龍鋼3#高爐爐前液壓系統(tǒng)油液污染變質(zhì)的研判與控制措施
作者姓名：高忠純 唐曉東
作者單位：龍鋼公司煉鐵廠
摘要：煉鐵高爐爐前設(shè)備開口機、泥炮的動作主要依靠液壓傳動系統(tǒng)的應(yīng)用，液壓油的性能是液壓系統(tǒng)是否能正常工作重要因素，因爐前工況環(huán)境惡劣，液壓油的污染變質(zhì)極其嚴(yán)重，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作可靠性和元件的使用壽命。本文試以龍鋼公司煉鐵廠3#高爐爐前液壓油站液壓油的污染變質(zhì)問題為例對其形成原因進(jìn)行了深入分析，并提出了預(yù)防控制措施，對類似問題的解決有重要的參考意義。
關(guān)鍵詞：液壓油；污染變質(zhì)；污染控制
前 言
液壓傳動是以流體作為工作介質(zhì)對能量進(jìn)行傳遞和控制的一種傳動形式，液壓傳動在煉鐵高爐設(shè)備操作上已得到廣泛應(yīng)用，煉鐵液壓系統(tǒng)的適用工作介質(zhì)為46#抗磨液壓油，其因工況惡劣污染變質(zhì)較快，對正常生產(chǎn)經(jīng)常造成影響。如何分析研究油液污染的原因和污染的控制，提高液壓油的使用壽命，確保其在傳動和控制中傳遞能量和信號的正常作用，是一個極其重要而迫切的課題。
1 煉鐵3#高爐爐前液壓油站液壓油的變質(zhì)情形
1.1油液變質(zhì)的判定
龍鋼煉鐵3#高爐爐前液壓設(shè)備選用液壓油型號為昆侖牌L-HM46抗磨液壓油。該液壓油閃點為254℃；40℃時運動粘度為45.55mm²/s。100℃時運動粘度為6.5mm²/s。粘度指數(shù)為99，傾點-12℃。具有優(yōu)異的高壓抗磨性能，產(chǎn)品質(zhì)量符合中國石油Q/SY RH2043-2001、美國AFNOR NF E 48-603（HM）等規(guī)格要求。因其抗乳化性能好、防銹性能好、抗磨性能能好、可高速重載、應(yīng)用范圍寬，所以被煉鐵各高爐廣泛采用[1] 。且經(jīng)實踐證明在高爐爐頂、熱風(fēng)爐、調(diào)壓閥組等高爐設(shè)備液壓系統(tǒng)上使用均表現(xiàn)良好。但在爐前液壓站使用中發(fā)現(xiàn)該站液壓油使用3-4個月即出現(xiàn)污染變質(zhì)現(xiàn)象。2015年4月20日3#高爐爐前南場液壓站更換液壓油，至8月12日即發(fā)現(xiàn)油液變質(zhì)嚴(yán)重，用簡單常用的判斷方法目測法和比色法進(jìn)行檢測， [1]發(fā)現(xiàn)油液明顯污染變質(zhì)，具體表現(xiàn)為：
1.1.1 外觀變黑，與新油顏色，透明度相差極大。用濾紙過濾，濾紙上存留有黑色殘渣，且有異味。
1.1.2 酸值增加，用ph試紙顯示呈酸性，而不是堿性。
1.1.3 水分明顯，用透明杯裝50毫升，置于陽光下目測，油水分離較為明顯。
1.1.4 粘度變化大，手感稀薄，明顯變稀。
1.1.5 油箱底部發(fā)現(xiàn)有少量沉淀油泥，將其放在手指上捻捏，感覺粘附性強。
1.2 油樣檢測
送提取油樣交由專業(yè)機構(gòu)進(jìn)一步化驗，結(jié)果顯示如下表：
從上表中可以明顯看出：南場液壓站液壓油已出現(xiàn)污染、變質(zhì)、水分嚴(yán)重超出目標(biāo)控制值0.2%等多種不良現(xiàn)象，北場亦有相似現(xiàn)象。該液壓站液壓油的快速污染變質(zhì)必有其特定原因，必須深入分析，抓緊預(yù)防控制。
2 液壓油的變質(zhì)危害
液壓系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于各種設(shè)備，一個液壓系統(tǒng)能否正常工作，除系統(tǒng)設(shè)計、元件制造和維護(hù)外，油的清潔度是十分重要的因素。油液的污染直接影響系統(tǒng)的正常工作和使元件過度的磨損，甚至?xí)斐稍O(shè)備的故障。液壓油對液壓設(shè)備猶如血液對生命、清潔的液壓油在內(nèi)循環(huán)流動是保證設(shè)備正常運行和潤滑的重要條件。有關(guān)資料表明，爐前液壓系統(tǒng)70％-80％的工作不穩(wěn)定和出現(xiàn)故障都與液壓油的污染有關(guān)。其具體危害是：
2.1 固體顆粒
固體顆粒與膠狀生成物堵塞過濾器，使液壓泵吸油不暢、運轉(zhuǎn)困難，產(chǎn)生噪聲；堵塞閥類元件的小孔成縫隙，使閥類元件動作失靈；
2.2 微小顆粒
微小固體顆粒會加速有相對滑動零件表面的磨損，使液壓元件不能正常工作；同時，它也會劃傷密封件，使泄露流量增加；
2.3 水分和空氣的危害
水分和空氣的混入會降低潤滑油液的潤滑能力，并加速其氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速損壞；使液壓傳動系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等現(xiàn)象。
2.4 油液變質(zhì)的嚴(yán)重性
由于爐前液壓站液壓油的嚴(yán)重污染變質(zhì)，出現(xiàn)泥炮堵口無力現(xiàn)象，8月8日至10 日曾發(fā)生堵口失敗事故。對正常生產(chǎn)造成極大不利影響。且更換成本較大。必須盡快查找原因，解決根本問題。
3 液壓油污染變質(zhì)原因分析
3.1 污染物的分類
液壓系統(tǒng)中的污染物是指工作液體中一切對系統(tǒng)工作可靠性和元件使用壽命有害的物質(zhì)。從廣義來說，污染物可分為污染物質(zhì)和污染能量兩大類：
3.1.1 油液系統(tǒng)中的污染物：根據(jù)狀態(tài)可分為三種。
3.1.1.1 固態(tài)污染物常以顆粒狀存在于液壓系統(tǒng)油液中。其主要來源為液壓元件加工和裝配過程中殘留的金屬切屑、焊渣、型砂以及其他機械雜質(zhì)；元件運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的磨屑和銹蝕和銹蝕剝落物以及油液氧化、凝聚和分解產(chǎn)生的沉淀物；以及從外界侵入的塵埃和各種雜質(zhì)等。
3.1.1.2 液態(tài)污染物主要是從外界侵入系統(tǒng)的水分以及錯誤加入系統(tǒng)的不同牌號的油液。
3.1.1.3 氣態(tài)污染物主要是空氣。歸納起來，液壓系統(tǒng)內(nèi)的污染物質(zhì)主要有固體顆粒、水、空氣、化學(xué)物質(zhì)和微生物等。液壓油中常見的化學(xué)污染物有溶劑、表面活性化合物和油液氧化分解產(chǎn)物等。
3.2 污染能的危害
污染能量主要包括靜電、磁場、熱能以及放射線等。這些能量對液壓系統(tǒng)可能造成有害的影響，因而也可視為污染物。例如，靜電引起電化學(xué)腐蝕，并且可能引起從礦物質(zhì)液壓油中揮發(fā)出來的碳化合物燃燒而造成火災(zāi)。磁場的吸力可使鐵磁性的磨屑吸附在元件表面和間隙內(nèi)，引起元件的污染磨損和堵塞卡緊等故障。系統(tǒng)中過多的熱能使油溫升高而使?jié)櫥阅芙档秃宛ざ认陆担瑢?dǎo)致泄露增大，并致使油液變質(zhì)和密封老化失效等。[2]
3.3 分析3#爐爐前液壓站油液快速污染的實際原因按主次有以下幾種：
3.3.1 區(qū)域高溫對液壓油工作溫度的影響（能量污染）
3#爐前液壓系統(tǒng)在鐵口執(zhí)行部位直接受鐵口高溫輻射，系統(tǒng)吸收過多熱量導(dǎo)致液壓油溫度居高不下，造成油品的粘度變低，內(nèi)泄漏增多，油泵容積效率下降，磨損增加，尤其是液壓油長期在較高的溫度下工作加快了油品氧化，出現(xiàn)變黑、變稠的現(xiàn)象，嚴(yán)重縮短了液壓油的使用壽命，酸性氧化產(chǎn)生物進(jìn)一步腐蝕金屬，氧化產(chǎn)生的油泥進(jìn)一步堵塞油濾，潤滑油內(nèi)部的腐蝕物增加，工作中形成的酸性物質(zhì)、積炭、油泥、漆膜等增加泵的磨損，造成系統(tǒng)工作效率的大大下降。這是爐前液壓站液壓油快速污染變質(zhì)的獨特致因。
3.3.2液壓油中進(jìn)水（物質(zhì)污染）
從油質(zhì)化驗單可以看出，3#爐爐前液壓站液壓油已明顯進(jìn)水。液壓油中進(jìn)水，特別是大量的游離水，在液壓系統(tǒng)內(nèi)破壞了潤滑油膜的形成，油品潤滑性能急劇下降，使運動表面產(chǎn)生磨損，粘著和金屬疲勞，產(chǎn)生一些金屬磨粒，而這些金屬小顆粒，尤其是銅或鐵顆粒的存在，又會成為水與油品產(chǎn)生氧化分解反應(yīng)的催化，使反應(yīng)速度加快，反應(yīng)生成酸性腐蝕性產(chǎn)物，不溶性污染物等有害物質(zhì)，使得零部件受到腐蝕，閥門卡滯或形成油泥等。水會使油液的粘度上升，或油膜變薄。尤其是液壓油里的水會在爐前較高的溫度下與油產(chǎn)生過多氧化反應(yīng)，使油氧化變質(zhì)，降低了油品的使用壽命。水進(jìn)入油后增加了油的可壓縮性導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，從而引起系統(tǒng)故障。[3]
3.3.3 雜質(zhì)污染（物質(zhì)污染）
從油液觀察及化驗可以看出，3#爐爐前液壓站油液亦有明顯雜質(zhì)污染。其來源有以下幾種：
3.3.3.1 殘留物污染：液壓元件、系統(tǒng)管件、油箱等在制造、安裝、維修過程中，砂粒鐵屑、焊渣、銹片、油垢和灰塵等，雖經(jīng)清洗但未清洗干凈而殘留下來造成液壓油污染累積。
3.3.3.2侵入物的污染：主要是系統(tǒng)周圍環(huán)境中的污染物，即爐前惡劣空氣、各種飛揚的物質(zhì)顆粒、粉塵、水滴等通過一切可能的侵入點，尤其是外露的泥炮、開口機轉(zhuǎn)向活塞桿、油箱的通氣孔等侵入系統(tǒng)所造成的液壓油污染，以及維修過程中不注意清潔，甚至不用過濾器，過濾器數(shù)月清洗一次，濾網(wǎng)存在損壞，換油或補油時不注意過濾，臟油桶未經(jīng)過嚴(yán)格清洗拿來就用，從而把污染物帶入系統(tǒng)。[4]
3.3.3.3新油中含有雜質(zhì)，或油液流經(jīng)的油管和儲存油液的油桶含有雜質(zhì)，加油、換油時使用了不潔的過濾容器帶進(jìn)的污染物等。
3.3.3.4來自機械摩擦、變形和化學(xué)反應(yīng)等方面的污染。開口機、泥炮工作頻繁、負(fù)荷較大，此種污染更為明顯。
4 爐前液壓油污染的預(yù)防控制措施
根據(jù)以上原因分析，我們對爐前液壓站液壓油的污染變質(zhì)采取了一系列措施：
4.1 首先立即處理液壓系統(tǒng)的進(jìn)水問題：
4.1.1 使用真空脫水機脫水：油箱內(nèi)油量很大，完全報廢會增加生產(chǎn)成本，且進(jìn)水原因尚待探索，我們首先采用真空脫水機來除水，真空脫水機脫水法利用水在真空條件下蒸發(fā)溫度降低，蒸發(fā)量大的原理使油和水徹底分離，它可以很快除掉液壓油里的水分，包括大部分溶解水，此方法適用于處理大多數(shù)的進(jìn)水情況，包括嚴(yán)重乳化的油品，我們就是采用這種方法對液壓油進(jìn)行脫水并過濾，第一步治標(biāo)，粗步提高油液品質(zhì)，使其能繼續(xù)使用，延緩更換周期，進(jìn)一步查找原因，解決問題。通過脫水，使液壓油含水量降至0.5%，能基本維持正常使用。
4.1.2 分析液壓油進(jìn)水的原因，該系統(tǒng)進(jìn)水的最大可能在冷卻器，該冷卻器采用的是板式冷卻器，使用超過了18個月，該冷卻器特點是冷卻效果稍好，但容易泄漏混入水分，決定對其另行選型更換。9月5日采用了列管式油冷卻器，此種冷卻器密封良好，更換后于1月后檢測液壓油，水分含量完全同前。拆卸后的板式換熱器局部已有銹蝕現(xiàn)象，進(jìn)水根源即在此處。
4.2 控制液壓油的工作溫度：
3#爐爐前液壓站的工作油溫夏季最高在70℃左右，冬季略有好轉(zhuǎn)。高溫對液壓系統(tǒng)的工作元件不利，同時加速液壓油氧化進(jìn)程。一般機械液壓系統(tǒng)的工作溫度最好控制在65℃以下，工程機械液壓系統(tǒng)工作溫度以控制在80℃以下。所以，降低爐前液壓站的油液工作溫度已成為課題重點。
4.2.1 關(guān)鍵部位的技術(shù)改造：分析爐前環(huán)境，我們發(fā)現(xiàn)，最大的熱源在于爐前鐵溝對于泥炮打泥油缸的熱輻射，尤其在堵口至退炮的40分鐘里，泥炮經(jīng)受著鐵溝高達(dá)1000多℃的高溫輻射，且泥炮打泥油缸直徑450mm，有效行程1260mm，最大流量160L/mm,這直接提高了液壓系統(tǒng)的降溫障礙，是降低該站液壓油溫、釜底抽薪的關(guān)鍵所在。泥炮生產(chǎn)廠家設(shè)計的防輻射附件是在打泥油缸下部緊貼油缸外壁安裝列管式水冷板，但此種設(shè)計有明顯不足之處：里部列管較為分散，散熱功能過??；列管與油缸之間有空隙，隔熱效果不良；列管易結(jié)水垢，直接降低散熱效果（橫截面見圖1）。
于是對此進(jìn)行改造：將列管去除，改為水冷壁；里部設(shè)置迷宮，使水流循環(huán)，帶走更多熱量。改造后冷卻壁里部剖示圖見圖2
改造后觀察油溫，比改造前降低了3-5℃，使油溫在工作范圍允許之內(nèi)。
4.2.2 定期檢查清洗散熱器：散熱器外表面吸附的塵土、油污嚴(yán)重影響散熱器的散熱效果，要求操作工定期對散熱器進(jìn)行清洗，去除污物，每天白班接班后對其進(jìn)行清潔，使其保持良好的散熱性能，并記錄冷卻器的壓力、流量和水溫以確保其正常工作。
4.2.3在液壓站里加設(shè)兩臺600mm軸流風(fēng)機，加強通風(fēng)冷卻來進(jìn)一步減緩油溫的升高。
通過多管齊下的辦法，最終成功將油溫控制在55℃左右，圓滿實現(xiàn)了油溫控制。
4.3 液壓油的清潔管理
4.3.1 2015年9月2日更換了該站液壓油，污油放干凈后，人員進(jìn)入油箱里，用棉紗和面粉團(tuán)徹底清除了油箱內(nèi)的油泥和金屬屑。加入新油至油泵可以循環(huán)的最低油位，開動油泵打循環(huán)，并不斷進(jìn)行液壓系統(tǒng)的各種動作，以使在各種閥件和運動部件內(nèi)的沒能放掉的含水分的油流回到油箱。然后再將油箱排放干凈，換上新的耐磨液壓油。
4.3.2 同時在設(shè)備管理上從整個流程上強調(diào)清潔、防塵管理。 [5]
五 液壓油污染的控制效果
通過以上全方位探索、改造與管理，煉鐵3#爐爐前液壓站從15年9月2日更換液壓油以來，該站液壓油已安全運行4個多月，檢驗各項指標(biāo)檢測合格，具體效果見下表：
這些改造及措施有效提高了46#抗磨液壓油的使用周期二倍以上，年可節(jié)約20余萬元，降低了生產(chǎn)成本，減少了設(shè)備事故，提升了設(shè)備整體使用壽命，提高了生產(chǎn)效率，圓滿實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
六 結(jié)束語
爐前液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因是油液污染，這種污染的原因有著高度相似性，我們必須重視液壓油污染的后果，熟練掌握液壓油的基本特性，深入實際環(huán)境分析造成液壓油污染的具體原因，才能總結(jié)出多項的控制和預(yù)防措施，保證爐前液壓系統(tǒng)的正常運行，延長液壓元件的使用壽命，確保高爐正常生產(chǎn)，降本增效，扭虧圖存。
參考文獻(xiàn):
[1] 《液壓油的失效與防治》、《液壓與氣動》、肖述兵、2005年第11期
[2] 《新編液壓工程手冊》、北京理工大學(xué)出版社、雷天覺、1999年11月
[3] 《液壓技術(shù)手冊》、中國液壓機械網(wǎng)、范存德、2010年9月
[4] 《液壓傳動》、中國液壓機械網(wǎng)、張利平、2011年3月
[5] 《液壓系統(tǒng)使用與維修》、化學(xué)工業(yè)出版社、劉延俊、2014年6月