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(jì)算依據(jù)。并對熔化過程中電極的運(yùn)動(dòng)、電纜的擺動(dòng)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(jì)、調(diào)試過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，望能對實(shí)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?zhàn)詣?dòng)熔煉水平，實(shí)現(xiàn)不了恒熔速和起弧、熔煉、收弧等全工藝過程的自動(dòng)化。其關(guān)鍵點(diǎn)在于大部分的設(shè)備沒有設(shè)置稱重機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不了恒熔速和熔煉工藝過程的自動(dòng)化。恒熔速和熔煉工藝過程自動(dòng)化不僅保證了熔煉產(chǎn)品的質(zhì)量(如：減少偏析、晶粒細(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(jì)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(dòng)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(dòng)的水等動(dòng)參數(shù)，因此在實(shí)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(dòng)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(dòng)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(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(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(gè)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(shí)稱重傳感器顯示值Q1;并計(jì)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(shí)際上充分考慮了熔煉時(shí)既能動(dòng)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(diǎn)較多。根據(jù)以上的分析討論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，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(shí)，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(dòng)態(tài)的內(nèi)力，如電極桿加速運(yùn)動(dòng)，水冷電纜擺動(dòng)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(dòng)，振動(dòng)，擺動(dòng)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(jì)、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(dòng)的部分不得與外力摩擦接觸。

　　4、可移動(dòng)的內(nèi)部水冷電纜在移動(dòng)時(shí)，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。