礦熱爐電極的非接觸式在線檢測系統

白 羽， 王 琪， 孟凡榮， 王海燕

（長春工業大學 機電工程學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

礦熱電弧爐冶煉鋼技術近些年來迅速發展。目前，礦熱爐的粗鋼產量已經超過全球粗鋼產量的三分之一[1]。礦熱爐煉鋼是一個高耗能、高污染的行業。礦熱爐是依靠電極放電產生高溫進而熔煉廢鋼的方法進行煉鋼的。由于礦熱爐工作環境的復雜性，這就使得電極放電極不穩定，進而產生巨大的能源浪費。隨著人們對環境及能源關注度的提高，節能環保就成了礦熱爐設備發展的新趨勢。

為了提高能源的利用率，縮短冶煉時間，就需要對礦熱爐電極工作位置進行實時檢測并控制，以保證礦熱爐電極處于最佳放電位置。因此，文中引進一種非接觸式電極相對位置在線檢測方法。

1 礦熱爐電極相對位置檢測裝置

電弧爐的電極位移是由兩個部分組成的[2]：第一部分是電極隨液壓缸的伸縮上下運動時的位移，這個過程產生的移動速度和位移量都比較大；另一部分則是因為電弧爐電極消耗掉，通過液壓系統對6組電極夾持器的壓放所產生的位移，而這個過程產生的無論是移動速度還是位移量都比較小。

增量編碼器的應用就是為了能夠精確地測量出液壓缸伸縮的位置移動量。在電極夾持器沒有對電極進行壓放的時候，通過對液壓缸伸縮量的測量就可以測量出電極的升降情況，與此同時，也就完成了電極移動速度的檢測。對此部分的檢測，文中使用的是SX80數字輸出型拉繩式位移傳感器，如圖1所示。

圖1 SX80數字輸出型拉繩式位移傳感器

通常在實際應用中一般會把拉繩傳感器的一段固定在地面上，另一端固定在電極平臺上。

電極夾持器壓放電極的速度與位移量都比較小，對于它們的檢測，文中根據光電傳感器檢測的原理設計了一種礦熱爐電極的非接觸傳感器[3]。其結構為在PCB板上固定發光二極管、光學傳感器和控制芯片。用夾子把光學透鏡元件固定在底座上，同時PCB板和底座也需要用夾子固定住，圖像獲取系統實際安裝結構如圖2所示。

圖2 圖像獲取系統實際安裝結構圖

2 礦熱爐電極非接觸式相對長度檢測系統結構

插入式電極的橫梁位置檢測過程示意圖如圖3所示。

圖3 插入式電極的橫梁位置檢測過程示意圖

一種礦熱爐可調節插入式電極非接觸式相對長度檢測方法及電極控制方法[3]示意圖和結構圖分別如圖4和圖5所示。

圖4是電爐的總體結構。本套裝置采用光電非接觸式原理[4]對電極位置進行測量，可將其固定于電極表面上方3～5mm處，進而對電極位置進行實時檢測[5]。

礦熱爐電極相對長度的非接觸檢測方法及控制裝置包括：

1）電極非接觸式傳感器、信號處理及轉換裝置[6]。可用于電極的損耗和進給量檢測，即電極相對長度檢測。非接觸式傳感器是采用激光光束或激光紅外線式傳感器進行檢測的。

2）對于導電橫臂的平衡檢測，文中使用的是一種拉繩式位置傳感器，在檢測液壓缸位置的同時，完成了對導電橫臂的檢測與矯正。對于傳感器的安裝可采用地平式安裝，即將其安裝在地面，拉環安裝在導電橫臂的方法。把它們倒置過來安裝也可以，并且它們的位置是可以相互對換的。

圖4 礦熱爐電極控制方法示意圖

圖5 礦熱爐電極非接觸式相對長度檢測及控制結構框圖

3 礦熱爐電極非接觸式相對長度檢測方法及電極控制方法

文中所涉及的是一種在礦熱爐冶煉過程中電極相對長度的非接觸式檢測、最佳熔煉控制方法及電極的控制方法[7]。圖4中所示的是這種非接觸式檢測方法的電極長度傳感器和信號轉換裝置。圖5所示的就是電極相對長度的非接觸式。非接觸傳感器把檢測到的信號輸送到信號處理電路，經USB通信接口傳送到工控計算機進行處理[8]，最后把各參數輸送到電極控制系統中對電極的相對位置進行實時檢測和控制[9]。電極在冶煉過程中的損耗量及其電極的壓放進給量是通過非接觸式傳感及信號轉換裝置來完成的，即完成了電極的相對長度檢測。拉繩傳感器的主要作用是用來檢測雙液壓缸升降的同步性，以確定導電橫臂的位置，并且還能起到防止電極偏離中心線的作用。礦熱爐的導電橫臂是由雙液壓缸系統控制其升降的。在對導電橫臂位置的控制中，兩個液壓缸會接收到來自工控機的同一個數字信號，進而控制液壓閥的開關量控制著液壓缸的升降。對于導電橫臂的平衡檢測是通過計算機對雙液壓缸的位置參數的實時檢測完成的。根據液壓缸在上下運動過程中的位置參數計算出偏差，然后，對導電橫臂的液壓驅動裝置進行液壓補償等矯正偏差技術，以確保電爐工作時導電橫臂的位置平衡。與此同時，配合電極最佳工作狀態時電極電流、電極長度及電極位置參數，非接觸傳感器和拉繩傳感器可以有效地保證液壓缸的位置參數。計算機通過控制傳感器輸送的數字量信號實現對導電橫梁的位置參數檢測。通過對位置參數偏差進行計算，并使用液壓補償系統對液壓缸進行控制，以確保電爐的最佳運行狀態。

[1]朱榮.電弧爐煉鋼設備技術的發展[J].中國冶金，2010，20（4）：8－16.

[2]李剛.礦熱爐自培電機雙液壓缸平衡智能控制系統研究[D]：[碩士學位論文].長春：長春工業大學電氣與電子工程學院，2011.

[3]安振華.礦熱爐電極放電最佳位置在線檢測系統設計[D]：[碩士學位論文].長春：長春工業大學電氣與電子工程學院，2010.

[4]白羽，盧秀和，侯云海，等.一種礦熱爐電極的非接觸檢測及最佳熔煉控制方法：中國，201010186911.X [P].2010－05－31.

[5]白羽.高頻高效照明驅動電路的開關與設計[J].吉林工學院學報：自然科學版，1999，20（3）：32－35.

[6]白羽.電火花加工智能系統的仿真與實驗研究[J].計算機仿真，2005（5）：103－108.

[7]宋文彬.電孤爐煉鋼[M].北京：冶金工業出版社，1995：142－192.

[8]羅鈞，桂杰分.USB協議及其接口實現[J].儀器儀表學報，2008（4）：56－64.

[9]陳明智，李鋒，尚淮.USB通用協議分析和系統設計[J].自動與儀器儀表，2006（6）：88－93.