文章主要介紹了一種用于冶金連鑄機大包鋼水稱重的高精度電子秤。該電子秤由大包傳力復位系統(tǒng)、高 溫傳感器、無線傳輸系統(tǒng)、稱重顯示系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)組成。其中大包秤傳力復位系統(tǒng)結構由我公司技術人 員獨立設計制造，通過近2年連續(xù)運行檢驗，該大包電子秤的精度和穩(wěn)定性良好，熱態(tài)運行準確度優(yōu)于VU,使 用效果良好，具有推廣應用價值。

0.引言

連鑄回轉臺大包鋼水稱重系統(tǒng)是鑄坯澆鑄過 程中重要的檢測設備。根據(jù)煉鋼生產(chǎn)工藝及管理 的需要，能實時顯示處于澆鑄過程中鋼包中鋼水 重量的變化，預知鋼水包中的鋼水量和鋼渣量， 提供連鑄切換鋼包的時間、配合下渣檢測系統(tǒng)關 閉滑動水口，達到降低煉鋼成本和提高產(chǎn)品質量 的目的。但連鑄回轉臺鋼包鋼水重量在線檢測仍 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)澆注時間長、沖擊載荷大、鋼渣粉塵多等因 素。經(jīng)過多年對國內外同類產(chǎn)品分析研究，并結 合連鑄工藝的特點，我公司研發(fā)出一種實用型高 精度連鑄回轉臺大包電子秤簡稱駝背式大包電子 秤，該秤成功運用于湖北新冶鋼煉鋼事業(yè)部轉爐 廠1號、2號連鑄及電爐廠2號，3號連鑄回轉臺 上，經(jīng)過20個月的連續(xù)運行，大包電子秤的精度 和穩(wěn)定性良好，熱態(tài)運行準確度優(yōu)于3%c,使用效 果良好。

1.駝背式大包秤技術指標和工藝條件

技術指標和工藝條件如下：稱量范圍：0~ 450 t (可選）；系統(tǒng)稱量精度：優(yōu)于0.3% (準確 度等級W級秤）；最小分度：100 kg (可選）；標準 模擬量信號：4~20mA;稱重功能：去皮、置零、零點跟蹤功能（可選）；安全超載能力：150% ； 結構形式：非標；供電電源：AC220 V ± 10%/50 Hz±2%A0V-A 左右；環(huán)境溫度：-10 ~300 °C。

2.結構組成及工作原理

駝背式大包秤由大包傳力復位系統(tǒng)、高溫傳 感器、無線傳輸系統(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位系統(tǒng)結構

我公司技術人員結合多年連鑄機大包鋼水稱 重機構攻關的經(jīng)驗，吸收國內外連鑄機大包稱重 機構設計的優(yōu)點，結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

當鋼水包坐在連鑄回轉臺大包懸臂上的稱重 箱體上時，機械傳力機構將力傳力至4個承重點 上的高溫傳感器，高溫傳感器將力轉換成微弱的 電信號輸出，此信號通過YH3120E型儀表進行放 大、濾波處理后，送高精度A/D轉換器轉換成數(shù) 字量，再通過WC~F型無線發(fā)射機發(fā)射，經(jīng)WC-S 型無線接收機接收后送至YH3120 W型儀表還原成 數(shù)字量、微電腦將該轉換值讀入處理器后經(jīng)標定 運算、一路到顯示器顯示輸出，另一路通過4-20mA輸出給PLC至上位機顯示和控制。

3.連鑄回轉臺大包枰工況分析

3.1澆注過程環(huán)境溫度分析

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

從2號連鑄大包秤澆鑄過程溫度測試記錄 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，稱重箱外側溫度為80 C左右，受 澆注時間影響不大。

稱重箱內側溫度隨澆注時間的延長溫度 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間的延長 溫度也呈現(xiàn)升高，從160 C升至200 C左右。

從稱重箱內側到稱重箱外側存在溫度梯 度，即210 C到80 C。

3.2鋼包座位及承載力的分析

在行車吊運鋼水包坐包過程中，由于行車操 作室離地面較高，降落時憑經(jīng)驗進行座包操作， 當成百噸的鋼包落下時，因高度落差和座包速度， 會產(chǎn)生巨大的垂直沖擊力峰值，其垂直沖擊力對 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 量；V。為重物由Vt減到零放在秤臺上；t為重物 以R變V。所需時間。

實驗：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。

在實際行車吊運鋼水包坐包過程中，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沖擊力峰值，同時帶來較大

的水平縱向沖擊，對稱重傳感器帶來致命的傷害。

鋼水包包耳導入傳力復位機構后，回轉臺作 旋轉運動，這時會產(chǎn)生一個很大的水平橫向沖擊 力，這個巨大的沖擊力會使稱重機構產(chǎn)生_定的 水平位移，而影響稱重精度和秤的重復性。

4.駝背式大包秤結構設計分析

一臺良好的高精度大包秤應具有

能有效克服鋼水包座包時對大包秤傳力 復位機構（秤體）和高溫稱重傳感器的垂直、水 平?jīng)_擊。

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

具有高品質的高溫稱重傳感器，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，鋼水包安 全可靠的落位問題。

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的影響。

4.1大包秤稱重機構的設計

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

高空吊運鋼包包耳準確、平穩(wěn)導入大包 秤的稱重機構。

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

能有效克服大包坐包時的垂直和水平?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產(chǎn)生移動 或轉動，但接觸面間不應因摩擦力而產(chǎn)生重量 誤差。

要求傳力復位機構的彈性變形能保持一 致。即傳力復位機構能減小大包澆鑄過程中溫度 造成的膨脹變形和受力產(chǎn)生的應變變形對稱重結 果的影響。

系統(tǒng)應具備良好的穩(wěn)定性和可靠性。

能防止鋼水的外濺及溶渣的外溢對傳感 器及傳輸線路的傷害。

便于安裝、檢修和維護，適應冶煉連鑄 生產(chǎn)的快節(jié)奏。

4.2鋼包導入機構設計

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的方法將鋼水包座包到 幾十米的回轉臺稱重懸臂上，若回轉臺稱重懸臂 上不設置引導裝置，要使鋼水包準確放入指定稱 重機構是難以做到的。

為了準確、安全地將鋼水包導入稱重傳力復 位系統(tǒng)，在回轉臺稱重懸臂設計了一次、二次雙 重導向限位，導向裝置結構外形如圖4所示。

一次導向限位的作用是防止鋼包撞擊稱重傳 力復位機構，前矮后高搭配方式。前部導向裝置 的頂部制作成一定斜面，給吊運操作工人一個明 顯的參照標志；前部導向裝置為水平防撞結構, 當包耳水平接近后部導向時，后部導向裝置會帶 動包耳順利進入稱重機構，提高操作安全性，同 時又可保護稱重機構。

二次導向限位是安裝在稱重機構上，采用前 后對稱方式設計，其作用準確定位鋼包吊耳在稱 重機構中的位置，防止鋼包與一次導向或與懸臂 檫靠，引起稱重誤差。

4.3克服垂直沖擊力和水平?jīng)_擊力的設計

為克服垂直沖擊力, 在稱重傳力復位系統(tǒng)中 設計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稱重傳感器的沖擊。

為消除水平?jīng)_擊力，在稱重傳力復位系統(tǒng)中 設計采用了軸套限位，該限位由導軸、導套（內 襯高強度橡套）、導軸座、止套法蘭等部件組成, 如圖5所示。

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

(1)它能確保載荷通過稱重傳感器的加載軸 線準確地傳遞到傳感器上，并且具有良好的傳力 重復性能有效消除座包、回轉臺作旋轉運動帶 來的縱向、橫向沖擊力，并能克服熱脹冷縮帶來 的偏移。

能保證傳力復位機構的彈性變形能保持 一致。即傳力復位機構能減小大包澆鑄過程中溫 度造成的膨脹變形和受力產(chǎn)生的應變變形對稱重 結果的影響。

4.4載荷傳力方式設計

力傳遞系統(tǒng)由壓頭、防塵法蘭、軸套、碟簧、 軸套底座、傳力復位框架、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。

在設計大包秤時，應注重消除影響大包秤準 確度的因素，尤其要重視大包秤的穩(wěn)定性和可靠 性。除精心設計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傳力復 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計，中間用碟簧進行過渡 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計

要克服澆注過程的高溫環(huán)境對稱重精度的影 響，高溫稱重傳感器的內在質量非常重要，在駝 背式大包秤中采用的是平面凹槽橋式高溫傳感器， 各技術參數(shù)通過模擬現(xiàn)場環(huán)境進行加溫加壓測試, 確保各項技術指標達GB/T 7551 —2008標準。

(1)平面凹槽橋式高溫傳感器的特點是：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口玻璃 纖維增強型聚酰亞安基底卡碼溫度自補償應變計 設計制造，具有如下特點：

①工作溫度：-40 ~ + 250 C。

②采用進口貼片膠和保護面膠，工作溫度: -40 ~250 C。

③米用進口耐高溫焊錫，溶點溫度：+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具有在長期高溫熱幅射、環(huán)境溫度梯變或 瞬變等惡劣條件下，保持稱重或測力的準確性和 穩(wěn)定性。

⑥能替代國內、外同類型耐高溫傳感器產(chǎn)品， 耐高溫達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)境計量。

高溫稱重傳感器性能指標（表2)

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

5.駝背式大包秤與其他類型大包秤比較的 特點

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

(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的弊 端，克服鋼包坐包時的測向沖擊，復位性較好。

(3 )駝背式大包秤在球面壓頭下方采用了碟 簧減震措施，能有效克服坐包時的沖擊，保護稱 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 不平帶來的側向誤差。

(5)駝背式大包秤檢修維護更加方便。

6.效果驗證

2013年底，對湖北新冶鋼轉爐1號、2號連鑄 大包秤、電爐2號、3號連鑄回轉臺大包秤進行了 改造。從改造效果看（圖8),常溫標準包測試5 組數(shù)據(jù)看只有±2個字的變化誤差，精度達0.1% , 在熱態(tài)下連續(xù)運行中，確認運行數(shù)據(jù)準確度達到 3%c。

2015年7月，對湖北新冶鋼在用4臺連鑄機8 套駝背式大包秤進行評估，8套駝背式大包秤經(jīng)一 年半的使用故障率為零，對轉爐1號連鑄大包秤 運行數(shù)據(jù)跟蹤，與天車秤同步比對，轉爐1號連 鑄大包計量數(shù)據(jù)跟蹤統(tǒng)計如表3所示，優(yōu)于在國 內、外同類產(chǎn)品。該結構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

通過多年來對連鑄機大包回轉臺稱重系統(tǒng)的 研究和應用，我們討論確定了今后的研究方向。

( 1) 對高溫稱重傳感器進行加溫加載實驗, 尋求溫度和重力雙作用對高溫傳感器重量輸出 實際影響，形成數(shù)學模型，配合傳感器專業(yè)制 射測溫儀表的測量準確性得到提高，而使用成本 也在逐漸降低，這為推廣輻射測溫儀表的使用起 到了積極作用。不斷有新的領域開始使用輻射測 溫儀表，如消防材料試驗的溫度測量，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、航天衛(wèi)星的遙感測量等等方面。而紅外熱像 測溫技術在城市管理和民眾安全方面也得到更好 的應用。在節(jié)能減排領域對于能源流向的測量和 研究，在醫(yī)療研究方面可以通過人體體表溫度紅 外熱像信息的分析對病人進行診斷，石化行業(yè)危 險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償 技術。

(2)對冶金特鋼行業(yè)連鑄冶煉特殊品種的鋼 種在連續(xù)澆鑄時同時進行電磁攪拌，鋼液溫度較 普通品種高，冶煉過程不允許拉弧，需要對稱重 系統(tǒng)的稱重機構（秤體和導向裝置）進行絕緣, 根據(jù)連鑄特殊冶煉工藝要求, 我們需要研究設計 制作絕緣稱重機構來滿足冶煉要求