CN101932896A - 对出料块及类似元件进行声监控的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述的实施例涉及冶金炉冷却元件的声监控系统和方法。一些冶金炉具有在炉工作期间阻塞的出料块，出料块可通过切割、钻孔、开口或其他手段打开，从而从炉中释放金属。通过在打开过程期间监控声发射，可提供反馈以改进打开过程和避免对出料块、冷却元件、出料块的耐火炉衬、或冶金炉的其他元件的过度损害。

Description

对出料块及类似元件进行声监控的系统和方法

在先申请的交叉参考

本申请要求美国临时专利申请60/976218的权益，并通过引用将其并入本文。

技术领域

所描述的实施例一般涉及冶金炉的诊断系统和方法。具体地，实施例涉及在出料块(tapblock)或类似元件的出料通道的出料和切割(lancing)期间发生的事件的实时声监控系统和方法。

背景技术

大多数冶金炉具有至少一个用于从炉中排出熔化的处理材料的出料块。从冶金炉经由出料块排出熔化的处理材料的过程被称为出料(tapping)。

出料块通常具有铜壳、冷却元件、耐火材料和出料通道。铜壳限定热面和冷面，热面是出料块上位置最靠近炉内熔化处理材料的那一面，冷面和热面相对。由于炉内包含的熔化的处理材料极热，因此出料块具有一个或更多个冷却元件来调节内耐火炉衬、出料通道和铜壳的温度。冷却元件通常是邻近或者围绕出料块的管道。冷却液被泵送通过这些管道。

穿过出料块的中心并且连接到热面和冷面处的是出料通道。出料通道被一层或者更多层耐火炉衬围绕。出料通道是大致圆形的，熔化的处理材料在出料过程期间流过出料通道。出料块的冷却元件起到从耐火炉衬和出料通道吸取热量的作用。

在没有进行出料时，出料通道通常由耐热粘土或者其他合适材料堵上。粘土塞保留在出料通道中直到需要出料。当需要出料时，必须从出料通道移去粘土塞。为了移去粘土塞，使用称为热切割枪的工具将其破裂成片移去。工作人员(一般称为出料员)手工操作切割枪，并且撞击粘土塞，试图将粘土塞分离，并且使熔化的处理材料流过出料通道。出料员一般多次撞击粘土塞，试图完全清除出料通道。除了开口和切割，在某些工艺中，钻孔也用于打开出料通道。

在切割过程期间，出料员可能会无意地撞击到粘土塞周边的耐火材料炉衬以及出料通道中的某些部分。来自切割枪的撞击可损坏出料块的耐火炉衬。此外，通过出料通道的熔化金属流可逐渐腐蚀出料通道的耐火炉衬，导致出料块损坏。损坏的出料块会出现安全危险，并且在它们需要更换时导致高成本的生产停机。

因此，需要一种监控出料过程、钻孔过程尤其是切割过程并且提供反馈从而使对出料块或耐火炉衬的损坏最小的系统。

发明内容

本发明描述若干种监控(或称监视)出料块或类似元件的系统。

某些实施例包括多个声发射传感器，其定位为感测沿至少一个声波导件传送的声信号，所述声波导件至少部分地被接收(或称容纳)在所述出料块的外部结构内。

某些实施例还包括数据处理系统，用于处理来自每个所述声发射传感器的输出，以确定与所述出料块的内部结构(具体是耐火炉衬)有关的事件的发生。数据处理系统包括存储器并且配置为对所确定的事件和所述出料块的操作参数进行比较，以根据所确定的事件和所述操作参数的比较结果产生指示数据。

某些实施例还包括响应于数据处理系统的指示装置，用于基于所述指示数据提供指示。

本发明还提供监控出料块或类似元件的方法。该方法包括：从多个声发射传感器沿至少一个声波导件接收电信号，所述声波导件至少部分地被接收在所述出料块的外部结构内。所述电信号对应于沿所述至少一个声波导件传送并且由所述多个声发射传感器感测的声信号。所述电信号被处理，以确定与所述出料块的内部结构(具体是耐火炉衬)有关的事件的发生。所述事件和所述出料块的操作参数进行比较。根据所述比较产生指示数据，并且基于所述指示数据提供指示。

附图说明

为了更好地理解本文描述的实施例和更清楚显示如何实施它们，现在将示例性地参考附图进行介绍，附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于冶金炉的出料块的声监控系统的方框图；

图2是图1声监控系统中使用的监控站的一个实施例的方框图；

图3是更详细示出图2的监控站的存储器模块的方框图；

图4是冶金炉出料块的透视图；

图5是示出了出料块的预定区的相对位置的示意图；

图6是使用图1的声监控系统来监控出料块的方法的流程图；

图7是确定声事件源位置的方法的流程图；

为简明起见，图中示出的元件未必是按比例绘出的。例如，为了清楚，某些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，在已适当考虑之处，可在各图中使用相同的附图标记，以指示相应或类似的元件。

具体实施方式

为了提供在此描述的实施例的全面理解，故在此通过举例阐述实施例的特定细节。此外，不应将这些描述视为对此处所述实施例范围的任何方式的限制，而应视为仅仅描述此处所述各种实施例可能的实施方式。

所述实施例一般涉及冶金炉冷却元件例如出料块的诊断系统和方法。具体地，这些实施例涉及出料块和类似管道的开口、钻孔、切缝的实时声监控。

在附图和说明书中，相同的附图标记用于表示附图和描述的实施例之间的相同元件、功能或者特征，

现在参考图1，所示的实时声监控系统100用于监控与冶金炉110关联使用的出料块120。冶金炉110可以是任何已知类型的包括出料块120的熔炉。这种冶金炉110的例子包括感应电炉、电弧炉、闪速炉、鼓风炉、化学氯化器或者任何热冶金金属熔炼炉。

出料块120可以是本领域技术人员已知的任何结构。出于说明的目的，应该理解出料块120是一种总体性设计，其包括铜壳、冷却回路、出料口和耐火炉衬。出料块120在下面关于图4的讨论中将被更加详细地描述。

在声监控系统100中，出料块包括声波导件130。用在这一上下文中的术语“声波导件”表示一种物理结构(或称实物结构)，其能够在该结构内传播波。具体地，声波导件130是能够在该结构内或者沿着该结构传播声波或者超声波的物理结构。换句话说，声波导件130是将声传播从源位置引导到期望位置的装置。声波导件130也能够被描述为是声波或者超声波传送线路。任何接触声波导件130的声信号都会沿声波导件130的整个长度传播。

声波导件130所携带的声波或者超声波的性态取决于波导的弹性波速度。弹性波速度被认为是声波导件130的恒定材料特性。确定给定声波导件130的材料的弹性波速度的方法对于本领域技术人员而言是公知的。例如，一种确定给定材料的弹性波速度的方法是在介质(例如冷却回路)上放置两个隔开已知距离的传感器，并且通过它们传送弹性波。第一个波到达每个传感器之间的时间延迟被用于测量介质(或者在本例中是冷却回路)的应力波速度。

在声监控系统100中，声波导件130可以由具有期望机械特性(熔化温度、抗蚀性等等)的任何材料制成。声波导件130可以是安装在出料块120内专门用作声波导件130的分离部件，或者声波导件130的功能可以通过穿过出料块120的壳的已有出料块120部件(例如冷却回路)来实现。在声监控系统100的这一实施例中，声波导件130的目的是从出料块120的内部传送声信号到声发射传感器140能够接收声信号的外部位置。声监控系统100可包括一个或多个声波导件130，这取决于所用出料块120的结构和所需的声测量。

在某些实施例中，冷却回路可用作波导介质。在这种实施例中，声发射(AE)传感器被附连到每个冷却回路的入口和出口。冷却回路沿出料通道和内耐火炉衬延伸。为了确定耐火炉衬的波速度，可考虑温度对耐火材料应力波速度的影响。随着耐火材料被侵蚀掉，与耐火材料侵蚀有关的声信号的物理源将变得接近波导管，因此增加了信号的振幅。源和接收者之间的时间延迟随着耐火材料被侵蚀掉而减少，并且源和波导之间的距离减少。应力波能量源是熔化的金属穿过出料通道以及耐火材料侵蚀的运动，耐火材料侵蚀是由熔化的金属的热学影响或机械影响导致的。随着熔化的金属从内炉室运动到外部出料槽而产生声音(以及超声)。

声监控系统100可被配置为检测来自各种源的声发射。在出料块120中，声发射的预期源可包括切缝、出料和加盖(出料通道的重新密封)活动，热的金属穿过(膨胀)时和耐火炉衬相关的噪声，出料口被加盖和耐火材料冷却(收缩)时和耐火炉衬相关的噪声，和出料粘土和周围耐火炉衬的钻孔相关以及耐火炉衬磨损、铜损耗、熔化的金属流、冷却回路中的水流和出料块的损坏部分附近的冷却回路中的水沸腾有关的噪声。

在声监控系统100的某些实施例中，声发射传感器140可附连到声波导件130。声发射传感器140作为变换器将声波导件130携带的声信号转变成可被监控站140处理的相应电信号。例如，在出料块120内产生的声信号可通过压力波或者振动传送到声波导件130，以传送到出料块120的外部。附连到声波导件130的声发射传感器140可将声波导件130的振动变换为相应的电脉冲，然后传送到监控站150。

声发射传感器140可以是任何已知类型的能够将声能量或者振动能量转换为相应电信号的变换器。这种变换器的一个例子是加速计。在声监控系统100中使用的加速计可以是本领域技术人员已知的任何合适的类型。例如，加速计可以是压电传感器、光传感器(基于电容弹簧质量块的)、机电伺服装置(基于应变仪或者基于磁感应的)。要理解的是，习知本技术的使用者能够针对给定出料块120和冶金炉110周围的特定状态选择适当的加速计。声监控系统100可包括多个声发射传感器140，这些声发射传感器140附连到沿着容装于出料块120内每个声波导件130的独立位置。

声发射传感器140产生的电信号由监控站150接收进行处理。信号从声发射传感器140到监控站150的传送可使用SMA-BNC电缆将声发射传感器140连接到前置放大器(未示出)来完成。同轴电缆然后可用于将前置放大器连接到数据获取模块，例如microDiSP(未示出)，或者连接到模数转换器220(如图2中所示)。信号的传送可以使用任何其他合适的电缆或者能够在冶金炉周围环境中工作的传送装置来完成。传送电缆和前置放大器可被隔热，从而保护它们不受炉热的损坏。还可期望的是使用包括内部信号放大器的声发射传感器140，从而减少或者消除对单独前置放大器的需求。减少前置放大器的数量必然使暴露于炉热的可能易损坏的部件数量减至最少。

声信号的获取和处理可用本领域技术人员已知的各种方法或者在市面上可购买到的系统来执行。这种声信号获取和处理系统示例由美国新泽西州的Physical Acoustics Corporation和德国的Vallen-Systeme GmbH生产。在声监控系统100的某些实施例中，监控站150可以是个人计算机(PC)、基于处理系统或者任何其他类似或可比较系统的服务器。

声发射监控技术的例子包括测量声波导件130中的声活动和强度。声监控系统100背后的原理是在每个声信号后存在物理源，并且该源释放的转换为高频振动的部分能量被检测为声发射。也可以使用模式识别技术比较声信号，从而将声信号分类为源自给定源。

例如，当声监控系统100被配置为监控耐火炉衬的状态时，它可检测和穿过出料通道的熔化金属流相关的信号。这些信号在熔化金属和耐火炉衬之间的界面上产生，并且信号传播由熔化金属的运动以及耐火材料的结果热膨胀或者内耐火炉衬的磨损和损耗引起。为了使声发射由声监控系统100检测，声发射必须传播穿过出料块的耐火炉衬和铜壳，直到它们到达声波导件130(例如Monel冷却管)。

当声发射传播穿过出料块120的耐火炉衬和铜壳时，它可能经历显著的信号衰减。衰减的程度和声发射在接触声波导件130之前穿过的耐火材料和铜壳材料的厚度相关。通常，耐火炉衬或铜壳越薄，声发射的衰减越小。因此，如果给定的声发射变得更强，那么可能指示声发射穿过的耐火材料和铜材料的量减少。耐火材料或铜材料的量减少可能表示出料通道的磨损或损坏。通常，信号衰减是出料块120部件的材料特性的函数。通过任何特定出料块120部件的信号衰减程度是杨氏模量、泊松比和密度的函数。

如果需要的话，特定声信号的源位置可以基于从多个声发射传感器140位置接收的信号的到达时间确定。例如，当使用安装在声波导件130的相对端上的两个声发射传感器140时，特定声信号的源位置可以基于以下确定：i)声信号在每个声发射传感器140的到达时间差异和ii)声波导件130的弹性波速度。位置信息可由监控站150输出或者存储为独特的位置，或者替代性地，位置信息可和对应于出料块120的指定区域的多个预定区位置比较。因此，监控站150输出的位置信息可以是沿声波导件130的距离(即源距声发射传感器140为3米)，并且源信息可以输出为对应于出料块120的一部分的区指示(即源是出料通道的左壁)。后文将参考图2和3对上述信号处理技术进行更详细的介绍。

监控站150也利用声信号数据确定声事件是否已经发生。用于确定声事件是否已经发生的标准和阈值可以是系统操作员设置的任何预定条件。例如，声事件可以是不连续的短持续时间事件(出料切割枪对耐火炉衬的高冲击撞击)，它可以是相对稳定的声信号的阈值警告(流过出料口的液体金属导致的声发射振幅增加)或者可以是多个声信号的累积或者组合(多次低冲击切割枪撞击累积可触发声事件)。和各个声信号的位置信息很相似，给定声事件的位置可输出为沿声波导件130的不连续位置，或者映射到对应的预定区位置的不连续位置。

在执行必要的声信号获取和处理之后，监控站150可向指示器160和状态显示器170提供输出。

指示器160提供位于冶金炉110附近的高度(非常)可见的显示器，以向在炉110附近工作的职员和操作员提供实时反馈。具体地，指示器160在切割、出料或钻孔期间向操作员提供视觉反馈。指示器160可以直接安装在冶金炉110的壁上，或者它可以安装在从冶金炉110和出料块120可见的单独位置。指示器160可以配置为向出料员实时显示反馈。实时反馈使出料员可以修改指示器160的动作，从而避免对出料块120和其中的耐火炉衬的损坏。

指示器160可以配置为良好(OK)状态、警告状态和停止/危险状态。这些状态可分别由指示器160上的绿色、黄色和红色灯表示，因而类似于常见的交通灯。指示器160也可包括若干组指示灯，对应于出料块120中每个预定义区的状态。为了清楚，下面略述说明由声事件导致的可能指示输出的例子。

考虑其切割枪撞击出料块120的出料口125(图4)的左壁、引起声事件的出料员。如果指示器160包括单组指示灯，那么该指示器可闪烁黄灯，警告出料员已经发生不适当的撞击。但是如果指示器为出料块120的每个预定义区包括一组指示灯，那么该指示器可闪烁对应于出料口126的左壁的那组指示灯内的黄灯。第二种方案是优选的，因为它给出料员提供更精确和有用的信息。看到对应于出料口126的左壁的黄灯后，出料员能够将下一次切割枪撞击移到右边，以避免撞击壁。

虽然指示器160被描述为显示颜色灯的简单排列，但是可理解的是指示器160可配置为显示视觉信息(例如灯光、文本、图像、照片、动画等等)和声频信息(喇叭、蜂鸣器、警报器、音乐、预录制对话、录制的报警消息等等)的任何组合。

除了指示器160之外，来自监控站150的信息也可发送到状态显示器170。状态显示器170可显示指示器160显示的相同信息，或者它可显示不同的一组信息。此外，状态显示器170可以在实体位置上和冶金炉110极接近，或者状态显示器170可位于远程位置，例如控制室或管理人的办公室。状态显示器170可采取和指示器160相同的形式(即状态显示器170也可以是一组有色灯)或它可以是不同的形式。例如，状态显示器170可包括计算机监视器、模拟仪表、数字显示器、听觉警告器、电视监控器或任何其他合适的显示装置。虽然显示声监控系统100的实施例包括指示器160和状态显示器170两者，但是要理解声监控系统100可配置为在没有指示器160和/或状态显示器的情况下工作，或者指示器160和状态显示器170的功能可组合成单一元件。

监控站150也可连接到网络180，从而它和用户站190通信。网络180可以是开放网络或者闭合网络，并且它可以是有线网络或无线网络。连接到网络的用户站190可以是个人计算机或者任何类似设备。一旦连接到网络180，来自监控站150的输出信息可从在远程位置的用户站190访问或存储在其中。显示在用户站190上的信息可以是指示器160和状态显示器170显示的相同信息或用户站190可配置为显示不同的一组信息。除了显示监控站150输出的实时信息外，用户站190也可配置为访问任何存储的信号数据或包含在监控站150内的声事件信息。访问存储的数据使得在用户站190工作的操作员能够比较实时声发射数据和以前记录的声发射数据。这样的比较使操作员可以在延长的时间段内趋向声发射信息，因此使操作员能够跟踪给定出料块120的声发射变化，或者跟踪和评估给定出料员的表现。

图2示出了一个方框图，其图解说明了图1所示监控站150的实施例。监控站150的实施例包括主工作站230。主工作站230包括存储在存储器260中且在处理器250上执行的计算机软件模块270、280和290。处理器250可以是本领域技术人员已知的任何在市面上可购买到的处理器。类似地，存储器260可以是任何类型的在市面上可购买到的易失性或非易失性计算机存储器。本领域技术人员理解的是主工作站230可根据需要包括额外的存储器、软件模块和处理器。

处理器250也可和网络180、指示器160和状态显示器170通信。和网络180通信使处理器250能够输出声信号和声事件数据，用于在远程位置，并入图1中所示的用户站190的存储和分析。和网络180的通信也允许处理器250可被远程访问和控制，使得也可以从远程位置影响处理器230和主工作站230的配置变化。处理器250和指示器160及状态显示器170之间的通信允许声信号和声事件信息从主工作站230输出并且显示给出料员和系统操作员。

主工作站230也包括和处理器250通信的模数转换器和显示器240。模数(A/D)转换器250被配置为接收声发射传感器140(参见图1)产生的模拟声发射信号210并且将它们转换成传递到处理器250的相应数字信号。模数转换器250可以是本领域技术人员已知的任何在市面上可购买到的模数转换器。同样，模数转换器250可以是单通道的，用于处理来自单个声发射传感器140的声发射信号210，或者模数转换器250可以是多通道的，用于处理来自多个声发射传感器140的声发射信号210。要理解的是，如果模数转换器250是单通道的，那么可在主工作站230中包括多个模数转换器250，以便每个安装在出料块120上的声发射传感器140有一个模数转换器250。在图2中，所示的模数转换器250容装于主工作站230内，但是，要理解的是，模数转换器250可以是声发射传感器140整体的一部分(或称集成到声发射传感器140中)，或者它可以是位置上远离主工作站230但与主工作站230可通信地连接的自包含装置。

显示器240可以是任何类型的在市面上可购买到的数据显示装置，但是出于解释性目的，它可理解为计算机监视器。显示器240可以以和上述指示器160及状态显示器170类似的方式向操作员显示系统信息。此外，显示器240可以和适当的计算机输入装置(例如键盘或鼠标，未示出)结合使用，以允许操作员直接配置和修改主工作站230，而无需如上文所述的那样必须通过网络180来连接。

监控站150可仅包括如上所述的主工作站230，例如，如果监控站150的功能可使用单个主工作站230PC实现。但是，要理解的是，监控站150也可包括配置为和主工作站230通信的额外PC、服务器、处理器、显示器和存储器模块。

如图2和3所示，主工作站230的存储器260包括多个软件模块270、280和290，用于处理从声发射传感器140接收的声发射信号210。这种软件模块包括声发射断层摄影模块270，声发射数据获取和评估系统280和模式识别模块290。虽然未示出，但是存储器260可包括额外的软件模块，例如用于声发射和声事件数据的存储和检索的数据库模块。

声发射断层摄影模块270负责生成出料通道、耐火炉衬、冷却回路410、420和出料块120的其他元件的二维(2D)或三维(3D)图像。在出料块120的工作期间，声监控系统100可监控声发射，这些声发射对应于耐火材料磨损、铜壳损坏、熔化的金属流、冷却回路410、420中的水流和出料块120的损坏部分附近的冷却回路内的水沸腾。使用声发射传感器140收集的数据和源位置模块320(在下面详细描述)产生的数据，声发射断层摄影模块270生成图示说明出料块120的条件的2D或3D图像。例如，监视耐火材料磨损声发射时，声发射断层摄影模块270可生成对应于耐火炉衬的表面轮廓/几何形状的3D图像。声发射断层摄影模块270生成的图像可示出耐火炉衬的表面上的标记后凹陷或其他磨损模式。

不是显示出料通道的完整3D图像，声发射断层摄影模块270可配置为显示一系列2D截面图像，显示在沿出料通道的长度的多个预定截面位置的相对耐火材料厚度。也可以为多个出料块120部件生成类似的图像，例如冷却回路410、420或铜壳。

模式识别模块290负责处理和分类从声发射传感器140接收的声发射信号210。使用模式识别模块290，在出料过程中产生的声信号可被识别和分类。一种可能的分类方法是基于发射的物理源分离声发射。例如，在出料过程中产生的所有声发射可分类成4组。

第一组声发射由流过出料口和出料通道的液体金属引起。这个类型的声发射可被监控，以跟踪和评估耐火炉衬材料的条件。第二组声发射由在切割过程中撞击出料块120或出料通道的耐火炉衬的切割枪的机械冲击引起。跟踪切割撞击声发射可用于评估出料过程和跟踪各个出料员的表现。第三组声发射在闭合出料口的过程期间产生，而第四组声发射在出料块冷却时产生。所有4组声发射的跟踪和趋势可提供对于过程监控和改进有用的数据。声发射分类数据可从模式识别模块290输出到声发射数据获取和评估模块280，用于进一步处理。

模式识别模块290可基于各种信号特性将声发射分类。例如，一个或多个以下信号特性可用于分类信号：峰值振幅、能量、持续时间，上升时间、平均频率和上升时间与持续时间比。其他因素，例如在出料过程的特定部分期间声发射的发生时间，声发射的源位置(当前正在发生哪部分出料过程)、发射源位置(如下所述，从源位置模块320获取的，系统操作员选择的任何其他声发射特征可用于分类声发射。在某些实施例中，开发神经网络用于模式识别并且最终产生出料通道的图像重构。虽然已经关于用模式识别模块290分析发射描述了声发射分类，但是要理解等同或可比较的处理可由信号处理模块330或替代的软件模块实时完成。然后声发射数据获取和评估系统模块280可以处理已分类的声发射。

声发射数据获取和评估系统模块280负责接收和处理声信号信息以及检测声事件的存在和确定声事件的源位置。声发射数据获取和评估系统模块280处理的声发射数据可直接来自模数转换器、声发射断层摄影模块270或模式识别模块290。如图3所示，声发射数据获取和评估系统模块280包括检测模块310、源位置模块320和信号处理模块330。

检测模块310负责确定是否已经发生声事件。检测模块310可直接从模数转换器220(经由处理器250)、模式识别模块290接收声发射信号，或者它可从信号处理模块330接收已处理的声发射信号。经过信号处理模块330的信号可被滤波、放大或者根据需要修改。检测模块310也可从如上所述的模式识别模块290接收数据。一接收声发射信号，检测模块410就比较声发射信号的特征和一组预定阈值或其他警报条件。如果声发射信号超过关联的阈值或警报条件，检测模块310可登记声事件。可用多个阈值或警报条件配置检测模块310，包括和特定声发射信号关联的多个预定阈值。

例如，检测模块310可具有“警告”和“警报”发射幅度阈值，这些阈值和对应于在出料块120内的耐火材料上流动的液体金属的声发射信号相关。如果声发射信号的幅度达到“警告”阈值，检测模块310就可登记声事件并输出声事件数据到处理器250，其中数据被路由到指示器160上的黄灯。如果声发射的幅度增加，以至于它超过“警报”阈值，检测模块310就可登记并输出另一声事件到处理器250，因此激活指示器160上的红灯。

此外，检测模块310可配置为具有和耐火材料上的切割或出料冲击或钻孔生成的声发射关联的阈值。和切割或出料冲击或钻孔相关的阈值可包括发射幅度阈值(如上关于金属流发射描述的)以及发生阈值。如果分类为和切割、出料或钻孔活动(通过模式识别模块290或信号处理模块330)相关的声发射超过预定阈值，那么切割、出料撞击或钻孔幅度阈值可导致声事件。发生阈值可导致检测模块310登记声事件，如果预定事件发生指定的次数的话。

例如，检测模块310可跟踪切割、出料撞击或钻孔声发射并将声发射和幅度阈值与发生阈值两者比较。如果切割或出料撞击偏离到不期望方向，它的声发射将指示偏离，并且“警告”或“警报”幅度阈值和声事件可由检测模块310登记。

如果切割、出料撞击或钻孔声发射不超过幅度阈值，检测模块310就可不登记声事件，但是它记录每个声发射。使用发生阈值，如果检测模块310在出料时间期间记录5个或更多的切割、出料撞击或钻孔声发射(不管它们是否超过幅度阈值)，那么它可登记“警告”声事件。检测模块310可登记“警告”声事件，即使它在出料时间期间记录8个或更多的切割、出料撞击或钻孔(不管声发射是否超过幅度阈值)。包含在检测模块310内的发生阈值也可合并来自源位置模块320的信息，使得出料块120内的每个区可具有独立的发生阈值。即使没有单个切割、出料撞击或钻孔声发射的幅度足以登记基于幅度阈值的“警告”事件，出料块120的耐火材料可被在同一位置的多次低冲击撞击燃烧损坏。通过使用发生阈值，检测模块310可有利地说明多次检测模块310的切割、出料撞击或钻孔的累积效应。在其他实施例中，存在任意数量的代替“警告”和“警报”级别或者除“警告”和“警报”级别之外的警报，并且每种类型警报的阈值可变化。

用于幅度阈值和发生阈值两者的值可基于各种准则确定，包括出料块120的寿命，指定区中耐火材料的条件、指定出料块的历史性能、历史声发射级别、特定的耐火材料成分、出料块的温度、环境噪声条件、使用的声发射传感器140的类型或其他因素。在设置阈值时，可考虑耐火材料的各种特征。随着耐火材料的厚度减少，声发射的信号振幅增加并且信号衰减时间增加。耐火炉衬的这些特征可用于设置的幅度阈值和发生阈值。随着耐火炉衬老化，声事件的数量可改变。例如，随着耐火炉衬老化，可在其中发生裂缝，并且各种声发射可由炉衬和壳或出料块的连接或从壳或出料块分离炉衬时的裂缝产生。在某些情况下，源自有裂缝的耐火炉衬的声发射具有增加的振幅。声发射可使用模式识别或神经网络识别。所有声事件数据可从检测模块32输出到处理器250，用于处理和路由到网络180、指示器160和状态显示器170。

对于某种类型的声事件，可能期望识别声事件的源位置。例如，如果声事件是切割烧灼的结果，那么可能期望识别出料块120的哪一部分被燃烧用于监控和检查目的。类似地，如果声事件是金属流声发射幅度的增加，那么可能期望定位在出料通道内的哪个位置金属流发射最高。源位置模块320负责识别特定声发射的源。

为了清楚说明，参考图4，其示出包括主冷却回路410、从冷却回路420和热电偶套管(thermal wells)430的出料块120。冷却回路410、420和热电偶套管430分别具有入口412，422，432和出口414，424，434。冷却回路410、420可包括多个合适部件，包括管道、小管、管、阀门和泵。主冷却回路410的一个例子是运送水的冷却管道，其配置为弯曲/扭曲通过出料块120。冷却回路可以镶铸或钻入到出料块120。在出料块120内冷却回路的特定路径可基于出料块120的特定操作条件确定。冷却回路410、420和热电偶套管430可用具有期望物理特征的任何材料制造，并且可以是不同于出料块120的材料。运送通过冷却回路410、420的冷却介质可以是水或任何其他合适的自然冷却液或合成冷却液。

出料块120也包括热面122(被限定为位置最接近冶金炉110内部的出料块120的面)、冷面124(位置和热面122相对的出料块120的面)和出料通道126，熔化的金属在出料过程期间流过出料通道126。出料通道126的内表面衬有耐火材料。

为了确定特定声发射的源位置，源位置模块320接收来自至少两个声发射传感器140的声发射信号，所述声发射传感器140安装在出料块120内接收的波导管130上。如上所述，波导管130可以是在出料块120内接收的额外元件或图中所示出料块120的已有结构元件例如冷却回路410、420，或热电偶套管430可充当波导管130。为了描述源位置模块320的实施例，假设冷却回路410担任波导管130，并且声发射传感器140安装在冷却回路410的入口410和出口414。

声发射的源位置由源位置模块320基于波导管130的弹性波速度、声发射传感器140的位置和声发射在每个声发射传感器140的到达时间差确定。在声发射已经被波导管130获得之后，声发射沿波导管130的长度行进，在此处它被位于波导管130的大致相对端的声发射传感器140检测。通过比较声发射在每个声发射传感器140位置的相对到达时间，可对源位置插值。

在声监控系统100的示例实施例中，声发射可由高冲击出料撞击、热切割装置或钻孔导致。切割的能量从燃烧传导，出料的能量通过冲击点传导，并且钻孔是通过穿入和钻进固体，穿过出料块120的耐火材料和铜壳，直到它接触主冷却回路410。在声信号到达主冷却回路410之后，它沿主冷却回路410传导，直到到达安装在入口412和出口414的声发射传感器140。声发射将沿主冷却回路410以不变的速度传导，该速度依赖于主冷却回路410材料的弹性波速度。当声信号到达入口412处的声发射传感器140时，到达时间将被记录。类似地，当声信号到达出口414处的声发射传感器140时，到达时间将被记录。基于到达时间差和已知的主冷却回路410的弹性波速度，可根据下列等式来计算声发射源位置的相对位置：

X＝L/2-LΔT/2C

其中，X是源位置的相对位置，

L是声发射传感器140之间的距离，

V是声发射的速度，

ΔT是在声发射传感器140的声发射到达时间差，

C是测量的校准值，等于L/V。

一旦确定源位置沿着主冷却回路410的相对位置，就可比较相对位置和主冷却回路410的已知几何形状，从而表示相对于出料块120和出料通道126的源位置。例如，原始表示为“离入口410为4米”的源位置可被映射到在出料块120的几何形状中定义的相应位置上，并且然后表示为“出料通道126的左壁”或“区3(图5中示为530)”，用于指示的目的。

图5显示预定的区位置500。如上参考图1简要描述的，为了指示和反馈目的，可能不希望将声发射的源位置表示为“离主冷却回路入口4米”，特别是当主冷却回路410遵循回路和弯曲路径时。对于出料员或系统操作员可能不明显的是，出料块的哪部分对应于沿主冷却回路410的长度4米的位置。但是，仅仅指示发生碰撞或碰撞在出料通道126的左侧可能不提供充分的细节。使用预定的区位置，声监控系统100能够提供充分细节有意义反馈，用于出料员评估和正在进行的出料块120条件监控。

如图5中所示，预定的区位置500可包括4个分离的区：区1、区2、区3和区4。在所示区位置500的实施例中，区的编号始于出料块120的热面122，每个区离热面122越远，就分配一个更大的数。此外，每个区可包括子部，例如图5上的左、右和底部指示。在这个例子中，左、右和底指的是出料通道126的内表面上的位置。每个预定的区位置500可映射到一组波导管130距离上。例如，计算为离主冷却回路410入口412为4米的波导管130距离对应于“区2，左”的出料块120位置。使用这种对应值，源位置模块320能将波导管130位置数据转换为出料块120位置数据，然后出料块120位置数据可输出到指示器160。在转换和输出之后，发生在沿波导管130离入口410为4米的切割冲击壳导致黄灯在对应于区2，左的指示器部分中出现。一看到指示器160上的黄灯，出料员可立即适当调整其切割位置以避免后续冲击。

虽然显示的每个区具有3个子部，但是区也可配置为具有更多或更少的子部。区子部也可包括出料通道的顶部。区和区子部的精确编号和设计可以由系统操作员基于出料块120设计、声波导件130的形状、冷却回路410和420的布置、声发射传感器140的灵敏性、期望的指示精度水平、监控站资源和其他因素配置。

虽然监控站150、主工作站230和其存储器被描述为包括软件模块，但是软件模块的一些或全部功能可在硬件中执行。

图6是说明方法600的流程图，方法600使用如图1到5所描述的声监控系统100，通过检测声事件和基于该事件的发生提供指示来监控出料块120。

方法600始于检测声信号的步骤601。声信号可以是上述的任何声发射。在声监控系统100中，声信号是沿波导管130传播的声发射，并且声信号使用声发射传感器140检测。如果检测到声信号，那么在步骤602存储声信号信息，用于趋势和分析目的。在步骤602中存储声信号时，也可在步骤603处理声信号。在步骤603中，声信号被处理以确定声事件是否已经发生。

在询问604，如果声事件还没有发生，声监控系统100就只是继续监控出料块120，并且方法600返回步骤601。但是如果在询问604确定声事件已经发生，方法600就前进到步骤605，在此处声事件数据被存储用于趋势和分析目的。

根据声事件的本性，方法600可进入到步骤606，其中声事件的源位置被确定。如果在步骤606中确定声事件的源位置，那么可在步骤607中存储源位置数据。然而，如果声事件的本性使得不想得到特定的源位置，或不能计算特定的源位置，方法600可进入到步骤608，其中监控站150产生对应于检测的声事件的适当指示数据。

一旦已经产生指示数据，在步骤609中数据被输出到指示器160。在步骤609中提供适当指示后，方法600返回到步骤601，从而继续监控出料块120的条件。

图7是说明方法606的流程图，方法606是确定声事件的源位置的方法示例。方法606是执行上述方法600的步骤606的方法实施例。

方法606始于步骤701，其中源位置模块320询问安装在声波导件130上的声发射传感器140，从而确定在每个声发射传感器140位置的声事件检测时间。一旦为已经每个声发射传感器140确定了检测时间，方法606可进入到步骤702。

在步骤702中，源位置模块320基于声发射传感器140的位置、波导管130的弹性波速度和来自步骤701的在每个声发射传感器140位置的声事件检测时间确定声事件的源位置。上面参考图3描述了源位置计算例子。

在步骤703中，在步骤702确定的源位置和预定的区位置500比较。步骤703的比较可以由源位置模块320、处理器250或声监控系统100的任何其他合适部件实施。

在步骤704中，步骤703的比较的输出用于确定预定区位置500的哪个区位置包含声事件的源位置。在已经确定区位置时，步骤704输出源位置数据到如图6所示的方法600的步骤607和608。

虽然上面的描述提供了实施例示例，但是应该理解所述实施例的一些特征/功能易于修改而不脱离所述实施例的操作精神和原则。因此，上面已经描述的内容意在说明本发明而不是限制，并且本领域技术人员理解的是可以进行其他改变和修改而不脱离所附权利要求定义的本发明的范围。

Claims (35)

1.一种用于监控出料块的系统，包括：

多个声发射传感器，其定位为感测沿至少一个声波导件传送的声信号，所述声波导件至少部分地被容纳在所述出料块的外部结构内；

数据处理系统，用于处理来自每个所述声发射传感器的输出，以确定与所述出料块的内部结构有关的事件的发生，所述数据处理系统具有存储器并且被配置为对所确定的事件和所述出料块的操作参数进行比较，并且根据所确定的事件和所述操作参数的比较产生指示数据；

响应于所述数据处理系统的指示装置，用于基于所述指示数据提供指示。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述指示包括声音指示和视觉指示中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述指示装置被布置成在所述出料块的附近提供所述指示。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述指示装置包括处于所述出料块附近的至少一个指示器，以指示在所述内部结构内的所确定事件中一个或多个的相对位置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述相对位置的指示包括侧位置指示、低位置指示和顶位置指示中的一个。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述相对位置的指示包括区域指示，该区域指示对应于沿所述出料块的出料通道的长度的多个区域中的一个区域。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述多个区域包括两个、三个或四个区域。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述指示装置包括至少一个显示器，其响应于所述数据处理系统而显示表示所述指示的图形化图像。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述至少一个显示器被定位成远离所述出料块。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其中所述至少一个显示器响应于所述数据处理系统而显示所述内部结构内所确定事件中一个或多个的相对位置。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的系统，其中所述指示包括当所确定事件中的一个或多个被所述数据处理系统确定为超出事件界限时的实时警告指示。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的系统，其中所确定的事件包括以下事件中的任意一个：一次撞击、预定数量的撞击、在所述内部结构的特定区域内的预定数量的撞击、在所述内部结构的指定为敏感区域的区域内的一次撞击、在所述内部结构的指定为敏感区域的区域内的预定数量的撞击、一次刮擦、预定数量的刮擦、在所述内部结构的特定区域内的预定数量的刮擦、在所述内部结构的指定为敏感区域的区域内的一次刮擦以及在所述内部结构的指定为敏感区域的区域内的预定数量的刮擦。

13.根据权利要求1-12中任一个所述的系统，其中所述至少一个声波导件包括冷却管道和热电偶套管中的至少一个。

14.根据权利要求1-13中任一个所述的系统，其中所述多个声发射传感器包括多个加速计。

15.一种用于监控出料块的方法，包括：

从多个声发射传感器沿至少一个声波导件接收电信号，所述声波导件至少部分地被容纳在所述出料块的外部结构内，所述电信号对应于沿所述至少一个声波导件传送并且由所述多个声发射传感器感测的声信号；

处理所述电信号，以确定与所述出料块的内部结构有关事件的发生，

比较所确定的事件和所述出料块的操作参数，

根据所述比较产生指示数据；

基于所述指示数据提供指示。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个声发射传感器位于所述至少一个声波导件的基本上相对的端部。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述至少一个声波导件包括容纳在所述出料块内的冷却回路。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其中事件的发生是通过利用幅度阈值和发生阈值中的至少一个来确定的。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其中所述指示包括声音指示和视觉指示中的至少一种。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述视觉指示包括显示第一、第二或第三状态，这些状态表示了所述出料块的相对条件和给定事件重要性中的至少一个。

21.根据权利要求15-20中任一项所述的方法，其中所述指示包括指示所述事件的源位置的显示。

22.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个声发射传感器包括多个加速计。

23.一种监控出料块的系统，包括：

多个声发射传感器，其定位为感测沿至少一个声波导件传送的声信号，所述声波导件至少部分地容纳在所述出料块的外部结构内；

数据处理系统，用于处理来自每个所述声发射传感器的输出，以确定与所述出料块的内部结构有关的事件的发生，所述数据处理系统具有存储器，用于配置处理器以便比较所确定的事件和所述出料块的操作参数，以及根据所确定的事件与所述操作参数的比较来产生输出数据。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述至少一个声波导件包括热电偶套管。

25.根据权利要求23所述的系统，其中所述至少一个声波导件包括主冷却回路和从冷却回路中的至少一个。

26.根据权利要求23所述的系统，其中所述多个声发射传感器包括多个加速计。

27.根据权利要求23所述的系统，其中所述存储器包括声断层摄影模块，其被配置为基于所述声发射产生图像。

28.根据权利要求26和27所述的系统，其中所述存储器还包括模式识别模块，其被配置为识别指定声发射的源位置。

29.根据权利要求26-28中任一项所述的系统，其中所述存储器还包括声发射数据获取和评估系统。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述声发射数据获取和评估系统还包括检测模块、源位置模块和信号处理模块。

31.根据权利要求26-28中任一项所述的系统，其中所述数据处理系统还包括显示器。

32.根据权利要求26-31中任一项所述的系统，其中所述数据处理系统可通信地连接到网络，使得所述数据处理系统能够从至少一个用户站被访问和控制。

33.根据权利要求31所述的系统，其中所述至少一个用户站在地理位置上远离所述出料块。

34.根据权利要求26-33中任一项所述的系统，还包括配置为显示所述输出数据的状态显示器。

35.根据权利要求26-33中任一项所述的系统，其中所述输出数据包括由指示器显示的指示数据。

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