转炉炉门式测温取样装置的研究与应用

赵景泉

摘 要：通过对一种转炉炉门式自动测温取样装置机械机构、程序设计等方面的阐述，提出了转炉炉门式自动测温取样装置的应用方案，实现了转炉测温取样的机械化及自动化，取得了较好的社会效益。

关键词：转炉；测温；取样

RESEARCH AND APPLICATION OF DOOR TYPE TEMPERATURE MEASURING AND SAMPLING DEVICE FOR CONVERTER

Zhao Jingquan

（Laiwu Branch Steelmaking Plant of Shandong Iron and Steel Co.， Ltd. Jinan 271104， China）

Abstract：Through the description of the mechanical mechanism and program design of a converter door type automatic temperature measuring and sampling device， the application scheme of the converter door type automatic temperature measuring and sampling device is proposed， which realizes the mechanization and automation of converter temperature measuring and sampling， and achieves good social benefits.

Key words：converter；temperature measurement；sampling

1 概 述

转炉因没有副枪系统，对转炉冶炼完毕后成分和温度的分析都要依靠人工进行取样化验和温度测定。因测温、取样过程中，转炉炉口必须摇至炉前平台测，且炉口角度与垂直位置约80°～84°，作业人员测温、取样过程中离炉口较近，一是高温钢水辐射热严重，操作人员作业环境温度高，二是补炉后可能出现补炉材料塌落，造成炉口喷火，烧伤作业人员。

因此，迫切需要在转炉实现自动测温取样，减轻工人劳动强度和作业安全风险，基于此背景，本文对一种炉门式自动测温取样装置的设计、应用进行详细论述。

2 总体设计思路

该自动测温取样装置安装于转炉炉前挡火门上，其工作时需要将转炉炉口摇至炉前平台，炉口与垂直位置夹角为80°～84°。需具备的基本功能为测温取样枪杆插入、退回功能，测温取样枪杆执行机构旋转功能，测温取样枪杆执行机构及旋转机构横移功能。

基于以上，基本确定本设计的方案为：

1）在一侧炉门上安装一段导轨，在导轨上安装一台小车，小车通过车轮悬挂于导轨上，并且通过齿轮齿条的形式驱动小车可以进行横移。

2） 在横移小车上安装测温取样枪杆执行机构，且在小车上安装一台液压缸，驱动测温取样枪杆执行机构进行旋转。

3）测温取样枪杆执行机构采用摩擦传动的方式，即通过两组滚轮夹持住测温取样枪杆，其中一组滚轮的一个轮上安装驱动减速机，利用滚轮与枪杆间的摩擦力实现枪杆的插入、退回。

4） 小车的横移，测温取样枪杆执行机构的旋转、测温取样枪杆的插入/退回均采用编码器进行位置检测。

5）通过PLC进行控制，通过自动化程序实现测温取样装置各动作自动化。

3 测温取样主枪杆执行机构设计

图1为主枪杆的设计：

1）为缩短主枪杆的行程，便于缩小机构体积，因此炉内测温取样点尽可能靠近炉帽位置，同时主枪杆工作角度（与主枪杆垂直位置间的夹角）尽量小，但要充分考虑设备的安装高度，否则不便于设备的检修。

2）为降低设备成本，主枪杆采用成品的

40 mm×40 mm×4 mm规格的方形钢管，为便于测温补偿导线的连接，在主枪杆前端设计接线盒，接线盒盒盖通过螺栓固定，既方便拆卸，又可防止炉渣进入烧坏补偿导线。

3）在主枪杆的两端安装限位撞杆，实现插入、退出极限位置检测。

4 副枪杆的设计

测温、取样探头直接安装于副枪杆，副枪杆部分要进入炉内，并且与转炉炉渣接触，要考虑副枪杆内补偿导线的防护。

5 主枪杆执行机构参数设计

主枪杆执行机构采取两组辊子夹持主枪杆，其中一组辊子中一个辊子通过减速电机驱动，依靠驱动轮与主枪杆之间的摩擦力带动主枪杆实现前进、后退。为保证编码器能真实反映主枪杆运行位置，编码器必须安装于主动轮压紧轮轮轴上。为防止因主枪杆变形后在通过两组夹持辊时产生矫直力，导致主动轮驱动力不足，从动轮及其压轮不能压紧主枪杆，要留有一定的间隙。为防止主动轮预紧螺栓预紧力稳定，要配合几组碟簧使用。

主枪杆运行速度选择1.5 m/s左右为宜，驱动轮设计为70 mm，则驱动轮转速可通过式（1）计算：

n=v/（π×D）× 60                                      （1）

式中：v为主枪杆运行速度， v=1.5 m/s；D为驱动轮直径， D=0.07 m

上述数据带入式（1）得：

n=1.5/（3.14×0.07）×60=409 r/min

电机转速为1 500 r/min，则减速机的速比

i=1 500/409=3.66，选取速比i=4，通过式（1）可求得主枪杆最大运行速度为v=1.37 m/s。

电机功率可通过下式计算：

P=G×g×k×r/i×n/9 550                               （2）

式中：G—主枪杆、副枪杆、测温取样探头总质量，经计算G=38 kg；g为重力加速度，取g=10 m/s2；k—安全系数，考虑枪杆运行过程中的附加阻力，取k=2；r为主动轮半径，r=0.035 m；i为减速机速比，i=4；n为电机转速，n=1 500 r/min

上述数据带入式（2）得：

P=38×10×0.035/4×1 500/9 550=1.05 kW，取P=1.1 kW

为使驱动轮和枪杆之间的摩擦力能够提供主枪杆的驱动力，则需要对驱动轮压紧轮螺栓进行预紧，预紧力矩可通过式（3）计算：

T=K×d×9 550×P/n×i/r/μ                          （3）

式中：K—拧紧力矩系数，查表得K取0.22；P为电机功率，P=1.1 kW；n为电机转速，n=1 500 r/min；i为减速机速比，i=4；r为驱动轮半径，r=0.035 m；μ为钢-钢动摩擦系数，取μ=0.15

将上述数据带入式（3）得：

T=0.22×0.02×9 550×1.1/1 500×4/0.035/0.15=

23.5 N·m

因预紧螺栓一共四组，所以每组螺栓的预紧力矩为23.5 N·m/4=5.88 N·m。

6 自动化程序设计

6.1 自动测温取样装置动作流程

自动测温取样自动过程为：横移小车运行至设定位置（编码器检测）→主枪杆执行机构开始旋转至设定位置（编码器检测）→主枪杆开始插入至指定位置（编码器检测）→停留5 s（取样、测温）→主枪杆退回至初始位置→主枪杆执行机构旋转至初始位置→横移小车运行至初始位置→动作完成。

6.2 程序设计需要注意的问题

1）为防止编码器失灵造成的设备误动作造成设备损坏，所有编码器增加动作检测，即动作开始后指定的时间内编码器计数达不到预定值则视为编码器故障，设备自动停止并提示故障。

2）为防止主枪杆执行机构旋转初始限位短路时导致主枪杆执行机构不选择而小车直接横移导致主枪杆损坏，应在主枪杆退回到初始位置后延时一定时间再检测主枪杆执行机构初始限位反馈信号。

3）横移小车最大极限位置限位、主枪杆执行机构旋转最大极限限位仅用于手动过程中起控制作用，不参与自动过程控制，防止该两处限位故障造成设备误动作。

6.3 操作界面应具备的基本功能

1）自动测温开始、急停、复位功能。

2）横移小车工作位置设定，当前位置显示。

3）主枪杆执行机构旋转角度设定，当前角度显示。

4）主枪杆工作位置设定，当前位置显示。

5）测温、取样探头停留时间设定。

6）所有限位反馈显示。

7 结 语

本自动测温取样装置的应用具有投入成本低、功能全面，应用后大大降低了职工的劳动强度及安全风险，具有较好的社会效益。