龍鋼3#高爐爐前液壓系統油液污染變質的研判與控制措施
作者姓名：高忠純 唐曉東
作者單位：龍鋼公司煉鐵廠
摘要：煉鐵高爐爐前設備開口機、泥炮的動作主要依靠液壓傳動系統的應用，液壓油的性能是液壓系統是否能正常工作重要因素，因爐前工況環境惡劣，液壓油的污染變質極其嚴重，嚴重影響液壓系統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問題為例對其形成原因進行了深入分析，并提出了預防控制措施，對類似問題的解決有重要的參考意義。
關鍵詞：液壓油；污染變質；污染控制
前 言
液壓傳動是以流體作為工作介質對能量進行傳遞和控制的一種傳動形式，液壓傳動在煉鐵高爐設備操作上已得到廣泛應用，煉鐵液壓系統的適用工作介質為46#抗磨液壓油，其因工況惡劣污染變質較快，對正常生產經常造成影響。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情形
1.1油液變質的判定
龍鋼煉鐵3#高爐爐前液壓設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。粘度指數為99，傾點-12℃。具有優異的高壓抗磨性能，產品質量符合中國石油Q/SY RH2043-2001、美國AFNOR NF E 48-603（HM）等規格要求。因其抗乳化性能好、防銹性能好、抗磨性能能好、可高速重載、應用范圍寬，所以被煉鐵各高爐廣泛采用[1] 。且經實踐證明在高爐爐頂、熱風爐、調壓閥組等高爐設備液壓系統上使用均表現良好。但在爐前液壓站使用中發現該站液壓油使用3-4個月即出現污染變質現象。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日即發現油液變質嚴重，用簡單常用的判斷方法目測法和比色法進行檢測， [1]發現油液明顯污染變質，具體表現為：
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 油箱底部發現有少量沉淀油泥，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機構進一步化驗，結果顯示如下表：
從上表中可以明顯看出：南場液壓站液壓油已出現污染、變質、水分嚴重超出目標控制值0.2%等多種不良現象，北場亦有相似現象。該液壓站液壓油的快速污染變質必有其特定原因，必須深入分析，抓緊預防控制。
2 液壓油的變質危害
液壓系統廣泛地應用于各種設備，一個液壓系統能否正常工作，除系統設計、元件制造和維護外，油的清潔度是十分重要的因素。油液的污染直接影響系統的正常工作和使元件過度的磨損，甚至會造成設備的故障。液壓油對液壓設備猶如血液對生命、清潔的液壓油在內循環流動是保證設備正常運行和潤滑的重要條件。有關資料表明，爐前液壓系統70％-80％的工作不穩定和出現故障都與液壓油的污染有關。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、運轉困難，產生噪聲；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，產生氣蝕，使液壓元件加速損壞；使液壓傳動系統出現振動、爬行等現象。
2.4 油液變質的嚴重性
由于爐前液壓站液壓油的嚴重污染變質，出現泥炮堵口無力現象，8月8日至10 日曾發生堵口失敗事故。對正常生產造成極大不利影響。且更換成本較大。必須盡快查找原因，解決根本問題。
3 液壓油污染變質原因分析
3.1 污染物的分類
液壓系統中的污染物是指工作液體中一切對系統工作可靠性和元件使用壽命有害的物質。從廣義來說，污染物可分為污染物質和污染能量兩大類：
3.1.1 油液系統中的污染物：根據狀態可分為三種。
3.1.1.1 固態污染物常以顆粒狀存在于液壓系統油液中。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；元件運轉中產生的磨屑和銹蝕和銹蝕剝落物以及油液氧化、凝聚和分解產生的沉淀物；以及從外界侵入的塵埃和各種雜質等。
3.1.1.2 液態污染物主要是從外界侵入系統的水分以及錯誤加入系統的不同牌號的油液。
3.1.1.3 氣態污染物主要是空氣。歸納起來，液壓系統內的污染物質主要有固體顆粒、水、空氣、化學物質和微生物等。液壓油中常見的化學污染物有溶劑、表面活性化合物和油液氧化分解產物等。
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，靜電引起電化學腐蝕，并且可能引起從礦物質液壓油中揮發出來的碳化合物燃燒而造成火災。磁場的吸力可使鐵磁性的磨屑吸附在元件表面和間隙內，引起元件的污染磨損和堵塞卡緊等故障。系統中過多的熱能使油溫升高而使潤滑性能降低和黏度下降，導致泄露增大，并致使油液變質和密封老化失效等。[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#爐前液壓系統在鐵口執行部位直接受鐵口高溫輻射，系統吸收過多熱量導致液壓油溫度居高不下，造成油品的粘度變低，內泄漏增多，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，出現變黑、變稠的現象，嚴重縮短了液壓油的使用壽命，酸性氧化產生物進一步腐蝕金屬，氧化產生的油泥進一步堵塞油濾，潤滑油內部的腐蝕物增加，工作中形成的酸性物質、積炭、油泥、漆膜等增加泵的磨損，造成系統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的獨特致因。
3.3.2液壓油中進水（物質污染）
從油質化驗單可以看出，3#爐爐前液壓站液壓油已明顯進水。液壓油中進水，特別是大量的游離水，在液壓系統內破壞了潤滑油膜的形成，油品潤滑性能急劇下降，使運動表面產生磨損，粘著和金屬疲勞，產生一些金屬磨粒，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生氧化分解反應的催化，使反應速度加快，反應生成酸性腐蝕性產物，不溶性污染物等有害物質，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生過多氧化反應，使油氧化變質，降低了油品的使用壽命。水進入油后增加了油的可壓縮性導致工作不穩定，從而引起系統故障。[3]
3.3.3 雜質污染（物質污染）
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：主要是系統周圍環境中的污染物，即爐前惡劣空氣、各種飛揚的物質顆粒、粉塵、水滴等通過一切可能的侵入點，尤其是外露的泥炮、開口機轉向活塞桿、油箱的通氣孔等侵入系統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，過濾器數月清洗一次，濾網存在損壞，換油或補油時不注意過濾，臟油桶未經過嚴格清洗拿來就用，從而把污染物帶入系統。[4]
3.3.3.3新油中含有雜質，或油液流經的油管和儲存油液的油桶含有雜質，加油、換油時使用了不潔的過濾容器帶進的污染物等。
3.3.3.4來自機械摩擦、變形和化學反應等方面的污染。開口機、泥炮工作頻繁、負荷較大，此種污染更為明顯。
4 爐前液壓油污染的預防控制措施
根據以上原因分析，我們對爐前液壓站液壓油的污染變質采取了一系列措施：
4.1 首先立即處理液壓系統的進水問題：
4.1.1 使用真空脫水機脫水：油箱內油量很大，完全報廢會增加生產成本，且進水原因尚待探索，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溫度降低，蒸發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的進水情況，包括嚴重乳化的油品，我們就是采用這種方法對液壓油進行脫水并過濾，第一步治標，粗步提高油液品質，使其能繼續使用，延緩更換周期，進一步查找原因，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 分析液壓油進水的原因，該系統進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象，進水根源即在此處。
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。高溫對液壓系統的工作元件不利，同時加速液壓油氧化進程。一般機械液壓系統的工作溫度最好控制在65℃以下，工程機械液壓系統工作溫度以控制在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 關鍵部位的技術改造：分析爐前環境，我們發現，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，泥炮經受著鐵溝高達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的降溫障礙，是降低該站液壓油溫、釜底抽薪的關鍵所在。泥炮生產廠家設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，但此種設計有明顯不足之處：里部列管較為分散，散熱功能過小；列管與油缸之間有空隙，隔熱效果不良；列管易結水垢，直接降低散熱效果（橫截面見圖1）。
于是對此進行改造：將列管去除，改為水冷壁；里部設置迷宮，使水流循環，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。
4.2.2 定期檢查清洗散熱器：散熱器外表面吸附的塵土、油污嚴重影響散熱器的散熱效果，要求操作工定期對散熱器進行清洗，去除污物，每天白班接班后對其進行清潔，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在液壓站里加設兩臺600mm軸流風機，加強通風冷卻來進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，人員進入油箱里，用棉紗和面粉團徹底清除了油箱內的油泥和金屬屑。加入新油至油泵可以循環的最低油位，開動油泵打循環，并不斷進行液壓系統的各種動作，以使在各種閥件和運動部件內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 同時在設備管理上從整個流程上強調清潔、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，年可節約20余萬元，降低了生產成本，減少了設備事故，提升了設備整體使用壽命，提高了生產效率，圓滿實現了預期目標。
六 結束語
爐前液壓系統發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，深入實際環境分析造成液壓油污染的具體原因，才能總結出多項的控制和預防措施，保證爐前液壓系統的正常運行，延長液壓元件的使用壽命，確保高爐正常生產，降本增效，扭虧圖存。
參考文獻:
[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》、北京理工大學出版社、雷天覺、1999年11月
[3] 《液壓技術手冊》、中國液壓機械網、范存德、2010年9月
[4] 《液壓傳動》、中國液壓機械網、張利平、2011年3月
[5] 《液壓系統使用與維修》、化學工業出版社、劉延俊、2014年6月