集成式探尺的改进设计

凌 云

（南京中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京210000）

1 探尺简介

高炉探尺通过探测生产过程中的炉内料面的高度变化，侦测出高炉料面的下降速度，及时准确地提供加料信息，同时为判断高炉生产是否顺畅提供了重要的参考数据[1]。

据现况来看，全球所有国家使用的探尺主要分两种类型：普通整体式机械探尺、分体式机械探尺。

根据相应设备的整体布置来讲，炉顶空间不足，在其放置的设备不能过大。因为分体式机械探尺的体积相当大，所以不适合将整个探尺放置在炉顶（见图1）。安装的具体操作流程是先把探尺的驱动装置放置安装在高炉卷扬机室，利用钢丝绳穿过天轮传动，至炉顶探尺本体卷筒（详细见图1），然后试卷筒转动从而使钢丝绳吊起重锤一起做升降运动。这种方式虽然解决了分体式探尺的安装问题，但是也存在很多弊端，比如传动距离太长，钢丝绳需要不断缩紧，比较容易发生故障，浪费空间，且故障报修都比较繁琐等。

图1 分体式探尺设备布置图

尤其是在每次校零的时候，需要各类工作人员的一起配合才能完成工作，此过程很艰难繁琐，钳工和电工需要在炉顶，其他岗位人员在卷扬机室、炉内一起操作，既浪费时间又浪费人力资源，需要包括两个岗位人员、三个电工以及四个钳工在内九人，但是效率很低。

正是由于分体式探尺以上问题的存在，所以集成式探尺日渐成为市场主流选择。

2 集成式探尺的存在问题及分析

2.1 存在问题

随着使用的日益增多，集成式探尺在应用过程中也逐渐暴露出不少问题，主要集中在以下两方面：

（1）探尺的运行状态不稳定，容易出现各种误判，比如探尺仍在下落但误判为到达料面，探尺到达了料面，没有得到准确响应，仍然继续放尺。

（2）探尺重锤在使用过程中经常脱落，而且正常使用中也很容易出现倒锤现象，影响对料面高度的准确判断。

2.2 具体分析

（1）针对探尺的运行状态不稳定的问题展开分析，根据其设备的功能特点，按工作状态可以把探尺分为提尺、放尺、停尺以及浮尺四个阶段。

在探尺的整个工作状态转换过程中，凭借变频器的力矩和速度的同时控制来进行放尺转换到浮尺这个过程，而其他过程则都是依靠主令控制器和编码器的位置信号的指引来进行。也可以通过炉顶装料程序的指令来运行。

1）放尺与浮尺的过程：

电机输出力矩M放由变频器控制从而放尺，很明显有：

式中，G锤为重锤的重量，kg；R为卷筒的半径，m；M阻为摩擦等阻力矩，N·m；△M放为放尺驱动力矩，N·m.

△M放作用在重锤上，从而使重锤匀加速下降。加速待速度达到V放的时候，重锤则由变频器控制，再进行匀速下降运动。当V放≈0时，重锤触碰到料面，此时电力输出力矩M浮由变频器控制，从而使探尺转换至浮尺状态。

同样：

很显然，在式（1）和式（2）中，控制的关键在于浮尺校正力矩△M浮和放尺驱动力矩△M放，其值一般取：

其中M额为电机的额定力矩，N·m.

待重锤触及料面，电机将会产生浮尺力矩M浮.重锤放尺会有惯性，根据惯性原理，重锤就会出现倾斜等不正常现象的校正。

2）传动阻力矩

探尺的传动阻力矩M阻由很多因素组成，主要有矩卷筒轴承的摩擦阻力矩、卷筒轴旋转密封副和卷筒轴承的摩擦阻力矩，编码器的附加阻力矩等。从式（1）和式（2）不难得知，探尺的测量精度随着M阻的波动的减小而增高。G锤R须远大于M阻.M阻过大会导致△M放偏小，其值会小于M额×20%，并且△M浮则会更小，其值也小于M额×10%.由于不能调出太小的超限力矩值，及变频器的精度有限，这样就会导致重锤可能倾斜，或者是横放于料面之上，其状态无法判断。M阻的波动值△M阻也是这样，如M阻和△M阻都过大，由于△M阻的作用，会在放尺的过程中，试变频器产生误判，认为尚在下落中的重锤已经到达料面，从而发生误探料事故。

由此可见，探尺要想有稳定良好的工作状态，必须少受附加阻力矩影响，尤其是尽量减小和避免那些变化无规律的附加波动阻力矩。

（2）针对探尺重锤的问题展开分析

1）重锤容易脱落是由于链条太细，强度不够，而如果加粗链条，会带来两方面问题，首先是链条加粗后在卷筒上所占体积增大，卷筒势必也要变大，造成整个设备体积增大，而这就会给设备在狭小的炉顶空间安装使用带来困难。

2）重锤容易倒锤是因为原来重锤的形状为圆柱形，重心位置较高，稍有倾斜就会发生倒锤现象。

（3）探尺的设计改进

中冶华天公司钢铁技术研究院结合多年的设计经验，针对集成式探尺的以上问题，对其进行了全新的设计改进。

2.3 解决探尺的运行状态不稳定问题。

如果想要让探尺工作稳定高效的运行，那么它所受力矩的变化必须尽量少受一些附加阻力矩对其的影响，尤其是尽量减小和避免那些变化无规律的附加阻力矩。

如何减少附加阻力矩尤其是无规律的附加阻力距就成了解决问题的关键。而探尺运行过程中的附加阻力距来自两个方面，一个是自身的机械阻力，主要是减速机和轴向密封等机械阻力矩，另一个是由于长期生产后探尺内筒和重锤上都附着有大量灰尘，在提放尺过程中，重锤和内筒壁之间会产生摩擦，造成无规律的附加阻力距（见图2）。

图2 探尺结构图

针对第一种减速机和轴向密封等机械阻力距，通过选用标准减速机的方法来解决，因为标准减速机机械阻力矩相对非标减速机较小，更关键的是，标准减速机为定型产品，每台减速机阻力矩大致相同，而非标减速机由于生产装配很难保持一致性，所以每台减速机阻力矩相差较大，会给调试工作带来很大麻烦。

针对探尺内筒和重锤摩擦造成无规律的附加阻力距，在内筒中增加了导向环（见图3），保证重锤在探尺提放过程中始终在内筒中心附近，避免了和内壁的摩擦，从而避免了附加阻力矩的产生。

图3 探尺增加导向环示意图

2.4 解决探尺重锤的问题

（1）链条加粗，体积会增大，而卷筒上空间有限，所以把链条换成重锤，组合成耐高温钢丝绳加重锤的新型联接方式，提高了链条强度，避免了掉锤现象的出现（见图4）。

图4 探尺卷筒结构图

（2）针对探尺重锤重心过高的问题，重新改造了重锤的形状，改用不倒翁式锥形重锤，此种形状的重锤能降低倒垂的概率，从而降低重锤中心，增加了探尺设备的工作效率，保证其稳定性。

3 结束语

新型探尺研发成功后，获得了3项实用新型专利授权（ZL 2009 2 0172621.2、ZL 2009 2 0172586.4、201620633159.1），马钢厂、天钢等高炉上已经投入使用多年，并取得认可，探测水平在国内已经遥遥领先，日后被广泛使用定会被社会认可，也定会蓬勃发展，走出一条属于自己的道路。