炉顶料流阀故障分析

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昆钢炼铁厂六高炉是从卢森堡购置的二手设备，经过原重钢设计院“修、配、改”，于1998年12月26日建成投产使用，其炉顶、炉前、热风炉、重力除尘和比肖夫等均为液压传动控制。从投产至今液压控制系统运行十分稳定、故障率低，仅有炉顶料流调节阀液压控制系统故障多，给高炉的生产操作带来十分不利的影响。



PW型无料钟炉顶装料装置，布料溜槽在布料时既可以旋转也可以摆动，又可同时把两种运动复合起来形成矩阵布料。所以可让炉料在炉内任意区域以任意位置分布，如（可）单环布料、多环布料、螺旋布料、扇形布料、定点布料等，布料灵活非常有利于高炉操作和顺行降本。在高炉一次完整的单罐布料自动化流程中，炉料装料前，关闭料流阀，接着关闭下密封阀，排压阀排空料罐内余压，然后打开上密封阀，炉料经主皮带装入料罐后，关闭上密封阀，对料罐进行均压，和高炉内压力一致后打开下密封阀。依据布料矩阵、控制布料的速度，控制料流阀开度（通常为35度，料流阀油缸依据开度控制伸出长度）。矩阵布料完以后为了把料罐内的余料排空，最后还需要全开料流阀一次，接着下一次装料，循环这个流程。料流阀的开度控制和油缸的伸出控制成为无料钟炉顶布料控制的关键控制

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最近几年六高炉料流调节阀液压控制系统故障频发，多数故障发生后得到及时有效处理，没有影响高炉的正常操作，但是少部分故障由于十分隐蔽处理时间较长，对高炉的生产造成了不小的影响。



表1为料流调节阀液压系统改造前三年的故障统计。



从表1料流调节阀液压系统改造前三年的故障统计可以看出，料流调节阀故障有逐年增多的趋势，平均每个月都有一次故障发生。故障又以速度异常和开启时正常，停顿后不会动作为主。每次处理需影响正常下料约15分钟，对炉况和产量没有太大影响。但是发生油缸开启会伸出，停顿后需继续二次开启不会伸出故障，其中有三次处理时间超长，约8小时。每次单罐上料高炉减风操作，每小时减少两批料，铁产量减少约400吨，直接经济损失80000多元。间接经济损失为公司单系统生产，因减风造成煤气量减少对本部各生产系统煤气平衡对生产节奏的影响。经统计，六高炉料流调节阀液压控制系统主要有以下几个方面故障：



⑴ 油缸前后端、管道接头外泄漏故障，它们的主要表现为漏油；

⑵ 油缸不会动作故障，直接表现均为油缸活塞杆不能伸出或缩回；

⑶ 油缸速度异常故障，主要表现为油缸活塞杆伸出或者缩回速度忽快忽慢；

⑷ 油缸活塞杆第一次伸出到工作位正常，停顿后需活塞杆第二次继续伸出，但是活塞杆不能伸出故障。

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3.1 油缸前后端、管道接头外泄漏故障，一般是油缸前后端密封件尺寸不合适、硬度选择不合理导致耐压等级不高，密封失效所致。而管道接头外泄漏通常都是液压冲击导致管道接头松动，密封件损坏所致。



3.2 油缸不会动作故障，通常有几种原因：⑴电液换向阀没有得电；⑵电压过低电磁铁吸力不足；⑶电液换向阀阀芯卡塞没有换向；⑷液控单向阀没有打开等；



3.3 油缸速度异常故障，主要原因是油缸附件的单向节流阀开度忽大忽小或者节流口被部分堵塞所致。



3.4 油缸活塞杆第一次伸出到工作位正常，停顿后需活塞杆第二次继续伸出，但是活塞杆不能伸出故障，从故障表现可以排除不是电气、自控问题，而是纯液压故障。料流调节阀出现这种故障后，一般对其进行液压元件的更换，主要是更换液控单向阀和先导电磁阀，之后故障消除；但是近年出现这样的故障后，更换了：主阀1、先导电磁阀2、板式双单向节流阀3、管式单向节流阀5；板式液控单向阀6、油缸8后故障都得不到解决，部分阀甚至是更换了2～3次。根据设备故障表现可以分析判断，故障的主要原因是油缸附近有杆腔的液控单向阀没有打开所致，因为油缸活塞杆需第二次伸出时，系统压力油已经正常进入油缸无杆腔，如果有杆腔上的液控单向阀没有打开，那么油缸活塞杆是不会继续伸出的。

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4.1 油缸前后端、管道接头外泄漏故障处理

油缸前后端外泄漏，一般都是需要更换备用油缸。备用油缸修复时密封圈尺寸必须合适，密封圈槽里需安装支撑环。管道接头外泄漏，技术要点是油缸接头缠绕上密封材料，“O”形密封圈和组合密封垫圈尺寸必须合适，材质不能太软或太硬，太软容易被高压油击穿损坏，太硬密封效果不好，多数场合选择硬度为邵氏70°较好。此故障点检易发现易排除，对高炉正常生产布料影响不大，非主要原因。



4.2 油缸不会动作故障的处理

油缸不会动作，直接不能布料，电脑操作界面报警可以发现。处理步骤为：⑴检查电液换向阀电磁铁是否得电，电压是否正常；⑵如果正常接着检查电液换向阀阀芯是否换向；⑶如果阀芯换向检查油缸附近无杆腔、有杆腔压力是否正常；⑷之后检查液控单向阀是否打开，经过这几步检查油缸不会动作故障基本可以处理好，不会反复，非主要原因。



4.3 油缸速度异常故障的处理

油缸速度异常直接影响布料环数和阀门开度，此故障导致料流速度严重影响布料的环数，不能按正常布料矩阵要求布料，造成炉内煤气流分布不合理，引起炉况波动。处理此故障主要是调整单向节流阀的开度，把开度调整好后锁死单向节流阀的阀芯，避免阀芯被油液冲击发生改变。另外，还要注意单向节流阀阀芯被杂质堵塞而导致油缸速度异常。速度异常成为制约影响高炉正常生产布料的主要原因之一。

   

4.4 油缸活塞杆第一次伸出到工作位正常，停顿后需活塞杆第二次继续伸出，活塞杆不能伸出故障的处理

此故障出现直接导致高炉不能布料，排查不易，有时候需要几个小时观察处理，对高炉生产威胁较大，直接影响高炉顺行和生产经济性，成为影响高炉布料的最主要原因。从上面的故障分析可知，主要原因是油缸有杆腔一侧的液控单向阀没有打开，下面进一步分析该液控单向阀。



此阀内部结构如图2（a），工作原理为：当液压控制活塞4的下端无控制油X进入时，此阀为一般的单向阀，压力油可从A向B正向流动，不可以从B向A反向流动；反之，当从控制油口引入控制压力油X时，作用在控制活塞4的下端面产生的液压力使控制活塞4上抬，强迫单向阀芯3打开，此时压力油既可以从A流向B，也可以从B流向A。该阀一般用在A侧反向流有背压加载时，压力较高的场合。

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料流调节阀系统原理图知该回路采用了回油节流调速，目的是在回油路上产生节流背压，工作平稳缓冲料流阀的开启冲击，但是此回路导致背压过高，有杆腔内的压力被增压得比系统压力高出许多。正常工作油压：第一次开启时，无杆腔18.4Mpa，有杆腔18.4Mpa，第二次开启时，无杆腔18.4Mpa，而有杆腔压力会达到35Mpa；关闭时，无杆腔10Mpa，有杆腔18.4Mpa。查找原设计选用的液控单向阀控制压力特性图，如图3。图示横坐标为液控单向阀负载压力，纵坐标为液控单向阀打开最低控制油压力，实线表示的为一般液控单向阀，虚线表示的为先导型液控单向阀（本系统没有使用）。



从液控单向阀开启实线特性曲线图可以看出：负载压力与控制油压力大致如表2所示。




从上表可知，原液控单向阀正常打开理论上控制油压力必须大于等于14.2Mpa。下面定量核算六高炉料流调节阀开启液控单向阀处控制油压力。

查阅《设计手册》得压力油P流速V=2.5～7m/s,这里取流速v=5m/s，46#液压油在32℃时的运动粘度为u=74×10-6m/s,管道内径为d=8mm，则雷诺数

==540，（当Re＜Recr为层流，当Re＞Recr为紊流；层流，λ=75/Re；紊流，λ=0.3164Re-0.25，圆形光滑管道Recr=2320）。

那么控制油到液控单向阀处的压力损失由公式

λ-沿程阻力系数；

l-直管长度，该处取l=20m；

d-管道内径，该处压力油管道通径为8mm；

v-油液平均流速，该处取v=5m/s；

ρ-油液密度, 取ρ=900kg/m3。

P-该处直通管前端压力为18.4Mpa,



计算得：=3.9Mpa，到达液控单向阀处的控制油压力为P后=P前-Pλ=18.4-3.9=14.5Mpa，说明液控单向阀设计选型理论上大于打开液控单向阀负载压力为35Mpa所需的最低控制油压力14.2Mpa。查阅《技术样本手册》知此阀最高工作压力为25Mpa，而现场此阀的正常工作压力是35Mpa超过其最高设计压力的40%。该液控单向阀长期超设计压力使用会致其性能降低，阀壳、阀芯出现微小的塑性变形导致阀芯移动困难。另外，油缸活塞杆第一次刚伸出的时候有杆腔液控单向阀锁住的压力为上次关闭时系统压力18.4Mpa，而油缸活塞杆需第二次伸出时液控单向阀锁住的管路压力为35Mpa。显而易见此系统控制油压力第一次打开液控单向阀很容易，但是第二次打开液控单向阀就显得十分吃力，此时如果再叠加阀壳微量变形、阀芯移动困难的阻力，那么就可能出现液控单向阀不能打开，即油缸活塞杆第一次伸出正常，停顿布料后需第二次继续伸出就不会动的故障。此隐形故障需要一定积累才出现，一旦出现，不易找到原因且处理时间较长。



经过以上分析，在不增加控制油压力的情况下，能不能顺利轻松打开液控单向阀？随着新的液压技术进步和液控单向阀结构优化，我们找到了一种卸荷型且耐压等级更高的液控单向阀——力士乐先导式液控单向阀：型号SL20PA1，其内部结构如图2（b）所示。从图3液控单向阀开启虚线特性曲线图A可以看出：负载压力与控制油压力特性如表3所示。



从表3可知料流调节阀正常工作压力达到35Mpa的时候，开启该新型液控单向阀所需的控制油压力仅为1.6Mpa，可以很轻松的导通液控单向阀开启油路。可以解决B腔压力较高单向阀难以打开的问题。从结构上看，该型号液控单向阀的特点是主阀芯在传统阀芯上又设计了一小卸荷阀（如图2（b）），当需反向打开主阀芯时，控制压力油控制活塞先把卸荷阀顶开一较小距离，使B腔与A腔连通把B腔内的压力先降下来些，之后控制活塞不需要太大的力便可将主阀芯打开，让油液实现反向流通。由于卸荷阀芯承压面积小，即使B腔压力较高，作用在小锥阀芯上的力还是较小，这种分两步开阀的方式，可大大降低反向开启所需的控制油压力。



4.5 新增加一套备用液压控制系统改造

通过以上分析，为了解决六高炉料流调节阀液压控制系统出现故障后处理时间过长影响正常生产，需要对原有控制系统进行技改。一是直接把原来系统中的液控单向阀改为新型的液控单向阀；二是新增加一套备用液压控制回路。这套备用液压回路控制原理没有改变，只是把油缸附件的单向节流阀和液控单向阀叠加集成到液压站阀台上。



优化对比两个方案，原系统直接改用新型液控单向阀能够优化和提高控制精度，但是出现故障依然需要排查时间会影响高炉生产，而且原有备件不能再使用形成浪费；直接增加一套料流阀液压控制系统，费用没有大的增加，但是出现故障时候可以直接接通油路切换控制系统继续生产，耗时少，而且备件也可以互为备用，故障可以离线排查。为了更可靠和不浪费，技改时候选用了方案二。图四为现在六高炉料流调节阀液压控制系统原理图。左边的为原液压控制系统，右边的为新增加备用液压控制系统。正常情况下把截止阀1、2、3、4打开，截止阀5、6、7、8关闭使用原液压控制系统。当原来的液压控制系统出现故障后，把截止阀1、2、3、4关闭，截止阀5、6、7、8打开料流调节阀即可正常运行，切换耗时不超5分钟，故高炉正常操作不会受到影响。