一种用于冶金废气的收尘装置及烟气除尘实验平台的制作方法

本发明涉及一种用于冶金废气的收尘装置及烟气除尘实验平台，属于工业冶金废气除尘技术领域。

背景技术：

在钢铁生产过程中，高炉铁口区域易产生具有瞬时发生、流量变化大等特点的含尘烟气。目前工业上常用的烟气收尘装置位置固定，结构复杂，拆卸维修和操控非常不便，烟气的收尘效率不高，不能完全满足现代工业生产的需求。如中国发明申请“冶金矿焙烧尾气净化与热量回收装置及其工艺”(申请号：CN201610079312)，公开了一种用于冶金矿焙烧尾气净化的装置，包括隧道窑，隧道窑烘干段气体出口和焙烧段的气体出口均通过管道与重力除尘器的气体入口相连；重力除尘器的气体出口通过管道与余热锅炉的气体入口相连；余热锅炉的气体出口通过管道与静电除尘器的气体入口相连，余热锅炉、汽包和汽轮机通过管道相连，构成闭合回路。该申请通过隧道窑汇集生产废气，通过重力除尘器、余热锅炉和静电除尘器净化尾气，整体体积庞大并且成本高，不适用于开放式冶金废气出口的收尘。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种用于冶金废气的收尘装置及烟气除尘实验平台，在对含尘烟气进行检测的基础上设计收尘装置，通过运动控制器(如PLC和人机界面、数控系统)控制伺服电机和丝杆导轨带动五孔探针实现烟气流场的快速测量，从而自动调整吸尘罩的位置完成对烟尘的高效收集，实现烟气收尘的完全自动化，装置结构简单，易于控制和实现。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种用于冶金废气的收尘装置，至少包括支撑架和安装于支撑架上的收尘单元，所述收尘单元包括吸尘罩、机械臂、水平驱动机构和竖直驱动机构，水平驱动机构安装于支撑架上，机械臂通过水平驱动机构驱动，竖直驱动机构安装于机械臂上，吸尘罩通过竖直驱动机构驱动并且开口朝下，所述水平驱动机构和竖直驱动机构均为直线位移机构；还包括控制器和烟气流场检测单元，所述烟气流场检测单元包括三维位移坐标架和五孔探针，三维位移坐标架安装于支撑架上并且靠近吸尘罩，五孔探针通过三维位移坐标架驱动，所述三维位移坐标架为XYZ三轴位移机构，五孔探针连接控制器的输入端，水平驱动机构、竖直驱动机构和三维位移坐标架中的动力元件均连接控制器的输出端。

所述支撑架为框架式支撑架，框架式支撑架上沿水平方向安装有支撑管，机械臂的其中一端固定于支撑管中，水平驱动机构安装于支撑架上并且位于机械臂下方。

所述水平驱动机构由水平伺服电机及其驱动的水平滚珠丝杠导轨副构成，水平滚珠丝杠导轨副的移动台与机械臂固连，水平滚珠丝杠导轨副的左右两端安装有限位开关。

所述机械臂为直角弯管，吸尘罩由固连的管部和倒漏斗形的罩体构成，机械臂与吸尘罩的管部连通。

支撑架上沿水平方向安装有导轨滑块副，机械臂与导轨滑块副的滑块固连，其连接处位于机械臂的弯曲处。

所述竖直驱动机构包括两组同步运动的步进电机及其驱动的滚珠丝杠副，机械臂与吸尘罩的管部上均套设有连接板，其中一个连接板与滚珠丝杠副的螺母固连。

滚珠丝杠副的丝杠为T型螺纹丝杠，丝杠运动过程中的上下两个极限位置处安装有限位开关。

所述XYZ三轴位移机构的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向移动组件均由伺服电机及其驱动的滚珠丝杠导轨副构成，Y轴方向滚珠丝杠导轨副固定于支撑架上，X轴方向移动组件固定于Y轴方向滚珠丝杠导轨副的移动台上，Z轴方向移动组件固定于X轴方向滚珠丝杠导轨副的移动台上，五孔探针安装于Z轴方向滚珠丝杠导轨副的移动台上。

Y轴方向滚珠丝杠导轨副通过Y轴方向底座固定于支撑架上，X轴方向移动组件通过X轴方向底座固定于Y轴方向滚珠丝杠导轨副的移动台上，Z轴方向移动组件通过Z轴方向底座固定于X轴方向滚珠丝杠导轨副的移动台上，Z轴方向底座上沿竖直方向安装有侧旁支架，Z轴方向滚珠丝杠导轨副与侧旁支架固连，X轴方向底座、Y轴方向底座和侧旁支架上均设有限位开关。

本发明还对应提供了一种基于上述用于冶金废气的收尘装置的烟气除尘实验平台，支撑架上安装有烟尘气管道、烟尘气喷口、烟气管道和烟气喷口，烟尘气管道与烟尘气喷口连通，烟尘气喷口呈漏斗形，烟尘气喷口的开口朝上并且位于吸尘罩下方；烟气管道与烟气喷口连通并且水平固定于支撑架上，烟气喷口为针孔形喷口，烟气喷口位于烟尘气喷口与吸尘罩之间。

由上述技术方案可知，本发明提供的用于冶金废气的收尘装置，基于高炉铁口区域含尘烟气具有瞬时发生、流量变化大的特点，设计出由三维位移坐标架和五孔探针(电子微压计)组成的烟气流场检测系统，五孔探针安装在三维位移坐标架上，可以在三维空间内自由调整位置测量喷口区域任意一点的三维速度场信息，研究铁场烟尘发生、捕集和分离过程的流动规律；针对冶金废气进行烟气检测基础上进行烟尘收集装置设计，吸尘罩安装在机械臂上，根据烟气流场检测系统检测的信息，通过控制机械臂的前进、后退、升高和降低，可以调整吸尘罩的空间位置，找到收集含尘烟气的最佳位置。本发明中，三维位移坐标架和机械臂通过运动控制器(如数控系统或PLC或其它)实现自动化控制，提供手动自动两种工作模式。也可以通过人机界面远程控制，整个系统操控简单、方便、准确、可靠，便于对高炉炼铁的铁场内的烟尘流动规律的研究，实现了对含尘烟气收集的自动化控制，对冶金工业含尘烟气的高效收集有重要的意义。

机械臂设计为直角弯管，两端分别连接吸尘罩和支撑管，吸尘罩由固连的管部和倒漏斗形的罩体构成，三个部件之间的连接均为管与管之间的连接，易于实现连通和密封；机械臂可以在固定于框架式支撑架上的支撑管中水平左右缩进，驱动过程由安装在支撑架上的水平驱动机构实行(即水平伺服电机及其驱动的滚珠丝杠导轨副)，通过伺服电机提供动力，驱动滚珠丝杠导轨副的丝杠转动，从而带动滚珠丝杠导轨副的移动台上的机械臂沿水平方向左右来回运动，同时滚珠丝杠导轨副的侧面两端安装有限位开关，以控制机械臂的水平方向运动的极限位置。考虑到在机械臂不断地向右运动过程中，根据杠杆原理，机械臂的右端会下沉弯曲，这将导致机械臂水平方向运动阻力增加，甚至卡死，导致机械臂不能正常左右移动，甚至损坏伺服电机，为了解决这一问题，在支撑架上水平安装导轨滑块副，并将机械臂与导轨滑块副的滑块固连，构成移动滑块运动副，使得在机械臂水平方向运动的过程中，机械臂右端始终在滑块的拉杆作用下处于水平状态，增加了机械臂水平运动结构的刚性，以保证机械臂水平方向伸缩运动的流畅性。

考虑到机械臂已实现水平方向运动控制，为精简装置结构，竖直方向未设计其它的外部支撑结构，机械臂竖直方向的运动由两组同步运动的步进电机及其驱动的T型螺纹滚珠丝杠副实现，在机械臂与吸尘罩的管部上均套设连接板，两个连接板一个为固定件、另一个为移动件，两个步进电机接受来自控制器的相同频率的脉冲信号，从而驱动两个步进电机同步转动，具有相同螺距的丝杠在步进电机的驱动下就会移动相同的位移，于是吸尘罩就会上升或下降一定的高度，实现对吸尘罩在机械臂中的上下竖直方向的运动控制。由于吸尘罩过重或脉冲信号有时会丢失等原因发生不同步现象，这种控制方式有时会使吸尘罩运动过程中发生倾斜，严重时甚至发生卡死和损坏电机问题，具体设计中使用了通过控制器手动单独调整一边丝杠的运动进行同步修正，吸尘罩在运动过程中发生倾斜或卡死现象时，立即停止两步进电机的同步运行模式，再按压两个可选择步进电机上下运动的按钮开关中的一个，只向其中一个固定的步进电机发出一较低频率的脉冲信号，从而驱动一个步进电机转动，根据需要调整吸尘罩的倾斜状况至水平位置，步进电机的运行距离依据开关按钮的接通时间进行控制；完成同步修正后，复位按钮开关，又进入两步进电机的同步运行模式，又可以对吸尘罩进行向上或向下的同步运动操作。此外，丝杠运动过程中的上下两个极限位置处均安装限位开关，防止吸尘罩运动过程中超过极限位置，同时起到保护步进电机和相关设备的作用；竖直驱动机构中丝杠为T型螺纹丝杠，采用步进电机和T型螺纹丝杠传动可防止在停电时吸尘罩由于自身重力原因而下坠，T型螺纹丝杠的自锁功能可以保证吸尘罩能够固定在欲停留的位置。

三维位移坐标架的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的移动均通过伺服电机及其驱动的滚珠丝杠导轨副实现，利用滚珠丝杠导轨副运动过程阻力小、传动效率高的特点，保证三维位移坐标架搭载的五孔探针可以在三维空间内自由调整位置，测量喷口区域任意一点的三维速度场信息，三组移动组件之间协调运动，可对五孔探针三维空间内的位置任意的调整，达到烟气喷口区三维流场测量的目的，再依据烟气喷口区三维流场信息，自动控制吸尘罩找到高效收集含尘烟气的最佳位置和状态，从而实现冶金废气的自动收尘目的；Y轴方向移动组件与支撑架之间以及移动组件之间的连接通过三个底座和一根侧旁支架实现，底座具有较大的安装面积，一方面可以保证滚珠丝杠导轨副的运动稳定性，起到加固作用，另一方面可以在底座和侧旁支架上安装限位开关，用来作为控制五孔探针在每个方向运动的位置传感器，防止五孔探针运动超过极限位置。

上述用于冶金废气的收尘装置可直接应用于工业冶金废气除尘中，也可配合模拟管路搭建实验室规模下的“烟气除尘实验平台”，模拟出铁场的烟尘发生、捕集和分离过程。烟尘气管道与烟尘气喷口连通，模拟输送高炉炼铁过程产生的铁水沟热气流回路烟尘气的管路，烟气管道与烟气喷口连通，模拟输送高炉炼铁过程中铁口喷射的烟气的管路，实验过程中产生的高温烟(尘)气分别通过正漏斗形烟尘气喷口和针孔形烟气喷口在倒漏斗形的吸尘罩下方汇合。

附图说明

图1为本发明提供的用于冶金废气的收尘装置的整体结构示意图。

图2为竖直驱动机构的结构示意图。

图3为烟气流场检测单元的结构示意图。

图4为本发明提供的烟气除尘实验平台的整体结构示意图。

其中，1-机械臂，2-吸尘罩，3-框架式支撑架，4-烟尘气喷口，5-烟尘气管道，6-烟气管道，7-烟气喷口，8-支撑管，9-管箍，10-导轨滑块副，11-牵拉件，12-烟气流场检测单元，13-滚珠丝杠副，14-步进电机，15-伺服电机，16-水平滚珠丝杠导轨副，17-水平伺服电机，18-限位开关A，19-T型螺纹丝杠，20-连接板，21-管部，22-罩体，23-五孔探针，24-限位开关X，25-Y轴方向滚珠丝杠导轨副，26-限位开关Y，27-X轴方向底座，28-X轴方向滚珠丝杠导轨副，29-限位开关Z，30-Z轴方向底座，31-侧旁支架，32-移动台，33-Z轴方向滚珠丝杠导轨副，34-Y轴方向底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的用于冶金废气的收尘装置，其结构如图1所示，包括控制器、框架式支撑架3以及安装其上的收尘单元和烟气流场检测单元12，框架式支撑架上沿水平方向安装有支撑管8；

所述收尘单元包括吸尘罩2、机械臂1、水平驱动机构和竖直驱动机构，机械臂1的其中一端固定于支撑管8中、另一端与吸尘罩2连接，所述机械臂1为直角弯管，参见图2，吸尘罩2由固连的管部21和倒漏斗形的罩体22构成，机械臂1与吸尘罩的管部21连通，水平驱动机构安装于框架式支撑架3上并且位于机械臂1下方，机械臂1通过水平驱动机构驱动，所述水平驱动机构由水平伺服电机17及其驱动的水平滚珠丝杠导轨副16构成，水平滚珠丝杠导轨副的移动台通过两个管箍9与机械臂1固连，水平滚珠丝杠导轨副的左右两端安装有限位开关，框架式支撑架3上沿水平方向安装有导轨滑块副10，机械臂1通过牵拉件11与导轨滑块副10的滑块固连，其连接处位于机械臂1的弯曲处，竖直驱动机构安装于机械臂1的竖直段上，吸尘罩通过竖直驱动机构驱动并且开口朝下，参见图2，所述竖直驱动机构包括两组同步运动的步进电机14及其驱动的滚珠丝杠副13，两组同步运动的机构对称分布，机械臂1与吸尘罩的管部21上均套设有连接板20，其中一个连接板与滚珠丝杠副的螺母固连，滚珠丝杠副13的丝杠为T型螺纹丝杠19，T型螺纹丝杠19运动过程中的上下两个极限位置处均安装有限位开关A18；

参见图3，所述烟气流场检测单元包括三维位移坐标架和五孔探针23，三维位移坐标架安装于框架式支撑架3上并且靠近吸尘罩2，五孔探针通过三维位移坐标架驱动，所述三维位移坐标架为XYZ三轴位移机构，XYZ三轴位移机构的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向移动组件均由伺服电机及其驱动的滚珠丝杠导轨副构成，Y轴方向滚珠丝杠导轨副25通过Y轴方向底座34固定于框架式支撑架3上，实现五孔探针左右运动，Y轴方向底座34上安装两个限位开关Y26，防止五孔探针运动超过Y轴方向极限位置；X轴方向移动组件(包括伺服电机及其驱动的X轴方向滚珠丝杠导轨副28)通过X轴方向底座27固定于Y轴方向滚珠丝杠导轨副25的移动台上，实现五孔探针前后运动，X轴方向底座27上安装两个限位开关X24，防止五孔探针运动超过X轴方向极限位置；Z轴方向移动组件(包括伺服电机及其驱动的Z轴方向滚珠丝杠导轨副33)通过Z轴方向底座30固定于X轴方向滚珠丝杠导轨副28的移动台上，实现五孔探针上下运动，Z轴方向底座30上沿竖直方向安装有侧旁支架31，Z轴方向滚珠丝杠导轨副33与侧旁支架31固连，侧旁支架两端分别安装一个限位开关Z29，防止五孔探针运动超过Z轴方向极限位置，五孔探针23安装于Z轴方向滚珠丝杠导轨副33的移动台32上；

五孔探针连接控制器的输入端，将采集的烟气喷口区三维流场信息传输至控制器，三维位移坐标架和机械臂的驱动机构均通过控制器(如数控系统、PLC、FPGA等)实现自动化控制，提供手动自动两种工作模式，也可以通过人机界面远程控制，三维位移坐标架可对五孔探针的三维空间位置进行任意调整，达到烟气喷口区三维流场测量的目的，控制器依据烟气喷口区三维流场信息，自动控制机械臂前进、后退、升高和降低，调整吸尘罩的空间位置，找到高效收集含尘烟气的最佳位置和状态，从而实现冶金废气的高效自动收尘目的。

本发明还对应提供了一种基于上述用于冶金废气的收尘装置的烟气除尘实验平台，参见图4，框架式支撑架3上安装有烟尘气管道5、烟尘气喷口4、烟气管道6和烟气喷口7，烟尘气管道5与漏斗形的烟尘气喷口4连通，模拟输送高炉炼铁过程产生的铁水沟热气流回路烟尘气的管路，烟气管道6与针孔形的烟气喷口7连通并且水平固定于框架式支撑架3上，模拟输送高炉炼铁过程中铁口喷射的烟气的管路，烟尘气喷口4的开口朝上并且位于吸尘罩2下方，烟气喷口7位于烟尘气喷口4与吸尘罩2之间。