本發(fā)明涉及直接位置測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種礦熱爐電極位置測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

礦熱爐是一種功率高達數(shù)萬千瓦的工業(yè)礦熱爐，其工作的安全性、穩(wěn)定性、能耗水平都取決于礦熱爐電極在爐內(nèi)的工作位置。礦熱爐工作在電弧條件下，坩堝區(qū)溫度很高，加上爐料為多種固體礦物混合而成，界面不固定，且目前世界各國的礦熱爐都沒有電極位置直接測量裝置，因此礦熱爐操作一直都是通過經(jīng)驗來判斷電極的工作位置，經(jīng)常出現(xiàn)由于判斷失誤造成事故發(fā)生或能耗過高的現(xiàn)象。

針對主觀判斷失誤的情況，一些國家的礦熱爐采用埋在爐墻中的熱電偶測量礦熱爐溫度場的方式，描述礦熱爐內(nèi)溫度分布，但是由于溫度從電極傳導(dǎo)到爐墻中部隔著碳磚及保溫耐材，熱慣性大，所以熱電偶測量的溫度分布難以反映礦熱爐瞬時工況；加上礦熱爐電極電弧較長，更加難以反映電極的實際工作長度，所以還是無法實現(xiàn)精準(zhǔn)控爐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提供一種礦熱爐電極測量裝置及方法，以解決現(xiàn)有礦熱爐電極難以精準(zhǔn)定位的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種礦熱爐電極位置測量裝置，包括與電極連接的電極電流測量組件、設(shè)置在礦熱爐爐壁外側(cè)面上的至少一個磁場傳感器、與所述磁場傳感器和所述電極電流測量組件分別連接的數(shù)據(jù)采集處理器以及與所述數(shù)據(jù)采集處理器連接的控制器；

其中，所述磁場傳感器的數(shù)量與電極的相數(shù)一致，所述電極電流測量組件能夠分別測量每相電極的電流值，所述控制器接收所述數(shù)據(jù)采集處理器采集處理的所述磁場傳感器測量的磁場強度值以及所述電極電流測量組件的測量值并計算每相電極的位置。

進一步地，所述礦熱爐內(nèi)設(shè)置有三相電極，所述磁場傳感器包括三個，每個磁場傳感器分別設(shè)置在靠近所述礦熱爐的爐壁到其中一相電極最短距離的位置，且所述磁場傳感器與所述電極一一對應(yīng)設(shè)置；

或每個磁場傳感器分別正對所述礦熱爐的爐壁到其中一相電極最短距離的位置設(shè)置，且所述磁場傳感器與所述電極一一對應(yīng)設(shè)置。

進一步地，所述礦熱爐為圓形，每個磁場傳感器偏離爐壁到其對應(yīng)的電極距離最短的位置的方向相同且角度相同。

進一步地，所述磁場傳感器設(shè)置在所述礦熱爐的爐壁靠近底部的位置。

進一步地，所述電極電流測量組件為電流傳感器，

或所述電極電流測量組件包括功率傳感器以及二次電壓測量組件，所述二次電壓測量組件包括電壓互感器以及與所述電壓互感器連接的電壓傳感器。

進一步地，還包括測量冶煉物料的深度、電極頂端到爐底的長度、以及磁場傳感器與電極中心軸線水平長度的距離測量組件。

進一步地，所述磁場傳感器為雙向磁場傳感器。

作為本發(fā)明的另一方面，為解決上述問題，本發(fā)明提供一種礦熱爐電極位置測量方法，包括如上述所述的礦熱爐電極位置測量裝置，具體方法為：測量電極頂端至爐底的距離H、冶煉物料的深度H_L、磁場傳感器到該相電極中心軸線的水平距離R、電極電流測量組件測量該相電極的電機電流I，獲取該相電極電流產(chǎn)生的水平磁場強度B，控制器根據(jù)

求解L_X，再根據(jù)

H_X＝H_L+L_X-H

求解電極的入料深度H_X，其中，L_X為電極長度，μ₀為真空磁導(dǎo)率，α為電極最低點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角，β是電極最高點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角。

進一步地，磁熱爐內(nèi)只有一相電極，所述該相電極電流產(chǎn)生的水平磁場強度B等于磁場傳感器直接測量的磁場強度B_a；

所述磁熱爐內(nèi)設(shè)置至少兩相電極，所述該相電極電流產(chǎn)生的水平磁場強度B＝k*Ba，

其中，k為修正系數(shù)，B_a為所述磁場傳感器直接測量的磁場強度。

進一步地，修正系數(shù)k的獲得方法為：將已知長度為L₀的電極放置在待測量電極工作時所處的礦熱爐內(nèi)的位置處，將已知長度的電極通電后記錄電流測量組件測量的已知長度電極的電流值I₀以及磁場傳感器測量的已知長度電極在該處的磁場強度B₀，將已知電極長度L₀、I₀帶入下述公式，

求得該已知長度電極產(chǎn)生的磁場強度B',再根據(jù)

B'＝k*B₀

求得修正常數(shù)k，其中，H₀為已知長度電極頂端至爐底的距離、μ₀為真空磁導(dǎo)率，R₀為磁場傳感器到已知長度電極中心軸線的水平距離，α₀為已知長度電極最低點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角，β₀是已知長度電極最高點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點：本發(fā)明礦熱爐電極測量裝置及方法，由于礦熱爐爐殼的鋼板無法屏蔽掉礦熱爐電極電流的磁力場，所以通過在礦熱爐的爐壁上設(shè)置磁場傳感器，通過磁場傳感器對礦熱爐磁場強度的測量，可以瞬時反映電極電流磁場的工況，從而可以根據(jù)實時工況的電極電流磁場推算出電極的具體位置。

除了上面所描述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成的技術(shù)方案的技術(shù)特征以及有這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點之外，本發(fā)明的其他技術(shù)特征及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點，將結(jié)合附圖作出進一步說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1礦熱爐電極位置測量裝置的示意圖

圖2是本發(fā)明實施例1礦熱爐電極位置測量裝置的礦熱爐內(nèi)電極安裝的剖視示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1礦熱爐電極位置測量裝置的磁場傳感器的安裝俯視示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例2礦熱爐電極位置測量方法的計算原理圖。

圖中：1：礦熱爐，2：電極，21：第一電極，22：第二電極，23：第三電極；3：磁場傳感器，31：第一磁場傳感器，32：第二磁場傳感器，33：第三磁場傳感器；4：電極電流測量組件；5：二次電壓測量組件；6：數(shù)據(jù)采集處理器；7：控制器；8：爐料。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”、“多根”、“多組”的含義是兩個或兩個以上，“若干個”、“若干根”、“若干組”的含義是一個或一個以上。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的礦熱爐電極位置測量裝置，包括控制器7、數(shù)據(jù)采集處理器6、磁場傳感器3以及電極電流測量組件4。

如圖3所示，所述磁場傳感器3安裝在所述礦熱爐1的爐壁的外側(cè)面上，且所述磁場傳感器3的數(shù)量與礦熱爐1內(nèi)電極2的數(shù)量一致；所述數(shù)據(jù)采集處理器6與所述磁場傳感器3、電極電流測量組件4分別連接，并將采集到的所述磁場傳感器3測量的磁場值以及所述電極電流測量組件4的測量值處理后輸送給控制器7；所述控制器7根據(jù)磁場傳感器測量的磁場值以及電極電流測量組件4的測量值以及礦熱爐1的尺寸等計算電極的位置。

在實際過程中，電極2在礦熱爐1內(nèi)的水平安裝位置是確定的，唯一不能確定的是電極2的入料深度，而電極2的入料深度是電極在礦熱爐1內(nèi)工作的重要參數(shù)。本實施例礦熱爐電極位置測量裝置利用礦熱爐1爐殼的鋼板無法屏蔽掉礦熱爐的電極電流的磁力線的性質(zhì)，通過磁場傳感器3對礦熱爐1的磁場進行測量，從而獲取瞬時的電極電流磁場的工況，并通過控制器7計算出此時電極2的入料深度，解決了現(xiàn)有技術(shù)電極2入料深度不能實時測量以及推算存在誤判的問題，能夠準(zhǔn)確判定電極電流在礦熱爐內(nèi)的分布，為電機操控提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

如圖2現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用的是圓形的礦熱爐1，其內(nèi)通過三根碳素電極2通入數(shù)萬安培電流對爐料8加熱，使?fàn)t料8在高溫下反應(yīng)得到所需的產(chǎn)品。對應(yīng)三根電極2的形式，本實施例礦熱爐電極位置測量裝置的磁場傳感器也設(shè)置有三個，作為優(yōu)選方案，每個磁場傳感器3對應(yīng)設(shè)置在爐壁距離其中一相電極2最短距離的位置上，也即三個磁場傳感器分別對應(yīng)設(shè)置在了三個電極到爐壁最短距離的爐壁位置點上。

需要說明的是，每相電極2與爐壁間存在最短距離，一般情況下，三相電極2是設(shè)置在以礦熱爐的中心為圓心的同一圓上，所以爐壁到每相電極2最短的距離的位置應(yīng)該是礦熱爐1的中心與該相電極水平連線的延長線與爐壁的交點位置。

由于在實際應(yīng)用中，往往存在礦熱爐1的中心與該相電極2水平連線的延長線與爐壁的交點位置設(shè)置的是出鐵口，所以為了滿足這種情況下磁場傳感器3的設(shè)置，可以將每個磁場傳感器3分別設(shè)置在靠近所述礦熱爐的爐壁距離其中一相電極最短距離的位置，且每個磁場傳感器3偏離爐壁到其對應(yīng)的電極距離最短的位置的方向相同且角度相同，也即三個磁場傳感器與其對應(yīng)的電極的相對位置是相同的。

作為一種實現(xiàn)方式，所述磁場傳感器3設(shè)置在所述礦熱爐1的爐壁靠近底部的位置。由于電極2的工作區(qū)域是在爐料內(nèi)部，這樣的設(shè)置方式，既可以保證磁場傳感器3的測量位置點能夠準(zhǔn)確的測量到電極電流的磁場，同時也可以避免磁場傳感器3的設(shè)置對其他設(shè)備或者電磁爐的有關(guān)操作造成影響。

本實施例礦熱爐電極位置測量裝置的電極電流測量組件4，既可以是直接測量所述電極電流測量的電流傳感器；也可以通過功率傳感器以及二次電壓測量組件5測量，所述二次電壓測量組件5包括電壓互感器以及與所述電壓互感器連接的電壓傳感器，采用該種方式需要通過控制器7根據(jù)功率數(shù)值以及電壓數(shù)值間接換算得到電極電流值。

需要說明的是，本實施例礦熱爐電極位置測量裝置在具體的測算過程還需要測量電極頂端至爐底距離、冶煉物料深度以及磁場傳感器距離電極中心軸線水平距離的距離測量組件完成相關(guān)數(shù)據(jù)的測量，所述距離測量組件測量的相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)采集器6傳輸給控制器7，也可以是物理測量完成后采用手動的方式輸入到控制器7中。

作為一種優(yōu)選的方案，所述磁場傳感器3為雙向磁場傳感器，也即本實施例采用的磁場傳感器3是能夠測量兩個方向磁場的磁場強度的傳感器，這樣交流電在變化過程中，磁場傳感器均能夠?qū)崟r檢測磁場強度。

實施例2

本實施例提供一種礦熱爐電極位置測量方法，該方法是針對上述實施例的礦熱爐電極位置測量裝置而實現(xiàn)的。

具體過程如下：

測量電極頂端至爐底距離H、冶煉物料深度H_L、磁場傳感器距離該相電極中心軸線的水平距離R、電極電流測量組件測量該相電極電流I，獲取該相電極電流產(chǎn)生的水平磁場強度B，控制器根據(jù)

求解L_X，

其中L_X為電極長度，μ₀為真空磁導(dǎo)率，α為電極最低點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角，β是電極最高點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角。

需要說明的是，電極頂端至爐底距離H、磁場傳感器距離該相電極中心軸線的水平距離R都可以通過直觀的物理測量獲得，該相電極電流I可以通過電極電流測量組件直接或間接獲得，所以只存在L_X一個未知參數(shù)，這樣控制器可以通過上述三個公式以及相應(yīng)直接獲得和間接獲得的已知參數(shù)采用迭代法求解算出電極長度L_X。

如圖4所示，獲得L_X后，根據(jù)H_X＝H_L+L_X-H即可求得電極的入料深度H_X。其中，冶煉物料深度H_L也是可以通過直觀的物理測量獲得的參數(shù)。

需要說明的是，上述公式

中的水平磁場強度指的是該相電極的豎直電流產(chǎn)生的y軸方向的磁場，也即如圖2所示，在礦熱爐中設(shè)置三相電極時，第一電極21的水平磁場強度指的是第一電極電流Ia在其對應(yīng)的第一磁場傳感器31位置產(chǎn)生的y軸方向的磁場強度，第二電極22的水平磁場強度指的是第二電極電流Ib在其對應(yīng)的第二磁場傳感器32位置產(chǎn)生的y軸方向的磁場強度，第三電極23的水平磁場強度指的是第三電極電流Ic在其對應(yīng)的第三磁場傳感器33位置產(chǎn)生的y軸方向的磁場強度。圖4中Bz、Bx、By表示的是三維坐標(biāo)下的磁場方向，y軸方向的磁場強度具體而言為Bz方向的磁場強度。

可以理解的是，所述磁熱爐內(nèi)只有一相電極時，所述該相電極電流產(chǎn)生的水平磁場強度B等于磁場傳感器直接測量的磁場強度B_a；所述磁熱爐內(nèi)設(shè)置至少兩相電極，由于受其他相電流產(chǎn)生的磁場強度的影響，所以待測相電極電流產(chǎn)生的水平磁場強度B是將磁場傳感器直接測量的磁場強度B_a修正后獲得的，具體修正公式為

B＝k*Ba，

其中，k為修正系數(shù)，B_a為所述磁場傳感器直接測量的磁場強度。

修正系數(shù)k的獲得方法為：用已知長度為L₀的電極放置在待測量電極位置，將已知長度的電極通電后記錄電流測量組件測量的已知長度電極的電流值I₀以及磁場傳感器測量的已知長度電極在該處的磁場強度B₀，將已知電極長度L₀、I₀帶入下述公式，

求得該已知長度電極產(chǎn)生的磁場強度B',再根據(jù)

B'＝k*B₀

求得修正常數(shù)k，其中，H₀為已知長度電極頂端至爐底的距離、μ₀為真空磁導(dǎo)率，α₀為已知長度電極最低點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角，β₀是已知長度電極最高點與磁場傳感器的連線與水平面形成的夾角，R₀為磁場傳感器距離已知長度電極中心軸線的水平距離。

需要說明的是，由于一致長度的電極的設(shè)置位置與待測電極的設(shè)置位置相同，所以磁場傳感器距離已知長度電極中心軸線的水平距離R₀與磁場傳感器距離待測電極中心軸線的水平距離R相等；已知長度電極頂端至爐底的距離H₀、已知長度電極的長度L₀均可以通過直接的物理測量獲得，這些已知參數(shù)可以通過手動的方式輸入到控制器計算軟件內(nèi)，從而得到修正參數(shù)。

在常用的礦熱爐設(shè)置三相電極的情況，預(yù)先通過控制器計算獲得修訂參數(shù)k，進而在待測電極工作時控制器通過修正公式獲得相應(yīng)的待測電極的電極電流產(chǎn)生的磁場，再根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算輸出相應(yīng)的電極入料深度。

綜上所述，本實施例礦熱爐電極位置測量方法能夠?qū)崟r測算電極入料深度，從而可以準(zhǔn)確確定電極電流的料面與礦熱爐內(nèi)的分布，為電極操控提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。