目前，在炼铁高炉上高炉探料装置几乎全部是采用重铊或垂直探尺杆，这种探料装置主要缺点是①只能探测高炉料面某一点的高度，而不能反映整个料面的形状、②由于探尺杆重量、下降速度的差异，它们插入料面的深度是不同的，其测量精度较低，一般在50毫米以上。因此现时的高炉操作还仅仅凭经验与布料装置（旋转溜槽或料钟与活动炉喉、护板）的布料动作相适应，目前测定布料效果的方法还达不到与布料动作相适应的正确控制操作。 由于重铊和探尺杆探料器不能适应炼铁工艺的发展，国内外进行了各种料面测定器的开发，其主要开发领域和情况如下：
1）超声波：超声波系统一般适用于料仓内焦炭，烧结矿和球矿团等典型料面高度监控，然而却不适用于高炉，原因是温度压力的变化会引起音速的变化，因而导致较大的测量误差，其次剧烈的气流及烟尘的存在会消除料面的反射信号。
2）原子能：可将原子能和探测器装设在高炉相对的两侧或炉壁外面，然而布置方式只能测出某一部位料面高度，如果要测量料面形状则是不可能的。
3）微波：由于在选择设备及操作频率方面微波具有灵活性。使它容易符合系统要求，因此测量料面高度采用微波是可行的，西德、英国在这方面做了研究，然而设备在技术上仍存在一些缺点，不能投入工业使用。
4）激光电视：分析检验激光轨迹像的位置在工业电视上得到图像，运用于高炉料面探测的主要问题是：A、不得已使用高敏感度工业电视，发生大量不规则的杂音;B、产生强烈的背景图像（由炉尘产生散乱线）;C、存在发生赤热发光部的图像等。
综上所述，高炉料面形状探测问题，至今未获得理想的解决办法。
由于上述情况设计了这套能在短时间内完成高炉全料面连续探测精度较高的机械型料面形状探测器。
1.工作原理
高炉料面高度和形状探测器的原理是：一端触及料面另一端支承並固定在一活动轴上地刚性探料杆（触料点与支承点不在同一垂线上）其空间位置由触料点和支承点的位置决定。当支承点运动时，探料杆触点在料面上滑动，这时探料杆在包含高炉中心线的垂直平面内的运动状况可用支承点的运动状况和探料杆相对于支承点的旋转状况来加以描述。因此通过测量探料杆支承点的运动情况和探料杆围绕支承轴转动情况，就可以知道炉内料面的形状和位置。
参看图1，通过数学推导探料杆触料点到高炉中心线的水平距离X，触料点高度位置h，与上曲轴旋转角度Q和下曲轴旋转角度α有下列关系：
X＝S-lCoS（Q-α）-｜RCoSα｜
h＝lSin（Q-α）-RSinα
式中S、R、l均为定值，将上述方程存入计算机，通过测定Q、α角就可得到探料杆触料端沿料面的运动轨迹。
2.结构特征：其结构特征可以通过图2、3加以说明。
（参看图2）料面探测器为一箱体，通过料面探测器侧面的法兰（6）与焊接在炉顶支圈下的法兰（7）连结，从而安装在炉顶上，探料杆（2）是一根L形的具有一定刚度的耐热合金钢杆，其一端始终触及在料面上，另一端与探料臂（3）上的上曲轴（8）连结，探料杆只能在高炉中心线所在的垂直平面内以上曲轴为中心旋转。
（参看图3）探料臂（12）内部有两个空腔，在冷却油出油腔内有一根连杆（10），这根连杆将上曲轴（9）与下曲轴（14）联结，连杆将上曲轴（9）的旋转运动，传给下曲轴（14），下曲轴（14）在空心轴（24、29）内，支承于空心轴（24、29）内的轴承（17）上，下曲轴轴承内置有两个密封橡胶圈（25）使探料臂内循环冷却油不至外溢，这套装置的作用是将探料杆（1、11）绕上曲轴（9）的旋转运动传出，並通过安装在下曲轴（14）端头的齿轮（15）将探料杆（1、11）围绕上曲轴（9）的旋转角度传到仪器和控制室。
另外，探料臂支承于空心轴（24、29）上
並且，探料臂可以绕空心轴（24、29）中心旋转，旋转范围为180°。空心轴通过填料密封（21、30）层並用轴承（19、32）支承在探料器壳体（13）上，在探料器壳体外部的空心轴上装有齿轮（34），壳体外部的马达-减速机-小齿轮系统，通过空心轴上的齿轮（34）带动空心轴和探料臂旋转，齿轮（34）还带动角度测量仪，将空心轴旋转角度信号传到操作控制室。
探料器箱尾部设有吹灰喷气管，定时喷入氮气或蒸汽，将进入探料器箱内的扬尘吹到炉内。
由于探料杆和探料臂在200～400℃温度下工作。因此，必须进行冷却以保证内部轴承和连杆的正常运转。冷却剂采用工作温度为300℃的机油（最好采用冷却机油）冷却剂从空心的下曲轴左端进入。在到达曲轴部位时，冷却油从下曲轴轴壁上的孔进入探料臂左腔。油沿进油腔内向上曲轴一端流动，並从上曲轴左段油孔流入左探料杆内，然后从右探料杆流入探料臂右油腔，最后再由右油腔从下曲轴内部流出。流出的油经过冷却和加压再循环。探料臂空腔内的油压最好与炉顶煤气压力相等，以减少填料密封层（4.30）两侧的压差。由于下曲轴是旋转的。因此进油和出油端需用密封体与外部输油道接通。
为控制探料杆触料端对料面的压力，在下曲轴上安装有一个钢绳卷筒（36）。卷筒上绕有两根钢丝绳，其中一根吊有重铊，调节重铊量可以调节探料杆触头对料面的压力。另一根钢绳与一拉紧装置联结，当钢绳被拉紧时探料杆触头可抬起离开料面。
3. 工作过程
料面探测器的工作过程如下：探料前、探料臂处于背离高炉中心的水平位置。探料杆横臂也处于水平位置，垂直臂处于炉喉钢砖的凹部槽中，探料时拉紧装置将钢绳拉紧下曲轴卷筒（36）旋转。並通过下曲轴和上曲轴迫使炉内探料杆触头抬高，超过最高料面高度。並保持在这一高度，然后开动使探料臂旋转的驱动装置，使探料臂沿空心轴中心线反时针方向旋转，这时探料杆伸向高炉中心，探料杆触料端到达高炉中心之后，拉紧装置松开。这时探料杆触料端下降落在中心料面上，再次开动探料臂旋转驱动装置，使探料臂作顺时针旋转，旋转过程中探料杆触料端在料面上拖动。探料杆的空间位置也随上曲轴的运动和料面形状不断地改变。在这个运动过程中，探料杆触料端的运动轨迹就完全反映了炉内料面断面形状和位置。
这里可以根据探料过程中，Qα角的值输入计算机，显示探料臂触料端的运动轨迹。
4. 探料器主要部件基本尺寸（参看图2）
4-1 探料杆
探料杆水平段长度：l＝ (D)/4 +b+10
探料杆垂直段长度应大于每批料平均料层厚度。
δ＝0.076D（焦炭）
因而H＝0.076D+△h
式中△h为料面高度波动值，正常生产时△h在料线高度的10%以内。
4-2 探料臂
探料臂上下曲轴中心距R为
R＝ (D)/4 -10
对于采用溜槽布料的高炉，探料器工作时溜槽停留的位置应避开探料杆运动空间，对于大钟布料的高炉，探料器的安装位置应低一些，以保证探料杆不会与处于关闭状态的大钟相碰。
5.精度和工作范围
料面探测机构中探料杆和探料臂旋转的角度信号通过若干组齿轮放大之后输入角度测量仪。因此料面探测器的精度要取决于①曲轴与连杆轴孔之间的间隙;②传动齿轮的运动精度;③角度测量仪的精度。
曲轴与连杆轴孔之间的间隙一般在20～70微米。这种间隙条件下造成的角度误差为0.02～0.08度。
角度测量的精度一般为±0.2度。
采用中级制造精度时每对齿轮造成的角度误差一般在0.1度左右。齿轮愈多，总误差愈大。因而选择齿轮对数必须与角度测量仪的精度相适应，使整个系统误差达到最低。
一般情况下，整个系统误差可以控制在1度以内。因而触头处料面高度误差小于40毫米。
这种料面形状探测器所探测的高度范围为探料杆垂直臂的长度。正常生产对高炉料面高度波动值小于1米，因而，这种探测器完全可以满足正常生产时的料面探测。
为满足非正常条件的料面高度探测，应备有重铊式探尺。
6）寿命和修理
整个探料器主要传动机构在良好的冷却和润滑状态下工作。因此寿命较长，主要磨损部位就是探料杆触料端头和上曲轴密封以及探料臂空心轴密封。
增长触料头寿命的方法有：①触头脚板采用耐磨金属板如堆焊硬质合金或采用高铬铸铁;②把触头对料面的压力控制在适当的量上。
上曲轴的填料密封，采用耐温度为1600℃的柔性石墨或机械密封，並使力臂油腔油压与炉气压力均衡。这样填料密封的寿命可达4年以上。
空心轴填料密封也采用柔性石墨、或机械密封。
空心轴和上曲轴填料密封的更换可以在高炉小修时更换。
整台探测器可以在高炉小修时更换，更换时间只需2小时。
7）主要优点
①设备简单、便于制造、维修、本探料器无复杂结构，原理简单因而制造容易，调试方便，使用方便，工作可靠。
维修方便
②可以连续探测整个料面形状
③探料时间在40秒以内
④探料精度可达到30～40mm该探测器连续测定料面各点位置。对高炉操作提供最重要的依据和强有力的手段。
图1
符号 意义
PG 最高料面高度水平线
NP 高炉中心线
A 探料杆触料点
B 上曲轴中心
EF 探料时B点运动轨迹
R 上曲轴与下曲轴中心距
PO 高炉中心到下曲轴中心之间的距离用S代表
AB 探料杆触料点到上曲轴中心的连线
OP 水平线
α 上下曲轴中心连线与OP射线的夹角
Q 为AB延长线与OB的夹角
h 探料杆触点到PO水平线的垂直距离
x 探料杆触料点到高炉中心的水平距离
图2
序号 名称 序号 名称
1 布料溜槽 4 探料器壳体
2 探料杆 5 吹扫管
3 探料臂 6 探料器法兰
7 炉顶支承法兰 8 上曲轴
图3
序号 名称 序号 名称
1 左探料杆 19 空心轴轴承
2 螺母 20 压兰
3 上曲轴密封压兰 21 空心轴密封填料
4 上曲轴密封填料 22 空心轴轴承座
5 上曲轴填料涵 23 下曲轴轴承
6 上曲轴承轴 24 右空心轴
7 密封盖I 25型橡胶密封圈
8 O型橡胶密封圈 26 O型橡胶密封圈
9 上曲轴 27 密封盖 Ⅱ
10 连杆 28 O型橡胶密封圈
11 右探料杆 29 左空心轴
12 探料臂 30 空心轴密封填料
13 探料器外壳 31 压兰
14 下曲轴 32 左空心轴轴承
15 传动齿轮I 33 大压盖
16 小压盖I 34 传动齿轮Ⅱ
17 下曲轴轴承I 35 小压盖Ⅱ
18 大压盖 36 钢绳卷筒