新型整體式探尺的研發

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

0 探尺的工作特性

爐頂系統是高爐的關鍵系統之一，而探尺是爐頂系統中的重要設備,作為高爐的“眼睛”，探尺的作用是正確探測料面下降情況。它的測量結果反映爐料下降速度和爐況是否正常，是高爐布料作業的重要依據。探尺工作的準確性、穩定性對高爐的順暢生產起著關鍵性的作用。

現階段，國內外使用的機械式探尺主要為機械分體式探尺和普通機械式整體探尺。

從工藝布置上來看，由于爐頂位置狹小，很難放置大型設備，機械分體式探尺設備由于體積較大，很難整體安裝于爐頂上，所以探尺的驅動裝置安裝于高爐卷揚機室，通過鋼絲繩和天輪傳動到爐頂探尺本體卷筒（見圖1），再通過卷筒轉動帶動重錘做提升或下降運動，此種方式傳動距離超長，鋼絲繩容易松弛，故障點多，占地面積大，設備集成度低，安裝調整和檢修都比較困難。市場上改進后的普通機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備沖突，尤其是在檢修時，非常困難。因此現存探尺仍存在體積過大的問題。

圖1 機械分體式探尺設備

圖2 可整體安裝在爐頂的探尺

從工作特性來看，探尺的工作狀態主要分為四個階段：提尺、停尺、放尺和浮尺。

探尺這4種工作狀態的轉換除了從放尺到浮尺外，其余均是根據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現。

1 放尺與浮尺的過程

首先，變頻器控制電機輸出力矩M進行放尺，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—放尺驅動力矩，N·m

重錘在△M放的作用下，勻加速下降。當速度達到設定值V放時，變頻器控制重錘勻速下降。當重錘觸及料面時，此時V放≈0，變頻器控制電機輸出力矩M浮使探尺進入浮尺狀態。同樣:

在式1和式2中，放尺驅動力矩△M放和浮尺的校正力矩△M浮是控制的關鍵，一般取:

式中 M額—電機的額定力矩，N·m。

這樣，當重錘到達料面時，電機會以比放尺力矩M放稍大的浮尺力矩M浮校正重錘因放尺時的慣性作用而使其可能出現的傾斜等不良狀態。

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、卷筒軸旋轉密封副的摩擦阻力矩、主令控制器的附加阻力矩、聯軸器等其他阻力矩。從式1和式2不難看出:M阻應遠小于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。因為M阻過大的話，△M放就會偏小，達不到M額× 20%，而△M浮就會更小，也達不到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為已經到達料面造成誤探料事故。

探尺傳動的設計要在減小體積的基礎上，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。

探尺要想有穩定良好的工作狀態，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律的附加阻力矩。因此，采用非標減速機的探尺存在著附加阻力矩無規律并且過大的問題。

通過以上分析，可以看出探尺的小型化、緊湊化、減速機標準化成為未來的發展趨勢。

2 探尺的模塊化創新

針對探尺的發展趨勢，分三個模塊對其進行了全新的開發設計（見圖3）。

圖3 探尺外形

2.1 探尺驅動模塊采用一體式減速電機

傳統探尺驅動模塊采用電機、減速機加外置抱閘的驅動模式，此模式設備占地大、不易布置、能耗高、耗能大。市場上部分產品為了減小體積采用非標減速機，而非標減速機的附加阻力矩會對探尺的控制系統產生不良影響。本項目采用集成度高的減速電機，內置抱閘，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

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

2.3 探尺執行模塊創新設計

執行模塊中對卷筒密封、卷筒和重錘都進行設計。探尺卷筒出軸密封問題一直是探尺設計的一個難點，受到三個方面因素的影響，一是密封本身為動密封，二是探尺內外存在0.15MPa左右壓力差，三是探尺內部直通高爐爐體，含劇毒高爐煤氣，環境惡劣，粉塵極大。普通密封需要經常更換，我們使用了彈簧自適應壓緊密封，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，改變傳統的鏈條加重錘的聯接模式，變為耐高溫鋼絲繩加鏈條加重錘的聯接模式，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接模式

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

3 新型探尺的優勢

新型整體式探尺與普通整體式探尺相比（見圖5），在驅動模塊、檢測反饋模塊、執行模塊都具有先進性，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 結論

新型探尺研發成功后，獲得了2項實用新型專利授權，已經先后在天鋼、馬鋼廠等多座高爐上得到了使用，同時在2010年被中冶科工集團鑒定為在國內煉鐵生產領域中居領先水平。這種新型探尺日后一定會在高爐煉鐵生產中發揮更大的作用。