步进式加热炉液压节能改造.pdf

步进式加热炉液压节能改造 刘小 民 中冶南方 武汉威仕工业炉有限公 司 武汉4 3 0 2 2 3 摘要节能减排是目前企业的转型趋势，通过改造某钢厂步进式加热炉的炉底机械，在原有液压缸基础 上进行改造 ，并将势能储存在蓄能器中，利用蓄能器将势能转化为动能，起到了助推提升框架的作用。同时还 核算并对比了耗电量 ，并提出新旧两个方案的优缺点 ，成为钢企节能减排的优秀案例。 关键 词 步进 炉 ；节能 ；蓄能器 ；提升液压缸 ；平移液压缸 中图分类号T G 4 5 7 ． 2 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 4 0 1 0 7 0 3 Ab s t r a c t T h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n i s t h e t r a n s f o r ma t i o n t r e n d i n e n t e r p r i s e s a t p r e s e n t ． B y r e 一 r mi n g t h e f u r n a c e b o t t o m ma c h i n e r y o f w Mk i n g b e a m f u rn a c e i n c e r t a i n s t e e l p l a n t ， r e c o n s t r u c t i o n i s ma d e b a s e d o n t h e o ri g i n a l h y d r a u l i c c y l i n d e r ，w i t h t h e p o t e n t i a l e n e r g y s t o r e d i n t h e e n e r g y a c c u mu l a t o r ． T h e p o t e n t i a l e n e r gy c a n b e c o n v e r - t e d t o k i n e t i c e n e r gy b y e n e r gy a c c u mu l a t o r wh i c h f a c i l i t a t e s t o e l e v a t i n g t h e f r a me s t r u c t u r e ． Th e e n e r gy c o n s u mp t i o n i s c a l - c u l a t e d a n d c o mp a r e d，w i t h f u r t h e r c o mp a ris o n o f a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s b e t we e n o l d a n d n e w s c h e me s ， w h i c h i s a g o o d e x a mpl e o f e n e r gy c o n s e r v a t i o n a nd e mi s s i o n r e d u c t i o n f o r s t e e l c o mp a n i e s ． Ke y wo r d s w a l k i n g b e a m f u r n a c e ；e n e r g y c o n s e rva t i o n ；a c c u mu l a t o r ；l i f t c y l i n d e r ；t r a n s l a t i o n c y l i n d e r 目前 我 国正 由粗放型 向集 约型社会转 型，节 能改造是钢企降低能耗、提高产能的大趋势。炉 底机械是步进式加热炉 中的一 个重要设备 。它是 采用双层钢结构框架 、斜 坡双滚 轮式结构 ，通过 固定梁和步进梁 的矩形 运动使钢坯在炉 内做 步进 移动 。本文从升降液压缸将 步进梁和钢坯托 起 的 最大载荷 出发 ，利用其 自重 下降蓄能转换成 节能 利用 ，探讨 一种步进式加热 炉液压平衡节能 改造 装置 。主要功能是将步进梁 下降时在重力作 用下 产生的动能 和平衡装置 的势能 压力能 相互转 换 。当步进梁上升时作 为辅助能源补充到系统 中， 从而减小液 压系统压力 ，降低系统 功率损耗 ，达 到节能的效果。 l 技术 参数 以某钢厂加 热炉 的结 构参数 为模 型，根据其 技术改造工程技术 附件 ，加热炉炉底 机械 的已知 参数见表 1 。 4 各种系统的比较 老式淬火 起重机 电控 系统 由于技术 落后 ，现 在基本上不再使 用。采用变频器 的淬火起重机 电 控系统的优点 是系统调速性能优 良，缺点是 电动 机 、减速箱 以及变频器的容量均为常速时的两倍 ， 这样不仅初 投资 大，而 且运 行 时耗 能也 比较大 。 采用最新技术 的淬火起 重机 电控 系统 ，不仅可 以 快速下降运行 ，也具有优 良的上升 和下 降调速性 能 。其最大的优点是 电动机 的容量 与常速运行 时的相同，从而有效地减少了初投资。 电气 制动将 速 度降 至接近零 速再 机械 抱 闸， 制动轮和制动器 闸皮磨损小 ；制动减速快 ，行程 起重运输机械 2 0 1 3 4 短 ，淬火 油池 不需 要很 深 ，能有效 地 减少投 资 ； 若当起重机正在淬火作业 时电网突然停 电 ，工件 { 也能以 稳定的速度下放， 不仅避免起大火的危险， 还避免淬火工件报废 ，对大型工件尤其重要 。 参 考文献 [ 1 ]顾绳谷 ．电机与电力拖动 [ M] ． 北京机 械工业 出 版社 ， 作 者姚振南 地 址 太原市太 原重 型机械集团公司技术 中心 邮 编0 3 0 0 2 4 收稿 1 3 期 2 0 1 21 01 1 1 0 7 表 1 炉底机械技术参数 活动梁质量 G ／ t 8 0 水封槽质量 G ／ t 5 0 冷却水质量 G 3 ／ t 6 0 钢坯质量 ／ t 8 0 0 平移框架质量 G ／ t 2 0 5 提升框架质量 G ／ t 1 8 5 平移框架上 的总质量 G 。 G 2 G 3 1 1 9 5 G 4 G 5／t 提升框架 上的总质 量 ／ t l 3 8 0 液压 系统压力／ MP a 1 6～1 8 液压缸丁作压力 p ／ M P a l 6 蓄能器液压缸T作压力 p ／ M P a l 0 ． 6 斜轨座倾 角 。 l 1 ． 5 升降速度／ mm S 8 5 平移速度／ 1 n m s 7 8 ． 6 2 技术改造路线 2 ． 1 校核液压缸的能力 由于提升框 架上升时阻力最 大，平移液压缸 推力必须 大于车轮滚动静摩擦 ，才能完成上 升动 作 ，必须先计算车轮滚动摩擦 阻力来选型。假设 滚动静摩擦系数 0 ． 0 3 5 ，阻力计算如下 平 移 阻 力F l I 1 1 9 5 X 0 ． 0 3 5 41 ． 8 25 k N； 上 升 阻 力 F ，1 3 8 0 s i n l 1 ． 5 。0 ． 0 3 5 c o s 1 1 ． 5 。 1 1 9 5 0 ． 0 3 5 3 6 4 3 k N； 既然是节能改造 ，当然要从原炉底机 械液压 缸承载能力 出发来 校核 ，原设计计算 4个 升降液 压缸 4 , 2 8 o ／ 2 o o X 1 1 5 0的总推力 Ql 4 兀 ／ 4 D P 4 4 2 8 1 6 0 3 9 3 9 k N 即总推力 Q ， 3 9 3 9 k N上升最大阻力 3 6 4 3 k N，满足要求。 节能改造后 ，计算 2个升降液压缸 2 8 o ／ 2 o o 1 1 5 0和 2个 势 能 升 降 液 压 缸 4 , 2 8 o ／ 2 o o 1 1 5 0的总推力 Q 2 兀 ／ 4 D P 2 兀 ／ 4 D P 3 2 74 k N 即改造后总推力 Q 3 2 7 4 k N 上升阻力 F 2 3 6 4 3 k N，不能满足要求 ，考虑增大液压缸 型号和 一 1 08 一 推力来解决。在升降框架 斜 最 岛点 最低点 F 滑过程中，在 2个势能液压缸无杆腔 内形成 背压 ， 势必减慢下降速度。【大 J 此 ，在下降过程巾，泵需 向 配重缸有杆腔供油，通过比例阀调节速度、 2 ． 2蓄能器容积校核 由已知条件可知 ，蓄能器的最 小 I 作』 fi P 不能低于 1 6 MP a ，否则液压缸 町能无法驱 动步进 梁上升。这里暂 取 蓄能 器最小 工作 力 P ． 1 6 MP a ，最大工作压力 P ， 2 0 MP a 。 蓄能器的有 效工作 容积 按绝 热过程 进行 计算 [ ㈥ 一 P 2一 式中P 0为 充气压 力，P 00 ． 8 p l 3 Ml ’ a ， 氮气温度按常温计算 ；n为指数 ，绝热过程 ，， 1 ． 4 对于氮气或空气 ，1 ／ n 0 ． 7 1 5 ； 为充气 容积 ，近似为蓄能器总容积 ， l 4 0 0 I ；P ， 为 最低工作压力，P ． 1 6 MP a ；P 为最商 1 作J 力， P 2 0 M P a 。代入数据计算得 V w 1 7 8 L 根据附件，2个配重缸缸径为 2 8 o n l l n 。 则 2个液压缸的最大总容积为 2 X 兀 ／ 4 2 ． 8 X 1 1 ． 51 4 2 LVw1 78 L [大 J 此 ，按上述条件 选择 的蓄能器总 容积能满 足配重缸上升 的要求 两个配重缸 的有杆 腔应与 两个主升降缸 的有杆腔连通 ，才能保 证 F降时能 将配 重 缸 压 同，且 使 蓄 能 器 重新 充 油 升 压 至 2 0 MPa。 2 ． 3一年用电量 由于步进 梁液压 系统 采川 的足 J 变 泵 ， 这种泵的特性是在 负载压 力未达 到恒 点时 ，泵 以全流量输 出；在达到恒压点 时， 的输 流是 根据负载情况 自动调节。南于步进梁 的升降速度 靠 比例 阀控制 ，流量不可能达 到泵的全流量 ，冈 此泵 出口的压 力必须达到恒压 点 ，但流量没有 达 到泵 的全流量 ，泵也 不可能 是 以额 定功 牢 【 作 ， 而是以低 于额定功率 丁作 此 ，J } 1 电毓 庸为压 力 X 实 际流 量 。 计算时按 步进梁以最 大产量连续不 断 r作考 虑 ，则泵 的功 率变化 周期 为步进 梁 的T作用 期 ， 即上升 1 6 S 、前进 8 S 、下降 1 6 S 、后退 8 升降 最大速度为8 5 m t n ／ s ，平移最大速度为7 8 ． 6 mm ／ s 。 1 改造前的液压系统 起重运输机械 2 0 1 3 4 在泵的一 个工作周 期 内，泵 始终 以恒 压点工 作 ，工作压力均为P1 6 MP a 。 上升时升降液压缸 总流量 Q 4 X0 ． 2 57 1 2 ． 8 0 ． 856 0 1 2 5 6 L／rai n 在上升的 1 6 s内，泵的功率 P1 p O 1 ／ r l 1 6 X 1 2 5 6 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 4 1 9 k W r ／ 为总效率 ，取 0 ． 8 前进 时平 移 液 压 缸 总 流 量 Q 0 ． 2 5兀 2 ． 8 一 2 X 0 ． 7 8 66 01 4 2 L ／ rai n 在前进的 8 S内，泵 的功率 P p q 1 6 X 1 4 2 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 4 7 k W 卵为总效率 ，取 0 ． 8 下降时升降液压缸 总流量 Q ， 40 ． 2 5 X 7 c 2 ． 8 一 2 X 0 ． 8 5 6 0 6 1 5 I Jmi n 在下降的 1 6 s内，泵的功率 P p O 1 6 6 1 5 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 2 0 5 k W 卵为总效率 ，取 0 ． 8 后退时，平移液压 缸 总流量 Q 0 ． 2 5兀 2 ． 8 0 ． 78 6 6 0 2 9 0 L ／mi n 在后退 的 8 s内，泵 的功率 P p 9 1 6 X 2 9 0 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 9 7 k W 7 为总效率 ，取 0 ． 8 在一个步进周期 内，泵的平均功率为 P 4 1 9 X 1 64 7 X 82 0 5 X 1 69 78 ／ 1 681 68 2 3 2 k W 一 年生产时间按 7 0 0 0 h计算 ，则改造前 ，一 年液 压 站 的 总 用 电量 为2 3 2 k W 7 0 0 0 h 1 ． 6 2 1 0 k W．h E ] 2 改造后的液压系统 在一个 工作周 期 内，泵 始 终 以恒压 点 工作 ， 工作压力均为 P1 6 MP a 。 上升时升降液压缸 的数量 由改造前 的 4个减 为 2个 ，则升降液压缸总流量 Q 1 2 X 0 ． 2 5 X兀X 2 ． 8 0 ． 8 5 6 0 6 2 8 L ／ rai n 在上升 的 1 6 s内，泵 的功率 P p O ／ r l 1 6 6 2 8 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 2 0 9 k W 7 7 为总效率 ，取 0 ． 8 前进时平移液压缸总流量不变 ，Q Q 1 4 2 L ／rai n 在前进的 8 s内，泵 的功率 P 2 p 9 ／ 7 7 1 6 1 4 2 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 4 7 k WP 2 7 7 为总效率 ，取 0 ． 8 下降时升 降液压缸 有杆腔必 须 串联 ，数 量不 变，升降液压缸总流量 Q 3 Q 3 6 1 5 L ／ ra i n 在下 降的 l 6 s内，泵 的功率 P 。 p O ， ／ r l 1 6 6 1 5 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 2 0 5 k W 叼为总效率 ，取 0 ． 8 后退时平 移液 压缸 总流量 不变 ，Q Q 2 9 0 L／ rai n 起重运输机械 2 0 1 3 4 在后 退 的 8 S内 ，泵 的功率 P 4 p q ／ q 1 6 2 9 0 ／ 6 0 ／ 0 ． 8 9 7 k W 田为总效率 ，取 0 ． 8 在一个步进周期内 ，泵 的平均功率 P 2 0 9 X 1 6 4 7 X 82 0 5 X 1 69 7 X 8 ／ 1 6 8l 68 1 6 2 k W 一 年生产时间按 7 0 0 0 h计算 ，则基于势能液 压 缸 进 行 改 造 后 ，一 年 液 压 站 的 总用 电 量 为 1 6 2 7 0 0 0 1 ．1 3 X 1 0 k W．h 结果汇总见表 2 。 表 2改造前后一年用 电量 比较 基于势能液 改造前 压缸 蓄能器 进行 改造 后 液压站平均 功 - ／ k W 2 3 2 1 6 2 一 年用电量／ 1 0 k W h 1 6 2 1 1 3 按一 年的生产时 间 7 0 0 0 h计算 一 年节约 电量／ 1 0 k W h 4 9 按一 年的生产时间 7 0 0 0 h计算 3 结论 1 采用容积 1 4 0 0 L蓄能器 ，在 升降框 架从 斜面最高点 向最低 点下滑过程 中，其 内氮气所 集 蓄的能量转化成液压 能 ，基本可 以满足配重缸 上 升的要求。 2 此方案 的炉底机 械一般体积大 ，承载重 ， 设计时必须采用 4个升降液压缸 ，不宜采用 2个升 降液压缸来改造 ，但缺点是 2个升降液压缸和 2个 配重缸可能 因蓄能器给及油量大小 和主泵 流量不 一 致而造成提升不同步。 3 经向蓄能器厂家 H YD A C询价 ，粗 略估计 1 套 势能液压缸 蓄能器价格约为 3 O万元。为确保 蓄能器故 障时液压 系统仍 能正常生产 且生产节 奏不减慢 ，泵的数量 、油箱容积不变 。 参考 文献 [ 1 ]秦艳梅 ，郭天锡 ．步进式加热炉液压平衡装置的节能 分析[ J ] ． 设计通讯 ，2 0 0 7 2 1 9 2 2 ． [ 2 ]成大先 ．机械设计手册 [ M] ． 北京化学工业出版 社 ，2 0 0 8 ． 作 者刘小民 地 址湖北省武汉市东湖新技术开发区大学园路 3 3号 邮 编 4 3 0 2 2 3 收稿 日期 2 0 1 21 1 0 5 1 0 9