专利名称：一种钢水精确测温取样系统及其方法
技术领域：
本发明属于冶金领域液态金属处理过程技术领域，特别是提供了一种钢水精确测 温取样系统及其方法。
背景技术：
炼钢生产中，炉外精炼在提高钢材产品质量、扩大品种、降低成本、优化炼钢生产 工艺等方面发挥着非常重要的作用。尤其在板坯连铸实施恒拉速浇注以来，对精炼钢水的 温度、成分有了更为严格的要求，人工测温取样的精度已经不能满足下道工序对钢水质量 的要求，因此实现精炼处理过程精确测温取样，对提高钢水温度测量精度和冶炼质量、降低 原材料消耗和职工劳动强度具有十分重要的意义。在精炼人工进行测温取样时，测温枪插入点位置和插入深度很难达到规定要求， 并且手动测温枪受热时间长其稳定性会变差，影响准确性。因此人工的测温、取样方式所得 的温度值精准度差、样子成分存在波动，从而影响了连铸机的生产效率和铸坯的质量。因此如何提高测温准确率、取样成功率以满足下道工序对钢水质量的要求，是精 炼环节的重点。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种钢水精确测温取样系统及其方法，实现钢水精炼 过程精确测温取样，减少人为干预、提高钢水温度测量精度、提高取样成功率、降低生产成 本、缩短冶炼周期和降低工人劳动强度。本发明包括智能机器人系统、自动测温取样枪系统、液面高度检测装置和工业控 制计算机，整个系统由工业计算机进行整体控制，首先液面高度检测装置测定钢水液面深 度，然后智能机器人负责安装探头，最后自动枪实现自动测温取样。智能机器人系统包括伺服控制系统、机器人本体、机器人抓手、机器人行走机构， 伺服控制系统控制机器人本体及机器人抓手抓取探头，机器人再通过行走机构到达测温取 样枪位置进行自动安装或拆卸探头。伺服控制系统包括伺服控制柜及示教编程器，伺服控 制系统是整个机器人的控制中枢；机器人采用外部轴控制，通过外部轴将复杂动作分解，实 现精确取枪和装枪动作。机器人抓手是一个气动夹紧装置，能适应现场不同直径的探头，机 器人抓手本身自带的导向坡口形式，矫正了枪杆下枪造成的偏置位移，实现精准抓取；行走 机构主要是增大了机器人的行走距离，在不进行测温取样的时候远离钢包炉，有效降低了 热辐射对机器人的损伤。自动测温取样枪系统包括自动测温枪体、链式提升装置、链式提升装置V型定位 和枪杆气动定位装置，链式提升装置V型定位和枪杆气动定位装置主要避免枪体的晃动， 链式提升装置控制自动测温枪体的升降，安装探头的自动测温枪体最终浸入钢液完成测温 取样操作。自动测温枪体使用氮风冷却长寿枪杆，大大增加了枪杆使用寿命；链式提升装置 选用伺服电机驱动，能够精确控制下枪的深度；链式提升装置V型定位，限制了提升装置左右摆动量，使机器人的装、卸枪更准确；枪杆气动定位装置减小了枪头的偏移量，降低了机 器人的装枪难度。液面高度检测装置采用高精度红外测距传感器，测量偏差在士 1cm，实现钢水液面 的精确测量，当系统采集到钢包到位信号后，自动测量钢水液面，并运算出下枪距离，无需 人工干预，实现高度自动化。该系统在运行时，首先利用红外液面高度检测装置对钢水液面高度进行测量，存 储数据，当系统接到测温取样指令时，机器人抓取枪头，通过行走机构到达枪杆附近进行装 枪，气缸摆出到位，自动枪根据存储的液面高度数据下枪测量，当测温或定氧得到数据结果 时提枪，气缸摆回到位，机器人行走过来卸枪，然后远离钢炉，回到待机状态，依次循环，无 需人工干预，实现高度自动化，为连铸工序提供了优质稳定的钢水，最终实现了机器人精确 自动测温取样。钢水液面高度自动检测，自动计算下枪距离；机器人进行插拔测温、定氧及取样探 头；具备自我保护功能的精准定位长寿测温取样枪。操作时由系统中的一级计算机控制模型设定、控制机械手的运行轨迹，进行测温 取样。该套装备采用红外液面检测装置进行液面高度测量，保证测量高度偏差在士 lcm范 围内。机器人接到测温取样指令后，根据红外测量好的钢水液面高度，运算出下枪距离。另 外，钢水液面测量和伺服位置控制实现了每一枪测温和取样的准确定位，完全消除了人工 测温取样位置及深度变化对测量结果造成的误差。采用该精确测温取样方法后，测温偏差波动较小，稳定在士 2°C范围内；取样的合 格率达到97%以上，相对与人工取样提高了 12%左右；取样不合的比例由人工取样的7% 降至3%以下；另外缩短了精炼测温取样的时间，降低了工人的劳动强度。本发明的优点在于通过红外钢水液面测量和伺服位置控制，实现了每一枪测温和 取样的准确定位，完全消除了人工测量方式对测量结果造成的系统偶然误差，为提高钢水 质量的控制和精度提供了可靠的保障。
图1为本发明的测温取样装置示意图。其中，智能机器人系统1、自动测温取样枪 系统2、液面高度检测装置3。
具体实施例方式下面结合附图对本实用新型的具体实施作详细说明。本精确自动测温取样方法主要是依靠红外液面检测装置3精确检测钢水液面并 计算下枪深度、智能机器人1自动插拔测温取样探头、伺服电机准确控制自动测温取样枪2 下枪深度三大系统的合理组合来实现精确测温取样操作的目的。当钢水进站，系统采集到钢包到位信号后，红外液面高度检测装置对钢水液面高 度进行测量，对测量结果进行存储数据到远程控制计算机，此时测温取样系统处于待机状 态。当系统检接到测温取样指令时，机器人到相应的弹仓抓取准备好的探头，然后机器人通 过行走机构到达自动枪杆附近进行装枪操作，探头装好后机器人返回待机位，同时枪杆气 动定位装置打开，气缸摆出到钢包测温取样位置，气动定位装置抱紧，枪杆提升装置根据液面高度测得数据开始下枪到位，开始测温或取样。当测温得到数据结果或超过延时保护时 (取样时，系统设定时间，在钢水中持续一定时间后自动提取)，提升装置开始上升到高位， 气缸摆回，同时枪杆气动定位装置抱紧枪头，此时机器人通过行走机构到达自动枪杆附近 进行卸枪，然后通过行走机构到达废枪排除斗将废枪丢进斗内，机器人回到待机状态，依次 循环。红外液面检测装置用来检测钢水液面高度，测温取样枪正常的插入深度在钢水液 面下300mm为宜，而实际钢包内的钢水量炉与炉之间会有一些差异，如果插入深度不够会 导致测温不准确、取样不饱满，插入深度过大会增加枪体在钢水中的停留时间，造成烧枪， 所以精确的测量液面高度，进而计算出合适的下枪深度至关重要。智能机器人配合自动枪进行插拔探头，难点在于机器人抓手抓取探头力度及准确 识别弹仓和自动枪位置。抓手是一个气动夹紧装置，抓枪时采用直线运动，从两方向直线夹 紧，这样的抓取动作不受枪直径的影响，能保证抓取动作不偏心，避免了枪被抓扁的现象发 生。链式提升装置V型定位，限制了提升装置左右摆动量，使机器人的装、卸枪更准确。枪 杆气动定位装置减小了枪头的偏移量，降低了机器人的装枪难度。自动测温取样枪是最终测温取样操作的执行机构，根据系统中存储的下降深度数 据，依靠伺服电机准确控制枪体插入距离，最终完成测温取样操作。该系统分远程和本地两种操作模式，在本地操作模式时，岗位人员可选择单循环 方式，根据所选的测温、定氧、取样测试要求，自动完成机器人取枪_装枪-下枪测试_取废 枪过程。也可选择分步方式，将机器人取枪_装枪和下枪测试-取废枪两个过程分开。在 远程操作模式时，操作工在远程电脑上可以完成本地操作模式所能实现的所有操作，并对 整个系统的运行进行监控。该精确自动测温取样系统运行后，测温重现率高且测温偏差波动较小，精度波动 在士2°C范围内；取样的合格率达到97%以上，相对与人工取样提高了 12%左右；取样不合 的比例由人工取样的7%降至3%以下。该精确自动测温取样系统运行后，缩短了精炼测温取样的时间，提高了测温定氧 准确度和取样成功率，实现炉外精炼测温取样的无人化、程序化、标准化操作，该方法的发 明开辟了国内使用机器人在冶金测温取样领域应用的先河，具有很好的推广价值。
权利要求
一种钢水精确测温取样系统，其特征在于，包括智能机器人系统、自动测温取样枪系统、液面高度检测装置和工业控制计算机，整个系统由工业计算机进行整体控制，首先液面高度检测装置测定钢水液面深度，然后智能机器人负责安装探头，最后自动枪实现自动测温取样；智能机器人系统包括伺服控制系统、机器人本体、机器人抓手、机器人行走机构，伺服控制系统控制机器人本体及机器人抓手抓取探头，机器人再通过行走机构到达测温取样枪位置进行自动安装或拆卸探头；伺服控制系统包括伺服控制柜及示教编程器，伺服控制系统是整个机器人的控制中枢；机器人采用外部轴控制，通过外部轴将复杂动作分解，实现精确取枪和装枪动作；机器人抓手是一个气动夹紧装置，适应现场不同直径的探头，机器人抓手本身自带的导向坡口形式，矫正了枪杆下枪造成的偏置位移，实现精准抓取；行走机构是增大了机器人的行走距离，在不进行测温取样的时候远离钢包炉，有效降低了热辐射对机器人的损伤；自动测温取样枪系统包括自动测温枪体、链式提升装置、链式提升装置V型定位和枪杆气动定位装置，链式提升装置V型定位和枪杆气动定位装置避免枪体的晃动，链式提升装置控制自动测温枪体的升降，安装探头的自动测温枪体最终浸入钢液完成测温取样操作；自动测温枪体使用氮风冷却长寿枪杆，增加了枪杆使用寿命；链式提升装置选用伺服电机驱动，精确控制下枪的深度；链式提升装置V型定位，限制了提升装置左右摆动量，使机器人的装、卸枪准确；枪杆气动定位装置减小了枪头的偏移量，降低了机器人的装枪难度；液面高度检测装置采用高精度红外测距传感器，测量偏差在±1cm，实现钢水液面的精确测量，当系统采集到钢包到位信号后，自动测量钢水液面，并运算出下枪距离，实现自动化。
2.一种采用权利要求1所述系统钢水精确测温取样的方法，其特征在于，首先利用红 外液面高度检测装置对钢水液面高度进行测量，存储数据，当系统接到测温取样指令时，机 器人抓取枪头，通过行走机构到达枪杆附近进行装枪，气缸摆出到位，自动枪根据存储的液 面高度数据下枪测量，当测温或定氧得到数据结果时提枪，气缸摆回到位，机器人行走过来 卸枪，然后远离钢炉，回到待机状态，依次循环最终实现了机器人精确自动测温取样；液面高度自动检测，自动计算下枪距离；机器人进行插拔测温、定氧及取样探头；具备 自我保护功能的精准定位长寿测温取样枪。
全文摘要
一种钢水精确测温取样系统及其方法，属于冶金领域液态金属处理过程技术领域。包括智能机器人系统、自动测温取样枪系统、液面高度检测装置和工业控制计算机，整个系统由工业计算机进行整体控制，首先液面高度检测装置测定钢水液面深度，然后智能机器人负责安装探头，最后自动枪实现自动测温取样。优点在于，通过红外钢水液面测量和伺服位置控制，实现了每一枪测温和取样的准确定位，完全消除了人工测量方式对测量结果造成的系统偶然误差，为提高钢水质量的控制和精度提供了可靠的保障。
文档编号G01N1/10GK101975679SQ20101028886
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者刘道正, 张涛, 彭开玉, 成天兵, 李树森, 王佳力, 解雷, 靳伟, 韩凯峰 申请人:河北省首钢迁安钢铁有限责任公司;首钢总公司