CN102305552B - 钢包底吹喷粉漏钢检测装置及漏钢检测方法 - Google Patents

Abstract

一种钢包底吹喷粉漏钢检测装置及漏钢检测方法，属于钢铁精炼技术领域，包括钢包底喷粉元件、信号采集电路、信号放大电路、处理器和报警器，工作时，首先采集电压和电流信号；然后将电压信号放大；对电压数字信号进行分析：若漏钢深度h≥系统的临界漏钢深度h_c，发生不可逆转连续性漏钢，启动报警系统，增强喷吹强度，冶炼结束立即更换喷粉元件；若漏钢深度h＜系统的临界漏钢深度h_c，则发生可逆转连续性或非线性漏钢，增强喷吹强度，使缝隙间压强增大，缝隙间渗入钢液被喷出缝隙；克服了恶劣工作环境下漏钢检测困难的问题，工作不受喷粉限制，可以对喷粉过程安全性进行全程检测，对钢液渗漏情况跟踪预报，避免发生漏钢事故。

Description

钢包底吹喷粉漏钢检测装置及漏钢检测方法

技术领域

本发明属于钢铁精炼技术领域，特别涉及一种钢包底吹喷粉漏钢检测装置及漏钢检测方法。

背景技术

钢包底吹喷粉精炼是新兴的一项具有创造性和广阔应用前景的新技术，但由于钢包底喷粉工作环境比钢包底吹氩搅拌环境恶劣，钢包底喷粉工艺提出后面临着诸多技术问题待解决。目前，喷粉工艺中主要采用缝隙式喷粉元件实现底喷粉，正常喷吹冶炼，为将粉剂以一定动能喷吹到钢包熔池内，必然要求喷粉元件缝隙有一定的宽度，这与喷粉元件安全性相背离，因为喷粉元件缝隙较宽钢液容易渗透缝隙而引发漏钢事故，为避免发生漏钢事故，喷粉元件缝隙又要尽量窄些，这一对矛盾引发了人们对喷粉元件安全性和可行性设计的思考，保证喷粉元件安全可靠地工作，是推广应用钢包底喷粉工艺的前提，于是漏钢检测和防漏钢设计成为人们研究的焦点。

喷粉元件处在高温恶劣的工作环境当中，不仅受高温钢水的侵蚀，而且受粉气流严重的磨蚀，喷粉元件缝隙内钢液渗漏情况检测极为困难，底部喷吹元件埋于炉底，钢液渗漏情况靠目测很难掌握，通过炉底探测器测量漏钢情况和喷吹元件损耗情况曾被广泛采用，由于这类探测器需停炉进行，耗时费事影响生产，已基本上被淘汰。目前，应用于转炉的预报喷吹元件熔损的方法为在喷吹元件不同高度，相间埋入若干对热电偶，每对相隔一定间距，用补偿导线通过端子箱与仪表连接，工作时仪表连续显示和记录每对热电偶的温度，当某一对热电偶温度过高时就显示和记录报警，借用于此类仪表，操作者即可系统掌握每炉钢冶炼过程中每对热电偶的温度，从而掌握喷粉元件的熔损规律和熔损状况，以便采取相应的措施，但此类仪表不能很好的应用于钢液渗漏情况的检测，工作使用中的喷粉元件缝隙内钢液渗漏情况检测尚不能实现。目前，对喷粉元件缝隙内钢液渗漏情况的研究主要停留在理论分析和对使用或实验后喷粉元件解剖分析层面上，工作使用中的透气砖缝隙内钢液渗漏情况检测仍然是一项技术难题。

发明内容

针对现有装置存在的不足，本发明提出一种钢包底吹喷粉漏钢检测装置，通过埋入耐火材料中的电极，采集电信号，实现喷粉元件缝隙内钢液渗漏情况的检测。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明一种钢包底吹喷粉漏钢检测装置，包括钢包底喷粉元件、信号采集电路、信号放大电路、处理器和报警器，其中，钢包底喷粉元件其内部填充耐火材料，耐火材料中均匀分布若干缝隙；其连接关系为：钢包底喷粉元件的输出端连接信号采集电路的输入端，信号采集电路的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接处理器的输入端，处理器的输出端连接报警装置；

所述的信号采集电路由电极、电源、电流表和保护电阻组成，其连接关系为：将电极成对的埋入耐火材料的缝隙内壁，以一对电极为例，第一电极近钢液端埋在耐火材料缝隙内壁距钢液h₀处，第一电极另一端通过第一导体连接信号采集电路的第一输入端，第二电极近钢液端埋在耐火材料缝隙内壁距钢液h₀处，第二电极另一端通过第二导体连接信号采集电路的第二输入端，第一电极与第二电极平行相对，信号采集电路的第一输入端连接电流表的输入端，电流表的第一输出端连接信号放大电路的第一输入端，电流表的第二输出端连接保护电阻的一端，保护电阻的另一端连接电源的一端，电源的另一端连接信号采集电路的第二输入端，再同时连接信号放大电路的第二输入端；

所述的信号放大电路采用分压式偏置放大电路，由三极管、电阻和电容组成，其中，电阻由第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻组成，电容由第一电容、第二电容、第三电容组成，其连接关系如下：第一电容的一端连接信号放大电路的第一输入端，第一电容的另一端连接第一电阻的一端、第二电阻的一端和三极管的基极，第一电阻的另一端连接第三电阻的一端和信号放大电路电源E_C，三极管的集电极连接第三电阻的另一端、第二电容的一端，第二电容的另一端连接信号放大电路的第一输出端，三极管的发射极连接第四电阻的一端、第三电容的一端，第二电阻的另一端、第四电阻的另一端、第三电容的另一端同时连接信号放大电路的第二输出端，并接地；

采用钢包底吹喷粉漏钢检测装置的漏钢检测方法包括以下步骤：

步骤1：采集漏钢检测装置的电压信号和电流信号；

步骤1-1：工作开始，接通电路，采集到的初始电压信号为u₀和电流信号I₀，执行步骤2；

步骤1-2：工作当中，连续采集电压信号u_i和电流信号I_i；

步骤2：将步骤1采集的电压信号通过电压偏置放大电路放大，电压放大的倍数A_u，按如下公式计算：

$A_u=-\frac{U_i}{u_i}=-\frac{\mathrm{\β}(R_C//R_L)}{r_{\mathrm{be}}}$

式中，U_i为放大器输出电压；u_i为漏钢检测装置采集电压信号；β为电流放大倍数；r_be为晶体管的输入电阻；上式中的负号表示输出电压与采集电压相位相反；

步骤3：对步骤2处理过的电压数字信号进行分析：方法为：利用采集到的电压信号值和电流信号值，确定漏钢装置的电阻值，进而确定钢液在喷粉元件缝隙内渗漏深度h：

步骤3-1：若检测到的电压信号与采集到的初始电压信号相等，缝隙间电阻值为无穷大，则未发生钢液渗漏，执行步骤1-2；

步骤3-2：若检测到电压信号发生变化，则发生漏钢，利用检测到的电压信号确定耐火材料缝隙间电路的总阻值R，公式如下：

$R=\frac{U_i}{A_u{I}_i}---\left(1\right)$

式中，I_i为电流表采集数据；

设缝隙间钢液渗漏深度为h，则漏钢引入的电路总阻值R′可按缝隙间钢液阻值计算，即

$R^{\′}={\mathrm{\ρ}}_T\frac{\mathrm{\δ}}{(h-h_0)B}---\left(2\right)$

式中，ρ_T为钢液在T(K)时电阻率；δ为缝隙宽度；h为钢液渗入缝隙深度；h₀为电极近钢液端距钢液距离；B为缝隙长度；

由与公式(1)和公式(2)可知，R′＝R，计算缝隙间钢液渗漏深度h，公式如下：

$h=\frac{{\mathrm{\ρ}}_T\mathrm{\δ}}{B}\frac{A_u{I}_i}{U_i}+h_0$

式中，h₀表示电极上端距钢液距离；

步骤4：设钢包底吹喷粉漏钢检测装置的临界漏钢深度为h_c：

若漏钢深度h≥系统的临界漏钢深度h_c，则发生不可逆转连续性漏钢，执行步骤6；

若漏钢深度h＜系统的临界漏钢深度h_c，则发生可逆转连续性或非线性漏钢，执行步骤5；

步骤5：增强喷吹强度，使缝隙间压强增大，缝隙间渗入钢液被喷出缝隙，执行步骤1-2；

步骤6：启动报警系统，正在使用中的喷粉元件增强喷吹强度，冶炼结束立即更换喷粉元件；

步骤4所述的连续漏钢是指钢液沿缝隙长度方向上连续均匀渗漏到喷粉元件缝隙，渗漏钢液成线状将整条缝隙填满，这种情况，漏钢严重，如果不及时采取措施，会影响正常喷吹冶炼，严重时会诱发漏钢事故；

步骤3所述的电极上端距钢液距离h₀，其取值范围为：h₀＝1mm～50mm；

步骤4所述的钢包底吹喷粉漏钢检测装置的临界漏钢深度为h_c，其取值范围为：h_c＝5mm～50mm；

所述的非连续漏钢是指钢液沿缝隙长度方向上非连续渗漏到喷粉元件缝隙，只是一条缝隙上局部发生钢液渗漏，钢液深入缝隙深度小，当钢液进一步向喷粉元件缝隙渗漏时，漏钢方式由非连续性漏钢转化为线性漏钢，非连续性漏钢可看做是连续性漏钢的初期；

本发明的优点：(1)克服了恶劣工作环境下漏钢检测困难的问题，在确定好钢液T(K)时电导率，就可以通过采集的电信号确定缝隙漏钢情况。由于电压信号随电阻变化灵敏，因此该装置可测微弱钢液渗漏，测量准确，能及时排查喷粉过程中的安全隐患；(2)工作不受喷粉限制，可以对喷粉过程安全性进行全程检测，对钢液渗漏情况跟踪预报，避免发生漏钢事故；(3)简单可行，在透气砖制备过程中埋入电极即可，成本低，并且应用广泛，可推广应用到钢包底吹氩系统和转炉底喷系统。

附图说明

图1为钢包底吹喷粉漏钢检测装置总框图；

图2为钢包底吹喷粉漏钢检测装置电路图；

图3为钢包底吹喷粉漏钢检测装置电极工作图；

图4为钢包底吹喷粉漏钢检测装置信号放大电路图；

图5为钢包底吹喷粉漏钢检测装置的漏钢检测方法流程图；

图中，1、钢包底喷粉元件；2、信号采集电路；3、信号放大电路；4、处理器；5、报警器；6、电极；7、喷粉元件缝隙；8、耐火材料；9、钢液。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明结构总框图，包括钢包底喷粉元件、信号采集电路和信号放大电路、处理器和报警器，所述的处理器4选用8051单片机；

钢包底喷粉元件1其内部填充耐火材料，耐火材料8中均匀分布若干缝隙；其连接关系为：钢包底喷粉元件1的输出端连接信号采集电路2的输入端，信号采集电路2的输出端连接信号放大电路3的输入端，信号放大电路3输出端接到8051单片机开发板的A/D转换模块的输入端口，8051单片机输出端与报警器5连接，8051单片机实现模拟信号到数字信号转换、数据运算和数据比较和数据显示的功能；

所述的信号采集电路2由电极6、电源AC、电流表和保护电阻R₀组成，其连接关系为：本实施例采用三对电极，分别为第一电极、第二电极、……、第六电极，将三对电极埋入耐火材料1的缝隙内壁，第一电极至第六电极的近钢液端埋在耐火材料缝隙内壁距钢液h₀处，第一电极的另一端、第二电极的另一端、第三电极的另一端通过导线连接，再连接信号采集电路2的第一输入端，第四电极的另一端、第五电极的另一端、第六电极的另一端通过导线连接，再连接信号采集电路2的第二输入端，信号采集电路2的第一输入端连接电流表的输入端，电流表的第一输出端连接信号放大电路3的第一输入端，电流表的第二输出端连接保护电阻R₀的一端，保护电阻R₀的另一端连接电源AC的一端，电源AC的另一端连接信号采集电路的第二输入端，再同时连接信号放大电路3的第二输入端；

所述的信号放大电路3由分压式偏置放大电路组成，由三极管、电阻和电容组成，其中，电阻由第一电阻R_B1、第二电阻R_B2、第三电阻R_C和第四电阻R_E组成，电容由第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₄组成，其连接关系如下：第一电容C₁的一端连接信号放大电路3的第一输入端，第一电容C₁的另一端连接第一电阻R_B1的一端、第二电阻R_B2的一端和三极管的基极，第一电阻R_B1的另一端连接第三电阻R_C的一端和放大电路供电电源E_C，三极管的集电极连接第三电阻R_C的另一端、第二电容C₂的一端，第二电容C₂的另一端连接信号放大电路的第一输出端，三极管的发射极连接第四电阻R_E的一端、第三电容C_E的一端，第二电阻R_B2的另一端、第四电阻R_E的另一端、第三电容C_E的另一端同时连接信号放大电路3的第二输出端，并接地；

本发明钢包底吹喷粉漏钢检测装置的漏钢检测方法，其流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：采集漏钢检测装置的电压信号和电流信号；

步骤1-1：工作开始，接通电路，采集到的初始电压信号为u₀和电流信号I₀，执行步骤2；

步骤1-2：工作当中，连续采集电压信号u_i和电流信号I_i；

步骤2：将步骤1采集的电压信号通过电压偏置放大电路放大，电压放大的倍数A_u，按如下公式计算：

$A_u=-\frac{U_i}{u_i}=-\frac{\mathrm{\β}(R_C//R_L)}{r_{\mathrm{be}}}$

式中，U_i为放大器输出电压；u_i为漏钢检测装置采集电压信号；β为电流放大倍数；r_be为晶体管的输入电阻；上式中的负号表示输出电压与采集电压相位相反；

步骤3：对步骤2处理过的电压数字信号进行分析：方法为：利用采集到的电压信号值和电流信号值，确定漏钢装置的电阻值，进而确定钢液在喷粉元件缝隙内渗漏深度h：

步骤3-1：若检测到的电压信号与采集到的初始电压信号相等，缝隙间电阻值为无穷大，则未发生钢液渗漏，执行步骤1-2；

步骤3-2：若检测到电压信号发生变化，则发生漏钢，利用检测到的电压信号确定耐火材料缝隙间电路的总阻值R，公式如下：

$R=\frac{U_i}{A_u{I}_i}$

式中，I_i为电流表采集数据；

设缝隙间钢液渗漏深度为h，则连续性漏钢引入的电路总阻值R′可按缝隙间钢液阻值计算，即

$R^{\′}={\mathrm{\ρ}}_T\frac{\mathrm{\δ}}{(h-h_0)B}$

式中，ρ_T为钢液在T(K)时电阻率；δ为缝隙宽度；h为钢液渗入缝隙深度；h₀为电极近钢液端距钢液距离；B为缝隙长度；

由公式(1)和公式(2)可知，R′＝R，计算缝隙间钢液渗漏深度h，公式如下：

$h=\frac{{\mathrm{\ρ}}_T\mathrm{\δ}}{B}\frac{A_u{I}_i}{U_i}+h_0$

步骤4：设钢包底吹喷粉漏钢检测装置的临界漏钢深度为h_c：

若漏钢深度h≥系统的临界漏钢深度h_c，则发生不可逆转连续性漏钢，执行步骤6；

若漏钢深度h＜系统的临界漏钢深度h_c，则发生可逆转连续性或非线性漏钢，执行步骤5；

步骤5：增强喷吹强度，使缝隙间压强增大，缝隙间渗入钢液被喷出缝隙，执行步骤1-2；

步骤6：启动报警系统，正在使用中的喷粉元件增强喷吹强度，冶炼结束立即更换喷粉元件。

Claims (5)

1.一种钢包底吹喷粉漏钢检测装置，其特征在于：包括钢包底喷粉元件、信号采集电路、信号放大电路、处理器和报警器，其中，钢包底喷粉元件其内部填充耐火材料，耐火材料中均匀分布若干缝隙；其连接关系为：钢包底喷粉元件的输出端连接信号采集电路的输入端，信号采集电路的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接处理器的输入端，处理器的输出端连接报警器；

其中，所述的信号采集电路由电极、电源、电流表和保护电阻组成，其连接关系为：将电极成对的埋入耐火材料的缝隙内壁，第一电极近钢液端埋在耐火材料缝隙内壁距钢液h₀处，第一电极另一端通过第一导体连接信号采集电路的第一输入端，第二电极近钢液端埋在耐火材料缝隙内壁距钢液h₀处，第二电极另一端通过第二导体连接信号采集电路的第二输入端，第一电极与第二电极平行相对，其它电极的连接方式与此相同，信号采集电路的第一输入端连接电流表的输入端，电流表的第一输出端连接信号放大电路的第一输入端，电流表的第二输出端连接保护电阻的一端，保护电阻的另一端连接电源的一端，电源的另一端连接信号采集电路的第二输入端，再同时连接信号放大电路的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的钢包底吹喷粉漏钢检测装置，其特征在于：所述的信号放大电路采用分压式偏置放大电路，由三极管、电阻和电容组成，其中，电阻由第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻组成，电容由第一电容、第二电容、第三电容组成，其连接关系如下：第一电容的一端连接信号放大电路的第一输入端，第一电容的另一端连接第一电阻的一端、第二电阻的一端和三极管的基极，第一电阻的另一端连接第三电阻的一端和信号放大电路电源E_C，三极管的集电极连接第三电阻的另一端、第二电容的一端，第二电容的另一端连接信号放大电路的第一输出端，三极管的发射极连接第四电阻的一端、第三电容的一端，第二电阻的另一端、第四电阻的另一端、第三电容的另一端同时连接信号放大电路的第二输出端，并接地。

3.采用权利要求2所述的钢包底吹喷粉漏钢检测装置进行漏钢检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集漏钢检测装置的电压信号和电流信号；

步骤1-1：工作开始，接通电路，采集到的初始电压信号为u₀和电流信号I₀，执行步骤2；

步骤1-2：工作当中，连续采集电压信号u_i和电流信号I_i；

步骤2：将步骤1采集的电压信号通过分压式偏置放大电路放大，电压放大的倍数A_u，按如下公式计算：

$A_u=-\frac{U_i}{u_i}=-\frac{\mathrm{\β}(R_C//R_L)}{r_{\mathrm{be}}}$

式中，U_i为放大器输出电压；u_i为漏钢检测装置采集电压信号；β为电流放大倍数；r_be为三极管的输入电阻；上式中的负号表示输出电压与采集电压相位相反；R_C为信号放大电路中的第三电阻，R_L为信号放大电路中的负载电阻；

步骤3：对步骤2处理过的电压数字信号进行分析：方法为：利用采集到的电压信号值和电流信号值，确定漏钢装置的电阻值，进而确定钢液在喷粉元件缝隙内渗漏深度h；

步骤3-1：若检测到的电压信号未发生变化，缝隙间电阻值为无穷大，则未发生钢液渗漏，执行步骤1-2；

步骤3-2：若检测到电压信号发生变化，则发生漏钢，利用检测到的电压信号确定耐火材料缝隙间电路的总阻值R，公式如下：

$R=\frac{U_i}{A_u{I}_i}---\left(1\right)$

式中，I_i为电流表采集数据；

设缝隙间钢液渗漏深度为h，则漏钢引入的电路总阻值R′可按缝隙间钢液阻值计算，即

$R\text{'}={\mathrm{\ρ}}_T\frac{\mathrm{\δ}}{(h-h_0)B}---\left(2\right)$

式中，ρ_T为钢液在T（K）时电阻率；δ为缝隙宽度；h₀为电极近钢液端距钢液距离；B为缝隙长度；

由公式（1）和公式（2）可知，R′=R，计算缝隙间钢液渗漏深度h，公式如下：

$h=\frac{{\mathrm{\ρ}}_T\mathrm{\δ}}{B}\frac{A_u{I}_i}{U_i}+h_0$

步骤4：设钢包底吹喷粉漏钢检测装置的临界漏钢深度为h_c：

若缝隙间钢液渗漏深度h≥装置的临界漏钢深度h_c，则发生不可逆转连续性漏钢，执行步骤6；

若缝隙间钢液渗漏深度h<装置的临界漏钢深度h_c，则发生可逆转连续性或非线性漏钢，执行步骤5；

步骤5：增强喷吹强度，使缝隙间压强增大，缝隙间渗入钢液被喷出缝隙，执行步骤1-2；

步骤6：启动报警系统，正在使用中的喷粉元件增强喷吹强度，冶炼结束立即更换喷粉元件。

4.根据权利要求3所述的漏钢的检测方法，其特征在于：步骤3-2所述的电极近钢液端距钢液距离h₀，其取值范围为：h₀=1mm～50mm。

5.根据权利要求3所述的漏钢的检测方法，其特征在于：步骤4所述的钢包底吹喷粉漏钢检测装置的临界漏钢深度为h_c，其取值范围为：h_c=5mm～50mm。

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