專利名稱：電弧特性檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測裝置，尤其涉及可開展電弧實驗和在實際生產領域中對電弧 特性進行檢測的裝置及其檢測方法。
背景技術：
在冶金技術領域，很多冶金爐均采用高溫電弧作為熱源熔化和加熱爐內材料。在 常規冶金爐(電弧爐、LF鋼包精煉爐)冶煉過程中，電弧特性(電弧功率、包含長短電弧和 粗細電弧的電弧形貌、電弧溫度等)，不僅影響冶金爐電效率和熱效率，而且還影響冶金爐 的埋弧效果，從而影響鋼水質量和冶金爐耐火材料壽命，此外，電弧特性對冶金爐的穩定操 作至關重要。由于冶金爐內爐渣的作用及采用泡沫渣操作，因此爐內的電弧行為及特性無 法直接測量或通過觀測獲得，造成實際操作過程中隨意性大，自動化水平低，影響生產效率 和生產成本。專利CN1186640C提供了一種電弧監測系統，該系統可以從所監測的電波特性波 中基本上消除交流電基波及諧波。公開號為CN1080057A的專利提供了一種電弧檢測裝置， 其弧流傳感器的輸出經放大整流器分別與弧流、弧壓曲線模擬器相接，弧壓信號發生器的 輸出與弧壓曲線模擬器相接，弧流、弧壓曲線模擬器的輸出經差動運算放大器與反相器相 接。用于解決電弧檢測不準確的問題。公開號為CN1U9809A的專利提供了一種利用電流變 化檢測電弧的方法和裝置。該方法通過檢測交流電流周期到周期的改變來提供電弧檢測。上述各專利可以檢測電弧的某些特性，但無法實現對電弧形貌即長短電弧和粗細 電弧檢測的需要。
發明內容
鑒于上述存在的問題和要求，本發明提供一種電弧特性檢測裝置及其檢測方法， 不僅可在冶金領域的實際生產中對冶金爐冶煉過程檢測電弧功率、電弧溫度，而且可檢測 電弧形貌，另可進行電弧實驗。為實現上述目的，本發明的可進行電弧實驗的電弧特性檢測裝置，具有電源(14)、 各自一端分別與該電源的正極和負極相連的正極導線(15)和負極導線(15’)、與所述正極 導線的另一端連接的底電極(5)以及與設在該底電極端面上的電壓和電流互感器連接的 信號采集轉化器(7)，其特征在于，還具有支撐立柱(17)；電極把持器(16)，其安裝在所 述支撐立柱上端并可沿該支撐立柱上下移動；石墨電極(1)，其一端支撐在所述電極把持 器的一端(16a)上并與經所述電極把持器另一端(16b)的所述負極導線另一端連接；光柵 (2)和電弧攝像機G)，它們各自面對所述石墨電極另一端與所述底電極端面之間所形成 的電弧產生區C3)而設置；固定在所述支撐立柱下端部上的絲杠支撐桿(18)；絲桿(9)，其 一端(9a)支撐在所述絲桿支撐桿上，另一端(9b)與所述電極把持器另一端螺合并伸出；安 裝在所述絲桿另一端頂端上的光電編碼器(10)；以及計算機(8)，其分別通過電壓電流信 號線(7’ )與所述信號采集轉化器相連、通過電弧溫度信號線(2’ )與所述光柵相連、通過電弧外觀形貌信號線(6)與所述電弧攝像機相連、通過電弧長度信號線(10’ )與所述光電 編碼器相連。上述結構中，所述石墨電極是實心石墨，所述攝像機是高速攝像機，所述支撐立柱 底端設有底盤(19)。另外，在所述石墨電極一端設有供氣管路(13)，并在該供氣管路上設有壓力表 (12)、流量計(11)和閥門(未圖示)。所述石墨電極是中空石墨。本發明電弧特性檢測裝置的檢測方法，具有如下步驟1)轉動所述絲桿，使所述電極把持器升降以使所述石墨電極升降，檢查各部件動 作是否正常；2)打開所述計算機，啟動電弧檢測主程序，確定各所述信號采集是否正常；3)啟動所述計算機的采集程序，設定每次取樣間隔時間等；4)在對所述電壓和電流互感器設定電壓和電流后，使所述石墨電極下降，使其底 端與所述底電極端面之間相隔距離而形成所述電弧產生區；5)當所述石墨電極是實心石墨時，關閉所述供氣管路上的閥門，利用所述電源進 行通電起弧；6)從通電開始到電弧穩定后，利用所述信號采集轉化器、所述光柵和所述攝像機 來監測采集電弧電壓、電流、電弧形貌信息，所述計算機將這些信息存儲進入數據庫中；7)停止所述計算機的電弧檢測主程序，結束通電，檢測結束；8)啟動所述計算機的后續處理程序，利用該程序從數據庫中讀出每一時刻電弧形 貌、弧長、偏角及對應的電壓、電流；9)相關數據讀取完畢后，進行分析。若上述步驟的第5)步驟中所述石墨電極為中空石墨而進行電弧特性實驗時，則 打開所述供氣管路上的閥門，向所述中空石墨吹入氣體，并根據實驗要求確定利用所述電 源進行通電起弧的時間，到達預定時間且進入所述第7)步驟后，在斷開所述電源前，先抬 升所述中空石墨，然后斷電。上述的氣體是Ar氣體，或者是Ar+H2的混合氣體。本發明的上述電弧特性檢測裝置，操作簡便、靈活，可控性強，不僅可檢測電弧電 壓、電流、電弧溫度而且可檢測電弧形貌(弧長、弧粗細)等，對于研究電弧爐、LF鋼包精煉 爐和等離子爐等電弧加熱的冶金爐中的電弧行為非常有意義，根據檢測狀況可采取不同措 施，有利于提高鋼水質量和冶金爐耐火材料壽命。
圖1是表示本發明的電弧特性檢測裝置的結構示意圖。圖2是圖1左部的石墨電極1和底電極5部分的表示檢測電弧時電弧形貌的電弧 長度L、電弧根部直徑Rl和電弧端部直徑R2等參數的示意圖。圖3是表示采用中空石墨(電極)噴吹Ar+H2混合氣體過程中連續檢測的電壓和 電流情況的實驗結果。圖4是表示采用實心石墨(電極)實驗過程中連續檢測的電壓和電流情況的實驗結果。
圖5是表示采用中空石墨(電極)噴吹Ar氣體過程中連續檢測的電壓和電流情 況的實驗結果。
具體實施例方式下面，對本發明的電弧特性檢測裝置的結構、優點和效果根據附圖來詳細說明。如圖1所示，本發明的電弧特性檢測裝置，具有電源14、各自一端分別與該電源14 的正極和負極(未圖示)相連的正極導線15和負極導線15’、與正極導線的另一端連接的 底電極5以及與設在該底電極5端面(未圖示)上的電壓和電流互感器(未圖示)連接的 信號采集轉化器7。在上述裝置中，還具有支撐立柱17 ；電極把持器16，其安裝在支撐立柱17上端 (未圖示)并可沿該支撐立柱17上下移動；石墨電極1，其一端(未圖示)支撐在電極把持 器16的一端16a上并與經電極把持器16另一端16b的負極導線另一端連接；光柵2和電 弧攝像機4，它們各自面對石墨電極1另一端(即底端，未圖示)與底電極5端面之間所形 成的電弧產生區3而設置；固定在支撐立柱17下端部(未圖示)上的絲杠支撐桿18 ；絲桿 9，其一端9a支撐在絲桿支撐桿18上，另一端9b與電極把持器16另一端16b螺合并伸出； 安裝在絲桿9另一端9b頂端上的光電編碼器10 ；以及計算機8，其分別通過電壓電流信號 線V與信號采集轉化器7相連、通過電弧溫度信號線2’與光柵2相連、通過電弧外觀形貌 信號線6與電弧攝像機4相連、通過電弧長度信號線10’與光電編碼器10相連。(在冶金爐中對電弧特性的檢測)在實際生產的冶金爐中對電弧特性進行檢測時，上述結構中石墨電極1是實心石 墨，攝像機4是一種高速攝像機，支撐立柱17底端設有底盤19，以使支撐立柱17穩固。石墨電極1(陰極)和底電極5(陽極)之間通電起弧后，產生電弧產生區3。電弧 溫度測定通過放在光柵2后的CCD測定器(未圖示)測定并送入計算機8進行存儲。電弧 的電壓和電流經電壓和電流互感器送入信號采集轉化器7，再經電壓電流信號線V將采集 到的信號送入計算機8進行存儲。電弧的外觀形貌通過高速攝像機4連續采集后經電弧外 觀形貌信號線6傳輸送到計算機8進行存儲。電弧長度L (參照圖2、可以通過安裝在絲杠 9頂端(未圖示)的光電編碼器10測量后傳入計算機8進行存儲。采用光電編碼器10測量電弧長度L的方法是，通電起弧前，將石墨電極1 (實心石 墨)下降使其與底電極5接觸，通過光電編碼器10記錄此時絲杠9的位置，記為電弧長度 L為零的位置。然后提升石墨電極1并通電起弧，產生電弧產生區3，隨著石墨電極1的提 升，絲杠9旋轉，光電編碼器10與旋轉的絲杠9同軸聯結并同步旋轉，光電編碼器10與計 算機8相連接，由光電編碼器10記錄絲杠9旋轉過程的機械幾何位移量，并把該機械幾何 位移量轉換成數字量，將此數字量通過電弧長度信號線10’而輸出至計算機8，從而測量出 電弧產生區3的電弧長度L。簡單來說，用電弧特性檢測裝置對電弧特性進行檢測的檢測方法大致具有如下步 驟1)轉動絲桿9，使電極把持器16升降以使石墨電極1升降，檢查各部件動作是否 正常；2)打開計算機8，啟動電弧檢測主程序(專用程序)，確定上述各信號采集是否正常；3)啟動計算機8的采集程序，設定每次取樣間隔時間等；4)在對所述電壓和電流互感器設定電壓和電流后，使石墨電極1下降，使其底端 (未圖示)與底電極5端面(未圖示)之間相隔距離而形成電弧產生區3 ；5)當石墨電極1是實心石墨時，關閉供氣管路13上的閥門，利用電源14進行通電 起弧；6)從通電開始到電弧穩定后，利用信號采集轉化器7、光柵2和攝像機4來監測采 集電弧電壓、電流、電弧形貌信息，計算機8將這些信息存儲進入數據庫中；7)停止計算機8的電弧檢測主程序，結束通電，檢測結束；8)啟動計算機8的后續處理程序(專用程序)，利用該程序從數據庫中讀出每一 時刻電弧形貌、弧長、偏角(電弧偏弧角度)及對應的電壓、電流；9)相關數據讀取完畢后，進行分析。(電弧特性的實驗)在上述結構中，可在石墨電極1 一端設有供氣管路13，并在該供氣管路13上設有 壓力表12、流量計11和閥門(未圖示)，把石墨電極1換作中空石墨，這種結構可進行電弧 特性的實驗。攝像機4也可用高速攝像機，支撐立柱17底端設有底盤19，以使支撐立柱17 穩固。當要進行電弧特性實驗時，則上述裝置的檢測方法的第5)步驟中將石墨電極1更 換為中空石墨，打開裝置的供氣管路13上的閥門，向中空石墨吹入氣體，并根據實驗要求 確定利用14電源進行通電起弧的時間，到達預定時間且進入所述第7)步驟后，在斷開14 電源前，先抬升中空石墨，然后斷電。S卩，在利用電源14進行通電而在電弧產生區3起弧時，從供氣管路13向石墨電極 1(中空石墨)中吹入氣體(Ar氣體或Ar+吐混合氣體)，氣體經石墨電極1進入電弧產生 區3，從而對電弧特性產生影響。吹氣實驗過程中，其他參數按上述傳統方法采集。其它流 量和壓力等參數通過相關采集器實時送入計算機8進行存儲。通過上述裝置可以直接測量到的電弧參數為電弧電壓U、電流I、電弧長度L。電弧功率P可以通過下式經過計算得到P = UI電弧電阻R可以通過下式經過計算得到R = U/I電弧形貌特征是圖2所示的電弧長度L、電弧根部直徑Rl和電弧端部直徑R2。通 過拍攝來獲取電弧長度L、電弧根部直徑Rl和電弧端部直徑R2以及其它如電弧粗細、是否 偏弧等圖像，并從圖片中對圖像進行分析測量而得到這些參數。實驗例1本實驗1為采用中空電極噴吹Ar+H2混合氣體過程的實驗結果。通過對電弧的 各項數據測量可以得出此時的電弧長度L為52. 3mm,電弧根部直徑Rl為17. 9mm,電弧端 部直徑R2為36. 7mm，此時電弧溫度為5840K，電弧基本呈略微偏弧狀態，電弧偏弧角度為 12° (未圖示)。圖3為此實驗過程中連續檢測的電壓和電流情況，對應時刻的電弧電壓為 57. 7V,電流為1389. 5A。電弧功率為80. 174kW。電弧電阻為0. 0415 Ω。
實驗例2本實驗2為采用實心電極實驗過程的實驗結果。通過對電弧的各項數據測量可以 得出此時電弧長度L為38. 9mm,電弧根部直徑Rl為13. 6mm,電弧端部直徑R2為30. 6mm，此 時電弧溫度為6241K，電弧基本呈嚴重偏弧狀態，電弧偏弧角度為45°。圖4為此實驗過程 中連續檢測的電壓和電流情況，對應時刻的電弧電壓為68. 2V，電流為1413A。電弧功率為 96. 37kW。電弧電阻為 0. 0483 Ω。實驗例3本實驗3為采用中空電極噴吹Ar氣體過程的實驗結果。通過對電弧的各項數據 測量可以得出此時電弧長度L為28. 2mm,電弧根部直徑Rl為15. 6mm,電弧端部直徑R2為7mm，此時電弧溫度為4932K，電弧基本呈略微偏弧狀態，電弧偏弧角度為4°。圖5為此 實驗過程中連續檢測的電壓和電流情況，對應時刻的電弧電壓為50. 2V，電流為1457. 7A。 電弧功率為73. 176kW。電弧電阻為0. 0344 Ω。采用上述檢測裝置，可以在陰極和陽極間產生電弧，并可以檢測電弧電壓、電流、 弧形貌(弧長、弧粗細)、弧溫度等電弧特性參數；可將電弧電壓和電流等采集并存入計算機中；由于采用攝像機實時采集拍攝產生于陰極和陽極間的電弧形貌，并將其傳輸送入 計算機中，然后通過圖像處理軟件對連續采集的圖像或拍照的電弧形貌圖片進行評測分 析，從而得出不同時刻或不同供電參數下的電弧弧長、電弧粗細等電弧形貌參數；在采用中空石墨電極吹氣時，可以研究電極吹氣對電弧行為的影響，對于研究電 弧爐、LF鋼包精煉爐和等離子爐等電弧加熱的冶金爐中的電弧行為非常有意義，有利于提 高鋼水質量和冶金爐耐火材料壽命。本電弧特性檢測裝置可以在有電弧爐、LF鋼包精煉爐的鋼鐵企業推廣使用。
權利要求
1.一種電弧特性檢測裝置，具有電源(14)、各自一端分別與該電源的正極和負極相連 的正極導線(15)和負極導線(15’)、與所述正極導線的另一端連接的底電極(5)以及與 設在該底電極端面上的電壓和電流互感器連接的信號采集轉化器(7)，其特征在于，還具 有支撐立柱(17)；電極把持器(16)，其安裝在所述支撐立柱上端并可沿該支撐立柱上下 移動；石墨電極(1)，其一端支撐在所述電極把持器的一端(16a)上并與經所述電極把持器 另一端(16b)的所述負極導線另一端連接；光柵(2)和電弧攝像機G)，它們各自面對所述 石墨電極另一端與所述底電極端面之間所形成的電弧產生區( 而設置；固定在所述支撐 立柱下端部上的絲杠支撐桿(18)；絲桿(9)，其一端(9a)支撐在所述絲桿支撐桿上，另一端 (9b)與所述電極把持器另一端螺合并伸出；安裝在所述絲桿另一端頂端上的光電編碼器 (10)；以及計算機(8)，其分別通過電壓電流信號線(7’)與所述信號采集器相連、通過電弧 溫度信號線(2’ )與所述光柵相連、通過電弧外觀形貌信號線(6)與所述電弧攝像機相連、 通過電弧長度信號線(10’ )與所述光電編碼器相連。
2.如權利要求1所述的電弧特性檢測裝置，其特征在于，所述石墨電極是實心石墨。
3.如權利要求1所述的電弧特性檢測裝置，其特征在于，在所述石墨電極一端設有供 氣管路(13)，并在該供氣管路上設有壓力表(12)、流量計(11)和閥門。
4.如權利要求3所述的電弧特性檢測裝置，其特征在于，所述石墨電極是中空石墨。
5.如權利要求1所述的電弧特性檢測裝置，其特征在于，所述攝像機是高速攝像機。
6.如權利要求1 5中任一項所述的電弧特性檢測裝置，其特征在于，所述支撐立柱底 端設有底盤(19)。
7.—種如權利要求1所述的電弧特性檢測裝置的檢測方法，其特征在于，具有如下步驟1)轉動所述絲桿，使所述電極把持器升降以使所述石墨電極升降，檢查各部件動作是 否正常；2)打開所述計算機，啟動電弧檢測主程序，確定各所述信號采集是否正常；3)啟動所述計算機的采集程序，設定每次取樣間隔時間等；4)在對所述電壓和電流互感器設定電壓和電流后，使所述石墨電極下降，使其底端與 所述底電極端面之間相隔距離而形成所述電弧產生區；5)當所述石墨電極是實心石墨時，關閉所述供氣管路上的閥門，利用所述電源進行通 電起弧；6)從通電開始到電弧穩定后，利用所述信號采集轉化器、所述光柵和所述攝像機來監 測采集電弧電壓、電流、電弧形貌信息，所述計算機將這些信息存儲進入數據庫中；7)停止所述計算機的電弧檢測主程序，結束通電，檢測結束；8)啟動所述計算機的后續處理程序，利用該程序從數據庫中讀出每一時刻電弧形貌、 弧長、偏角及對應的電壓、電流；9)相關數據讀取完畢后，進行分析。
8.如權利要求7所述的電弧特性檢測裝置的檢測方法，其特征在于，當第5)步驟中所 述石墨電極為中空石墨而進行電弧特性實驗時，打開所述供氣管路上的閥門，向所述中空 石墨吹入氣體，并根據實驗要求確定利用所述電源進行通電起弧的時間，到達預定時間且 進入所述第7)步驟后，在斷開所述電源前，先抬升所述中空石墨，然后斷電。
9.如權利要求8所述的電弧特性檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述氣體是Ar氣體。
10.如權利要求8所述的電弧特性檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述氣體是 Ar+H2混合氣體。
全文摘要
一種電弧特性檢測裝置及其檢測方法，具有電源(14)、正極導線(15)和負極導線(15’)、與正極導線連接的底電極(5)以及信號采集轉化器(7)，并具有支撐立柱(17)；電極把持器(16)，其上下可移動地安裝在支撐立柱上端；石墨電極(1)，其一端支撐在電極把持器的一端(16a)上并與負極導線連接；光柵(2)和電弧攝像機(4)，它們各自面對電弧產生區(3)而設置；固定在支撐立柱下端部上的絲杠支撐桿(18)；絲桿(9)，其一端(9a)支撐在絲桿支撐桿上，另一端(9b)與電極把持器另一端螺合并伸出；安裝在絲桿另一端頂端上的光電編碼器(10)；以及通過各信號線而與信號采集器、光柵、攝像機、光電編碼器相連的計算機(8)。利用本裝置可對電弧形貌進行檢測并可開展電弧實驗。
文檔編號G01R19/00GK102043079SQ20091019738
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月20日 優先權日2009年10月20日
發明者姜周華, 張慧書, 徐迎鐵, 戰東平, 沈建國, 陳兆平 申請人:東北大學, 寶山鋼鐵股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
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