本文通過對底裝式電弧爐電極稱重系統(tǒng)的結構受力分析，采用試稱法繪圖求解傳感器、波紋管的應力曲線、電極系統(tǒng)原始重量參數P0 值、誤差值ΔF，為控制算法提供系統(tǒng)原始參數及修正系數計算依據。并對熔化過程中電極的運動、電纜的擺動及x-y 調整機構對測量精度的影響進行了分析，總結出電弧爐設計、調試過程中應注意的事項，望能對實際生產提供一定的指導意義。

1、概述

　　隨著我國真空自耗電極電弧爐(簡稱：電弧爐)自制能力的提高，大噸位電弧爐設備像雨后春筍般的出現，然而大部分的設備熔煉操作僅限于電壓反饋自動熔煉水平，實現不了恒熔速和起弧、熔煉、收弧等全工藝過程的自動化。其關鍵點在于大部分的設備沒有設置稱重機構，實現不了恒熔速和熔煉工藝過程的自動化。恒熔速和熔煉工藝過程自動化不僅保證了熔煉產品的質量(如：減少偏析、晶粒細化)，而且提高了產品的利用率(如：減少了尾部縮孔率)，也保證了安全生產。稱重系統(tǒng)的在線測量精度(電源、傳感器本身的控制、測量精度不在本文討論分析范圍內)決定了熔速控制精度。在編程控制算法中往往要采集電極系統(tǒng)原始重量參數P0 值及波紋管引起的誤差值ΔF，為控制算法提供原始參數及過程修正系數確定提供計算依據。

2、試稱法繪圖求解P0、誤差值ΔF

　　電弧爐電極稱重系統(tǒng)是一種復雜的三維浮動機構，P0 值不僅包含電極桿、支架及附屬機構的靜止重力參數，還包含了水冷電纜中流動的水等動參數，因此在實際生產中不可能通過單件測量來求得P0 值及F0 值。為了便于分析和觀察，在不影響受力的情況下簡化了的機構如下圖1。稱重傳感器9 是該機構的核心元件，目前大部分采用電阻應變式傳感器。其工作原理是傳感器在受力情況下粘貼在彈性體上的電阻應變片發(fā)生變形，使其電阻發(fā)生變化，再經相應的測量電路把線性電阻變化轉換成電壓或電流信號，從而將受力轉變?yōu)闇y量信號。因此可以認為傳感器是勁度系數很大、變形很小的彈性元件。波紋管8 是保持真空、勁度系數較小的密封彈性體。

1. 內水冷電纜;2. 外水冷電纜;3. 電機;4.X、Y 調整機構;5. 絲杠;6.支持架;7. 動密封;8. 波紋管;9. 稱重傳感器;10. 電極桿;11.真空室;12.導向輪

圖1 稱重機構

　　設：該機構的電極桿10 的重量為m，支架及附屬機構(包含電纜里流動的水)的重量為M，其系統(tǒng)總重量為P0=(M+m)g，傳感器顯示載荷重為Q0，波紋管支反力為F0，則在非真空靜態(tài)下：

P0=Q0+F0 (1)

　　式中：Q0 為三個傳感器9 的支反力由于傳感器和波紋管都是在彈性范圍內工作，遵守虎克定律，則傳感器和波紋管應力曲線應為線性特征。下面我們通過在非真空靜態(tài)下試稱法求解P0 值：

　　(1)首先準備好任意重量的Δa1、Δa2、Δa3 三個加載試稱塊，并標注重量和編號;

　　(2)記錄未加載，即在P0=(M+m)g 重量下稱重傳感器顯示值Q0;

　　(3)記錄加載△a1，即(P0+△a1)時稱重傳感器顯示值Q1;并計算△Q1=Q1-Q0，以此類推，并相應求得△Q2、△Q3;

6、分析和總結

　　電弧爐用稱重系統(tǒng)，實際上充分考慮了熔煉時既能動態(tài)稱重，又能滿足電極桿X，Y 調整的需要，因此其結構相對復雜，內、外力受力點較多。根據以上的分析討論和實際經驗，提出以下總結意見：

　　1、編程中對系統(tǒng)原始重量參數歸零時，應考慮在真空狀態(tài)下求解出P 值作為歸零參數，而不應簡單采取非真空下的Q0 值與真空吸力之和作為歸零值，以便徹底刪除波紋管初始支力給系統(tǒng)原始參數歸零帶來的誤差。

　　2、靜態(tài)的內力，不影響稱重結果，但是動態(tài)的內力，如電極桿加速運動，水冷電纜擺動等，會直接影響稱重結果。因此盡量避免內力機構加速運動，振動，擺動等現象出現。

　　3、所有靜態(tài)不變的外力對稱重的影響，必須通過結構設計、安裝，進行弱化、刪除。如電線電纜，水管，氣路等必須采取特殊懸掛方式，可移動的部分不得與外力摩擦接觸。

　　4、可移動的內部水冷電纜在移動時，其彎曲半徑一致，不得出現折管或者與外力件接觸。電纜內水壓要穩(wěn)定，避免水壓不穩(wěn)造成管內水量變化，影響控制精度。