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采用高溫傳感器改造鋼包電子秤
[摘要] 文章重點闡述鋼鐵企業鋼包電子秤的安裝使用環境條件與分析；采用耐高溫傳感器的秤體結構設計；克服惡劣環境條件對電子秤影響，應采取的有效措施；闡述了電子秤的各種抗沖擊、防高溫輻射、防鋼水燒損、防傾翻的措施；對高溫環境用電子秤的設計改造，具有一定的指導作用和參考價值。
冶金企業為了提高鋼的質量與合理控制制造成本，在鋼水精煉連鑄成型過程中，一般需安裝兩套電子稱量系統，以對在線計量。
1．車載鋼包電子秤用來檢測對鋼水包注入鋼水時的液位，并在精煉時控制合金材料的加入量，以提高冶煉質量，同時對鋼包的鋼水重量進行稱量。
2．回轉臺鋼包電子秤用來監控連鑄時鋼包內不斷下降的鋼水液位情況，適時對流量進行控制，當鋼水液位接近鋼渣時，及時關閉出鋼口。
由上可知，連鑄工藝中鋼包電子秤的運行質量，對鋼的質量和提高工效方面起著十分重要的作用。
二、鋼包電子秤現場使用環境條件與分析
目前，國內使用的鋼包電子秤，無論是國內制造或從國外隨同連鑄設備引進，雖然其結構各不相同，但它們的安裝位置方式都基本相同，一般都是在鋼包支承座底下設計一臺特殊結構的電子秤，使鋼包左右兩只耳座支承在電子秤秤架上；一般都需具有耐高溫、防濺射、抗沖擊及抵御外界橫向水平沖擊的能力，以確保設備正常運轉，滿足連鑄工藝的需要。本文著重介紹利用國產高溫傳感器設計改造鋼包電子秤的結構設計特點。
1、車載鋼包電子秤的現場環境特點
鋼水運載過程中，必須有一特殊運載車進行運載，一般稱此運載車為鋼包車。此車根據鋼水包的大小，車體大小各有所不同。一般運載車的車體長約7米，寬約5米，高約2.6米，以鋼軌軌道作為運行路線。出鋼前，由行車吊運經烘烤后的空鋼包，從高空放置到鋼包車的特定位置。鋼包在吊運前已進行長達幾小時的烘烤，表面溫度達到60℃～70℃，鋼包放置后，運載車開至出鋼爐爐口，出鋼溫度高達1600℃左右的鋼水或鐵水流入鋼包內，現場環境較為惡劣。主要表現為：a、為了防止鋼水外濺及保溫，爐口周圍雖有隔熱板或防火墻保護，但運載車周圍的環境溫度仍可升至幾百度。b、出鋼過程中，爐子的傾角，隨出鋼量的變化而改變。為保證鋼包口與爐口的一致，出鋼車的位置作相應的改變，但在實際操作過程中，會出現不同步現象，經常出現鋼水外溢。鋼包車表面都有較厚鋼渣。c、出鋼車從出鋼爐運行至精煉區精煉時，用大功率電極加溫冶煉 20～30分鐘，此時的鋼包壁溫已高達幾百度，鋼包耳座底下的溫度可高達250℃左右。d、鋼包車在運行時會產生橫向沖擊力。
2、回轉臺鋼包電子秤現場環境特點
對回轉臺鋼包電子秤的威脅，主要來自鋼水包的高溫輻射及吊運時對秤體的垂直沖擊力。主要表現為：a、連鑄設備的回轉臺壁與鋼包的間隔一般在1500mm左右，為防止高溫輻射，在設計時，一般采取加包蓋的防輻射措施。但在現場實際使用中，鋼包一般都沒有加蓋，電子秤安裝位置的溫度很高，可達200℃左右。b、在吊運過程中，由于行車操作室離地面較高，降落時憑經驗操作，有時會造成較高落差，對秤體沖擊很大。c、行車吊運鋼包是高空作業，鋼包支承耳落入回轉臺壁的電子秤支承座內的難度較大。
三、 鋼包電子秤的秤體結構
改造鋼包電子秤的安裝現場，存在鋼水外濺的威脅、高溫輻射的威脅、吊運過程中的垂直沖擊及運載車運行的水平沖擊、高空作業定位困難等難題。目前，國內的鋼包電子秤一般都是在鋼包支承耳座的支承架上設計安裝結構特殊的秤體，左右各一臺，設置導向架，以便準確對位。下面介紹兩種秤體結構特點。
(一)采用雙剪切梁式耐高溫傳感器設計的鋼包電子秤的結構
采用雙剪切梁式傳感器作為稱重支點設計改造的鋼包電子秤，由耐高溫傳感器、承重梁、保護板、接近導向架、最終導向架等組成.
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鋼包電子秤使用的傳感器有大噸位國產化高溫傳感器、德國申克公司、西班牙UTL公司的傳感器等
上述高溫傳感器有一個共同特點：噸位量程大、外形尺寸寬、平面承載，承載面上都有4-6只M24緊固安裝螺孔，能保證承載梁與傳感器連接牢固，安全可靠。
鋼包電子秤改造設計中須解決以下難題：
1、高空吊運鋼包包耳導入秤體
行車龍門吊鉤吊著龐大的鋼包放置到秤體位置時，行車操作工人在幾十米外憑目測進行操作，如果秤體周圍不設置引導裝置，要使鋼包正常進入指定位置是難以做到的。為了保證安全作業，使鋼包順利進入秤體，在秤體左右設計安裝導向裝置(導向裝置結構外形見圖一)。導向架采用優質合金鋼焊接成整體結構，一高一矮固于秤體兩側，導向架的頂部制作成一定斜面，以給吊運操作工人一個明顯的參照標志。當包耳接近導向架時，左右斜面會帶動包耳順利進入秤體，提高操作安全性，同時又可保護秤體。
2、保證鋼包完全受力
為保證鋼包在計量時不受外力的影響，使包耳完全支承在秤體承重梁上，提高計量精度。在設計秤體時，必須在承重梁上加設接近導向架及限位架。
在鋼包支承耳進入稱量座時，要保證鋼包無摩擦、無分力地座落在稱量箱承重梁上是有困難的，因為當鋼包與導向裝置的一側緊靠時，其摩擦分力勢必影響稱量精度。為克服這一影響，應在承重梁上設置最終導向裝置，在裝置斜面的作用下，迫使鋼包向中心靠近，最后座落在承重梁上。由于最終導向裝置與承重梁為一整體，不會產生外力，也就不會影響稱重精度。由圖一可見，假若最終導向裝置的斜面頂端不在接近導向裝置豎面的內側，則鋼包會卡擱在它的頂端，會使耳座產生傾斜；另外，最終導向裝置的斜面必須有足夠大的角度，以使鋼包接觸此斜面后產生的水平力足以把鋼包推向中心，因此，最終導向裝置必須設計足夠的高度。
3、克服水平沖擊力
鋼包包耳通過最終導向斜面導入秤體及車體作橫向運動時，會產生一個很大的水平沖擊力，這個巨大的沖擊力會使承重梁產生一定的水平位移。從現場使用情況了解到，正是由于這個原因，致使許多鋼包電子秤在使用中失敗。在改造設計時，要利用傳感器的特殊設計來承擔這個巨大的水平沖擊力，使其具有足夠的抗御能力，如采用高強度平面橋式傳感器，其最大允許側向負荷在20-150t之間就不會被損壞。安裝時，利用傳感器凸出的承載面承重大梁內，與承重梁構成整體結構，當產生水平沖擊力時，由承載面來承擔水平方向的剪力，傳感器緊固螺釘不受剪力，使秤體得以正常使用。
4、克服垂直沖擊力
當成百噸的鋼包下落時，產生的垂直沖擊力的峰值是巨大的，其垂直沖擊力對傳感器有致命的影響。最佳辦法是在秤體下部安裝液壓裝置，由液壓裝置承受垂直沖擊力，然后再緩慢落至承重梁上。但是，此結構在實際使用現場是難以實現的，特別是設備改造難度大。因此，此類結構的電子秤在改造設計時，可利用傳感器本身的結構特點，在滿足儀表采樣信號要求的前提下，放大傳感器量程，以抵御垂直沖擊。由于此類電子秤一般都為工藝秤，對精度要求不高，在選擇傳感器時，可盡量采用大量程傳感器。例如：一臺150t鋼包秤，可用4只100t，靈敏度為2.OmV/V的傳感器。設橋壓為10V，分度值為100kg，通過計算，每一分度值仍有2.5：μV信號輸出，儀表足夠采樣。這樣可大大提高電子秤的總體抗沖擊能力，延長傳感器使用壽命。
5、防高溫及鋼水濺射保護措施
車載鋼包電子秤及回轉臺鋼包電子秤的高溫威脅，來自出鋼爐口的鋼水外濺及鋼包內高溫鋼水約1600℃左右的高溫輻射，以及鋼包包壁的自身溫度對秤體的傳導。現場檢測結果表明，秤體溫度可達200℃-250℃左右，針對這種情況，在改造設計時，應選用耐高溫200℃-250℃的稱重傳感器，在秤體周圍增設防鋼水濺射隔熱板，傳感器采用耐高溫橋式傳感器，其引線由秤體中間引入到線管內，不從外部走線。外圍由下流板與內襯板組成迷宮狀進行雙重保護，這樣即使出現鋼水溢出也不會燒壞傳感器。
(二)采用圓柱式耐高溫傳感器改造設計的電子秤
采用圓柱式傳感器作為稱重支點設計改造的鋼包電子秤，與采用橋式傳感器設計的電子秤結構，從外表看基本相同，兩者都有承重梁，接近導向架、最終導向架內部設計結構則不同。(外形見圖三)
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1、接近導向架 |
4、導向套 | |
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圖三 | ||
它由接近導向架、最終導向架 、承重梁導向柱、導向套、防起翹板、高溫傳感器、保護板等組成。
當鋼包進入秤體時，以接近導向架作參考目標，使包耳順著導向架斜面滑入接近導向架的內側。進入秤體包耳，座落在承重梁時，由最終導向架進行限位，分為 XY軸兩個方向，保證包耳與包壁不受任何外力而影響稱量精度。當產生水平橫向力時，由三根導柱予以克服，傳感器不受影響。由于鋼包下落時包耳的某一點先落在承重梁上，會出現承重梁起翹現象，傾翻傳感器，秤體在設計時，內部應設防翹裝置，使傳感器正常受力。在結構改造設計上，除前面的抗水平沖擊力和外圍保護外，主要考慮如下特點：
1、對承重梁的定位和水平沖擊力
當鋼包座落在秤體上運動時，由于慣性作用，會產生巨大的水平力，如果秤體沒有限位裝置，必然會使傳感器受到損傷，甚至會給生產帶來安全隱患。從圖中可見，秤體內部加設三根導柱、導套來承擔水平沖擊力，同時又對承重梁保持水平狀態。為安裝方便，導柱導套之間留有1mm左右的間隙；為不影響稱重精度，襯套內壓入耐高溫緩沖橡膠。這種結構設計，事實上是只允許承重梁作上下直線運動，限制水平位移。在此秤體結構中，傳感器不能采用上述秤體中采用的平面橋式傳感器，而應采用雙球面擺桿式傳感器。此類傳感器能夠提供一定量的水平位移，且對稱重傳感器不受影響。常用高溫傳感器有國產的TY2015G等國產化高溫傳感器。
2、承重梁防翹設計
鋼包從高空下降進入秤體，包耳支承座與承重梁不可能整個平面同時接觸，又由于導向柱與導向套有一定的間隙存在，這樣勢必使承重梁產生瞬間起翹及跳動現象；如不采取防翹限位裝置，勢必造成傳感器傾倒，嚴重時會造成承重梁傾斜，給安全生產帶來隱患。所以在改造設計時，在傳感器左右增設防翹裝置是十分必要的。設計時可在承重梁及秤體底板上各焊接2套防翹板，保持在同一中心線，在起翹板上加設限位孔，采用限位銷進行限位。設計時限位孔與限位銷保持一定間隙，一般最大限位間隙以不使傳感器傾倒為宜。
四、結束語
采用高溫傳感器設計改造鋼包電子秤，能克服高溫環境對電子秤的影響，在冶煉連鑄工藝中已得到廣泛應用，對控制冶煉成本和提高連鑄工藝質量，具有十分重要的作用。國產耐高溫稱重傳感器的特性指標已能滿足高溫電子秤的適用環境，在多家鋼廠冶煉現場得到應用，已產生較好的應用效果。高溫傳感器的國產化和設計應用，為計量稱重技術進軍高溫領域打下了良好基礎。
