李元文

（机械科学研究总院海西（福建）分院有限公司，福建三明 365000）

【摘 要】 针对中小型转炉开发的新型自动测温取样系统。通过机械手、机器人和机器视觉系统的配合使用，取代人工实现炉前钢水的全自动测温、取样工作。说明了系统的总体设计方案，分析了机械手的结构设计，阐述了机器人、行走电机等的选型计算，提出了炉前高温环境下的应对措施。

【关键词】 炼钢；转炉；测温；取样；机器人；机器视觉

前言

转炉炼钢的过程是将高炉来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉，并按一定比例装入废钢，然后降下水冷氧枪以一定的供氧、枪位和造渣制度吹氧冶炼。当达到吹炼终点时，提枪倒炉，进行测温和取样化验成分，钢水温度和成分达到目标值范围时出钢。由此可知，炉前对钢水进行测温、取样，得到钢水的温度和化学成分，是炼钢冶炼过程中必不可少的一道工序。

200 t以下中小型炼钢转炉（本文简称转炉）目前大多由人工进行测温、取样的工作和测温、取样枪上测温、取样套管的拆装工作。人工测温、取样存在的问题：

⑴人工操作，炉内测温、取样的点难以保持一致，测温取样结果存在波动不准确；

⑵小管径（φ16 mm）、长悬臂（5.5 m）及钢水高温环境下的测温、取样枪在倾斜状态时挠度大、易弯曲，工人劳动强度较高，控制较困难；

⑶人工测温、取样时是正对炉口的，炉口温度高（可达1700 ℃以上），存在高温烫伤等的危险因素；

⑷人工测温、取样时靠近高温钢水，增加职业病的风险。因此，在转炉上应用自动测温取样系统代替人工测温取样有着重要的实际意义，也是冶金行业装备智能化升级改造的迫切需求。本文以某钢厂百吨转炉为例，浅析其自动测温取样系统的开发设计。

1 自动测温系统总体设计方案

转炉人工测温、取样的工作过程是将转炉倾翻到一定的角度（炉子中心线与水平面的夹角约为10°左右），炉口斜向炉前，人工将测温枪、取样枪正对炉口以合适的倾斜角度插入炉内进行测温、取样，完成后再将测温枪、取样枪从转炉中抽出，拆下用过的测温、取样套管，取得钢水样品，再将新的测温、取样套管装到测温、取样枪上备用。

用户要求：

⑴在其他生产条件不变的情况下，要求全自动完成测温、取样的工作和测温、取样枪上套管的拆装工作；

⑵60 s 内完成炉内钢水的测温、取样；

⑶自动系统的布置不影响炉前捣炉车等设备地使用。

转炉尺寸数据：转炉旋转半径 4530 mm，转炉中心线到炉前挡火门外侧水平距离 6362.5 mm，转炉旋转耳轴中心线到炉前地面垂直距离1000 mm。

欲实现转炉自动测温取样需解决的问题：

⑴小管径长悬臂杆件在倾斜状态时挠度大；

⑵ 转炉炉口温度高；

⑶套管外径尺寸存在波动；

⑷测温、取样套管的内孔与测温枪，取样枪的外径相差较小，套管与枪对准安装的精度要求较高；

⑸测温套管装入测温枪时，对插入尺寸精度要求较高，太深会破坏套管头部的热电偶，太浅则没有碰到触点，不能将温度信号传到发射装置。

综上所述，本文设计了一种全自动智能型的转炉测温取样系统。系统总体布置见图1。

自动系统由三部分组成：自动测温取样机械手、机器人套管自动拆装部分和系统行走小车。自动测温取样机械手由测温、取样枪及其纵移装置、翻转装置、旋转装置和横移装置等四大动作机构组成，完成测温、取样枪对转炉钢水的自动测温、取样工作。机器人套管自动拆装部分由机器人及其抓手、机器视觉系统、套管弹仓和钢水样品及废套管收集仓等四块构成，完成测温、取样枪上套管的自动拆装工作，并且机器人自动调整适应测温、取样枪的变形偏差。自动测温取样机械手和机器人套管自动拆装部分都安装在系统行走小车上，跟随行走小车在与炉前挡火门移动轨道相平行的方向左右移动。这样既满足系统内部工作的协调性和精度要求，又避免影响炉前平台捣炉车等其它设备地使用。自动系统的工作流程见图2。机器视觉系统按时检测测温、取样枪头部变形偏移量，用于修正机器人安装套管；若偏移量达到一定数值，则报警提示更换测温、取样枪。

2 自动测温取样机械手结构设计分析

若要完成测温、取样工作，必须将测温套管上的热电偶和取样套管上的取样器浸入转炉钢水中。

结合转炉尺寸数据和测温取样时转炉的位置姿态，以及测温、取样枪进入转炉的角度等相关数据，可计算出从翻转支点到转炉内钢水表层的倾斜直线距离S（即测温、取样枪运行方向上的距离）：

式中，S 为翻转支点到转炉内钢水表层倾斜角度的直线距离，H 为测温取样状态下转炉内钢水液面与翻转支点的高度差，θ为测温取样枪进入转炉时与水平面的夹角。考虑测温取样时转炉倾翻角度的不同、转炉炉膛尺寸变化而引起的钢水液面高度的波动和一定的调节余量等因素，取

S=6150 mm (2)

按照用户对自动测温取样系统的要求，根据转炉现场尺寸数据，将测温、取样枪插入炉内的动作过程分解为4部分：横移、旋转、翻转和纵移入炉，通过它们的顺序动作，实现测温、取样枪从原始位到炉内测温、取样位的自动往返运行。据此设计的自动测温取样机械手（本文后续简称机械手）如图3。

机械手具有以下特点：

⑴测温枪与取样枪分别独立驱动，根据炉前现场的需要，测温、取样工作可以同时进行，也能分别单独开展；

⑵全部采用伺服电机驱动，能够较精确控制位置，较好调节速度；

⑶应用较先进的零部件，如伺服电动缸、旋转减速机、线性滑轨等，优化传动结构，降低设备复杂程度，便于设备的安装与维修；

⑷翻转角度和纵移行程可调整，更好地满足炉前现场需求，保证测温、取样成功率。

在机械手的设计过程中，为了解决“小管径长悬臂杆件在倾斜状态时挠度大”的问题，优化整体结构，满足控制精度，应用Solidworks软件的Simulation工具对关键零部件进行静力学分析校验。

2.1 测温枪

测温套管数据：套管是由纸质多层缠绕而成，长度 1000 mm 左右，内孔直径 17.5 mm 左右，套管外径 29~31 mm，测温保护套管与测温套管的尺寸相同。

测温枪内孔中安装有测温热电偶的信号电缆，以将测温信息输送到钢管另一端的测温发射器上。

测温枪外圈需要安装一根测温保护套管和一根测温套管，安装套管的测温枪部分（即测温枪头部）外径为φ16mm。由式（2）S＝6150 mm，为了减小测温枪倾斜状态工作时的挠度，便于动作过程精度控制，所设计的测温枪结构尺寸如图4。

测温枪质量为 58.4 kg，其中测温枪尾部 56.1kg。根据工作环境，测温枪材料选用高温不锈钢310S。根据 Simulation 静应力分析向导设置好相关参数，对应机械手中测温枪的夹持机构添加固定约束，按照零件受力分析结果对零件增加载荷，分别分析了测温枪尾部和测温枪的应力、静态位移和应变等，它们的静态位移结果见图5和图6。

由分析结果可知：测温枪尾部的最大位移量为0.3392 mm，说明测温枪尾部的结构尺寸设计是合适的，长杆挠度问题得到了控制；测温枪整体的最大位移量为3.061 mm，因套管安装的要求及其尺寸的限制，该位移量不能再减小了，且 3.061 mm 的最大变形量在机械手动作过程中是可控的。

2.2 纵移安装底座

按机械手总体结构尺寸要求和测温、取样枪的尺寸、结构安装需要，设计了机械手纵移安装底座，其结构尺寸如图7。

测温、取样枪及其纵移装置利用线性滑轨安装在纵移安装底座上，通过齿轮齿条和伺服电机系统驱动。通过对测温、取样枪及其纵移装置的受力分析，利用静止物体受力平衡的原理及力矩公式可计算出测温、取样枪及其纵移装置对纵移安装底座的作用力：设纵移安装底座翻转到最低点时受到测温、取样枪及其纵移装置的作用力分别为前点的垂直压力F₁，后点的垂直拉力F₂和水平分力F₃，则

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 随着测温、取样枪测温取样时的上下移动，纵移安装底座的受力状态也在变化。纵移安装底座翻转到最低点的工作位时，测温、取样枪分别在上、下工作位的状态下纵移安装底座的受力示意图见图8。

纵移安装底座材料选用 Q345，质量 1421.85kg。按照Simulation静应力分析向导，根据纵移安装底座的安装条件和受力情况设定约束条件和载荷分布，对其进行应力、静态位移和应变分析，纵移安装底座静态位移量最大时的结果见图9。

从图 9 可知，纵移安装底座最大静态位移量为0.2373 mm，说明纵移安装底座的结构尺寸设计合理，能满足控制精度要求。

机械手的设计过程中，应用 Solidworks的 Simulation静应力分析工具对其它的关键零、部件也进行了应力、静态位移和应变分析，在此不再详述。

3 机器人套管自动拆装部分的选型设计

测温、取样套管的内径与测温、取样枪的外径差值小，自动安装的对准精度要求高（单边间隙0.75 mm），同时需要确保测温套管自动套进测温枪时深度位置的精准要求，故此采用具有智能、精密特性的机器人来实现“测温、取样枪上套管的自动拆装”目标。南京埃斯顿 ER50-2100 型 6 轴搬运机器人最大工作半径 2100 mm，重复定位精度±0.15mm，最大负载 50 kg，满足测温取样枪上拆装套管、套管弹仓位置抓取套管和钢水样品及废套管收集仓位置收集套管等三个工位的工作要求。

费斯托 HGPT-50-A-B 平行气爪，夹爪行程 24mm，0.6 MPa 的空气压力 100 mm 夹持距离时夹紧力约为780 N，行程既能满足套管的抓取要求，夹紧力也能在拆装套管时克服套管自重及套管内孔与测温、取样枪的摩擦阻力。另外，根据夹爪行程和套管外径的波动范围，设计合适形状尺寸的平行气爪用抓手，能较好地解决“套管外径尺寸存在波动” 问题。

设计半活动轻便型套管弹仓，定位准确利于机器人抓取套管，还便于弹仓中人工“装弹”，调节维修简单方便。

将钢水样品敲击块、钢水样品收集仓和废套管收集仓设计成一体，既优化了整体结构，又利于作业现场管理。

4 系统行走小车结构设计及行走电机选型

计算根据自动测温取样机械手和机器人套管自动拆装部分的结构尺寸，结合系统工作时稳定性的需要，通过有限元分析工具的校验，设计系统行走小车。小车车轮外径φ550 mm，行走的总质量约为17.5 t，行走距离 4300 mm，设行走时间 25 s，摩擦系数0.1，减速比i = 160，所需的驱动功率和转矩为:

加 上 安 全 系 数 ，结 合 现 场 使 用 情 况 ，选 用YPEJ132M2-6 型变频电磁制动刹车电机，功率为5.5 kW，额定转速 960 r/min，额定转矩 54.7 Nm。

小车行走4300 mm的时间为

计算的小车行走时间与设定的小车行走时间相近，选用的电机是可行。

自动测温取样机械手的横移装置通过线性滑轨与系统行走小车相连，利用齿轮齿条伺服电机系统驱动；机器人套管自动拆装部分应用螺栓固定在系统行走小车相应位置；系统行走小车车轮落于与炉前挡火门平行的两根重轨上。转炉自动测温取样系统结构见图10。

5 系统高温防护说明

转炉炉前温度高，炉口的温度可达 1700 ℃以上，而自动测温取样系统工作时就处于炉口位置，且测温、取样枪需要伸进到高温钢水中工作，因此自动测温取样系统必须做好高温防护，所采用的高温防护措施如下：

⑴系统总体的材料选用低温低合金钢，正对炉口及伸进炉内部分采用高温不锈钢；

⑵电缆管路等采用耐火布包裹防护；

⑶直面炉口部分安装不锈钢挡板；

⑷正对炉口处设置气帘阻挡高温气浪；

⑸机器人外穿高温防护服。

6 结论

转炉自动测温取样系统是中小型转炉炼钢领域的首次应用，可提高冶炼过程钢水温度和化学成分的控制水平，提升炼钢冶炼质量，降低工人劳动强度，减少现场作业的危险性，推动冶金行业装备智能化的发展脚步。

[参 考 文 献]

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