劉 勇，郭 強，王孝軍

(山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟南 250101)

0 前言

鋼鐵行業(yè)煉鋼生產(chǎn)過程中，需要對鋼水進行測溫和取樣分析，傳統(tǒng)方式是工人站在爐口手持測槍、安裝檢測棒(其上安裝有熱電偶或取樣器)、將檢測棒插入1 600℃以上的鋼水中進行測溫取樣、拆除檢測棒[1-5]。由于測溫取樣工作頻繁重復(fù)，比如LF精煉爐每個冶煉周期就需要6至8次測溫取樣工作，這種傳統(tǒng)方式工人勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，并且存在很大的人身安全隱患[6-8]。

近年來，隨著鋼鐵行業(yè)智能化發(fā)展進程的推進，機器人技術(shù)在鋼鐵行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[9-12]，鋼水機器人自動測溫取樣系統(tǒng)因此應(yīng)運而生。

1 鋼水機器人自動測溫取樣系統(tǒng)

鋼水機器人自動測溫取樣系統(tǒng)主要包括機器人、檢測棒輸出裝置、測槍等，如圖1所示[13-17]。檢測棒輸出裝置可以把檢測棒擺放到確定位置，便于測槍準確可靠地插入到檢測棒內(nèi)孔中，同時可以暫存一定數(shù)量的檢測棒。系統(tǒng)工作時，機器人手臂帶動測槍運動到檢測棒輸出裝置處，測槍插取一只檢測棒，然后將檢測棒插入鋼水中進行測溫取樣。

圖1 鋼水機器人自動測溫取樣系統(tǒng)示意圖

2 檢測棒輸出裝置存在的問題

鋼水檢測棒為一次性耗材，除其頭部的熱電偶或取樣器外，主體部分是紙板做成的中空細長管套結(jié)構(gòu)[18]，密度較小，表面較粗糙，容易變形或折彎，實現(xiàn)自動輸出比較困難。

目前，大部分檢測棒輸出裝置為具有動力的箱型設(shè)備[13-16]，其驅(qū)動部件和傳動部件繁多，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還設(shè)有多處檢測控制元件，控制程序繁瑣。這類檢測棒輸出裝置可以一次性裝入幾十只檢測棒暫存，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)生檢測棒跑偏、卡阻等問題，故障率高，制造和維修成本也高。

部分鋼水機器人自動測溫取樣系統(tǒng)沒有檢測棒輸出裝置，取而代之的是一臺安裝有特制夾具的機器人，以此實現(xiàn)檢測棒自動抓取和拆裝[19,20]，這種方案需要另外配備檢測棒暫存裝置，成本高昂，不利于鋼廠降本增效。

還有部分鋼廠由工人細致地將檢測棒依次整齊擺放在檢測棒輸出裝置內(nèi)部，或者由人工對檢測棒進行拆裝，沒有真正實現(xiàn)自動化，且有一定的安全隱患。

3 檢測棒無動力自動輸出裝置

3.1 結(jié)構(gòu)組成

鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置是由側(cè)擋板、裝棒框、導(dǎo)向板、連接固定桿件、V型導(dǎo)向塊、U型卸棒塊等組成的箱型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置結(jié)構(gòu)示意圖

兩側(cè)擋板為支撐部件，分別置于鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置的左右兩側(cè)。連接固定桿件的兩端分別固定在兩側(cè)擋板上，并穿過導(dǎo)向板上的孔以支撐導(dǎo)向板。兩導(dǎo)向板安裝于兩側(cè)擋板之間的適當(dāng)位置，其上設(shè)置有曲線形導(dǎo)槽，曲線形導(dǎo)槽的下部設(shè)有豎向缺口。裝棒框由連接固定桿件鉸鏈在側(cè)擋板上部距導(dǎo)向板上邊適當(dāng)距離的位置，裝棒框由半槽形構(gòu)件和鉸鏈在半槽形構(gòu)件上部的方形框組成，方形框可繞鉸鏈軸上下轉(zhuǎn)動；當(dāng)方形框繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動到水平位置時，與半槽形構(gòu)件構(gòu)成水平U型裝棒槽。在鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置的下部右側(cè)正對曲線形導(dǎo)槽最末端檢測棒的位置，設(shè)有V型導(dǎo)向塊，便于機器人手臂上的測槍準確插入到檢測棒內(nèi)孔中。在V型導(dǎo)向塊一側(cè)設(shè)有U型卸棒塊，測溫取樣完成后通過U型卸棒塊將燒損的檢測棒從測槍上脫除下來。

3.2 工作過程

在需要裝入檢測棒時，首先人工把方形框向上掀起，此時方形框下面形成空位；接著把多只檢測棒放入方形框向上掀起而形成的空位內(nèi)，檢測棒靠其自身重力并在人工稍作輔助的情況下，平鋪到裝棒框的水平U型裝棒槽處；待檢測棒裝滿水平U型裝棒槽后，將方形框向下翻轉(zhuǎn)至與半槽型構(gòu)件結(jié)合的位置；人工掀起裝棒框，當(dāng)裝棒框向上旋轉(zhuǎn)到一定角度時，由于重力作用測溫棒從裝棒框的水平U型裝棒槽中依次流入到導(dǎo)向板上的曲線形導(dǎo)槽中；當(dāng)曲線形導(dǎo)槽中充滿檢測棒時停止裝棒，這樣就實現(xiàn)了鋼水檢測棒單層整齊排列在曲線形導(dǎo)槽中。

當(dāng)需要對鋼水進行測溫取樣時，機器人手臂上的測槍在V型導(dǎo)向塊的引導(dǎo)下插入到曲線形導(dǎo)槽最末端的檢測棒內(nèi)孔中；插入到位后，測槍帶動檢測棒向上移動，從曲線形導(dǎo)槽下部的豎向缺口中移出；當(dāng)取走曲線形導(dǎo)槽最末端的檢測棒后，由于重力作用，前面的檢測棒會自動填充到被取走的檢測棒的位置，依次循環(huán)；當(dāng)曲線形導(dǎo)槽中的檢測棒減少到一定數(shù)量時，需要用裝棒框向曲線形導(dǎo)槽中補充檢測棒；當(dāng)鋼水測溫取樣完成后，機器人手臂上的測槍帶動燒損的檢測棒卡入到U型卸棒塊的U型槽中，測槍向后運動，U型卸棒塊U型槽通過阻擋作用將燒損的檢測棒從測槍上脫除下來。

3.3 曲線形導(dǎo)槽傾角

為了便于操作使用，檢測棒裝入頻率不能太高，即檢測棒無動力自動輸出裝置應(yīng)具有一定的檢測棒暫存容量。在檢測棒無動力自動輸出裝置的尺寸一定的前提下，曲線形導(dǎo)槽傾斜部分的傾角α的大小決定了檢測棒暫存容量，如圖2c所示。傾角α過大導(dǎo)致暫存容量太小，傾角α過小檢測棒不能順利沿曲線形導(dǎo)槽滾下輸出。

根據(jù)滾動運動原理，傾角α的大小應(yīng)能保證檢測棒沿曲線形導(dǎo)槽傾斜部分向下的驅(qū)動力矩大于滾動阻力矩，這樣才能順利輸出檢測棒。根據(jù)下式計算傾角α的大小[21]。

GD/2·sinα>Gμkcosα

(1)

式中，G為檢測棒重力；D為檢測棒主體部分外徑；μk為檢測棒與導(dǎo)向板之間的滾動摩擦因數(shù)。

本研究中檢測棒主體部分外徑D為2.8 cm，檢測棒與導(dǎo)向板之間的滾動摩擦因數(shù)μk取0.2～0.3 cm，經(jīng)計算可得傾角α>8～12°。

3.4 曲線形導(dǎo)槽寬度

當(dāng)檢測棒沿曲線形導(dǎo)槽依次滾下時，如圖3所示，一號檢測棒就位后，二號檢測棒因沖擊作用可能會彈跳到圖3中位置。如果三號檢測棒來到圖3中位置之前，二號檢測棒不能滑落并與曲線形導(dǎo)槽下緣接觸，就會發(fā)生圖3中的檢測棒疊摞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致檢測棒跑偏、卡阻。根據(jù)力學(xué)及幾何學(xué)原理，可按式(2)、(3)計算曲線形導(dǎo)槽寬度最大值[21]。

圖3 曲線形導(dǎo)槽寬度計算示意圖

Gsinβ>Gμcosβ

(2)

H-D=Dcos(α+β)

(3)

式中，β為二號檢測棒重力與其對一號檢測棒壓力的夾角；μ為檢測棒之間的摩擦系數(shù)；H為曲線形導(dǎo)槽寬度。

檢測棒之間的摩擦系數(shù)μ取0.4～0.6，經(jīng)計算可得曲線形導(dǎo)槽寬度H<1.7D～1.8D。

曲線形導(dǎo)槽寬度最小值應(yīng)大于檢測棒主體部分外徑，才能保證可以順利容納檢測棒。因此，曲線形導(dǎo)槽的寬度取值范圍為D

3.5 檢測棒就位及補充檢測

鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置設(shè)置兩只檢測元件：一只檢測元件用于檢測曲線形導(dǎo)槽最末端的檢測棒是否在位，以保證鋼水測溫取樣時機器人手臂上的測槍能順利取走檢測棒，以完成測溫取樣；另一只檢測元件用于檢測曲線形導(dǎo)槽最末端前面第若干只檢測棒是否在位，以提前告知曲線形導(dǎo)槽中的檢測棒是否將用盡，是否需要補充檢測棒。

4 結(jié)束語

鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置不需要驅(qū)動和傳動部件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；可以批量投放檢測棒并暫存，效率高；檢測棒靠自身重力作用并在曲線形導(dǎo)槽導(dǎo)引下，實現(xiàn)了自動輸出，不易發(fā)生跑偏、卡阻等現(xiàn)象。

隨著鋼鐵行業(yè)的智能化、高質(zhì)化發(fā)展，鋼水機器人自動測溫取樣技術(shù)必將獲得更大發(fā)展。鋼水檢測棒無動力自動輸出裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、效率高，對鋼水機器人自動測溫取樣技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用具有重要促進作用。