真空電弧爐稱重系統(tǒng)測量精度影響因素淺析
本文通過對底裝式電弧爐電極稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)受力分析,采用試稱法繪圖求解傳感器、波紋管的應(yīng)力曲線、電極系統(tǒng)原始重量參數(shù)P0 值、誤差值ΔF,為控制算法提供系統(tǒng)原始參數(shù)及修正系數(shù)計算依據(jù)。并對熔化過程中電極的運(yùn)動、電纜的擺動及x-y 調(diào)整機(jī)構(gòu)對測量精度的影響進(jìn)行了分析,總結(jié)出電弧爐設(shè)計、調(diào)試過程中應(yīng)注意的事項,望能對實際生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)意義。
1、概述
隨著我國真空自耗電極電弧爐(簡稱:電弧爐)自制能力的提高,大噸位電弧爐設(shè)備像雨后春筍般的出現(xiàn),然而大部分的設(shè)備熔煉操作僅限于電壓反饋自動熔煉水平,實現(xiàn)不了恒熔速和起弧、熔煉、收弧等全工藝過程的自動化。其關(guān)鍵點在于大部分的設(shè)備沒有設(shè)置稱重機(jī)構(gòu),實現(xiàn)不了恒熔速和熔煉工藝過程的自動化。恒熔速和熔煉工藝過程自動化不僅保證了熔煉產(chǎn)品的質(zhì)量(如:減少偏析、晶粒細(xì)化),而且提高了產(chǎn)品的利用率(如:減少了尾部縮孔率),也保證了安全生產(chǎn)。稱重系統(tǒng)的在線測量精度(電源、傳感器本身的控制、測量精度不在本文討論分析范圍內(nèi))決定了熔速控制精度。在編程控制算法中往往要采集電極系統(tǒng)原始重量參數(shù)P0 值及波紋管引起的誤差值ΔF,為控制算法提供原始參數(shù)及過程修正系數(shù)確定提供計算依據(jù)。
2、試稱法繪圖求解P0、誤差值ΔF
電弧爐電極稱重系統(tǒng)是一種復(fù)雜的三維浮動機(jī)構(gòu),P0 值不僅包含電極桿、支架及附屬機(jī)構(gòu)的靜止重力參數(shù),還包含了水冷電纜中流動的水等動參數(shù),因此在實際生產(chǎn)中不可能通過單件測量來求得P0 值及F0 值。為了便于分析和觀察,在不影響受力的情況下簡化了的機(jī)構(gòu)如下圖1。稱重傳感器9 是該機(jī)構(gòu)的核心元件,目前大部分采用電阻應(yīng)變式傳感器。其工作原理是傳感器在受力情況下粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片發(fā)生變形,使其電阻發(fā)生變化,再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把線性電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號,從而將受力轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量信號。因此可以認(rèn)為傳感器是勁度系數(shù)很大、變形很小的彈性元件。波紋管8 是保持真空、勁度系數(shù)較小的密封彈性體。
1. 內(nèi)水冷電纜;2. 外水冷電纜;3. 電機(jī);4.X、Y 調(diào)整機(jī)構(gòu);5. 絲杠;6.支持架;7. 動密封;8. 波紋管;9. 稱重傳感器;10. 電極桿;11.真空室;12.導(dǎo)向輪
圖1 稱重機(jī)構(gòu)
設(shè):該機(jī)構(gòu)的電極桿10 的重量為m,支架及附屬機(jī)構(gòu)(包含電纜里流動的水)的重量為M,其系統(tǒng)總重量為P0=(M+m)g,傳感器顯示載荷重為Q0,波紋管支反力為F0,則在非真空靜態(tài)下:
P0=Q0+F0 (1)
式中:Q0 為三個傳感器9 的支反力由于傳感器和波紋管都是在彈性范圍內(nèi)工作,遵守虎克定律,則傳感器和波紋管應(yīng)力曲線應(yīng)為線性特征。下面我們通過在非真空靜態(tài)下試稱法求解P0 值:
(1)首先準(zhǔn)備好任意重量的Δa1、Δa2、Δa3 三個加載試稱塊,并標(biāo)注重量和編號;
(2)記錄未加載,即在P0=(M+m)g 重量下稱重傳感器顯示值Q0;
(3)記錄加載△a1,即(P0+△a1)時稱重傳感器顯示值Q1;并計算△Q1=Q1-Q0,以此類推,并相應(yīng)求得△Q2、△Q3;
6、分析和總結(jié)
電弧爐用稱重系統(tǒng),實際上充分考慮了熔煉時既能動態(tài)稱重,又能滿足電極桿X,Y 調(diào)整的需要,因此其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,內(nèi)、外力受力點較多。根據(jù)以上的分析討論和實際經(jīng)驗,提出以下總結(jié)意見:
1、編程中對系統(tǒng)原始重量參數(shù)歸零時,應(yīng)考慮在真空狀態(tài)下求解出P 值作為歸零參數(shù),而不應(yīng)簡單采取非真空下的Q0 值與真空吸力之和作為歸零值,以便徹底刪除波紋管初始支力給系統(tǒng)原始參數(shù)歸零帶來的誤差。
2、靜態(tài)的內(nèi)力,不影響稱重結(jié)果,但是動態(tài)的內(nèi)力,如電極桿加速運(yùn)動,水冷電纜擺動等,會直接影響稱重結(jié)果。因此盡量避免內(nèi)力機(jī)構(gòu)加速運(yùn)動,振動,擺動等現(xiàn)象出現(xiàn)。
3、所有靜態(tài)不變的外力對稱重的影響,必須通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝,進(jìn)行弱化、刪除。如電線電纜,水管,氣路等必須采取特殊懸掛方式,可移動的部分不得與外力摩擦接觸。
4、可移動的內(nèi)部水冷電纜在移動時,其彎曲半徑一致,不得出現(xiàn)折管或者與外力件接觸。電纜內(nèi)水壓要穩(wěn)定,避免水壓不穩(wěn)造成管內(nèi)水量變化,影響控制精度。