龙钢3#高炉炉前液压系统油液污染变质的研判与控制措施
作者姓名：高忠纯 唐晓东
作者单位：龙钢公司炼铁厂
摘要：炼铁高炉炉前设备开口机、泥炮的动作主要依靠液压传动系统的应用，液压油的性能是液压系统是否能正常工作重要因素，因炉前工况环境恶劣，液压油的污染变质极其严重，严重影响液压系统的工作可靠性和元件的使用寿命。本文试以龙钢公司炼铁厂3#高炉炉前液压油站液压油的污染变质问题为例对其形成原因进行了深入分析，并提出了预防控制措施，对类似问题的解决有重要的参考意义。
关键词：液压油；污染变质；污染控制
前 言
液压传动是以流体作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式，液压传动在炼铁高炉设备操作上已得到广泛应用，炼铁液压系统的适用工作介质为46#抗磨液压油，其因工况恶劣污染变质较快，对正常生产经常造成影响。如何分析研究油液污染的原因和污染的控制，提高液压油的使用寿命，确保其在传动和控制中传递能量和信号的正常作用，是一个极其重要而迫切的课题。
1 炼铁3#高炉炉前液压油站液压油的变质情形
1.1油液变质的判定
龙钢炼铁3#高炉炉前液压设备选用液压油型号为昆仑牌L-HM46抗磨液压油。该液压油闪点为254℃；40℃时运动粘度为45.55mm²/s。100℃时运动粘度为6.5mm²/s。粘度指数为99，倾点-12℃。具有优异的高压抗磨性能，产品质量符合中国石油Q/SY RH2043-2001、美国AFNOR NF E 48-603（HM）等规格要求。因其抗乳化性能好、防锈性能好、抗磨性能能好、可高速重载、应用范围宽，所以被炼铁各高炉广泛采用[1] 。且经实践证明在高炉炉顶、热风炉、调压阀组等高炉设备液压系统上使用均表现良好。但在炉前液压站使用中发现该站液压油使用3-4个月即出现污染变质现象。2015年4月20日3#高炉炉前南场液压站更换液压油，至8月12日即发现油液变质严重，用简单常用的判断方法目测法和比色法进行检测， [1]发现油液明显污染变质，具体表现为：
1.1.1 外观变黑，与新油颜色，透明度相差极大。用滤纸过滤，滤纸上存留有黑色残渣，且有异味。
1.1.2 酸值增加，用ph试纸显示呈酸性，而不是碱性。
1.1.3 水分明显，用透明杯装50毫升，置于阳光下目测，油水分离较为明显。
1.1.4 粘度变化大，手感稀薄，明显变稀。
1.1.5 油箱底部发现有少量沉淀油泥，将其放在手指上捻捏，感觉粘附性强。
1.2 油样检测
送提取油样交由专业机构进一步化验，结果显示如下表：
从上表中可以明显看出：南场液压站液压油已出现污染、变质、水分严重超出目标控制值0.2%等多种不良现象，北场亦有相似现象。该液压站液压油的快速污染变质必有其特定原因，必须深入分析，抓紧预防控制。
2 液压油的变质危害
液压系统广泛地应用于各种设备，一个液压系统能否正常工作，除系统设计、元件制造和维护外，油的清洁度是十分重要的因素。油液的污染直接影响系统的正常工作和使元件过度的磨损，甚至会造成设备的故障。液压油对液压设备犹如血液对生命、清洁的液压油在内循环流动是保证设备正常运行和润滑的重要条件。有关资料表明，炉前液压系统70％-80％的工作不稳定和出现故障都与液压油的污染有关。其具体危害是：
2.1 固体颗粒
固体颗粒与胶状生成物堵塞过滤器，使液压泵吸油不畅、运转困难，产生噪声；堵塞阀类元件的小孔成缝隙，使阀类元件动作失灵；
2.2 微小颗粒
微小固体颗粒会加速有相对滑动零件表面的磨损，使液压元件不能正常工作；同时，它也会划伤密封件，使泄露流量增加；
2.3 水分和空气的危害
水分和空气的混入会降低润滑油液的润滑能力，并加速其氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速损坏；使液压传动系统出现振动、爬行等现象。
2.4 油液变质的严重性
由于炉前液压站液压油的严重污染变质，出现泥炮堵口无力现象，8月8日至10 日曾发生堵口失败事故。对正常生产造成极大不利影响。且更换成本较大。必须尽快查找原因，解决根本问题。
3 液压油污染变质原因分析
3.1 污染物的分类
液压系统中的污染物是指工作液体中一切对系统工作可靠性和元件使用寿命有害的物质。从广义来说，污染物可分为污染物质和污染能量两大类：
3.1.1 油液系统中的污染物：根据状态可分为三种。
3.1.1.1 固态污染物常以颗粒状存在于液压系统油液中。其主要来源为液压元件加工和装配过程中残留的金属切屑、焊渣、型砂以及其他机械杂质；元件运转中产生的磨屑和锈蚀和锈蚀剥落物以及油液氧化、凝聚和分解产生的沉淀物；以及从外界侵入的尘埃和各种杂质等。
3.1.1.2 液态污染物主要是从外界侵入系统的水分以及错误加入系统的不同牌号的油液。
3.1.1.3 气态污染物主要是空气。归纳起来，液压系统内的污染物质主要有固体颗粒、水、空气、化学物质和微生物等。液压油中常见的化学污染物有溶剂、表面活性化合物和油液氧化分解产物等。
3.2 污染能的危害
污染能量主要包括静电、磁场、热能以及放射线等。这些能量对液压系统可能造成有害的影响，因而也可视为污染物。例如，静电引起电化学腐蚀，并且可能引起从矿物质液压油中挥发出来的碳化合物燃烧而造成火灾。磁场的吸力可使铁磁性的磨屑吸附在元件表面和间隙内，引起元件的污染磨损和堵塞卡紧等故障。系统中过多的热能使油温升高而使润滑性能降低和黏度下降，导致泄露增大，并致使油液变质和密封老化失效等。[2]
3.3 分析3#炉炉前液压站油液快速污染的实际原因按主次有以下几种：
3.3.1 区域高温对液压油工作温度的影响（能量污染）
3#炉前液压系统在铁口执行部位直接受铁口高温辐射，系统吸收过多热量导致液压油温度居高不下，造成油品的粘度变低，内泄漏增多，油泵容积效率下降，磨损增加，尤其是液压油长期在较高的温度下工作加快了油品氧化，出现变黑、变稠的现象，严重缩短了液压油的使用寿命，酸性氧化产生物进一步腐蚀金属，氧化产生的油泥进一步堵塞油滤，润滑油内部的腐蚀物增加，工作中形成的酸性物质、积炭、油泥、漆膜等增加泵的磨损，造成系统工作效率的大大下降。这是炉前液压站液压油快速污染变质的独特致因。
3.3.2液压油中进水（物质污染）
从油质化验单可以看出，3#炉炉前液压站液压油已明显进水。液压油中进水，特别是大量的游离水，在液压系统内破坏了润滑油膜的形成，油品润滑性能急剧下降，使运动表面产生磨损，粘着和金属疲劳，产生一些金属磨粒，而这些金属小颗粒，尤其是铜或铁颗粒的存在，又会成为水与油品产生氧化分解反应的催化，使反应速度加快，反应生成酸性腐蚀性产物，不溶性污染物等有害物质，使得零部件受到腐蚀，阀门卡滞或形成油泥等。水会使油液的粘度上升，或油膜变薄。尤其是液压油里的水会在炉前较高的温度下与油产生过多氧化反应，使油氧化变质，降低了油品的使用寿命。水进入油后增加了油的可压缩性导致工作不稳定，从而引起系统故障。[3]
3.3.3 杂质污染（物质污染）
从油液观察及化验可以看出，3#炉炉前液压站油液亦有明显杂质污染。其来源有以下几种：
3.3.3.1 残留物污染：液压元件、系统管件、油箱等在制造、安装、维修过程中，砂粒铁屑、焊渣、锈片、油垢和灰尘等，虽经清洗但未清洗干净而残留下来造成液压油污染累积。
3.3.3.2侵入物的污染：主要是系统周围环境中的污染物，即炉前恶劣空气、各种飞扬的物质颗粒、粉尘、水滴等通过一切可能的侵入点，尤其是外露的泥炮、开口机转向活塞杆、油箱的通气孔等侵入系统所造成的液压油污染，以及维修过程中不注意清洁，甚至不用过滤器，过滤器数月清洗一次，滤网存在损坏，换油或补油时不注意过滤，脏油桶未经过严格清洗拿来就用，从而把污染物带入系统。[4]
3.3.3.3新油中含有杂质，或油液流经的油管和储存油液的油桶含有杂质，加油、换油时使用了不洁的过滤容器带进的污染物等。
3.3.3.4来自机械摩擦、变形和化学反应等方面的污染。开口机、泥炮工作频繁、负荷较大，此种污染更为明显。
4 炉前液压油污染的预防控制措施
根据以上原因分析，我们对炉前液压站液压油的污染变质采取了一系列措施：
4.1 首先立即处理液压系统的进水问题：
4.1.1 使用真空脱水机脱水：油箱内油量很大，完全报废会增加生产成本，且进水原因尚待探索，我们首先采用真空脱水机来除水，真空脱水机脱水法利用水在真空条件下蒸发温度降低，蒸发量大的原理使油和水彻底分离，它可以很快除掉液压油里的水分，包括大部分溶解水，此方法适用于处理大多数的进水情况，包括严重乳化的油品，我们就是采用这种方法对液压油进行脱水并过滤，第一步治标，粗步提高油液品质，使其能继续使用，延缓更换周期，进一步查找原因，解决问题。通过脱水，使液压油含水量降至0.5%，能基本维持正常使用。
4.1.2 分析液压油进水的原因，该系统进水的最大可能在冷却器，该冷却器采用的是板式冷却器，使用超过了18个月，该冷却器特点是冷却效果稍好，但容易泄漏混入水分，决定对其另行选型更换。9月5日采用了列管式油冷却器，此种冷却器密封良好，更换后于1月后检测液压油，水分含量完全同前。拆卸后的板式换热器局部已有锈蚀现象，进水根源即在此处。
4.2 控制液压油的工作温度：
3#炉炉前液压站的工作油温夏季最高在70℃左右，冬季略有好转。高温对液压系统的工作元件不利，同时加速液压油氧化进程。一般机械液压系统的工作温度最好控制在65℃以下，工程机械液压系统工作温度以控制在80℃以下。所以，降低炉前液压站的油液工作温度已成为课题重点。
4.2.1 关键部位的技术改造：分析炉前环境，我们发现，最大的热源在于炉前铁沟对于泥炮打泥油缸的热辐射，尤其在堵口至退炮的40分钟里，泥炮经受着铁沟高达1000多℃的高温辐射，且泥炮打泥油缸直径450mm，有效行程1260mm，最大流量160L/mm,这直接提高了液压系统的降温障碍，是降低该站液压油温、釜底抽薪的关键所在。泥炮生产厂家设计的防辐射附件是在打泥油缸下部紧贴油缸外壁安装列管式水冷板，但此种设计有明显不足之处：里部列管较为分散，散热功能过小；列管与油缸之间有空隙，隔热效果不良；列管易结水垢，直接降低散热效果（横截面见图1）。
于是对此进行改造：将列管去除，改为水冷壁；里部设置迷宫，使水流循环，带走更多热量。改造后冷却壁里部剖示图见图2
改造后观察油温，比改造前降低了3-5℃，使油温在工作范围允许之内。
4.2.2 定期检查清洗散热器：散热器外表面吸附的尘土、油污严重影响散热器的散热效果，要求操作工定期对散热器进行清洗，去除污物，每天白班接班后对其进行清洁，使其保持良好的散热性能，并记录冷却器的压力、流量和水温以确保其正常工作。
4.2.3在液压站里加设两台600mm轴流风机，加强通风冷却来进一步减缓油温的升高。
通过多管齐下的办法，最终成功将油温控制在55℃左右，圆满实现了油温控制。
4.3 液压油的清洁管理
4.3.1 2015年9月2日更换了该站液压油，污油放干净后，人员进入油箱里，用棉纱和面粉团彻底清除了油箱内的油泥和金属屑。加入新油至油泵可以循环的最低油位，开动油泵打循环，并不断进行液压系统的各种动作，以使在各种阀件和运动部件内的没能放掉的含水分的油流回到油箱。然后再将油箱排放干净，换上新的耐磨液压油。
4.3.2 同时在设备管理上从整个流程上强调清洁、防尘管理。 [5]
五 液压油污染的控制效果
通过以上全方位探索、改造与管理，炼铁3#炉炉前液压站从15年9月2日更换液压油以来，该站液压油已安全运行4个多月，检验各项指标检测合格，具体效果见下表：
这些改造及措施有效提高了46#抗磨液压油的使用周期二倍以上，年可节约20余万元，降低了生产成本，减少了设备事故，提升了设备整体使用寿命，提高了生产效率，圆满实现了预期目标。
六 结束语
炉前液压系统发生故障的主要原因是油液污染，这种污染的原因有着高度相似性，我们必须重视液压油污染的后果，熟练掌握液压油的基本特性，深入实际环境分析造成液压油污染的具体原因，才能总结出多项的控制和预防措施，保证炉前液压系统的正常运行，延长液压元件的使用寿命，确保高炉正常生产，降本增效，扭亏图存。
参考文献:
[1] 《液压油的失效与防治》、《液压与气动》、肖述兵、2005年第11期
[2] 《新编液压工程手册》、北京理工大学出版社、雷天觉、1999年11月
[3] 《液压技术手册》、中国液压机械网、范存德、2010年9月
[4] 《液压传动》、中国液压机械网、张利平、2011年3月
[5] 《液压系统使用与维修》、化学工业出版社、刘延俊、2014年6月