文章主要介绍了一种用于冶金连铸机大包钢水称重的高精度电子秤。该电子秤由大包传力复位系统、高 温传感器、无线传输系统、称重显示系统及PLC控制系统组成。其中大包秤传力复位系统结构由我公司技术人 员独立设计制造，通过近2年连续运行检验，该大包电子秤的精度和稳定性良好，热态运行准确度优于VU,使 用效果良好，具有推广应用价值。

0.引言

连铸回转台大包钢水称重系统是铸坯浇铸过 程中重要的检测设备。根据炼钢生产工艺及管理 的需要，能实时显示处于浇铸过程中钢包中钢水 重量的变化，预知钢水包中的钢水量和钢渣量， 提供连铸切换钢包的时间、配合下渣检测系统关 闭滑动水口，达到降低炼钢成本和提高产品质量 的目的。但连铸回转台钢包钢水重量在线检测仍 是困扰行业的薄弱环节，主要因素是环境温度高、 连续浇注时间长、冲击载荷大、钢渣粉尘多等因 素。经过多年对国内外同类产品分析研究，并结 合连铸工艺的特点，我公司研发出一种实用型高 精度连铸回转台大包电子秤简称驼背式大包电子 秤，该秤成功运用于湖北新冶钢炼钢事业部转炉 厂1号、2号连铸及电炉厂2号，3号连铸回转台 上，经过20个月的连续运行，大包电子秤的精度 和稳定性良好，热态运行准确度优于3%c,使用效 果良好。

1.驼背式大包秤技术指标和工艺条件

技术指标和工艺条件如下：称量范围：0~ 450 t (可选）；系统称量精度：优于0.3% (准确 度等级W级秤）；最小分度：100 kg (可选）；标准 模拟量信号：4~20mA;称重功能：去皮、置零、零点跟踪功能（可选）；安全超载能力：150% ； 结构形式：非标；供电电源：AC220 V ± 10%/50 Hz±2%A0V-A 左右；环境温度：-10 ~300 °C。

2.结构组成及工作原理

驼背式大包秤由大包传力复位系统、高温传 感器、无线传输系统、称重显示系统及PLC控制 系统组成。

2.1驼背式大包秤传力复位系统结构

我公司技术人员结合多年连铸机大包钢水称 重机构攻关的经验，吸收国内外连铸机大包称重 机构设计的优点，结合我公司连铸意图如图1所示。

2.2驼背式大包秤系统原理框图（图2)

2.3驼背式大包秤系统原理

当钢水包坐在连铸回转台大包悬臂上的称重 箱体上时，机械传力机构将力传力至4个承重点 上的高温传感器，高温传感器将力转换成微弱的 电信号输出，此信号通过YH3120E型仪表进行放 大、滤波处理后，送高精度A/D转换器转换成数 字量，再通过WC~F型无线发射机发射，经WC-S 型无线接收机接收后送至YH3120 W型仪表还原成 数字量、微电脑将该转换值读入处理器后经标定 运算、一路到显示器显示输出，另一路通过4-20mA输出给PLC至上位机显示和控制。

3.连铸回转台大包枰工况分析

3.1浇注过程环境温度分析

浇注过程的高温环境是影响大包秤精度和稳 定性的重要因素，高温主要来源于盛满1 600 T钢 水包的外壁和浇注过程中的高温烘烤，为得到浇 注过程中温度变化，我们对湖北新冶钢连铸大包 秤浇铸过程温度进行了测试，如表1所示。

从2号连铸大包秤浇铸过程温度测试记录 分析：

钢包外壁温度在280 蚓左右。钢包外壁 温度受环境因素、钢包耐温材料、使用频次等多 重因素的影响，称重箱外侧温度为80 C左右，受 浇注时间影响不大。

称重箱内侧温度随浇注时间的延长温度 逐渐升高，从160 C升至210 C左右。

称重箱承重压头温度随浇注时间的延长 温度也呈现升高，从160 C升至200 C左右。

从称重箱内侧到称重箱外侧存在温度梯 度，即210 C到80 C。

3.2钢包座位及承载力的分析

在行车吊运钢水包坐包过程中，由于行车操 作室离地面较高，降落时凭经验进行座包操作， 当成百吨的钢包落下时，因高度落差和座包速度， 会产生巨大的垂直冲击力峰值，其垂直冲击力对 传感器有致命的影响，不同的座包速度，其冲击 力峰值也不尽相同。

由冲击定义可知：

Fx = mVx - mVQ 式中：F为冲力；Vt为重物下落的速度；m为质 量；V。为重物由Vt减到零放在秤台上；t为重物 以R变V。所需时间。

实验：50 kg的铁块在1m高度自由落下可能 产生110. 7 t的冲击载荷，足以使50 t传感器损坏。

在实际行车吊运钢水包坐包过程中，大包并 不是水平座包，而是有一定倾斜的角度，这就更 加大了传感器的单点冲击力峰值，同时带来较大

的水平纵向冲击，对称重传感器带来致命的伤害。

钢水包包耳导入传力复位机构后，回转台作 旋转运动，这时会产生一个很大的水平横向冲击 力，这个巨大的冲击力会使称重机构产生_定的 水平位移，而影响称重精度和秤的重复性。

4.驼背式大包秤结构设计分析

一台良好的高精度大包秤应具有

能有效克服钢水包座包时对大包秤传力 复位机构（秤体）和高温称重传感器的垂直、水 平冲击。

能克服连续拉坯过程中高温及辐射对高 温传感器参数的影响或损坏。

具有高品质的高温称重传感器，在连续 高温、高压环境中高温传感器各项参数较为稳定， 温度漂移较小。

能有效解决行车高空作业时，钢水包安 全可靠的落位问题。

适合于冶炼连铸连续快速生产，安装、 检修方便。

消除其它条件或意外因素带来的影响。

4.1大包秤称重机构的设计

大包秤的称重机构（传力复位系统）是大包 秤的三个基本组成部分之一，它的设计、安装合 理与否，直接决定了一台大包秤的准确度和稳定 性。该款高精度大包秤的称重机构（传力复位系 统）由称重传力复位框架、高温称重传感器、承 重压头、减震碟簧、二次导向、轴套限位、安全 限位组成，如图3所示.

高空吊运钢包包耳准确、平稳导入大包 秤的称重机构。

系统要有足够的刚度和强度，能确保载 荷通过称重传感器的加载轴线准确地传递到传感 器上, 并且具有良好的传力重复性。

能有效克服大包坐包时的垂直和水平冲 击力向称重传感器的传递，并起到缓冲作用。

允许称重传感器在误差范围内产生移动 或转动，但接触面间不应因摩擦力而产生重量 误差。

要求传力复位机构的弹性变形能保持一 致。即传力复位机构能减小大包浇铸过程中温度 造成的膨胀变形和受力产生的应变变形对称重结 果的影响。

系统应具备良好的稳定性和可靠性。

能防止钢水的外溅及溶渣的外溢对传感 器及传输线路的伤害。

便于安装、检修和维护，适应冶炼连铸 生产的快节奏。

4.2钢包导入机构设计

连铸跨行车多为大型龙门吊，庞大的钢水包 是靠行车操作工人用目测的方法将钢水包座包到 几十米的回转台称重悬臂上，若回转台称重悬臂 上不设置引导装置，要使钢水包准确放入指定称 重机构是难以做到的。

为了准确、安全地将钢水包导入称重传力复 位系统，在回转台称重悬臂设计了一次、二次双 重导向限位，导向装置结构外形如图4所示。

一次导向限位的作用是防止钢包撞击称重传 力复位机构，前矮后高搭配方式。前部导向装置 的顶部制作成一定斜面，给吊运操作工人一个明 显的参照标志；前部导向装置为水平防撞结构, 当包耳水平接近后部导向时，后部导向装置会带 动包耳顺利进入称重机构，提高操作安全性，同 时又可保护称重机构。

二次导向限位是安装在称重机构上，采用前 后对称方式设计，其作用准确定位钢包吊耳在称 重机构中的位置，防止钢包与一次导向或与悬臂 檫靠，引起称重误差。

4.3克服垂直冲击力和水平冲击力的设计

为克服垂直冲击力, 在称重传力复位系统中 设计采用了碟簧作为减震装置，该跌簧减震能有 效克服和释放垂直冲击力对称重传感器的冲击。

为消除水平冲击力，在称重传力复位系统中 设计采用了轴套限位，该限位由导轴、导套（内 衬高强度橡套）、导轴座、止套法兰等部件组成, 如图5所示。

在称重传力复位系统中每一个称重箱内安装 有前、后、中三套轴套限位，该限位在整个系统 中非常重要是核心部件。其作用如下：

(1)它能确保载荷通过称重传感器的加载轴 线准确地传递到传感器上，并且具有良好的传力 重复性能有效消除座包、回转台作旋转运动带 来的纵向、横向冲击力，并能克服热胀冷缩带来 的偏移。

能保证传力复位机构的弹性变形能保持 一致。即传力复位机构能减小大包浇铸过程中温 度造成的膨胀变形和受力产生的应变变形对称重 结果的影响。

4.4载荷传力方式设计

力传递系统由压头、防尘法兰、轴套、碟簧、 轴套底座、传力复位框架、传感器压头、高温称 重传感器及传感器基板组成，如图6所示。

在设计大包秤时，应注重消除影响大包秤准 确度的因素，尤其要重视大包秤的稳定性和可靠 性。除精心设计和制造的高温称重传感器和显示 器外，还必须十分重视外加载荷必须通过传力复 位系统将力始终作用于称重传感器中心线上，并 尽量不受横向载荷和扭曲力影响。

这里载荷传力方式采用了圆弧形承载压头配 圆弧传感器压头方式设计，中间用碟簧进行过渡 起减震作用，这样能使外加载荷垂直作用于称重 传感器，减少力传递系统所引入的附加误差。

4.5高温称重传感器的设计

要克服浇注过程的高温环境对称重精度的影 响，高温称重传感器的内在质量非常重要，在驼 背式大包秤中采用的是平面凹槽桥式高温传感器， 各技术参数通过模拟现场环境进行加温加压测试, 确保各项技术指标达GB/T 7551 —2008标准。

(1)平面凹槽桥式高温传感器的特点是：吨位量程大、外形尺寸宽、平面承载，采用限位式 安装，更换、拆卸方便。

平面凹槽桥式高温传感器采用进口玻璃 纤维增强型聚酰亚安基底卡码温度自补偿应变计 设计制造，具有如下特点：

①工作温度：-40 ~ + 250 C。

②采用进口贴片胶和保护面胶，工作温度: -40 ~250 C。

③米用进口耐高温焊锡，溶点温度：+305 ~ + 365 C。

④采用耐高温引线与接线端子，耐温250 C。 采用耐高温电缆和耐高温接头。

⑤具有在长期高温热幅射、环境温度梯变或 瞬变等恶劣条件下，保持称重或测力的准确性和 稳定性。

⑥能替代国内、外同类型耐高温传感器产品， 耐高温达250 C,适用于如车载钢水包秤、连铸钢 水包秤、钢水包行车吊秤等热态高温环境计量。

高温称重传感器性能指标（表2)

(钢包皮+钢水量）；w为秤台自重（在大包秤中 可忽略）；n为传感器个数；&,…,kn为称重系 统在称重作业时各项系数（如冲击、偏载、风 压……）。

5.驼背式大包秤与其他类型大包秤比较的 特点

(1)用了两次导向，能有效克服坐包后钢包 与一次导向（防撞块）产生的侧向摩擦附加力带 来的误差。

(2 )驼背式大包秤在两端和中间位置采用高 温橡套轴式限位，能有效克服热胀冷缩带来的弊 端，克服钢包坐包时的测向冲击，复位性较好。

(3 )驼背式大包秤在球面压头下方采用了碟 簧减震措施，能有效克服坐包时的冲击，保护称 重传感器不被损坏。

(4 )驼背式大包秤能有效克服钢包吊耳底部 不平带来的侧向误差。

(5)驼背式大包秤检修维护更加方便。

6.效果验证

2013年底，对湖北新冶钢转炉1号、2号连铸 大包秤、电炉2号、3号连铸回转台大包秤进行了 改造。从改造效果看（图8),常温标准包测试5 组数据看只有±2个字的变化误差，精度达0.1% , 在热态下连续运行中，确认运行数据准确度达到 3%c。

2015年7月，对湖北新冶钢在用4台连铸机8 套驼背式大包秤进行评估，8套驼背式大包秤经一 年半的使用故障率为零，对转炉1号连铸大包秤 运行数据跟踪，与天车秤同步比对，转炉1号连 铸大包计量数据跟踪统计如表3所示，优于在国 内、外同类产品。该结构大包秤还可用于车载钢 包秤、铸链车秤和铁水包秤等热态衡器

7今后研究方向

通过多年来对连铸机大包回转台称重系统的 研究和应用，我们讨论确定了今后的研究方向。

( 1) 对高温称重传感器进行加温加载实验, 寻求温度和重力双作用对高温传感器重量输出 实际影响，形成数学模型，配合传感器专业制 射测温仪表的测量准确性得到提高，而使用成本 也在逐渐降低，这为推广辐射测温仪表的使用起 到了积极作用。不断有新的领域开始使用辐射测 温仪表，如消防材料试验的温度测量，金属及耐 高温材料的研究、食品冷藏及高温加工的温度监 测、航天卫星的遥感测量等等方面。而红外热像 测温技术在城市管理和民众安全方面也得到更好 的应用。在节能减排领域对于能源流向的测量和 研究，在医疗研究方面可以通过人体体表温度红 外热像信息的分析对病人进行诊断，石化行业危 险液气管道泄漏的安全监控等。造商优化高温传感器制作工艺和温度补偿 技术。

(2)对冶金特钢行业连铸冶炼特殊品种的钢 种在连续浇铸时同时进行电磁搅拌，钢液温度较 普通品种高，冶炼过程不允许拉弧，需要对称重 系统的称重机构（秤体和导向装置）进行绝缘, 根据连铸特殊冶炼工艺要求, 我们需要研究设计 制作绝缘称重机构来满足冶炼要求