炉结构完整性监测系统和方法

炉结构完整性监测系统和方法
【专利摘要】公开了用于声监测熔炉及类似设备的多种系统和方法。声传感器（及可选地其他传感器）被安装至该炉。在该炉中产生的声发射事件被分析，以识别超过一个或多个阈的状况。声发射的位置可以被识别和报告。可以响应于声发射而产生输出信号。声发射的位置可以被用来识别该炉中的潜在故障的位置。
【专利说明】炉结构完整性监测系统和方法
【技术领域】
[0001]所描述的实施方案涉及用于监测冶金炉的结构完整性和物理变形的系统和方法。【背景技术】
[0002]典型的冶金炉是拥有具备多层构造的侧壁的容器。外层通常是为了结构性支撑而设置的钢壳。内层包括由一个或多个耐火砖层构造的耐火衬，所述耐火衬被设置用于保护外部钢壳免受炉内的熔融材料和侵蚀性化学品的侵害。在一些炉中，在外部钢壳与耐火衬之间还设置了冷却层，以防止过量的热从耐火衬传递到外部钢壳。在一些炉设计中，砖层和/或冷却元件被设置就位带有在炉运行期间固化的软的沙状材料。
[0003]在冶金炉运行期间，除了导致总体耐火衬厚度损耗的化学降解以外，耐火衬还会因机械应力和热应力而退化。随着耐火衬退化，熔融材料和侵蚀性化学品渗入耐火砖之中和/或之间的不断加宽的空间，从而引起耐火衬中的各层的剥离(即分离)。这样的剥离可以对外部钢壳施加扩张性应力，且可以导致该钢壳的局部变形。耐火衬的退化还可以引起结构性故障，这可以导致外部钢壳暴露至炉内的熔融材料和侵蚀性化学品。
[0004]此外，如果熔融材料和侵蚀性化学品到达外部钢壳，则存在对在炉附近工作的人员造成严重伤害的危急风险，这是因为该外部钢壳通常不能可靠地将熔融材料和侵蚀性化学品保持在炉内。还已知由于耐火衬的退化会出现热转移性和传导性的损失，这两者都会造成钢壳的变形和故障。
[0005]在包含水冷元件的炉中常见的另一模式的耐火衬退化是耐火衬的水合。在某些温度，从冷却元件漏出的水可以与耐火砖反应，导致耐火衬迅速退化。基于氧化镁(MgO)的耐火砖尤其易于遭受这一模式的故障。由水合导致的耐火衬扩张可以对钢壳施加增加的扩张性压力，且可以造成该壳的局部变形。
[0006]期望监测炉一特别是外部钢壳一的结构整体性，以帮助预测壳破裂的时间和位置。如果不首先清空炉并关停炉参与的工业过程，则难以对钢壳的状况做出可靠和准确的评估。为了例行检查而关停冶金炉代价不菲，从而操作者试图利用可以在炉运行时被采用的检查方法。然而，通常使用炉的恶劣工作环境会使得所做的测量偏离。例如，已知炉中极高的温度、振动、环境噪声、灰尘以及电危害和机械会扭曲由先前已知的检查方法产生的结构完整性测量。可以使用常规的变形监测工具，诸如应变仪，但其只能测量在它们安装位置附近的变形。而且，常规的应变仪通常不能区分外壳的弹性变形和塑性变形。
[0007]尚未开发出监测钢壳的结构完整性并实时识别初期开裂及其他结构性缺陷的系统性方法。因此，操作者被迫停机并冷却炉，以不时地核查壳完整性，且可能几乎没有或完全没有对即将发生的能导致熔融金属从炉泄漏到周围环境(泄出)的壳破裂的预警。

【发明内容】

[0008]在第一方面，多种实施方案提供了用于监测具有炉壳的炉的结构完整性的声发射监测系统，所述系统包括:控制器；以及多个声发射传感器，该多个声发射传感器被安装至所述炉壳，并安装至所述控制器以向所述控制器提供与在所述炉中产生的声发射(AE)事件对应的电信号。
[0009]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些经由前置放大器耦合至所述控制器。
[0010]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些被可移除地安装至所述炉壳。
[0011]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些被磁性地安装至所述炉壳。
[0012]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些被永久安装。
[0013]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些以预先确定的安装样式被安装至所述炉壳。
[0014]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些在与一个或多个炉部件对应的位置被安装至所述炉壳。
[0015]在一些实施方案中，安装在所述炉壳上的所述传感器中的至少一些的间隔是由选自下列因素的一个或多个因素确定的:全部所述传感器中的一些的特性；所述传感器中的一些或全部传感器的分辨率；所使用的传感器的数目；炉部件的位置；以及所述炉的尺寸。
[0016]在一些实施方案中，所述传感器中的至少一些对具有高于选定阈的频率的声发射敏感。
[0017]在一些实施方案中，所述控制器包括过滤模块以过滤所述电信号。
[0018]在一些实施方案中，所述过滤模块滤除在选定阈以下的信号。
[0019]在一些实施方案中，所述阈选自以下组成的一组:运行(operating)阈AE值；预警(warning) AE阈值；警报(alarm) AE阈值；以及停机(shutdown) AE阈值。
[0020]在一些实施方案中，所述系统包括不同类型的传感器。
[0021]在一些实施方案中，所述控制器包括用于提供与所述电信号对应的一个或多个输出信号的输出模块。
[0022]在一些实施方案中，当所述传感器中的至少一个检测到的AE事件的强度(intensity)超过一个阈时,一个输出信号被提供。
[0023]在一些实施方案中，所述阈选自以下组成的一组:运行阈AE值；预警AE阈值；警报AE阈值；以及停机AE阈值。
[0024]在一些实施方案中，所述输出信号中的至少一个选自以下组成的一组:预警信号；警报信号；控制信号；传感器控制信号；以及反馈信号。
[0025]在一些实施方案中，所述控制器包括用于提供与所述电信号有关的信息的显示设施。
[0026]在一些实施方案中，所述控制器包括用于估计声发射事件的源头的位置的位置模块。
[0027]在另一方面，一些实施方案提供了监测炉的结构的方法，所述方法包括:将多个声发射传感器安装到炉壳；从所述声发射传感器中的至少一个接收与在所述炉中产生的声发射事件对应的电信号；以及分析所述电信号。
[0028]在一些实施方案中，所述方法包括以预先确定的安装样式放置所述传感器中的至少一些。
[0029]在一些实施方案中，所述方法包括将所述传感器中的至少一些放置在与一个或多个炉部件对应的位置。
[0030]在一些实施方案中，所述方法包括基于选自下列因素的一个或多个因素来间隔开安装在所述炉壳上的传感器:所述传感器中的一些或全部传感器的特性；全部所述传感器中的一些的分辨率；所使用的传感器的数目；炉部件的位置；以及所述炉的尺寸。
[0031]在一些实施方案中，所述方法包括滤除被少于一个选定数目的传感器识别的声发射。
[0032]在一些实施方案中，所述方法包括滤除与所述炉的正常运行噪声对应的声发射。
[0033]在一些实施方案中，所述控制器包括用于提供与所述电信号有关的信息的显示设施。
[0034]在一些实施方案中，所述方法包括估计声发射事件的源头的位置。
[0035]在一些实施方案中，所述方法包括识别一个或多个先兆(pre-sursor) AE事件。
[0036]在一些实施方案中，所述方法包括基于炉的运行温度来应用速度波校正(speedwave correction),以使得所估计的声发射事件的源头的位置精确(ref ine)。
[0037]在一些实施方案中，所述方法包括提供对所估计的声发射事件的源头的位置进行识别的输出。
【专利附图】

【附图说明】
[0038]为了更好地理解 申请人:在此描述的教导，现在将仅以举例方式参考示出了至少一个示例性实施方案的附图，且在附图中:
[0039]图1是装设于冶金炉上的一个声发射(AE)监测系统的示意图；
[0040]图2是沿着线2-2所取的图1的炉的局部截面视图；
[0041]图3是图1的炉的区域3的放大视图；
[0042]图4是用于AE监测系统的控制器的一个实施例的示意图；
[0043]图5是例示了炉中AE活动随时间变化的线形图；
[0044]图5a是图5中的区域5a的放大视图；
[0045]图6是例示了运行AE监测系统的一个方法的流程图；且
[0046]图7是例示了一个示例性AE信号的线形图。
[0047]为了例示的简单和清楚，图中示出的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚，一些元件的尺寸可以相对于其他元件被夸大。此外，在认为适当的情况下，参考数字可以在各图之间重复，以指示对应的或类似的元件。
【具体实施方式】
[0048]下面描述了多种设施或过程，以提供每个所要求保护的发明的一个实施方案的一个实施例。下面描述的实施方案都不限制任何所要求保护的发明，且任何所要求保护的发明可以覆盖下面未描述的过程或设施。所要求保护的发明不限于具有下面描述的任何一个设施或过程的全部特征的设施或过程，也不限于对于下面描述的多个或全部设施共同的特征。可能的是，下面描述的设施或过程不是所要求保护的发明的任何一个实施方案。本文中未要求保护、但在在下面描述的设施或过程中已公开的任何发明，可以是另一保护文书(例如继续专利申请)的主题，且 申请人:、发明人或拥有人不打算放弃、否认、或通过本文中的公开来向公众奉献任何这样的发明。
[0049]对于运行着的冶金炉，泄出(run-out)是不希望但常见的现象。当该炉的熔融内容物(content)泄漏到周围环境中时，就发生了泄出。泄出可以导致炉的昂贵的停机时间，且可以对在炉附近工作的操作者造成安全威胁。
[0050]一些泄出可以是由炉的耐火衬之中或耐火衬之间的瑕疵造成的，这允许熔融金属经由耐火层渗出且接触炉的钢外壳。耐火瑕疵可以是由内部耐火衬的广泛磨损造成的，或者是由耐火衬的水合和物理/化学变形以及弱化造成的，或者是通过该衬中的不连续性造成的。 申请人:已经发现，造成泄出的这些机制可以产生声发射，且可以导致炉壳变形。
[0051]用于测量炉壳的弹性变形和塑性变形、检测炉壳的微开裂(micix) cracking)和开裂、检测由泄出导致的耐火位移和不连续性的形成、以及检测耐火磨损的系统和方法的组合可以被用来帮助促进对冶金炉的结构完整性监测。这样的系统可以允许在炉的损坏变得严重和/或导致泄出之前及时应用防护措施或安全进程，如果有此要求。
[0052]结构完整性监测系统可以被用来监测炉的结构完整性。可选地，该结构完整性监测系统可以被用来实时监测炉的状况。该结构完整性监测系统可以被配置为独立地或组合地使用多个不同类型的传感器。合适类型的传感器可以包括，例如，声传感器、振动传感器、应变仪、光学传感器和温度传感器。在一些情形下，可以有用的是，在一个完整性监测系统内包含多个不同类型的传感器，以帮助促进多个类型的数据的收集。可选地，可以使用常见的系统控制器处理该数据的组合。为了简单起见，下面描述的结构完整性监测系统的一个实施例被描述为具有单个类型的声发射传感器，然而该完整性监测系统的其他实施方案可以包含多个不同的传感器类型。
[0053]声发射测试是一种用于监测在外部和/或内部施加的应力下变形的材料的状况的方法。声发射(AE)可以被定义为当材料屈服或塑性变形时由该材料内的能量的快速释放产生的一种瞬时弹性波。声发射感测或监测装备可以“听”到开裂增长、纤维断裂以及受压材料中的许多其他模式的活性损害(active damage)的声音。通过监测来自给定结构的AE信号，在更大结构性故障出现之前，该结构的小尺度损坏可以是可检测的。多传感器AE系统还可以被用来定位开裂(或其他这样的机械故障)的源头，并预测开裂蔓延的方向。当以此方式使用时，AE可以被用作一种非破坏性测试或监测技术，以例如在结构验收测试和工厂运行中找到缺陷。
[0054] 申请人:已经发现，AE监测系统可以被配置为监测冶炼炉的结构完整性。
[0055]常规的应变仪测量技术能够检测熔炉外壳的物理膨胀。然而，已知的基于应变仪的系统主要依赖于材料的尺度变化，不能分辨材料的可逆的弹性变形和潜在成问题的塑性变形。与基于应变仪的系统不同， 申请人:的AE监测系统可以被用来检测由材料中的能量的快速释放产生的应力波(stress waves),这通常伴随着塑性变形。当经历可逆的弹性变形时，材料的内部结构保持大致完好，并且如果释放声发射则释放非常少的声发射。
[0056]通过监测在材料内产生的声发射，AE监测系统可以能够识别材料从可逆变形到不可逆变形的转变，并且检测材料中的活性瑕疵诸如开裂增长(包括微开裂形成和增长)。
[0057]多个传感器的使用(例如被安排成传感器阵列以限定感测区)可以帮助便于AE源头(origin)定位。识别AE信号源头的源(source)可以帮助识别该材料中的应力集中区域，这可以导致形成更大开裂及其他缺陷。定位该材料的已经经历显著塑性变形的部分可以帮助识别该材料的可能更容易出故障的部分，且可以在出故障之前检查和修复。
[0058]参看图1和图2，AE监测系统100被安装在冶金炉102上，被配置为监测该炉的结构完整性。
[0059]在所例示的实施例中，炉102是电气环形炉，包括底板104、顶盖106和外壳108。外壳108可以由任何合适的材料(包括钢)形成。炉102的内部衬有耐火材料110。耐火材料可以帮助将底板104和外壳108与能够被容纳在该炉中的熔融金属隔离。在所例示的实施例中，炉102包含多个炉膛耐火层112和壁耐火材料114。
[0060]声发射可以由炉102内的多个源产生，所述多个源包括例如外壳108的变形和开裂、耐火材料110的腐蚀、耐火材料110相对于外壳108的移动、冷却水系统的渗漏以及电极起弧。
[0061]AE监测系统100包含被安装至炉102的多个AE传感器116。在所例示的实施例中，该AE监测系统包含安装在炉102的外壳108上的十六个AE传感器116。可选地，所述多个AE传感器116可以使用合适的可拆卸连接器(包括例如磁体)被可拆卸地安装至炉外壳108。替代地，这些AE传感器116中的一些或全部可以被永久安装至炉外壳108。这些AE传感器116可运行以将在该炉内产生的声发射转换成对应的电信号。
[0062]每个AE传感器116被链接至对应的AE前置放大器118。为了简化，图1中仅例示了单个AE前置放大器118，然而，每个AE传感器116可被连接至一个对应的AE前置放大器118。AE前置放大器118被配置为从AE传感器116接收对应的电信号，并且将放大的电信号传输至控制器120。所述多个AE前置放大器118使用多个合适的数据线缆被可通信地链接至控制器120。在所例示的实施例中，控制器120是计算机。替代地，控制器120可以是任何合适的设施，包括例如PLC。
[0063]可选地，代替被设置为分立的部件，AE前置放大器118可以被集成到AE传感器116或控制器120中，而不是被设置为分立的部件。
[0064]可选地，AE传感器116、AE前置放大器118、控制器120、线缆及任何其他系统部件可以被热屏蔽，以帮助保护这些系统部件免受炉的热的影响。
[0065]也参照图3，所述多个AE传感器116可以按照预先确定的安装样式被安装至外壳108。在所例示的实施例中，这十六个AE传感器116以大致线性的两行122a、122b被安装至炉外壳108。第一行122a的AE传感器116位于炉102的底板104上方的第一高度124。第一行122b的高度可以基于多个因素被选择，所述多个因素包括例如炉配置和炉部件(诸如出料口(taphole)、加强层(stiffening layers)、耐火层等等)的位置。在所例示的实施例中，第一行传感器122a被定位在炉102的底板104上方约150毫米。
[0066]第一行122a中的多个AE传感器116彼此横向偏离第一横向间隔距离126。第一横向间隔距离126可以基于多个因素被选择，所述多个因素包括例如AE传感器116的特性(诸如传感器分辨率)、所使用的AE传感器116的数目、炉结构性零件(诸如出料口、加强元件等等)的位置以及炉外壳108的尺寸。在所例示的实施例中，第一横向间隔距离126约为9000毫米。使用这个横向间隔距离126使得第一行122a中的多个AE传感器116能够绕炉外壳108的周缘总体均等间隔开。替代地，第一行122a中的AE传感器116之间的横向间隔距离126不需要是绕炉102的周缘恒定的。
[0067]第二行122b的AE传感器116被定位在第一行122a上方，并且偏离第一行122a一个竖直偏离距离128。在所例示的实施例中，竖直偏离距离128小于第一横向间隔距离126，约为1200毫米。可选地，竖直偏离距离128可以在大约5到大约3000毫米之间。
[0068]第二行122b中的AE传感器116彼此偏离第二横向间隔距离130。可选地，如所例示的，第二横向间隔距离130可以大体等于第一横向间隔距离126。
[0069]可选地，第二行122b中的AE传感器116可以与第一行122a中的AE传感器116横向偏离一个行横向偏离距离132。在所例示的实施例中，行横向偏离距离132约为第一横向间隔距离126的一半。
[0070]参照图1和图3，在所例示的配置中，每组三个、横向相邻的AE传感器116 (包括来自两行122a、122b的传感器)限定了一个大体三角形的传感器区134，在图1中使用交叉影线(cross-hatching)标示。可选地,所述多个AE传感器116可以被定位成另一个样式，以形成不同形状的传感器区。
[0071]AE传感器116可以是能够承受炉102的运行环境的任何合适类型的AE传感器。AE传感器116的运行频率范围可以被选择使得它包括炉部件的预期声发射频率，所述声发射频率可以例如在大约20kHz到大约120kHz之间。在一些情况下，相关的声发射频率可以在大约60kHz到大约80kHz之间，或者大于120kHz。在所例示的实施例中，所述传感器是型号R6a-60kHz压电共振AE传感器，具有大约35_100kHz的运行频率范围以及大约_65至175摄氏度的运行温度范围。
[0072]如果AE监测系统100旨在仅监测在炉102内产生的声发射的一部分(例如由耐火材料Iio状况的变化和/或外壳108的塑性变形所产生的声发射)，则当这些发射被控制器120处理时，由其他源产生的声发射可以被分离出来。
[0073]例如，由电极起弧产生的相对低频率的发射(可以是大约50kHz)可以使用控制器120中的过滤模块来滤除(图4)，该过滤模块可以包括例如高通滤波器。其他类型的正常运行噪声可以使用样式辨认软件来识别和移除，该样式辨认软件也可以被设置在该过滤模块中或控制器120的其他部分。
[0074]这样的不相关的声信号的例子可以包括机械噪声、冷却水流、炉启动声音以及出料(tapping)或吹气(lancing)声音。使用该过滤模块中的一个或多个过滤器,并且/或者通过使用补充的“保护传感器(guard sensor)”来帮助滤除或阻挡不相关的信号，可以消除不相关的声发射及其他不想要的系统噪声。
[0075]可选地，AE传感器116可以被选择，以使得它们的运行频率范围的低端(例如大约35kHz)高于使用传统的基于反射的声监测或超声测试系统产生的预期频率范围(例如由锤子、撞锤或其他机械碰撞产生的声波，预期在大约2kHz到大约25kHz之间)。以此方式选择AE传感器频率范围可以帮助减少经由所述AE传感器检测到相对低频率的、不想要的和/或干扰声波。
[0076]可选地，所有AE传感器116可以是相同的。替代地，多个AE传感器116可以包括多于一个类型的AE传感器。
[0077]参照图4,控制器120的一个实施例包含:输入模块136、过滤模块138、处理器140、存储模块142、操作者I/O模块144和输出模块146。
[0078]输入模块136可以是能够被配置为从所述多个AE前置放大器118接收电信号、并且将所述信号传输至另一个控制器120部件的任何合适的模块。输入模块136可以是多信道输入模块，并且可以包括模拟-数字转换器及其他合适的部件。
[0079]过滤模块138可以包含能够被配置为帮助从AE传感器116检测到的AE信号中过滤信号噪声和标准运行声音的硬件部件与软件部件的组合。该过滤模块可以包含例如:高通、低通和/或带通滤波器，以及样式辨认软件部件。
[0080]处理器140被链接至多个其他控制器部件，并且可以是任何合适的处理器。
[0081]存储模块142被配置为存储系统参考值，诸如AE阈值(如下面解释的)，并且可以被处理器140查询。存储模块142也可以存储多种其他软件模块，包括操作系统和传感器接口软件。
[0082]操作者I/O模块144被配置为使得系统操作者能够运用AE监测系统100，例如以修改AE监测系统100的运行参数。I/O模块144可以包含物理的和图形的接口部件，包括例如:键盘、鼠标、触屏和显示监视器。
[0083]输出模块146被链接至处理器140,并且可运行以产生并输出多种输出信号148。输出信号148可以包含多种信号，包括例如:预警信号、警报信号、控制信号(例如以控制炉102的一个或多个功能)、传感器控制信号和反馈信号。
[0084]AE监测系统100也可以包括显示设施150。该显示设施可以运行以向系统操作者提供信息。该显示设施可以包含视觉变换器(visual transducer)(包括例如显示屏、光和仪表(gauge))、听觉变换器(包括例如喇叭、铃和汽笛)及它们的任何组合。
[0085]在使用中，AE监测系统100被用来监测由炉102产生的声发射，并且检测一个或多个AE事件的出现。AE事件是涉及或可以影响炉的结构完整性的声发射(例如由外壳的塑性变形造成的发射和/或由耐火材料状况的变化造成的发射)，与该炉的正常运行声音和噪声形成对比。
[0086]炉102中的AE活度(activity)可以通过所检测到的AE事件的数目来测量。AE强度(intensity)可以通过AE事件信号参数(例如能量、振幅、持续时间、上升时间等等)的幅度来测量。AE活度和AE强度的监测都可以被用来帮助识别结构完整性的变化。
[0087]AE监测系统100可以被配置为实时连续监测来自炉102的声发射，并且如果检测到结构完整性的变化则可以产生预警或警报输出。
[0088]在一些情况下，所述多个AE传感器116可以检测通常与炉外壳的结构完整性无关且不被认为是AE事件的其他声信号。
[0089]再一次参照图3，在所例示的实施例中，控制器120被配置为使得它将仅当在外壳108上的至少任何三个AE传感器116处检测到声信号时，才将该声发射识别为AE事件。用至少三个AE传感器检测AE事件可以基于例如每个AE传感器116测得的到达时间的差异帮助促进对AE事件的源头(图形上由点170代表)的三角测量(triangulation)。如果与噪声相关的信号或弱信号没有被至少三个AE传感器116检测到，则这个配置也可以帮助滤除该与噪声相关的信号或弱信号的一部分。使用这些AE传感器的已知位置，AE事件的源头170相对于AE传感器116的位置可以被转换成炉102上的物理位置。可选地，控制器120可以包含位置模块172，以计算AE事件的源头170相对于所述至少三个AE传感器116的位置。
[0090]识别在外壳108和/或耐火材料110上或外壳108和/或耐火材料110内产生的AE事件的源头170可以帮助使用者定位炉102上经历相对大量的局部塑性变形、耐火材料磨损或其他结构性变化的区域。识别这样的区域的位置可以帮助便于增加对这样的区域的检查和/或维护。
[0091]炉102的运行温度可以影响AE (即应力波)在耐火材料110和外壳108中的速率。一旦炉102在运行，就将把根据温度因素的波速度校正纳入考量，例如使用热校正因子，以帮助便于使用三角测量来进行精确的源头170定位。这样的热校正进程的一个实施例被简要描述于PCT公布文本W02006/089414 (Sadri等人)中，该PCT公布文本通过引用纳入本文。
[0092]使用所述多个AE传感器116的AE监测系统100也可以被配置为监测耐火材料磨损。将AE传感器116放置成预先确定的阵列样式(或者替代地放置成另一样式，诸如包含多行和多列的网格)可以帮助便于对由耐火材料磨损产生的或标志着耐火材料磨损的AE事件的源头170的三角测量和分区定位(zonal location)。
[0093]超声波速率测量也可以与活动AE测量联合使用。超声波测量可以帮助校准AE传感器116。例如，超声波可以由人工源(诸如在远离AE传感器116的已知位置或距离的碰撞)产生。优选地，在一个新炉102试运转之前，应采用一组超声波速率测量。在这个阶段，操作者可以从炉102内部在耐火壁114的已知位置产生碰撞。这些信号可以被安装在外壳108的外表面上的AE传感器116检测到。继而，可以基于这些初始读数并且使用热校正因子来计算速率模型，该速率模型将用于被动(passive) AE监测。这些合成超声信号也可以被分析以得到它们的振幅和频率范围。
[0094]参照图5，一个线形图例示了由炉102在运行期间产生的AE活动的示意性表示。
[0095]在启动阶段152，例如当该炉首次启动时，遍布整个炉102可以产生多种声发射。这些发射中的一些可以具有相对高的幅度，如所例示的。
[0096]在启动期间，运行温度的上升和由炉102的熔融内容物施加的铁水静压力(ferrostatic pressure)可以造成外壳108弹性扩张,并且可以造成外壳108的某一程度的永久、塑性变形或拉伸。在这个初始扩张过程中，多个AE事件可以作为钢外壳塑性变形被AE监测系统100检测到。
[0097]当该炉达到大体稳态的运行阶段154时，该外壳可能不经历进一步的塑性变形，并且在该外壳内产生的AE事件的数目将减少和/或基本被消除。在这样的稳态运行时期期间，AE监测系统100从外壳108可检测到很少的AE活动或检测不到AE活动。在这个稳态运行阶段154期间可以确定针对来自一个给定的炉的声发射的稳态基线(baseline),且可确定运行阈AE值156。对于使用AE监测系统100被监测的任何给定的炉或容器，该阈AE值可以是唯一的。该AE阈值可以被存储在存储模块142中。
[0098]可选地，针对一个给定的炉102可以存储多个不同的AE值阈。例如，针对一个给定的炉102，可以存储预警AE阈值156a和更高的警报AE阈值156b两者。
[0099]尽管炉102正在运行，但该炉的运行状况随时间的变化可以对外壳108施加附加的力，这在一些情况下可以导致炉外壳108的不想要的塑性变形。例如，不受控的炉膛耐火材料112扩张可以造成钢外壳108的鼓肚变形，并且可以造成外壳108与内部耐火材料110的局部分离。外壳108与耐火材料110之间的分离可以降低冷却效率，并且可以导致对炉外壳108的进一步破坏。在其他实施例中，外壳108变形可以由耐火砖110的水合(即膨胀(swelling))超过计划内设计限度造成。局部外壳变形的区域可能会易于出故障，这可以引起泄出。
[0100]炉102内的侵蚀性的热状况和化学状况，以及熔融浴的运动，也可以促成耐火材料Iio的磨损。通常，耐火材料磨损发生在炉膛112中，靠近出料口，在壁内最大浴水平以下。耐火材料110的磨损可以通过减薄耐火壁114来影响该炉的结构稳定性。热传递也被影响，这可以导致甚至进一步的恶化。而且，由于壁114、炉膛112或出料口的减薄，金属渗漏的潜在风险增大。
[0101]任何上述状况都可以扰乱炉102的运行状况，被例示为干扰阶段(interruptphase) 158，引起增加的AE活度和/或AE强度。
[0102]如所例示的，如果使用AE传感器116所检测到的AE强度被与一个或多个AE阈值156比较，并且超过所述一个或多个AE阈值156，则控制器120可以产生对应的输出。在所例示的实施例中，干扰阶段158中的第一 AE峰超过了警报AE阈值156b，从而可以从控制器120触发警报输出(例如闪烁的红光和可听到的鸣笛)。干扰阶段158中的接下来四个AE峰(如在图5中向右所见)超过了预警AE阈156a，但没有超过警报AE阈156b。检测这四个峰可以引起从控制器120的预警输出(诸如计算机屏幕上的预警显示和闪烁的黄光)。当AE强度下降到预警AE阈以下时，预警输出停止。
[0103]优选地，AE阈值156被设置为使得该炉的提升炉102的基线AE水平的正常运行——例如运行功率的普遍增大(被例示为功率增大阶段160)——将不会触发预警或警报输出。
[0104]可选地，紧急事件或停机AE阈值156c可以被存储在存储器142中。在严重干扰阶段162 (诸如可能发生在泄出之前或泄出期间)中，由炉102产生的AE强度可以显著增力口。这样的增加可以超过预警AE阈156a和警报AE阈156b两者。如果该AE强度达到停机AE阈156c，则控制器120可以可操作以自动干预炉102的运行。例如，控制器120可以被配置为如果来自炉102的AE信号超过停机AE阈156c，则自动减小供应给该炉102的功率。
[0105]优选地，AE阈值156被选择以使得AE监测系统100可以在外壳108达到其故障点之前检测炉102内的AE事件的源，以及可选地定位炉102内的AE事件的源。在这个配置中，AE监测系统100可以被用来帮助在这样的故障发生之前预测外壳108上潜在的故障点。
[0106]例如，参照图5a，在严重干扰阶段162中的与泄出相关的AE事件(它们通常是高强度的)可在实际的外壳108破裂之前被产生并且被检测到。被例示为预警阶段162a的这些较低水平的预兆AE事件的检测可以允许系统操作者预测泄出(或其他这样的事件)将要发生，并且在实际的破裂发生之前调节或关停炉102。
[0107]如果炉102随后被冷却(例如在停机期间)，则外壳108可以弹性收缩，但可以保持某一程度的塑性变形。当炉102被重新加热到基本相同的运行状况时，诸如在随后的启动阶段152a期间，外壳108可以经历弹性扩张(这不包括能量从材料内部的快速释放，从而不产生AE事件)，但不会经历任何进一步的塑性变形。在这样的重新加热阶段152a期间，夕卜壳108不会产生超过运行阈AE值156的AE事件，除非例如新的热扩张超过了原始热扩张的量。
[0108]参照图6，一种运行AE监测系统100的方法包含检测来自炉102内部的声发射的步骤600。在步骤602，这些声发射被转换成对应的电信号，并且在步骤604，这些电信号被过滤以分离AE事件与背景噪声及正常运行声音。在步骤606，所述AE事件被与一个或多个预先确定的AE阈值比较，并且在步骤608，进行查询以确定所检测到的AE事件是否超过了一个或多个阈值156。
[0109]如果该AE事件没有超过AE阈156，则该方法可以回到步骤600，且继续监测炉102。替代地，如果该AE事件确实超过了 AE阈156，则该方法可以前进到可选的定位步骤610 (其中该AE事件的源头170的位置被确定)，或者可以直接前进到步骤612 (其中控制器120产生合适的输出信号)。
[0110]可选地，该AE监测系统可以被配置为识别在外壳中出现的破坏(例如开裂)的类型和严重性。在这样的配置中，所述AE事件可以被假定为像点源(point source)—样运作，并且可以使用SiGMA方法(简化的用于矩张量(moment tensor)分析的格林函数)来分析。通过对矩张量应用特征值(eigenvalue)分析，AE事件的源可以被分类成张力开裂或剪应力开裂。开裂蔓延的方向可以从特征向量中得出。
[0111]等式I给出了由开裂引起的波动u(x，t)的数学解的一个实例，其使用矩张量Mm被简化，其中符号*代表时间上的卷积积分，b(y)代表开裂运动向量，Cmu是弹性常量，Gip,q(x, y, t)是格林函数的空间导数，η是开裂表面的法向量，且I是开裂运动的单位方向向量。S(t)是开裂的源-时间函数，且Λ V是开裂体积。
[0112]Uk(X, t) = Gkpj q(x, y, t)Mpq*S(t)
[0113]f FCpqklb (y) Ι,η# = CpqklIkIi1 [ f Fb (y) dF] = CpqklIkIi1 Δ V = Mpq (I)
[0114]从图7中示出的样本AE波形看，到达时间Pl和第一运动振幅P2被确定，并且受到进一步的处理。开裂的分类由对矩张量的特征值分析来执行，其中X、Y和Z分别表示剪应力比(shear ratio)、偏张力比(deviatoric tensile ratio)和等方张力比(isotropictensile ratio)。根据SiGMA方法，AE源被基于下列标准分类:
[0115]X < 40%被分类为张力开裂；
[0116]40% < X < 60%被分类为混合模式开裂；
[0117]X > 60%被分类为剪应力开裂。
[0118]关于开裂位置、开裂模式以及发生时间和速度的信息可以帮助促进对炉102内部的导致外壳108变形和故障的现象的更好理解。
[0119]可选地，控制器120可以被适配为与多个其他传感器和监测设备通信，所述其他传感器和监测设备包括例如:机械应变仪、光学应变仪、阻力应变仪、热传感器以及拓扑勘测装备(诸如激光扫描仪)。来自多个传感器和监测设备的信息可以被处理，以帮助监测炉102的结构完整性及其他运行特性。
[0120]除了本文描述的实施方案以外，AE装备可以适合于许多形式的生产品质控制测试，包括焊接监测和泄漏监测。
[0121]本发明在这里仅是通过实施例描述的。可以对这些示例性实施方案做出多种修改和变更，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的精神和范围仅受随附的权利要求限制。
[0122]该完整性监测系统可以被配置为独立地或组合地使用多个不同类型的传感器。合适类型的传感器可以包括例如:声传感器、振动传感器、应变仪、光学传感器和温度传感器。在一些情况下，在完整性监测系统内包含多个不同类型的传感器是有用的，以帮助促进多个类型的数据的采集。可选地，数据的这个组合可以使用常规系统控制器来处理。为了简化，下面描述的结构完整性监测系统的实施例被描述为具有单个类型的传感器，然而该系统的其他实施方案可以包含多个不同类型的传感器。
【权利要求】
1.一种用于监测具有炉壳的炉的结构完整性的声发射监测系统，所述系统包括: -控制器；以及 -多个声发射传感器，被安装至所述炉壳，并安装至所述控制器以向所述控制器提供与在所述炉中产生的声发射(AE)事件对应的电信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器中的至少一些经由前置放大器耦合至所述控制器。
3.根据权利要求1或3所述的系统，其中所述传感器中的至少一些被可移除地安装至所述炉壳。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述传感器中的至少一些被磁性地安装至所述炉壳。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的系统，其中所述传感器中的至少一些被永久安装。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的系统，其中所述传感器中的至少一些以预先确定的安装样式被安装至所述炉壳。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的系统，其中所述传感器中的至少一些在与一个或多个炉部件对应的位置被安装至所述炉壳。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的系统，其中安装在所述炉壳上的所述传感器中的至少一些的间隔是由选自下列因素的一个或多个因素确定的:所述传感器中的一些或全部传感器的特性；全部·所述传感器中的一些的分辨率；所使用的传感器的数目；炉部件的位置；以及所述炉的尺寸。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的系统，其中所述传感器中的至少一些对具有闻于选定阈的频率的声发射敏感。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的系统，其中所述控制器包括过滤模块以过滤所述电信号。
11.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的系统，其中所述过滤模块滤除在选定阈以下的信号。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述阈选自以下组成的一组:运行阈AE值；预警AE阈值；警报AE阈值；以及停机AE阈值。
13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的系统，包括不同类型的传感器。
14.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的系统，其中所述控制器包括用于提供与所述电信号对应的一个或多个输出信号的输出模块。
15.根据权利要求14所述的系统，其中当所述传感器中的至少一个检测到的AE事件的强度超过一个阈时，提供一个输出信号。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述阈选自以下组成的一组:运行阈AE值；预警AE阈值；警报AE阈值；以及停机AE阈值。
17.根据权利要求1至16中任一权利要求所述的系统，其中所述输出信号中的至少一个选自以下组成的一组:预警信号；警报信号；控制信号；传感器控制信号；以及反馈信号。
18.根据权利要求1至17中任一权利要求所述的系统，其中所述控制器包括用于提供与所述电信号有关的信息的显示设施。
19.根据权利要求1至18中任一权利要求所述的系统，其中所述控制器包括用于估计声发射事件的源头的位置的位置模块。
20.一种监测炉的结构的方法，所述方法包括: -将多个声发射传感器安装到所述炉壳； -从所述声发射传感器中的至少一个接收与在所述炉中产生的声发射事件对应的电信号；以及 -分析所述电信号。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以预先确定的安装样式放置所述传感器中的至少一些。
22.根据权利要求20或21所述的方法，还包括将所述传感器中的至少一些放置在与一个或多个炉部件对应的位置。
23.根据权利要求20至22中任一权利要求所述的方法，包括基于选自下列因素的一个或多个因素来间隔开安装在所述炉壳上的传感器:所述传感器中的一些或全部传感器的特性；全部所述传感器中的一些的分辨率；所使用的传感器的数目；炉部件的位置；以及所述炉的尺寸。
24.根据权利要求20至23中任一权利要求所述的方法，还包括滤除被少于一个选定数目的传感器识别的声发射。
25.根据权利要求20至23中任一权利要求所述的方法，还包括滤除与所述炉的正常运行噪声对应的声发射。
26.根据权利要求20至25中任一权利要求所述的方法，其中所述控制器包括用于提供与所述电信号有关的信息的显示设施。
27.根据权利要求20至26中任一权利要求所述的方法，还包括估计声发射事件的源头的位置。
28.根据权利要求20至27中任一权利要求所述的方法，还包括识别一个或多个先兆AE事件。
29.根据权利要求20至27中任一权利要求所述的方法，包括基于炉的运行温度来应用速度波校正，以使得所估计的声发射事件的源头的位置精确。
30.根据权利要求27或29中任一权利要求所述的方法，包括提供对所估计的声发射事件的源头的位置进行识别的输出。
【文档编号】G01N29/14GK103547876SQ201280024578
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年5月22日 优先权日:2011年5月20日
【发明者】P·B·盖布斯基, A·萨德里, 应慧丽 申请人:哈茨有限公司