李元文

（機(jī)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(duì)中小型轉(zhuǎn)爐開(kāi)發(fā)的新型自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)。通過(guò)機(jī)械手、機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的配合使用，取代人工實(shí)現(xiàn)爐前鋼水的全自動(dòng)測(cè)溫、取樣工作。說(shuō)明了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，分析了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)器人、行走電機(jī)等的選型計(jì)算，提出了爐前高溫環(huán)境下的應(yīng)對(duì)措施。

【關(guān)鍵詞】 煉鋼；轉(zhuǎn)爐；測(cè)溫；取樣；機(jī)器人；機(jī)器視覺(jué)

前言

轉(zhuǎn)爐煉鋼的過(guò)程是將高爐來(lái)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(diǎn)時(shí)，提槍倒?fàn)t，進(jìn)行測(cè)溫和取樣化驗(yàn)成分，鋼水溫度和成分達(dá)到目標(biāo)值范圍時(shí)出鋼。由此可知，爐前對(duì)鋼水進(jìn)行測(cè)溫、取樣，得到鋼水的溫度和化學(xué)成分，是煉鋼冶煉過(guò)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(jiǎn)稱轉(zhuǎn)爐）目前大多由人工進(jìn)行測(cè)溫、取樣的工作和測(cè)溫、取樣槍上測(cè)溫、取樣套管的拆裝工作。人工測(cè)溫、取樣存在的問(wèn)題：

⑴人工操作，爐內(nèi)測(cè)溫、取樣的點(diǎn)難以保持一致，測(cè)溫取樣結(jié)果存在波動(dòng)不準(zhǔn)確；

⑵小管徑（φ16 mm）、長(zhǎng)懸臂（5.5 m）及鋼水高溫環(huán)境下的測(cè)溫、取樣槍在傾斜狀態(tài)時(shí)撓度大、易彎曲，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較高，控制較困難；

⑶人工測(cè)溫、取樣時(shí)是正對(duì)爐口的，爐口溫度高（可達(dá)1700 ℃以上），存在高溫燙傷等的危險(xiǎn)因素；

⑷人工測(cè)溫、取樣時(shí)靠近高溫鋼水，增加職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在轉(zhuǎn)爐上應(yīng)用自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)代替人工測(cè)溫取樣有著重要的實(shí)際意義，也是冶金行業(yè)裝備智能化升級(jí)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(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

轉(zhuǎn)爐人工測(cè)溫、取樣的工作過(guò)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(cè)溫槍、取樣槍正對(duì)爐口以合適的傾斜角度插入爐內(nèi)進(jìn)行測(cè)溫、取樣，完成后再將測(cè)溫槍、取樣槍從轉(zhuǎn)爐中抽出，拆下用過(guò)的測(cè)溫、取樣套管，取得鋼水樣品，再將新的測(cè)溫、取樣套管裝到測(cè)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(dòng)完成測(cè)溫、取樣的工作和測(cè)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(cè)溫、取樣；

⑶自動(dòng)系統(tǒng)的布置不影響爐前搗爐車(chē)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(mén)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐自動(dòng)測(cè)溫取樣需解決的問(wèn)題：

⑴小管徑長(zhǎng)懸臂桿件在傾斜狀態(tài)時(shí)撓度大；

⑵ 轉(zhuǎn)爐爐口溫度高；

⑶套管外徑尺寸存在波動(dòng)；

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

⑸測(cè)溫套管裝入測(cè)溫槍時(shí)，對(duì)插入尺寸精度要求較高，太深會(huì)破壞套管頭部的熱電偶，太淺則沒(méi)有碰到觸點(diǎn)，不能將溫度信號(hào)傳到發(fā)射裝置。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)智能型的轉(zhuǎn)爐測(cè)溫取樣系統(tǒng)。系統(tǒng)總體布置見(jiàn)圖1。

自動(dòng)系統(tǒng)由三部分組成：自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手、機(jī)器人套管自動(dòng)拆裝部分和系統(tǒng)行走小車(chē)。自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手由測(cè)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(dòng)作機(jī)構(gòu)組成，完成測(cè)溫、取樣槍對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼水的自動(dòng)測(cè)溫、取樣工作。機(jī)器人套管自動(dòng)拆裝部分由機(jī)器人及其抓手、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、套管彈倉(cāng)和鋼水樣品及廢套管收集倉(cāng)等四塊構(gòu)成，完成測(cè)溫、取樣槍上套管的自動(dòng)拆裝工作，并且機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)測(cè)溫、取樣槍的變形偏差。自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手和機(jī)器人套管自動(dòng)拆裝部分都安裝在系統(tǒng)行走小車(chē)上，跟隨行走小車(chē)在與爐前擋火門(mén)移動(dòng)軌道相平行的方向左右移動(dòng)。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(tái)搗爐車(chē)等其它設(shè)備地使用。自動(dòng)系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖2。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)按時(shí)檢測(cè)測(cè)溫、取樣槍頭部變形偏移量，用于修正機(jī)器人安裝套管；若偏移量達(dá)到一定數(shù)值，則報(bào)警提示更換測(cè)溫、取樣槍。

2 自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

若要完成測(cè)溫、取樣工作，必須將測(cè)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(cè)溫取樣時(shí)轉(zhuǎn)爐的位置姿態(tài)，以及測(cè)溫、取樣槍進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的角度等相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出從翻轉(zhuǎn)支點(diǎn)到轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水表層的傾斜直線距離S（即測(cè)溫、取樣槍運(yùn)行方向上的距離）：

式中，S 為翻轉(zhuǎn)支點(diǎn)到轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水表層傾斜角度的直線距離，H 為測(cè)溫取樣狀態(tài)下轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水液面與翻轉(zhuǎn)支點(diǎn)的高度差，θ為測(cè)溫取樣槍進(jìn)入轉(zhuǎn)爐時(shí)與水平面的夾角。考慮測(cè)溫取樣時(shí)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(dòng)和一定的調(diào)節(jié)余量等因素，取

S=6150 mm (2)

按照用戶對(duì)自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)的要求，根據(jù)轉(zhuǎn)爐現(xiàn)場(chǎng)尺寸數(shù)據(jù)，將測(cè)溫、取樣槍插入爐內(nèi)的動(dòng)作過(guò)程分解為4部分：橫移、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和縱移入爐，通過(guò)它們的順序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫、取樣槍從原始位到爐內(nèi)測(cè)溫、取樣位的自動(dòng)往返運(yùn)行。據(jù)此設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手（本文后續(xù)簡(jiǎn)稱機(jī)械手）如圖3。

機(jī)械手具有以下特點(diǎn)：

⑴測(cè)溫槍與取樣槍分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，根據(jù)爐前現(xiàn)場(chǎng)的需要，測(cè)溫、取樣工作可以同時(shí)進(jìn)行，也能分別單獨(dú)開(kāi)展；

⑵全部采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)缸、旋轉(zhuǎn)減速機(jī)、線性滑軌等，優(yōu)化傳動(dòng)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(chǎng)需求，保證測(cè)溫、取樣成功率。

在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了解決“小管徑長(zhǎng)懸臂桿件在傾斜狀態(tài)時(shí)撓度大”的問(wèn)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(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析校驗(yàn)。

2.1 測(cè)溫槍

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

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

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

測(cè)溫槍質(zhì)量為 58.4 kg，其中測(cè)溫槍尾部 56.1kg。根據(jù)工作環(huán)境，測(cè)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(duì)應(yīng)機(jī)械手中測(cè)溫槍的夾持機(jī)構(gòu)添加固定約束，按照零件受力分析結(jié)果對(duì)零件增加載荷，分別分析了測(cè)溫槍尾部和測(cè)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(jiàn)圖5和圖6。

由分析結(jié)果可知：測(cè)溫槍尾部的最大位移量為0.3392 mm，說(shuō)明測(cè)溫槍尾部的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是合適的，長(zhǎng)桿撓度問(wèn)題得到了控制；測(cè)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(jī)械手動(dòng)作過(guò)程中是可控的。

2.2 縱移安裝底座

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

測(cè)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(guò)齒輪齒條和伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)對(duì)測(cè)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(jì)算出測(cè)溫、取樣槍及其縱移裝置對(duì)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(diǎn)時(shí)受到測(cè)溫、取樣槍及其縱移裝置的作用力分別為前點(diǎn)的垂直壓力F₁，后點(diǎn)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(cè)溫、取樣槍測(cè)溫取樣時(shí)的上下移動(dòng)，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(diǎn)的工作位時(shí)，測(cè)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(jiàn)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)В鶕?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(duì)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(shí)的結(jié)果見(jiàn)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(shuō)明縱移安裝底座的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，能滿足控制精度要求。

機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用 Solidworks的 Simulation靜應(yīng)力分析工具對(duì)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(jī)器人套管自動(dòng)拆裝部分的選型設(shè)計(jì)

測(cè)溫、取樣套管的內(nèi)徑與測(cè)溫、取樣槍的外徑差值小，自動(dòng)安裝的對(duì)準(zhǔn)精度要求高（單邊間隙0.75 mm），同時(shí)需要確保測(cè)溫套管自動(dòng)套進(jìn)測(cè)溫槍時(shí)深度位置的精準(zhǔn)要求，故此采用具有智能、精密特性的機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)“測(cè)溫、取樣槍上套管的自動(dòng)拆裝”目標(biāo)。南京埃斯頓 ER50-2100 型 6 軸搬運(yùn)機(jī)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(cè)溫取樣槍上拆裝套管、套管彈倉(cāng)位置抓取套管和鋼水樣品及廢套管收集倉(cāng)位置收集套管等三個(gè)工位的工作要求。

費(fèi)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(shí)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(shí)克服套管自重及套管內(nèi)孔與測(cè)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(dòng)范圍，設(shè)計(jì)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(dòng)” 問(wèn)題。

設(shè)計(jì)半活動(dòng)輕便型套管彈倉(cāng)，定位準(zhǔn)確利于機(jī)器人抓取套管，還便于彈倉(cāng)中人工“裝彈”，調(diào)節(jié)維修簡(jiǎn)單方便。

將鋼水樣品敲擊塊、鋼水樣品收集倉(cāng)和廢套管收集倉(cāng)設(shè)計(jì)成一體，既優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)，又利于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理。

4 系統(tǒng)行走小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及行走電機(jī)選型

計(jì)算根據(jù)自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手和機(jī)器人套管自動(dòng)拆裝部分的結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合系統(tǒng)工作時(shí)穩(wěn)定性的需要，通過(guò)有限元分析工具的校驗(yàn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)行走小車(chē)。小車(chē)車(chē)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(shí)間 25 s，摩擦系數(shù)0.1，減速比i = 160，所需的驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)矩為:

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

小車(chē)行走4300 mm的時(shí)間為

計(jì)算的小車(chē)行走時(shí)間與設(shè)定的小車(chē)行走時(shí)間相近，選用的電機(jī)是可行。

自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)械手的橫移裝置通過(guò)線性滑軌與系統(tǒng)行走小車(chē)相連，利用齒輪齒條伺服電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；機(jī)器人套管自動(dòng)拆裝部分應(yīng)用螺栓固定在系統(tǒng)行走小車(chē)相應(yīng)位置；系統(tǒng)行走小車(chē)車(chē)輪落于與爐前擋火門(mén)平行的兩根重軌上。轉(zhuǎn)爐自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

5 系統(tǒng)高溫防護(hù)說(shuō)明

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

⑴系統(tǒng)總體的材料選用低溫低合金鋼，正對(duì)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(hù)；

⑶直面爐口部分安裝不銹鋼擋板；

⑷正對(duì)爐口處設(shè)置氣簾阻擋高溫氣浪；

⑸機(jī)器人外穿高溫防護(hù)服。

6 結(jié)論

轉(zhuǎn)爐自動(dòng)測(cè)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(guò)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(dòng)強(qiáng)度，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的危險(xiǎn)性，推動(dòng)冶金行業(yè)裝備智能化的發(fā)展腳步。

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