1. 技術研發背景

　　目前，無論是棒線材軋線還是板帶軋線所配置的加熱爐都以步進式居多，步進式加熱爐以其承載能力大、鋼坯溫度控制靈活、運行平穩可靠等優點在軋鋼生產中發揮著重要作用。

　　步進式加熱爐的步進機構主要由固定梁、步進梁、升降缸、平移缸及驅動液壓系統組成。其中步進梁的上升和下降由升降油缸沿升降導板斜面驅動，前進和后退由平移油缸驅動。步進式加熱爐通過步進梁的上升（從固定梁托起鋼坯）、前進（鋼坯前移）、下降（鋼坯落在固定梁上）和后退（空載返回）的循環動作完成鋼坯的加熱和輸送。步進梁的荷載非常大，在步進的動作循環中的最大出力是升降缸將步進梁和鋼坯托起的行程。由于荷載大，多采用2個或4個高壓大流量的升降油缸完成，下降時由于重力，步進梁可自動落回，升降缸無須出力。步進梁下降時重力做功的能量都變成了熱量，未得到充分利用。針對以上情況，首鋼國際工程公司技術團隊研發了液壓配重系統，該技術已獲國家發明專利,專利號ZL 2012 2 0200229.6。其特點是在步進梁升降機構中配置了一組“液壓彈簧”，“液壓彈簧”由2個配重油缸和蓄能器組成。液壓彈簧可將步進梁在下降時的能量以壓力能的形式蓄存起來，當步進梁上升時作為輔助動力補充到系統中助推步進梁的抬升。

　　2. 液壓配重系統的組成、工作原理和技術特點

　　2.1液壓配重系統的組成

　　步進梁動作時，通過步進梁的上升--前進--下降--后退的循環動作完成鋼坯的輸送和加熱。步進梁的結構形式主要有連桿托輪式和斜軌式兩種，前者已逐步淘汰，先進、大型的步進爐均采用斜軌式。帶有液壓配重系統的步進機構如圖1所示，液壓配重系統主要由配重缸、蓄能器和補油裝置等組成。配重缸的結構、行程、安裝形式與步進梁的升降缸相同；蓄能器由活塞式蓄能器和氮氣瓶組成；補油裝置由補油泵、油箱及壓力繼電器等組成。

　　2.2液壓配重系統的工作原理

　　關閉相關閥門，補油泵裝置電機啟動帶動補油泵給蓄能器組充液，達到一定壓力后，壓力繼電器發訊，電機停止轉動，打開關閉閥門，蓄能器和配重缸相通處于一定壓力下的工作狀態。當步進梁上升時，蓄能器中的油液進入配重缸的無桿腔，助推步進梁上升；當步進梁下降時，配重缸無桿腔中的油液被壓回蓄能器中，這樣反復工作。運行一段時間后，如果蓄能器中油液壓力降低，也就是油液有泄漏，壓力繼電器會發訊啟動補油泵給蓄能器充液，直到達到壓力設定值，壓力繼電器發訊，停泵。

　　圖1：帶有液壓配重系統的步進機構示意圖

　　1-固定梁；2-步進梁；3-平移缸；4-升降缸；5-主泵裝置；6-平移閥組；7-升降閥組；8-配重缸；9-蓄能器；10-補油裝置；11-管路附件

　　2.3液壓配重系統的技術特點

　　1）配重液壓系統組成很簡單，1臺小功率的電機泵裝置；1個小油箱；1組蓄能器；1組和原來一樣的升降油缸以及一些管路等構成了配重液壓系統；

　　2）配重系統除補充泄漏外不需要增加新動力，也無須特別維護；

　　3）對新建的步進式加熱爐可直接配置升降油缸和配重油缸，分配各自的提升荷載并確定系統壓力。可使原主系統設計能力大大減小，節省一次性投資。

　　4）對已建成生產的步進式加熱爐，可把原有4臺升降缸中的2臺直接改作配重缸使用。通過管路的切換，使其由液壓泵站供油改為與蓄能器連接，機械設備無需改動。此方案簡單易行、費用低，利用設備檢修時間即可完成，對生產幾乎無影響。視要求可通過油路的切換實現步進梁的“常規”和“配重”兩種工作模式。原有泵站工作泵數量減少，就能夠滿足步進梁實現正常運行，節約電力能源。很明顯，減少2臺工作主泵大大節約了電機消耗電能，改造后節能明顯。

　　3. 液壓配重系統的技術應用效果及前景

　　3.1  首鋼長治棒材生產線加熱爐采用液壓配重系統應用實例

　　3.1.1 首鋼長治棒材生產線加熱爐液壓配重系統技術參數

　　表1：首鋼長治棒材生產線加熱爐液壓配重系統技術參數表

    3.1.2 液壓配重系統泵站裝配

　　首鋼國際工程公司為首鋼長治棒材生產線加熱爐設計的配重液壓站實際安裝位置，如圖2所示。 

　　圖2  液壓配重系統泵站裝配圖實景

　　3.1.3步進爐液壓系統技術參數

　　表2：步進爐液壓系統技術參數表

　　3.1.4 步進梁液壓系統（帶配重液壓系統）投資分析

　　首鋼長治棒材生產線加熱爐所采用液壓配重系統，主要元件都是進口件。

　　首鋼長治棒材生產線加熱爐步進梁液壓系統（不帶配重液壓系統），主要元件都是進口，如液壓主泵、三級過濾器、冷卻器、主要電子產品等。

　　首鋼長治棒材生產線加熱爐步進梁液壓系統（帶液壓配重系統），主要元件都是進口，如液壓主泵、三級過濾器、冷卻器、主要電子產品等。

　　通過分析以上兩個方案發現，一次性投資相當，沒有增加一次投資成本，原因是：新建步進爐有了配重液壓系統，步進梁加熱爐液壓站的規模可大大減小，即步進梁加熱爐液壓站泵的數量（或規格）、冷卻器、過濾器的規格、管路、閥門的規格、油箱的容積及土建、電氣的投入等全部減小。

　　配備配重液壓系統后，加熱爐液壓站的高壓泵從5臺（4用1備）減至4臺（3用1備），每臺泵的電機是132kW，以每年工作7200h計：110 kW × 1 × 7200 h =792000 kWh 。粗算1臺爐子每年可節電近79萬度，如果按工業用電1.0元/度計算，一年就節約79萬元，節能效果也是非常明顯的。

　　備品備件消耗減少1/4。由于減少1臺泵組，相應的電機、高壓泵、過濾器、控制閥組、各種閥門、軟管等備品備件消耗均減少1/4。

　　3.2 某1580mm熱帶軋機生產線加熱爐改造技術方案

　　3.2.1某1580mm熱帶軋機生產線加熱爐主要技術參數：

　　步進梁總荷載：W =1380t（步進梁自重＋鋼坯重量）；

　　步進梁自重：W= 580 t （包括水梁、冷卻水等活動部分的重量）；

　　荷載（鋼坯最大重量）：W= 800 t；

　　液壓配重擬按步進梁總荷重的40％考慮；

　　配重荷載：W= 138040% = 552 t；

　　結構形式：斜軌式，傾斜角為；

　　升程：200mm；

　　有效行程：200mm =1003mm；

　　升降缸：Φ280/Φ200-1150  2臺（原設計，有效行程1003mm）；

　　平移缸：Φ280/Φ200-700   1臺（原設計，最大行程550mm）；

　　配重缸:Φ280/Φ200-1150   2臺（由升降缸置換）；

　　蓄能器:  1400L   1組（新增）；

　　步進周期：50s；上升、下降各16s；前進、后退各 8s；每個動作間隔0.5s。

　　配重系統投入后，步進機構的固定梁1、步進梁2、平移缸3、升降缸4、主泵裝置5、平移閥組6和升降閥組7均保持不變與原設計相同（見圖1）。只是將原有的4個升降缸保留2個，另2個直接改作配重缸8使用。改造后，配重缸8的尺寸、結構和安裝形式與升降缸4完全相同，僅油路做了調整。配重缸8和蓄能器9、補油裝置10等組成一個新的配重液壓系統。

　　工作中步進爐驅動液壓系統和配重液壓系統同時作用于步進梁。升降缸、平移缸由驅動液壓系統供油，配重缸由蓄能器供油。配重缸采用隨動設計，在步進梁“上升—前進—下降—后退”的動作循環中與升降缸始終同步，不介入因工藝要求而設定的速度控制。配重液壓系統和驅動液壓系統各自獨立設置，互不干擾，可確保步進梁的工藝速度曲線不受影響。

　　補油裝置10用于第一次對蓄能器油側充液和補充系統泄漏。補油裝置的啟停由壓力繼電器控制，油壓低于下限時，補油泵啟動補油；達到上限時，補油泵停止。配重缸8有桿腔油口處的管路附件11是一個三通呼吸器，其與油箱連接并與大氣相通，可使泄漏油順利排放，同時避免油箱的油被倒吸。

　　3.2.2  步進爐配重節能改造主要技術參數對比 

　　表3：步進爐配重節能改造主要技術參數對比表

　　從表3的分析對比中可以看出，其經濟效益主要有兩個方面：

　　1）節電1/3以上，配重節能改造后，加熱爐液壓站的高壓泵從5臺（4用1備）減至3臺（2用1備），每臺泵的電機是132kW，以每年工作6800h計：省掉的2臺工作電機實際耗電量為：132 kW × 2 × 7200 h =1900800 kWh（度）。每臺爐子每年可節電190萬度，以首鋼京唐1580mm熱軋廠為例，有3臺步進式加熱爐，按工業用電1.0元/度，1座加熱爐每年可節省電費190萬元，3座加熱爐一年就節約570萬元。其節能效果非常明顯，創造的經濟效益顯而易見。

　　2）備品備件消耗減少2/5。由于減少2臺泵組，相應的電機、高壓泵、過濾器、控制閥組、各種閥門、軟管等備品備件消耗均減少2/5，這方面投資也明顯減少。

　　3.3液壓配重系統的應用效果和前景

　　我國鋼鐵企業眾多，步進式加熱爐的數量成百上千。據考察，除在首鋼長治棒材生產線步進式加熱爐應用液壓配重系統外，目前沒有一家鋼鐵廠的步進式加熱爐應用了配重液壓系統技術，如能進一步推廣，經濟效益和社會效益將非常顯著。1座加熱爐每年可節省電費190萬元，1000座加熱爐就能節省19億元！

　　實踐證明，首鋼國際工程公司在首鋼長治棒材生產線步進式加熱爐采用的液壓配重系統專利技術，是一個非常好的創新理論應用實例，不但證明了該項技術開發方案可行，其實際使用效果也非常好，每年僅電費就可以為業主節約上百萬元，節能創收效果非常明顯。

　　4. 首鋼國際工程公司液壓技術設計開發團隊

　　首鋼國際工程公司設備開發成套部液壓成套團隊在技術上不斷創新，在液壓行業一直處于國內領先水平，形成了一支以教授級高工郭天錫、郝志杰、張彥濱、張雪、胡克鍵為主導，多名高級工程師秦艷梅、張艷、朱海軍、韓清剛、楊守志等為骨干，年輕設計師田秀平、楊鑫、李磊、張迪、李鋒、韓雪等組成的優秀團隊。近年來，完成了首鋼水鋼棒線材工程、首鋼長治高線工程、陜西龍門鋼鐵有限公司雙120萬t抗震鋼筋生產線工程、浦項光陽鋼廠4號熱軋托盤運輸工程、首鋼貴鋼高線工程、首鋼遷鋼熱軋酸洗線工程、首鋼京唐鋼鐵廠熱軋橫切機組工程等項目，多次獲得全國優秀工程設計和全國冶金行業優秀設計等獎項，并創造了多項發明和實用專利。