硅铁电炉液压系统介质异常消耗分析与改进

康宇涵，郭雄伟，聂大欢，牟金华

（内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016064）

1 前言

1.1 液压传动的优势

在同等传动功率下，液压传动装置重量更轻、结构紧凑。输出功率控制方面，液压传动的限制更小，可任意调节，调节装置简单，故障率低。液压传动的运动惯性小，支持频繁和急速换向，输出动能平稳，波动小。配合电磁阀元件，可支持DCS等自控系统实现完全自动化。

1.2 液压系统在硅铁冶炼装备中的重要地位

功能上，液压系统主要存在于电极把持系统、下料系统和炉门升降装置中，作为动力输出，主要可以实现电极的把持、电极压放、电极升降、炉门升降、料管闸阀开闭等动作。言其重要，主要体现在了电极操作上。电极是硅铁电炉供电系统中的末端输出装置，在冶炼生产中的作用是第一位的，其压放量和电极工作端位置等工艺参数，直接影响着炉料坩埚区域做功情况、各相坩埚沟通情况、整体料层结构等。另外，电极把持系统发生故障，造成电极下滑、过度压放等事故时，极易引发铜瓦打狐、电机壳打破、漏弧软断、破坏下把持吊挂等恶性后果。因此，保证液压系统正常工作，并持续改进液压系统装备性能，才能为硅铁生产工艺控制提供有力保障。

1.3 过度消耗的液压系统维护费用

以鄂尔多斯市西金矿冶有限责任公司4×45MVA工程为例。在硅铁产品成本构成当中，剔除工艺消耗品、安全物资、成套设备购置等费用以外，其余用于生产装备日常检修维护消耗的物料里，液压系统维护费用占到了第一位。

如图1所示，根据企业实际数据显示：水乙二醇作为液压系统介质，位居全部生产装备日常维护消耗费用之首。外加油泵、油缸和管阀元件等其他属于液压系统的物料消耗，每年实际消耗约60万元左右的维护费用于液压系统中。然而，通过理论消耗测算与现场实地观察可知，这样的消耗，属于严重的过度消耗。同时，液压系统频繁的发生故障，也为企业带来损失和隐患。因此分析液压系统故障原因，持续改进装备性能，是迫切的和有必要的。

图1 生产装备日常检修维护费用构成

1.4 45MVA 硅铁电炉液压系统基本结构

45MVA硅铁电炉的液压系统主要包含：核心部分、蓄能装置、电极升降、上下抱闸、抱闸升降、压力环波纹管、炉门升降、料管闸阀、钟罩阀等部分。

2 实例分析

硅铁电炉液压系统属于闭路系统，除去正常的挥发损失，和12个月的正常换油以外，全部属于异常消耗。根据案例企业水乙二醇的异常补油记录，如图2所示，做 Pareto 分析可得，68.4%的异常消耗属于系统管路爆裂（破损），导致带压的液压介质急速消耗。而剩余的32.6%，是油缸、各接头处的缓慢渗漏导致的液压介质消耗。利用现场观察、头脑风暴、失效树分析、C&E矩阵、FMEA等问题分析工具去分析，可以发现主要原因有以下几点。

图2 案例企业水乙二醇异常补油情况

（1）高压油管选用不当。如压力等级不足，或材质不适用。案例：压力等级低，较工作压力的预留余量不足，导致系统异常超压时高压油管爆裂喷油。或材质为非绝缘钢丝编制的高压油管，应用于绝缘不良的硅铁电炉上，易发生油管钢丝层连电发热烧损橡胶管壁，导致油管爆裂喷油。

（2）各液压元件间的连接方式不当。案例：选用轴向柱塞泵的用户，因考虑该泵振动大的工作特点。当柱塞泵与下游第一个组件（如溢流集成块）之间选用无缝焊管作为油管时，金属管的低耐振性能极易导致油管焊口处因剧烈振动而崩开喷油。

（3）油管布局不合理。如两个位置固定的组件间，连接过长的高压油管。或油路处于高温和易腐蚀性等恶劣环境内。案例：固定组件间，过长的高压油管导致油管扭曲受伤，导致扭曲点易发生应力集中，造成油管破裂喷油。或遇到炉况异常，刺火频繁时，料管高温发红，导致料管临近的高压油管烧损破裂喷油。

（4）电极上易发生连电打火区域的油管被打烂，造成介质泄漏。案例：供往下把持系统中压力环波纹管的油管，管线长、保护套内空间小、管路密集，易发生将波纹管供油油管打烂，造成介质泄漏的事故。

（5）系统超压。故障点可能为蓄能器故障或溢流集成块故障。案例：当蓄能器氮气压力不足时，导致蓄能罐内气体排空，活塞冲顶，造成系统压力瞬间超压，破坏油管喷油。

（6）高压油管老化，未及时更换处理，最终导致油管爆裂造成泄露的。案例：料管闸板油管，工作环境较为恶劣，易受高温影响提前老化，且数量庞大。按照实例企业4×45MVA 硅铁电炉的13组料管为例，料管闸板油管共计210多路。因数量多和其他因素导致不能精确做预防性维护更换。案例企业每月平均发生3起料管油管爆裂事故，每起事故将造成平均3桶（200kg）的水乙二醇消耗，3桶水乙二醇折合人民币约为6600元，而提前更换一根油管的费用仅为50元。

（7）密封材质或尺寸不合格。案例：电极抱闸Y性密封圈选用聚氨酯密封圈，导致聚氨酯快速被水乙二醇腐蚀，密封换新不久后再次开始渗漏。后更换为丁腈材质，但因供货质量问题，发现新购密封圈比原有密封圈略小，尺寸偏差不超过 2mm。尺寸存在变差的密封圈，在安装过程中就较为困难，在安装之后很短时间内，便再次发生渗漏现象。

（8）易耗型油缸加工件加工精度不足。案例：油缸活塞杆表面未处理，或镀层过薄，安装后较短时间内便再次开始渗漏。导向套密封槽尺寸偏差仅在0.5以内的范围时，就已经造成密封圈装卡困难，且在投用后较短时间内由再次开始渗漏。

（9）已到寿命老化的密封不能及时更换。案例：在以往抱闸密封的更换中发现，换下来的密封50%以上都是老化严重造成的泄漏，少部分是材质不合适被腐蚀，或尺寸不合适被往复运动挫伤造成的介质泄漏。

（10）系统介质不清洁。案例：油路内介质不清洁，流入大力油缸（电极升降油缸）缸体内，卡入活塞与缸体缝隙间，和导向套与活塞杆间，在油缸运动时，将缸体内壁和活塞杆表面刮伤。由于刮痕过深，导致价值4万元的缸体和活塞杆报废换新。

3 改进措施

3.1 选用合适的电磁阀

如料管、钟罩阀、炉门等闸阀开闭类油路，在失压后，机械组件不会受其他动能影响，发生功能位置移动的，其电磁换向阀因选用为三位四通电磁阀。已经安装为两位四通阀的，也应及时更换。

如图3所示，三位四通阀线圈未得到动作信号的情况下，其 P口是处于0位的，其出口A、B两个方向均不带压。则阀台下游管路中均无油压，及时发生管路破损的，损失也几乎可以忽略不计。

图3 换向阀阀芯示意图

3.2 合理选择高压油管材质和规格

因炉体绝缘不良，可能造成上把持系统连电，若选用钢丝编织管，且非绝缘管头的，可能造成钢丝层连电发热，烧损橡胶管壁，造成油管破损泄漏事故。因此，建议硅铁电炉上把持系统、料管和炉门油缸等组件选用高压树脂绝缘油管。

3.3 恰当选择连接方式，合理布局油路

类似于轴向柱塞泵之类的高振动液压组件，在与其他组件对接时，该段的油路应采取高压油管软连接去替代硬连接，软连接可以极大程度的吸收振动，降低事故率。而类似于下料管等易窜货高温的恶劣工作区域，选用高压油管这样不耐烧的油管就不合适了，应选用耐烧的金属油管。合理布局油路也尤为重要：液压泵站因选取在功能就近的位置，管路布局要紧凑，过度延长管线，只会增加事故率和维护量。并且，无缝焊管式金属油管布线过长时，要严格做好固定工作，柱塞泵作为液压能量源动力时，即使距离远，来自油泵本身的振动消除了，但脉冲式的液压能，也会造成硬连接油管的摆动，管线越长，摆动幅度越大，越容易将薄弱环节扭断。因此增加管线的固定密度，是缓解惯性运动对管线伤害的必要手段。

3.4 改善液压组件工作环境

金属冶炼行业，高温、高粉尘、高噪音等恶劣环境几乎遍布整改生产功能位置，针对液压系统部分，应采取各种手段来缓解不良环境因素对液压组件的伤害。类似于炉门油缸、大力油缸、钟罩阀油缸的活塞杆，受功能限制，基本长期处于活塞杆出杆状态，活塞杆表面属于液压密封接触面，在高温、高粉尘环境中易受到损伤，最终导致液压介质泄漏。所以，应使用防尘罩防护，减少恶劣环境对其的影响。三相电极，在电磁场交织作用下，产生密集且较为剧烈的振动现象时长发生。因此，安装在电极把持平台上的液压组件和铺设的管线，均应采用橡胶减振座等手段减振。

3.5 严格把关密封材质

采用水乙二醇作为液压介质的企业，因严格禁止聚氨酯材质的密封材料流入厂内。低温环境下的静密封，和低温环境下摩擦因数较低的动密封，推荐使用价格适中的丁腈密封。高温环境和摩擦因数较高的场所推荐使用氟橡胶密封。超高温环境，且对强度要求较高的环境，推荐选用价格略高但性能优良的聚四氟乙烯密封。

3.6 合理配置蓄能装置

蓄能器，在硅铁电炉液压系统中，占到了举足轻重的地位。它作为补偿装置，可以保障液压能量输出功率持续稳定。若发生故障时，极易造成系统超压或失压，从而引发油路爆裂介质渗漏、电机下滑、铜瓦打弧等恶性事故。因此，配置合适容量的蓄能器尤为重要。

以案例企业为例，如图4所示，45MVA单台硅铁电炉，选用的蓄能装置为活塞立式蓄能器，氮气瓶五组，φ300×2100mm蓄能罐两组，全部串联。该蓄能装置在历史运行记录中，略显勉强。活塞冲顶、氮气压力不足导致的系统超压和压力不足时有发生。主要原因为补偿容量和氮气储存量略小，一旦发生氮气泄露或氮气压力不足时，在无人及时发现的情况下，便会造成对系统压力的冲击。为此，解决方式有两种，其一为增加相同规格的蓄能罐1组合氮气瓶3组。其二为蓄能罐体积扩大，并补加氮气瓶容量。两种手段的目标一致，就是保证充足的补偿容量。足够的蓄能体积才能储存足够的压缩空间，从而才有充足的补偿容量。大补偿容量的蓄能装置，可以延长氮气重装维护周期。足够的活塞行程，足以应对大力油缸（电极升降油缸）运动等大规模系统压力波动。因此，选用足量的蓄能装置不仅可以稳定系统压力，降低油路和液压组件事故率，同时也降低了对电极工艺操作的限制，其次是未来稳定液压驱动功率输出，实现高度自动化的必要条件。

图4 蓄能器原理图

4 结语

大型硅铁电炉液压系统维护费用不容小视，重视并改善液压系统维护的异常消耗是有必要且迫切的。对电磁阀、油管材质、密封材质、连接方式进行合理选型，对液压管线和组件进行合理布局，可以为液压介质的异常消耗起到改善作用。在案例企业实践证明，改善效果明显，每年可节约液压系统维护成本25万元。电磁阀、液压阀、液压集成块的持续改进尤为迫切，是未来实现液压驱动全自动化的决定性因素。

蓄能器宁大不可小，保证蓄能补偿容量充足，不仅可以稳定系统压力，同时可以释放生产操作约束，自由灵活的操作电极，达到及时调整炉况的效果。