李元文

（機械科學(xué)研究總院海西（福建）分院有限公司，福建三明 365000）

【摘 要】 針對中小型轉(zhuǎn)爐開發(fā)的新型自動測溫取樣系統(tǒng)。通過機械手、機器人和機器視覺系統(tǒng)的配合使用，取代人工實現(xiàn)爐前鋼水的全自動測溫、取樣工作。說明了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，分析了機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡述了機器人、行走電機等的選型計算，提出了爐前高溫環(huán)境下的應(yīng)對措施。

【關(guān)鍵詞】 煉鋼；轉(zhuǎn)爐；測溫；取樣；機器人；機器視覺

前言

轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程是將高爐來的鐵水經(jīng)混鐵爐混勻后兌入轉(zhuǎn)爐，并按一定比例裝入廢鋼，然后降下水冷氧槍以一定的供氧、槍位和造渣制度吹氧冶煉。當(dāng)達(dá)到吹煉終點時，提槍倒?fàn)t，進(jìn)行測溫和取樣化驗成分，鋼水溫度和成分達(dá)到目標(biāo)值范圍時出鋼。由此可知，爐前對鋼水進(jìn)行測溫、取樣，得到鋼水的溫度和化學(xué)成分，是煉鋼冶煉過程中必不可少的一道工序。

200 t以下中小型煉鋼轉(zhuǎn)爐（本文簡稱轉(zhuǎn)爐）目前大多由人工進(jìn)行測溫、取樣的工作和測溫、取樣槍上測溫、取樣套管的拆裝工作。人工測溫、取樣存在的問題：

⑴人工操作，爐內(nèi)測溫、取樣的點難以保持一致，測溫取樣結(jié)果存在波動不準(zhǔn)確；

⑵小管徑（φ16 mm）、長懸臂（5.5 m）及鋼水高溫環(huán)境下的測溫、取樣槍在傾斜狀態(tài)時撓度大、易彎曲，工人勞動強度較高，控制較困難；

⑶人工測溫、取樣時是正對爐口的，爐口溫度高（可達(dá)1700 ℃以上），存在高溫燙傷等的危險因素；

⑷人工測溫、取樣時靠近高溫鋼水，增加職業(yè)病的風(fēng)險。因此，在轉(zhuǎn)爐上應(yīng)用自動測溫取樣系統(tǒng)代替人工測溫取樣有著重要的實際意義，也是冶金行業(yè)裝備智能化升級改造的迫切需求。本文以某鋼廠百噸轉(zhuǎn)爐為例，淺析其自動測溫取樣系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。

1 自動測溫系統(tǒng)總體設(shè)計方案

轉(zhuǎn)爐人工測溫、取樣的工作過程是將轉(zhuǎn)爐傾翻到一定的角度（爐子中心線與水平面的夾角約為10°左右），爐口斜向爐前，人工將測溫槍、取樣槍正對爐口以合適的傾斜角度插入爐內(nèi)進(jìn)行測溫、取樣，完成后再將測溫槍、取樣槍從轉(zhuǎn)爐中抽出，拆下用過的測溫、取樣套管，取得鋼水樣品，再將新的測溫、取樣套管裝到測溫、取樣槍上備用。

用戶要求：

⑴在其他生產(chǎn)條件不變的情況下，要求全自動完成測溫、取樣的工作和測溫、取樣槍上套管的拆裝工作；

⑵60 s 內(nèi)完成爐內(nèi)鋼水的測溫、取樣；

⑶自動系統(tǒng)的布置不影響爐前搗爐車等設(shè)備地使用。

轉(zhuǎn)爐尺寸數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)半徑 4530 mm，轉(zhuǎn)爐中心線到爐前擋火門外側(cè)水平距離 6362.5 mm，轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)耳軸中心線到爐前地面垂直距離1000 mm。

欲實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐自動測溫取樣需解決的問題：

⑴小管徑長懸臂桿件在傾斜狀態(tài)時撓度大；

⑵ 轉(zhuǎn)爐爐口溫度高；

⑶套管外徑尺寸存在波動；

⑷測溫、取樣套管的內(nèi)孔與測溫槍，取樣槍的外徑相差較小，套管與槍對準(zhǔn)安裝的精度要求較高；

⑸測溫套管裝入測溫槍時，對插入尺寸精度要求較高，太深會破壞套管頭部的熱電偶，太淺則沒有碰到觸點，不能將溫度信號傳到發(fā)射裝置。

綜上所述，本文設(shè)計了一種全自動智能型的轉(zhuǎn)爐測溫取樣系統(tǒng)。系統(tǒng)總體布置見圖1。

自動系統(tǒng)由三部分組成：自動測溫取樣機械手、機器人套管自動拆裝部分和系統(tǒng)行走小車。自動測溫取樣機械手由測溫、取樣槍及其縱移裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、旋轉(zhuǎn)裝置和橫移裝置等四大動作機構(gòu)組成，完成測溫、取樣槍對轉(zhuǎn)爐鋼水的自動測溫、取樣工作。機器人套管自動拆裝部分由機器人及其抓手、機器視覺系統(tǒng)、套管彈倉和鋼水樣品及廢套管收集倉等四塊構(gòu)成，完成測溫、取樣槍上套管的自動拆裝工作，并且機器人自動調(diào)整適應(yīng)測溫、取樣槍的變形偏差。自動測溫取樣機械手和機器人套管自動拆裝部分都安裝在系統(tǒng)行走小車上，跟隨行走小車在與爐前擋火門移動軌道相平行的方向左右移動。這樣既滿足系統(tǒng)內(nèi)部工作的協(xié)調(diào)性和精度要求，又避免影響爐前平臺搗爐車等其它設(shè)備地使用。自動系統(tǒng)的工作流程見圖2。機器視覺系統(tǒng)按時檢測測溫、取樣槍頭部變形偏移量，用于修正機器人安裝套管；若偏移量達(dá)到一定數(shù)值，則報警提示更換測溫、取樣槍。

2 自動測溫取樣機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

若要完成測溫、取樣工作，必須將測溫套管上的熱電偶和取樣套管上的取樣器浸入轉(zhuǎn)爐鋼水中。

結(jié)合轉(zhuǎn)爐尺寸數(shù)據(jù)和測溫取樣時轉(zhuǎn)爐的位置姿態(tài)，以及測溫、取樣槍進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的角度等相關(guān)數(shù)據(jù)，可計算出從翻轉(zhuǎn)支點到轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水表層的傾斜直線距離S（即測溫、取樣槍運行方向上的距離）：

式中，S 為翻轉(zhuǎn)支點到轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水表層傾斜角度的直線距離，H 為測溫取樣狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水液面與翻轉(zhuǎn)支點的高度差，θ為測溫取樣槍進(jìn)入轉(zhuǎn)爐時與水平面的夾角。考慮測溫取樣時轉(zhuǎn)爐傾翻角度的不同、轉(zhuǎn)爐爐膛尺寸變化而引起的鋼水液面高度的波動和一定的調(diào)節(jié)余量等因素，取

S=6150 mm (2)

按照用戶對自動測溫取樣系統(tǒng)的要求，根據(jù)轉(zhuǎn)爐現(xiàn)場尺寸數(shù)據(jù)，將測溫、取樣槍插入爐內(nèi)的動作過程分解為4部分：橫移、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和縱移入爐，通過它們的順序動作，實現(xiàn)測溫、取樣槍從原始位到爐內(nèi)測溫、取樣位的自動往返運行。據(jù)此設(shè)計的自動測溫取樣機械手（本文后續(xù)簡稱機械手）如圖3。

機械手具有以下特點：

⑴測溫槍與取樣槍分別獨立驅(qū)動，根據(jù)爐前現(xiàn)場的需要，測溫、取樣工作可以同時進(jìn)行，也能分別單獨開展；

⑵全部采用伺服電機驅(qū)動，能夠較精確控制位置，較好調(diào)節(jié)速度；

⑶應(yīng)用較先進(jìn)的零部件，如伺服電動缸、旋轉(zhuǎn)減速機、線性滑軌等，優(yōu)化傳動結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備復(fù)雜程度，便于設(shè)備的安裝與維修；

⑷翻轉(zhuǎn)角度和縱移行程可調(diào)整，更好地滿足爐前現(xiàn)場需求，保證測溫、取樣成功率。

在機械手的設(shè)計過程中，為了解決“小管徑長懸臂桿件在傾斜狀態(tài)時撓度大”的問題，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，滿足控制精度，應(yīng)用Solidworks軟件的Simulation工具對關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析校驗。

2.1 測溫槍

測溫套管數(shù)據(jù)：套管是由紙質(zhì)多層纏繞而成，長度 1000 mm 左右，內(nèi)孔直徑 17.5 mm 左右，套管外徑 29~31 mm，測溫保護套管與測溫套管的尺寸相同。

測溫槍內(nèi)孔中安裝有測溫?zé)犭娕嫉男盘栯娎|，以將測溫信息輸送到鋼管另一端的測溫發(fā)射器上。

測溫槍外圈需要安裝一根測溫保護套管和一根測溫套管，安裝套管的測溫槍部分（即測溫槍頭部）外徑為φ16mm。由式（2）S＝6150 mm，為了減小測溫槍傾斜狀態(tài)工作時的撓度，便于動作過程精度控制，所設(shè)計的測溫槍結(jié)構(gòu)尺寸如圖4。

測溫槍質(zhì)量為 58.4 kg，其中測溫槍尾部 56.1kg。根據(jù)工作環(huán)境，測溫槍材料選用高溫不銹鋼310S。根據(jù) Simulation 靜應(yīng)力分析向?qū)гO(shè)置好相關(guān)參數(shù)，對應(yīng)機械手中測溫槍的夾持機構(gòu)添加固定約束，按照零件受力分析結(jié)果對零件增加載荷，分別分析了測溫槍尾部和測溫槍的應(yīng)力、靜態(tài)位移和應(yīng)變等，它們的靜態(tài)位移結(jié)果見圖5和圖6。

由分析結(jié)果可知：測溫槍尾部的最大位移量為0.3392 mm，說明測溫槍尾部的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計是合適的，長桿撓度問題得到了控制；測溫槍整體的最大位移量為3.061 mm，因套管安裝的要求及其尺寸的限制，該位移量不能再減小了，且 3.061 mm 的最大變形量在機械手動作過程中是可控的。

2.2 縱移安裝底座

按機械手總體結(jié)構(gòu)尺寸要求和測溫、取樣槍的尺寸、結(jié)構(gòu)安裝需要，設(shè)計了機械手縱移安裝底座，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖7。

測溫、取樣槍及其縱移裝置利用線性滑軌安裝在縱移安裝底座上，通過齒輪齒條和伺服電機系統(tǒng)驅(qū)動。通過對測溫、取樣槍及其縱移裝置的受力分析，利用靜止物體受力平衡的原理及力矩公式可計算出測溫、取樣槍及其縱移裝置對縱移安裝底座的作用力：設(shè)縱移安裝底座翻轉(zhuǎn)到最低點時受到測溫、取樣槍及其縱移裝置的作用力分別為前點的垂直壓力F₁，后點的垂直拉力F₂和水平分力F₃，則

由（188.03+4.1×cos30.4446°）×35+(137.68-4.1 × cos30.4446° ) × 315=6.1 × cos30.4446° × 330.96+15.9×cos30.4446°×607.5+630×F₂    (3)

得到F₂=61.734 kgf=604.99 N

⑷ F₁=188.03 + 6.1 × cos30.4446° + 15.9 ×cos30.4446°+61.734+2×4.1×cos30.4446°-137.68

=138.12 kgf=1353.58 N

⑸ F₃= (58.4 + 4.1 × 2 + 6.1 + 15.9) × sin30.4446° =44.9 kgf=440.02 N

⑹ 隨著測溫、取樣槍測溫取樣時的上下移動，縱移安裝底座的受力狀態(tài)也在變化。縱移安裝底座翻轉(zhuǎn)到最低點的工作位時，測溫、取樣槍分別在上、下工作位的狀態(tài)下縱移安裝底座的受力示意圖見圖8。

縱移安裝底座材料選用 Q345，質(zhì)量 1421.85kg。按照Simulation靜應(yīng)力分析向?qū)?，根?jù)縱移安裝底座的安裝條件和受力情況設(shè)定約束條件和載荷分布，對其進(jìn)行應(yīng)力、靜態(tài)位移和應(yīng)變分析，縱移安裝底座靜態(tài)位移量最大時的結(jié)果見圖9。

從圖 9 可知，縱移安裝底座最大靜態(tài)位移量為0.2373 mm，說明縱移安裝底座的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計合理，能滿足控制精度要求。

機械手的設(shè)計過程中，應(yīng)用 Solidworks的 Simulation靜應(yīng)力分析工具對其它的關(guān)鍵零、部件也進(jìn)行了應(yīng)力、靜態(tài)位移和應(yīng)變分析，在此不再詳述。

3 機器人套管自動拆裝部分的選型設(shè)計

測溫、取樣套管的內(nèi)徑與測溫、取樣槍的外徑差值小，自動安裝的對準(zhǔn)精度要求高（單邊間隙0.75 mm），同時需要確保測溫套管自動套進(jìn)測溫槍時深度位置的精準(zhǔn)要求，故此采用具有智能、精密特性的機器人來實現(xiàn)“測溫、取樣槍上套管的自動拆裝”目標(biāo)。南京埃斯頓 ER50-2100 型 6 軸搬運機器人最大工作半徑 2100 mm，重復(fù)定位精度±0.15mm，最大負(fù)載 50 kg，滿足測溫取樣槍上拆裝套管、套管彈倉位置抓取套管和鋼水樣品及廢套管收集倉位置收集套管等三個工位的工作要求。

費斯托 HGPT-50-A-B 平行氣爪，夾爪行程 24mm，0.6 MPa 的空氣壓力 100 mm 夾持距離時夾緊力約為780 N，行程既能滿足套管的抓取要求，夾緊力也能在拆裝套管時克服套管自重及套管內(nèi)孔與測溫、取樣槍的摩擦阻力。另外，根據(jù)夾爪行程和套管外徑的波動范圍，設(shè)計合適形狀尺寸的平行氣爪用抓手，能較好地解決“套管外徑尺寸存在波動” 問題。

設(shè)計半活動輕便型套管彈倉，定位準(zhǔn)確利于機器人抓取套管，還便于彈倉中人工“裝彈”，調(diào)節(jié)維修簡單方便。

將鋼水樣品敲擊塊、鋼水樣品收集倉和廢套管收集倉設(shè)計成一體，既優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)，又利于作業(yè)現(xiàn)場管理。

4 系統(tǒng)行走小車結(jié)構(gòu)設(shè)計及行走電機選型

計算根據(jù)自動測溫取樣機械手和機器人套管自動拆裝部分的結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合系統(tǒng)工作時穩(wěn)定性的需要，通過有限元分析工具的校驗，設(shè)計系統(tǒng)行走小車。小車車輪外徑φ550 mm，行走的總質(zhì)量約為17.5 t，行走距離 4300 mm，設(shè)行走時間 25 s，摩擦系數(shù)0.1，減速比i = 160，所需的驅(qū)動功率和轉(zhuǎn)矩為:

加 上 安 全 系 數(shù) ，結(jié) 合 現(xiàn) 場 使 用 情 況 ，選 用YPEJ132M2-6 型變頻電磁制動剎車電機，功率為5.5 kW，額定轉(zhuǎn)速 960 r/min，額定轉(zhuǎn)矩 54.7 Nm。

小車行走4300 mm的時間為

計算的小車行走時間與設(shè)定的小車行走時間相近，選用的電機是可行。

自動測溫取樣機械手的橫移裝置通過線性滑軌與系統(tǒng)行走小車相連，利用齒輪齒條伺服電機系統(tǒng)驅(qū)動；機器人套管自動拆裝部分應(yīng)用螺栓固定在系統(tǒng)行走小車相應(yīng)位置；系統(tǒng)行走小車車輪落于與爐前擋火門平行的兩根重軌上。轉(zhuǎn)爐自動測溫取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖10。

5 系統(tǒng)高溫防護說明

轉(zhuǎn)爐爐前溫度高，爐口的溫度可達(dá) 1700 ℃以上，而自動測溫取樣系統(tǒng)工作時就處于爐口位置，且測溫、取樣槍需要伸進(jìn)到高溫鋼水中工作，因此自動測溫取樣系統(tǒng)必須做好高溫防護，所采用的高溫防護措施如下：

⑴系統(tǒng)總體的材料選用低溫低合金鋼，正對爐口及伸進(jìn)爐內(nèi)部分采用高溫不銹鋼；

⑵電纜管路等采用耐火布包裹防護；

⑶直面爐口部分安裝不銹鋼擋板；

⑷正對爐口處設(shè)置氣簾阻擋高溫氣浪；

⑸機器人外穿高溫防護服。

6 結(jié)論

轉(zhuǎn)爐自動測溫取樣系統(tǒng)是中小型轉(zhuǎn)爐煉鋼領(lǐng)域的首次應(yīng)用，可提高冶煉過程鋼水溫度和化學(xué)成分的控制水平，提升煉鋼冶煉質(zhì)量，降低工人勞動強度，減少現(xiàn)場作業(yè)的危險性，推動冶金行業(yè)裝備智能化的發(fā)展腳步。

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