CN112226561B - 一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，采用第一系统和第二系统实现，所述的第一系统为需要在高炉炉体植入固定侵入式传感器的炉衬监测系统，所述固定侵入式传感器为热电偶或能够与炉衬等效损耗的传感器，所述的第二系统为基于冲击回波法的单点或扫描式可移动监测系统。充分利用并结合现有常规固定侵入式炉衬监测系统，通过联合运用、扬长避短，将常规监测系统的高准确度与冲击回波法的高灵活性密切结合，有效提高冲击回波系统对高炉监测的准确度，同时有效增加高炉炉衬监测区域范围，减少或避免了监测死角和盲区，为更加全方位且精确快捷的监测高炉炉衬侵蚀状况提供依据。

Description

一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法。

背景技术

随着高炉大型化发展和装备水平的提高，高炉长寿技术得到全面发展，世界范围内一些大型高炉一代炉役寿命已超过了20年。近年来我国高炉全炉体冷却、铜冷却壁、优质耐材、高炉监测以及软水密闭循环冷却系统等先进技术广泛应用，长寿方面也取得了显著进步，一些高炉寿命达到了15年以上。但另一方面我国高炉长寿发展很不均衡，高炉平均寿命仅为5～10年，尤其高炉炉缸烧穿案例仍燃屡有发生，说明与世界先进水平相比还存在差距。

对高炉工作者而言，准确监测生产过程中的炉衬侵蚀状态非常重要，这样才能够适时调整操作或采取护炉措施，实现高效生产与安全长寿的统一。早期生产技术落后，高炉监测设备和手段严重缺乏，只能依靠高炉操作者观察炉壳是否有发红、鼓包、漏风等现象，以此来判断炉衬是否出现问题。后来又采取在炉墙上设置探测孔的方法，定修时人工用铁钩钩住炉衬内缘，测量铁钩伸入炉内的长度，即获得该处炉衬残存厚度，早期的这些方法局限性很大，费时费力又缺乏时效性。随着科学技术不断进步，国内外相继开发出了多种高炉炉衬监测技术，如多头热电偶、热流检测、模型判断、炉壳测温、电阻法、电容法、超声波、电磁波等，这些技术或方法在一定程度上对高炉生产安全长寿起到了积极作用。其主要基于热、电、声等物理信号变化判断炉衬状态，现有绝大多数高炉炉衬监测技术都需要预埋传感器，其中通过传感器等效损耗判断炉衬残厚的方法准确度较高，例如多头热电偶法、电阻法、电容法、超声波法等，不过其适用区域有限制，普遍不适合在内部为熔融态渣铁的炉缸区域使用，存在较大安全风险；目前炉缸部位侵蚀监测在工业中应用最为广泛的是电偶测温，基于传热学通过热流强度或炉缸侵蚀模型来判断，其优点在于可在线计算，实时监测，并能通过运算结果直观展示内衬侵蚀面貌，实现一定程度“可视化”。

上述炉衬监测方法均为侵入式检测，需要在炉体植入传感器，其通用的缺点是只能准确判断有限位置内衬情况，即各种热、电、声等物理信号变化只是反映传感器安装点的状况，据此监测到的也只是传感器安装点一定范围内的炉衬残余厚度，而一些企业高炉圆周方向布置传感器仅有8点，甚至4点或更少，这对于炉缸直径可达10m以上的大型高炉而言是远远不够的，会明显造成传感器之间的监控死角和盲区，例如国内某厂1号4037m3高炉发生烧穿前，炉缸圆周仅有8点单支热电偶，发生烧穿的部位刚好就发生在监控最薄弱处。某厂3号3200m3高炉发生烧穿前，炉缸圆周仅4个方向安装了温度监测，且都不在侵蚀最严重的铁口下方，导致烧穿时毫无预警。虽然进一步增加、密植传感器能有所改善，但并不能从根本解决这个问题，除了会造成大量采购维护费用的增加，实际过度密植侵入式传感器也会增大对内衬结构的破坏，因此不可避免的存在数量限制以及设备损坏失效等问题，检测盲区总会存在，尤其到炉役后期，常常有较多传感器损坏且无法修复，而此时监测才更加重要。

另一方面，基于冲击回波法的一项无损检测技术在很多行业得到发展应用，通过在介质表面施加瞬时机械冲击，产生的应力波遇到与其它介质形成的界面时会发生反射，应力波在介质表面与反射面之间来回反射引起结构表面的微小位移响应，接受这种响应并进行频谱分析可判断介质厚度或内部缺陷的有无、位置等信息。该方法在混凝土领域应用较广泛，也有研究者利用该方法检测高炉炉衬厚度。该方法的最大优势在于，它属于完全的无损检测，直接在炉外操作，可随时在各部位开展快速测量，相对更加灵活方便，该技术在高炉无损检测领域具有很大的应用潜力。然而由于高炉炉墙具有炉壳、冷却壁、捣料、炭砖等多层材质，各种材质中的信号传播速度存在差异，并且受到温度影响，应力波通过不同材质传播会产生复杂的界面反射，此外高炉生产现场振动、测点周围设施产生的表面波等，都对反射信号产生较大的影响，要获得准确的信号传播速度比较困难，导致难以精确的判断炉衬侵蚀等情况，其应用推广也因此受到很大限制。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，充分利用、结合现有常规固定侵入式炉衬监测系统，通过联合运用、扬长避短，以实现提高监测的准确程度，同时减少或避免监控死角和盲区，为更加全方位而精确的监测高炉炉衬侵蚀状况提供依据。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，所述的方法采用第一系统和第二系统实现，所述的第一系统为需要在高炉炉体植入固定侵入式传感器的炉衬监测系统，所述固定侵入式传感器为热电偶或能够与炉衬等效损耗的传感器，所述的炉衬等效损耗类传感器包括电阻类检测元件、电容类检测元件、超声波测杆等；所述的第二系统为基于冲击回波法的单点或扫描式可移动监测系统；

所述的方法包括如下步骤：

1)根据第一系统的固定侵入式传感器数量位置确定第二系统的测点数量及具体位置，分别沿高炉圆周、高度方向在第一系统各传感器之间等距确定m₁、m₂个第二系统测点，m₁≥1、m₂≥0，根据实际需要确定上限；

2)在步骤1)确定的测点位置及第一系统传感器位置处分别通过第二系统获得冲击回波信号，通过冲击装置施加瞬时机械冲击，通过可移动传感器采集冲击回波信号，每个测点采集n个信号，n≥5，各测点信号采集条件保持相同；所述在第一系统传感器位置处获得冲击回波信号为距离第一系统传感器位置≤100mm范围获得冲击回波信号；

3)对步骤2)获得的冲击回波信号进行解析，通过快速傅立叶分析和最大熵法分析方法，获取显著频率f、显著时刻t等信号解析参数；所述信号解析参数为采集的n个信号中有效信号解析结果的平均值；

4)通过第一系统获得固定传感器位置的炉衬剩余厚度，根据固定传感器植入深度l、传感器信号x的变化获得传感器位置的炉衬剩余厚度h；

5)根据第一系统固定传感器处按步骤2)、3)获得的冲击回波信号及显著频率f、显著时刻t等参数，及按步骤4)获得的h，获得该处炉衬冲击回波拟合波速：

式中h₀为炉衬外壁厚度，μ为波速系数，受砖衬温度、具体材质等影响，0.85≤μ≤0.95；

6)根据步骤3)、5)获得的炉衬冲击回波参数f、t、v获取第二系统测点炉衬剩余厚度：

(7)定期对高炉按前述步骤进行监测，随时掌握炉衬侵蚀情况。

进一步地，所述的步骤四中，炉衬剩余厚度h获得方法如下：

1)热电偶传感器根据传热原理计算h；或根据进一步优化的传热原理算法、模型获得h；热电偶传感器根据传热原理计算h，包括如下：

常规单点双支热电偶h：

式中λ₁、λ₂为不同温度导热系数，x₁、x₂为两点电偶温度，x₀为侵蚀温度(通常取值1150℃)，l₁、l₂为两点电偶插入深度。

2)其它与炉衬等效损耗的传感器根据等效损耗原则由传感器剩余长度计算h＝l，式中l为植入传感器剩余长度，可以根据传感器信号x确定，在不同的监测方法中l与x存在各自对应关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，充分利用并结合现有常规固定侵入式炉衬监测系统，通过联合运用、扬长避短，将常规监测系统的高准确度与冲击回波法的高灵活性密切结合，有效提高冲击回波系统对高炉监测的准确度，同时有效增加高炉炉衬监测区域范围，减少或避免了监测死角和盲区，为更加全方位且精确快捷的监测高炉炉衬侵蚀状况提供依据。

具体实施方式

以下对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，所述的方法采用第一系统和第二系统实现，所述的第一系统为需要在高炉炉体植入固定侵入式传感器的炉衬监测系统，所述固定侵入式传感器为热电偶或能够与炉衬等效损耗的传感器，所述的炉衬等效损耗类传感器包括电阻类检测元件、电容类检测元件、超声波测杆等；所述的第二系统为基于冲击回波法的单点或扫描式可移动监测系统；

所述的方法包括如下步骤：

1)根据第一系统的固定侵入式传感器数量位置确定第二系统的测点数量及具体位置，分别沿高炉圆周、高度方向在第一系统各传感器之间等距确定m₁、m₂个第二系统测点，m₁≥1、m₂≥0，根据实际需要确定上限；

2)在步骤1)确定的测点位置及第一系统传感器位置处分别通过第二系统获得冲击回波信号，通过冲击装置施加瞬时机械冲击，通过可移动传感器采集冲击回波信号，每个测点采集n个信号，n≥5，各测点信号采集条件保持相同；所述在第一系统传感器位置处获得冲击回波信号为距离第一系统传感器位置≤100mm范围获得冲击回波信号；

3)对步骤2)获得的冲击回波信号进行解析，通过快速傅立叶分析和最大熵法分析方法，获取显著频率f、显著时刻t等信号解析参数；所述信号解析参数为采集的n个信号中有效信号解析结果的平均值；

4)通过第一系统获得固定传感器位置的炉衬剩余厚度，根据固定传感器植入深度l、传感器信号x的变化获得传感器位置的炉衬剩余厚度h；

炉衬剩余厚度h获得方法如下：

热电偶传感器根据传热原理计算h；或根据进一步优化的传热原理算法、模型获得h；热电偶传感器根据传热原理计算h，包括如下：

常规单点双支热电偶h：

式中λ₁、λ₂为不同温度导热系数，x₁、x₂为两点电偶温度，x₀为侵蚀温度(通常取值1150℃)，l₁、l₂为两点电偶插入深度。

其它与炉衬等效损耗的传感器根据等效损耗原则由传感器剩余长度计算h＝l，式中l为植入传感器剩余长度，可以根据传感器信号x确定，在不同的监测方法中l与x存在各自对应关系。

7)根据第一系统固定传感器处按步骤2)、3)获得的冲击回波信号及显著频率f、显著时刻t等参数，及按步骤4)获得的h，获得该处炉衬冲击回波拟合波速：

式中h₀为炉衬外壁厚度，μ为波速系数，受砖衬温度、具体材质等影响，0.85≤μ≤0.95；

8)根据步骤3)、5)获得的炉衬冲击回波参数f、t、v获取第二系统测点炉衬剩余厚度：

(8)定期对高炉按前述步骤进行监测，随时掌握炉衬侵蚀情况。

需要说明的是：现有绝大多数高炉炉衬监测技术都需要预埋传感器，包括热电偶或其它等效损耗类传感器如电阻元件、电容元件、超声波测杆等，这些方法经过多年发展，监测的炉衬剩余厚度准确度较高，但由于是固定位置植入方式，只能准确判断安装点内衬情况，而很多高炉实际布置的传感器数量有限或传感器损坏，造成存在较多监测盲区。另一方面，新兴的基于冲击回波法的无损监测技术可移动式灵活检测，直接在高炉应用时受到炉墙复杂结构等因素影响难以确定冲击回波速度参数，导致判断炉衬侵蚀的准确度受到影响。本发明通过将现有常规固定侵入式和冲击回波无损式两种炉衬监测系统联合运用，在前者监测系统基础上增加、覆盖后者监测系统，并根据前者系统监测的炉衬厚度获取后者监测系统的拟合波速，提高了冲击回波无损监测系统在高炉应用的准确度，同时减少或避免了监控死角和盲区，从而将常规监测系统的高准确度与冲击回波法的高灵活性有效结合，扬长避短，为更加全方位而精确的监测高炉炉衬侵蚀状况提供依据。

实施例1

某450m³高炉原来安装有热电偶监测系统，炉缸2段冷却壁某高度范围布置有2层、每层圆周方向4点双支热电偶，分别布置在2铁口两侧约30°位置，2层高度间隔约500mm，插入砖衬深度分别为50、170mm，电偶测温正常准确情况下根据温度数据可以获得2层共计8点的炉衬剩余厚度情况，该高炉炉缸直径约8m，圆周方向两个测温点间距分别在4m、8m以上，存在较大的监控盲区。

在原有电偶监测系统基础上，分别沿圆周方向各测温点间按约1m距离确定冲击回波系统测点，总计确定两层共计48点，在确定的各测点位置分别通过单点式冲击回波仪器进行检测，每个测点采集10次回波信号，各测点信号采集条件保持相同，对各点采集的信号选取有效信号并进行快速傅立叶解析和最大熵法解析，获取相应的频谱解析参数。

根据原电偶监测系统获取热电偶部位炉衬剩余厚度，以及由冲击回波仪测得该处回波信号解析获取的显著频率、显著时刻，计算该处炉衬冲击回波拟合波速，进而计算其它各冲击回波测点的炉衬剩余厚度。可按周、月等定期进行监测，关注炉衬剩余厚度变化趋势。表1为部分测试结果，原电偶监测系统记做A系统，冲击回波监测系统记做B系统，采用本方法后，监测范围由原系统每层8点扩展到24点，有效增加了高炉炉衬监测区域范围，减少或避免了监测死角和盲区。

表1：部分监测数据(μ取0.9)

实施例2

某1000m³高炉炉身下部埋设有电阻元件，电阻元件与炉衬同步损耗，根据电阻信号变化判断电阻元件剩余长度，即获得炉衬剩余厚度。某高度位置圆周方向埋设有10组元件，且2组损坏不能读数。

在原有监测系统基础上，分别沿圆周方向各电阻元件植入点间等距确定冲击回波系统测点，总计确定60点，在确定的各测点位置分别通过扫描式冲击回波仪器进行检测，每个测点采集6次回波信号，各测点信号采集条件保持相同，对各点采集的信号选取有效信号并进行快速傅立叶解析和最大熵法解析，获取相应的频谱解析参数。

根据原监测系统获取电阻元件剩余长度即炉衬剩余厚度，以及由冲击回波仪测得该处回波信号解析获取的显著频率、显著时刻，计算该处炉衬冲击回波拟合波速，进而计算其它各冲击回波测点的炉衬剩余厚度。可定期进行监测，关注炉衬剩余厚度变化趋势。采用本方法后，某高度位置监测范围由原系统10点扩展到60点，有效增加了高炉炉衬监测区域，减少或避免了监测死角和盲区。

实施例3

某1800m³高炉炉身炉10-13段冷却壁高度范围安装有16个超声波测杆，每层均匀布置4个测点，各层测点互侧45°角度，测杆与炉衬同步损耗，通过超声波信号监测可以获得测杆的长度变化。

在原有监测系统基础上，沿圆周方向各测杆安装点间每隔15°确定冲击回波系统测点，同时在高度方向每两层测杆中心点加一层冲击回波测点，在确定的各测点位置分别通过冲击回波仪器进行检测，每个测点采集5次回波信号，各测点信号采集条件保持相同，对各点采集的信号选取有效信号并进行快速傅立叶解析和最大熵法解析，获取相应的频谱解析参数。

根据原监测系统获取超声测杆剩余长度即炉衬剩余厚度，以及由冲击回波仪测得该处回波信号解析获取的显著频率、显著时刻，计算该处炉衬冲击回波拟合波速，进而计算其它各冲击回波测点的炉衬剩余厚度。可按周、月等定期进行监测，关注炉衬剩余厚度变化趋势。采用本方法后，原监测点大幅增加，有效增加了高炉炉衬监测区域范围，减少或避免了监测死角和盲区。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (2)

1.一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，其特征在于，所述的方法采用第一系统和第二系统实现，所述的第一系统为需要在高炉炉体植入固定侵入式传感器的炉衬监测系统，所述固定侵入式传感器为热电偶或能够与炉衬等效损耗的传感器，所述的第二系统为基于冲击回波法的单点或扫描式可移动监测系统；

所述的方法包括如下步骤：

1)根据第一系统的固定侵入式传感器数量位置确定第二系统的测点数量及具体位置，分别沿高炉圆周、高度方向在第一系统各传感器之间等距确定m₁、m₂个第二系统测点，m₁≥1、m₂≥0，根据实际需要确定上限；

2)在步骤1)确定的测点位置及第一系统传感器位置处分别通过第二系统获得冲击回波信号，通过冲击装置施加瞬时机械冲击，通过可移动传感器采集冲击回波信号，每个测点采集n个信号，n≥5，各测点信号采集条件保持相同；在所述第一系统传感器位置处获得冲击回波信号为距离第一系统传感器位置≤100mm范围获得冲击回波信号；

3)对步骤2)获得的冲击回波信号进行解析，通过快速傅立叶分析和最大熵法分析方法，获取显著频率f、显著时刻t信号解析参数；所述信号解析参数为采集的n个信号中有效信号解析结果的平均值；

4)通过第一系统获得固定传感器位置的炉衬剩余厚度，根据固定传感器植入深度l、传感器信号x的变化获得传感器位置的炉衬剩余厚度h；

5)根据第一系统固定传感器处按步骤2)、3)获得的冲击回波信号及显著频率f、显著时刻t参数，及按步骤4)获得的h，获得该处炉衬冲击回波拟合波速：

式中h₀为炉衬外壁厚度，μ为波速系数，受砖衬温度、具体材质影响，0.85≤μ≤0.95；

6)根据步骤3)、5)获得的炉衬冲击回波参数f、t、v获取第二系统测点炉衬剩余厚度：

7)定期对高炉按前述步骤进行监测，随时掌握炉衬侵蚀情况；

所述的步骤4) 中，炉衬剩余厚度h获得方法如下：

1)热电偶传感器根据传热原理计算h；

2)其它与炉衬等效损耗的传感器根据等效损耗原则由传感器剩余长度计算h＝l，式中l为植入传感器剩余长度，根据传感器信号x确定，在不同的监测方法中l与x存在各自对应关系。

2.根据权利要求1所述的一种基于冲击回波法的高炉炉衬监测方法，其特征在于，热电偶传感器根据传热原理计算h，包括如下：

常规单点双支热电偶h：

式中λ₁、λ₂为不同温度导热系数，x₁、x₂为两点电偶温度，x₀为侵蚀温度，取值1150℃，l₁、l₂为两点电偶插入深度。