵控系统）。2.1系统压力的选择2.1.1杆径计算柱塞缸杆径大小计算公式为： （1）F为总负载力，P为系统的工作压力，A为柱塞缸的作用面积。其中总负载F主要包括钢包加钢水重量，顶升框架加耐材重量，油缸重量，钢包车重量，导向轮阻力以及备用重量这六项，故总负载是固定的。而系统的工作压力P是根据经验选择的。从表1数据可知，液压系统的工作压力主要有16MPa和21MPa。同等负载条件下，不同的工作压力计算出来

8、的油缸大小区别也较大。以柳钢2#RH和马钢电炉厂RH为例，两者都为120tRH，但是柳钢2#RH的柱塞缸杆径为510，而马钢电炉厂RH的柱塞缸杆径为600。因此，液压系统的工作压力是影响杆径的重要因素删掉了2.1.2节部分内容。2.1.2压力参数的选用原则液压系统工作压力到底是选用高压还是中压？从上面的分析可知，压力越高柱塞缸杆径越小，柱塞缸越小价格越经济。但是，压力高也可能使电机功率高一档，但从表1可知，由于电机功率档次固定，大部分情况高压并没有改变电机功率。以燕钢RH和天铁RH为例，两种压力下电机功率不变，但是柱塞缸大小不一样导致价格相差巨大。根据历年工程经验，2套柱塞缸价格基本上与液压站

9、一样，因此从成本角度考虑，柱塞缸影响因素比液压站中任一个部件都要大。毫无疑问，选用高压可以极大程度降低整体成本，大约为18%。2.2 速度的选择2.2.1泵站计算液压泵是液压系统中最核心的部件，泵的选择依据主要是液压系统的工作流量，RH中柱塞缸的流量计算公式为： （2）Q为柱塞缸的流量，A为柱塞缸的面积，V为速度。由于A在（1）式可计算出来，依此Q可以选择泵的规格和电机功率。电机功率计算公式为： （3）W为电机功率，P为系统的工作压力，Q为流量。由式（2）和（3）可知，油缸的速度对选择泵和电机有直接的影响，速度过高必然导致需要更大功率的电机和更大排量的泵。从表1可知，最大速度跨度从2 3 m/

10、min，目前3 m/min速度设计基本淘汰，大部分集中在2.5 m/min，经过工程实践，2.5 m/min完全满足工艺生产要求。2.2.2 泵的规格对比从历年工程可知，吨位在100t以下系统中，泵选用180 ml/r，在100t以上基本选用250 ml/r的泵。为什么从120tRH300tRH系统中，负载跨度这么大，但是都选用250 ml/r的泵呢？除了泵本身规格约束外，系统的最大运行速度是选择泵规格大小重要的参数。2.2.3速度参数的设定分析从前面可以，油缸速度对泵和电机大小的选择都有影响，如果把最大速度统一成2 m/min，通过计算，吨位在200t以下的WISDRI泵控系统都可以用180

11、而不是250的泵，这样可以极大节省系统的成本。第一，虽然顶升速度快慢与钢厂年生产量有关，但是在整个工序时间中影响并不大。通过计算，2700 mm行程在2 m/min和2.5 m/min的时间差别为16 s。如果某些情况需要高速运动时，由于主泵是二用一备的模式，启用备用泵来完成是没有任何问题的。另外，从燕钢，天铁和日照这三个项目来看，最大速度选用2 m/min是没有问题的。第二，根据油缸最大速度2 m/min算出来的流量为实际流量，但是最后选泵的公称流量时一般都高于实际流量，也就是说实际上按照泵的公称流量折算到油缸上的速度比2 m/min还要大。这从另一个角度说明即使按照2m/min选择的话，最

12、后允许最高速度还是会大于2 m/min的。表1 WISDRI经典工程数据Table 1 WISDRI typical project data公称容量/t系统压力/MPa主泵规格/(mlr-1)电机功率/Kw柱塞缸杆径/mm油缸速度/(mmin-1)总负载/t青钢第二炼钢厂RH 9021180x3132X3450 3300柳钢2#RH12021250 x3132X35102.5390马钢电炉厂RH12016250 x3132X36002.5420酒钢炼钢二工厂RH12021250 x3132X35102.5390鄂钢炼钢厂RH13020250 x3160X35302.8440吉林建龙1#RH1

13、5021250 x3132X35302.5440燕钢RH18021250 x3160X35802500天铁热轧板RH18016250 x3160X36302500新钢三期技改RH21027250 x3200X35302.8550武钢炼钢总厂三分厂2#RH30020355 x3200X36502.85 5503 液压系统方案的分析与比较3.1 WISDRI比例泵控系统该回路主要是由三台主泵、两台控制泵、循环泵组和阀台组成。主泵采用力士乐重型泵A4VSO/EO2，泵的原理图见图1。P口为控制油口，B口压力油口，S吸油口。该回路是一个泵控容积调速回路，通过改变柱塞泵的斜盘正负摆角来实现钢包的上升和下

14、降，通过改变斜盘倾角的大小来调节升降速度，而斜盘倾角的大小是由电气控制的比例换向阀来设定。柱塞缸上升时，SEV1b得电，活塞向右移动，斜盘呈现正摆角，泵从S口吸油，从B出油；柱塞缸下降时，SEV1a得电，活塞向左移动，斜盘呈现负摆角，此时泵B口变为进油口，S为出油口。柱塞缸下降是通过自重下降，油管回路与上升时是一样的，此时电机转动方向不变，泵克服电磁力带动电机加速旋转，使电机转速超过其同步转速而进入发电状态，提供阻力矩以控制钢包的下降2。钢包的运动速度分为加速、匀速和减速三个阶段，速度大小的控制是由比例换向阀来完成，比例阀配有放大器。在电气编程中可以按照要求设定电压信号的曲线，泵的斜盘摆角与该

15、电压信号成正比，即通过电气程序控制可以改变泵的输出流量。图1 A4VSO/EO2原理图Fig.1 A4VSO/EO2 scheme3.2 WISDRI比例阀控系统该系统由变量泵和比例阀组成，从节能和调速角度来看，选用恒压变量泵和比例阀构成基本回路，不失为一种很好的组合形式。上升和下降速度各通过一个比例阀来调节，整个系统设计简单。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，整个液压系统造价低。由于RH一般都是双工位，有2个顶升缸，工作时要求互不影响，该系统两个工位油缸的上升和下降都是采用共用回路来调速的，如果元件出现故障，将影响另外一个工位的正常生产。由于该系统是最新的

16、设计，具体应用效果要根据后期实践来检验。3.3负载敏感控制系统（奥钢联）该方案是采用负载敏感泵与比例换向阀的压力流量联合控制。负载敏感控制就是讲负载所需的压力、流量与泵的压力流量匹配起来最大程度提高系统效率的一种控制技术3。简单的说，就是变量泵输出的流量和压力与负载需求完全一致。本系统中的泵采用的是A4VSO/DPF，控制方式为压力流量控制。DP多用在并行操作中带有多台A4VSO的压力控制4，该控制方式的特点是：所有的泵同步变量，一个先导阀可以设定所有泵的恒压点。泵的原理图如图2。 X1和X2为先导控制口，B为压力油口。其中，X1可以将负载压力反馈到变量泵的负载敏感口，X2接远程溢流阀来设定泵

17、的工作压力。由于钢包上升、保压和下降时候所需压力不一样，通过X2口可以设置不同的工作压力，能实现对多种不同负载工况的压力设置。流量控制阀3也叫负载敏感阀，通过比例换向阀实现泵的输出流量控制。比例阀两端压差=泵出口压力-负载压力，而泵出口压力作用在流量阀3左侧，负载压力作用在阀3右侧，当阀3达到受力平衡时，弹簧压力，F为弹簧预先设定的。负载敏感控制过程包括压力适应和流量适应5。在流量适应阶段，当负载不变时，如果比例阀4的开度减小，则阀4的压差增大，推动负载阀右移，斜盘倾角减小，泵输出流量减少，此时泵的输出压力维持设定值。反之亦然。在压力适应阶段，当比例阀开口度不变时，如果负载增加，先导控制口X1

18、原来的负载敏感口改为先导控制口压力增大，由流量阀3的静态受力平衡： 可知，当不变，增大，则也增大。可见，在流量适应阶段，泵输出的流量是与比例阀的输入信号成正比的，输出压力不变；在压力适应阶段，泵的输出压力跟随负载压力的变化而变化，期间流量保持稳定。当钢包保压时，变量泵只需维持内部泄露所需要的流量，不在向系统供油。图中序号标的有问题图2 A4VSO/DPF控制原理图Fig.2 A4VSO/DPF control scheme1-变量缸2-压力补偿器 3-流量控制阀 4-节流阀 5-比例阀3.4 半闭式回路压力泵控系统原理图主要是由三台主泵、两台控制泵、循环泵组和阀台组成。主泵是采用力士乐的半闭式

19、泵，型号为A4VSH/HD1，泵的原理图见图3。X1为控制压力口，X3/X4位先导压力口，B和A为压力油口。X1控制压力来自控制泵， X3/X4的压力来自升降阀台的先导比例溢流阀，通过该比例溢流阀可以远程控制X3/X4压力。而泵排量的无极调节取决于先导控制压力X3/X4，也就说通过远程调节溢流阀X3/X4的压力来调节泵输出的流量，继而调节油缸的速度。该半闭式回路不同于常规的闭式回路，可以有效的避免闭式回路的一些缺点。通过将两个油口一个固定为高压油口A，另一个固定为低压油口B并接油箱，可以在低压侧接过滤器提高系统的清洁度，另外设置了循环冷却回路解决系统发热问题。系统的原理图见图4该回路与WISD

20、RI比例泵控方案都是泵控容积调速回路，且都设有控制泵，用以向主泵提供控制压力。不同点有控制方式和回路形式。该回路属于压力控制，即斜盘倾角的大小由先导压力口X3和X4来控制，但是WISDRI回路属于电气控制，斜盘倾角大小由电气信号调节；该回路属于半闭式回路，WISDRI回路属于开式回路。 图3 A4VSH/HD1原理图Fig.3 A4VSH/HD1 scheme3.5四种方案的比较表2列举了四种方案的特点及主要优缺点。WISDRI比例泵控系统技术成熟，是国内应用最为广泛的钢包顶升系统，业主接受度高；WISDRI比例阀控系统成本最低，系统简单，泵供货周期短，已投产的项目反应良好，效果还有待进一步验证；奥钢联负载敏感控制系统节能效果好，但是系统复杂，成本高；半闭式压力泵控系统泵站紧凑，效率高，但是成本较高。具体选择哪一种方案，除了考虑以上因素外，还需考虑业主对某一方案的接受程度。表2 四种方案对比 Table 2 four schemes comparison 价格系统组成回路形式泵控制方式优缺点特点WISDRI比例泵控系统适中主泵+控制泵开式电气EO2泵供货周期长 WISDRI比例阀控系统便宜主泵+