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    1 引言

      冶金爐的骨架有彈性和剛性之分。剛性骨架不可調(diào)節(jié)，彈性骨架可依據(jù)爐體的膨脹進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)。采用彈性骨架設計的爐體，其彈性骨架與熔池爐體共同組成立體框架結(jié)構(gòu)。彈性骨架的主要作用是，在爐子生產(chǎn)運行過程中，在保證爐子整體性的前提下控制爐子均衡膨脹，從而達到增加爐子運行的安全性和提高爐子運行壽命的目的。

      2 彈性骨架工作原理及彈性力系失衡的原因

      在生產(chǎn)運行中，爐體將自身的熱應力通過膨脹傳遞給彈性骨架結(jié)構(gòu)，骨架又將彈簧的夾緊力施加給爐體，相互間的作用與平衡就決定了爐子的膨脹變化。彈簧分布的原則是在相對稱的受力面上對稱區(qū)域上的彈簧受力相等。

      彈性力系失衡的原因主要有以下幾種：
      ⑴ 水冷件漏水，使耐火磚產(chǎn)生異常膨脹，增大該部位的爐體膨脹力。
      ⑵ 爐體溫度的變化，耐火磚在不同的工作溫度下有不同的膨脹量。
      ⑶ 爐子砌體部分檢修變化，新?lián)Q耐火砌體的膨脹要明顯大于舊砌體，使彈性結(jié)構(gòu)的夾緊力出現(xiàn)不足。

    3 彈性力系失衡的檢測

      彈性結(jié)構(gòu)力系的失衡是一種常見的必然現(xiàn)象。出現(xiàn)力系失衡后，現(xiàn)場必須進行調(diào)整使之重新恢復平衡，否則爐子將會發(fā)生異常的膨脹。因此檢測爐體不同部位的膨脹量，供工藝工程師對彈性結(jié)構(gòu)的工作狀況進行分析，從而準確把握爐子膨脹的原因和發(fā)生趨勢適時調(diào)整彈簧結(jié)構(gòu)。

      傳統(tǒng)的爐體膨脹量檢測是在爐子縱向梁和端梁的不同部位焊接一個鋼棒，在靠近鋼棒的位置安裝有一個印有刻度的鋼標尺，工人定期用粉筆在標尺上畫標記，此方法既粗劣又增大了工人的勞動強度。而現(xiàn)在設計上采用了一種叫差動變壓器式位移傳感器（LVDT，Liner Variable Differential Transformer），它將膨脹量預先轉(zhuǎn)變成位移量，將直線移動的機械量轉(zhuǎn)成電量，使縱向梁和端梁的膨脹量通過電信號方式送至廠區(qū)DCS，供工藝工程師能實時在線地在控制室看到膨脹量，通過分析預測適時適量調(diào)整彈簧力系，從而有效控制爐體的異常膨脹。

      4 LVDT傳感器原理及特性

      LVDT位移傳感器工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

      LVDT是由一個初級線圈，兩個次級線圈，鐵芯及線圈骨架，外殼等部件組成。當鐵芯在線圈中間位置時，次級線圈S1、S2所感應的電壓相等，由于輸出是反向串接，所以輸出電壓為零（如圖2所示）；當鐵芯向上移動時，線圈S1和線圈P之間互感量增加，次級線圈S1感應電壓V1升高，線圈S2和線圈P之間互感量減少，次級線圈S2感應電壓V2降低，兩線圈電壓的代數(shù)和V=V1+V2，隨著鐵芯向上移動呈線性增加。當鐵芯向下移動時，兩線圈電壓變化相應與之相反，V1與V2的代數(shù)和隨鐵芯向下移動線性增加（因S1和S2線圈是反向串接），如圖3所示次級線圈電壓與鐵芯移動距離之間關系，即輸出特性曲線。
 

      LVDT的特點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，靈敏度高，每毫米位移量輸出信號電壓高達幾百MV，精度可達0.05%，分辨率一般為0.1μm，可測量位移量為±0.1～±500mm，動態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，磁性不銹鋼外殼可以屏蔽靜電，可在強磁場、大電流、潮濕等惡劣環(huán)境下使用。

      通用傳感器標稱行程有：±0.5mm、±1mm、±2.5mm、±5mm、±10mm、±25mm、±50mm、±75mm、±100mm、±150mm、±200mm、±250mm、±300mm、±400mm、±500mm，單向行程是變送器雙向行程轉(zhuǎn)換而來的。LVDT是將位移量轉(zhuǎn)換輸出為MV級電壓信號，需經(jīng)過一個信號調(diào)節(jié)器將MV信號轉(zhuǎn)換輸出標準信號（1~5VDC或4~20mA）連接至任何DCS或PLC控制系統(tǒng)。

      5 LVDT在爐體上的應用

      如圖4所示的膨脹位移傳感器應用實例。在某冶金爐爐體一側(cè)的上、下縱向梁上共安裝了14個膨脹位移傳感器。由于各種原因，爐子縱向梁上各點膨脹位移量不同，14個傳感器按照均勻分布的原則進行布置，同樣在爐體另一側(cè)對稱安裝了14個膨脹位移傳感器，其最大行程均為0~50mm。在長方形爐體的兩個端墻側(cè)的上、下縱向梁也安裝了膨脹位移傳感器。

 

      LVDT膨脹位移傳感器體積小，在爐體上的安裝非常簡單方便，如圖5所示。在彈性鋼結(jié)構(gòu)體的縱向梁上焊接螺栓，將帶有螺母的鐵芯擰入螺栓中，這樣鐵芯可以跟隨彈性結(jié)構(gòu)體進行膨脹，裝有線圈的殼體上有兩個安裝支座，將支座用螺栓固定在樓板梁或焊有鋼結(jié)構(gòu)的支撐件上，安裝時鐵芯與殼體的中心對準即可。

 

      從現(xiàn)場使用效果來看，膨脹位移傳感器最大程度上地減輕了工人的勞動負荷，而且靈敏度、精度很高，實現(xiàn)了冶金彈性爐體膨脹位移實時在線觀測，尤其在冶金爐體升溫過程中對指導爐子操作，延長爐壽起到了非常關鍵的參考作用。


張晉（1971-）
女，山西大同人，高級工程師，主要研究方向為過程控制及自動化儀表的設計、咨詢。