1.本發(fā)明涉及電極測深系統(tǒng)和方法技術領域，具體地說，涉及一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)和方法。

背景技術：

2.工業(yè)礦熱爐內通常溫度很高，比如礦熱爐是一種耗電量巨大的工業(yè)電爐，其直徑十多米、深度六七米的巨大坩堝，是一個通過電極電流做功熔煉礦熱爐料進行生產(chǎn)的設備。其工作特點是采用碳質或鎂質耐火材料作礦熱爐襯，使用電極糊焙燒電極制成自焙電極，將交流電流或直流電流分別由三根或六根電極導入礦熱爐內，電極插入礦熱爐料進行埋弧操作，電流經(jīng)電極和電極間的礦熱爐料在電極下端產(chǎn)生電弧，在電弧及電流共同作用下形成高溫融化礦熱爐料進而產(chǎn)生化學反應生成各種化合物。這些化合物主要包括電石、工業(yè)硅、鐵合金，這些原料是化工、鋼鐵及電子的最基礎的原料。

3.自焙電極的外層是由1～2mm厚度的鋼板制成的直徑1～1.2m圓筒，圓筒內填充固態(tài)塊狀的電極糊(無煙煤、焦炭以及瀝青和焦油的混合物)，隨著生產(chǎn)的進行，高溫使電極糊逐步軟化，在更高溫度作用下熔融的電極糊就會軟化、揮發(fā)、燒結，最后電極糊焙燒成圓柱狀的石墨化的導電電極。焙燒好的電極下端部插入礦熱爐料，焙燒好的電極在高溫及化學反應下不斷消耗，因此需要不斷從電極筒上部添加電極糊焙燒成新的電極，由于生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的，因此需要經(jīng)常從電極筒上端部添加塊狀電極糊，焙燒成新電極以補充消耗的電極。自焙電極的下端部插入高溫礦熱爐料中，工作過程中承擔傳輸電能的作用。由于自焙電極不斷消耗又不斷添加，下端部又插入高溫礦熱爐料中，因此難以測量自焙電極的長度，也就無法知道插入礦熱爐內的深度。

4.電極插入礦熱爐內深度對于冶煉工藝極為重要。冶煉工藝要求三相電極的功率中心和幾何中心重合且插入深度合理才能獲得好的冶煉效率及低的能耗，電極深度位置不合理還導致焙燒出現(xiàn)生料層，影響產(chǎn)品品質，還易引起噴料導致設備損壞及人員傷亡等事故，因此獲取電極的插入深度對于礦熱爐冶煉極為重要。

5.目前工業(yè)中應用的礦熱爐內電極測深方法有以下幾種：

6.(1)累積法：根據(jù)每天添加的電極糊以及消耗的速度推測電極長度。電極現(xiàn)有長度h0，根據(jù)歷史經(jīng)驗推測每天電極消耗數(shù)量h1，再根據(jù)每天電極糊添加量估算電極生成量h2，進而計算出當前電極長度為h＝h0-h1+h2。這種方法簡單，但由于每日消耗量受冶煉操作工藝影響挺大，隨著時間積累，導致誤差較大，失去指導電極深度的作用。

7.(2)稱重法：根據(jù)電極的重量推測電極的長度，參見發(fā)明專利cn201621187815.6(專利名稱為蓄熱式密閉電石爐電極自動測長的裝置)。這種方法忽略了電極在不同段的密度不同及融化的礦熱爐料的粘度不同，導致用浮力推測電極插入深度不具有可行性。

8.(3)探針法：用一根鐵釬插入礦熱爐內觸碰電極，多次插探探測電極端面，進而應用勾股定理計算電極插入深度,即h2＝d2+l2。這種方法簡單有效，但受限于操作人員的經(jīng)驗及測量時需要停電停礦熱爐，使用起來十分不方便，尤其對于鐵合金礦熱爐及工業(yè)硅礦

熱爐，堅硬礦熱爐料嚴重影響鐵釬的插入，進而導致無法探測電極的插入深度。

9.(4)磁感應法：在礦熱爐體周邊布置多個磁場感應器，根據(jù)磁感應器信號獲取磁場狀況，進而推測三相電極中的電流推測電極插入深度，參見發(fā)明專利申請cn201710071904.7。這種方法忽略了礦熱爐內電流的復雜流向及相序間影響，尤其是異常礦熱爐況時礦熱爐內電流方向大小不可預知，其產(chǎn)生的磁場方向大小也是不可預知的，嚴重影響測量準確性。

10.(5)操作電阻估算深度法：通過測量電極的電壓電流，計算出操作電阻阻值，進而仿真模擬推測出電極入礦熱爐深度，參見發(fā)明專利cn201610490475.2。這種方法看似能夠仿真模擬出電極入礦熱爐深度，實際上由于礦熱爐內復雜礦熱爐況，仿真模型也只是對于正常工況下固定礦熱爐料配比的狀態(tài)下做出的，由于礦熱爐料是不斷調整變化的，很多時間礦熱爐都處于異常工況，所以仿真模擬根本不起作用，適用性極差。

11.上述方法，均未能滿足電極在礦熱爐內深度測量的易用性、準確度和有效性的需要，從而導致工業(yè)生產(chǎn)中礦熱爐內能耗、產(chǎn)品品質不受控，設備損壞和生產(chǎn)事故頻發(fā)，帶來不可估量的經(jīng)濟和社會效益損失。

技術實現(xiàn)要素：

12.為了解決上述現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)和方法，可以有效且精確地、不需要停產(chǎn)停礦熱爐或人為干預地獲取礦熱爐內電極深度，從而為控制電極提供數(shù)據(jù)依據(jù)，達到優(yōu)化工藝操作、節(jié)約電能、提高產(chǎn)品品質及減少安全風險的目的，能夠產(chǎn)生極大的社會和經(jīng)濟效益，以克服現(xiàn)有技術中的缺陷。

13.為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)，所述電極測深系統(tǒng)包括保護管、傳感桿、換能器和運算控制裝置；其中，傳感桿安放在保護管內，保護管與傳感桿一起預埋貫通于礦熱爐用電極內，且保護管和傳感桿能夠隨礦熱爐用電極同步消耗，保護管內通有惰性氣體、氮氣、二氧化碳或其混合氣體；換能器位于傳感桿的上端面和/或側面，用于發(fā)射和/或接收超聲導波，所述超聲導波在傳感桿端面反射并沿傳感桿傳輸；所述運算控制裝置與換能器電連接和信號連接，用于通過換能器獲取超聲導波沿傳感桿傳輸?shù)慕邮諘r間t與速度v，根據(jù)所述超聲導波的接收時間t與超聲導波的速度ν計算傳感桿總長度h，并且將所述傳感桿總長度h減去所述礦熱爐用電極在礦熱爐外的長度h來確定所述礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度d。

14.通過上述技術方案，通過在礦熱爐用電極內部合理安放傳感桿，利用超聲導波具有在傳感桿端面反射的特性，通過測量導波端部反射波的傳輸時間，獲得傳感桿長度，同時利用傳感桿能夠跟隨電極消耗而消耗，即傳感桿長度與電極長度保持一致，即可同步獲取電極長度及礦熱爐內電極深度，避免了現(xiàn)有技術中對電極在礦熱爐內深度的測量方法的缺陷，比如精準度差、需要停產(chǎn)停礦熱爐、不能連續(xù)測量、工況及礦熱爐料影響測量、需要人工干預等，取得了意想不到的效果，可以有效且精確地、不需要停產(chǎn)停礦熱爐或人為干預地獲取礦熱爐內電極深度，從而為控制電極提供數(shù)據(jù)依據(jù)，達到優(yōu)化工藝操作、節(jié)約電能、提高產(chǎn)品品質及減少安全風險的目的。

15.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述礦熱爐用電極包括自焙電極、石墨電極和碳素電極。

16.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述換能器為電磁超聲換能器和/或磁致伸縮換能器和/或壓電換能器。

17.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述保護管的熔點在2000℃以上，保護管的材質為金屬材料、石墨和/或陶瓷材料中的一種或多種；所述金屬材料選自鎢、鉬、錸、銥、鑭的單體和/或混合物中的一種或多種；所述陶瓷材料為氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、碳化硅、硅化鉬、碳化鉬、碳化鈦的單體或其混合物、氧化鋯或氧化鋁氣凝膠和/或氣凝膠纖維中的一種或多種。

18.通過上述技術方案，經(jīng)過發(fā)明人多次試驗研究，所選擇的保護管的材質具有與礦熱爐用電極同步消耗的優(yōu)勢，從而保證了其內安放的傳感桿的長度，和礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度之間的緊密關聯(lián)性，進而保證了本發(fā)明電極深度測量的準確性。進一步地，金屬材質可以用來防止保護管被球狀電極糊砸壞，同時還具備防止糊狀電極糊侵蝕保護管的作用，石墨材質可以用來支撐保護管的下端部，高溫下保持順暢，防止金屬管熔融物堵塞保護管。陶瓷材質可以用來防止高溫下傳感桿與石墨發(fā)生化學反應，導致過早熔斷的目的。保護管為規(guī)則和/或不規(guī)則管狀，包括但不限于方管、圓管、橢圓管、多邊形管、不規(guī)則形狀管中的一種或多種。

19.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，傳感桿的熔點在2000℃以上，傳感桿的材質為金屬材料、石墨和/或陶瓷材料中的一種或多種；所述金屬材料選自鎢、鉬、錸、銥、鑭的單體和/或混合物中的一種或多種；所述陶瓷材料選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、碳化硅、硅化鉬的單體和/或混合物中的一種或多種。

20.通過上述技術方案，經(jīng)過發(fā)明人多次試驗研究，所選擇的傳感桿的材質，能夠保證所述傳感桿具有良好的超聲導波傳輸和反射性能，一方面避免了該傳感桿在礦熱爐用電極內部融化，從而吸收超聲導波，難以形成反射波的問題；另一方面采用了高溫易氧化的材質，使得該傳感桿超出電極端頭部分能夠在高溫下被爐氣氧化，實現(xiàn)與礦熱爐用電極一起消耗，達到指示電極的位置目的，從而保證了本發(fā)明在礦熱爐內電極深度測量的準確性。

21.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，傳感桿的熔點在2200℃以上，傳感桿的材質為石墨、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、鎢、鉬的單體和/或混合物中的一種或多種。

22.通過上述技術方案，在通孔內放入一個熔點大于2000℃，優(yōu)選為2200℃的傳感桿，當傳感桿從電極的中孔內穿過后，到達電極下端面與空腔交界面的位置，突出部分將迅速熔化氧化。當電極逐漸消耗時，傳感桿即可實現(xiàn)隨著礦熱爐內電極同步消耗，此時傳感桿的長度即代表電極的長度，通過測量傳感桿長度和電極爐外的深度即可計算電極插入爐內的深度。

23.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述傳感桿上每隔δl距離設置一個凹槽或突出物，用于反射所述超聲導波；最接近所述傳感桿下端面的凹槽或突出物為第n個凹槽或突出物，其距離所述傳感桿下端面的距離為s，s《δl；所述超聲導波沿所述傳感桿傳輸，每個所述凹槽均生成反射波；所述傳感桿總長度h為：

24.(1)所述傳感桿頂端到最下端凹槽或突出物的距離為：n

×

δl；

25.(2)所述傳感桿第n個凹槽或突出物距離所述傳感桿下斷面距離

26.所述傳感桿總長度

27.其中，為超聲導波下端平均速度；ts為傳感桿下端面反射波的接收時間；tn為第n個凹槽或突出物反射波的接收時間；

28.(3)所述礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度d＝h-h；

29.礦熱爐用電極的下端部距離爐底的距離為：d＝l-d；

30.其中，h為所述傳感桿總長度；h為所述電極在礦熱爐外的長度，經(jīng)測量得到；l為礦熱爐總深度；s、h、δl、h、d、d、l單位均為米(m)；ts、tn單位均為秒(s)；單位為米/秒(m/s)。

31.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述運算控制裝置包括運算控制模塊，運算控制模塊與大功率超聲激勵模塊電連接和信號連接，大功率超聲激勵模塊與傳感器匹配電路電連接和信號連接，傳感器匹配電路分別與換能器和帶通濾波電路電連接和信號連接，帶通濾波電路與增益調整電路電連接和信號連接，增益調整電路與數(shù)字采集電路電連接和信號連接，數(shù)字采集電路與運算控制模塊電連接和信號連接，運算控制模塊通過通信模塊與人機交互模塊信號連接；其中，運算控制模塊向大功率超聲激勵模塊發(fā)送觸發(fā)指令，大功率超聲激勵模塊產(chǎn)生觸發(fā)信號，所述觸發(fā)信號通過傳感器匹配電路作用于換能器，以使換能器產(chǎn)生超聲導波信號，所述超聲導波信號在傳感桿表面?zhèn)鞑ズ头瓷?，換能器接收反射波轉換成電信號，經(jīng)傳感器匹配電路傳輸給帶通濾波電路，再經(jīng)增益調整電路傳輸給數(shù)字采集電路進行濾波和放大，最后數(shù)字采集電路將超聲導波反射數(shù)據(jù)上傳至運算控制模塊，運算控制模塊對所述超聲導波反射數(shù)據(jù)進行處理，計算時間和/或距離參數(shù)，經(jīng)通信模塊將數(shù)據(jù)處理結果傳輸給所述人機交互模塊；所述人機交互模塊還可以通過反饋機制，反向調節(jié)運算控制模塊中的預設參數(shù)，以提高所述數(shù)據(jù)處理精度。

32.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述人機交互模塊包括遠方人機交互模塊和/或就地人機交互模塊；遠方人機交互模塊位于所述電極測深系統(tǒng)遠端，就地人機交互模塊位于所述電極測深系統(tǒng)近端。

33.作為對本發(fā)明所述的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的進一步說明，優(yōu)選地，所述電極測深系統(tǒng)還包括保護氣體發(fā)生器、氣體壓力調節(jié)裝置和/或單向閥，保護氣體發(fā)生器與氣體壓力調節(jié)裝置連接，氣體壓力調節(jié)裝置與單向閥連接，單向閥伸入保護管內；其中，保護氣體發(fā)生器產(chǎn)生保護氣體，經(jīng)氣體壓力調節(jié)裝置進行壓力變換，通過單向閥送至傳感桿外周，以保護所述傳感桿不被高溫氧化。為了實現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明還提供了一種利用所述礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的礦熱爐內電極測深方法，所述礦熱爐內電極測深方法包括如下步驟：

34.步驟s1)：在傳感桿上每隔δl距離設置一個凹槽或突出物，最接近傳感桿下端面的凹槽或突出物為第n個凹槽或突出物，其距離傳感桿下端面的距離為s，s《δl；

35.步驟s2)：通過所述運算控制裝置獲取傳感桿的總長度h；其中，傳感桿頂端到最下端所述凹槽或突出物的距離為：n

×

δl；傳感桿第n個所述凹槽或突出物距離傳感桿下端面距離則傳感桿的總長度則傳感桿的總長度為超聲導波下端

平均速度；ts為傳感桿下端面反射超聲導波的接收時間；tn為第n個所述凹槽或突出物反射超聲導波的接收時間；

36.步驟s3)：經(jīng)測量得到礦熱爐用電極在礦熱爐外的長度h，則礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度d＝h-h；礦熱爐用電極的下端部距離爐底的距離為：d＝l-d，l為礦熱爐總深度；其中，s、h、δl、h、d、d、l單位均為米(m)；ts、tn單位均為秒(s)；單位為米/秒(m/s)。

37.通過上述技術方案，在礦熱爐的運行環(huán)境中，隨著電極在爐內深度的增加，電極的溫度逐步提高。與此同時，超聲導波在傳感桿上的傳輸速度隨著溫度的提高，也發(fā)生了明顯的變化。由于超聲導波的傳輸速度不恒定，為了提高傳感桿長度的測量精度，將傳感桿分段，分別獲取凹槽或突出物數(shù)量和超聲導波下端的平均速度，隨著δl的減小，測量精度得到提升。凹槽或突出物的縱剖面選自三角形、圓形或扇形、方形、多邊形和/或不規(guī)則形狀中的一種或多種；其中，δl/傳感桿總長度h可以大于1/30，或者δl/傳感桿總長度h大于1/20。δl的值取決于超聲脈沖的長度，當δl/傳感桿總長度過小，不同凹槽反射的超聲導波信號容易重疊，導致難以對凹槽的反射信號進行區(qū)分?？刂痞膌的大小利于實現(xiàn)超聲導波反射數(shù)量的統(tǒng)計，繼而獲得經(jīng)氧化消耗后的傳感桿上凹槽或突出物數(shù)量。

38.本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)，通過在礦熱爐用電極內部合理安放傳感桿，利用超聲導波具有在傳感桿端面、凹槽或突出物反射的特性，通過測量導波端部反射波的傳輸時間，獲得傳感桿長度，同時利用傳感桿能夠跟隨電極消耗而消耗，即傳感桿長度與電極長度保持一致，即可同步獲取電極長度及礦熱爐內電極深度，避免了現(xiàn)有技術中對電極在礦熱爐內深度的測量方法的缺陷，比如精準度差、需要停產(chǎn)停礦熱爐、不能連續(xù)測量、工況及礦熱爐料影響測量、需要人工干預等，取得了意想不到的效果，可以有效且精確地、不需要停產(chǎn)停礦熱爐或人為干預地獲取礦熱爐內電極深度，從而為控制電極提供數(shù)據(jù)依據(jù)，達到優(yōu)化工藝操作、節(jié)約電能、提高產(chǎn)品品質及減少安全風險的目的，能夠產(chǎn)生極大的社會和經(jīng)濟效益。

附圖說明

39.圖1為本發(fā)明的礦熱爐用電極的溫度曲線示意圖。

40.圖2為本發(fā)明的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)在礦熱爐內的側視圖。

41.圖3為本發(fā)明的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)在礦熱爐內的俯視圖。

42.圖4為本發(fā)明的保護管和傳感桿的形狀示意圖。

43.圖5為本發(fā)明的換能器的放置位置圖。

44.圖6為本發(fā)明的凹槽設置和計算方案圖。

45.圖7為本發(fā)明的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的結構示意圖。

具體實施方式

46.為了能夠進一步了解本發(fā)明的結構、特征及其他目的，現(xiàn)結合所附較佳實施例附以附圖詳細說明如下，本附圖所說明的實施例僅用于說明本發(fā)明的技術方案，并非限定本發(fā)明。

47.礦熱爐內通常高溫，比如礦熱爐是一個巨大的工業(yè)電礦熱爐，依靠三個自焙電極向礦熱爐內輸送能量，從而熔煉礦熱爐料的裝置。如圖2和圖3所示，圖3也是圖2的a-a向剖

視圖，三個電極成品字形均勻布置在礦熱爐內，其中礦熱爐用電極201、礦熱爐體202、礦熱爐料203。電極埋入礦熱爐料中釋放電弧熔煉礦熱爐料工作。

48.如圖2-5所示，本發(fā)明提供了一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)，包括礦熱爐用電極201、保護管101、傳感桿102、換能器103和運算控制裝置；其中，傳感桿102安放在保護管101內，保護管101與傳感桿102一起預埋貫通于礦熱爐用電極201內，且保護管101和傳感桿102能夠隨礦熱爐用電極201同步消耗，保護管101內通有惰性氣體、氮氣、二氧化碳或其混合氣體；惰性氣體包括但不限于氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣中的一種或多種；換能器103位于傳感桿102的上端面和/或側面，如圖5所示，圖5為圖2中的i處放大圖，圖5中i-1圖顯示了換能器103位于傳感桿102的上端面，圖5中i-2圖顯示了換能器103位于傳感桿102的側面，換能器103用于發(fā)射和/或接收超聲導波，所述超聲導波在傳感桿102端面反射并沿傳感桿102傳輸；所述運算控制裝置與換能器103電連接和信號連接，用于通過換能器103獲取超聲導波沿傳感桿102傳輸?shù)慕邮諘r間與速度，計算傳感桿102的長度，并基于傳感桿102的長度，計算礦熱爐用電極201在礦熱爐內的深度。具體地，根據(jù)超聲導波的接收時間t與超聲導波的速度ν計算傳感桿總長度h，并且將傳感桿總長度h減去礦熱爐用電極在礦熱爐外的長度h來確定礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度d。優(yōu)選地，礦熱爐用電極201包括自焙電極、石墨電極和碳素電極。

49.在礦熱爐用電極內部形成狹小空間放置傳感桿，由于電磁波、聲波、超聲波均呈扇形發(fā)射，無法通過此狹小空間獲取回波。同時，由于電極下端部高溫且有空腔，紅外線及激光都不能夠有效獲取反射的光波，也就不能獲取此空間的長度。所以要尋求一種能夠在狹小空間傳輸?shù)牟?，通過回波時間獲取空間長度。而導波具備沿物體表面?zhèn)鬏數(shù)哪芰Γ鋫鬏斅窂郊翱臻g取決于傳導體的形狀，這樣就實現(xiàn)了通過狹小空間獲取回波信號的目的。導波分電磁導波和超聲導波，其中電磁導波需要借助周邊介質的介電常數(shù)不同物質反射電磁波，由于碳材質的介電常數(shù)遠大于電極下端部空腔的介電常數(shù)，所以在碳和空腔的交界處無法獲取回波。

50.超聲導波具有沿傳感桿表面?zhèn)鬏數(shù)哪芰ΓF(xiàn)有技術中，通常用于檢測管道的銹蝕、裂紋等缺陷。本發(fā)明利用超聲導波具有在傳感桿端面、凹槽或突出物反射的特性，通過測量導波端部反射波的傳輸時間，獲得傳感桿長度，同時利用傳感桿能夠跟隨電極消耗而消耗，即傳感桿長度與電極長度保持一致，即可同步獲取電極長度及礦熱爐內電極深度。

51.由于超聲導波在沿傳感桿傳輸過程中如果和其他物體緊密接觸會形成回波干擾傳感桿端部，導致誤判傳感桿長度，所以傳感桿可以使用保護管進行保護。保護管還具有防止電極糊及其他物體將傳感桿包裹，防止超聲波被吸收，而接收不到回波信號的作用；同時還能利用保護管傳輸保護氣體，防止傳感桿在高溫下被其他物質提前氧化而消耗。本發(fā)明所選擇的保護氣體，具有在高溫環(huán)境中，不與傳感桿發(fā)生化學反應的能力，同時保護了保護管內的傳感桿與空氣以及礦熱爐氣體隔絕，不被氧化。本發(fā)明中，傳感桿的下端部處于礦熱爐料的空腔內，空腔橫截面遠大于保護管的橫截面，保護氣體失去了對傳感桿的高溫保護作用，在高溫下這些物質迅速的將傳感桿氧化，從而使傳感桿的下端面與保護管的下端面持平，而保護管的金屬、石墨、陶瓷等材料與空腔內高溫氣體反應，使保護管與電極下端面也持平，從而保證了本發(fā)明的電極深度測量的實現(xiàn)。由于爐子氣體的作用會導致傳感桿提前氧化，在通孔內通惰性氣體或者氮氣，既可以防止高溫氧化對測量精度的影響，也可以進

一步降低通孔內溫度，加大通孔與空腔的溫度差，提高測量的精度。同時，保護管內通有保護氣體，還可以指示保護管是否處于通暢的狀態(tài)，因為如果端頭被融化，則會導致保護管內保護氣體壓力升高；并且還兼具吹開短暫封堵的端頭的作用。

52.另外，傳感桿102上每隔δl距離設置一個凹槽或突出物，用于反射超聲導波，如圖6所示；最接近傳感桿102下端面的凹槽或突出物為第n個凹槽或突出物，其距離傳感桿102下端面的距離為s，s《δl；超聲導波沿傳感桿102傳輸，每個凹槽或突出物均生成反射波。

53.傳感桿總長度h為：

54.(1)傳感桿頂端到最下端凹槽或突出物的距離為：n

×

δl；

55.(2)傳感桿第n個凹槽或突出物距離傳感桿下斷面距離距離傳感桿下斷面距離

56.傳感桿總長度

57.其中，為超聲導波下端平均速度；

58.ts為傳感桿下端面反射波的接收時間；tn為第n個凹槽或突出物反射波的接收時間；

59.(3)電極在礦熱爐內的深度d＝h-h；

60.礦熱爐用電極201的下端部距離爐底的距離為：d＝l-d；

61.其中，h為傳感桿總長度；h為電極在礦熱爐外的長度，經(jīng)測量得到l為礦熱爐總深度；s、h、δl、h、d、d、l單位均為米(m)；ts、tn單位均為秒(s)；單位為米/秒(m/s)。

62.在礦熱爐的運行環(huán)境中，隨著電極在爐內深度的增加，電極的溫度逐步提高。與此同時，超聲導波在傳感桿上的傳輸速度隨著溫度的提高，也發(fā)生了明顯的變化。由于超聲導波的傳輸速度不恒定，為了提高傳感桿長度的測量精度，將傳感桿分段，分別獲取凹槽或突出物數(shù)量和超聲導波下端的平均速度，隨著δl的減小，測量精度得到提升。凹槽或突出物的縱剖面選自三角形、圓形或扇形、方形、多邊形和/或不規(guī)則形狀中的一種或多種；其中，δl/傳感桿總長度h可以大于1/30，或者δl/傳感桿總長度h大于1/20。δl的值取決于超聲脈沖的長度，當δl/傳感桿總長度過小，不同凹槽反射的超聲導波信號容易重疊，導致難以對凹槽的反射信號進行區(qū)分?？刂痞膌的大小利于實現(xiàn)超聲導波反射數(shù)量的統(tǒng)計，繼而獲得經(jīng)氧化消耗后的傳感桿上凹槽或突出物數(shù)量。

63.礦熱爐內溫度很高，比如礦熱爐的電極端部溫度高達1600℃-2200℃，還埋在礦熱爐料里，任何傳感器在這樣環(huán)境下都無法生存，況且電極的材質是石墨化的碳材料，長度約15-20米，任何電磁波、聲波、光波、太赫茲波都無法穿透。電極的外邊有礦熱爐料、礦熱爐磚、礦熱爐體鋼板的保護，即使采用x射線、α射線、β射線、γ射線和中子射線也需要進行電子加速方可穿透，這樣的成本在500-1000萬左右，經(jīng)濟上無法接受，同時帶來射線污染。本發(fā)明提供的利用超聲導波測量電極深度的系統(tǒng)則能穿透厚重的電極直達電極端部，同時能將探測用的波信號送至電極端部，還能取得回波信號。從而實現(xiàn)對電極長度的測量，進而實現(xiàn)對電極入礦熱爐深度的測量。

64.優(yōu)選地，如圖7所示，所述運算控制裝置包括運算控制模塊110，運算控制模塊110與大功率超聲激勵模塊105電連接和信號連接，大功率超聲激勵模塊105與傳感器匹配電路104電連接和信號連接，傳感器匹配電路104分別與換能器103和帶通濾波電路107電連接和信號連接，帶通濾波電路107與增益調整電路108電連接和信號連接，增益調整電路108與數(shù)

字采集電路109電連接和信號連接，數(shù)字采集電路109與運算控制模塊110電連接和信號連接，運算控制模塊110通過通信模塊111與人機交互模塊信號連接；其中，運算控制模塊110向大功率超聲激勵模塊105發(fā)送觸發(fā)指令，大功率超聲激勵模塊105產(chǎn)生觸發(fā)信號，所述觸發(fā)信號通過傳感器匹配電路104作用于換能器103，以使換能器103產(chǎn)生超聲導波信號，所述超聲導波信號在傳感桿102表面?zhèn)鞑ズ头瓷洌瑩Q能器103接收反射波轉換成電信號，經(jīng)傳感器匹配電路104傳輸給帶通濾波電路107，再經(jīng)增益調整電路108傳輸給數(shù)字采集電路109進行濾波和放大，最后數(shù)字采集電路109將超聲導波反射數(shù)據(jù)上傳至運算控制模塊110，運算控制模塊110對所述超聲導波反射數(shù)據(jù)進行處理，計算時間和/或距離參數(shù)，經(jīng)通信模塊111將數(shù)據(jù)處理結果傳輸給所述人機交互模塊；所述人機交互模塊還可以通過反饋機制，反向調節(jié)運算控制模塊110中的預設參數(shù)，包括末端聲速，以提高所述數(shù)據(jù)處理精度。該人機交互模塊可以調節(jié)運算控制模塊中的運算定值，比如δl長度、傳感桿下端部平均聲速、測量周期這些數(shù)據(jù)，影響運算結果。

65.所述人機交互模塊包括遠方人機交互模塊112和/或就地人機交互模塊113；遠方人機交互模塊112位于所述電極測深系統(tǒng)遠端，就地人機交互模塊113位于所述電極測深系統(tǒng)近端。

66.優(yōu)選地，如圖7所示，所述電極測深系統(tǒng)還包括保護氣體發(fā)生器114、氣體壓力調節(jié)裝置115和/或單向閥116，保護氣體發(fā)生器114與氣體壓力調節(jié)裝置115連接，氣體壓力調節(jié)裝置115與單向閥116連接，單向閥116伸入保護管101內；其中，保護氣體發(fā)生器114產(chǎn)生保護氣體，經(jīng)氣體壓力調節(jié)裝置115進行壓力變換，通過單向閥116送至傳感桿102外周，以保護所述傳感桿102不被高溫氧化。

67.優(yōu)選地，換能器103為電磁超聲換能器和/或磁致伸縮換能器和/或壓電換能器。

68.優(yōu)選地，保護管101的熔點在2000℃以上，保護管101的材質為金屬材料、石墨和/或陶瓷材料中的一種或多種；所述金屬材料選自鎢、鉬、錸、銥、鑭的單體和/或混合物中的一種或多種；所述陶瓷材料為氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、碳化硅、硅化鉬、碳化鉬、碳化鈦的單體或其混合物、氧化鋯或氧化鋁氣凝膠和/或氣凝膠纖維中的一種或多種。

69.經(jīng)過發(fā)明人多次試驗研究，所選擇的保護管的材質具有與礦熱爐用電極同步消耗的優(yōu)勢，從而保證了其內安放的傳感桿的長度，和礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度之間的緊密關聯(lián)性，進而保證了本發(fā)明電極深度測量的準確性。進一步地，金屬材質可以用來防止保護管被球狀電極糊砸壞，同時還具備防止糊狀電極糊侵蝕保護管的作用，石墨材質可以用來支撐保護管的下端部，高溫下保持順暢，防止金屬管熔融物堵塞保護管。陶瓷材質可以用來防止高溫下傳感桿與石墨發(fā)生化學反應，導致過早熔斷的目的。保護管為規(guī)則和/或不規(guī)則管狀，包括但不限于方管、圓管、橢圓管、多邊形管、不規(guī)則形狀管中的一種或多種，如圖4所示，圖4為圖3中的ⅱ處放大圖，圖4中

ⅱ?

1圖顯示了保護管101為圓管的示例，圖4中

ⅱ?

2圖顯示了保護管101為方管的示例。

70.優(yōu)選地，傳感桿102的熔點在2000℃以上，傳感桿102的材質為金屬材料、石墨和/或陶瓷材料中的一種或多種；所述金屬材料選自鎢、鉬、錸、銥、鑭的單體和/或混合物中的一種或多種；所述陶瓷材料選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、碳化硅、硅化鉬的單體和/或混合物中的一種或多種。優(yōu)選地，傳感桿102的熔點在2200℃以上，傳感桿102的材質為石墨、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、鎢、鉬的單體和/或混合物中的一種或多種。

71.經(jīng)過發(fā)明人多次試驗研究，所選擇的傳感桿的材質，能夠保證所述傳感桿具有良好的超聲導波傳輸和反射性能，一方面避免了該傳感桿在礦熱爐用電極內部融化，從而吸收超聲導波，難以形成反射波的問題；另一方面采用了高溫易氧化的材質，使得該傳感桿超出電極端頭部分能夠在高溫下被爐氣氧化，實現(xiàn)與礦熱爐用電極一起消耗，達到指示電極的位置目的，從而保證了本發(fā)明在礦熱爐內電極深度測量的準確性。

72.礦熱爐電極在工作時，在電弧與爐內氣體的作用下會在電極的端

73.部形成一個空腔，空腔大小與所冶煉的品種及爐況有關，空腔內由于電弧放電產(chǎn)生極高溫度及大量的氣體，電極端頭內部溫度約2000℃-3000℃，遠低于空腔溫度，電極下端面處于起弧位置，空腔中溫度飆升，估計在4000℃-10000℃，電極溫度曲線示意圖如圖1所示，圖1中橫軸代表電極h從頂端到低端到達空腔的溫度曲線。由圖1可知，獲取電極端部位置即為獲取電極與空腔氣體交界面的位置。

74.本發(fā)明，從電極內部預埋一個貫通的通孔，經(jīng)發(fā)明人研究，在通孔內放入一個熔點大于2000℃，優(yōu)選為2200℃的傳感桿(如圖2所示)，當傳感桿從電極的中孔內穿過后，到達電極下端面與空腔交界面的位置，突出部分將迅速熔化氧化。當電極逐漸消耗時，傳感桿即可實現(xiàn)隨著礦熱爐內電極同步消耗，此時傳感桿的長度即代表電極的長度，通過測量傳感桿長度和電極爐外的深度即可計算電極插入爐內的深度。

75.本發(fā)明提供的一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于冶煉礦石、碳質還原劑的電弧電礦熱爐和/或電阻電礦熱爐內電極測深；優(yōu)選自鐵合金礦熱爐、電石礦熱爐、黃磷礦熱爐、硅鈣礦熱爐、碳化硅礦熱爐和/或工業(yè)硅礦熱爐內電極測深。在上述礦熱爐的使用過程中，電極插入礦熱爐內深度對于冶煉工藝極為重要。冶煉工藝要求三相電極的功率中心和幾何中心重合且插入深度合理才能獲得好的冶煉效率及低的能耗，電極深度位置不合理還導致焙燒出現(xiàn)生料層，影響產(chǎn)品品質，還易引起噴料導致設備損壞及人員傷亡等事故，因此精確地獲取電極的插入深度對于礦熱爐冶煉工業(yè)安全、高效的生產(chǎn)極為必要。

76.本發(fā)明還提供了一種礦熱爐內電極測深方法，所述方法通過上述礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)實現(xiàn)，包括如下步驟：

77.步驟s1)：在傳感桿102上每隔δl距離設置一個凹槽或突出物，最接近傳感桿102下端面的凹槽或突出物為第n個凹槽或突出物，其距離傳感桿102下端面的距離為s，s《δl；如圖6所示。

78.步驟s2)：通過所述運算控制裝置獲取傳感桿102的總長度h。

79.其中，傳感桿102頂端到最下端所述凹槽或突出物的距離為：n

×

δl；傳感桿102第n個所述凹槽或突出物距離傳感桿102下端面距離則傳感桿102的總長度則傳感桿102的總長度為超聲導波下端平均速度；ts為傳感桿102下端面反射超聲導波的接收時間；tn為第n個所述凹槽或突出物反射超聲導波的接收時間。

80.步驟s3)：經(jīng)測量得到礦熱爐用電極201在礦熱爐外的長度h，則礦熱爐用電極201在礦熱爐內的深度d＝h-h，礦熱爐用電極201的下端部距離爐底的距離為：d＝l-d，l為礦熱爐總深度。

81.上述s、h、δl、h、d、d、l單位均為米(m)；ts、tn單位均為秒(s)；單位為米/秒(m/s)。

82.實施例1

83.本發(fā)明的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的一種實施方式：

84.所述電極測深系統(tǒng)包括保護管101、傳感桿102、換能器103、傳感器匹配電路104、大功率超聲激勵模塊105、存儲模塊106、帶通濾波電路107、增益調整電路108、數(shù)字采集電路109、運算控制模塊110、通信模塊111、遠方人機交互模塊112、就地人機交互模塊113、保護氣體發(fā)生器114、氣體壓力調節(jié)裝置115、單向閥116組成。

85.其中，保護管101預埋貫通于礦熱爐用電極201內，礦熱爐用電極201采用自焙電極，保護管101的材質為石墨、邊長30mm正方形狀管；傳感桿102的材質為鎢，橫截面為長徑2.5毫米，長短徑比2：1的橢圓形的柱狀，安放于保護管101中；將換能器103安裝在傳感桿102的側端面，如圖5中i-2圖所示。

86.保護氣體發(fā)生器114制取保護氣體，比如氦氣等在使用的高溫環(huán)境不與傳感桿102發(fā)生化學反應的氣體(以下簡稱保護氣)。保護氣經(jīng)氣體調節(jié)裝置115進行壓力變換后，保持通氣壓力為1.10大氣壓，通過單向閥后116送至保護管101對傳感桿102進行高溫保護。

87.遠方人機交互模塊112與就地人機交互模塊113將采集數(shù)據(jù)指令通過通信模塊111傳輸給運算控制模塊111，運算控制模塊110中的軟件向大功率超聲激勵模塊105發(fā)送信號使其產(chǎn)生觸發(fā)信號，通過傳感器匹配電路104作用于換能器103，換能器103將電信號轉換為超聲信號，超聲信號通過傳感桿102傳播至下端面產(chǎn)生反射回波，換能器103將反射的回波轉換成電信號傳輸給傳感器匹配電路104傳輸給帶通濾波電路107，再經(jīng)增益調整電路108后傳輸給數(shù)字采集電路109進行濾波和放大，存儲模塊106將數(shù)據(jù)上傳至運算控制模塊110。

88.運算控制模塊110對超聲導波反射數(shù)據(jù)進行處理計算出時間及距離等數(shù)據(jù)，比如超聲導波的接收時間t等，結合超聲導波速度ν，根據(jù)公式傳感桿總長度h＝t

×

ν/2,得到傳感桿總長度；根據(jù)拉繩測距儀測得的定制數(shù)據(jù)h，使用公式電極深度d＝h-h，得到電極在礦熱爐內的深度。

89.運算控制模塊直接將計算出時間及距離，包括傳感桿長度和電極在礦熱爐內的深度等數(shù)據(jù)，經(jīng)通信模塊111傳輸給遠方人機交互模塊112，或者經(jīng)通信模塊111傳輸給就地人機交互模塊113。

90.人機交互模塊(遠方人機交互模塊112和就地人機交互模塊113)可以將設置定值傳輸給運算控制模塊，改變運算控制模塊中的定制，便于運算控制模塊中的軟件對計算出時間及距離等數(shù)據(jù)。

91.實施例2

92.本發(fā)明的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)的另一種實施方式：

93.所述電極測深系統(tǒng)包括保護管101、傳感桿102、換能器103、傳感器匹配電路104、大功率超聲激勵模塊105、存儲模塊106、帶通濾波電路107、增益調整電路108、數(shù)字采集電路109、運算控制模塊110、通信模塊111、遠方人機交互模塊112、就地人機交互模塊113、保護氣體發(fā)生器114、氣體壓力調節(jié)裝置115、單向閥116組成。其中，保護管101預埋貫通于礦熱爐用電極201內，礦熱爐用電極201采用自焙電極，為直徑30mm的圓管。該保護管101為兩層結構，外層為石墨材料，內層為氧化鋯氣凝膠。傳感桿102的材質為鉬鑭合金，橫截面為直徑1.5毫米圓形的柱狀，安放于保護管101中；在傳感桿102上每隔100cm設置一個凹槽用于反射超聲導波，凹槽縱剖面為半圓形，將換能器103安裝在傳感桿102的上端面，如圖5中i-1

圖所示。

94.保護氣體發(fā)生器114制取保護氣體，比如氦氣等在使用的高溫環(huán)境不與傳感桿發(fā)生化學反應的氣體(以下簡稱保護氣)。保護氣經(jīng)氣體調節(jié)裝置115進行壓力變換后，保持通氣壓力為1.05大氣壓，通過單向閥后116送至保護管101對傳感桿102進行高溫保護。

95.遠方人機交互模塊112與就地人機交互模塊113將采集數(shù)據(jù)指令通過通信模塊111傳輸給運算控制模塊111，運算控制模塊110中的軟件通過大功率超聲激勵模塊105發(fā)送信號使其產(chǎn)生觸發(fā)信號，通過傳感器匹配電路104作用于換能器103，換能器103將電信號轉換為超聲信號，超聲信號通過傳感桿102傳播至下端面產(chǎn)生反射回波，換能器103將反射的回波轉換成電信號傳輸給帶通濾波電路107，再經(jīng)增益調整電路108后傳輸給數(shù)字采集電路109進行濾波和放大，然后將數(shù)據(jù)上傳至運算控制模塊110；運算控制模塊110對超聲導波反射數(shù)據(jù)進行處理計算出時間及距離等數(shù)據(jù)，比如：

96.由反射波數(shù)量和超聲導波的平均速度，得到最接近傳感器下端面的凹槽為第n個凹槽。獲取傳感桿下端面反射波的接受時間ts，和第n個凹槽反射波的接收時間tn；

97.利用公式：得到傳感桿總長度h4、h5、h6。

98.根據(jù)激光測距儀測得的定制數(shù)據(jù)h，使用公式電極深度d＝h-h，得到電極在礦熱爐內的深度。

99.運算控制模塊直接將計算出時間及距離，包括傳感桿長度和電極在礦熱爐內的深度等數(shù)據(jù)，經(jīng)通信模塊111傳輸給遠方人機交互模塊112，或者經(jīng)通信模塊111傳輸給就地人機交互模塊113。

100.人機交互模塊(遠方人機交互模塊112和就地人機交互模塊113)可以將設置定值傳輸給運算控制模塊，改變運算控制模塊中的定制，便于運算控制模塊中的軟件對計算出時間及距離等數(shù)據(jù)。

101.實施例3

102.在礦熱爐內溫度大約是1800℃-2200℃，容量為33000kva規(guī)模的電石礦熱爐內，針對自焙電極，采用不同的試驗方法，比較電極深度的測量結果。

103.現(xiàn)有技術中測量電極長度采用的對比實施方式1：

104.對自焙電極1，采用累積法，根據(jù)每天添加的電極糊以及消耗的速度推測電極長度。分別在第7天，第14天和第21天，估算自焙電極在礦熱爐內的深度，得到電極深度的大約為1.3m、0.9m、0.6m。

105.本發(fā)明提供的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)和方法的一種實施方式：

106.在自焙電極1內預埋貫通的保護管，保護管材質外層為石墨，內層為氧化鋁涂層。保護管為規(guī)則和/或不規(guī)則管狀，包括但不限于方管、圓管、橢圓管、多邊形管、不規(guī)則形狀管中的一種或多種，本實施方式中保護管為規(guī)則的圓管，內徑為30mm。傳感桿材質為鉬，橫截面的直徑為2毫米圓形的實心柱，安放于保護管內；換能器為磁致伸縮換能器，安裝在傳感桿的上端面。

107.保護管內通有保護氣體氮氣，通氣壓力為1.05個大氣壓,該保護氣體可以保護傳感桿在高溫下，在保護管內不被氧化，同時，隨著該保護氣體在傳感桿下端面的溢出，使得傳感桿下端面沒有受到保護，從而因氧化而消耗，使得該傳感桿與自焙電極保持同一長度。

108.分別在第7天、第14天、第21天采用換能器發(fā)射超聲導波，使超聲導波沿傳感桿傳

輸，超聲導波傳輸速度為5625m/s，到達傳感桿底部后反射，換能器接收反射波，轉換成電脈沖信號；獲得超聲導波的接收時間7.11ms、6.90ms、6.76ms，由超聲導波的接收時間t與超聲導波速度ν乘積的1/2，得到傳感桿總長度h為20m、19.4m、19m；由紅外測距儀，測量得到電極在礦熱爐外的長度h為18.75m、18.28m、18.00m，由傳感桿總長度h減去所述電極在礦熱爐外的長度h，得到電極在礦熱爐內的深度1.25m、1.12m、1.00m。

109.分別在第7天、第14天、第21天，使用超聲導波測量電極深度后，停工停礦熱爐，將電極抬升至下端面露出礦熱爐料，使用激光測量實際的電極長度，分別為19.95m、19.46m、19.06m。結合分別測量得到的電極在礦熱爐外的長度h，得到電極在礦熱爐內的實際深度為1.20m、1.18m、1.06m。

110.由下表1可知，使用本發(fā)明的上述超聲導波測量電極深度的方法，精準度達到95％左右，遠高于現(xiàn)有技術中使用的累積法，足以提高產(chǎn)品品質，并且也可以替代停工停礦熱爐，具有極高的社會經(jīng)濟價值。

111.表1

[0112][0113]

實施例4

[0114]

在礦熱爐內溫度大約是1800℃-2200℃，容量為33000kva規(guī)模的電石礦熱爐內，針對自焙電極，采用不同的試驗方法，比較電極深度的測量結果。

[0115]

現(xiàn)有技術中測量電極長度采用的對比實施方式2：

[0116]

對自焙電極2，采用探針法，用一根鐵釬插入礦熱爐內觸碰電極，多次插探探測電極端面，進而應用勾股定理計算電極插入深度。分別在第8天，第16天和第24天，計算、測量自焙電極在礦熱爐內的深度，得到電極深度的數(shù)據(jù)1.2m、1.0m、0.9m。

[0117]

本發(fā)明提供的礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)和方法的另一種實施方式：

[0118]

在自焙電極2內預埋貫通的保護管，保護管為規(guī)則的方形管，邊長為50mm。該保護管為石墨材料。傳感桿材質為鎢錸合金，橫截面的長為5毫米，寬為0.5毫米的長方形實心柱，安放于保護管內，長度19m；換能器為壓電換能器，安裝在傳感桿的側端面。

[0119]

在傳感桿上每隔120cm設置一個凹槽用于反射超聲導波，凹槽縱剖面為等邊三角形，將換能器安裝在傳感桿的上端面。同時由于自焙電極、保護管、傳感桿在礦熱爐內的消耗，在每天補充電極糊制作自焙電極的同時，適時補充每根1.2m長度的保護管和傳感桿，與已埋入的保護管和傳感桿通過螺紋或焊接連接。

[0120]

保護管內通有保護氣體氬氣，通氣壓力為1.05大氣壓。該保護氣體可以保護傳感桿在高溫下，在保護管內不被氧化，同時，隨著該保護氣體在傳感桿下端面的溢出，使得傳感桿下端面沒有受到保護，從而因氧化而消耗，使得該傳感桿與自焙電極保持同一長度。

[0121]

在第8天，第16天和第24天，使換能器發(fā)射超聲導波，沿傳感桿傳輸，濾除二次及以上反射波后，計算收到的一次反射波數(shù)量分別為19個、18個、19個，減去下端面反射波數(shù)量

為1，由此最接近傳感桿下端面的凹槽為第18個、第17個和第18個凹槽?？芍?，最接近傳感桿下端面的凹槽距離傳感桿上端面的距離為21.6m、20.4m、21.6m。

[0122]

模擬計算后測定超聲導波的平均速度3786m/s，獲取傳感桿下端面反射波的接受時間11.83ms、11.25ms、11.57ms，和第8天、第16天、第24天的第18個、第17個和第18個凹槽反射波的接收時間11.41ms、10.78ms、11.41ms。

[0123]

利用公式：得到傳感桿總長度分別為22.40m、21.29m、21.90m；

[0124]

使用激光測距儀，獲得電極在礦熱爐外的長度h分別為21.12m、20.11m、20.75m；

[0125]

由d＝h-h；得到電極在礦熱爐內的深度1.28m、1.18m、1.15m。

[0126]

分別在第8天、第16天、第24天，使用超聲導波測量電極深度后，停工停礦熱爐，將電極抬升至下端面露出礦熱爐料，使用激光測量實際的電極長度，分別為22.42m、21.32m、21.87m。結合分別測量得到的電極在礦熱爐外的長度h，得到電極在礦熱爐內的實際深度為1.30m、1.21m、1.12m。

[0127]

由下表2可知，使用本發(fā)明的上述超聲導波測量電極深度的方法，精準度達到97％以上，遠高于現(xiàn)有技術中使用的探針法，足以提高產(chǎn)品品質，并且也可以替代停工停礦熱爐，具有極高的社會經(jīng)濟價值。

[0128]

表2

[0129][0130]

需要聲明的是，上述發(fā)明內容及具體實施方式意在證明本發(fā)明所提供技術方案的實際應用，不應解釋為對本發(fā)明保護范圍的限定。本領域技術人員在本發(fā)明的精神和原理內，當可作各種修改、等同替換或改進。本發(fā)明的保護范圍以所附權利要求書為準。技術特征：

1.一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，所述電極測深系統(tǒng)包括保護管(101)、傳感桿(102)、換能器(103)和運算控制裝置；其中，傳感桿(102)安放在保護管(101)內，保護管(101)與傳感桿(102)一起預埋貫通于礦熱爐用電極(201)內，且保護管(101)和傳感桿(102)能夠隨礦熱爐用電極(201)同步消耗，保護管(101)內通有惰性氣體、氮氣、二氧化碳或其混合氣體；換能器(103)位于傳感桿(102)的上端面和/或側面，用于發(fā)射和/或接收超聲導波，所述超聲導波在傳感桿(102)端面反射并沿傳感桿(102)傳輸；所述運算控制裝置與換能器(103)電連接和信號連接，用于通過換能器(103)獲取超聲導波沿傳感桿(102)傳輸?shù)慕邮諘r間t與速度v，根據(jù)所述超聲導波的接收時間t與超聲導波的速度ν計算傳感桿總長度h，并且將所述傳感桿總長度h減去所述礦熱爐用電極在礦熱爐外的長度h來確定所述礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度d。2.如權利要求1所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，礦熱爐用電極(201)包括自焙電極、石墨電極和碳素電極。3.如權利要求1所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，換能器(103)為電磁超聲換能器和/或磁致伸縮換能器和/或壓電換能器。4.如權利要求1所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，保護管(101)的熔點在2000℃以上，保護管(101)的材質為金屬材料、石墨和/或陶瓷材料中的一種或多種；所述金屬材料選自鎢、鉬、錸、銥、鑭的單體和/或混合物中的一種或多種；所述陶瓷材料為氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、碳化硅、硅化鉬、碳化鉬、碳化鈦的單體或其混合物、氧化鋯或氧化鋁氣凝膠和/或氣凝膠纖維中的一種或多種。5.如權利要求1所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，傳感桿(102)的熔點在2000℃以上，傳感桿(102)的材質為金屬材料、石墨和/或陶瓷材料中的一種或多種；所述金屬材料選自鎢、鉬、錸、銥、鑭的單體和/或混合物中的一種或多種；所述陶瓷材料選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、碳化硅、硅化鉬的單體和/或混合物中的一種或多種。6.如權利要求5所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，傳感桿(102)的熔點在2200℃以上，傳感桿(102)的材質為石墨、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、鎢、鉬的單體和/或混合物中的一種或多種。7.如權利要求1所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感桿(102)上每隔δl距離設置一個凹槽或突出物，用于反射所述超聲導波；最接近所述傳感桿(102)下端面的凹槽或突出物為第n個凹槽或突出物，其距離所述傳感桿(102)下端面的距離為s，s<δl；所述超聲導波沿所述傳感桿(102)傳輸，每個所述凹槽均生成反射波；所述傳感桿總長度h為：(1)所述傳感桿頂端到最下端凹槽或突出物的距離為：n

×

δl；(2)所述傳感桿第n個凹槽或突出物距離所述傳感桿下斷面距離所述傳感桿總長度其中，為超聲導波下端平均速度；ts為傳感桿下端面反射波的接收時間；tn為第n個凹槽或突出物反射波的接收時間；(3)所述礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度d＝h-h；

礦熱爐用電極(201)的下端部距離爐底的距離為：d＝l-d；其中，h為所述傳感桿總長度；h為所述礦熱爐用電極在礦熱爐外的長度，經(jīng)測量得到；l為礦熱爐總深度；s、h、δl、h、d、d、l單位均為米(m)；ts、tn單位均為秒(s)；單位為米/秒(m/s)。8.如權利要求1所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，所述運算控制裝置包括運算控制模塊(110)，運算控制模塊(110)與大功率超聲激勵模塊(105)電連接和信號連接，大功率超聲激勵模塊(105)與傳感器匹配電路(104)電連接和信號連接，傳感器匹配電路(104)分別與換能器(103)和帶通濾波電路(107)電連接和信號連接，帶通濾波電路(107)與增益調整電路(108)電連接和信號連接，增益調整電路(108)與數(shù)字采集電路(109)電連接和信號連接，數(shù)字采集電路(109)與運算控制模塊(110)電連接和信號連接，運算控制模塊(110)通過通信模塊(111)與人機交互模塊信號連接；其中，運算控制模塊(110)向大功率超聲激勵模塊(105)發(fā)送觸發(fā)指令，大功率超聲激勵模塊(105)產(chǎn)生觸發(fā)信號，所述觸發(fā)信號通過傳感器匹配電路(104)作用于換能器(103)，以使換能器(103)產(chǎn)生超聲導波信號，所述超聲導波信號在傳感桿(102)表面?zhèn)鞑ズ头瓷?，換能器(103)接收反射波轉換成電信號；經(jīng)傳感器匹配電路(104)傳輸給帶通濾波電路(107)，再經(jīng)增益調整電路(108)傳輸給數(shù)字采集電路(109)進行濾波和放大，最后數(shù)字采集電路(109)將超聲導波反射數(shù)據(jù)上傳至運算控制模塊(110)；運算控制模塊(110)對所述超聲導波反射數(shù)據(jù)進行處理，計算時間和/或距離參數(shù)，經(jīng)通信模塊(111)將數(shù)據(jù)處理結果傳輸給所述人機交互模塊；所述人機交互模塊還可以通過反饋機制，反向調節(jié)運算控制模塊(110)中的預設參數(shù)，以提高所述數(shù)據(jù)處理精度。9.如權利要求8所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，所述人機交互模塊包括遠方人機交互模塊(112)和/或就地人機交互模塊(113)；遠方人機交互模塊(112)位于所述電極測深系統(tǒng)遠端，就地人機交互模塊(113)位于所述電極測深系統(tǒng)近端。10.如權利要求1-9任一所述的電極測深系統(tǒng)，其特征在于，所述電極測深系統(tǒng)還包括保護氣體發(fā)生器(114)、氣體壓力調節(jié)裝置(115)和/或單向閥(116)；保護氣體發(fā)生器(114)與氣體壓力調節(jié)裝置(115)連接，氣體壓力調節(jié)裝置(115)與單向閥(116)連接，單向閥(116)伸入保護管(101)內；其中，保護氣體發(fā)生器(114)產(chǎn)生保護氣體，經(jīng)氣體壓力調節(jié)裝置(115)進行壓力變換，通過單向閥(116)送至傳感桿(102)外周，以保護所述傳感桿(102)不被高溫氧化。11.一種利用如權利要求1-10任一所述的電極測深系統(tǒng)的礦熱爐內電極測深方法，其特征在于，所述礦熱爐內電極測深方法包括如下步驟：步驟s1)：在傳感桿(102)上每隔δl距離設置一個凹槽或突出物，最接近傳感桿(102)下端面的凹槽或突出物為第n個凹槽或突出物，其距離傳感桿(102)下端面的距離為s，s<δl；步驟s2)：通過所述運算控制裝置獲取傳感桿(102)的總長度h；其中，傳感桿(102)頂端到最下端所述凹槽或突出物的距離為：n

×

δl；傳感桿(102)第n個所述凹槽或突出物距離傳感桿(102)下端面距離則傳感桿(102)的總長度長度長度為超聲導波下端平均速度；ts為傳感桿(102)下端面反

射超聲導波的接收時間；tn為第n個所述凹槽或突出物反射超聲導波的接收時間；步驟s3)：經(jīng)測量得到礦熱爐用電極(201)在礦熱爐外的長度h，則礦熱爐用電極(201)在礦熱爐內的深度d＝h-h；礦熱爐用電極(201)的下端部距離爐底的距離為：d＝l-d，l為礦熱爐總深度；其中，s、h、δl、h、d、d、l單位均為米(m)；ts、tn單位均為秒(s)；單位為米/秒(m/s)。

技術總結

本發(fā)明提供了一種礦熱爐用電極的電極測深系統(tǒng)和方法，包括保護管、傳感桿、換能器和運算控制裝置；傳感桿安放在保護管內，保護管與傳感桿一起預埋貫通于礦熱爐用電極內，能夠隨礦熱爐用電極同步消耗，保護管內通有惰性氣體、氮氣、二氧化碳或其混合氣體；換能器位于傳感桿的上端面和/或側面，用于發(fā)射和/或接收超聲導波；所述運算控制裝置與換能器電連接和信號連接，用于通過換能器獲取超聲導波沿傳感桿傳輸?shù)臅r間與速度，計算傳感桿的長度以及礦熱爐用電極在礦熱爐內的深度。本發(fā)明的電極測深系統(tǒng)可以有效精確地、不需要停產(chǎn)停爐或人為干預地獲取爐內電極深度，達到優(yōu)化工藝操作、節(jié)約電能、提高產(chǎn)品品質及減少安全風險的目的。提高產(chǎn)品品質及減少安全風險的目的。提高產(chǎn)品品質及減少安全風險的目的。

技術研發(fā)人員：鄭元彬

受保護的技術使用者：北京超測智能系統(tǒng)有限公司

技術研發(fā)日：2020.12.29

技術公布日：2022/6/30