本公开涉及用于在冶金容器或炉(例如碱性氧气炉和电弧炉)中将铁转化为钢的方法和系统，并测量其中的液体和固体材料。
背景技术：
在碱性氧气炉(bof)或电弧炉(eaf)中，钢水由铁水和/或废钢制成。现代炼钢需要高品质的熔渣，这是工艺和衬里保护所需的。通常通过在炼钢过程中添加石灰、白云石和回收熔渣来制造熔渣。
在炼钢过程中，铁(fe)特别是铁渣应该可以用在熔渣中，以帮助氧化不需要的元素如硅、钛、磷、锰等，并且应该有足够量的石灰来降低熔渣的酸度。
在这个过程中-由于几个原因-转炉中的熔渣可能开始“发泡”并溢流出转炉炉体。这种效应被称为喷渣，并且具有显著的副作用：
-由于熔渣含有大量的铁，炼钢车间将失去效率；
-生产时间会更长(必须降低吹氧速度以阻止喷渣)；
-环境问题；
-转炉区域的额外清洁，也会导致生产损失。
在本文中，“转炉熔渣的喷渣”是指涉及转炉熔渣溢出的过程，例如，通过浮动和/或飞溅，除非另有说明。偶尔发生的喷渣的副作用可能是在严重的喷渣事件中产生流经钢厂屋顶的红色灰尘的烟雾。
例如，wo2014/009367a1公开了一种用于测量冶金竖炉的坩埚中的液体金属表面液位和熔渣表面液位的方法，包括在坩埚的外壁上的一个或多个点处测量以下变量：借助于固定在坩埚外壁铠装上的多个应变仪传感器测量在所述外壁上的圆周应变；以及借助于固定在坩埚外壁铠装上的一个或多个温度传感器测量所述外壁的温度。
与坩埚中发生的液态金属液位和/或过程(中的变化)相比，坩埚壁中的热效应没有很好的局部化并且可能较慢。
ep0419104a2公开了一种检测模具内存在的熔融金属的液位的方法以及用于执行上述方法的装置，所述方法包括以下步骤：将发射线圈和接收线圈设置为彼此相对，并且将模具插入其间；将ac电压施加到发射线圈以产生交变磁通量，使得至少一部分磁通量穿过模具以及熔融金属(如果有的话)并且到达接收线圈，以及基于由交变磁通量在接收线圈中感应的ac信号的电压值和相位中的至少一个来确定熔融金属的液位。
类似地，ep0115258a1公开了一种用于测量容器底部的金属熔体剩余量的方法和装置；us4,441,541公开了一种用于确定连续铸造模具中的熔体液位的方法和装置。us5,232,043公开了一种用于识别熔体的固液界面的设备。
us4,138,888公开了一种用于电磁地测量包含在容器(尤其是鱼雷罐式货车)中的熔融金属的液位和/或距离的布置。独立的发射器线圈和接收器线圈在容器壁处或在容器壁内彼此相对位移，使得熔融金属在达到预定液位时在线圈之间形成ac磁屏。在熔融金属切断从发射器线圈到接收器线圈的交变磁场之前，接收器线圈感测到的交变磁场由于在上升的熔融金属的表面处感应的电流产生的交变磁场而增加。在接收器线圈中获得的信号的最高振幅随着容器衬里的磨损和腐蚀的进行而增大。
类似地，ep0419104a2公开了一种用于检测熔融金属的液位的方法和装置。
美国专利4,144,756公开了一种用于电磁地测量与容纳在炉子、模具、通道等中的熔融金属有关的液位、距离或流速的系统。使用单独的无芯单圈或很少几圈的发射器和接收器线圈，线圈基本上可相对于炉壁等自由定位。包括至少两个信号通道用于信号处理并且用于在发射器和/或接收器信号之间产生反作用，从而产生基本测量信号，该基本测量信号关于干扰和不平衡信号至少基本平衡，由此，可以准确地检测由于熔融金属的液位、距离或流量的变化而在一个或多个接收器线圈中感应的信号的小变化。
这种系统仅对发射器和接收器线圈位置处的局部变化敏感。
wo2013/039446a1公开了通过一种系统测量冶金容器的空腔中的导电材料的垂直填充液位，所述系统包括用于在连接到交流电源时产生电磁场的发射导体和布置成感测产生输出信号的电磁场的接收导体。发射导体和接收导体缠绕在容器周围。
技术实现要素：
鉴于上述情况，需要改进。
为此，这里提供了一个方法和一个系统。
一个方面包括一种用于在冶金容器中将铁转化为钢的方法，其包括测量冶金容器中的液体和/或固体材料。容器包括沿容器轴线延伸的限定容纳容积的一个或多个壁，其中特别是容器轴线在操作中通常可以是垂直的。该方法包括：
为容器在一个或多个壁中设置至少三个线圈的步骤，每个线圈具有线圈轴线和垂直于线圈轴线的表面区域，每个线圈优选地平行于相应的最近的一个或多个壁延伸；
以及以下步骤中的至少一个：
(a)从其中一个线圈发射ac信号，测量其他两个线圈对ac信号的接收，并确定表示所测量的接收的接收数据，以及
(b)从两个线圈发射一个或多个ac信号和测量由第三线圈分别对一个或多个ac信号的接收并确定表示测量的接收的接收数据，
其中
至少两个线圈相对于容器轴线以不同的角度方位布置和/或相对于容器轴线布置在不同的方位位置，使得相应的线圈轴线以彼此非零的角度被引导到容纳容积中和/或至少部分容纳容积被包围在这些线圈之间，以及
至少两个线圈在相对于容器轴线的不同轴向位置布置在容器壁中；
以及基于接收数据确定容器中的导电材料和/或介电材料的填充液位的步骤。
通过不同线圈的布置和线圈之间ac信号的传输，对通过容纳容积的两个不同的信号路径进行采样。比较不同信号路径的接收数据，特别是具有一个共同端点的两个信号路径，能够精确确定这些路径之间的差异，这可以指示容器中的一个或多个导电材料和/或介电材料和/或其组成，特别是金属和熔渣的液位。垂直路径差异可以预警喷渣事件，这可能是可以预防的。
此外，不同组分，特别是不同组分的熔融金属和熔渣类型可以是例如根据诸如铁液滴或金属铁颗粒含量(甚至部分氧化)的标准辨别的，并且在存在明显的湍流和不均匀的、可能剧烈变化的组分液位的情况下，如在将铁转化为钢时一样。
容器可以设置有更多的线圈，其中如上所述，可以采用三个线圈或更多线圈的任何组合，用于基于接收数据来确定容器中的导电材料的填充液位。
特别是在这种情况下，可以采用不同的ac信号频率来测量和/或识别不同效应、不同线圈(其组合)和/或不同信号路径中的至少一个。两个或更多个不同的频率可以随后传送和/或被同时传送在一个或多个信号路径中。发射的ac信号也可以是频率调制和/或振幅调制，例如用于提供信号的标识数据和/或用于其他原因，例如，啁啾信号可以激发特定谐振频率的容纳容积和其中的任何内容。所发射的ac信号可以是正弦波或具有非正弦波形部分，例如，三角形波形、锯齿波形或方波。该信号可以被施以脉冲一次，或以一个或多个期望的脉冲重复率被重复施以脉冲，或者(准)持续延长的时间段，例如几秒到几分钟甚至几小时。
一个或多个线圈可以符合相应壁部分的形状，例如，通常是扁平的，其表面积比沿其相应的线圈轴线的范围大得多。在具有衬里(特别是耐热耐火材料的衬里)的容器中，线圈可以嵌入衬里中和/或布置在衬里和外部(至少相对于衬里)容器壁之间。
在一个实施例中，两个线圈布置在容纳容积的相对侧上的壁部分中。因此，可以获得容纳容积的平均值。而且，可以避免局部伪影(antefact)，例如由于金属和/或熔渣的不均匀组成和/或温度，或者通过比较相应的信号来检测局部伪影。
两个线圈不必相对于容器的对称轴线或可能的平面彼此完全相对，例如彼此径向完全相对。这防止了永久地或偶尔地位于容器中心的物体(例如用于填充容器的金属流、氧枪、副枪等)不期望地干扰通过该中心的期望的信号路径。
接收数据可以包括接收到的ac信号的信号传输时间数据、频率数据、相位数据和振幅数据中的至少一个，并且可能包括与所传输的ac信号相关联的数据，例如，用于传输ac信号的质量控制和/或接收信号和发射信号之间数据的详细比较。频率、相位和振幅倾向于在诸如ac信号的周期性信号中可以可靠地识别。相移可以指示发射线圈和接收线圈之间(可能与频率有关的)的阻抗。在导电材料(例如，金属)中引起或以其他方式发生的涡电流可能会吸收信号能量，并可能影响信号的相移。频率数据分析可以允许识别不同的信号、检测谐振频率、检测用于对导电物体的移动发信令的多普勒频移，例如指示液位变化等。振幅数据可以指示信号的吸收或反射。将一个或多个测量信号与一个或多个发射信号进行比较可以改进来自接收信号的信息检索。单个线圈可以用于发射和接收，例如，测量信号的反射和/或吸收。
接收数据可以被存储在存储器中，以用于建立时间相关的行为，用于未来的参考、分析和/或训练目的。
所传输的ac信号可以被调节到通过容器中的材料的一个或多个部分的与一个或多个预定信号传输特性相关联的频率。例如，频率可以是具有预定导电特性的导电颗粒的频率，如预定尺寸和/或温度的铁液滴，可以在预定值处或低于预定值、或者高于特定值时是分散的和/或吸收的。例如，该频率可以是导电颗粒可能基本上透明的导电颗粒(可能：弱)或者基本上不透明的频率。可以考虑导电液滴的电屏蔽效应来确定频率。因此，可以选择性地识别容器中的材料的一个或多个部分。
所传输的ac信号可具有远离电网频率和电网频率的谐波的频率。这使得能够减小数据的信噪比，减少信号中的噪声伪影并提高该方法的可靠性。ac信号可以具有90-5000hz范围内的频率，特别是400-4000hz。
在另一个实施例中，ac信号可以具有在50-300hz、50-70hz或240-275hz范围内的频率。
在一个实施例中，容器包括碱性氧气炉转炉容器，并且该方法包括：识别容纳容积中的第一组分的液位和容纳容积中的第二组分的液位，尤其是具有分离区域的组分的液位，例如，其中一个倾向于在另一个上浮动，特别是熔融金属的液位和熔渣的液位。因此，可以获得相关的过程控制参数并且可以控制熔渣质量。此外，可预测喷渣事件，可能预防和/或可分析其行为。
该方法可以包括将容器从初始位置和/或方位，特别是垂直方位，移动，特别是倾斜，到新位置和/或方位，并确定至少新位置和/或方位的液位。还可以在移动和/或倾斜过程中确定液位。这可以有助于防止移动过程中金属和/或熔渣的喷渣。它也可以协助铸造操作。
该方法可以包括在容器中将铁转化为钢。
结合以上，提供了用于执行本文描述的方法的至少一个实施例的系统。
一个方面包括用于在冶金容器中将铁转化为钢的系统，所述容器包括沿容器轴线延伸的限定容纳容积的一个或多个壁，其中尤其是容器轴线可以在操作中通常垂直。容器在一个或多个壁中设置有至少三个线圈，每个线圈具有线圈轴线和垂直于线圈轴线的表面区域，每个线圈优选地平行于相应的一个或多个壁延伸。所述系统包括ac信号发生器，该ac信号发生器与至少一个线圈连接，用于从相应一个或多个线圈发射ac信号，以及ac信号检测器，与至少一个线圈连接，被配置为确定指示接收到的ac信号的接收数据。至少两个线圈相对于容器轴线以不同的角度方位布置和/或相对于容器轴线处于不同的方位位置，使得相应的线圈轴线以彼此非零的角度被引导到容纳容积中和/或容纳容积的至少一部分被包围在这些线圈之间，并且至少两个线圈以相对于容器轴线的不同轴向位置布置在容器壁中。所述系统设置有控制器，该控制器被编程为根据接收数据确定容器中导电材料和/或介电材料的填充液位。所述系统可以被使用和/或配置用于执行本文描述的方法的一个或多个实施例。
两个线圈可以布置在容纳容积的相对侧上的壁部分中，不一定直接相对和/或直径上相对，如其他地方所述。
接收数据可以包括接收到的ac信号的频率数据，相位数据和振幅数据中的至少一个。
ac信号发生器可以被配置为生成具有远离电网频率和电网频率的谐波的频率的ac信号。ac信号可以具有90-5000hz，特别是400-4000hz范围内的频率。在另一个实施例中，ac信号可以具有50-300hz，例如，50-70hz或240-275hz范围内的频率。
所述容器可以包括容纳熔融金属和熔渣的碱性氧气炉转炉容器或电弧炉。
所述容器可以是可移动的，特别是旋转的，用于将容器从初始位置和/或方位移动，特别是倾斜到新的位置和/或方位。
所述系统可以包括用于将氧气吹入容纳容积中的氧枪，其中尤其是氧枪相对于容器可以具有可调整的位置。所述系统可用于确定喷枪相对于金属液位和/或熔渣液位的位置。
所述系统可以包括用于存储测量数据的存储器。所述系统可以包括显示测量数据的显示器。测量数据可以包括接收数据、传输信号数据和/或系统属性数据，例如，对容器温度、容器内容物和/或容器周围的检测数据的影响。
附图说明
下面将参考附图通过示例的方式更详细地描述上述方面，并且参考附图示出许多实施例。
图1示出了用于测量示例性冶金容器(以截面示出)中的液体和/或固体材料的系统；
图2示出了朝向顶部的图1的容器的截面图，如图1用“ii”所示；
图3和4是来自实验设置的信号。
具体实施方式
应该注意的是，附图是示意性的，不一定按比例绘制，并且可以省略理解本发明所不需要的细节。除非另有说明，否则术语“向上”、“向下”、“在...之下”、“在...之上”等涉及如附图所示的实施例。此外，至少基本上相同或至少执行基本上相同的功能的元件由相同的数字表示，其中用字母后缀来帮助个性化。
图1和图2示出了用于测量冶金容器3中的液体和/或固体材料的系统1(的部分)。容器3具有沿容器轴线a延伸的限定容纳容积v的壁5。容器轴线a通常在操作中是垂直的。在下文中，轴线a通常参考圆柱坐标中的轴线。
容器壁5包括外壁7、底壁8和耐热衬里9，这里包括多个层(仅示出了两个层9a、9b)。所示的容器3是碱性氧气炉转炉容器，用于容纳熔融金属和熔渣。虽然未示出，但容器3可移动地安装用于平移和旋转，以便将容器5从初始位置和/或方位运输和/或倾斜到新的位置和/或方位。通过倾斜容器，液体金属和/或熔渣可以从容器3的敞开的顶部0铸造到不同的容器中。
容器3设置有嵌入容器壁5中的多个线圈11，例如，如图1所示，布置在衬里9和外壁7之间或不同的衬里层9a、9b之间。每个线圈11包括一圈或多圈耐热绝缘导电线，从而提供线圈轴线c和垂直于线圈轴线c的线圈(未示出)的表面区域。这里，每个线圈11平行于容纳线圈的相应的一个或多个壁延伸，其中相应的线圈轴线c垂直于容器壁5延伸，并延伸进入容纳容积v中。可以提供更多或更少的线圈。不同的线圈可能在尺寸、形状、圈数、位置和方位中的一个或多个上有所不同。
系统1包括ac信号发生器13，该ac信号发生器13与多个线圈11的发射线圈11t连接，用于将来自发射线圈11t的ac信号发射到容纳容积v。在图1中还提供了可选的放大器15。而且，ac信号发生器13仅与一个发射线圈11t连接，但可以连接另外的线圈11。
系统1包括ac信号检测器17，其具有多个线圈11的一个或多个接收线圈11r，用于接收来自容纳容积v的ac信号并确定指示所接收的ac信号的接收数据。在图1中还提供了可选的放大器19。
线圈11与ac信号发生器13和ac信号检测器17之间的连接可以分别定位在用于倾斜容器3(未示出)的旋转接头中。
还提供控制器21和可选的显示器23，例如，包括示波器。控制器21被编程为基于接收数据来确定容器5的容纳容积v中的导电材料和/或介电材料的填充液位。
如图1所示，在系统1中，两个线圈11r相对于容器轴线a以不同的轴向位置布置在容器壁中，一个布置在另一个的上方。另外的线圈11可以布置在另一不同的轴向位置(参见虚线)。因此，容纳容积的一部分被封闭在线圈11t、11r之间，并且从发射线圈11t发射的信号可以通过容纳容积v沿着不同的信号路径(箭头s)沿直线传递到接收线圈11r。在信号路径s被容器3中的导电液体的液位l2中断的情况下，信号将受到影响并减小。而且，信号的一部分可以在中断的直接信号路径s(未示出)旁边的一个或多个其他线圈11r中被反射和接收。这种反射信号部分可以提供关于容器3的内容物的进一步信息。在容器包括可以相互浮动的不同组分(例如，熔渣和钢)的情况下，不同的液位l1、l2可以形成在容器3中，其中每个组分以可检测的方式不同地影响信号(路径)。
而且，线圈11可以布置在相对于容器轴线a不同的方位位置(图2，虚线)或布置在相对于容器轴线a不同的角度方位(未示出，例如，线圈轴线c指向与图2所示的径向方位不同的方向)。
可以使用各种数量和/或尺寸的圈。具有更多圈的发射线圈可以提供更强的发射信号，具有更多圈的发射线圈可以提供更强的发射信号，类似地适用于接收线圈。合适的线圈可能有10圈以上。一个相关的因素是各个圈彼此之间电绝缘，同样在与炼钢相关的苛刻条件下(例如高温，大的热波动，高机械应力和长时间的操作)也是如此。在这样的条件下，矿物绝缘材料可能会老化和/或快速磨损，例如，由于(再)结晶，这可能导致材料变脆和/或崩解。因此，嵌入壁的衬里材料中的线圈的相邻圈可以用砂浆绝缘。砂浆可用于将线圈嵌入并固定在衬里材料的凹部中，但可使用不同类型的砂浆用于绝缘和固定。另外或替代地，线圈的各圈可以被衬里材料分开并绝缘，例如，定位在衬里材料中的分开的凹部中。在衬里材料中提供或不提供凹部，在维护操作中均可以包括在容器中放置和/或更换线圈。在衬里材料中设置凹部可以包括将衬里元件组装到操作位置(例如固定到另一个壁部)，使得形成凹部的至少一部分。在衬里材料中提供凹部也可以或替代地包括切割已经固定在操作位置的衬里材料的一部分中的凹部的至少一部分。如图1所示，线圈11可以定位在由另一衬里材料层9a封闭的一个衬里材料层9b的凹部中。
典型地，在转炉容器的衬里材料中，特别是与石墨结合的氧化镁，特别是与衬里材料中的石墨相结合，可以改善信号传输。一个或多个线圈可以包括与在线圈(例如嵌入芯的线圈)的径向外侧上的线圈邻近的材料不同的材料的芯。可以通过提供不同组成的衬里材料来形成这种芯，例如，与周围衬里材料相比降低的mgo含量。
确定信号路径的线圈对的尺寸可以为具有在沿着它们各自的轴线看时两个线圈之间的间隔的1/10至1/5范围内的截面尺寸。
已经用20-80圈的矩形线圈和每线圈约1.2m2的表面积成功地进行了实验。图3和图4示出了典型的实验信号，其中在一个图表中正好低于5khz的发射ac信号tx被示为与相关联的接收信号rx重叠(纵坐标：时间，横坐标：电压)，并且线圈在空气中相隔大约3.5米(图3)和大约7米(图4)。在图3-图4中，接收信号rx的比例相对于发射信号tx的比例扩大了60倍。显然，在接收信号rx中，相对于发射信号tx在振幅、相位、噪声和偏移上的变化可以容易地辨别出，其中一个或多个可能与各个线圈之间的物质变化有关。
一些成功使用的示例是20-30圈的线圈，通常为25圈，尺寸范围为80-150厘米，通常为80厘米×150厘米的矩形线圈。线圈可能具有低电阻，并且可以在20-50v范围内的ac电压下操作，典型地为20-30vac峰峰值。
应该指出的是，各个线圈11彼此平行地延伸并彼此面对，例如，它们的线圈轴线c朝向彼此，这对于线圈11的给定分离可以表现出最强的耦合。然而，可以在线圈的方位和位置之间找到平衡，单独地和结合信号强度原因和其他原因，例如机械鲁棒性原因、电噪声相关原因和/或与金属生产的相互作用。电磁屏蔽可以设置在线圈外部的部分线的周围，特别是在容器3的外部以提高信噪比。
本公开不限于可以在权利要求书的范围内以多种方式变化的上述实施例。例如，容器可能具有不同的形状。绝热层可以布置在线圈和容器壁之间。其他系统可能存在。与发射线圈和/或接收线圈的控制和/或数据连接可以通过无线进行通信和/或有线方式进行。可以提供附加的传感器。
控制器编程的各种实施例可以实现为用于与计算机系统一起使用的程序产品，其中程序产品的程序定义实施例的功能(包括本文所述的方法)。在一个实施例中，(一个或多个)程序可以被包含在各种非暂时性计算机可读存储介质上，其中如本文所使用的，表述“暂时性计算机可读存储介质”包括所有计算机可读介质，其中唯一的例外是暂时的传播信号。在另一个实施例中，(一个或多个)程序可以被包含在各种暂时性计算机可读存储介质上。说明性计算机可读存储介质包括但不限于：(i)不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储器设备，诸如可由cd-rom驱动器读取的cd-rom盘、rom芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器)，信息被永久存储在其上；和(ii)存储可变信息的可写存储介质(例如闪存、软盘驱动器内的软盘或硬盘驱动器或任何类型的固态随机存取半导体存储器)。
为特定实施例讨论或与特定实施例有关的元件和方面可适当地与其他实施例的元件和方面组合，除非另有明确说明。