冶金炉体膨胀在线监测传感器

1 引言



　　冶金炉的骨架有弹性和刚性之分。刚性骨架不可调节，弹性骨架可依据炉体的膨胀进行适当的调节。采用弹性骨架设计的炉体，其弹性骨架与熔池炉体共同组成立体框架结构。弹性骨架的主要作用是，在炉子生产运行过程中，在保证炉子整体性的前提下控制炉子均衡膨胀，从而达到增加炉子运行的安全性和提高炉子运行寿命的目的。



2 弹性骨架工作原理及弹性力系失衡的原因



　　在生产运行中，炉体将自身的热应力通过膨胀传递给弹性骨架结构，骨架又将弹簧的夹紧力施加给炉体，相互间的作用与平衡就决定了炉子的膨胀变化。弹簧分布的原则是在相对称的受力面上对称区域上的弹簧受力相等。



　　弹性力系失衡的原因主要有以下几种：



⑴ 水冷件漏水，使耐火砖产生异常膨胀，增大该部位的炉体膨胀力。

⑵ 炉体温度的变化，耐火砖在不同的工作温度下有不同的膨胀量。

⑶ 炉子砌体部分检修变化，新换耐火砌体的膨胀要明显大于旧砌体，使弹性结构的夹紧力出现不足。



3 弹性力系失衡的检测



　　弹性结构力系的失衡是一种常见的必然现象。出现力系失衡后，现场必须进行调整使之重新恢复平衡，否则炉子将会发生异常的膨胀。因此检测炉体不同部位的膨胀量，供工艺工程师对弹性结构的工作状况进行分析，从而准确把握炉子膨胀的原因和发生趋势适时调整弹簧结构。



　　传统的炉体膨胀量检测是在炉子纵向梁和端梁的不同部位焊接一个钢棒，在靠近钢棒的位置安装有一个印有刻度的钢标尺，工人定期用粉笔在标尺上画标记，此方法既粗劣又增大了工人的劳动强度。而现在设计上采用了一种叫差动变压器式位移传感器（LVDT，Liner Variable Differential Transformer），它将膨胀量预先转变成位移量，将直线移动的机械量转成电量，使纵向梁和端梁的膨胀量通过电信号方式送至厂区DCS，供工艺工程师能实时在线地在控制室看到膨胀量，通过分析预测适时适量调整弹簧力系，从而有效控制炉体的异常膨胀。



4 LVDT传感器原理及特性



　　LVDT位移传感器工作原理简单地说是铁芯可动变压器，其结构示意图如图1所示。









　　LVDT是由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯及线圈骨架，外壳等部件组成。当铁芯在线圈中间位置时，次级线圈S1、S2所感应的电压相等，由于输出是反向串接，所以输出电压为零（如图2所示）；当铁芯向上移动时，线圈S1和线圈P之间互感量增加，次级线圈S1感应电压V1升高，线圈S2和线圈P之间互感量减少，次级线圈S2感应电压V2降低，两线圈电压的代数和V=V1+V2，随着铁芯向上移动呈线性增加。当铁芯向下移动时，两线圈电压变化相应与之相反，V1与V2的代数和随铁芯向下移动线性增加（因S1和S2线圈是反向串接），如图3所示次级线圈电压与铁芯移动距离之间关系，即输出特性曲线。









　　LVDT的特点是结构简单，工作可靠，寿命长，灵敏度高，每毫米位移量输出信号电压高达几百MV，精度可达0.05%，分辨率一般为0.1μm，可测量位移量为±0.1～±500mm，动态特性好，可用于高速在线检测，磁性不锈钢外壳可以屏蔽静电，可在强磁场、大电流、潮湿等恶劣环境下使用。



　　通用传感器标称行程有：±0.5mm、±1mm、±2.5mm、±5mm、±10mm、±25mm、±50mm、±75mm、±100mm、±150mm、±200mm、±250mm、±300mm、±400mm、±500mm，单向行程是变送器双向行程转换而来的。LVDT是将位移量转换输出为MV级电压信号，需经过一个信号调节器将MV信号转换输出标准信号（1~5VDC或4~20mA）连接至任何DCS或PLC控制系统。



5 LVDT在炉体上的应用



　　北京赛斯维测控技术有限公司推出的SensorWay系列3000XS、4000XS、5000XS传感器已经在冶金炉体膨胀监测中得到实际应用，并取得了良好的效果。如图4所示的膨胀位移传感器应用实例。在某冶金炉炉体一侧的上、下纵向梁上共安装了14个膨胀位移传感器。由于各种原因，炉子纵向梁上各点膨胀位移量不同，14个传感器按照均匀分布的原则进行布置，同样在炉体另一侧对称安装了14个膨胀位移传感器，其最大行程均为0~50mm。在长方形炉体的两个端墙侧的上、下纵向梁也安装了膨胀位移传感器。









　　SensorWay系列膨胀位移传感器体积小，在炉体上的安装非常简单方便，如图5所示。在弹性钢结构体的纵向梁上焊接螺栓，将带有螺母的铁芯拧入螺栓中，这样铁芯可以跟随弹性结构体进行膨胀，装有线圈的壳体上有两个安装支座，将支座用螺栓固定在楼板梁或焊有钢结构的支撑件上，安装时铁芯与壳体的中心对准即可。











　　从现场使用效果来看，SensorWay系列膨胀位移传感器最大程度上地减轻了工人的劳动负荷，而且灵敏度、精度很高，实现了冶金弹性炉体膨胀位移实时在线观测，尤其在冶金炉体升温过程中对指导炉子操作，延长炉寿起到了非常关键的参考作用。



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　　作者：中国有色冶金设计研究总院 张晋



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