集成式探尺的改進設計

凌 云

（南京中冶華天工程技術有限公司，江蘇 南京210000）

1 探尺簡介

高爐探尺通過探測生產過程中的爐內料面的高度變化，偵測出高爐料面的下降速度，及時準確地提供加料信息，同時為判斷高爐生產是否順暢提供了重要的參考數據[1]。

據現況來看，全球所有國家使用的探尺主要分兩種類型：普通整體式機械探尺、分體式機械探尺。

根據相應設備的整體布置來講，爐頂空間不足，在其放置的設備不能過大。因為分體式機械探尺的體積相當大，所以不適合將整個探尺放置在爐頂（見圖1）。安裝的具體操作流程是先把探尺的驅動裝置放置安裝在高爐卷揚機室，利用鋼絲繩穿過天輪傳動，至爐頂探尺本體卷筒（詳細見圖1），然后試卷筒轉動從而使鋼絲繩吊起重錘一起做升降運動。這種方式雖然解決了分體式探尺的安裝問題，但是也存在很多弊端，比如傳動距離太長，鋼絲繩需要不斷縮緊，比較容易發生故障，浪費空間，且故障報修都比較繁瑣等。

圖1 分體式探尺設備布置圖

尤其是在每次校零的時候，需要各類工作人員的一起配合才能完成工作，此過程很艱難繁瑣，鉗工和電工需要在爐頂，其他崗位人員在卷揚機室、爐內一起操作，既浪費時間又浪費人力資源，需要包括兩個崗位人員、三個電工以及四個鉗工在內九人，但是效率很低。

正是由于分體式探尺以上問題的存在，所以集成式探尺日漸成為市場主流選擇。

2 集成式探尺的存在問題及分析

2.1 存在問題

隨著使用的日益增多，集成式探尺在應用過程中也逐漸暴露出不少問題，主要集中在以下兩方面：

（1）探尺的運行狀態不穩定，容易出現各種誤判，比如探尺仍在下落但誤判為到達料面，探尺到達了料面，沒有得到準確響應，仍然繼續放尺。

（2）探尺重錘在使用過程中經常脫落，而且正常使用中也很容易出現倒錘現象，影響對料面高度的準確判斷。

2.2 具體分析

（1）針對探尺的運行狀態不穩定的問題展開分析，根據其設備的功能特點，按工作狀態可以把探尺分為提尺、放尺、停尺以及浮尺四個階段。

在探尺的整個工作狀態轉換過程中，憑借變頻器的力矩和速度的同時控制來進行放尺轉換到浮尺這個過程，而其他過程則都是依靠主令控制器和編碼器的位置信號的指引來進行。也可以通過爐頂裝料程序的指令來運行。

1）放尺與浮尺的過程：

電機輸出力矩M放由變頻器控制從而放尺，很明顯有：

式中，G錘為重錘的重量，kg；R為卷筒的半徑，m；M阻為摩擦等阻力矩，N·m；△M放為放尺驅動力矩，N·m.

△M放作用在重錘上，從而使重錘勻加速下降。加速待速度達到V放的時候，重錘則由變頻器控制，再進行勻速下降運動。當V放≈0時，重錘觸碰到料面，此時電力輸出力矩M浮由變頻器控制，從而使探尺轉換至浮尺狀態。

同樣：

很顯然，在式（1）和式（2）中，控制的關鍵在于浮尺校正力矩△M浮和放尺驅動力矩△M放，其值一般取：

其中M額為電機的額定力矩，N·m.

待重錘觸及料面，電機將會產生浮尺力矩M浮.重錘放尺會有慣性，根據慣性原理，重錘就會出現傾斜等不正常現象的校正。

2）傳動阻力矩

探尺的傳動阻力矩M阻由很多因素組成，主要有矩卷筒軸承的摩擦阻力矩、卷筒軸旋轉密封副和卷筒軸承的摩擦阻力矩，編碼器的附加阻力矩等。從式（1）和式（2）不難得知，探尺的測量精度隨著M阻的波動的減小而增高。G錘R須遠大于M阻.M阻過大會導致△M放偏小，其值會小于M額×20%，并且△M浮則會更小，其值也小于M額×10%.由于不能調出太小的超限力矩值，及變頻器的精度有限，這樣就會導致重錘可能傾斜，或者是橫放于料面之上，其狀態無法判斷。M阻的波動值△M阻也是這樣，如M阻和△M阻都過大，由于△M阻的作用，會在放尺的過程中，試變頻器產生誤判，認為尚在下落中的重錘已經到達料面，從而發生誤探料事故。

由此可見，探尺要想有穩定良好的工作狀態，必須少受附加阻力矩影響，尤其是盡量減小和避免那些變化無規律的附加波動阻力矩。

（2）針對探尺重錘的問題展開分析

1）重錘容易脫落是由于鏈條太細，強度不夠，而如果加粗鏈條，會帶來兩方面問題，首先是鏈條加粗后在卷筒上所占體積增大，卷筒勢必也要變大，造成整個設備體積增大，而這就會給設備在狹小的爐頂空間安裝使用帶來困難。

2）重錘容易倒錘是因為原來重錘的形狀為圓柱形，重心位置較高，稍有傾斜就會發生倒錘現象。

（3）探尺的設計改進

中冶華天公司鋼鐵技術研究院結合多年的設計經驗，針對集成式探尺的以上問題，對其進行了全新的設計改進。

2.3 解決探尺的運行狀態不穩定問題。

如果想要讓探尺工作穩定高效的運行，那么它所受力矩的變化必須盡量少受一些附加阻力矩對其的影響，尤其是盡量減小和避免那些變化無規律的附加阻力矩。

如何減少附加阻力矩尤其是無規律的附加阻力距就成了解決問題的關鍵。而探尺運行過程中的附加阻力距來自兩個方面，一個是自身的機械阻力，主要是減速機和軸向密封等機械阻力矩，另一個是由于長期生產后探尺內筒和重錘上都附著有大量灰塵，在提放尺過程中，重錘和內筒壁之間會產生摩擦，造成無規律的附加阻力距（見圖2）。

圖2 探尺結構圖

針對第一種減速機和軸向密封等機械阻力距，通過選用標準減速機的方法來解決，因為標準減速機機械阻力矩相對非標減速機較小，更關鍵的是，標準減速機為定型產品，每臺減速機阻力矩大致相同，而非標減速機由于生產裝配很難保持一致性，所以每臺減速機阻力矩相差較大，會給調試工作帶來很大麻煩。

針對探尺內筒和重錘摩擦造成無規律的附加阻力距，在內筒中增加了導向環（見圖3），保證重錘在探尺提放過程中始終在內筒中心附近，避免了和內壁的摩擦，從而避免了附加阻力矩的產生。

圖3 探尺增加導向環示意圖

2.4 解決探尺重錘的問題

（1）鏈條加粗，體積會增大，而卷筒上空間有限，所以把鏈條換成重錘，組合成耐高溫鋼絲繩加重錘的新型聯接方式，提高了鏈條強度，避免了掉錘現象的出現（見圖4）。

圖4 探尺卷筒結構圖

（2）針對探尺重錘重心過高的問題，重新改造了重錘的形狀，改用不倒翁式錐形重錘，此種形狀的重錘能降低倒垂的概率，從而降低重錘中心，增加了探尺設備的工作效率，保證其穩定性。

3 結束語

新型探尺研發成功后，獲得了3項實用新型專利授權（ZL 2009 2 0172621.2、ZL 2009 2 0172586.4、201620633159.1），馬鋼廠、天鋼等高爐上已經投入使用多年，并取得認可，探測水平在國內已經遙遙領先，日后被廣泛使用定會被社會認可，也定會蓬勃發展，走出一條屬于自己的道路。