高炉环缝洗涤液压伺服系统控制指标分析

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高炉环缝洗涤系统是最新-代的湿法净化技术，也称作比肖夫系统，它将煤气净化、冷却、调节炉顶压力等功能集于-体。高炉炉顶压力不稳，会对高炉生产产生较大影响。高炉环缝洗涤系统控制的最终目的是除尘、降温和调节炉顶压力 。

目前国际公认的工艺数据，环缝洗涤器的差压损失控制 目标值为 25 kPa，压差波动范围精度为 ±5kPa，可保证煤气含尘量小于 10 mg/ITI ；对于不同容积的高炉，同时由TRT或旁通阀控制顶压，正池制在170～250 kPa，最高不超过 200～280 kPa，就可保证高炉正常生产。当由环缝洗涤器控制顶压时，顶压正常控制在这-范围，也可保证高炉正常生产 J。不管顶压控制 目标值为多少，其控制的波动值范围要求在 ±5 kPa。

l 环缝洗涤器液压伺服控制原理环缝洗涤系统的关键部件是环缝洗涤器，每个环缝洗涤器由固定的文丘里外壳、可上下移动的内锥体、驱动油缸装置、导向装置和连接装置等组成。通过环缝液压系统控制内锥体的上下运动，调节环缝洗涤器的环缝宽度来调节环缝的通道面积、气体的流速和压降，最终达到除尘和调节炉顶压力的目的。

环缝洗涤器液压伺服控制原理如图 1所示。图 1中Ps代表取压管检测的炉顶压力信号；PT代表油缸位移传感器的反馈信号。

图1 环缝洗涤器液压伺服控制原理环缝洗涤器液压伺服系统是典型的位置内环、压力外环的伺服控制系统，它主要由调节器、伺服放大器、伺服比例阀、位移传感器、压力传感器、液压缸及负载组成 。

在图 1中，调节环缝的宽度就是调节油缸的位移，油缸的动作响应直接影响炉顶顶压的目标值及其波动值。但是，仅仅知道 ±5 kPa的工艺指标是无法指导环缝洗涤器液压伺服控制 系统设计 的，必须根据-4-5 kPa的工艺指标来推导出环缝液压伺服控制系统的动静态控制指标。

2 环缝洗涤器设备控制指标分析目前，国际上的技术垄断方是几家欧洲公司：有采用三锥结构的环缝，也有采用单锥结构的环缝，但这几收稿日期：2013-04-08作者简介：吴卫 (1976- )，男，重庆永川人，高级工程师，硕士，主要研究方向为冶金液压系统设计与伺服控制。

2013年第8期 液压与气动 101家公司都没有提出环缝的设备控制指标，那么，如何由工艺指标来得到设备控制指标呢对于环缝设备的控制指标，在保证系统稳定的前提下，可以分解为环缝洗涤器控制的稳态精度和快速性要求。环缝洗涤器由液压缸直接驱动，对于环缝设备的控制指标，实际就是环缝液压缸位置控制的稳态精度和快速性要求。

显然，液压缸的位移和环缝的宽度是比例关系，而环缝的宽度 (行程)和通过环缝的煤气流量 Q、环缝两端的压力差值 卸 之间是-个确定的函数，即：QF(H，ap)得到这样的-个关系式，就可以根据不同容积高炉的煤气量和煤气变化量，以及系统要求的顶压值(出口压力是已知的)或差压值(恒差压工况时)得到此时的环缝液压缸位移 L或位移变化量△ ，具体分三个步骤进行：步骤-：通过 CAE仿真分析，得到环缝洗涤器流场特 曲线，图2为某型环缝洗涤器的流场特I生曲线示例。

；9∞ 6iNIIlj h 图2 煤气流量-环缝差压-环缝行程曲线根据环缝流场分析结果，得到环缝的行程 日和通过环缝的煤气流量 Q，环缝两端的压力差值 △p之间是- 个确定的拟合函数 QF(H，Ap)。

步骤二：高炉环缝洗涤器有两种控制方式，-种为控制高炉炉顶压力，另-种为控制环缝洗涤器前后压差∝制炉顶压力时，通过环缝洗涤器前后的煤气压降大，-般称为大差压模式；控制环缝洗涤器前后压差时，称为恒差压控制模式。

环缝液压缸的稳态精度，指的就是环缝进行完-个调节过程后，此时煤气流量已经趋于稳定，环缝液压缸行程也应该保持-个定值，实际液压缸行程和这个定值之间的误差，就是稳态精度。对于稳态精度的要求，也可以定义为在煤气流量稳定的状态下，允许液压缸位置波动而引起的环缝前后压差的变化量，即液压缸位置波动变化量。

当高炉炉顶的煤气流量发生变化的时候，为了保证炉顶压力或环缝前后差压保证恒定，波动的范围不超过 ±5 kPa，环缝开度必然要随之变化，此时不但要保证每-个变化过程结束后的稳态精度，还要保证调节过程的时间必须很短，这就是对环缝开度的快速性要求。显然，单位时间内煤气变化量越大，对环缝的快速性要求越高。

图3为不同流量下，某容积的高炉环缝压差与环缝行程的关系图。

不同流量下，环缝压差与开度的关系凶图3 煤气 流量-环 缝差压-环缝行程 曲线在图3中，环缝洗涤器在大差压模式下，环缝行程工作在歇口度下；环缝洗涤器在恒差压模式下，环缝行程工作在大开口下。对于某-固定煤气流量，同样的环缝行程的变化量在大差压模式下对应的压损 △p的变化量要远远大于在恒差压模式下对应的压损△p的变化量，故大差压模式下，对环缝行程的稳态精度要求最高，即在大差压模式下，对环缝液压缸的稳态精度要求最高。

同理，对于某-固定煤气流量下，当压损 却 发生变化时，对于压损 卸 的单位变化量，在大差压模式下环缝行程的调节量要远远小于在恒差压模式下对应的环缝行程的调节量；如果要求两者在相同时间内补偿压损 △p的变化量，恒差压模式下环缝行程调节的速度要求最高，即在恒差压模式下，对环缝液压缸的快速性要求最高。

另外，煤气流量变化量越大，对环缝液压缸的稳态精度和快速性要求越高，而此种工况通常出现在高炉生产异常崩料、塌料情况下。

步骤三：工艺要求为三个环缝同时调节时，保证炉顶压力波动范围为 ±5 kPa；不考虑管道滞后，炉顶压力波动近似为环缝前后压力波动，则单个环缝开度稳态精度引起的压力波动最大为5 kPa，而不是5/3 kPa。

因为单个环缝处理的是 1/3的煤气量，1/3煤气量的压力波动5 kPa对整个煤气量来说也应该是5/3 kPa，三个环缝加起来还是5 kPa。

因此，在3锥大差压崩料工况下，单个环缝通过煤气流量最大值为Q ，顶压值为p，这个值代入上述计算公式QF(H，△p)，求出h；带入(p±5)kPa求出h量 匝 ～～ --洞 二lO2 液压与气动 2013年第8期DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.08.029快锻机中二通比例插装阀内气蚀现象的流斥析冀 宏 ，程 源 ，高俊峰 ，芦光荣Flow Field Analysis on Cavitation Erosion in 2-way ProportionalCartridge Valve of Quick Forging PressJI Hong ，CHENG Yuan ，GAO Jun.feng ，LU Guang-rong(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州兰石重工有限公司，甘肃 兰州 730050)摘 要：利用FLUENT动网格技术对快锻机液压系统中二通比例插装阀内部出现的气蚀问题进行了分析，揭示出了其气蚀发生的机理。通过动态流场仿真发现插装阀主阀在快速关闭过程中，主阀芯上腔流场中会出现严重的负压现象，从而引起主阀芯上腔发生气泡析出，而当主阀再次快速开启时，气泡发生急剧溃灭，在溃灭处对周边零件表面造成冲击作用，主阀周期性的快速关闭和开启导致了气蚀的发生。

关键词：快锻机；二通比例插装阀；气蚀；动态流场仿真；负压中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)08-0102-04引言快锻液压机是2O世纪60年代发展起来的-种新型锻压设备，具有 自动化程度高、锻造频率快、锻造精度高等特点，广泛应用于机械、冶金、船舶、航空航天等收稿 日期：2013-0l-18基金项 目：甘肃势技支持计划(1011GKCA041)作者简介：冀宏(1972-)，男，陕西宁陕人，教授，博士，主要从事流体传动与控制技术的科研和教学工作。

值，通过比较，即为该工况下对应的环缝位置最高稳态精度需求值。

根据第二步的分析，hmin也是所有工况中环缝位置稳态精度的最高值。

以下分析快速性指标：锥阀恒差压崩料工况，假设炉顶压力 为P，环缝差压为△p，假设n段时间内煤气总量由正常值 Q 增加至Q：，最大煤气增量 Q：-Q。，单个环缝要处理的煤气量为(Q -Q )/3，对应环缝行程由h。增至h 。那么，按顶压检测时间的间隔求取每-瞬间内的位移量并通过比较，就能求得对应的环缝快速响应指标：1 film的阶跃时间：100/最大位移量。

由以上计算结果可知，1 mm的阶跃时间需求发生在崩料期的 1 mm的某阶跃时间，可将此 1 mm的阶跃时间作为此工况的环缝快速响应指标。

3 结论在阐述高炉炉况的基础上，根据高炉生产对炉顶压力和除尘的工况要求，对高炉环缝洗涤液压伺服系统控制指标进行了分析，得出如下结论：① 在环缝洗涤系统工作在大差压模式下，且高炉炉况发生崩料、塌料情况，此时对环缝洗涤液压伺服系统的稳态精度要求最高；② 在环缝洗涤系统工作在恒差压模式下，且高炉炉况发生崩料、塌料情况，此时对环缝洗涤液压伺服系统的快速性要求最高。

高炉环缝洗涤液压伺服系统设计只要满足以上两个极限工况的性能指标要求，就可以满足高炉环缝洗涤系统对控制指标的工艺要求。