CN104198011A - 冶金炉内高温熔体液位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

冶金炉内高温熔体液位测量装置及方法，所述装置包括液面判定测量回路、减速电机、PLC或DCS系统、编码器、链轮、电机控制箱、上限开关、链条、平衡锤、下限开关和棒式探极（或双极棒式探极）。所述方法包括：（1）测量棒式探极初始距离，运行PLC或DCS系统、液面判定测量回路，编码器开始读取链轮转数；（2）棒式探极触碰到高温熔体时，测量回路接通，读取链轮转数；（3）计算得出棒式探极的行程L和液位高度H。本发明装置和方法可在冶金炉内温度≤1600℃下进行测量，抗干扰能力强，炉内高浓度粉尘、粘渣、结块不影响测量结果。本发明装置测量精度可达厘米级别，可测量泡沫渣、熔渣、熔锍、熔盐或金属的高温熔体。

Description

冶金炉内高温熔体液位测量装置及方法

技术领域

 本发明涉及一种冶金炉高温熔体液位测量装置及方法，具体涉及一种通过检测高温熔体的导电性来判断其液位的冶金炉高温熔体液位测量装置及方法。

背景技术

冶金炉正常生产过程中，炉内高温冶金熔体液位的高低直接影响工艺过程的顺利进行，因此检测冶金炉内高温冶金熔体的液位十分必要；尤其是熔池熔炼工艺中，冶金反应均在熔渣中进行，一旦失控则会发生严重的恶性泡沫渣事故，1300℃以上的熔渣从炉顶等各处孔隙喷溅而出，严重伤害人员安全，将造成重大人身设备事故。

目前在高炉、焦炉等工艺中已有几种方法测量高温固体物料的料位，但均不适用于高温熔体的环境。

射频电容物位计是基于射频导纳和电容技术引进研发而成。工作原理是，基于所有物料均有不同的介电常数，而且其导电率均不同于空气。将一无线电频率施加在探头上，其探头和容器壁构成电容器，其探头与介质接触时，由于微小电量的偏移，其所反映的总阻抗发生变化，这一变化被电路检测后通过连续的分析（与预先由灵敏度设置电路建立参考基准相比较）确定周围环境（物位）的变化。射频电容物位计可测量块状、颗粒状、粉末状等固体物料以及水、溶液、油等液体物位。此种料位计的缺陷在于：工况点预调好之后，由于物料状况或环境状况变化易产生飘移和误动作，在高温、高粉尘熔炉中，由于挂渣和结块等原因完全不适合使用。

重锤式料位计由传感器和控制显示仪表组成。传感器采用重锤探测式，各种信号由无机械触点的磁敏元件取出，运行可靠。传感器安装于仓顶，重锤由电机通过不锈钢带或不锈钢缆牵引吊放在仓内。仪表控制传感器自动定时对料位进行探测，每次测量时重锤从顶仓起始位置开始下降，重锤接触到料面立即返回到仓顶，等待下一次测量。此种测量的缺陷是：其一，在高炉恶劣的环境中会经常出现钢丝绳乱绳、钢带打转，造成断绳掉锤事故；其二，传感器测绳力的方法无法测量泡沫和熔体，也无法解决沾渣结块情况。

干熄焦炉连续料位计的测量原理是：将测量探头安装在料仓的仓壁上，探头与仓壁相对形成了一个电容场。探头为正极，仓壁为负极。料位的上下变化使二极之间的电容量产生增或减。探头中的脉冲卡可以把物位变化转化为脉冲信号送给控制仪表。控制仪表经运算处理后转换为工程量显示出来，从而实现物位的连续测量。使得操作人员得知干熄焦的准确高度。其缺陷在于：电极不能承受1200℃以上高温，电极无法应对挂渣、结块的干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，安装方便，能长期稳定运行，并通过输出4～20mA标准信号、计数脉冲信号或者通过RS485能实现远程实时控制和通讯的冶金炉内高温熔体液位测量装置。

本发明进一步解决的技术问题是，提供一种能克服现有测量方法的不足，满足熔池熔炼生产过程中检测炉内熔体高度，尤其是泡沫渣熔体高度的要求，以达到有效控制熔池熔炼生产过程中泡沫渣高度、防止发生喷炉事故和实现本质安全生产的目的的冶金炉内高温熔体液位测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种冶金炉内高温熔体液位测量装置，包括液面判定测量回路、减速电机、PLC或DCS系统、编码器、链轮、电机控制箱、上限开关、链条、平衡锤、下限开关和棒式探极；所述PLC或DCS系统分别与液面判定测量回路、编码器和电机控制箱相连；所述电机控制箱分别与减速电机和平衡锤运行轨道上在上、下极限位置设置的上、下限开关相连；所述减速电机与链轮相连，链轮同轴安装编码器；所述棒式探极通过链条与平衡锤相连并跨接在链轮和减速电机上；所述棒式探极为单极电极，液面判定测量回路连接棒式探极和金属炉体与高温熔体构成测量回路。减速电机可驱动链轮带动链条、棒式探极及平衡锤运动；平衡锤的作用主要是与链条和棒式探极保持平衡，以保证系统的稳定性，当平衡锤接触上、下限开关时，减速电机均停止运行，保证了系统的安全防护性能。

进一步，所述棒式探极包括电极、绝缘块、机械连接头和耐高温传输导线；所述电极通过绝缘块与机械连接头相连，机械连接头再与链条相连，耐高温传输导线连接电极与液面判定测量回路，耐高温传输导线随棒式探极一起运行；所述电极选用耐高温的电的良导体钼、钢、铜或石墨制成。当高温熔体炉体为具有导电性的铜水套、钢水套等金属炉体时，选用单极电极，单极电极作为测量回路的正极，导电炉体作为测量回路的负极。

进一步，所述棒式探极由双极棒式探极替换，液面判定测量回路连接棒式探极正极和棒式探极负极与高温熔体构成测量回路。

进一步，所述双极棒式探极包括棒式探极正极、棒式探极负极、绝缘块、双极连接块和耐高温传输导线；所述棒式探极正极和棒式探极负极分别通过绝缘块与双极连接块相连，双极连接块再与链条相连，耐高温传输导线分别连接棒式探极正极、棒式探极负极与液面判定测量回路，耐高温传输导线随棒式探极一起运行；所述棒式探极正极和棒式探极负极选用耐高温的电的良导体钼、钢、铜或石墨制成。当高温熔体炉体为不具有导电性的如耐火材料的非金属炉体时，选用双极棒式探极，双极棒式探极的正极作为测量回路的正极，双极棒式探极的负极作为测量回路的负极。

进一步，所述棒式探极正极和棒式探极负极为同等长度，两个棒式探极之间用双极连接块分隔距离100～3000mm。

进一步，所述液面判定测量回路和编码器通过输出4～20mA标准信号、计数脉冲信号或者通过RS485与PLC或DCS系统联络。

本发明装置中，绝缘块和双极连接块均为绝缘材料，一般采用塑料王、胶木等，由于此处在测量过程中离高温炉较远，所以对温度的要求不高，一般能耐100℃温度就能满足。

本发明进一步要解决的技术问题所采用的技术方案是：一种冶金炉内高温熔体液位测量方法，包括以下步骤：

（1）测量高温熔体炉床底部到棒式探极下端的距离并输入PLC或DCS系统后，运行PLC或DCS系统，液面判定测量回路启动，同时，编码器自动记忆棒式探极下端的起始零点位置，PLC或DCS系统向编码器发出采数信号，开始读取链轮转数；

（2）棒式探极在减速电机所带动链条的传动下向高温熔体的上表面运动，当棒式探极触碰到高温熔体上表面时，液面判定测量回路连接棒式探极和金属炉体与高温熔体构成测量回路，液面判定测量回路依据测量回路的接通信号向PLC或DCS系统发出传动系统停止信号，PLC或DCS系统再通过电机控制箱停止减速电机运行，继而链条与棒式探极停止向下运行，同时，PLC或DCS系统读取编码器发出的链轮转数n读数；

（3）PLC或DCS系统依据传动链轮的半径R和所读取的传动链轮转数n，利用公式L=2π*R*n，计算出棒式探极的行程L，并根据步骤（1）中所测高温熔体炉床底部到棒式探极下端的距离S，利用公式H=S-L，换算成冶金炉内高温熔体液位高度H，同时，PLC或DCS系统指示减速电机反转返回起始零点位置。

进一步，步骤（2）中，当所述棒式探极为双极棒式探极时，由液面判定测量回路连接棒式探极正极和棒式探极负极与高温熔体构成测量回路。

本发明方法可适用的高温熔体有泡沫渣、熔渣、熔锍、熔盐或金属等。

本发明装置的工作过程是：将PLC或DCS系统分别与液面判定测量回路、编码器和电机控制箱相连；电机控制箱分别与减速电机和平衡锤运行轨道上在上、下极限位置设置的上、下限开关相连；减速电机与链轮相连，链轮同轴安装编码器；棒式探极（或双极棒式探极）通过链条与平衡锤相连并跨接在链轮和减速电机上。开始测量时，首先，测量高温熔体炉床底部到棒式探极（或双极棒式探极）下端的距离并输入PLC或DCS系统后，运行PLC或DCS系统，液面判定测量回路启动，同时，编码器自动记忆棒式探极（或双极棒式探极）下端的起始零点位置，PLC或DCS系统向编码器发出采数信号，开始读取链轮转数；然后，减速电机得电开始运行，棒式探极（或双极棒式探极）在减速电机所带动链条的传动下向高温熔体的上表面运动，当棒式探极（或双极棒式探极）触碰到高温熔体上表面时，液面判定测量回路连接棒式探极（单极电极）和金属炉体与高温熔体构成测量回路（当棒式探极为双极棒式探极时，液面判定测量回路连接棒式探极正极和棒式探极负极与高温熔体构成测量回路），液面判定测量回路依据测量回路的接通信号向PLC或DCS系统发出传动系统停止信号，PLC或DCS系统再通过电机控制箱停止减速电机运行，继而链条与棒式探极（或双极棒式探极）停止向下运行，同时，PLC或DCS系统读取编码器发出的链轮转数n读数；最后，PLC或DCS系统依据传动链轮的半径R和所读取的传动链轮转数n，计算出棒式探极（或双极棒式探极）的行程L，继而换算成冶金炉内高温熔体液位高度H，同时，PLC或DCS系统指示减速电机反转返回起始零点位置。

本发明方法的原理是：依据高温熔体与空气完全不同的导电性，通过棒式探极测量导电性的变化作为棒式探极接触高温熔体液面的判断根据。液面判定测量回路负责测量高温熔体的导电性以判断棒式探极是否到达液面；编码器通过测量链轮的转数n，自动采集、保持、运算所测棒式探极运行距离，并将其反馈给PLC或DCS系统换算成高温熔体液位的高度；液面判定测量回路与编码器的结合实现了高温熔体液位的测量。采用单极电极的装置以电极作为测量回路正极，炉体作为测量回路负极，适用于金属炉体；采用双极棒式探极的装置分别以双极棒式探极的正、负极作为测量回路的正、负极，适用于非金属炉体。

本发明主要有如下优点：

（1）本发明装置及方法解决了冶金炉内高温熔体液位的测量问题，由于本发明方法的棒式探极选用钼、钢、铜、石墨等耐高温的电的良导体制成，在测量工作时间内能抗拒高温，所以在冶金炉温度不大于1600℃的工艺条件下可以进行正常测量；本发明所用棒式探极直接接触高温熔体，利用棒式探极和高温熔体、金属炉体（或者双极棒式探极正、负极与高温熔体）构成回路，所以炉内高浓度粉尘、粘渣、结块不影响本方法的测量结果，保证了系统工作的持久运行能力；

（2）测量链轮转数的编码器每转可相应发出500～3000个脉冲，所以本发明装置测量精度可达到厘米级别；

（3）通过液面判定与料位测量的有机结合，使高温熔体液位测量规避了所有的干扰因素，保证了装置的长期稳定运行；

（4）本发明装置的液面判定测量回路具有范围较广的适应性，不同物料都适用液面判定测量回路，本发明装置适用所有高温熔体，如泡沫渣、熔渣、熔锍、熔盐或金属等；

（5）本发明装置通过设置平衡锺和上、下限开关，提高了系统运行的安全性；当平衡锺接触上、下限开关时，减速电机均停止运行；

（6）本发明装置所有控制和信号可以与PLC或DCS系统实现通讯，操作及控制性强。

附图说明

图1为本发明冶金炉内高温熔体液位测量装置实施例Ⅰ的结构示意图；

图2为本发明冶金炉内高温熔体液位测量装置实施例Ⅱ的结构示意图；

图3（a）为图1中A的局部放大图；

图3（b）为图2中B的局部放大图。

图中：1-液面判定测量回路，2-减速电机，3-PLC或DCS系统，4-编码器，5-链轮，6-电机控制箱，7-上限开关，8-链条，9-平衡锤，10-下限开关，11-炉膛，12-高温熔体，13-金属炉体，14-检测口，15-棒式探极，16-耐高温传输导线，17-绝缘块，18-机械连接头，19-双极连接块，20-棒式探极正极，21-棒式探极负极，22-电极，23-双极棒式探极。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：本发明冶金炉内高温熔体液位测量装置实施例Ⅰ

如图1所示，本冶金炉内高温熔体液位测量装置实施例包括液面判定测量回路1、减速电机2、PLC系统3、编码器4、链轮5、电机控制箱6、上限开关7、链条8、平衡锤9、下限开关10和棒式探极15；所述PLC系统3分别与液面判定测量回路1、编码器4和电机控制箱6相连；所述电机控制箱6分别与减速电机2和平衡锤9运行轨道上在上、下极限位置设置的上限开关7和下限开关10相连；所述减速电机2与链轮5相连，链轮5同轴安装编码器4；所述棒式探极15通过链条8与平衡锤9相连并跨接在链轮5和减速电机2上；由于本实施例的炉体为金属水套，液面判定测量回路1连接棒式探极15和金属炉体13与高温熔体12构成测量回路；所述棒式探极15包括：电极22、绝缘块17、机械连接头18和耐高温传输导线16；所述电极22通过绝缘块17与机械连接头18相连，机械连接头18再与链条8相连，耐高温传输导线16连接电极22与液面判定测量回路1；所述电极22选用耐高温的电的良导体铜制成。

实施例2：利用实施例1之冶金炉内高温熔体液位测量装置进行富氧侧吹挥发熔池熔炼炉膛液位测量的方法实施例

包括以下步骤：

（1）测量开始，将炉床底部到棒式探极15起始位置的距离S=5000mm输入PLC系统3，在PLC系统3上点动运行启动按钮，液面判定测量回路1启动，编码器4自动记忆棒式探极15下端的起始零点位置，PLC系统3向编码器4发出采数信号，开始读取链轮5转数；

（2）减速电机2得电开始运行，棒式探极15在减速电机2所带动链条8的传动下，通过检测口14伸入炉膛11，向高温熔体12的上表面运动，当棒式探极15触碰到高温熔体12上表面时，由于高温熔体12具有导电性，棒式探极15作为正极，铜水套金属炉体13作为负极，与高温熔体12和液面判定测量回路1构成测量回路，液面判定测量回路1通过测量回路的连通，来确定棒式探极15所在的位置为熔体的液面，当测量回路导通时，由液面判定测量回路1向PLC系统3发出传动系统停止信号（4～20mA标准信号），PLC系统3通过电机控制箱6停止减速电机2运行，继而链条8和棒式探极15停止向下运行，同时PLC系统3读取编码器4发出的转数n的累计脉冲数；

（3）PLC系统3依据链轮5半径R=50mm和所读取的传动链轮5转数7.5转，利用公式L=2π*R*n=2π*50*7.5≈2355mm（其中，L为棒式探极15的行程），然后，依据炉床底部到棒式探极15下端起始位置的距离S=5000mm，按照公式H=S-L=5000-2355=2645mm，即炉内高温熔体12液位高度H为2645mm，延时2s后，棒式探极15由PLC系统3指示减速电机2依据计算的行程反转返回起始零点位置。

实施例3：本发明冶金炉内高温熔体液位测量装置实施例Ⅱ

如图2所示，本发明冶金炉内高温熔体液位测量装置实施例包括液面判定测量回路1、减速电机2、PLC系统3、编码器4、链轮5、电机控制箱6、上限开关7、链条8、平衡锤9、下限开关10和双极棒式探极23；所述PLC系统3分别与液面判定测量回路1、编码器4和电机控制箱6相连；所述电机控制箱6分别与减速电机2和平衡锤9运行轨道上在上、下极限位置设置的上限开关7和下限开关10相连；所述减速电机2与链轮5相连，链轮5同轴安装编码器4；所述双极棒式探极23通过链条8与平衡锤9相连并跨接在链轮5和减速电机2上；由于本实施例的炉体是耐火砖，为非金属，液面判定测量回路1连接棒式探极正极20和棒式探极负极21与高温熔体12构成测量回路；所述双极棒式探极23包括：棒式探极正极20、棒式探极负极21、绝缘块17、双极连接块19和耐高温传输导线16；所述棒式探极正极20和棒式探极负极21分别通过绝缘块17与双极连接块19相连，双极连接块19再与链条8相连，耐高温传输导线16分别连接棒式探极正极20、棒式探极负极21与液面判定测量回路1；所述棒式探极正极20和棒式探极负极21选用耐高温的电的良导体钢制成；所述棒式探极正极20和棒式探极负极21之间用塑料王制得的双极连接块19分隔300mm。

实施例4：利用实施例3之冶金炉内高温熔体液位测量装置进行鼓风炉前床液位的测量方法实施例

包括以下步骤：

（1）测量开始，将炉床底部到双极棒式探极23下端的距离S=3000mm输入PLC系统3，在PLC系统3上点动运行启动按钮，液面判定测量回路1启动，编码器4自动记忆双极棒式探极23下端的起始零点位置，PLC系统3向编码器4发出采数信号，开始读取链轮5转数；

（2）减速电机2得电开始运行，双极棒式探极23在减速电机2所带动链条8的传动下，通过检测口14伸入炉膛11，向高温熔体12的上表面运动，当双极棒式探极23触碰到高温熔体12上表面时，由于高温熔体12具有导电性，棒式探极正极20作为正极，棒式探极负极21作为负极，与高温熔体12和液面判定测量回路1构成测量回路，液面判定测量回路1通过测量回路的连通，来确定双极棒式探极23所在的位置为熔体的液面，当测量回路导通时，由液面判定测量回路1向PLC系统3发出传动系统停止信号（RS485），PLC系统3通过电机控制箱6停止减速电机2运行，继而链条8与双极棒式探极23停止向下运行，同时PLC系统3读取编码器4发出的转数n的累计脉冲数；

（3）PLC系统3依据链轮5半径R=50mm和所读取的传动链轮5转数8转，利用公式L=2π*R*n=2π*50*8≈2512mm（其中，L为双极棒式探极23的行程），然后，依据炉床底部到双极棒式探极23下端的距离S=3000mm，按照公式H=S-L=3000-2512=488mm，即炉内高温熔体12液位高度H为488mm，延时2s后，双极棒式探极23由PLC系统3指示减速电机2依据计算的行程反转返回起始零点位置。

Claims (8)

1. 一种冶金炉内高温熔体液位测量装置，其特征在于：包括液面判定测量回路、减速电机、PLC或DCS系统、编码器、链轮、电机控制箱、上限开关、链条、平衡锤、下限开关和棒式探极；所述PLC或DCS系统分别与液面判定测量回路、编码器和电机控制箱相连；所述电机控制箱分别与减速电机和平衡锤运行轨道上在上、下极限位置设置的上、下限开关相连；所述减速电机与链轮相连，链轮同轴安装编码器；所述棒式探极通过链条与平衡锤相连并跨接在链轮和减速电机上；所述棒式探极为单极电极，液面判定测量回路连接棒式探极和金属炉体与高温熔体构成测量回路。

2.根据权利要求1所述冶金炉内高温熔体液位测量装置，其特征在于：所述棒式探极包括电极、绝缘块、机械连接头和耐高温传输导线；所述电极通过绝缘块与机械连接头相连，机械连接头再与链条相连，耐高温传输导线连接电极与液面判定测量回路；所述电极选用耐高温的电的良导体钼、钢、铜或石墨制成。

3.根据权利要求1所述冶金炉内高温熔体液位测量装置，其特征在于：所述棒式探极由双极棒式探极替换，液面判定测量回路连接棒式探极正极和棒式探极负极与高温熔体构成测量回路。

4.根据权利要求3所述冶金炉内高温熔体液位测量装置，其特征在于：所述双极棒式探极包括棒式探极正极、棒式探极负极、绝缘块、双极连接块和耐高温传输导线；所述棒式探极正极和棒式探极负极分别通过绝缘块与双极连接块相连，双极连接块再与链条相连，耐高温传输导线分别连接棒式探极正极、棒式探极负极与液面判定测量回路；所述棒式探极正极和棒式探极负极选用耐高温的电的良导体钼、钢、铜或石墨制成。

5.根据权利要求4所述冶金炉内高温熔体液位测量装置，其特征在于：所述棒式探极正极和棒式探极负极为同等长度，两个棒式探极之间用双极连接块分隔距离100～3000mm。

6.根据权利要求1～5之一所述冶金炉内高温熔体液位测量装置，其特征在于：所述液面判定测量回路和编码器通过输出4～20mA标准信号、计数脉冲信号或者通过RS485与PLC或DCS系统联络。

7.一种利用权利要求1～6之一所述冶金炉内高温熔体液位测量装置进行测量的冶金炉内高温熔体液位测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）测量高温熔体炉床底部到棒式探极下端的距离并输入PLC或DCS系统后，运行PLC或DCS系统，液面判定测量回路启动，同时，编码器自动记忆棒式探极下端的起始零点位置，PLC或DCS系统向编码器发出采数信号，开始读取链轮转数；

（2）棒式探极在减速电机所带动链条的传动下向高温熔体的上表面运动，当棒式探极触碰到高温熔体上表面时，液面判定测量回路连接棒式探极和金属炉体与高温熔体构成测量回路，液面判定测量回路依据测量回路的接通信号向PLC或DCS系统发出传动系统停止信号，PLC或DCS系统再通过电机控制箱停止减速电机运行，继而链条与棒式探极停止向下运行，同时，PLC或DCS系统读取编码器发出的链轮转数n读数；

（3）PLC或DCS系统依据传动链轮的半径R和所读取的传动链轮转数n，利用公式L=2π*R*n，计算出棒式探极的行程L，并根据步骤（1）中所测高温熔体炉床底部到棒式探极下端的距离S，利用公式H=S-L，换算成冶金炉内高温熔体液位高度H，同时，PLC或DCS系统指示减速电机反转返回起始零点位置。

8.根据权利要求7所述冶金炉内高温熔体液位测量方法，其特征在于：步骤（2）中，当所述棒式探极为双极棒式探极时，由液面判定测量回路连接棒式探极正极和棒式探极负极与高温熔体构成测量回路。