新型整體式探尺的研發(fā)

凌云 中冶華天工程技術(shù)有限公司（243005）凌云（1981年～），男，碩士。工程師。

0 探尺的工作特性

爐頂系統(tǒng)是高爐的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，而探尺是爐頂系統(tǒng)中的重要設(shè)備,作為高爐的“眼睛”，探尺的作用是正確探測料面下降情況。它的測量結(jié)果反映爐料下降速度和爐況是否正常，是高爐布料作業(yè)的重要依據(jù)。探尺工作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性對高爐的順暢生產(chǎn)起著關(guān)鍵性的作用。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外使用的機(jī)械式探尺主要為機(jī)械分體式探尺和普通機(jī)械式整體探尺。

從工藝布置上來看，由于爐頂位置狹小，很難放置大型設(shè)備，機(jī)械分體式探尺設(shè)備由于體積較大，很難整體安裝于爐頂上，所以探尺的驅(qū)動裝置安裝于高爐卷揚(yáng)機(jī)室，通過鋼絲繩和天輪傳動到爐頂探尺本體卷筒（見圖1），再通過卷筒轉(zhuǎn)動帶動重錘做提升或下降運(yùn)動，此種方式傳動距離超長，鋼絲繩容易松弛，故障點(diǎn)多，占地面積大，設(shè)備集成度低，安裝調(diào)整和檢修都比較困難。市場上改進(jìn)后的普通機(jī)械式整體探尺雖然體積相對縮小，可以直接整體安裝于爐頂（見圖2），但還是容易和其他爐頂設(shè)備沖突，尤其是在檢修時(shí)，非常困難。因此現(xiàn)存探尺仍存在體積過大的問題。

圖1 機(jī)械分體式探尺設(shè)備

圖2 可整體安裝在爐頂?shù)奶匠?/p>

從工作特性來看，探尺的工作狀態(tài)主要分為四個(gè)階段：提尺、停尺、放尺和浮尺。

探尺這4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換除了從放尺到浮尺外，其余均是根據(jù)位置編碼器和主令控制器的位置信號以及爐頂裝料程序的指令來轉(zhuǎn)換的。放尺到浮尺則依靠變頻器的力矩和速度的雙重控制來實(shí)現(xiàn)。

1 放尺與浮尺的過程

首先，變頻器控制電機(jī)輸出力矩M進(jìn)行放尺，顯然:

式中， G錘—重錘的重量，kg

R—卷筒的半徑，m

M阻—摩擦等阻力矩，N·m

△M放—放尺驅(qū)動力矩，N·m

重錘在△M放的作用下，勻加速下降。當(dāng)速度達(dá)到設(shè)定值V放時(shí)，變頻器控制重錘勻速下降。當(dāng)重錘觸及料面時(shí)，此時(shí)V放≈0，變頻器控制電機(jī)輸出力矩M浮使探尺進(jìn)入浮尺狀態(tài)。同樣:

在式1和式2中，放尺驅(qū)動力矩△M放和浮尺的校正力矩△M浮是控制的關(guān)鍵，一般取:

式中 M額—電機(jī)的額定力矩，N·m。

這樣，當(dāng)重錘到達(dá)料面時(shí)，電機(jī)會以比放尺力矩M放稍大的浮尺力矩M浮校正重錘因放尺時(shí)的慣性作用而使其可能出現(xiàn)的傾斜等不良狀態(tài)。

探尺的傳動阻力矩M阻主要由以下因素組成：減速器的綜合阻力矩、卷筒軸承處的摩擦阻力矩、卷筒軸旋轉(zhuǎn)密封副的摩擦阻力矩、主令控制器的附加阻力矩、聯(lián)軸器等其他阻力矩。從式1和式2不難看出:M阻應(yīng)遠(yuǎn)小于G錘R，并且M阻的波動越小越好，這會提高探尺的探測精度。因?yàn)镸阻過大的話，△M放就會偏小，達(dá)不到M額× 20%，而△M浮就會更小，也達(dá)不到M額×10%。變頻器受到精度范圍的限制，過小的力矩值是調(diào)不出來的，這就會造成一定程度的重錘傾斜甚至沉在料面。對于M阻的波動值△M阻也是一樣，特別是那些無規(guī)律的波動(例如齒輪的局部嚙合阻力矩)，如果M阻過大，其波動值△M阻也過大的話，則有可能在放尺的中途因△M阻的作用而讓變頻器誤認(rèn)為已經(jīng)到達(dá)料面造成誤探料事故。

探尺傳動的設(shè)計(jì)要在減小體積的基礎(chǔ)上，盡可能地減小摩擦等附加阻力矩，更重要的是要盡量減小和避免那些附加阻力矩。

探尺要想有穩(wěn)定良好的工作狀態(tài)，所受力矩的變化必須少受附加阻力矩影響。探尺不但要減小附加阻力矩，更要盡量減小和避免那些變化無規(guī)律的附加阻力矩。因此，采用非標(biāo)減速機(jī)的探尺存在著附加阻力矩?zé)o規(guī)律并且過大的問題。

通過以上分析，可以看出探尺的小型化、緊湊化、減速機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化成為未來的發(fā)展趨勢。

2 探尺的模塊化創(chuàng)新

針對探尺的發(fā)展趨勢，分三個(gè)模塊對其進(jìn)行了全新的開發(fā)設(shè)計(jì)（見圖3）。

圖3 探尺外形

2.1 探尺驅(qū)動模塊采用一體式減速電機(jī)

傳統(tǒng)探尺驅(qū)動模塊采用電機(jī)、減速機(jī)加外置抱閘的驅(qū)動模式，此模式設(shè)備占地大、不易布置、能耗高、耗能大。市場上部分產(chǎn)品為了減小體積采用非標(biāo)減速機(jī)，而非標(biāo)減速機(jī)的附加阻力矩會對探尺的控制系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。本項(xiàng)目采用集成度高的減速電機(jī)，內(nèi)置抱閘，體積大大減小，能耗隨之降低，附加阻力矩小。

2.2 探尺檢測反饋模塊高度集成化

傳統(tǒng)探尺檢測反饋模塊采用將編碼器和主令控制器分別聯(lián)接與減速機(jī)的聯(lián)接模式，此模式要求減速機(jī)必須多出軸，無法使用只有單出軸的減速電機(jī)。本項(xiàng)目把編碼器和主令控制器集成在一個(gè)箱體內(nèi)，提供一個(gè)出軸，與驅(qū)動模塊的減速電機(jī)分別連接于卷筒出軸兩端，降低了加工難度，減少了故障點(diǎn)。

2.3 探尺執(zhí)行模塊創(chuàng)新設(shè)計(jì)

執(zhí)行模塊中對卷筒密封、卷筒和重錘都進(jìn)行設(shè)計(jì)。探尺卷筒出軸密封問題一直是探尺設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，受到三個(gè)方面因素的影響，一是密封本身為動密封，二是探尺內(nèi)外存在0.15MPa左右壓力差，三是探尺內(nèi)部直通高爐爐體，含劇毒高爐煤氣，環(huán)境惡劣，粉塵極大。普通密封需要經(jīng)常更換，我們使用了彈簧自適應(yīng)壓緊密封，提高了密封效果，降低了檢修率。

針對鏈條纏繞在卷筒上占用體積過大的情況，改變傳統(tǒng)的鏈條加重錘的聯(lián)接模式，變?yōu)槟透邷劁摻z繩加鏈條加重錘的聯(lián)接模式，在滿足工藝要求的情況下，使卷筒體積減小為原來的50%（見圖4）。

圖4 鋼絲繩加鏈條加重錘的聯(lián)接模式

針對探尺重錘的實(shí)際使用工況，對重錘形狀進(jìn)行了改進(jìn)，采用錐形不倒翁式，減小倒錘概率，增加探測準(zhǔn)確性，提高了探尺工作穩(wěn)定性。

3 新型探尺的優(yōu)勢

新型整體式探尺與普通整體式探尺相比（見圖5），在驅(qū)動模塊、檢測反饋模塊、執(zhí)行模塊都具有先進(jìn)性，具體見附表。

附表

圖5 新型探尺（b）與普通整體式探尺（a）的對比

4 結(jié)論

新型探尺研發(fā)成功后，獲得了2項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)，已經(jīng)先后在天鋼、馬鋼廠等多座高爐上得到了使用，同時(shí)在2010年被中冶科工集團(tuán)鑒定為在國內(nèi)煉鐵生產(chǎn)領(lǐng)域中居領(lǐng)先水平。這種新型探尺日后一定會在高爐煉鐵生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。