CN1087428A - 高炉残衬超声检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高炉炉衬超声检测的方法及 装置。主要技术特征是利用超声波在一定条件下按 一定速度传播，并在两种物质界面上发生反射、折射 和透射的原理，选用金属与石墨制成的检测杆为主件 的超声传感器，利用超声比较法在线检测高炉炉衬的 蚀损状态。依据检测数据可以选择适于高炉冶炼的 耐火材料及其结构形式并随时调整高炉操作及加强 炉体各部位的维护，以达到延长炉体使用寿命的目 的。该方法可以广泛应用于冶金炉衬的蚀损检测。

Description

本发明属于高炉衬体检测方法，特别涉及超声波技术在冶金领域的应用。

目前，国内关于高炉炉衬的检测方法，一般均采用电偶法、电偶组加热场分析法以及放射性示踪法。电偶法及电偶组加热场分析法，由于较长时间后可发生热结点的老化及熔断后的自焊台等问题而失效，只能得知大致的蚀损状态，提供数据既不及时又不准确。放射性示踪法也不能连续测得蚀损数据，并有生物效应，人们不愿使用。最近又有人采用电阻法（或称贴片法），此法的弱点是当接触到水时则即失效。

关于这方面的技术国外也正处于研究和探讨之中。如：1985年4月16日美国专利号为US4510793文献中公开的“冶金炉衬磨损的检测方法”是直接采用超声波在检测杆中的振动速度，即当取得振动时间后，再求出检测杆的蚀损长度，也就是残衬的厚度。该方法是在炉壁上安设陶瓷探测棒，棒的里端与炉衬内表面接触，外端伸出炉壁，由陶瓷棒的超声波行程检测来确定陶瓷棒里端的位置和炉衬磨损情况。众所周知，超声波在物质中的传播速度，在一定的温度范围内是温度的函数，而高炉内（尤其是炉体上部）受下料速度及料柱内气流分布的作用，温度变化不定且频繁，甚至同一截面上炉衬温度也有较大差别。因此，检测杆上的超声传播速度采用不变的值显然是不科学的。即使用温校系数，也是不易得出准确蚀损数据的，更何况炉衬挂渣层会突然脱落等，就更难以检测了。另外，当采用钻孔法安装传感器时，只能适用于没有冷却壁的炉子，而我国高炉及世界上大多数国家的大型高炉都有冷却壁，是不适用的。

再如：1981年5月26日公开的US4269397专利名称为“测定冶金炉中耐火材料厚度的方法”是利用一个监测仪器，测定冶金炉钢壳内表面耐火材料厚度。属于电测的方法。该方法存在如下几点不足：其一，它要求中心的导体与外壳之间有很好的绝缘，且此绝缘材料为粉状体。这样在制作中不方便，尤其粉状体中不加粘结剂，在未经高炉作用下，不可能结成一个整体，故在安装期及开炉之初粉体在外力作用下可流出钢壳，必将影响标准数据的准确性，使测量的数据不准确;其二，在高炉条件下，炉内结成的含铁渣皮含铁量可高可低，是个变值，甚至有时会出现完全脱落等情况，甚至接触到熔铁后，也必将造成导体与钢套之间的介电常数变化，使其反射信号变化，如此取得的炉衬的蚀损厚度也必有较大的误差;其三，该方法中使用介电常数，如果物质的介电常数与温度有关系时，在温度经常变化，且各部位即使是在同一截面的高度上也各不相同的情况下，由此测出的信号也不会准确。总之，用该方法测得的数据与炉衬实际蚀损情况有一定的差距。

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用超声波技术在线检测高炉衬体蚀损情况的新方法及装置，它可以连续、准确地取出残衬蚀损数据。一：谰菁殳测数据，一可选择适于高炉冶炼用的耐火材料及结构形式，更重要的是可为高炉操作人员及时提供操作参数，使炉内气流分布合理，并进行合适的强化冶炼;此外依据蚀损数据，可有目的地加强炉体各部位的维护，防止炉体（尤其是炉缸）侵穿事故的发生。从而达到延长高炉作用寿命之目的。

本发明的技术特征是依据超声波在物质中按一定的速度传播，并在两种物质的界面上可以垂直反射的原理，按超声波传播时间的变化，取得被传播物质（炉衬）的厚度。

本发明是这样实现的，选用可与炉衬同步蚀损的材料为检测杆，制成超声传感器。在高炉大、中修时，将其一端（热端）砌入炉衬或喷补衬内，另一端（冷端）通过相应部位的冷却壁和炉壳的予留孔，露出炉外，并与炉壳相接触处焊死，以特制的多道炉衬超声检测仪（设在仪表室内），由电缆联接探头与传感器冷端耦合，自动检测炉衬的残存状态以及冷却壁热面的蚀损程度。

超声传感器是本发明中最关键的部件。根据高炉生产实际需要，按选用检测杆的材质制成两种传感器。一种是选用普碳钢或其他易于声波传导的耐热钢制成的金属传感器;用于炉腰以上部位。它具有抗断裂易加工，制造安装简单等优点。因其被砌入耐火衬内而被保护，在蚀损过程中不会凹入炉衬内。另一种是选用石墨棒制成的非金属传感器，用于风口以下的炉缸、炉底等部位。它具有抗铁水熔化和易于加工等优点，在高温下检测棒的热端不会出现软熔态。尤其在大高炉上，普遍用碳或碳化物的耐火材料，碳质检测杆与其性能正好一致。是合理的。

本发明的检测装置见附图1，附图2，附图3。

图1是金属传感器结构示意图。

图2是金属传感器安装结构示意图。

图3是非金属传感器结构及安装示意图。

金属传感器的结构比较简单，主要由普碳钢检测杆1、法兰2、冷却水套3、压盖4、换能器5、保护箱6等部件构成。主体件检测杆1是直径为25-30毫米的普碳钢棒，其长度按炉衬厚度决定。一般应为炉壳外露出部分的长度+炉壳外面到冷却壁内表面的厚度+耐火材料炉衬厚度之和。2是将检测杆固定在炉壳上用的法兰;3是设置在检测杆1-端的冷却水套，使检测杆1与换能器5耦合时处于常温;4是压紧换能器5的压盖;6是由钢板制成的保护箱，上面设有可揭开的钢板盖。

金属传感器的安装也比较简单，参见附图2。在高炉砌砖前，把检测杆1从炉壳外通过炉壳开孔8，冷却壁予留孔9插入炉内，随后砌炉衬10，使检测杆1的热端16相平或短于热面15，用法兰2将检测杆固定在炉壳外表面。冷却套3接通水管并通水。然后，在保护箱6内用压盖4连接换能器5与检测杆1的冷端7相耦合。压盖4以螺纹与检测杆1扭紧，由信号电缆11联接换能器5与检测仪表13，检测仪表13可输出到二次仪表或微机14，并置于高炉计器室15内。如不需二次仪表或微机时，超声检测仪本身有数字显示及小打印机记录，可直接使用。

非金属传感器的结构及安装较复杂一些，参见附图3。它主要由石墨棒1、保护套管2、支撑管4、法兰5、冷却水套6、密封套7、压盖11、换能器12、保护箱13等部件构成。检测杆1是选择直径为38毫米左右的石墨棒或其他耐火材料棒，其长度按其炉衬厚度而定，但最长暂不超过2米;外面套有与检测杆1的直径相适应的壁厚为1毫米的保护套管2，一端焊死，另一端开口，总长度要短于检测杆30-40毫米;4为支撑管，壁厚在5毫米左右，其直径应与套管2的外径相适应，其长度按照一端与保护套管2端口相平，另一端要伸入到冷却壁内表面以外100-200毫米;5是固定用法兰;6是冷却水套;7是密封套;11是联接换能器12的压盖;13是由钢板制成的保护箱;14是信号电缆。

非金属传感器的安装与金属传感器安装有所不同，先将焊有冷却套6及法兰5的支撑管4，从炉外通过炉壳开孔8、冷却壁予留孔9伸入炉内的予定位置，用法兰5固定在炉壳上，在炉衬10上可临时或予制沟槽。把保护套管2从封闭端（热端）插入支撑管4中及炉衬10的沟槽内，调整好插入深度及支撑管4和保护套管2的相关尺寸。再将准备好的与保护套管2的内径相适应的金属棒临时插入保护套管2中，直到顶端。然后在衬体的沟槽中充实捣料，继续砌炉衬。当砌衬高出1.5米或砌衬结束后拔出保护管2中的金属棒，将石墨检测杆1插进保护套管2中，调好位置后用石棉绳等密封好支撑管4，保护管2与石墨检测杆之间的缝隙，用密封套7压紧。压盖11将换能器12耦合在检测杆1的冷端上，用螺钉将保护箱13固定在冷却水套6的一端。信号电缆14与超声检测仪之间的关系同于金属传感器的安装。

在超声传感器的制作中，主体件检测杆的制作非常关键。它的制做工艺是在检测杆的表面上加工出螺纹，形成一条丝，杆的两端面平行且加工精整，尤其冷端面应研磨光洁，以便于换能器在耦合剂作用下耦合严密。最重要的是在检测杆上要刻出标准信号孔，信号孔可钻成垂直于检测杆轴线且平行于冷端面的圆孔或三角形孔。标孔的个数视检测杆长度而定，由检测杆冷端起顺次排开（L_标1、L_标2……等），标孔深度要小于检测杆的半径，可互成大于45度的角。标孔与检测杆冷端的距离要按炉壁的具体情况考虑，一般可使标，在高炉冷却壁内接近冷却壁的冷面处，大致为400-500毫米左右。按标孔中心线上的截面积或三角孔一边的面积以S_标1、S_标2……表示，检测杆热端的有效截面积为S_效之间的关系应与标孔与检测杆冷端的距离成一定比例关系。

在生产实践中，依据检测杆上的标准信号孔，便可测出检测杆随炉衬同步蚀损状况。并可在示波屏上见到检测杆标孔与热端的相对时标反射波（参见附图4）。高炉残衬厚度按（1）式得出：

d_残＝K· (x)/(标) ·L_标-B……（1）

式中：d_残-高炉残衬厚度mm;

K-校正系数;

_x-待测的相对时标值;

_标-标准信号的相对时标;

L_标标准信号至检测杆冷端的距离，mm;

B-检测杆冷端至高炉冷却壁热面的距离，mm。

如果测高炉后期残存冷却壁的厚度时，则_标为_标1;B为检测杆冷端至高炉冷却壁冷面的距离。

K值可由检测杆上做出的标准信号孔的位置来确定，它是变化的系数。当用标₁时（标孔位置处于冷却壁内），K＝0.97;当用标₂时（标孔位置处在炉衬内），K＝0.98。由式（2）导出：

K = 1-M% (L_X- L_标)/(L_O- L_标) ……（2）

式中：L_x-检测杆某一时间长度，mm;

L_标-标准信号至检测杆冷端的距离，mm;

L_O-检测杆的原始长度，mm;

M-变化系数。

当采用检测杆的标孔（标₁）位于冷却壁内时，（2）式中M取3;如把标孔位置设在耐火衬中时（标₂），M取2。

本发明经在鞍钢的几座高炉上试用证明，所测数据准确，精度达 0.5/100 D±10mm（D-炉衬厚度），应用效果良好，经济效益显著。如按高炉一代的寿命延长0.5年计算，容积为2000M³的炉子每年可增效400万元以上。

本发明克服了现有技术的不足，能够实现在生产过程中连续检测高炉炉衬的蚀损状况，及时提供准确数据，为延长炉体寿命，防止炉体（尤其是炉缸）的侵穿事故的发生提供可靠的保证。

Claims (8)

1、一种应用超声波技术检测高炉炉衬蚀损的方法，其特征在于选用与炉衬同步蚀损的材质制成超声传感器的检测杆，将标准信号制作在检测杆的本体上，以超声波垂直反射及比较法用超声炉衬检测仪在线测定高炉炉体各部位炉衬及冷却壁的蚀损状况。

即：d_残=K· (X)/(标) ·L_标-B………(1)

式中：d_残--高炉残衬厚度mm；

K--校正系数；

x--待测的相对时标值；

_标--标准信号的相对时标值；

L_标标准信号至检测杆冷端的距离，mm；

B--冷端至冷却壁热面的距离，mm。

2、根据权利要求1所述的检测高炉炉衬蚀损的方法，其特征在于传感器的检测杆采用两种材质制成，一种是采用普碳钢或其他易于超声波传导的耐热钢制成的金属传感器，另一种是采用石墨棒制成的非金属传感器。

3、根据权利要求1所述的检测高炉炉衬蚀损的检测方法，其特征在于依传感器检测杆的长度设计有若干个标准信号孔。标准信号孔的截面积和检测杆热端的有效面积与它们到冷端的距离成一定比例关系。

4、根据权利要求1所述的检测高炉炉衬蚀损的检测方法，其特征在于非金属传感器的安装方法是，在薄壁保护套管中，先临时插入与管径相应的金属棒，砌筑衬砖后取出金属棒，换上石墨棒。

5、根据权利要求1所述的高炉炉衬蚀损检测系统，其特征在于检测仪表13是按照（1）式的关系及与传感器的材质相应的频率（金属为1-3MHz、非金属为50kHz左右）制出的一机多点检测装置。

6、一种检测高炉炉衬蚀损的超声传感器，其特征在于以检测杆为主体，并在检测杆上套有螺纹，形成丝。

7、根据权利要求2或5所述的金属传感器，其特征在于;它主要由普碳钢棒1、法兰2、冷却水套3、压盖4、换能器5、保护箱6等部件构成。

8、根据权利要求2或5所述的非金属传感器，其特征在于;它主要由石墨碳棒1、保护套管2、支撑管4、法兰5、冷却水套6、密封套7、压盖11、换能器12、保护箱13等部件构成。

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