基于传感器的力矩监测系统在210 t 炼钢转炉中的应用研究★

乔 倩

（山西工程职业学院，山西 太原 030001）

0 引言

某炼钢厂采用的是210 t 炼钢转炉，转炉为全正力矩设计，在任何角度均能将转炉制动器打开，如果在没有外力干预的情况下，转炉口始终朝上，即使发生事故，也能够有效降低对人员和设备的伤害[1]。但由于生产过程中不可控因素较多，再加上炉衬砖的腐蚀会随着使用时间的增长而加剧，导致转炉不能在所有角度工况下都保持正力矩，因此需要对转炉的倾动装置力矩进行实时监测，进而在故障发生之前作出提前预警[2]。

1 转炉力矩监测系统总体框架

本次所设计的转炉力矩监测系统主要由2 个板块所构成，分别为数据采集板块和状态监测板块。其中采集的数据主要以转炉炉耳轴力矩和转炉倾角为主，采集设备主要由不同类型的传感器所构成；状态监测部分由状态监测软件及数据服务器所构成。状态监测软件主要在工控机上运行，通过调用传感器模块所采集回的数据进行转炉实时状态分析，并以动态曲线的形式展示到人工交互界面上，如果所监测得到的数值超过预先设定的警戒值，系统则会发出报警信号，而数据服务区的主要作用是储存由传感器模块所监测得到的数据，予以后期的查看和处理。

2 数据采集模块的设计与状态监测板块的运行方式

2.1 数据采集卡的选型设计

本次所设计的监测系统主要目的是监测转炉的实时力矩，因此需要根据转炉炉耳设计6 路应变测试信号、1 路炉体倾角信号，为了后续在整个系统当中增加其他监测内容，例如驱动电机电压、电流信号等，本次选用16 路模拟输入状态信号的数据采集卡UA201，该采集卡传输方式为PCI 总线，定时器通道为6 通道，分辨率为12 bit，输入信号范围在-5～+5 V，符合整个转炉力矩监测系统的设计要求。

2.2 传感模块的选型设计

本次利用电阻式应变计作为应变测量传感器。根据电阻式应变计的实际特性，同时结合本次所研究的210 t 炼钢转炉倾动机构扭力杆在工作时所产生的交变循环应力情况以及现场环境特点，本次选用BX120-4HA（11）型双轴向45°应变片。该种应变片具有精度高、适应环境范围广、使用稳定性良好的特点，其相关参数完全符合转炉力矩监测系统的监测要求。

在选择好传感器后，需要根据测量需求设计合理的应变测量电路，本系统采用SDY2101 型动态应变仪，与上述所选择的应变片组成应变测量电路，进而实现物理信号与电信号的转换。经过对210 t 转炉力矩监测情况的分析研究发现，BX120-4HA（11）型应变片与SDY2101 型动态应变仪的连接方式为半桥双臂桥路引线连接方法，具体测量电路如图1 所示。

图1 半桥双臂桥路引线连接图

如图1 所示，R1、R2为电阻应变计，其主要安装在转炉的扭力杆上，其中敏感栅沿转轴线45°以及-45°的方向粘贴，在转炉运转的过程中，不同方向应变片敏感栅受到相应的压应力和拉应力，进而产生方向相反、大小相等的正负应变。在连接过程中，R1应变片两端连接的②为输入信号正端，④⑥为输入信号负端；其中R1应变片两端连接的①⑦为供桥电压负端。所有连接位置采用锡焊烙铁焊接。为了避免外部电磁对电路的测量精度产生影响，桥盒与应变片之间利用屏蔽线连接，连接线为三芯同轴，同时利用在屏蔽线上安装屏蔽层与⑧屏蔽线连接端相连接，进而提高信号传输的稳定性和可靠性。

2.3 倾角传感模块的设计

根据210 t 转炉的实际运行情况，本次采用的倾角传感器为FEC-180-1I-I1 型工业级电流倾角传感器，该传感器能够测量的角度范围在-180°～+180°，输出信号为4～20 mA，能够满足转炉倾角检测需求。

2.4 状态监测板块运行方式

所有应变传感器以及倾角传感器与数据采集卡UA201 的模拟输入状态信号路相连接，进而实现信号的收集。同时在转炉力矩监测系统的建设过程中，还需要借助RS232-485 转换器将现场RS485 接口显示屏与工控机的RS232 相连接，进而将现场的转炉力矩以及转炉倾角数据传递给操作台。

3 系统测试

由于该炼钢厂现阶段的业务量相对较小，因此短时间内不开启4 号转炉，只进行冷态测试。

3.1 测试方式

测试方式为空炉测试，即在炉内没有安装内衬耐火砖的情况下进行冷态运行，为了确保测试结果的精准性，本次测试在炉内装入铁球，以此来模拟转炉在负载情况下倾动操作时的炉耳轴的应力变化，并对结果进行分析研究，本次测验以160 t 和240 t 装球量为基准进行测验。

具体测试过程为：测试开始时转炉处于垂直状态（0°），之后分别以0.75 r/min、1.00 r/min、1.25 r/min、1.50 r/min 的转速转动，转动方向向前或向后，当转炉倾角达到100°时开启制动器，对转炉进行制动，制动时间分别控制为2.0 s、2.5 s、3.0 s，转炉力矩监测系统监测整个运行过程，并将炉耳轴力矩与倾角相关数值记录下来，形成变化曲线。

3.2 测试结果

3.2.1 不同装球量下转炉炉耳轴力矩值

为了验证本次测试结果是否准确，首先需要根据运行过程中驱动电机的实际电流、电压计算电机力矩值，之后根据电机力矩值测算转炉炉耳轴力矩值。其中电机力矩值：M=2.718UI/（103n）.式中：M 为驱动电机力矩；U 为驱动电机运行过程中的有限电压；I 为驱动电机运行过程中的有效电流；n 为驱动电机的转速。

经过测验计算可得不同装球量下转炉炉耳轴理论力矩值，如表1 所示。

表1 不同装球量下转炉炉耳轴理论力矩值

3.2.2 160 t 装球量转炉力矩监测系统测试结果

本次装球量为164.6 t，与160 t 相差在5%以内，符合测试要求，具体测试从转炉0°开始，以1.25 r/min的速度向前转动，制动时间为2.5 s，测试结果如图2所示。

图2 160 t 装球量转炉力矩监测系统测试结果图

由图2 可知，在系统测试过程中，炉耳轴在转炉倾角为75°～85°时力矩较大，最大为410 t·m，与理论值相差12.28 t·m，相差数值在5%以内，这与测量环境以及实际运行情况有关。制动过程中最大力矩为338 t·m，与理论值相差25.33 t·m，为理论值的6.97%，出现此种情况主要是由于转炉在反向转动时需要将时间控制在2.5 s 内，与反向转动状态存在一定差异，因此相差在5%以上。

3.2.3 240 t 装球量转炉力矩监测系统测试结果

本次装球量为248 t，与240 t 相差在5%以内，符合测试要求，具体测试从转炉0°开始，以1.25 r/min的速度向前转动，制动时间为2.5 s，测试结果如图3所示。

图3 240 t 装球量转炉力矩监测系统测试结果图

由图3 可知，在系统测试过程中，炉耳轴在转炉倾角为75°～90°时力矩较大，最大为504 t·m，与理论值相差3.18 t·m，相差数值在5%以内，符合测试误差要求。制动过程中最大力矩为433 t·m，与理论值相差40.75 t·m，为理论值的8.60%，出现此种情况主要是由于转炉在反向转动时需要将时间控制在2.5 s内，与反向转动状态存在一定差异，因此相差在5%以上。

3.2.4 测试效果

将本次所设计的转炉力矩监测系统在210 t 转炉冷态状况下进行应用，具有准确的监测效果，在炉耳轴应力监测方面具有95%以上的监测准确度，因此可以进行热态检测。

4 结论

1）对转炉力矩监测系统总体框架进行设计，确定该系统有数据采集和状态监测两个板块。

2）对数据采集模块进行设计同时描述状态监测板块的运行方式，在数据采集模块当中，采用UA201数据采集卡，其中应力采集选用BX120-4HA（11）型应变传感器，倾角采集选用FEC-180-1I-I1 型工业级电流倾角传感器，同时设计应变片安装电路。

3）对设计的转炉力矩监测系统进行测试，测试结果发现，在210 t 转炉冷态下，本文所设计的转炉力矩监测系统在炉耳轴应力监测准确值在95%以上，符合热态验证标准。