一種用于礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的磁場檢測法
【專利摘要】本發明涉及礦熱爐冶煉生產工藝過程中電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置等關鍵參數檢測方法，具體為一種礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方法—磁場檢測法，包括以下步驟：第一步：建立礦熱爐內電路模型；第二步：根據電磁場理論，建立礦熱爐磁場輻射模型，選定爐內P1、P2兩測量原點；第三步：以P1測量原點為原點O，在原點z軸上取若干點作為檢測點，由各個檢測點處的磁感應強度制得磁感應強度曲線，根據磁感應強度曲線能得出熔池液面位置、電極端部位置和電弧長度參數。本發明首次提出一種基于電磁原理的非接觸式磁場檢測方法，這種檢測原理是通過建立相應的電磁場模型，有效地判斷出礦熱爐中電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置。
【專利說明】
一種用于礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的磁場檢測法
技術領域
[0001] 本發明涉及礦熱爐冶煉生產工藝過程中電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置 等關鍵參數檢測方法，具體為一種礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方法一磁場檢測法。
【背景技術】
[0002] 礦熱爐是利用電弧放電熔煉礦石，并從中提取有用金屬的一種工業電爐，電爐的 電極端部與爐料間產生電弧，而電極是將強大電流導入爐內進行電弧冶煉的關鍵部件。在 冶煉過程中，通過升降電極調節爐內熱量分布和三相熔池功率的平衡度。
[0003] 在礦熱爐冶煉過程中，電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置這三個參數是十 分關鍵的，而國內目前主要依賴于簡單的儀表和個人經驗來間接判斷以上關鍵參數，這就 難以保證冶煉工藝參數最優化，影響冶煉能耗和礦耗等經濟參數。對于這些關鍵參數的測 定，雖然已有諸多的討論和方法，但這些有的是間接計算和推測，有的則僅可粗略測得電極 端部位置，而難以得知電弧長度和熔池液面位置。迄今為止，所有對上述關鍵參數的檢測均 未涉及用磁場的方法。

【發明內容】

[0004] 本發明為了解決礦熱爐冶煉過程中，電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置這 三個關鍵參數不能有效測定的問題，提供了一種礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方法一磁場 檢測法。
[0005] 本發明是采用如下的技術方案實現的：一種礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方 法一磁場檢測法，包括以下步驟：
[0006] 第一步:建立礦熱爐內電路模型，流經爐內電極的電流為電極電流，電極電流經電 弧區到達熔池內，在熔池液面處形成熔池電流回路；
[0007] 第二步:根據電磁場理論，建立礦熱爐磁場福射模型，設定電極端部在任意平行于 熔池液面平面上的投影連線的中垂線為中垂線，選定爐內P1測量原點，P1測量原點位于該 平面的中垂線上；
[0008] 第三步：以PJ〗量原點為原點0,在原點0所在的三維坐標Z軸上取Si、S2、…、sm、…、 Si若干點作為檢測點，則檢測點S^x、y、z軸的磁感應強度分量B xl、Byl、Bzl如下式所示：
，式中，lu為檢測AS:的高度，單位為m，a為測量原點Pi到電極端部投影連 線的距離，I為熔池電流，單位為m，為真空的磁導率，單位為H/m，由各個檢測點處的磁感 應強度制得磁感應強度曲線，根據磁感應強度曲線上磁感應強度的分布能得出熔池液面位 置、電極端部位置和電弧長度參數。
[0009] 上述一種礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方法一磁場檢測法，還包括以下步驟：
[0010] 設定電極中心點連線形成的圖形的中心點與電極中心點的連線稱為電極線，選定 p2為測量原點，p2測量原點位于熔池液面上方且位于電極線延長線上；
[0011] 以量原點為原點V，在原點所在的三維坐標Z軸上取Si、…、Sn…、Sj…若干 點作為檢測點，hj為檢測點Sj的高度，檢測點Sj在X、y、Z軸的磁感應強度分量Bxj、Byj、B zj如下 式所示，
，式中，b為測量原點P2到電極中心點的距離，單位為m，I'為 電極電流，由各個檢測點處的磁感應強度制得磁感應強度曲線，根據磁感應強度曲線能得 出熔池液面位置、電極端部位置和電弧長度參數。
[0012]本發明專利首次提出一種基于電磁原理的非接觸式磁場檢測方法，這種檢測原理 是通過建立相應的電磁場模型，有效地判斷出礦熱爐中電極端部位置、電弧長度及熔池液 面位置。
【附圖說明】
[0013] 圖1為礦熱爐內電路模型圖。
[0014] 圖2為礦熱爐磁場輻射模型圖。
[0015] 圖3為礦熱爐俯視圖。
[0016] 圖4為檢測APi處的磁感應強度分布圖。
[0017] 圖5為檢測點P2處的磁感應強度分布圖。
[0018] 圖6為現場測試取點示意圖。
[0019]圖7為現場測試結果圖。
【具體實施方式】
[0020]結合附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0021 ] -種礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方法一磁場檢測法，包括以下步驟：
[0022] 第一步:在礦熱爐的爐膛中，強大的電流經電極進入爐內，在熔池表面形成電流回 路，以三角形電流回路為例建立爐內電路模型，如圖1所示，流經爐內電極的電流為電極電 流1 4、18、1。，電極電流14、18、1。經電弧區到達熔池內，在熔池液面附近形成三角形熔池電流 回路，I AC、ICB、IBA分別為熔池電流。
[0023] 根據畢奧-薩伐爾定律，任意電流回路上任一電流元Idf'所在的點稱為源點，需要 計算磁感應強度莊的點稱為場點，則電流元1(11 %所產生的磁感應強度可表示為
式中，為源點的位置矢量，f為場點的位置矢量，iio為真空的 磁導率，單位為H/m，根據式（1)，可知載流直導線電流I所產生的磁感應強度如式(2)所示，
[0024]根據上述理論可確定:礦熱爐的電極通有高達10萬安培的電流，即使有爐壁的金 屬屏蔽效應，在爐外也必然會有反映爐內電流大小及方向的磁場信息。因此，通過獲取這些 磁場信息的分布就可得知電極端部位置、電弧長度及熔池液面位置這三個關鍵參數。這就 相當于為礦熱爐量身定做了一個"CT"，即為礦熱爐冶煉關鍵參數的檢測引入了一種全新的 解決方案。
[0025]第二步:根據電磁場理論，可建立礦熱爐磁場輻射模型，如圖2所示，設圖2中Pi、P2 分別為兩個測量原點，Pi測量原點位于中垂線上，內測量原點位于熔池液面上方，IAC為平行 于Pi測量原點所在三維坐標X軸的恪池電流，Ic為平行于P2測量原點所在三維坐標Z軸的電 極電流。
[0026]為測量方便，在此定義"電極線"和"中垂線"的概念，如圖3所示，在任意一個平行 于液面的平面上，三個電極端點投影的連線組成一個正三角形，爐心為三角形的中心，爐心 與電極的連線稱為"電極線"，三角形各邊的中垂線稱為"中垂線"。Pi測量原點位于所在面 的中垂線上，P 2測量原點位于電極線上。
[0027]第三步:設圖2中的測量原點Pi為原點0,在z軸上取若干點Si、S2、…、Sm、…、Si作為 檢測點，其中，sm點位于電流IAC、ICB、IBA構成的幾何平面上，即位于熔池液面上且與測量原 點Pi重合。若僅考慮電流Iac所產生磁場的影響，則電流Iac在中垂線Pi處的磁感應強度分布 如圖4所示。
[0028]由圖4以及式（2)可知，檢測點Si在x、y、z軸的磁感應強度分量Bxi、Byi、B zi如式（3) 所示：
（3)，式中，lu為檢測點一:的高度[m]，a為測量原點Pjlj三角形 邊線的距離[m]，Byi為奇函數，Bzi為偶函數，Byi的零點對應于B zi的峰值點，Bzi的峰值點附近 對應于熔池區的電流通道。顯然，從中垂線一點處沿z軸坐標觀測，Byl與BZ1含有熔池液面位 置等信息。
[0029] 第四步:設圖2中的測量原點P2為原點亇，在z軸上取若干點Si、…、Sn…、Sj…作為 檢測點，hj為檢測點Sj的高度。僅考慮電流I C所產生的磁場，則電流IC在電極線上P2#的磁感 應強度分布如圖5所示。由圖5以及式(2)可知，檢測點Sj在x、y、z軸的磁感應強度分量B xj、 ByJ、Bzj如式(4)所示：
（4)，式中，13:檢測點？2到電流1。通路的距離
[m]，在液面以下電流流向會發生橫向變化，由式(4)可知，Bxj = 0,而液面之上則有Bxj辛0， ByJ = Bz尸0。由此可知，在內處亦可獲得液面乃至電極端部等關鍵參數。
[0030] 具體實施時，根據本方法對銀川某冶金公司的硅錳鐵合金礦熱爐(6300KVA)進行 了實地測試。根據前述的理論分析可知，中垂線上磁感應強度分量與的分布含有液面 位置等信息，且電極線上B xj的分布亦含有液面等關鍵信息。經綜合考慮及多次實驗，將測試 點選在中垂線與電極線之間，且與電極線呈夾角9~20°，并將原點設在距爐壁約6m之處的 爐底下方，測試范圍沿z軸向上，并涵蓋電極末端，如圖6所示，圖6中從原點開始，沿z軸以 10cm的步長采樣15個點，每點采集6次取其平均值。
[0031]現場測試結果如圖7所示，由于取點的原因，By分量無明顯的信息量顯示，使得h~ Vy曲線特征變化并不明顯，故在此僅對h~Vx曲線與h~Vz曲線進行分析。由圖7可以看出： [0032] (1)在h〈80cm的范圍內，輸出電壓Vx較低，表明此段處于電極端部之下；而在h> 100cm的范圍，輸出電壓Vx較高，表明該段已處于電極端部之上。可看出h~Vx曲線與式(4)有 較大的相關性。
[0033] (2)h~Vz曲線呈鐘形，其峰值點位置恰恰反映出其與熔池中的橫向電流Iac處于同 一水平位置。
[0034] (3)由以上兩曲線，可以推測：位于電極端部之下的電弧可能就存在于圖7所示的 20cm范圍內的某一段。
[0035]本文提出一種基于電磁原理的礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的新方法--磁場檢測 法，可得以下結論：
[0036] (1)理論證明礦熱爐內的電極電流、熔池電流所產生的交流磁場必然反映在爐體 外部。
[0037] (2)電極線及中垂線一點處沿縱向的磁場分布含有電極末端、液面及弧長等關鍵 fg息。
[0038] (3)現場實測的磁場分布情況與理論推導具有較好的相關性，證明了本文提出的 方法之有效性。
【主權項】
1. 一種用于礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的磁場檢測法，其特征在于包括W下步驟： 第一步:建立礦熱爐內電路模型，流經爐內電極的電流為電極電流，電極電流經電弧區 到達烙池內，在烙池液面處形成烙池電流回路； 第二步:根據電磁場理論，建立礦熱爐磁場福射模型，設定電極端部在任意平行于烙池 液面平面上的投影連線的中垂線為中垂線，選定爐內Pl測量原點，Pl測量原點位于該平面的 中垂線上； 第ミ步：WPl測量原點為原點0，在原點0所在的ミ維坐標Z軸上取Sl、S2、…、Sm、…、Si若 干點作為檢測點，則檢測點Si在x、y、z軸的磁感應強度分量Bxi、Byi、Bzi如下式所示：:中，hi為檢測點Si的高度，單位為m，a為測量原點Pi到電極端部投影連 線的距離，I為烙池電流，單位為m，y日為真空的磁導率，單位為H/m，由各個檢測點處的磁感 應強度制得磁感應強度曲線，根據磁感應強度曲線上磁感應強度的分布能得出烙池液面位 置、電極端部位置和電弧長度參數。2. 根據權利要求1所述一種用于礦熱爐冶煉關鍵參數檢測的磁場檢測法，其特征在于 還包括W下步驟： 設定電極中屯、點連線形成的圖形的中屯、點與電極中屯、點的連線稱為電極線，選定P2測 量原點，P2測量原點位于烙池液面上方且位于電極線延長線上； 卵2測量原點為原點〇/，在原點〇/所在的；維坐標Z軸上取Si、…、Sn…、Sj…若干點作為 檢柳占.h;責捻娜Il占 S;的高唔，檢測點S廟x、y、z軸的磁感應強度分量Bxj、Byj、Bzj如下式所 示，中，6為測量原點口2到電極中屯、點的距離，單位為111，I'為電極 電流，由各個檢測點處的磁感應強度制得磁感應強度曲線，根據磁感應強度曲線能得出烙 池液面位置、電極端部位置和電弧長度參數。
【文檔編號】G01R31/12GK105910676SQ201610228510
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】劉衛玲
【申請人】劉衛玲, 常曉明, 陳陽