基于傳感器的力矩監測系統在210 t 煉鋼轉爐中的應用研究★

喬 倩

（山西工程職業學院，山西 太原 030001）

0 引言

某煉鋼廠采用的是210 t 煉鋼轉爐，轉爐為全正力矩設計，在任何角度均能將轉爐制動器打開，如果在沒有外力干預的情況下，轉爐口始終朝上，即使發生事故，也能夠有效降低對人員和設備的傷害[1]。但由于生產過程中不可控因素較多，再加上爐襯磚的腐蝕會隨著使用時間的增長而加劇，導致轉爐不能在所有角度工況下都保持正力矩，因此需要對轉爐的傾動裝置力矩進行實時監測，進而在故障發生之前作出提前預警[2]。

1 轉爐力矩監測系統總體框架

本次所設計的轉爐力矩監測系統主要由2 個板塊所構成，分別為數據采集板塊和狀態監測板塊。其中采集的數據主要以轉爐爐耳軸力矩和轉爐傾角為主，采集設備主要由不同類型的傳感器所構成；狀態監測部分由狀態監測軟件及數據服務器所構成。狀態監測軟件主要在工控機上運行，通過調用傳感器模塊所采集回的數據進行轉爐實時狀態分析，并以動態曲線的形式展示到人工交互界面上，如果所監測得到的數值超過預先設定的警戒值，系統則會發出報警信號，而數據服務區的主要作用是儲存由傳感器模塊所監測得到的數據，予以后期的查看和處理。

2 數據采集模塊的設計與狀態監測板塊的運行方式

2.1 數據采集卡的選型設計

本次所設計的監測系統主要目的是監測轉爐的實時力矩，因此需要根據轉爐爐耳設計6 路應變測試信號、1 路爐體傾角信號，為了后續在整個系統當中增加其他監測內容，例如驅動電機電壓、電流信號等，本次選用16 路模擬輸入狀態信號的數據采集卡UA201，該采集卡傳輸方式為PCI 總線，定時器通道為6 通道，分辨率為12 bit，輸入信號范圍在-5～+5 V，符合整個轉爐力矩監測系統的設計要求。

2.2 傳感模塊的選型設計

本次利用電阻式應變計作為應變測量傳感器。根據電阻式應變計的實際特性，同時結合本次所研究的210 t 煉鋼轉爐傾動機構扭力桿在工作時所產生的交變循環應力情況以及現場環境特點，本次選用BX120-4HA（11）型雙軸向45°應變片。該種應變片具有精度高、適應環境范圍廣、使用穩定性良好的特點，其相關參數完全符合轉爐力矩監測系統的監測要求。

在選擇好傳感器后，需要根據測量需求設計合理的應變測量電路，本系統采用SDY2101 型動態應變儀，與上述所選擇的應變片組成應變測量電路，進而實現物理信號與電信號的轉換。經過對210 t 轉爐力矩監測情況的分析研究發現，BX120-4HA（11）型應變片與SDY2101 型動態應變儀的連接方式為半橋雙臂橋路引線連接方法，具體測量電路如圖1 所示。

圖1 半橋雙臂橋路引線連接圖

如圖1 所示，R1、R2為電阻應變計，其主要安裝在轉爐的扭力桿上，其中敏感柵沿轉軸線45°以及-45°的方向粘貼，在轉爐運轉的過程中，不同方向應變片敏感柵受到相應的壓應力和拉應力，進而產生方向相反、大小相等的正負應變。在連接過程中，R1應變片兩端連接的②為輸入信號正端，④⑥為輸入信號負端；其中R1應變片兩端連接的①⑦為供橋電壓負端。所有連接位置采用錫焊烙鐵焊接。為了避免外部電磁對電路的測量精度產生影響，橋盒與應變片之間利用屏蔽線連接，連接線為三芯同軸，同時利用在屏蔽線上安裝屏蔽層與⑧屏蔽線連接端相連接，進而提高信號傳輸的穩定性和可靠性。

2.3 傾角傳感模塊的設計

根據210 t 轉爐的實際運行情況，本次采用的傾角傳感器為FEC-180-1I-I1 型工業級電流傾角傳感器，該傳感器能夠測量的角度范圍在-180°～+180°，輸出信號為4～20 mA，能夠滿足轉爐傾角檢測需求。

2.4 狀態監測板塊運行方式

所有應變傳感器以及傾角傳感器與數據采集卡UA201 的模擬輸入狀態信號路相連接，進而實現信號的收集。同時在轉爐力矩監測系統的建設過程中，還需要借助RS232-485 轉換器將現場RS485 接口顯示屏與工控機的RS232 相連接，進而將現場的轉爐力矩以及轉爐傾角數據傳遞給操作臺。

3 系統測試

由于該煉鋼廠現階段的業務量相對較小，因此短時間內不開啟4 號轉爐，只進行冷態測試。

3.1 測試方式

測試方式為空爐測試，即在爐內沒有安裝內襯耐火磚的情況下進行冷態運行，為了確保測試結果的精準性，本次測試在爐內裝入鐵球，以此來模擬轉爐在負載情況下傾動操作時的爐耳軸的應力變化，并對結果進行分析研究，本次測驗以160 t 和240 t 裝球量為基準進行測驗。

具體測試過程為：測試開始時轉爐處于垂直狀態（0°），之后分別以0.75 r/min、1.00 r/min、1.25 r/min、1.50 r/min 的轉速轉動，轉動方向向前或向后，當轉爐傾角達到100°時開啟制動器，對轉爐進行制動，制動時間分別控制為2.0 s、2.5 s、3.0 s，轉爐力矩監測系統監測整個運行過程，并將爐耳軸力矩與傾角相關數值記錄下來，形成變化曲線。

3.2 測試結果

3.2.1 不同裝球量下轉爐爐耳軸力矩值

為了驗證本次測試結果是否準確，首先需要根據運行過程中驅動電機的實際電流、電壓計算電機力矩值，之后根據電機力矩值測算轉爐爐耳軸力矩值。其中電機力矩值：M=2.718UI/（103n）.式中：M 為驅動電機力矩；U 為驅動電機運行過程中的有限電壓；I 為驅動電機運行過程中的有效電流；n 為驅動電機的轉速。

經過測驗計算可得不同裝球量下轉爐爐耳軸理論力矩值，如表1 所示。

表1 不同裝球量下轉爐爐耳軸理論力矩值

3.2.2 160 t 裝球量轉爐力矩監測系統測試結果

本次裝球量為164.6 t，與160 t 相差在5%以內，符合測試要求，具體測試從轉爐0°開始，以1.25 r/min的速度向前轉動，制動時間為2.5 s，測試結果如圖2所示。

圖2 160 t 裝球量轉爐力矩監測系統測試結果圖

由圖2 可知，在系統測試過程中，爐耳軸在轉爐傾角為75°～85°時力矩較大，最大為410 t·m，與理論值相差12.28 t·m，相差數值在5%以內，這與測量環境以及實際運行情況有關。制動過程中最大力矩為338 t·m，與理論值相差25.33 t·m，為理論值的6.97%，出現此種情況主要是由于轉爐在反向轉動時需要將時間控制在2.5 s 內，與反向轉動狀態存在一定差異，因此相差在5%以上。

3.2.3 240 t 裝球量轉爐力矩監測系統測試結果

本次裝球量為248 t，與240 t 相差在5%以內，符合測試要求，具體測試從轉爐0°開始，以1.25 r/min的速度向前轉動，制動時間為2.5 s，測試結果如圖3所示。

圖3 240 t 裝球量轉爐力矩監測系統測試結果圖

由圖3 可知，在系統測試過程中，爐耳軸在轉爐傾角為75°～90°時力矩較大，最大為504 t·m，與理論值相差3.18 t·m，相差數值在5%以內，符合測試誤差要求。制動過程中最大力矩為433 t·m，與理論值相差40.75 t·m，為理論值的8.60%，出現此種情況主要是由于轉爐在反向轉動時需要將時間控制在2.5 s內，與反向轉動狀態存在一定差異，因此相差在5%以上。

3.2.4 測試效果

將本次所設計的轉爐力矩監測系統在210 t 轉爐冷態狀況下進行應用，具有準確的監測效果，在爐耳軸應力監測方面具有95%以上的監測準確度，因此可以進行熱態檢測。

4 結論

1）對轉爐力矩監測系統總體框架進行設計，確定該系統有數據采集和狀態監測兩個板塊。

2）對數據采集模塊進行設計同時描述狀態監測板塊的運行方式，在數據采集模塊當中，采用UA201數據采集卡，其中應力采集選用BX120-4HA（11）型應變傳感器，傾角采集選用FEC-180-1I-I1 型工業級電流傾角傳感器，同時設計應變片安裝電路。

3）對設計的轉爐力矩監測系統進行測試，測試結果發現，在210 t 轉爐冷態下，本文所設計的轉爐力矩監測系統在爐耳軸應力監測準確值在95%以上，符合熱態驗證標準。