CN114514406A - 用于估计冶金炉中的耐火材料的厚度和磨损状态两者的系统和方法 - Google Patents

用于估计冶金炉中的耐火材料的厚度和磨损状态两者的系统和方法 Download PDF

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何塞·托马斯·西马罗
伊格纳西奥·埃雷罗布兰科
埃诺·费尔南德斯迭格斯
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Abstract

本发明主要涉及用于估计冶金炉(12)中的耐火材料(1)的厚度和磨损状态两者的系统，该系统至少包括：处理装置，该处理装置包括模拟频域数据的数据库，该模拟频域数据被称为模拟频谱、表示反射在已知状态和厚度的模拟耐火材料中的模拟冲击波，每个模拟频谱与已知状态和厚度数据两者的所考虑的模拟耐火材料相关，其中，该处理装置被配置成将反射的冲击波记录为时域信号，并且将该时域信号转换成频域数据，所述频域数据被称为实验频谱，并且该处理装置还被配置成将实验频谱与来自数据库的至少多个模拟频谱进行比较，以确定与实验频谱最佳拟合的模拟频谱并且使用与最佳拟合模拟频谱相关的已知状态和厚度数据来估计炉(12)中的耐火材料(1)的厚度和状态。

Description

用于估计冶金炉中的耐火材料的厚度和磨损状态两者的系统 和方法
技术领域
本发明属于冶金领域，并且更特别地，属于冶金炉内部的耐火材料领域。
本发明涉及用于估计冶金炉例如高炉中的耐火材料的厚度和磨损状态两者的系统和方法。
现有技术和现有技术的缺点
高炉通常包括金属板外层，优选地为钢板外层，以及均由耐火材料制成的内层和中间捣打层。这种耐火材料使得能够对外层进行良好隔热并且形成高炉的耐火壁。
然而，由于高炉可能经受非常高的温度——超过1500摄氏度，并且由于熔融金属是通过涉及超过1000种气体和材料的化学反应而产生的，因此耐火材料受到高的化学应力和热应力，导致该耐火材料逐渐劣化并且厚度减小。因此，如果耐火材料下降到临界厚度，这可能导致高炉的严重功能障碍，通常导致严重事故。
已知无损检测技术用来估计高炉中的耐火材料的厚度，无损检测技术被称为冲击回波法。
然而，那些已知技术不够准确，并且也没有估计多层材料如高炉中的耐火材料的厚度和磨损状态。例如，当承受高的化学应力和热应力时，在耐火材料内可能出现弱化层，尤其是在该耐火材料由碳制成的情况下。冲击回波技术不够准确，无法精确地确定这种弱化层——通常被称为脆性层——的位置和厚度。此外，冲击回波技术不能检测捣打层中的捣打间隙。
发明目的
因此，本发明的目的是通过提供用于估计高炉中的耐火材料的厚度和磨损状态两者的系统和无损方法来弥补现有技术的缺陷。
发明内容
为此目的，本发明的第一主题包括用于估计冶金炉中的耐火材料(1)的厚度和磨损状态两者的系统，该系统至少包括：
·冲击波生成装置，该冲击波生成装置被配置成生成至少一个冲击波，该至少一个冲击波传播到耐火材料中，
·冲击波传感器，该冲击波传感器被配置成感测反射到耐火材料中的至少一个冲击波，
·处理装置，该处理装置包括模拟频域数据的数据库，该模拟频域数据被称为模拟频谱、表示反射在已知状态和厚度的模拟耐火材料中的模拟冲击波，每个模拟频谱与已知状态和厚度数据两者的所考虑的模拟耐火材料相关，其中，该处理装置被配置成：
ο将反射的冲击波记录为时域信号，并且将该时域信号转换成频域数据，所述频域数据被称为实验频谱，以及
ο将实验频谱与来自数据库的多个模拟频谱进行比较，以确定与实验频谱最佳拟合的模拟频谱并且使用与最佳拟合模拟频谱相关的已知状态和厚度数据来估计炉中的耐火材料的厚度和状态。
该系统还可以具有单独地考虑或组合地考虑到的下面列出的可选特征：
-处理装置被配置成顺序地进行下述：
i.确定频域数据中谐振频率峰的位置；
ii.利用谐振频率峰从数据库中过滤模拟频谱，并且选择包括该谐振频率峰的减少的相应一组模拟频谱，以及
iii.从该减少的相应一组中确定唯一的模拟频谱，该唯一的模拟频谱的谐振频率峰在高度上与实验频谱的谐振频率峰最接近，该唯一的模拟频谱是最佳拟合模拟频谱。
-冲击波生成装置包括器械锤，该器械锤被配置成锤击冶金炉的壁，以至少生成声学冲击波，所述声学冲击波传播并反射到耐火材料中。
-冲击波传感器至少包括加速度计，该加速度计被配置成测量由所生成的冲击波的反射导致的耐火材料的机械反应。
本发明的第二主题包括用于使用如上所述的系统来估计冶金炉中的耐火材料的厚度和磨损状态两者的方法，该方法至少包括以下步骤：
i.至少生成冲击波，所述冲击波传播到耐火材料中；
ii.至少感测反射到该耐火材料中的冲击波；
iii.将所反射的冲击波记录为时域信号；
iv.将该时域信号转换成频域数据，所述频域数据被称为实验频谱；
v.将该实验频谱与来自数据库的至少多个模拟频谱进行比较，每个模拟频谱与已知状态和厚度数据两者的所考虑的耐火材料相关；
vi.确定与该实验频谱最佳拟合的模拟频谱，以及
vii.使用与该最佳拟合模拟频谱相关的已知状态和厚度数据来估计炉中的耐火材料的厚度和状态。
该方法还可以具有单独地考虑或组合地考虑到的下面列出的可选特征：
-步骤v和步骤vi通过顺序地进行下述来实施：
a.确定实验频谱中谐振频率峰的位置；
b.利用检测到的谐振频率峰从数据库中过滤模拟频谱，并且选择包括该谐振频率峰的减少的相应一组模拟频谱，以及
c.从减少的相应一组中确定唯一的模拟频谱，该唯一的模拟频谱的谐振频率峰在高度上与实验频谱的谐振频率峰最接近，该唯一的模拟频谱是最佳拟合模拟频谱。
-步骤vii通过至少下述来实施：估计耐火材料的总厚度以及至少其中该耐火材料被异常弱化的层的位置和厚度，该层被称为脆性层。
-生成多个冲击波，对多个反射冲击波进行感测并且将所述多个反射冲击波记录为时域信号，并且将所述时域信号转换为频域信号。
-确定实验频谱中谐振频率峰的位置遵循以下步骤来实施：
a.对实验频谱进行算术平均并且选择第一组代表性峰；
b.对实验频谱进行几何平均并且选择第二组代表性峰，以及
c.选择在第一组和第二组两者中都被选择的最终一组峰，该最终一组峰是谐振频率峰。
-在第一组峰的宽度大于包括在十赫兹与二十赫兹之间的阈值的情况下选择该第一组峰。
-利用使用至少数值色散曲线模型检测到的谐振频率峰来过滤来自数据库的模拟频谱，以确定模拟冲击波的传播模式，以利用检测到的该谐振频率峰对所述传播模式进行过滤，并且选择减少的相应一组模拟频谱。
-使用至少数值瞬态模型从减少的相应一组中确定唯一的模拟频谱。
-通过实施以下步骤中的至少一个步骤，来选择减少的相应一组中的频谱，然后将该频谱与实验频谱进行比较：
·进行模拟频谱与实验频谱之间的直接差异；
·比较该模拟频谱的整体形状与该实验频谱的整体形状；
·确定该模拟频谱和该实验频谱各自的最大高度峰位置之间的差异；
·进行该模拟频谱与该实验频谱之间的互相关。
附图说明
通过指示而非限制的方式并参照附图，本发明的其他特征和优点将在以下说明中进行描述，在附图中：
[图1]图1示出了高炉的截面图；
[图2]图2示出了高炉中的耐火材料的截面图；
[图3a]图3a示出了包括冷却系统的高炉中的耐火材料的第一变型的截面图；
[图3b]图3b示出了包括冷却系统的高炉中的耐火材料的第二变型的截面图；
[图3c]图3c示出了包括冷却系统的高炉中的耐火材料的第三变型的截面图；
[图4]图4示出了其中第一曲线表示算术平均实验频谱并且第二曲线表示几何平均实验频谱的图。
具体实施方式
本发明的系统和方法特别适用于估计冶金炉12中的耐火材料1的厚度和磨损状态两者，并且更特别地，适用于估计包含熔融金属的高炉12的其中温度为最高的特定底部中的耐火材料1的厚度和磨损状态两者。
高炉12的底部包括由金属通常是钢制成的外层11。为了热隔离该外层11并且如图1和图2所描绘的，高炉12包括耐火材料1，耐火材料1的成分与该成分受到的温度相关。
在高炉12的其中温度超过1500摄氏度的底部中，耐火材料1包括厚的内层3和定位在金属外层与内层3之间的薄的中间捣打层2。捣打层2为约5厘米至10厘米厚，并且优选地由陶瓷制成。由碳制成的内层3为约八十厘米至一百厘米。
如图3a至图3c所描绘的，高炉12还包括冷却装置13、14、15，该冷却装置13、14、15适于利用合适的冷却剂例如水来冷却高炉12。这些冷却装置13至15与高炉12的钢外层11相邻。
在图3a描绘的第一变型中，冷却装置13包括喷洒装置，该喷洒装置适于将雾化的冷却剂定期地或连续地喷洒到外层11的外部面上。冷却剂在外层11上的蒸发有助于冷却高炉12。
在图3b描绘的第二变型中，冷却装置包括抵靠外层11的外部面设置的冷却通道14(图3b中仅描绘了一个冷却通道14)。冷却剂流过这些通道14并且经由外层11有助于冷却高炉12。
在图3c描绘的第三变型中，冷却装置包括插入在外层11与中间捣打层2之间的冷却壁15(图3c中仅描绘了一个冷却壁15)。冷却剂流过这些冷却壁15并且经由捣打层2有助于冷却高炉12。
如之前描绘的，本发明的系统和方法的目的是以无损的方式估计内层3和中间层2的状态和厚度两者。
层2、3的状态是指该层2、3的磨损状态：本发明的系统和方法可以检测耐火材料1的缺陷和缺点。特别地，本发明被设计成：检测中间层2中的捣打间隙；以及检测内层3中的任何弱化层5的位置和厚度，所述弱化层被称为脆性层5。
如图2所描绘的，本发明的系统和方法还可以估计下述厚度：其余“正常的”内层4——也就是说，中间层2与脆性层5之间的其余碳层——的厚度L1；以及“损坏的”内层6——也就是说，超出脆性层5的碳层——的厚度L3。
本发明的系统和方法适用于上面描述的任何高炉12，无论高炉12是否配备有冷却装置13至15，并且不管冷却装置13至15的变型如何。
现在将描述本发明的系统。
该系统至少包括机动锤，该机动锤被配置成锤击高炉12的外层。由所述锤执行的每次锤击的目的是激发高炉12中的耐火材料1：在每次锤击之后，生成机械冲击波，通常是声学冲击波，并且该机械冲击波传播通过耐火材料1。当然，由于每次锤击都生成冲击波，因此使用该锤可以生成多个冲击波。
该系统还至少包括冲击波传感器，该冲击波传感器用于检测高炉12中的耐火材料1的激发。换句话说，所述冲击波传感器被布置成检测至少反射到耐火材料1中的冲击波。由于冲击波引起耐火材料1的一系列的压缩和膨胀，因此每个冲击波传感器优选地为安装在高炉12的外层的外表面上的加速度计，以能够检测耐火材料1的机械激发。
该系统包括处理装置，该处理装置电连接至机动锤和加速度计并且被配置成记录由加速度计感测到的反射冲击波。该记录信号表示耐火材料1的位移与时间的关系。因此，该记录信号为时域信号。
处理装置还被配置成例如经由快速傅里叶变换算法将时域信号转换为频域数据，频域数据以下被称为“实验频谱”。由于这种转换，实验频谱指示了传播模式，意指每个谐振频率都与耐火材料1的机械激发相关。实验频谱的传播模式与耐火材料1的结构特性——即耐火材料1的在捣打层2中的间隙、耐火材料1的总厚度L以及适用的情况下耐火材料1的脆性层5的位置和厚度L2——相关。
如稍后部分中说明的并且根据本发明，系统使用该传播模式以估计耐火材料1的厚度L和磨损状态两者。更特别地，处理装置被配置成将实验频谱与多个模拟频谱进行比较。
因此，系统的处理装置包括模拟频谱的数据库，每个模拟频谱为与高炉12中的已知耐火材料对应的快速傅里叶变换的相应模拟时域信号。换句话说，每个模拟频谱与其中捣打间隙、总厚度及脆性层的位置和厚度为已知的模拟耐火材料相关。
使用已知的有限元分析软件来生成模拟频谱，利用该模拟频谱来研究宽范围的耐火材料配置。数据库可以包括超过200,000个模拟频谱，与同样数目的耐火材料配置对应。
根据本发明，用于估计高炉12中的耐火材料1的厚度L和状态两者的方法由上面描述的系统实现。现在将描述该方法。
在该方法的第一步骤中，处理装置控制机动锤，因此该机动锤能够锤击高炉的外层的表面。同时，激活加速度计以感测高炉12中的耐火材料1的任何激发信号。因此，该锤生成冲击波，该冲击波传播通过耐火材料1。
在第二步骤中，加速度计对反射至耐火材料1中的冲击波进行感测，该反射冲击波因此作为时域信号被记录在处理装置的存储器中。
在第三步骤中，处理装置将该时间信号域转换为频域数据，以生成表示耐火材料1结构的实验频谱。
在第四步骤中，处理装置将该实验频谱与数据库中记录的至少多个模拟频谱进行比较，以确定与实验频谱最佳拟合的模拟频谱。为此，处理装置寻找实验频谱中的代表性的谐振峰并且将所述谐振峰与多个模拟频谱的谐振频率峰进行比较，这样的谐振峰是代表性的传播模式。以下描述将精确地描述在所述第四步骤中可以选择最佳拟合模拟频谱的方式。
优选地，为了增加信噪比，依次重复这三个步骤以便获得表示耐火材料1结构的多个实验频谱，通常在十个实验频谱与二十个实验频谱之间。为了降低噪声，遵循式
Figure BDA0003589473210000071
对这多个实验频谱进行算术平均，其中，n是实验频谱的数目，并且fi是第i实验频谱。结果在图4中描绘，其示出了算术平均实验频谱7，该算术平均实验频谱7是表示傅立叶变换的实验信号的幅度与频率的曲线。
然后，处理装置选择第一组代表性峰9、10，该选择基于峰高度并且/或者基于宽度。优选地，处理装置仅选择其中宽度大于包括在十赫兹与二十赫兹之间的阈值的峰。
处理装置还遵循式
Figure BDA0003589473210000072
对实验频谱进行几何平均。换句话说，几何均值是n个实验频谱的乘积的第n次方根。该结果也在图4中描绘，其示出了几何平均实验频谱8。由此，如表示算术平均频谱和几何平均频谱两者的图4所描绘的，实验频谱中的经常重复的部分在所述平均频谱中被放大。因此，最具代表性的峰在该几何平均频谱中被放大，并且处理装置由此选择第二组代表性峰9'。如图4所描绘的，由于峰9'从几何平均频谱8的其余部分中明显地突出，因此容易选择这些峰9'。
算术平均和几何平均由处理装置并行实现。目标是基于这两个并行处理步骤获得关于实验数据的两个独立均值——算术均值和几何均值。因此，处理装置选择在第一组和第二组两者中都被选择的最终一组峰。在最终一组中选择的峰是与表示高炉12中的耐火材料1的传播模式直接相关的代表性的谐振频率峰9。
一旦确定了最终一组谐振峰9，处理装置利用所选择的谐振峰9来过滤至少多个模拟频谱。所述过滤通过下述来实现：使用已知的数值色散曲线模型来确定模拟冲击波的传播模式，然后利用检测到的谐振频率峰9对所述传播模式进行过滤，并且最终选择包括该谐振频率峰9的减少的一组模拟频谱。
处理装置对减少的一组模拟频谱实施至少已知的数值瞬态模型例如有限元模型，以从该减少的一组模拟频谱中确定唯一的模拟频谱。该唯一的模拟频谱是与算术平均实验频谱7最佳拟合的模拟频谱。该最佳拟合频谱是包括其相应高度与算术平均实验频谱7的谐振峰9的高度最接近的谐振峰的频谱。
在应用瞬态模型的同时，处理装置通过实施以下步骤中的一个或更多个步骤来确定相似性参数，以从减少的一组模拟频谱中确定最佳拟合模拟频谱。针对每个实施的步骤，生成所考虑的相似性参数：
i.进行最终一组模拟频谱与算术平均实验频谱7之间的直接差异；
ii.比较最终一组模拟频谱的整体形状与算术平均实验频谱7；
iii.确定抽取的模拟频谱与抽取的算术平均实验频谱7之间的差异；抽取的频谱是例如通过应用低通滤波器以抑制原始频谱的选定特性而获得的简化频谱；
iv.确定最终一组模拟频谱和算术平均实验频谱7各自的最大高度峰位置之间的差异，以及/或者
v.进行最终一组模拟频谱与算术平均实验频谱7之间的互相关——通过测量最终一组模拟频谱与算术平均实验频谱7之间的相似性。换句话说，在频域中频谱彼此相距越远，相关值越小。
为了从减少的组中选择出最佳拟合模拟频谱，处理装置生成具有每个模拟频谱与算术平均实验频谱7之间的相似性百分比的表。更具体地，考虑通过实施上面的步骤中的一个或更多个步骤获得的所有模拟参数来确定相似性的百分比。另外，所有相似性参数都被认为具有相同的权重。换句话说，如果确定了五个相似性参数，则每个参数对选择最佳拟合模拟频谱的贡献为20％。使用这种方法，频谱在形状、最大位置等方面越相似，这些频谱之间的相似性的百分比越高。表中具有最高百分比的模拟频谱最终被处理装置选择为最佳拟合模拟频谱。
最后，在该方法的第五步骤中，处理装置选择数据库中与最佳拟合模拟频谱相关的模拟耐火材料。然后，处理装置生成具有该模拟耐火材料的所有特性的表，这些特性与所测试的耐火材料1是高度相当的。这提供了对所测试的耐火材料的特性的非常准确的无损估计，特别是对中间层2中捣打间隙的存在或不存在、总碳层3的厚度L、在适用的情况下脆性层5的厚度L2和位置、以及脆性层5与捣打中间层2之间的“正常的”碳层4的厚度L1的非常准确的无损估计。此外，利用本发明的方法和系统，无论冶金炉的配置如何，特别是冷却装置的位置和种类诸如图3a至图3c中描述的位置和种类如何，估计都是准确的。

Claims (13)

1.一种用于估计冶金炉(12)中的耐火材料(1)的厚度和磨损状态两者的系统，所述系统至少包括：
·冲击波生成装置，所述冲击波生成装置被配置成生成至少一个冲击波，所述至少一个冲击波传播到所述耐火材料(1)中，
·冲击波传感器，所述冲击波传感器被配置成感测反射到所述耐火材料(1)中的至少一个冲击波，
·处理装置，所述处理装置包括模拟频域数据的数据库，所述模拟频域数据被称为模拟频谱、表示反射在已知状态和厚度的模拟耐火材料中的模拟冲击波，每个模拟频谱与已知状态和厚度数据两者的所考虑的模拟耐火材料相关，其中，所述处理装置被配置成：
ο将反射的冲击波记录为时域信号，并且将所述时域信号转换成频域数据，所述频域数据被称为实验频谱，以及
ο将所述实验频谱与来自所述数据库的多个模拟频谱进行比较，以确定与所述实验频谱最佳拟合的模拟频谱并且使用与所述最佳拟合模拟频谱相关的已知状态和厚度数据来估计所述炉(12)中的所述耐火材料(1)的厚度和状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理装置被配置成顺序地进行下述：
i.确定所述频域数据中谐振频率峰(9)的位置；
ii.利用所述谐振频率峰(9)从所述数据库中过滤所述模拟频谱，并且选择包括所述谐振频率峰(9)的减少的相应一组模拟频谱，以及
iii.从所述减少的相应一组中确定唯一的模拟频谱，所述唯一的模拟频谱的谐振频率峰在高度上与所述实验频谱的谐振频率峰(9)最接近，所述唯一的模拟频谱是所述最佳拟合模拟频谱。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，所述冲击波生成装置包括器械锤，所述器械锤被配置成锤击所述冶金炉的壁(11)，以至少生成声学冲击波，所述声学冲击波传播并反射到所述耐火材料(1)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述冲击波传感器至少包括加速度计，所述加速度计被配置成测量由所生成的冲击波的反射导致的所述耐火材料(1)的机械反应。
5.一种用于使用根据权利要求1至4中任一项所述的系统来估计冶金炉(12)中的耐火材料(1)的厚度和磨损状态两者的方法，所述方法至少包括以下步骤：
i.至少生成冲击波，所述冲击波传播到耐火材料(1)中；
ii.至少感测反射到所述耐火材料(1)中的冲击波；
iii.将所反射的冲击波记录为时域信号；
iv.将所述时域信号转换成频域数据，所述频域数据被称为实验频谱；
v.将所述实验频谱与来自所述数据库的至少多个模拟频谱进行比较，每个模拟频谱与已知状态和厚度数据两者的所考虑的耐火材料相关；
vi.确定与所述实验频谱最佳拟合的模拟频谱，以及
vii.使用与所述最佳拟合模拟频谱相关的已知状态和厚度数据来估计所述炉(12)中的所述耐火材料的厚度和状态。
6.根据前一权利要求所述的方法，其中，步骤v和步骤vi通过顺序地进行下述来实施：
a.确定所述实验频谱中谐振频率峰(9)的位置；
b.利用检测到的所述谐振频率峰(9)从所述数据库中过滤所述模拟频谱，并且选择包括所述谐振频率峰(9)的减少的相应一组模拟频谱，以及
c.从所述减少的相应一组中确定唯一的模拟频谱，所述唯一的模拟频谱的谐振频率峰在高度上与所述实验频谱的谐振频率峰(9)最接近，所述唯一的模拟频谱是所述最佳拟合模拟频谱。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中，步骤vii通过至少下述来实施：估计所述耐火材料(1)的总厚度(L)以及至少其中所述耐火材料被异常弱化的层的位置和厚度(L2)，所述层被称为脆性层(5)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，生成多个冲击波，对多个反射冲击波进行感测并且将所述多个反射冲击波记录为时域信号，并且将所述时域信号转换为频域信号。
9.根据权利要求6和8所述的方法，其中，确定所述实验频谱中谐振频率峰(9)的位置遵循以下步骤来实施：
a.对所述实验频谱进行算术平均并且选择第一组代表性峰(9，10)；
b.对所述实验频谱进行几何平均并且选择第二组代表性峰(9')，以及
c.选择在所述第一组和所述第二组两者中都被选择的最终一组峰，所述最终一组峰是所述谐振频率峰。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述第一组峰(9，10)的宽度大于包括在十赫兹与二十赫兹之间的阈值的情况下选择所述第一组峰(9，10)。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，利用使用至少数值色散曲线模型检测到的所述谐振频率峰(9)来过滤来自所述数据库的所述模拟频谱，以确定所述模拟冲击波的传播模式，以利用检测到的所述谐振频率峰(9)对所述传播模式进行过滤并且选择减少的相应一组模拟频谱。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，使用至少数值瞬态模型从所述减少的相应一组中确定所述唯一的模拟频谱。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，通过实施以下步骤中的至少一个步骤，来选择所述减少的相应一组中的频谱，然后将所述频谱与所述实验频谱进行比较：
·进行模拟频谱与实验频谱之间的直接差异；
·比较所述模拟频谱的整体形状与所述实验频谱的整体形状；
·确定所述模拟频谱和所述实验频谱各自的最大高度峰位置之间的差异；
·进行所述模拟频谱与所述实验频谱之间的互相关。
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