一种用于测量等离子体熔融炉熔渣层厚度的方法与流程

本发明涉及一种用于测量等离子体熔融炉熔渣层厚度的方法。

背景技术：

直流等离子体电弧熔融技术是目前比较常用的飞灰或无机废弃物熔融炉方式。通过直流电弧产生的热能，将飞灰或无机废弃物熔融。典型的炉型结构为单电极直流电弧炉，如图1所示。无论是传统单电极直流电弧炉或者双电极直流电弧炉，熔池都由上层的熔渣层和下层的金属层构成。直流电弧炉中，直流电流流经熔渣层产生的焦耳热均是熔融废弃物的主要能量来源。数值模拟表明，熔渣层内焦耳热并非沿深度方向线性分布，如图2所示。在熔渣层表面附近，焦耳热集中分布，当达到一定深度后，焦耳热占比急剧降低，可以忽略。这种与深度非线性相关的分布特性说明存在一个临界深度。若熔渣层厚度大于临界深度，焦耳热几乎不再增加；若熔渣层厚度小于临界深度，焦耳热会显著降低。为匹配电弧功率与废弃物投料速率，需要实时监测熔渣层厚度数据。该厚度可以清晰地指明焦耳热的输入情况，指导电弧、投料工艺参数的调整，确定排金属工艺的时间窗口。

截至目前，已存在熔渣层厚度测量相关的专利申请文件。典型的，如日立公司的申请号为jph10332268和申请号为jph11173531的发明专利。

申请号为jph10332268的发明专利实际测量的是炉底的金属层厚度。先将电极底端触底，随后上升电极。由于金属层内无电位降，电源电压明显增加的时刻即为电极底端脱离金属层的时刻。通过计算电极在金属层内的行程，即可得到金属层厚度。熔融达到溢流状态后，熔池的总高度是一定的。因此通过金属层厚度，可以得到对应的熔渣层厚度。

申请号为jph11173531的发明专利实际测量的是熔渣层厚度达到临界深度的时刻。熔渣层厚度与熔渣层内的电压也有类似焦耳热的非线性分布规律，当熔渣层厚度低于临界深度时，电源电压显著降低。因此，监测到电源电压低于临界值即说明熔渣层厚度已低于临界深度。

上述的测量方法均不能满足实时监测熔渣层厚度的目的，原因是：

申请号为jph10332268的发明专利只能在熔池达到溢流状态后才能得到熔渣层厚度数据。在达到溢流状态前，无法通过金属层厚度推算熔渣层厚度。另外，长期烧蚀的石墨电极底端细长，触底时有断裂风险。

申请号为jph10332268的发明专利只关注熔渣层厚度是否达到临界深度，同样只适用于溢流状态。该方法既不能实时监测，也不能得到真实的厚度数据。

现有专利或方法均不能解决实时监测熔渣层厚度的工艺要求。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种用于测量等离子体熔融炉熔渣层厚度的方法。

本发明的技术方案为：一种用于测量等离子体熔融炉熔渣层厚度的方法，熔融熔池内包含有熔渣层和金属层，金属层位于熔渣层下方，熔融熔池内竖直设置有石墨电极，石墨电极的顶端伸出熔融熔池与电源连接，电源与底电极连接，底电极设置在熔融熔池的底部，电源、石墨电极、底电极、熔融熔池构成回路；石墨电极与驱动升降装置连接，驱动升降装置驱动石墨电极在熔融熔池内作升降运动，石墨电极的底端经过接触金属层、脱离金属层、脱离熔渣层的步骤后，通过电压变化情况，计算石墨电极底端在不同区域的行程，即为熔渣层厚度值。

进一步地，石墨电极底端通过接触金属层、脱离金属层、脱离熔渣层的步骤为：

步骤一：驱动升降装置降低石墨电极，直至石墨电极的底端与金属层接触，电弧系统短路，电源电压值为电流值；

步骤二：驱动升降装置提升石墨电极，使石墨电极的底端脱离金属层，将石墨电极的底端位于熔渣层内，电源电压为电流通道的电压；

步骤三：继续驱动升降装置提升石墨电极，将石墨电极的底端脱离熔渣层的上端面，电弧重新引燃，电弧存在于石墨电极的底端和熔渣层的上端面之间，电源电压为电弧和电流通道的电压之和；

步骤四：由步骤一至步骤三中的电源电压变化数据，计算石墨电极底端在熔渣层内的行程s。

进一步地，所述石墨电极的底端脱离金属层的上端面时，电压从短路开始增长的时刻即为石墨电极的底端在熔渣层行程的起始时刻，记作t1；石墨电极的底端脱离熔渣层的上端面时，电压开始出现负斜率的时刻即为石墨电极底端在熔渣层行程的终止时刻，记作t2，升降装置提升速率记作v，通过公式s＝v×(t2-t1)，s即为即为熔渣层厚度。

进一步地，当石墨电极为阴极，底电极为阳极时，电源负极与石墨电极连接，电源正极与底电极连接。

进一步地，当石墨电极为阳极，底电极为阴极时，电源正极与石墨电极连接，电源负极与底电极连接。

本发明的有益效果为：

1.在溢流和非溢流工况下测量真实熔渣层厚度数据；

2.操作方法和判读方式简单、可靠，便于操作和后续自动化实现；

3.电极底端无需接触炉底，无电极折断风险。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是现有的单电极直流电弧炉。

图2是对图1中熔渣层内焦耳热功率分布规律。

图3是本发明石墨电极的底端与金属层接触时的示意图。

图4是本发明石墨电极的底端位于熔渣层内的示意图。

图5是本发明石墨电极的底端脱离熔渣端面时的示意图。

图6是图3-图5过程中的电源电压变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。

一种用于测量等离子体熔融炉熔渣层厚度的方法，可用于多种石墨电极结构的直流电弧炉，包含但不限于单电极直流电弧炉。通过使石墨电极底端处于气相空间、熔渣层、金属层三个不同区域时，电源电压会表现出明显差异来进行实时监测熔渣层的厚度。

熔融熔池1内包含有熔渣层2和金属层3，金属层3位于熔渣层2下方，熔融熔池1内竖直设置有石墨电极4，石墨电极4的上端伸出熔融熔池1与电源5连接，电源5与底电极6连接，底电极6设置在熔融熔池1的底部，电源5、石墨电极4、底电极6、熔融熔池1构成回路。石墨电极4与驱动升降装置连接，驱动升降装置驱动石墨电极4在熔融熔池1内作升降运动。石墨电极4底端通过接触金属层3、脱离金属层3、脱离熔渣层2，通过判读电压变化情况，即可计算石墨电极4底端在不同区域的行程，也即熔渣层厚度值。

步骤为：

步骤一：驱动升降装置降低石墨电极4，如图3所示，直至石墨电极4的底端与金属层3接触，此时电弧系统短路，电源电压仅取决于电流值，电源电压维持在数十伏，且几乎不随电极继续下降而变化。

步骤二：驱动升降装置提升石墨电极4，如4图所示，使石墨电极4的底端脱离金属层3，将石墨电极4的底端位于熔渣层2内，此时电源电压为电流通道7的电压，该电压随石墨电极4底端和底电极6之间的距离变长而单调增加。

步骤三：继续驱动升降装置提升石墨电极4，如图5所示，将石墨电极4的底端提升至熔渣层2的上方，脱离熔渣的表面。电弧8重新引燃，电弧8存在于石墨电极4的底端和熔渣层2的上端面之间，电源电压为电弧8和电流通道6的电压之和。电源电压总体上升，并处于快速波动状态。

步骤四：如图6所示，由步骤一至步骤三中的电源电压变化数据，计算石墨电极4底端在熔渣层2内的行程s。

在石墨电极4的底端脱离金属层3的上端面时，电压从短路开始增长的时刻即为石墨电极4的底端在熔渣层2行程的起始时刻，记作t1；在石墨电极4的底端脱离熔渣层2的上端面时，电压开始出现负斜率的时刻即为石墨电极4底端在熔渣层2行程的终止时刻，记作t2，升降装置提升速率记作v，通过公式s＝v×(t2-t1)，计算出石墨电极4的底端在熔渣层2的行程，s即为即为熔渣层厚度。

当石墨电极为阴极，底电极为阳极时，电源负极与石墨电极连接，电源正极与底电极连接。当石墨电极为阳极，底电极为阴极时，电源正极与石墨电极连接，电源负极与底电极连接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。