CN1825056A - 对冶金炉等进行不间断和无损检查的系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一些实施例提供了用于更精确地确定运转中的冶金炉中所含耐火炉衬的厚度的系统、方法和装置。具体而言，在一些实施例中，采用瞬时传播的应力波来确定耐火炉衬的状态，另外，还提供了系统的方法，以便算入温度对通过已加热耐火材料和/或炉结的压缩波速度的影响。如本发明的一些方面所述，与本领域中普遍理解的相反，在耐火材料中传播的各频率下的应力波速度不必在一定温度范围内是恒定的。根据本发明一些具体实施例的某些方面，对于每种耐火材料，可计算出比例因子α，用以修正穿过每种耐火材料的推测应力波速度。

Description

对冶金炉等进行不间断和无损检查的系统、方法和装置

技术领域

本发明涉及检查冶金炉等的手段，具体涉及用于对冶金炉和类似容器进行不间断式(non-disruptive)和无损伤性检查的系统、方法和装置。

背景技术

典型的冶金炉是具有带多层结构的侧壁的容器。外层通常是为结构支撑而设置的钢壳。内层包括由一层或多层耐火砖构成的耐火炉衬，其设置成将外钢壳与炉内的熔融材料和腐蚀性化学物质遮挡开。在某些炉中，还在外钢壳和耐火炉衬之间设有冷却层，以防止过多的热量从耐火炉衬传导至外钢壳上。在某些炉的设计中，耐火砖和/或冷却元件的层由软的砂状材料固定就位，其可在炉的工作过程中硬化。

在冶金炉的工作过程中，除了受到化学腐蚀之外，耐火炉衬还受到机械和热应力的损坏，从而导致整个耐火炉衬厚度的减少。由于耐火炉衬受损，所以熔融材料和腐蚀性化学物质会渗透到耐火砖中和/或耐火砖之间的变宽间隙内，导致耐火炉衬中的层发生脱层(即分离)。耐火炉衬的损伤最终导致结构失效，这会导致外钢壳暴露在炉内的熔融材料和腐蚀性化学物质下。另外，如果熔融材料和腐蚀性化学物质到达外钢壳，由于外钢壳不能可靠地阻止来自炉内的熔融材料和腐蚀性化学物质，那么将存在对工作在炉附近的人员造成严重伤害的紧急风险。由于耐火炉衬的受损，还会产生众所周知的热传递和热传导性的损失。

在包括水冷式元件的炉中常见的另一种耐火炉衬的损伤模式是耐火炉衬的水合作用。在一定的温度下，从冷却元件中泄漏出来的水可能会与耐火砖发生反应，导致耐火炉衬的受损变快。尤其是，镁(MgO)基耐火砖易于发生这种模式的失效。

因此需要定期检查耐火炉衬的厚度，并检查耐火炉衬的缺陷，例如裂缝、脱层、炉结和其它结垢。在未首先清空冶金炉并停止涉及该炉的工业生产过程的条件下，很难对耐火炉衬的厚度进行可靠且精确的评估。为例行检查而关闭冶金炉是代价很高的，因此操作员试图采用可在炉工作的同时来使用的检测方法。然而冶金炉所涉及的恶劣工作环境会使所进行的测量失真。例如已经知道，炉内极高的温度、振动、环境噪音、灰尘以及电和机械方面的危险因素会使现有已知检测方法所产生的厚度测量值失真。还没有发展出一种将这些误差源考虑进去的系统方法来改进现有检查方法。结果，为了不时地检查耐火炉衬，操作员被迫关闭并冷却冶金炉。

发明内容

根据本发明一个实施例的一个方面，提供了一种用于检查冶金炉壁的系统，其具有：用于产生在冶金炉壁内传播的应力波的应力波发生器；用于检测应力波反射的应力波传感器；和具有内置式计算机可读程序代码装置的处理器，其用于(i)记录应力波传感器所检测的应力波反射的相关时域数据，(ii)将时域数据转换成频域数据，和(iii)通过将时域数据、频域数据和温度相关的比例因子组合起来，来产生对冶金炉壁状态的测定，该温度相关的比例因子用于补偿应力波和应力波反射通过冶金炉壁中所含耐火材料的速度的变化。

在某些实施例中，温度相关的比例因子作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度范围对应于工作中的冶金炉的耐火材料上的温度梯度。

在某些实施例中，产生冶金炉壁状态的测定包括测定冶金炉壁的厚度。

在某些实施例中，产生冶金炉壁状态的测定包括测定冶金炉壁中的耐火炉衬的厚度。

在某些实施例中，产生冶金炉壁状态的测定包括测定是否存在缺陷，这些缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。在这些实施例中，产生冶金炉壁状态的测定还包括测定缺陷的位置，这些缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

在某些实施例中，处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。在这些实施例中，以砖的形式来提供包含在冶金炉中的耐火材料，并将几何形状相关的比例因子作为耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

在某些实施例中，已经知道，处于检查下的冶金炉包括具有多层的耐火炉衬，每一层都由一种类型的耐火材料构成，其中处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其利用多个温度相关的比例因子来产生冶金炉壁状态的测定，每个温度相关的比例因子对应于耐火炉衬中的相应一种类型的耐火材料。在这些实施例中，该多个温度相关的比例因子中的每一个都作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度范围对应于相应耐火材料上的温度梯度。在其它的实施例中，处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。在非常特殊的实施例中，已经知道，耐火炉衬的每一层都包括一种类型耐火材料的耐火砖，并且几何形状相关的比例因子作为相应层中的耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

根据本发明的一个实施例的一方面，提供了一种用于检查冶金炉壁的装置，其具有：多对应力波发生器-传感器，每对应力波发生器-传感器用于在冶金炉上的某一点处产生应力波并检测应力波反射；和具有内置式计算机可读程序代码装置的处理器，其通过将至少一个传感器所收集的时域数据、源于该时域数据的频域数据和温度相关的比例因子相组合来产生对冶金炉壁状态的测定，该温度相关的比例因子用于修正应力波和应力波反射通过冶金炉壁中所含耐火材料的速度的变化。

在某些实施例中，该温度相关的比例因子作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度范围对应于工作中的冶金炉的耐火材料上的温度梯度。

在某些实施例中，对冶金炉壁状态的测定包括测定冶金炉壁的厚度。

在某些实施例中，对冶金炉壁状态的测定包括测定冶金炉壁中的耐火炉衬的厚度。

在某些实施例中，对冶金炉壁状态的测定包括测定是否存在缺陷，这些缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。在这些实施例中，对冶金炉壁状态的测定还包括测定缺陷的位置，这些缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

在某些实施例中，处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。在这些实施例中，以砖的形式来提供包含在冶金炉中的耐火材料，并且几何形状相关的比例因子作为耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

在某些实施例中，已经知道，处于检查下的冶金炉包括具有多层的耐火炉衬，每一层都由一种类型的耐火材料构成，其中处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其利用多个温度相关的比例因子来产生冶金炉壁状态的测定，每个温度相关的比例因子对应于耐火炉衬中的相应一种类型的耐火材料。在这些实施例中，该多个温度相关的比例因子中的每一个都作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度范围对应于相应耐火材料上的温度梯度。在其它的实施例中，处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。在非常特殊的实施例中，已经知道，耐火炉衬的每一层都包括一种类型耐火材料的耐火砖，并且该几何形状相关的比例因子中的每一个都作为相应层中的耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

根据本发明一个实施例的一方面，提供了一种检查冶金炉壁的方法，其包括在某点处将应力波引入冶金炉壁中；在将应力波引入到冶金炉壁内的点附近来检测应力波的一个或多个反射；并结合温度相关的比例因子处理时域和频域中的反射，该温度相关的比例因子用于修正应力波和应力波反射通过冶金炉壁所含耐火材料的速度的变化。

在某些实施例中，该温度相关的比例因子作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度范围对应于工作中的冶金炉的耐火材料上的温度梯度。

在某些实施例中，本方法还包括测定冶金炉壁的厚度。

在某些实施例中，本方法还包括测定冶金炉壁中的耐火炉衬的厚度。

在某些实施例中，本方法还包括测定是否存在缺陷，这些缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。在更具体的实施例中，本方法还包括测定冶金炉壁中存在的缺陷的位置。

在某些实施例中，本方法还包括在冶金炉壁状态的测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。

通过阅读本发明的具体实施例的以下描述，本领域的普通技术人员可以清楚本发明的其它方面和特征。

附图说明

为了更好地理解本发明，并为了更清晰地显示如何实现本发明，现在通过示例的方式来参考这些显示了本发明实施例的一些方面的附图，其中：

图1是冶金炉简化示例的截面图；

图2A是显示了图1所示冶金炉中所含耐火材料的弹性与温度相关的第一例图；

图2B是显示了图1所述冶金炉中所含另一耐火材料的弹性与温度相关的第二例图；

图3是显示了根据本发明一个实施例的单冲击器-单传感器(SISS)检查系统与图1所示冶金炉相结合的简图；

图4是直接位于图3所示SISS检查系统的冲击器和传感器下面的通过冶金炉的部分的简化透视图；

图5是显示了根据本发明一个实施例的一个非常具体的示例方法的流程图，其用于图3中所示的SISS检查系统；

图6是显示了根据本发明另一实施例的单冲击器-多传感器(SIMS)检查系统与图1所示冶金炉相结合的简图；

图7是根据本发明又一实施例的多冲击器-多传感器(MIMS)检查系统的简化示意图。

具体实施方式

检查冶金炉的耐火炉衬是具有挑战性的程序，通常需要清空、关闭和冷却冶金炉，以便可靠地评估耐火炉衬的状态。关闭冶金炉可能花掉操作者极大量的收入、工时和其它费用。在某些情况下，为了检查而例行关闭冶金炉所要求的反复冷却和重新加热循环会导致耐火炉衬的受损变快。

遗憾的是，在冶金炉工作的同时测定耐火炉衬当时状态的现有已知方法会提供带缺陷的结果。该结果具有缺陷的原因在于，现有已知检查方法依赖于基于对炉中耐火材料状态的不实际假定上的定量模型。举例来说，以前所依赖的模型并未考虑极高温度对耐火材料性能的影响。结果，利用这些现有已知方法进行的厚度测量值的偏差会高达30％到100％。这样，为了避免费用昂贵且危险的事故发生，这种炉的操作员就不得不定期关闭炉，以便可靠地评估耐火炉衬的状态。

相反，本发明的某些实施例提供了用于更精确地测定工作中的冶金炉中所含耐火炉衬的厚度的系统、方法和装置。在某些实施例中，瞬时传播的应力波如压(即纵向的、主要的等)应力波用于测定耐火炉衬的状态。对应力波的反射进行评估，以用于鉴定耐火炉衬的整个剩余厚度，以及耐火炉衬中的缺陷如裂缝、脱层和气泡的存在和位置。在某些实施例中，瞬时传播的应力波包括从声波(即可听见的)到超声波(即不可听到的)范围内的频率。例如根据本发明的一个实施例所产生的应力波可具有100赫兹到80千赫兹的频率范围。这个频率范围在许多情况下都会是有利的，因为单独的超声应力波通常缺乏足以穿过厚耐火炉衬的能量，并且通常在穿过实心的不均匀质量体时快速衰减。

另外，本发明的某些实施例提供了一种系统的方法，其计入了温度对应力波穿过受热耐火材料和/或炉结的应力波的速度的影响。如在本发明的一些方面中所述的那样，与本领域中普通理解的相反，每一频率下的应力波在耐火材料中的传播速度在一定温度范围内并不一定是恒定的。根据本发明一些具体实施例的一些方面所述，对于每种耐火材料，可计算出比例因子α，用以修正穿过每种耐火材料的推测应力波速度。特定耐火材料所用的比例因子α是该耐火材料的弹性模量E、温度和/或该耐火材料上的温度梯度的函数。在一些非常特殊的实施例中，比例因子α作为弹性模量E在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度范围对应于一种类型的耐火材料层上的温度梯度。如以下将更详细描述的那样，这与本领域中已知的是显著地背离的，因为以前假定弹性模量E的变化以及对特定耐火材料上的应力波速度的相应影响是不存在的。

材料的弹性模量E是该材料中的应力和应变之间的定量关系。对于金属(如钢、铅、铜等)，通常认为当温度提高时，金属的变形行为从弹性改变成塑性。因此，通常认为金属在较高的温度下比在较低的温度下更容易变形。换句话说，与在较低的温度下相比较而言，在较高的温度下，较小的应力可引起金属中相同或更大的应变。应力和应变之间的这种关系通常量化为弹性模量E，通常将其计算成应力与应变之比。变形行为的变化(从弹性到塑性)是由于金属晶格结构在较高的温度下的弱化，这种弱化允许金属原子更容易流动。最终达到熔点温度，固体金属变成液体。对于钢而言，熔点大约为1500℃。

耐火材料具有非常坚固的晶格结构，高温通常不会导致耐火材料熔化和/或表现出可归类成“塑性”的行为。耐火材料还倾向于远比金属易碎。结果，在耐火材料中不会发现上述金属的熔化和变形特征。相反，耐火材料只是倾向于断裂，开裂和/或分散成粉末，但仍保持弹性状态。

在数量上，耐火材料的弹性模量E并不以与金属中所观察到的变化相当的方式而作为温度的函数发生显著变化。实际上，通常认为特定耐火材料的弹性模量E是常数。当考虑与耐火材料的预期用途相关的耐火材料性能时，以前似乎可忽略不计的弹性模量E的变化就很重要。尽管并不对耐火材料的结构和隔热性能具有显著的影响，但是弹性模量E的相对变化如本发明一方面中所述的那样可对耐火材料中的应力波速度具有显著影响。

再次回到应力波的用途上，对固体的冲击或脉冲式干扰引起固体内的许多线性和角位移。具体说来，施加的冲击或脉冲干扰在耐火材料中产生各种类型的应力波。应力波可分类成体波或表面波。体波穿过固体而传播，而表面波主要沿着固体的表面传播。

两种重要类型的体波是初波(即P波，纵波、压缩波等)和次波(即S波，横波等)。P波引发在与波锋的传播路径相同的方向上的粒子运动。也就是说，当P波穿过固体时，粒子以与P波传播相同的方向在平衡位置周围振动。P波还导致耐火材料的压缩和膨胀而非旋转。另一方面，S波引发在与波锋的传播路径垂直的方向上的粒子运动。也就是说，当S波穿过固体而传播时，粒子的位移垂直于S波的传播方向。S波还导致耐火材料的切变和旋转，但没有体积变化。

在根据本发明的多个实施例中，评估P波和P波的反射来确定工作中的冶金炉的耐火炉衬的状态。通常认为P波是最快的应力波，并且知道它可在固体、液体和气体中传播。因此，利用收集到的与P波穿过工作中的冶金炉壁进行传播的相关数据，可以确定与炉衬厚度有关的测量值以及炉衬中的炉结和缺陷的存在及其位置，而不管壁内任意点的物质状态如何。如上所述，本发明的某些实施例提供了一种方法，其更精确地考虑了温度对穿过炉壁中所含耐火材料的P波速度的影响。

通常认为，基波等式(1)适于描述P波的速度V_P与P波的频率f和波长λ的关系。特定耐火材料中的P波速度V_P和该耐火材料的密度ρ可以相乘，以确定耐火材料的声阻抗Z，如等式(2)中所示。声阻抗Z提供了可用于估算两种材料之间的界面上反射了多少能量的数值。

        V_P＝f×λ        (1)

        Z＝ρ×V_P        (2)

然而当用于分析工作中的炉时，等式(1)和(2)产生了不准确的结果，其源于对受热耐火材料中的P波波长λ和频率f所做的假定。工作中的炉内极高的温度会导致P波波长λ和频率f发生非线性变化，这在炉所涉及的恶劣环境中无法准确地观测到或根本观测不到。结果，当利用检查工作中的冶金炉的现有已知方法时，将出现显著的误差。

另外，根据本发明的某些实施例，还可由耐火材料的密度ρ和弹性模量E_d来确定耐火材料中的P波的速度V_P。举例来说，穿过均质成分的无限各向同性弹性耐火材料的P波的速度V_P可由等式(3)来确定。相比之下，等式(4)提供了穿过耐火杆状结构的P波的速度V_P，其中杆件的直径远小于长度(即d＜＜L)。

$V_p=\sqrt{\frac{E_d(1-v)}{(1+v)(1-2v)\mathrm{\ρ}}}---\left(3\right)$

$V_p=\sqrt{\frac{E_d}{\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

在等式(3)和(4)中，ν是泊松比，ρ仍然是耐火材料的密度，而Ed是耐火材料的杨氏(动态)弹性模量。

由等式(4)给出的穿过杆状结构的P波速度将小于由等式(3)给出的穿过无限各向同性固体的P波速度。等式(3)和(4)一起限定了均质固体耐火结构中的P波速度范围的各自的上、下端点，其落在无限固体实体的极限值和极细小杆件的极限值之间。虽然等式(3)和(4)描述了材料弹性和速度的关系，但是并没有考虑材料的温度。

本发明的某些实施例提供了速度比例因子α，其可用于修正耐火材料中的P波速度，其中弹性模量由于极度加热而发生变化。在某些特定的实施例中，速度比例因子作为弹性模量E_d在温度范围上的相对变化的函数来计算出，该温度变化对应于一种类型耐火材料层上的温度梯度。因此，速度等式(3)和(4)可分别改写成经修正的等式(5)和(6)。

${V_p}^{\′}=\mathrm{\α}{V}_p=\sqrt{\frac{E_d(1-v)}{(1+v)(1-2v)\mathrm{\ρ}}}\mathrm{\α}---\left(5\right)$

${V_p}^{\′}=\mathrm{\α}{V}_p=\sqrt{\frac{E_d}{\mathrm{\ρ}}}\mathrm{\α}---\left(6\right)$

在一个非常特殊的示例中，如果弹性的变化在连续温度范围内是线性的，那么速度比例因子α可由等式(7)给出。

$\mathrm{\α}=1+\left(\frac{\underset{T_1}{\overset{T_2}{\∫}}E\left(T\right)\mathrm{dT}}{E_0}\right)=(1+\frac{\mathrm{\Δ}{E}_d}{E_0})=(1+\frac{E_{d2}-E_{d1}}{E_0})---\left(7\right)$

项E_d2和E_d1对应于相应的第一和第二温度(如耐火砖的热面和冷面上的相应温度)下耐火材料的弹性，而E₀对应于用来首次计算未修正的速度V_P时的弹性，它可以是从耐火材料制造商方面获得的E_d的室温下的值。

对于许多耐火材料而言，作为温度之函数的弹性的变化通常是非线性的，且并不总是易于以如同等式(7)那样简单的等式来表征。在这种情况下，可使用先进的曲线拟合技术来导出等式(7)中所示的每种类型耐火材料所要求的用于积分的数值。通常来说，炉壁中所使用的每种耐火材料都将具有相应的速度比例因子α。另外，许多制造商并不具有高温下的耐火材料的准确弹性数据，因为这种材料中的弹性通常假定为相对恒定的。因此在许多情况下，必须进行检测来测定冶金炉所处温度范围内的高温下的弹性。这些检测涉及到对耐火材料加热并测量静态或动态弹性模量。

转到图1，其显示了简化的示例性冶金炉30的剖面图。冶金炉30包括外钢壳31，第一层耐火砖33和第二层耐火砖35。本领域中的技术人员应该理解，某些冶金炉还具有炉顶(图1中未显示)，其包括外钢壳和内耐火炉衬或只有单层耐火层。

第一层耐火砖33最靠近外钢壳31，并被认为是安全层。与熔融材料100直接接触的第二层耐火砖35被认为是工作层。在典型的冶金炉中，安全层中的耐火砖通常没有工作层中的耐火砖那么致密。然而在某些炉中，可能情况相反，或者每层中的耐火砖都具有相同类型。另外和/或作为备选，与上述耐火砖相比，在某些炉中，安全层由可浇铸的材料(如沙砾、混凝土、氧化铝和/或其它材料的混合物)组成。

第一层和第二层耐火砖33和35中每层的厚度部分地依赖于冶金炉所涉及的生产工艺。通常，该工艺越具有侵蚀性，则这些层就越厚。耐火炉衬的厚度通常在600毫米到1600毫米的范围内。

如图中仅为示例性目的所示，熔融材料100(如熔融的铁矿石)处于冶金炉30的内部，第一层和第二层耐火砖33和35都已经受到一定程度的损伤。尤其是，第二层耐火砖35受到显著损伤，并具有许多缺陷，包括炉结41，43和45、脱层区域47和严重磨损区域49。

在工作中的冶金炉30中，炉结41，43和45包括从熔融材料100中沉淀下来的杂质。当熔融材料100渗透至一层耐火砖之后并使那些耐火砖与该层的后面分离时，会发生脱层(如脱层47)。钢壳31附近的脱层可能是非常危险的，因为钢壳31可能暴露于熔融材料100中。当工作层的耐火砖损耗掉时，随着时间的过去会自然出现严重磨损的区域(如区域49)。

某点处的炉壁总厚度是除了该点处耐火炉衬工作层上的任何炉结之外的耐火砖层的剩余部分加上外钢壳的厚度之和。因为即使不是不可行的话，损伤也是难于控制和/或预测的，所以预期耐火炉衬的厚度在不同点是不同的。然而在每点处，都可使用相同的方法来计算耐火炉衬的厚度。

根据本发明一个实施例所提供的一种特殊方法，通过对冶金炉30的钢壳31施加冲击以产生P波。该P波经由钢壳31和耐火砖层33及35传播。在材料的界面处产生P波的反射，并且在第二层耐火砖35和熔融材料100之间的界面以及缺陷(如裂缝、脱层、气泡等)所引起的界面处最为显著。为了更精确地计算P波的测量值和反射波，对包括在耐火炉衬中的每种耐火材料(例如对于每个耐火砖层33和35)都确定一个速度比例因子α。以下将参照图4和5更详细地介绍这种方法。

如早前所述，速度比例因子α作为弹性模量在存在于耐火材料层中的温度梯度上的相对变化的函数来计算。在某些情况下，温度梯度只包括单一温度，因为特殊的耐火材料被均匀加热至单一温度。另一方面，在其它情况下，温度梯度对应于另一类型的耐火材料中所预期的特定的温度梯度。图2A和2B分别图解显示了层33和35中相应耐火材料的弹性与温度如何相关的第一和第二示例。

参看图3和4，并结合图1和2A-2B，其显示了一种如本发明的一个非常特殊的实施例所提供的用于测定冶金炉中的耐火炉衬的状态的系统。图3包括冶金炉30和参照图1所描述的所有缺陷和损伤结构。因此，图1和3中相同特征具有相同的标号。

图3和4中所示的系统是一种单冲击器-单传感器(SISS)系统，因为其包括单个冲击器70和单个传感器72。冲击器70和传感器72彼此相邻定位。该系统还包括处理器76和可选的前置放大器(Pre-Amp)74。本领域中的技术人员应该懂得，SISS系统还包括相关结构元件、机械系统、硬件、固件和软件的合适组合，其用于支持SISS系统的功能和操作。这些物件可包括但不限于电源、管道、振动传感器、校准仪、密封件、绝缘体和机电控制器。

在某些实施例中，传感器72是宽带垂直位移传感器或适合于用作应力波传感器的相似装置。例如在其它的实施例中，加速计等装置也适于用作传感器72。

在某些实施例中，如图3中所示，将传感器72相连，以便通过可选的前置放大器74提供信号至处理器76。在备选实施例中，传感器72直接与处理器76相连。前置放大器74用于放大传感器72的传感器读数。如下详细所述，处理器76用于计算接收到的来自前置放大器74(或直接来自传感器72)的传感器读数，以确定传感器72下面的耐火炉衬的状态。特别参照图4，传感器72下面的耐火炉衬的总厚度T_t的测量值是外钢壳31、第一和第二耐火砖层33和35以及炉结45的厚度之和。

在某些实施例中，处理器76包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于确定耐火炉衬的状态。在这些实施例中，计算机可读程序代码装置包括用于触发冲击器70以产生P波以及用于计算P波反射波的指令。

冲击器70通过首先撞击外钢壳31上的某点而产生可传入到冶金炉30的壁中的P波。也就是说，冲击器70是适合于用作应力波发生器的装置。在某些实施例中，冲击器70是球形冲击器。球形冲击器产生较宽频率范围内的简单且易于分析的球形P波。在备选实施例中，利用棒槌(或类似器具)通过受控的电动冲击和/或小型爆炸来人工地产生P波。

通过调整许多参数中的至少一个参数，可以控制冲击器所产生的P波的频率范围，这些参数包括但不限于球形冲击器的接触点的直径、外钢壳31的表面光滑度、输入压力和接触时间t_c。举例来说，如果外钢壳31是光滑干净的，并用相对较小直径的冲击源进行撞击时，那么将产生具有相对较高频率范围的P波。所产生的P波的最高可用频率分量可通过接触时间t_c根据等式(8)来估算。

$f_{\max }=\frac{1.25}{t_c}---\left(8\right)$

接触时间t_c是冲击器70与外钢壳31相连的持续时间。可以调整接触时间t_c来控制所产生的P波的频率范围。由于每一频率下的波的能量作为P波经由其传播的材料之函数而衰减至不同程度，所以单个P波具有相对较宽的频率范围是有利的。

具体参看图4，冲击导致在冲击点下面产生了半球形的P波81。然而，还产生了表面波和S波，更多的能量通过P波81而直接从冲击器70传递开去。P波81离开冲击器70而传播，直至其遇到声波界面(边界)或者因通过炉衰减而逐渐减弱。

通常，当P波遇到声波界面时，根据声波界面的材料属性，整个波或者部分波将反射回冲击源。如果第二材料具有比P波发生源的第一材料(例如耐火材料-气体或耐火材料-液体的界面)低很多的声阻抗，那么绝大部分P波将沿着其起始方向而反射回。这种界面称为无应力界面。另一方面，如果第二材料具有比第一材料高很多的声阻抗，那么一部分P波反射回来，而其余部分继续传播到第二材料中。在第二材料中传播的其中一小部分P波沿着界面发生折射，而传播的另一小部分P波则转换成波形(例如表面波和S波)。反射波在声波界面之间来回反弹，并随着其在材料中的传播而自然衰减，直至能量或多或少地完全消失为止。如果这两种材料具有相似的声阻抗，那么反射量是很小的，并且来自材料的自然衰减将会使反射波在其到达原始冲击/传感器点之前衰减至不存在。

相邻层之间(如图4中的层35和45之间)的每个界面都可视为相应的声波界面，这是由于每一层都可能具有不同于其相邻层的声阻抗。尽管这样，来自耐火层(如33和35)之间的界面的反射并不倾向于产生极大的反射波，除非存在缺陷。当传播的P波81遇到声阻抗时，它会经历反射、折射、衍射和波型变换。在本发明的许多实施例中，并没有充分考虑源于折射、衍射和波型变换的影响，但详细考虑了反射的影响。

传感器72设置成可检测返回其冲击源时的反射波，例如图4中所示的单一半球形P波的反射波83。反射波至(reflection arrival)总是周期性的，并与P波81在耐火炉衬中传播的速度和P波81(以及反射波83)的总路径长度相关，总路径长度是炉壁总厚度T_t的两倍。另外，两个相继的反射波至之间的持续时间是P波81和相应反射波83经过炉壁中相应层的传播时间的估算值。为了简化该模型，只将每层耐火材料的速度比例因子应用于P波81在该特定耐火材料中传播的未修正速度V_n。因此，等式(9)提供了P波在给定耐火层n中的传播时间的估算值。

$t_{\mathrm{pn}}=\frac{{2T}_n}{V_{\mathrm{pn}}}---\left(9\right)$

项T_n是特定耐火层n的厚度，V_pn是未修正的速度，而t_pn是反射波至之间的一个特定持续时间。时间t_pn可视为反射波83之间的周期。假定周期的倒数是为相应频率，那么等式(9)可根据反射波的频率而改写成如等式(10)所示。

$f_{\mathrm{pn}}=\frac{V_{\mathrm{pn}}}{{2T}_n}---\left(10\right)$

反射波83共同形成了炉壁对冲击器70所产生P波81的时域声-超声回波响应。处理器76可利用快速傅立叶变换(FFT)方法或另一(可能效率较低的)数字信号处理技术，将时域声-超声回波响应转换成相应的频域声-超声回波响应。在某些实施例中，处理器76具有对计算机可读介质的访问权限，该介质具有用于在时域和频域之间进行转换的FFT方法或另一数字信号处理方法的指令。频域声-超声回波响应显示了相继的反射波至对外钢壳31表面的影响。

然而，在可使用等式(9)和(10)之前，根据本发明的一个非常特殊的实施例，对于每种相应的耐火材料n，可通过使用上述速度比例因子α_n，来修正P波81和相应的反射波83在每种耐火材料中的速度V_p。

冲击源所产生的波速是P波波速的间接测量值。冲击源引起P波的多重反射，从而导致引发了特定振动模式。这种振动模式称为厚度振动模式，并导致物体厚度上的交替膨胀和收缩。可采用覆盖了较宽范围的固体形状和尺寸的许多有限元和实验室实验，来确定冲击器所产生的第一振动模式。这种第一振动模式或基本频率会影响P波的速度，并被称为β。也就是说，为了提高所得厚度和/或缺陷识别测量值的精度，也可选择性地将几何相关的第二速度比例因子β_n应用于每种耐火材料n。耐火砖的形状和尺寸对穿过耐火砖的P波速度V_p具有影响。为了修正这些几何相关的影响，第二速度比例因子β可确定为各耐火砖层33和35中典型耐火砖的相对尺寸比的函数。

在一个具体实施例中，β对于2.0以上的长-宽比而言为0.96，当长-宽比在1.0至2.0之间时则处于0.90至0.96之间的范围内。可在室温下的耐火砖上来确定β的精确值。如果耐火层包括不同形状的耐火砖，那么应该考虑每种形状。

在某些实施例中，处理器具有对计算机可读介质的访问权限，该介质具有用于为每种耐火材料来确定未修正的速度和比例因子的指令。在一个具体实施例中，只包括一种类型耐火材料的耐火炉衬的厚度可根据以下等式(11)来计算。

$T=\frac{\mathrm{\α\β}{V}_p}{{2f}_p}---\left(11\right)$

作为备选，如果耐火炉衬包括多层不同的耐火材料(如图4中所示)，那么厚度等式就会变得更加复杂，并更易于以频域来解答。由于每层耐火层包含不同成分和厚度的耐火砖，因此现在可在炉壁的整体评估中考虑穿过每层的P波速度。结果，等式(11)修改成等式(12)的形式。

$f_t=\frac{1}{\frac{{2T}_1}{{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\β}}_1{V}_{p1}}+\frac{{2T}_2}{{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\β}}_2{V}_{p2}}+\frac{{2T}_3}{{\mathrm{\α}}_3{\mathrm{\β}}_3{V}_{p3}}+\·\·\·}---\left(12\right)$

其中f_t是耐火层的P波的厚度频率，V_p1是材料层1中的P波速度，T₁是层1的厚度，V_p2是材料层2中的P波速度，T2是层2的厚度，等等。

参看图5，并继续结合图4，图5显示了根据本发明一个实施例的一种非常特殊的示例方法的流程图。在图5中的许多步骤中都加上前缀“B”，因为这些具体步骤以简化的单独步骤形式用来示意性描述当P波经过炉壁传播时，P波发生了什么变化。这些步骤通常在产生了P波之后是不可控制的。本领域中的技术人员可以理解，与传播的P波相关的过程的实际顺序会稍微复杂一些。

在步骤5-1中，触发冲击器70，以便在外钢壳31的外表面上产生P波81。接着，在步骤B5-2中，P波81穿过外钢壳31传播。在步骤B5-3中，P波到达声波界面，其可由第一耐火砖层33、熔融材料100或上述缺陷来表示。

在步骤B5-4中，如果声波界面处的材料是熔融材料(不通过，步骤B5-4)，那么P波81的大部分反射回传感器72。其余损耗在熔融材料100中。另一方面，如果声波界面处的材料是固体(如第一耐火砖层33)，那么一部分P波81在步骤B5-6中远离冲击器70而继续传播(是通过，步骤B5-4)，另一部分P波81则在步骤B5-7中反射回冲击器70。在步骤B5-6之后，P波81继续重复步骤B5-3、B5-4等，直至波能量最后完全消失。步骤B5-5和B5-7中所产生的反射波83在经过其自身的反射、折射、衍射和波型转换之后，最终在步骤B5-8中抵达外钢壳31。

在步骤5-9中，当反射波83随时间的过去而抵达时，传感器72检测到反射波83，并且处理器76记录每一反射波的抵达时间和幅度。该数据形成了炉壁对P波81的时域声-超声回波响应。在已经进行了反射波的测量之后，处理器76在步骤5-10中将时域声-超声回波响应转换成频域声-超声回波响应。考虑到可先验计算出的上述未修正速度和比例因子，可在等式(9)和(12)中对频域声-超声回波响应进行评估，以确定耐火炉衬的状态。

图6中显示了根据另一实施例的单冲击器-多传感器(SIMS)的不间断式和无损伤性检查系统的简图。图6所示的SIMS类似于图3所示的SISS。图6还包括冶金炉30和上述图1中的所有缺陷和损伤模式。因此，图1，3和6中共有的相同特征具有共同的标号。

图6所示SIMS系统包括如图3所示SISS系统中所用的单个冲击器70。然而，SIMS系统包括两个传感器72a，72b和两个相应的可选前置放大器74a，74b，来取代单个传感器和单个可选前置放大器。也就是说，这两个传感器72a，72b可选择性地通过这两个相应的前置放大器74a，74b而分别与处理器76相连。传感器72a，72b与传感器70相邻地定位，并且在操作过程中，将这两个传感器72a，72b所得的测量值进行平均、相关和/或积分在一起。同样，如上所述地采用速度比例因子。本领域中的技术人员可以理解，处理器具有对计算机可读程序代码装置的访问权限，该代码装置具有用于将来自这两个传感器72a，72b的测量值组合起来的指令。

在又一实施例中，图7中提供了与冶金炉32结合在一起的多冲击器-多传感器(MIMS)的不间断式和无损伤性检查系统的简化示意图。图7所示MIMS包括许多如由73a，73b，73c和73d所表示的传感器-冲击器对，其围绕冶金炉32的表面进行设置。MIMS系统还包括冲击器的控制器和传感器的前置放大器阵列77以及处理器78。每个传感器-冲击器对都通过冲击器的控制器和传感器的前置放大器阵列77而与处理器78相连。具体说来，作为解释性示例，传感器-冲击器对73d通过I/O线61而与冲击器的控制器和传感器的前置放大器阵列77相连，I/O线61从I/O总线63中分出来，I/O总线63与冲击器的控制器和传感器的前置放大器阵列77相连。

在操作中，单个的冲击器可以被一次一个地触发，或者分组触发或一起全部触发。每个冲击器可经过设置并触发以产生相应的P波，该P波具有与MIMS系统中所包括的其它冲击器所产生的P波相同或不同的特定的频率范围。本领域中的技术人员可以理解，冲击器的控制器和传感器的前置放大器阵列77和/或处理器78具有对计算机程序可读代码装置的访问权限，该代码装置具有用于将测量值组合起来的指令。

类似地，单个的传感器可用于收集来自冲击器的P波数据，这些传感器与MIMS系统中的一个或多个冲击器配对。因此，可对从一个或多个传感器中收集到的反射测量值进行取平均、校准和/或积分在一起。同样，可以如上所述地速度比例因子。本领域中的技术人员可以理解，处理器78具有对计算机程序可读代码装置的访问权限，该代码装置具有用于将测量值组合起来的指令。

虽然上述描述提供了示例性的实施例，但是可以理解，在不脱离所附权利要求的明确意义和范围的条件下，本发明可以进行修改和变化。因此上文已经介绍的只是说明了本发明实施例的一些方面的应用。在理解了上面所讲述的内容之后，本发明的各种修改和变型都是可以的。因此可以理解，在所附权利要求的范围内，除了本文具体描述的之外，本发明也可以其它方式来实施。

Claims (38)

1.一种用于检查冶金炉壁的系统，包括：

应力波发生器，其用于产生在冶金炉壁中传播的应力波；

用于检测应力波反射的应力波传感器；和

具有内置式计算机可读程序代码装置的处理器，其用于(i)记录所述应力波传感器所检测的应力波反射的相关时域数据，(ii)将所述时域数据转换成频域数据，和(iii)通过所述时域数据、频域数据和温度相关的比例因子的组合，来产生对冶金炉壁状态的测定，所述温度相关的比例因子用于补偿应力波和应力波的反射波穿过冶金炉壁中所含耐火材料的速度变化。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度相关的比例因子作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，所述温度范围对应于运转中的冶金炉的耐火材料上的温度梯度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，产生对冶金炉壁状态的测定包括测定所述冶金炉壁的厚度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，产生对冶金炉壁状态的测定包括测定所述冶金炉壁中的耐火炉衬的厚度。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，产生对冶金炉壁状态的测定包括测定是否存在缺陷，所述缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，产生对冶金炉壁状态的测定还包括测定缺陷的位置，所述缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应力波是压缩P波。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应力波传感器是垂直位移传感器和加速计的其中一种。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应力波发生器是具有球形冲击点的冲击器。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括连接在所述应力波传感器和所述处理器之间的前置放大器。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，包含在所述冶金炉中的耐火材料以砖的形式提供，所述几何形状相关的比例因子作为所述耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处于检查下的冶金炉包括具有多层的耐火炉衬，每一层都包括一种类型的耐火材料，其中所述处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其利用多个温度相关的比例因子来产生对冶金炉壁状态的测定，每个温度相关的比例因子对应于所述耐火炉衬中的相应的一种类型的耐火材料。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述多个温度相关的比例因子中的每一个都作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，所述温度范围对应于相应耐火材料上的温度梯度。

15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述耐火炉衬的每层都包括一种类型耐火材料的耐火砖，并且所述多个几何形状相关的比例因子的每一个都作为相应层中的耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

17.一种用于检查冶金炉壁的装置，包括：

多对应力波发生器-传感器，每一对用于在冶金炉上的某点处产生应力波并检测所述应力波的反射波；和

具有内置式计算机可读程序代码装置的处理器，其通过至少一个传感器所收集的时域数据、源于所述时域数据的频域数据和温度相关的比例因子的组合，来产生对冶金炉壁状态的测定，所述温度相关的比例因子用于修正所述应力波和所述应力波的反射波穿过冶金炉壁中所含耐火材料的速度变化。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述温度相关的比例因子作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，所述温度范围对应于运转中的冶金炉内耐火材料上的温度梯度。

19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，对冶金炉壁状态的测定包括测定所述冶金炉壁的厚度。

20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，对冶金炉壁状态的测定包括测定所述冶金炉壁中的耐火炉衬的厚度。

21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对冶金炉壁状态的测定包括测定是否存在缺陷，所述缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，对冶金炉壁状态的测定还包括测定缺陷的位置，所述缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

23.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述装置还包括连接在所述多对应力波发生器-传感器和所述处理器之间的相应多个前置放大器。

24.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述装置还包括连接在所述处理器和所述多对应力波发生器-传感器之间的应力波发生器的控制盒。

25.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在所述冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。

26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，包含在所述冶金炉中的耐火材料以砖的形式来提供，所述几何形状相关的比例因子作为所述耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

27.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，处于检查下的冶金炉包括具有多层的耐火炉衬，每一层都包括一种类型的耐火材料，其中所述处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其利用多个温度相关的比例因子来产生对所述冶金炉壁状态的测定，每个所述温度相关的比例因子对应于所述耐火炉衬中的相应的一种类型的耐火材料。

28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述多个温度相关的比例因子的每一个都作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，所述温度范围对应于相应耐火材料上的温度梯度。

29.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述处理器还包括内置式计算机可读程序代码装置，其用于在所述冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。

30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，所述耐火炉衬的每一层都包括一种类型耐火材料的耐火砖，并且所述多个几何形状相关的比例因子中的每一个作为相应层中的耐火砖的相对尺寸的函数来计算出。

31.一种检查冶金炉壁的方法，包括：

在某点处将应力波引入冶金炉壁中；

在将所述应力波引入到所述冶金炉壁内的所述点附近，来检测一个或多个应力波反射；和

结合温度相关的比例因子来处理所述时域和频域中的反射，所述温度相关的比例因子用于修正所述应力波和所述应力波的反射波穿过所述冶金炉壁中所含耐火材料的速度的变化。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述温度相关的比例因子作为弹性模量在温度范围上的相对变化的函数来计算出，所述温度范围对应于运转中的冶金炉的耐火材料上的温度梯度。

33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测定所述冶金炉壁的厚度。

34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测定所述冶金炉壁中的耐火炉衬的厚度。

35.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测定是否存在缺陷，所述缺陷包括脱层、炉结、裂缝和气泡。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测定存在于所述冶金炉壁中的缺陷的位置。

37.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在进行处理之前放大所述反射波。

38.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述冶金炉壁状态测定过程中算入几何形状相关的速度比例因子。

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