真空電弧爐稱(chēng)重系統測量精度影響因素淺析
本文通過(guò)對底裝式電弧爐電極稱(chēng)重系統的結構受力分析，采用試稱(chēng)法繪圖求解傳感器、波紋管的應力曲線(xiàn)、電極系統原始重量參數P0 值、誤差值ΔF，為控制算法提供系統原始參數及修正系數計算依據。并對熔化過(guò)程中電極的運動(dòng)、電纜的擺動(dòng)及x-y 調整機構對測量精度的影響進(jìn)行了分析，總結出電弧爐設計、調試過(guò)程中應注意的事項，望能對實(shí)際生產(chǎn)提供一定的指導意義。
1、概述
隨著(zhù)我國真空自耗電極電弧爐(簡(jiǎn)稱(chēng)：電弧爐)自制能力的提高，大噸位電弧爐設備像雨后春筍般的出現，然而大部分的設備熔煉操作僅限于電壓反饋自動(dòng)熔煉水平，實(shí)現不了恒熔速和起弧、熔煉、收弧等全工藝過(guò)程的自動(dòng)化。其關(guān)鍵點(diǎn)在于大部分的設備沒(méi)有設置稱(chēng)重機構，實(shí)現不了恒熔速和熔煉工藝過(guò)程的自動(dòng)化。恒熔速和熔煉工藝過(guò)程自動(dòng)化不僅保證了熔煉產(chǎn)品的質(zhì)量(如：減少偏析、晶粒細化)，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(chēng)重系統的在線(xiàn)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)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原始重量參數P0 值及波紋管引起的誤差值ΔF，為控制算法提供原始參數及過(guò)程修正系數確定提供計算依據。
2、試稱(chēng)法繪圖求解P0、誤差值ΔF
電弧爐電極稱(chēng)重系統是一種復雜的三維浮動(dòng)機構，P0 值不僅包含電極桿、支架及附屬機構的靜止重力參數，還包含了水冷電纜中流動(dòng)的水等動(dòng)參數，因此在實(shí)際生產(chǎn)中不可能通過(guò)單件測量來(lái)求得P0 值及F0 值。為了便于分析和觀(guān)察，在不影響受力的情況下簡(jiǎn)化了的機構如下圖1。稱(chēng)重傳感器9 是該機構的核心元件，目前大部分采用電阻應變式傳感器。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變片發(fā)生變形，使其電阻發(fā)生變化，再經(jīng)相應的測量電路把線(xiàn)性電阻變化轉換成電壓或電流信號，從而將受力轉變?yōu)闇y量信號。因此可以認為傳感器是勁度系數很大、變形很小的彈性元件。波紋管8 是保持真空、勁度系數較小的密封彈性體。
1. 內水冷電纜;2. 外水冷電纜;3. 電機;4.X、Y 調整機構;5. 絲杠;6.支持架;7. 動(dòng)密封;8. 波紋管;9. 稱(chēng)重傳感器;10. 電極桿;11.真空室;12.導向輪
圖1 稱(chēng)重機構
設：該機構的電極桿10 的重量為m，支架及附屬機構(包含電纜里流動(dòng)的水)的重量為M，其系統總重量為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(gè)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工作，遵守虎克定律，則傳感器和波紋管應力曲線(xiàn)應為線(xiàn)性特征。下面我們通過(guò)在非真空靜態(tài)下試稱(chēng)法求解P0 值：
(1)首先準備好任意重量的Δa1、Δa2、Δa3 三個(gè)加載試稱(chēng)塊，并標注重量和編號;
(2)記錄未加載，即在P0=(M+m)g 重量下稱(chēng)重傳感器顯示值Q0;
(3)記錄加載△a1，即(P0+△a1)時(shí)稱(chēng)重傳感器顯示值Q1;并計算△Q1=Q1-Q0，以此類(lèi)推，并相應求得△Q2、△Q3;
6、分析和總結
電弧爐用稱(chēng)重系統，實(shí)際上充分考慮了熔煉時(shí)既能動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，又能滿(mǎn)足電極桿X，Y 調整的需要，因此其結構相對復雜，內、外力受力點(diǎn)較多。根據以上的分析討論和實(shí)際經(jīng)驗，提出以下總結意見(jiàn)：
1、編程中對系統原始重量參數歸零時(shí)，應考慮在真空狀態(tài)下求解出P 值作為歸零參數，而不應簡(jiǎn)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原始參數歸零帶來(lái)的誤差。
2、靜態(tài)的內力，不影響稱(chēng)重結果，但是動(dòng)態(tài)的內力，如電極桿加速運動(dòng)，水冷電纜擺動(dòng)等，會(huì )直接影響稱(chēng)重結果。因此盡量避免內力機構加速運動(dòng)，振動(dòng)，擺動(dòng)等現象出現。
3、所有靜態(tài)不變的外力對稱(chēng)重的影響，必須通過(guò)結構設計、安裝，進(jìn)行弱化、刪除。如電線(xiàn)電纜，水管，氣路等必須采取特殊懸掛方式，可移動(dòng)的部分不得與外力摩擦接觸。
4、可移動(dòng)的內部水冷電纜在移動(dòng)時(shí)，其彎曲半徑一致，不得出現折管或者與外力件接觸。電纜內水壓要穩定，避免水壓不穩造成管內水量變化，影響控制精度。
