CN104977358A - 一种基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法，用冲击锤在定制炭砖表面施加瞬时机械冲击，并用接收传感器对反射回波信号进行采样，对采样信号进行滤波、增益、傅立叶变换频谱处理，根据频谱信息计算出波速，取不少于10次测试结果的平均值作为参照波速。采用同样测试方法对被检炭砖进行测试，获得对应的检测波速。以检测波速≥参照波速作为判断炭砖合格的标准，否则即判定为被检测炭砖质量未达标。本发明无损检测方法，被检炭砖不会受到破坏，可继续作为产品使用；其测试操作简便灵活，结果准确可靠，能够综合整块炭砖以及内部结构进行全面质量评价，并可实现多试样甚至每批每块炭砖试样的快速检测。

Description

一种基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法

技术领域

本发明属于质量检验领域，特别涉及一种利用声学原理进行高炉用炭砖质量的检验方法。

背景技术

现代大型高炉的寿命与炉衬耐火材料质量状况紧密相关，尤其是炉缸炉底使用的炭砖，因为炉缸炉底长年累月盛聚着熔融液态渣铁，受到的侵蚀最严重且难以修补，该部位是制约高炉长寿的主要环节，因此炉缸炉底炭砖的质量尤为关键。根据相关资料（张寿荣等，长寿高炉使用真正的微孔炭砖的必要性，钢铁，2012年11期）记载，2008～2012年，国内有10余座高炉炉缸烧穿或短寿，其中多座高炉寿命不足4年，其中最主要原因便是使用的炭砖质量太差，一些高炉使用了假冒伪劣的微孔炭砖或半石墨炭砖，这些炭砖所用的原料和生产工艺完全违背炭砖生产原理和核心技术：炭砖原料未用高温电煅无烟煤，而是加入大量电极石墨以提高导热系数；未加硅微粉或少加硅微粉；不经高温焙烧，所加的硅粉完全不发生化学反应等等，导致炭砖质量大打折扣。

虽然高炉用炭砖有国家或行业规定的相关产品标准，而且我国也已经掌握了生产优质高炉炭砖的工艺和技术，例如公开号CN1769239提供的“一种炼铁高炉炉衬用炭砖及其制备方法”、CN102432316A提供的“一种高炉炉底炉缸用炭砖及其制备方法”，以及CN102992805A公开的“一种高导热超微孔炭砖及其制备方法”等，均是关于炭砖制备方法的专利技术。但目前国内没有统一的质量管理机构监管炭砖产品质量，难以阻止劣质甚至假冒产品进入市场。另一方面，目前针对高炉炭砖质量有体积密度、显气孔率、耐压强度、抗折强度、透气度、平均孔径、<1μm孔容积率、导热系数、铁水熔蚀指数、抗碱性、氧化率、抗渣性、岩相分析等系列指标的检测评价方法，以及对应的国家或行业标准，但这些评价方法基本都是制取一定尺寸大小的炭砖试样进行检验，对整块炭砖整体结构的均质程度或内部缺陷不能有效检测，容易导致检验结果以偏概全。另外上述检验过程繁琐复杂，必须专业人员操作，往往一个试样、一项检测就需要数小时，检验较多试样、多个指标时将会耗费大量时间。此外。个别检测方法依靠检验者的主观经验判断，抽样检验过程中还存在漏检或送假样检验等各种问题，每批炭砖都进行充分可靠的检测几乎不可能实现。

综上，在现有炭砖生产管理以及质量评价框架下，目前钢铁企业很难对高炉用炭砖进行快速及时和充分可靠的质量检测，也因此导致高炉长寿无法从根本上得到保障。

发明内容

本发明提供一种基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法，旨在利用声学原理对高炉炭砖进行测试，实现对高炉用炭砖质量的快速、无损检测，并作出及时可靠的质量评价。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法，其具体方法和步骤为：

1.获取定制炭砖对应的参照波速：

使用冲击锤在定制炭砖表面施加瞬时机械冲击，产生向炭砖内部传播的应力波，同时使用接收传感器对反射回波信号进行采样，对采样得到的信号进行滤波、增益、傅立叶变换（FFT）频谱处理，根据频谱信息计算出波速，取不少于10次测试结果的平均值作为参照波速。

2.获取被检测炭砖的对应检测波速：

采用步骤1同样的测试方法对被检炭砖进行测试，并获得对应的检测波速。

3.根据参照波速评价被检测炭砖质量：

以检测波速不小于参照波速作为判断炭砖合格的标准，若检测波速小于参照波速，说明检测炭砖整体均质程度欠佳，或不够致密，或内部存在裂隙、空洞结构缺陷，则判定为被检测炭砖质量未达标。

所述定制炭砖执行该种炭砖的国家标准或行业标准，同时炭砖体积密度为执行标准中规定的体积密度指标下限值即允许负偏差不超过1%。

所述的应力波为压缩P波；所述的波速为应力波在炭砖中的传播速度，波速v=2hf，式中，h为测试方向炭砖的厚度，f为频谱图中最显著幅值峰对应频率。

本发明的有益效果为：

本发明高炉用炭砖质量的检测方法，充分利用应力波在不同介质界面发生反射的原理，通过检测音频信号对炭砖质量进行评价，是一种无损检测方法，被检炭砖不会受到破坏，可继续作为产品使用；其测试操作简便灵活，结果准确可靠，能够综合整块炭砖以及内部结构进行全面质量评价，并可实现多试样甚至每批每块炭砖试样的快速检测。

附图说明

图1是高炉用炭砖质量检测方法测试原理图；

图2是采样得到的时域信号谱图；

图3是经FFT处理后的频域信号谱图。

图中：冲击锤1、传感器2、炭砖3、内部缺陷4。

具体实施方式

目前关于炭砖的质量检测大都是理化性能之类的检测，需要在整块炭砖上截取一定尺寸的炭块作为试样，这种检测方式对整块炭砖的均质程度、裂纹/气泡等内部构造缺陷不能有效判断，同时检验过程繁琐复杂，耗费大量时间，必须专业人员操作，个别检测方法依靠检验者的主观经验判断，抽样检验过程中还存在漏检或送假样检验等各种问题，每批炭砖都进行充分可靠的检测几乎不可能实现。

另一方面，在炭素行业已经使用超声波对石墨电极类炭制品进行无损检测，利用超声波在制品内部传播时的界面反射、缺陷反射等特性，通过波速的测量来评价制品均质质量和内部缺陷，但由于炭制品材料晶粒粗大，超声波在传播时的散射和衰减严重，当测量较厚的制品时比较困难，对尺寸较大的炭砖就无法使用。而通过机械冲击产生的应力波（压缩P波）比常规超声波具有更高能量，波长也更长，能够在粗晶介质中传播。应力波通过介质质点的弹性振动传递能量，其波速大小由介质弹性模量和密度决定，同时与介质均质程度以及内部质量关系密切，当炭砖不够致密、整体均质程度较差或存在裂隙/空洞等内部缺陷时，必然导致应力波通过的时间延长，表现为测得的波速相对偏低。

下面结合附图说明对本发明作进一步说明：

参见图1所示，本发明评价高炉用炭砖质量的检测方法，其测试原理如下：

使用冲击锤1在炭砖3表面施加一瞬时机械冲击，同时使用接收传感器2对音频信号进行采样，瞬时冲击产生向炭砖3内部传播的应力波（P波），在遇到与其它介质形成的界面（例如炭砖3底面或内部缺陷4界面）时将发生反射，应力波在炭砖3表面与反射面之间来回重复反射形成瞬态共振。因反射回波在采样信号中占主要成分，其频率幅值峰在频谱图中会相对突出，对应频率即共振频率，其倒数为应力波从炭砖3表面到反射面来回反射一次的周期，根据炭砖3厚度可计算出应力波在炭砖中的波速。

实施例：

1.获取定制炭砖对应的参照波速：

使用冲击锤1在定制炭砖3表面施加一瞬时机械冲击，产生向炭砖3内部传播的应力波，使用接收传感器2对音频信号进行采样。定制炭砖执行《YB/T141-2009高炉用微孔炭砖》行业标准，体积密度为1.63g/cm³，测试方向炭砖3厚度为1130mm，对采样得到的信号进行滤波、增益、傅立叶变换（FFT）等频谱处理。图2和图3分别为采样获得的时域信号和FFT处理后的频域信号谱图，由图3可知，明显的频率幅值峰出现在0.996kHz处，这正是应力波在炭砖3表面和底面间多次重复反射形成的振幅加强所致。根据v=2hf可以计算出应力波在该种炭砖3中的对应波速为2250m/s。进行10次测试，取测试结果的平均值2250m/s作为参照波速。

2.获取被检测炭砖3的对应检测波速：

采用步骤1同样的测试方法对被检测炭砖3进行测试，并获得对应的检测波速。

3.将检测波速与参照波速进行对比分析，评价被检测炭砖3的质量：

以检测炭砖3的波速不小于2250m/s作为判断炭砖3合格的标准，若小于2250m/s，则表明炭砖3整体均质程度欠佳，或不够致密，或存在裂隙、空洞等内部结构缺陷，质量未达标。对判断达标炭砖3与判断不达标炭砖3分别随机抽取2块进行常规理化指标检测，并对照行业标准规定的理化指标范围（表1），抽检发现依据本发明判断达标的炭砖3各项指标均符合标准规定范围，而判断为不达标的炭砖3有多项指标未达到标准规定范围，表明本发明方法准确可靠。

表1行业标准规定的理化指标范围

检测指标	单位	指标值
			体积密度	g/cm3	≥1.63
显气孔率	%	≤16.0
			耐压强度	MPa	≥38.0
透气度	mDa	≤9.0
			平均孔径	um	≤0.5
＜1μm孔容积比	%	≥70.0
			氧化率	%	≤16.0
铁水熔蚀指数	%	≤30
			导热系数	室温W/(m·K)	≥9.0
	600℃W/(m·K)	≥14.0
			抗碱性	级	U或LC

Claims (3)

1.一种基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法，其特征在于，具体方法和步骤为：

(1).获取定制炭砖对应的参照波速：

使用冲击锤在定制炭砖表面施加瞬时机械冲击，产生向炭砖内部传播的应力波，同时使用接收传感器对反射回波信号进行采样，对采样得到的信号进行滤波、增益、傅立叶变换频谱处理，根据频谱信息计算出波速，取不少于10次测试结果的平均值作为参照波速；

(2).获取被检测炭砖的对应检测波速：

采用步骤(1)同样的测试方法对被检炭砖进行测试，并获得对应的检测波速；

(3).根据参照波速评价被检测炭砖质量：

以检测波速不小于参照波速作为判断炭砖合格的标准，若检测波速小于参照波速，说明检测炭砖整体均质程度欠佳，或不够致密，或内部存在裂隙、空洞结构缺陷，则判定为被检测炭砖质量未达标。

2.根据权利要求1所述的基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法，其特征在于，所述定制炭砖执行该种炭砖的国家标准或行业标准，同时炭砖体积密度为执行标准中规定的体积密度指标下限值即允许负偏差不超过1%。

3.根据权利要求1所述的基于声学原理检验高炉用炭砖质量的方法，其特征在于，所述的应力波为压缩P波；所述的波速为应力波在炭砖中的传播速度，波速v=2hf，式中，h为测试方向炭砖的厚度，f为频谱图中最显著幅值峰对应频率。