基于傳感器的力矩監(jiān)測系統(tǒng)在210 t 煉鋼轉(zhuǎn)爐中的應(yīng)用研究★

喬 倩

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030001）

0 引言

某煉鋼廠采用的是210 t 煉鋼轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐為全正力矩設(shè)計，在任何角度均能將轉(zhuǎn)爐制動器打開，如果在沒有外力干預(yù)的情況下，轉(zhuǎn)爐口始終朝上，即使發(fā)生事故，也能夠有效降低對人員和設(shè)備的傷害[1]。但由于生產(chǎn)過程中不可控因素較多，再加上爐襯磚的腐蝕會隨著使用時間的增長而加劇，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐不能在所有角度工況下都保持正力矩，因此需要對轉(zhuǎn)爐的傾動裝置力矩進行實時監(jiān)測，進而在故障發(fā)生之前作出提前預(yù)警[2]。

1 轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

本次所設(shè)計的轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)主要由2 個板塊所構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)采集板塊和狀態(tài)監(jiān)測板塊。其中采集的數(shù)據(jù)主要以轉(zhuǎn)爐爐耳軸力矩和轉(zhuǎn)爐傾角為主，采集設(shè)備主要由不同類型的傳感器所構(gòu)成；狀態(tài)監(jiān)測部分由狀態(tài)監(jiān)測軟件及數(shù)據(jù)服務(wù)器所構(gòu)成。狀態(tài)監(jiān)測軟件主要在工控機上運行，通過調(diào)用傳感器模塊所采集回的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)爐實時狀態(tài)分析，并以動態(tài)曲線的形式展示到人工交互界面上，如果所監(jiān)測得到的數(shù)值超過預(yù)先設(shè)定的警戒值，系統(tǒng)則會發(fā)出報警信號，而數(shù)據(jù)服務(wù)區(qū)的主要作用是儲存由傳感器模塊所監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，予以后期的查看和處理。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計與狀態(tài)監(jiān)測板塊的運行方式

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的選型設(shè)計

本次所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是監(jiān)測轉(zhuǎn)爐的實時力矩，因此需要根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐耳設(shè)計6 路應(yīng)變測試信號、1 路爐體傾角信號，為了后續(xù)在整個系統(tǒng)當(dāng)中增加其他監(jiān)測內(nèi)容，例如驅(qū)動電機電壓、電流信號等，本次選用16 路模擬輸入狀態(tài)信號的數(shù)據(jù)采集卡UA201，該采集卡傳輸方式為PCI 總線，定時器通道為6 通道，分辨率為12 bit，輸入信號范圍在-5～+5 V，符合整個轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.2 傳感模塊的選型設(shè)計

本次利用電阻式應(yīng)變計作為應(yīng)變測量傳感器。根據(jù)電阻式應(yīng)變計的實際特性，同時結(jié)合本次所研究的210 t 煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)扭力桿在工作時所產(chǎn)生的交變循環(huán)應(yīng)力情況以及現(xiàn)場環(huán)境特點，本次選用BX120-4HA（11）型雙軸向45°應(yīng)變片。該種應(yīng)變片具有精度高、適應(yīng)環(huán)境范圍廣、使用穩(wěn)定性良好的特點，其相關(guān)參數(shù)完全符合轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測要求。

在選擇好傳感器后，需要根據(jù)測量需求設(shè)計合理的應(yīng)變測量電路，本系統(tǒng)采用SDY2101 型動態(tài)應(yīng)變儀，與上述所選擇的應(yīng)變片組成應(yīng)變測量電路，進而實現(xiàn)物理信號與電信號的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過對210 t 轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測情況的分析研究發(fā)現(xiàn)，BX120-4HA（11）型應(yīng)變片與SDY2101 型動態(tài)應(yīng)變儀的連接方式為半橋雙臂橋路引線連接方法，具體測量電路如圖1 所示。

圖1 半橋雙臂橋路引線連接圖

如圖1 所示，R1、R2為電阻應(yīng)變計，其主要安裝在轉(zhuǎn)爐的扭力桿上，其中敏感柵沿轉(zhuǎn)軸線45°以及-45°的方向粘貼，在轉(zhuǎn)爐運轉(zhuǎn)的過程中，不同方向應(yīng)變片敏感柵受到相應(yīng)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，進而產(chǎn)生方向相反、大小相等的正負應(yīng)變。在連接過程中，R1應(yīng)變片兩端連接的②為輸入信號正端，④⑥為輸入信號負端；其中R1應(yīng)變片兩端連接的①⑦為供橋電壓負端。所有連接位置采用錫焊烙鐵焊接。為了避免外部電磁對電路的測量精度產(chǎn)生影響，橋盒與應(yīng)變片之間利用屏蔽線連接，連接線為三芯同軸，同時利用在屏蔽線上安裝屏蔽層與⑧屏蔽線連接端相連接，進而提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

2.3 傾角傳感模塊的設(shè)計

根據(jù)210 t 轉(zhuǎn)爐的實際運行情況，本次采用的傾角傳感器為FEC-180-1I-I1 型工業(yè)級電流傾角傳感器，該傳感器能夠測量的角度范圍在-180°～+180°，輸出信號為4～20 mA，能夠滿足轉(zhuǎn)爐傾角檢測需求。

2.4 狀態(tài)監(jiān)測板塊運行方式

所有應(yīng)變傳感器以及傾角傳感器與數(shù)據(jù)采集卡UA201 的模擬輸入狀態(tài)信號路相連接，進而實現(xiàn)信號的收集。同時在轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)過程中，還需要借助RS232-485 轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)場RS485 接口顯示屏與工控機的RS232 相連接，進而將現(xiàn)場的轉(zhuǎn)爐力矩以及轉(zhuǎn)爐傾角數(shù)據(jù)傳遞給操作臺。

3 系統(tǒng)測試

由于該煉鋼廠現(xiàn)階段的業(yè)務(wù)量相對較小，因此短時間內(nèi)不開啟4 號轉(zhuǎn)爐，只進行冷態(tài)測試。

3.1 測試方式

測試方式為空爐測試，即在爐內(nèi)沒有安裝內(nèi)襯耐火磚的情況下進行冷態(tài)運行，為了確保測試結(jié)果的精準性，本次測試在爐內(nèi)裝入鐵球，以此來模擬轉(zhuǎn)爐在負載情況下傾動操作時的爐耳軸的應(yīng)力變化，并對結(jié)果進行分析研究，本次測驗以160 t 和240 t 裝球量為基準進行測驗。

具體測試過程為：測試開始時轉(zhuǎn)爐處于垂直狀態(tài)（0°），之后分別以0.75 r/min、1.00 r/min、1.25 r/min、1.50 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向向前或向后，當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾角達到100°時開啟制動器，對轉(zhuǎn)爐進行制動，制動時間分別控制為2.0 s、2.5 s、3.0 s，轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測整個運行過程，并將爐耳軸力矩與傾角相關(guān)數(shù)值記錄下來，形成變化曲線。

3.2 測試結(jié)果

3.2.1 不同裝球量下轉(zhuǎn)爐爐耳軸力矩值

為了驗證本次測試結(jié)果是否準確，首先需要根據(jù)運行過程中驅(qū)動電機的實際電流、電壓計算電機力矩值，之后根據(jù)電機力矩值測算轉(zhuǎn)爐爐耳軸力矩值。其中電機力矩值：M=2.718UI/（103n）.式中：M 為驅(qū)動電機力矩；U 為驅(qū)動電機運行過程中的有限電壓；I 為驅(qū)動電機運行過程中的有效電流；n 為驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。

經(jīng)過測驗計算可得不同裝球量下轉(zhuǎn)爐爐耳軸理論力矩值，如表1 所示。

表1 不同裝球量下轉(zhuǎn)爐爐耳軸理論力矩值

3.2.2 160 t 裝球量轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果

本次裝球量為164.6 t，與160 t 相差在5%以內(nèi)，符合測試要求，具體測試從轉(zhuǎn)爐0°開始，以1.25 r/min的速度向前轉(zhuǎn)動，制動時間為2.5 s，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 160 t 裝球量轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果圖

由圖2 可知，在系統(tǒng)測試過程中，爐耳軸在轉(zhuǎn)爐傾角為75°～85°時力矩較大，最大為410 t·m，與理論值相差12.28 t·m，相差數(shù)值在5%以內(nèi)，這與測量環(huán)境以及實際運行情況有關(guān)。制動過程中最大力矩為338 t·m，與理論值相差25.33 t·m，為理論值的6.97%，出現(xiàn)此種情況主要是由于轉(zhuǎn)爐在反向轉(zhuǎn)動時需要將時間控制在2.5 s 內(nèi)，與反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)存在一定差異，因此相差在5%以上。

3.2.3 240 t 裝球量轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果

本次裝球量為248 t，與240 t 相差在5%以內(nèi)，符合測試要求，具體測試從轉(zhuǎn)爐0°開始，以1.25 r/min的速度向前轉(zhuǎn)動，制動時間為2.5 s，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 240 t 裝球量轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果圖

由圖3 可知，在系統(tǒng)測試過程中，爐耳軸在轉(zhuǎn)爐傾角為75°～90°時力矩較大，最大為504 t·m，與理論值相差3.18 t·m，相差數(shù)值在5%以內(nèi)，符合測試誤差要求。制動過程中最大力矩為433 t·m，與理論值相差40.75 t·m，為理論值的8.60%，出現(xiàn)此種情況主要是由于轉(zhuǎn)爐在反向轉(zhuǎn)動時需要將時間控制在2.5 s內(nèi)，與反向轉(zhuǎn)動狀態(tài)存在一定差異，因此相差在5%以上。

3.2.4 測試效果

將本次所設(shè)計的轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)在210 t 轉(zhuǎn)爐冷態(tài)狀況下進行應(yīng)用，具有準確的監(jiān)測效果，在爐耳軸應(yīng)力監(jiān)測方面具有95%以上的監(jiān)測準確度，因此可以進行熱態(tài)檢測。

4 結(jié)論

1）對轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)總體框架進行設(shè)計，確定該系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測兩個板塊。

2）對數(shù)據(jù)采集模塊進行設(shè)計同時描述狀態(tài)監(jiān)測板塊的運行方式，在數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)中，采用UA201數(shù)據(jù)采集卡，其中應(yīng)力采集選用BX120-4HA（11）型應(yīng)變傳感器，傾角采集選用FEC-180-1I-I1 型工業(yè)級電流傾角傳感器，同時設(shè)計應(yīng)變片安裝電路。

3）對設(shè)計的轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在210 t 轉(zhuǎn)爐冷態(tài)下，本文所設(shè)計的轉(zhuǎn)爐力矩監(jiān)測系統(tǒng)在爐耳軸應(yīng)力監(jiān)測準確值在95%以上，符合熱態(tài)驗證標準。