文章主要介紹了一種用于冶金連鑄機(jī)大包鋼水稱重的高精度電子秤。該電子秤由大包傳力復(fù)位系統(tǒng)、高 溫傳感器、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、稱重顯示系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)組成。其中大包秤傳力復(fù)位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由我公司技術(shù)人 員獨(dú)立設(shè)計(jì)制造，通過(guò)近2年連續(xù)運(yùn)行檢驗(yàn)，該大包電子秤的精度和穩(wěn)定性良好，熱態(tài)運(yùn)行準(zhǔn)確度優(yōu)于VU,使 用效果良好，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

0.引言

連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)大包鋼水稱重系統(tǒng)是鑄坯澆鑄過(guò) 程中重要的檢測(cè)設(shè)備。根據(jù)煉鋼生產(chǎn)工藝及管理 的需要，能實(shí)時(shí)顯示處于澆鑄過(guò)程中鋼包中鋼水 重量的變化，預(yù)知鋼水包中的鋼水量和鋼渣量， 提供連鑄切換鋼包的時(shí)間、配合下渣檢測(cè)系統(tǒng)關(guān) 閉滑動(dòng)水口，達(dá)到降低煉鋼成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量 的目的。但連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)鋼包鋼水重量在線檢測(cè)仍 是困擾行業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，主要因素是環(huán)境溫度高、 連續(xù)澆注時(shí)間長(zhǎng)、沖擊載荷大、鋼渣粉塵多等因 素。經(jīng)過(guò)多年對(duì)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品分析研究，并結(jié) 合連鑄工藝的特點(diǎn)，我公司研發(fā)出一種實(shí)用型高 精度連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)大包電子秤簡(jiǎn)稱駝背式大包電子 秤，該秤成功運(yùn)用于湖北新冶鋼煉鋼事業(yè)部轉(zhuǎn)爐 廠1號(hào)、2號(hào)連鑄及電爐廠2號(hào)，3號(hào)連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái) 上，經(jīng)過(guò)20個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行，大包電子秤的精度 和穩(wěn)定性良好，熱態(tài)運(yùn)行準(zhǔn)確度優(yōu)于3%c,使用效 果良好。

1.駝背式大包秤技術(shù)指標(biāo)和工藝條件

技術(shù)指標(biāo)和工藝條件如下：稱量范圍：0~ 450 t (可選）；系統(tǒng)稱量精度：優(yōu)于0.3% (準(zhǔn)確 度等級(jí)W級(jí)秤）；最小分度：100 kg (可選）；標(biāo)準(zhǔn) 模擬量信號(hào)：4~20mA;稱重功能：去皮、置零、零點(diǎn)跟蹤功能（可選）；安全超載能力：150% ； 結(jié)構(gòu)形式：非標(biāo)；供電電源：AC220 V ± 10%/50 Hz±2%A0V-A 左右；環(huán)境溫度：-10 ~300 °C。

2.結(jié)構(gòu)組成及工作原理

駝背式大包秤由大包傳力復(fù)位系統(tǒng)、高溫傳 感器、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、稱重顯示系統(tǒng)及PLC控制 系統(tǒng)組成。

2.1駝背式大包秤傳力復(fù)位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我公司技術(shù)人員結(jié)合多年連鑄機(jī)大包鋼水稱 重機(jī)構(gòu)攻關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，吸收國(guó)內(nèi)外連鑄機(jī)大包稱重 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合我公司連鑄意圖如圖1所示。

2.2駝背式大包秤系統(tǒng)原理框圖（圖2)

2.3駝背式大包秤系統(tǒng)原理

當(dāng)鋼水包坐在連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)大包懸臂上的稱重 箱體上時(shí)，機(jī)械傳力機(jī)構(gòu)將力傳力至4個(gè)承重點(diǎn) 上的高溫傳感器，高溫傳感器將力轉(zhuǎn)換成微弱的 電信號(hào)輸出，此信號(hào)通過(guò)YH3120E型儀表進(jìn)行放 大、濾波處理后，送高精度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù) 字量，再通過(guò)WC~F型無(wú)線發(fā)射機(jī)發(fā)射，經(jīng)WC-S 型無(wú)線接收機(jī)接收后送至YH3120 W型儀表還原成 數(shù)字量、微電腦將該轉(zhuǎn)換值讀入處理器后經(jīng)標(biāo)定 運(yùn)算、一路到顯示器顯示輸出，另一路通過(guò)4-20mA輸出給PLC至上位機(jī)顯示和控制。

3.連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)大包枰工況分析

3.1澆注過(guò)程環(huán)境溫度分析

澆注過(guò)程的高溫環(huán)境是影響大包秤精度和穩(wěn) 定性的重要因素，高溫主要來(lái)源于盛滿1 600 T鋼 水包的外壁和澆注過(guò)程中的高溫烘烤，為得到澆 注過(guò)程中溫度變化，我們對(duì)湖北新冶鋼連鑄大包 秤澆鑄過(guò)程溫度進(jìn)行了測(cè)試，如表1所示。

從2號(hào)連鑄大包秤澆鑄過(guò)程溫度測(cè)試記錄 分析：

鋼包外壁溫度在280 蚓左右。鋼包外壁 溫度受環(huán)境因素、鋼包耐溫材料、使用頻次等多 重因素的影響，稱重箱外側(cè)溫度為80 C左右，受 澆注時(shí)間影響不大。

稱重箱內(nèi)側(cè)溫度隨澆注時(shí)間的延長(zhǎng)溫度 逐漸升高，從160 C升至210 C左右。

稱重箱承重壓頭溫度隨澆注時(shí)間的延長(zhǎng) 溫度也呈現(xiàn)升高，從160 C升至200 C左右。

從稱重箱內(nèi)側(cè)到稱重箱外側(cè)存在溫度梯 度，即210 C到80 C。

3.2鋼包座位及承載力的分析

在行車吊運(yùn)鋼水包坐包過(guò)程中，由于行車操 作室離地面較高，降落時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行座包操作， 當(dāng)成百噸的鋼包落下時(shí)，因高度落差和座包速度， 會(huì)產(chǎn)生巨大的垂直沖擊力峰值，其垂直沖擊力對(duì) 傳感器有致命的影響，不同的座包速度，其沖擊 力峰值也不盡相同。

由沖擊定義可知：

Fx = mVx - mVQ 式中：F為沖力；Vt為重物下落的速度；m為質(zhì) 量；V。為重物由Vt減到零放在秤臺(tái)上；t為重物 以R變V。所需時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)：50 kg的鐵塊在1m高度自由落下可能 產(chǎn)生110. 7 t的沖擊載荷，足以使50 t傳感器損壞。

在實(shí)際行車吊運(yùn)鋼水包坐包過(guò)程中，大包并 不是水平座包，而是有一定傾斜的角度，這就更 加大了傳感器的單點(diǎn)沖擊力峰值，同時(shí)帶來(lái)較大

的水平縱向沖擊，對(duì)稱重傳感器帶來(lái)致命的傷害。

鋼水包包耳導(dǎo)入傳力復(fù)位機(jī)構(gòu)后，回轉(zhuǎn)臺(tái)作 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的水平橫向沖擊 力，這個(gè)巨大的沖擊力會(huì)使稱重機(jī)構(gòu)產(chǎn)生_定的 水平位移，而影響稱重精度和秤的重復(fù)性。

4.駝背式大包秤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

一臺(tái)良好的高精度大包秤應(yīng)具有

能有效克服鋼水包座包時(shí)對(duì)大包秤傳力 復(fù)位機(jī)構(gòu)（秤體）和高溫稱重傳感器的垂直、水 平?jīng)_擊。

能克服連續(xù)拉坯過(guò)程中高溫及輻射對(duì)高 溫傳感器參數(shù)的影響或損壞。

具有高品質(zhì)的高溫稱重傳感器，在連續(xù) 高溫、高壓環(huán)境中高溫傳感器各項(xiàng)參數(shù)較為穩(wěn)定， 溫度漂移較小。

能有效解決行車高空作業(yè)時(shí)，鋼水包安 全可靠的落位問(wèn)題。

適合于冶煉連鑄連續(xù)快速生產(chǎn)，安裝、 檢修方便。

消除其它條件或意外因素帶來(lái)的影響。

4.1大包秤稱重機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

大包秤的稱重機(jī)構(gòu)（傳力復(fù)位系統(tǒng)）是大包 秤的三個(gè)基本組成部分之一，它的設(shè)計(jì)、安裝合 理與否，直接決定了一臺(tái)大包秤的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定 性。該款高精度大包秤的稱重機(jī)構(gòu)（傳力復(fù)位系 統(tǒng)）由稱重傳力復(fù)位框架、高溫稱重傳感器、承 重壓頭、減震碟簧、二次導(dǎo)向、軸套限位、安全 限位組成，如圖3所示.

高空吊運(yùn)鋼包包耳準(zhǔn)確、平穩(wěn)導(dǎo)入大包 秤的稱重機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)要有足夠的剛度和強(qiáng)度，能確保載 荷通過(guò)稱重傳感器的加載軸線準(zhǔn)確地傳遞到傳感 器上, 并且具有良好的傳力重復(fù)性。

能有效克服大包坐包時(shí)的垂直和水平?jīng)_ 擊力向稱重傳感器的傳遞，并起到緩沖作用。

允許稱重傳感器在誤差范圍內(nèi)產(chǎn)生移動(dòng) 或轉(zhuǎn)動(dòng)，但接觸面間不應(yīng)因摩擦力而產(chǎn)生重量 誤差。

要求傳力復(fù)位機(jī)構(gòu)的彈性變形能保持一 致。即傳力復(fù)位機(jī)構(gòu)能減小大包澆鑄過(guò)程中溫度 造成的膨脹變形和受力產(chǎn)生的應(yīng)變變形對(duì)稱重結(jié) 果的影響。

系統(tǒng)應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性和可靠性。

能防止鋼水的外濺及溶渣的外溢對(duì)傳感 器及傳輸線路的傷害。

便于安裝、檢修和維護(hù)，適應(yīng)冶煉連鑄 生產(chǎn)的快節(jié)奏。

4.2鋼包導(dǎo)入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

連鑄跨行車多為大型龍門吊，龐大的鋼水包 是靠行車操作工人用目測(cè)的方法將鋼水包座包到 幾十米的回轉(zhuǎn)臺(tái)稱重懸臂上，若回轉(zhuǎn)臺(tái)稱重懸臂 上不設(shè)置引導(dǎo)裝置，要使鋼水包準(zhǔn)確放入指定稱 重機(jī)構(gòu)是難以做到的。

為了準(zhǔn)確、安全地將鋼水包導(dǎo)入稱重傳力復(fù) 位系統(tǒng)，在回轉(zhuǎn)臺(tái)稱重懸臂設(shè)計(jì)了一次、二次雙 重導(dǎo)向限位，導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

一次導(dǎo)向限位的作用是防止鋼包撞擊稱重傳 力復(fù)位機(jī)構(gòu)，前矮后高搭配方式。前部導(dǎo)向裝置 的頂部制作成一定斜面，給吊運(yùn)操作工人一個(gè)明 顯的參照標(biāo)志；前部導(dǎo)向裝置為水平防撞結(jié)構(gòu), 當(dāng)包耳水平接近后部導(dǎo)向時(shí)，后部導(dǎo)向裝置會(huì)帶 動(dòng)包耳順利進(jìn)入稱重機(jī)構(gòu)，提高操作安全性，同 時(shí)又可保護(hù)稱重機(jī)構(gòu)。

二次導(dǎo)向限位是安裝在稱重機(jī)構(gòu)上，采用前 后對(duì)稱方式設(shè)計(jì)，其作用準(zhǔn)確定位鋼包吊耳在稱 重機(jī)構(gòu)中的位置，防止鋼包與一次導(dǎo)向或與懸臂 檫靠，引起稱重誤差。

4.3克服垂直沖擊力和水平?jīng)_擊力的設(shè)計(jì)

為克服垂直沖擊力, 在稱重傳力復(fù)位系統(tǒng)中 設(shè)計(jì)采用了碟簧作為減震裝置，該跌簧減震能有 效克服和釋放垂直沖擊力對(duì)稱重傳感器的沖擊。

為消除水平?jīng)_擊力，在稱重傳力復(fù)位系統(tǒng)中 設(shè)計(jì)采用了軸套限位，該限位由導(dǎo)軸、導(dǎo)套（內(nèi) 襯高強(qiáng)度橡套）、導(dǎo)軸座、止套法蘭等部件組成, 如圖5所示。

在稱重傳力復(fù)位系統(tǒng)中每一個(gè)稱重箱內(nèi)安裝 有前、后、中三套軸套限位，該限位在整個(gè)系統(tǒng) 中非常重要是核心部件。其作用如下：

(1)它能確保載荷通過(guò)稱重傳感器的加載軸 線準(zhǔn)確地傳遞到傳感器上，并且具有良好的傳力 重復(fù)性能有效消除座包、回轉(zhuǎn)臺(tái)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶 來(lái)的縱向、橫向沖擊力，并能克服熱脹冷縮帶來(lái) 的偏移。

能保證傳力復(fù)位機(jī)構(gòu)的彈性變形能保持 一致。即傳力復(fù)位機(jī)構(gòu)能減小大包澆鑄過(guò)程中溫 度造成的膨脹變形和受力產(chǎn)生的應(yīng)變變形對(duì)稱重 結(jié)果的影響。

4.4載荷傳力方式設(shè)計(jì)

力傳遞系統(tǒng)由壓頭、防塵法蘭、軸套、碟簧、 軸套底座、傳力復(fù)位框架、傳感器壓頭、高溫稱 重傳感器及傳感器基板組成，如圖6所示。

在設(shè)計(jì)大包秤時(shí)，應(yīng)注重消除影響大包秤準(zhǔn) 確度的因素，尤其要重視大包秤的穩(wěn)定性和可靠 性。除精心設(shè)計(jì)和制造的高溫稱重傳感器和顯示 器外，還必須十分重視外加載荷必須通過(guò)傳力復(fù) 位系統(tǒng)將力始終作用于稱重傳感器中心線上，并 盡量不受橫向載荷和扭曲力影響。

這里載荷傳力方式采用了圓弧形承載壓頭配 圓弧傳感器壓頭方式設(shè)計(jì)，中間用碟簧進(jìn)行過(guò)渡 起減震作用，這樣能使外加載荷垂直作用于稱重 傳感器，減少力傳遞系統(tǒng)所引入的附加誤差。

4.5高溫稱重傳感器的設(shè)計(jì)

要克服澆注過(guò)程的高溫環(huán)境對(duì)稱重精度的影 響，高溫稱重傳感器的內(nèi)在質(zhì)量非常重要，在駝 背式大包秤中采用的是平面凹槽橋式高溫傳感器， 各技術(shù)參數(shù)通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行加溫加壓測(cè)試, 確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)GB/T 7551 —2008標(biāo)準(zhǔn)。

(1)平面凹槽橋式高溫傳感器的特點(diǎn)是：噸位量程大、外形尺寸寬、平面承載，采用限位式 安裝，更換、拆卸方便。

平面凹槽橋式高溫傳感器采用進(jìn)口玻璃 纖維增強(qiáng)型聚酰亞安基底卡碼溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 設(shè)計(jì)制造，具有如下特點(diǎn)：

①工作溫度：-40 ~ + 250 C。

②采用進(jìn)口貼片膠和保護(hù)面膠，工作溫度: -40 ~250 C。

③米用進(jìn)口耐高溫焊錫，溶點(diǎn)溫度：+305 ~ + 365 C。

④采用耐高溫引線與接線端子，耐溫250 C。 采用耐高溫電纜和耐高溫接頭。

⑤具有在長(zhǎng)期高溫?zé)岱洹h(huán)境溫度梯變或 瞬變等惡劣條件下，保持稱重或測(cè)力的準(zhǔn)確性和 穩(wěn)定性。

⑥能替代國(guó)內(nèi)、外同類型耐高溫傳感器產(chǎn)品， 耐高溫達(dá)250 C,適用于如車載鋼水包秤、連鑄鋼 水包秤、鋼水包行車吊秤等熱態(tài)高溫環(huán)境計(jì)量。

高溫稱重傳感器性能指標(biāo)（表2)

(鋼包皮+鋼水量）；w為秤臺(tái)自重（在大包秤中 可忽略）；n為傳感器個(gè)數(shù)；&,…,kn為稱重系 統(tǒng)在稱重作業(yè)時(shí)各項(xiàng)系數(shù)（如沖擊、偏載、風(fēng) 壓……）。

5.駝背式大包秤與其他類型大包秤比較的 特點(diǎn)

(1)用了兩次導(dǎo)向，能有效克服坐包后鋼包 與一次導(dǎo)向（防撞塊）產(chǎn)生的側(cè)向摩擦附加力帶 來(lái)的誤差。

(2 )駝背式大包秤在兩端和中間位置采用高 溫橡套軸式限位，能有效克服熱脹冷縮帶來(lái)的弊 端，克服鋼包坐包時(shí)的測(cè)向沖擊，復(fù)位性較好。

(3 )駝背式大包秤在球面壓頭下方采用了碟 簧減震措施，能有效克服坐包時(shí)的沖擊，保護(hù)稱 重傳感器不被損壞。

(4 )駝背式大包秤能有效克服鋼包吊耳底部 不平帶來(lái)的側(cè)向誤差。

(5)駝背式大包秤檢修維護(hù)更加方便。

6.效果驗(yàn)證

2013年底，對(duì)湖北新冶鋼轉(zhuǎn)爐1號(hào)、2號(hào)連鑄 大包秤、電爐2號(hào)、3號(hào)連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)大包秤進(jìn)行了 改造。從改造效果看（圖8),常溫標(biāo)準(zhǔn)包測(cè)試5 組數(shù)據(jù)看只有±2個(gè)字的變化誤差，精度達(dá)0.1% , 在熱態(tài)下連續(xù)運(yùn)行中，確認(rèn)運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度達(dá)到 3%c。

2015年7月，對(duì)湖北新冶鋼在用4臺(tái)連鑄機(jī)8 套駝背式大包秤進(jìn)行評(píng)估，8套駝背式大包秤經(jīng)一 年半的使用故障率為零，對(duì)轉(zhuǎn)爐1號(hào)連鑄大包秤 運(yùn)行數(shù)據(jù)跟蹤，與天車秤同步比對(duì)，轉(zhuǎn)爐1號(hào)連 鑄大包計(jì)量數(shù)據(jù)跟蹤統(tǒng)計(jì)如表3所示，優(yōu)于在國(guó) 內(nèi)、外同類產(chǎn)品。該結(jié)構(gòu)大包秤還可用于車載鋼 包秤、鑄鏈車秤和鐵水包秤等熱態(tài)衡器

7今后研究方向

通過(guò)多年來(lái)對(duì)連鑄機(jī)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)稱重系統(tǒng)的 研究和應(yīng)用，我們討論確定了今后的研究方向。

( 1) 對(duì)高溫稱重傳感器進(jìn)行加溫加載實(shí)驗(yàn), 尋求溫度和重力雙作用對(duì)高溫傳感器重量輸出 實(shí)際影響，形成數(shù)學(xué)模型，配合傳感器專業(yè)制 射測(cè)溫儀表的測(cè)量準(zhǔn)確性得到提高，而使用成本 也在逐漸降低，這為推廣輻射測(cè)溫儀表的使用起 到了積極作用。不斷有新的領(lǐng)域開始使用輻射測(cè) 溫儀表，如消防材料試驗(yàn)的溫度測(cè)量，金屬及耐 高溫材料的研究、食品冷藏及高溫加工的溫度監(jiān) 測(cè)、航天衛(wèi)星的遙感測(cè)量等等方面。而紅外熱像 測(cè)溫技術(shù)在城市管理和民眾安全方面也得到更好 的應(yīng)用。在節(jié)能減排領(lǐng)域?qū)τ谀茉戳飨虻臏y(cè)量和 研究，在醫(yī)療研究方面可以通過(guò)人體體表溫度紅 外熱像信息的分析對(duì)病人進(jìn)行診斷，石化行業(yè)危 險(xiǎn)液氣管道泄漏的安全監(jiān)控等。造商優(yōu)化高溫傳感器制作工藝和溫度補(bǔ)償 技術(shù)。

(2)對(duì)冶金特鋼行業(yè)連鑄冶煉特殊品種的鋼 種在連續(xù)澆鑄時(shí)同時(shí)進(jìn)行電磁攪拌，鋼液溫度較 普通品種高，冶煉過(guò)程不允許拉弧，需要對(duì)稱重 系統(tǒng)的稱重機(jī)構(gòu)（秤體和導(dǎo)向裝置）進(jìn)行絕緣, 根據(jù)連鑄特殊冶煉工藝要求, 我們需要研究設(shè)計(jì) 制作絕緣稱重機(jī)構(gòu)來(lái)滿足冶煉要求