新型整体式探尺的研发

凌云 中冶华天工程技术有限公司（243005）凌云（1981年～），男，硕士。工程师。

0 探尺的工作特性

炉顶系统是高炉的关键系统之一，而探尺是炉顶系统中的重要设备,作为高炉的“眼睛”，探尺的作用是正确探测料面下降情况。它的测量结果反映炉料下降速度和炉况是否正常，是高炉布料作业的重要依据。探尺工作的准确性、稳定性对高炉的顺畅生产起着关键性的作用。

现阶段，国内外使用的机械式探尺主要为机械分体式探尺和普通机械式整体探尺。

从工艺布置上来看，由于炉顶位置狭小，很难放置大型设备，机械分体式探尺设备由于体积较大，很难整体安装于炉顶上，所以探尺的驱动装置安装于高炉卷扬机室，通过钢丝绳和天轮传动到炉顶探尺本体卷筒（见图1），再通过卷筒转动带动重锤做提升或下降运动，此种方式传动距离超长，钢丝绳容易松弛，故障点多，占地面积大，设备集成度低，安装调整和检修都比较困难。市场上改进后的普通机械式整体探尺虽然体积相对缩小，可以直接整体安装于炉顶（见图2），但还是容易和其他炉顶设备冲突，尤其是在检修时，非常困难。因此现存探尺仍存在体积过大的问题。

图1 机械分体式探尺设备

图2 可整体安装在炉顶的探尺

从工作特性来看，探尺的工作状态主要分为四个阶段：提尺、停尺、放尺和浮尺。

探尺这4种工作状态的转换除了从放尺到浮尺外，其余均是根据位置编码器和主令控制器的位置信号以及炉顶装料程序的指令来转换的。放尺到浮尺则依靠变频器的力矩和速度的双重控制来实现。

1 放尺与浮尺的过程

首先，变频器控制电机输出力矩M进行放尺，显然:

式中， G锤—重锤的重量，kg

R—卷筒的半径，m

M阻—摩擦等阻力矩，N·m

△M放—放尺驱动力矩，N·m

重锤在△M放的作用下，匀加速下降。当速度达到设定值V放时，变频器控制重锤匀速下降。当重锤触及料面时，此时V放≈0，变频器控制电机输出力矩M浮使探尺进入浮尺状态。同样:

在式1和式2中，放尺驱动力矩△M放和浮尺的校正力矩△M浮是控制的关键，一般取:

式中 M额—电机的额定力矩，N·m。

这样，当重锤到达料面时，电机会以比放尺力矩M放稍大的浮尺力矩M浮校正重锤因放尺时的惯性作用而使其可能出现的倾斜等不良状态。

探尺的传动阻力矩M阻主要由以下因素组成：减速器的综合阻力矩、卷筒轴承处的摩擦阻力矩、卷筒轴旋转密封副的摩擦阻力矩、主令控制器的附加阻力矩、联轴器等其他阻力矩。从式1和式2不难看出:M阻应远小于G锤R，并且M阻的波动越小越好，这会提高探尺的探测精度。因为M阻过大的话，△M放就会偏小，达不到M额× 20%，而△M浮就会更小，也达不到M额×10%。变频器受到精度范围的限制，过小的力矩值是调不出来的，这就会造成一定程度的重锤倾斜甚至沉在料面。对于M阻的波动值△M阻也是一样，特别是那些无规律的波动(例如齿轮的局部啮合阻力矩)，如果M阻过大，其波动值△M阻也过大的话，则有可能在放尺的中途因△M阻的作用而让变频器误认为已经到达料面造成误探料事故。

探尺传动的设计要在减小体积的基础上，尽可能地减小摩擦等附加阻力矩，更重要的是要尽量减小和避免那些附加阻力矩。

探尺要想有稳定良好的工作状态，所受力矩的变化必须少受附加阻力矩影响。探尺不但要减小附加阻力矩，更要尽量减小和避免那些变化无规律的附加阻力矩。因此，采用非标减速机的探尺存在着附加阻力矩无规律并且过大的问题。

通过以上分析，可以看出探尺的小型化、紧凑化、减速机标准化成为未来的发展趋势。

2 探尺的模块化创新

针对探尺的发展趋势，分三个模块对其进行了全新的开发设计（见图3）。

图3 探尺外形

2.1 探尺驱动模块采用一体式减速电机

传统探尺驱动模块采用电机、减速机加外置抱闸的驱动模式，此模式设备占地大、不易布置、能耗高、耗能大。市场上部分产品为了减小体积采用非标减速机，而非标减速机的附加阻力矩会对探尺的控制系统产生不良影响。本项目采用集成度高的减速电机，内置抱闸，体积大大减小，能耗随之降低，附加阻力矩小。

2.2 探尺检测反馈模块高度集成化

传统探尺检测反馈模块采用将编码器和主令控制器分别联接与减速机的联接模式，此模式要求减速机必须多出轴，无法使用只有单出轴的减速电机。本项目把编码器和主令控制器集成在一个箱体内，提供一个出轴，与驱动模块的减速电机分别连接于卷筒出轴两端，降低了加工难度，减少了故障点。

2.3 探尺执行模块创新设计

执行模块中对卷筒密封、卷筒和重锤都进行设计。探尺卷筒出轴密封问题一直是探尺设计的一个难点，受到三个方面因素的影响，一是密封本身为动密封，二是探尺内外存在0.15MPa左右压力差，三是探尺内部直通高炉炉体，含剧毒高炉煤气，环境恶劣，粉尘极大。普通密封需要经常更换，我们使用了弹簧自适应压紧密封，提高了密封效果，降低了检修率。

针对链条缠绕在卷筒上占用体积过大的情况，改变传统的链条加重锤的联接模式，变为耐高温钢丝绳加链条加重锤的联接模式，在满足工艺要求的情况下，使卷筒体积减小为原来的50%（见图4）。

图4 钢丝绳加链条加重锤的联接模式

针对探尺重锤的实际使用工况，对重锤形状进行了改进，采用锥形不倒翁式，减小倒锤概率，增加探测准确性，提高了探尺工作稳定性。

3 新型探尺的优势

新型整体式探尺与普通整体式探尺相比（见图5），在驱动模块、检测反馈模块、执行模块都具有先进性，具体见附表。

附表

图5 新型探尺（b）与普通整体式探尺（a）的对比

4 结论

新型探尺研发成功后，获得了2项实用新型专利授权，已经先后在天钢、马钢厂等多座高炉上得到了使用，同时在2010年被中冶科工集团鉴定为在国内炼铁生产领域中居领先水平。这种新型探尺日后一定会在高炉炼铁生产中发挥更大的作用。