專利名稱：對出料塊及類似元件進行聲監控的系統和方法
技術領域：
所描述的實施例一般涉及冶金爐的診斷系統和方法。具體地，實施例涉及在出料 塊(tapblock)或類似元件的出料通道的出料和切割(lancing)期間發生的事件的實時聲 監控系統和方法。
背景技術：
大多數冶金爐具有至少一個用于從爐中排出熔化的處理材料的出料塊。從冶金爐 經由出料塊排出熔化的處理材料的過程被稱為出料(tapping)。出料塊通常具有銅殼、冷卻元件、耐火材料和出料通道。銅殼限定熱面和冷面，熱 面是出料塊上位置最靠近爐內熔化處理材料的那一面，冷面和熱面相對。由于爐內包含的 熔化的處理材料極熱，因此出料塊具有一個或更多個冷卻元件來調節內耐火爐襯、出料通 道和銅殼的溫度。冷卻元件通常是鄰近或者圍繞出料塊的管道。冷卻液被泵送通過這些管 道。穿過出料塊的中心并且連接到熱面和冷面處的是出料通道。出料通道被一層或者 更多層耐火爐襯圍繞。出料通道是大致圓形的，熔化的處理材料在出料過程期間流過出料 通道。出料塊的冷卻元件起到從耐火爐襯和出料通道吸取熱量的作用。在沒有進行出料時，出料通道通常由耐熱粘土或者其他合適材料堵上。粘土塞保 留在出料通道中直到需要出料。當需要出料時，必須從出料通道移去粘土塞。為了移去粘 土塞，使用稱為熱切割槍的工具將其破裂成片移去。工作人員(一般稱為出料員)手工操 作切割槍，并且撞擊粘土塞，試圖將粘土塞分離，并且使熔化的處理材料流過出料通道。出 料員一般多次撞擊粘土塞，試圖完全清除出料通道。除了開口和切割，在某些工藝中，鉆孔 也用于打開出料通道。在切割過程期間，出料員可能會無意地撞擊到粘土塞周邊的耐火材料爐襯以及出 料通道中的某些部分。來自切割槍的撞擊可損壞出料塊的耐火爐襯。此外，通過出料通道 的熔化金屬流可逐漸腐蝕出料通道的耐火爐襯，導致出料塊損壞。損壞的出料塊會出現安 全危險，并且在它們需要更換時導致高成本的生產停機。因此，需要一種監控出料過程、鉆孔過程尤其是切割過程并且提供反饋從而使對 出料塊或耐火爐襯的損壞最小的系統。
發明內容
本發明描述若干種監控(或稱監視)出料塊或類似元件的系統。某些實施例包括多個聲發射傳感器，其定位為感測沿至少一個聲波導件傳送的聲 信號，所述聲波導件至少部分地被接收(或稱容納)在所述出料塊的外部結構內。
某些實施例還包括數據處理系統，用于處理來自每個所述聲發射傳感器的輸出， 以確定與所述出料塊的內部結構(具體是耐火爐襯)有關的事件的發生。數據處理系統包 括存儲器并且配置為對所確定的事件和所述出料塊的操作參數進行比較，以根據所確定的 事件和所述操作參數的比較結果產生指示數據。某些實施例還包括響應于數據處理系統的指示裝置，用于基于所述指示數據提供 指示。本發明還提供監控出料塊或類似元件的方法。該方法包括從多個聲發射傳感器 沿至少一個聲波導件接收電信號，所述聲波導件至少部分地被接收在所述出料塊的外部結 構內。所述電信號對應于沿所述至少一個聲波導件傳送并且由所述多個聲發射傳感器感測 的聲信號。所述電信號被處理，以確定與所述出料塊的內部結構(具體是耐火爐襯)有關的 事件的發生。所述事件和所述出料塊的操作參數進行比較。根據所述比較產生指示數據， 并且基于所述指示數據提供指示。
為了更好地理解本文描述的實施例和更清楚顯示如何實施它們，現在將示例性地 參考附圖進行介紹，附圖中圖1是根據本發明一個實施例的用于冶金爐的出料塊的聲監控系統的方框圖；圖2是圖1聲監控系統中使用的監控站的一個實施例的方框圖；圖3是更詳細示出圖2的監控站的存儲器模塊的方框圖；圖4是冶金爐出料塊的透視圖；圖5是示出了出料塊的預定區的相對位置的示意圖；圖6是使用圖1的聲監控系統來監控出料塊的方法的流程圖；圖7是確定聲事件源位置的方法的流程圖；為簡明起見，圖中示出的元件未必是按比例繪出的。例如，為了清楚，某些元件的 尺寸可以相對于其他元件被放大。此外，在已適當考慮之處，可在各圖中使用相同的附圖標 記，以指示相應或類似的元件。
具體實施例方式為了提供在此描述的實施例的全面理解，故在此通過舉例闡述實施例的特定細 節。此外，不應將這些描述視為對此處所述實施例范圍的任何方式的限制，而應視為僅僅描 述此處所述各種實施例可能的實施方式。所述實施例一般涉及冶金爐冷卻元件例如出料塊的診斷系統和方法。具體地，這 些實施例涉及出料塊和類似管道的開口、鉆孔、切縫的實時聲監控。在附圖和說明書中，相同的附圖標記用于表示附圖和描述的實施例之間的相同元 件、功能或者特征，現在參考圖1，所示的實時聲監控系統100用于監控與冶金爐110關聯使用的出料 塊120。冶金爐110可以是任何已知類型的包括出料塊120的熔爐。這種冶金爐110的例 子包括感應電爐、電弧爐、閃速爐、鼓風爐、化學氯化器或者任何熱冶金金屬熔煉爐。出料塊120可以是本領域技術人員已知的任何結構。出于說明的目的，應該理解出料塊120是一種總體性設計，其包括銅殼、冷卻回路、出料口和耐火爐襯。出料塊120在 下面關于圖4的討論中將被更加詳細地描述。在聲監控系統100中，出料塊包括聲波導件130。用在這一上下文中的術語“聲波 導件”表示一種物理結構(或稱實物結構)，其能夠在該結構內傳播波。具體地，聲波導件 130是能夠在該結構內或者沿著該結構傳播聲波或者超聲波的物理結構。換句話說，聲波導 件130是將聲傳播從源位置引導到期望位置的裝置。聲波導件130也能夠被描述為是聲波 或者超聲波傳送線路。任何接觸聲波導件130的聲信號都會沿聲波導件130的整個長度傳 播。聲波導件130所攜帶的聲波或者超聲波的性態取決于波導的彈性波速度。彈性波 速度被認為是聲波導件130的恒定材料特性。確定給定聲波導件130的材料的彈性波速度 的方法對于本領域技術人員而言是公知的。例如，一種確定給定材料的彈性波速度的方法 是在介質(例如冷卻回路)上放置兩個隔開已知距離的傳感器，并且通過它們傳送彈性波。 第一個波到達每個傳感器之間的時間延遲被用于測量介質(或者在本例中是冷卻回路)的 應力波速度。在聲監控系統100中，聲波導件130可以由具有期望機械特性(熔化溫度、抗蝕性 等等)的任何材料制成。聲波導件130可以是安裝在出料塊120內專門用作聲波導件130 的分離部件，或者聲波導件130的功能可以通過穿過出料塊120的殼的已有出料塊120部 件(例如冷卻回路)來實現。在聲監控系統100的這一實施例中，聲波導件130的目的是 從出料塊120的內部傳送聲信號到聲發射傳感器140能夠接收聲信號的外部位置。聲監控 系統100可包括一個或多個聲波導件130，這取決于所用出料塊120的結構和所需的聲測 量。在某些實施例中，冷卻回路可用作波導介質。在這種實施例中，聲發射(AE)傳感 器被附連到每個冷卻回路的入口和出口。冷卻回路沿出料通道和內耐火爐襯延伸。為了確 定耐火爐襯的波速度，可考慮溫度對耐火材料應力波速度的影響。隨著耐火材料被侵蝕掉， 與耐火材料侵蝕有關的聲信號的物理源將變得接近波導管，因此增加了信號的振幅。源和 接收者之間的時間延遲隨著耐火材料被侵蝕掉而減少，并且源和波導之間的距離減少。應 力波能量源是熔化的金屬穿過出料通道以及耐火材料侵蝕的運動，耐火材料侵蝕是由熔化 的金屬的熱學影響或機械影響導致的。隨著熔化的金屬從內爐室運動到外部出料槽而產生 聲音(以及超聲)。聲監控系統100可被配置為檢測來自各種源的聲發射。在出料塊120中，聲發射 的預期源可包括切縫、出料和加蓋(出料通道的重新密封)活動，熱的金屬穿過(膨脹)時 和耐火爐襯相關的噪聲，出料口被加蓋和耐火材料冷卻(收縮)時和耐火爐襯相關的噪聲， 和出料粘土和周圍耐火爐襯的鉆孔相關以及耐火爐襯磨損、銅損耗、熔化的金屬流、冷卻回 路中的水流和出料塊的損壞部分附近的冷卻回路中的水沸騰有關的噪聲。在聲監控系統100的某些實施例中，聲發射傳感器140可附連到聲波導件130。聲 發射傳感器140作為變換器將聲波導件130攜帶的聲信號轉變成可被監控站140處理的 相應電信號。例如，在出料塊120內產生的聲信號可通過壓力波或者振動傳送到聲波導件 130，以傳送到出料塊120的外部。附連到聲波導件130的聲發射傳感器140可將聲波導件 130的振動變換為相應的電脈沖，然后傳送到監控站150。
聲發射傳感器140可以是任何已知類型的能夠將聲能量或者振動能量轉換為相 應電信號的變換器。這種變換器的一個例子是加速計。在聲監控系統100中使用的加速計 可以是本領域技術人員已知的任何合適的類型。例如，加速計可以是壓電傳感器、光傳感器 (基于電容彈簧質量塊的)、機電伺服裝置(基于應變儀或者基于磁感應的)。要理解的是， 習知本技術的使用者能夠針對給定出料塊120和冶金爐110周圍的特定狀態選擇適當的加 速計。聲監控系統100可包括多個聲發射傳感器140，這些聲發射傳感器140附連到沿著容 裝于出料塊120內每個聲波導件130的獨立位置。聲發射傳感器140產生的電信號由監控站150接收進行處理。信號從聲發射傳 感器140到監控站150的傳送可使用SMA-BNC電纜將聲發射傳感器140連接到前置放 大器(未示出)來完成。同軸電纜然后可用于將前置放大器連接到數據獲取模塊，例如 micr0DiSP(未示出)，或者連接到模數轉換器220 (如圖2中所示)。信號的傳送可以使用 任何其他合適的電纜或者能夠在冶金爐周圍環境中工作的傳送裝置來完成。傳送電纜和前 置放大器可被隔熱，從而保護它們不受爐熱的損壞。還可期望的是使用包括內部信號放大 器的聲發射傳感器140，從而減少或者消除對單獨前置放大器的需求。減少前置放大器的數 量必然使暴露于爐熱的可能易損壞的部件數量減至最少。聲信號的獲取和處理可用本領域技術人員已知的各種方法或者在市面上可購買 到的系統來執行。這種聲信號獲取和處理系統示例由美國新澤西州的Physical Acoustics Corporation和德國的Vallen-Systeme GmbH生產。在聲監控系統100的某些實施例中， 監控站150可以是個人計算機(PC)、基于處理系統或者任何其他類似或可比較系統的服務
ο聲發射監控技術的例子包括測量聲波導件130中的聲活動和強度。聲監控系統 100背后的原理是在每個聲信號后存在物理源，并且該源釋放的轉換為高頻振動的部分能 量被檢測為聲發射。也可以使用模式識別技術比較聲信號，從而將聲信號分類為源自給定 源。例如，當聲監控系統100被配置為監控耐火爐襯的狀態時，它可檢測和穿過出料 通道的熔化金屬流相關的信號。這些信號在熔化金屬和耐火爐襯之間的界面上產生，并且 信號傳播由熔化金屬的運動以及耐火材料的結果熱膨脹或者內耐火爐襯的磨損和損耗引 起。為了使聲發射由聲監控系統100檢測，聲發射必須傳播穿過出料塊的耐火爐襯和銅殼， 直到它們到達聲波導件130 (例如Monel冷卻管)。當聲發射傳播穿過出料塊120的耐火爐襯和銅殼時，它可能經歷顯著的信號衰 減。衰減的程度和聲發射在接觸聲波導件130之前穿過的耐火材料和銅殼材料的厚度相 關。通常，耐火爐襯或銅殼越薄，聲發射的衰減越小。因此，如果給定的聲發射變得更強，那 么可能指示聲發射穿過的耐火材料和銅材料的量減少。耐火材料或銅材料的量減少可能表 示出料通道的磨損或損壞。通常，信號衰減是出料塊120部件的材料特性的函數。通過任 何特定出料塊120部件的信號衰減程度是楊氏模量、泊松比和密度的函數。如果需要的話，特定聲信號的源位置可以基于從多個聲發射傳感器140位置接收 的信號的到達時間確定。例如，當使用安裝在聲波導件130的相對端上的兩個聲發射傳感 器140時，特定聲信號的源位置可以基于以下確定i)聲信號在每個聲發射傳感器140的 到達時間差異和ii)聲波導件130的彈性波速度。位置信息可由監控站150輸出或者存儲為獨特的位置，或者替代性地，位置信息可和對應于出料塊120的指定區域的多個預定區 位置比較。因此，監控站150輸出的位置信息可以是沿聲波導件130的距離(即源距聲發 射傳感器140為3米)，并且源信息可以輸出為對應于出料塊120的一部分的區指示(即源 是出料通道的左壁)。后文將參考圖2和3對上述信號處理技術進行更詳細的介紹。監控站150也利用聲信號數據確定聲事件是否已經發生。用于確定聲事件是否已 經發生的標準和閾值可以是系統操作員設置的任何預定條件。例如，聲事件可以是不連續 的短持續時間事件(出料切割槍對耐火爐襯的高沖擊撞擊)，它可以是相對穩定的聲信號 的閾值警告(流過出料口的液體金屬導致的聲發射振幅增加)或者可以是多個聲信號的累 積或者組合(多次低沖擊切割槍撞擊累積可觸發聲事件)。和各個聲信號的位置信息很相 似，給定聲事件的位置可輸出為沿聲波導件130的不連續位置，或者映射到對應的預定區 位置的不連續位置。在執行必要的聲信號獲取和處理之后，監控站150可向指示器160和狀態顯示器 170提供輸出。指示器160提供位于冶金爐110附近的高度(非常)可見的顯示器，以向在爐110 附近工作的職員和操作員提供實時反饋。具體地，指示器160在切割、出料或鉆孔期間向操 作員提供視覺反饋。指示器160可以直接安裝在冶金爐110的壁上，或者它可以安裝在從冶 金爐110和出料塊120可見的單獨位置。指示器160可以配置為向出料員實時顯示反饋。 實時反饋使出料員可以修改指示器160的動作，從而避免對出料塊120和其中的耐火爐襯 的損壞。指示器160可以配置為良好(0K)狀態、警告狀態和停止/危險狀態。這些狀態可 分別由指示器160上的綠色、黃色和紅色燈表示，因而類似于常見的交通燈。指示器160也 可包括若干組指示燈，對應于出料塊120中每個預定義區的狀態。為了清楚，下面略述說明 由聲事件導致的可能指示輸出的例子。考慮其切割槍撞擊出料塊120的出料口 125(圖4)的左壁、引起聲事件的出料員。 如果指示器160包括單組指示燈，那么該指示器可閃爍黃燈，警告出料員已經發生不適當 的撞擊。但是如果指示器為出料塊120的每個預定義區包括一組指示燈，那么該指示器可 閃爍對應于出料口 126的左壁的那組指示燈內的黃燈。第二種方案是優選的，因為它給出 料員提供更精確和有用的信息。看到對應于出料口 126的左壁的黃燈后，出料員能夠將下 一次切割槍撞擊移到右邊，以避免撞擊壁。雖然指示器160被描述為顯示顏色燈的簡單排列，但是可理解的是指示器160可 配置為顯示視覺信息(例如燈光、文本、圖像、照片、動畫等等)和聲頻信息(喇叭、蜂鳴器、 警報器、音樂、預錄制對話、錄制的報警消息等等)的任何組合。除了指示器160之外，來自監控站150的信息也可發送到狀態顯示器170。狀態顯 示器170可顯示指示器160顯示的相同信息，或者它可顯示不同的一組信息。此外，狀態顯 示器170可以在實體位置上和冶金爐110極接近，或者狀態顯示器170可位于遠程位置，例 如控制室或管理人的辦公室。狀態顯示器170可采取和指示器160相同的形式(即狀態顯 示器170也可以是一組有色燈)或它可以是不同的形式。例如，狀態顯示器170可包括計 算機監視器、模擬儀表、數字顯示器、聽覺警告器、電視監控器或任何其他合適的顯示裝置。 雖然顯示聲監控系統100的實施例包括指示器160和狀態顯示器170兩者，但是要理解聲監控系統100可配置為在沒有指示器160和/或狀態顯示器的情況下工作，或者指示器160 和狀態顯示器170的功能可組合成單一元件。監控站150也可連接到網絡180，從而它和用戶站190通信。網絡180可以是開放 網絡或者閉合網絡，并且它可以是有線網絡或無線網絡。連接到網絡的用戶站190可以是 個人計算機或者任何類似設備。一旦連接到網絡180，來自監控站150的輸出信息可從在遠 程位置的用戶站190訪問或存儲在其中。顯示在用戶站190上的信息可以是指示器160和 狀態顯示器170顯示的相同信息或用戶站190可配置為顯示不同的一組信息。除了顯示監 控站150輸出的實時信息外，用戶站190也可配置為訪問任何存儲的信號數據或包含在監 控站150內的聲事件信息。訪問存儲的數據使得在用戶站190工作的操作員能夠比較實時 聲發射數據和以前記錄的聲發射數據。這樣的比較使操作員可以在延長的時間段內趨向聲 發射信息，因此使操作員能夠跟蹤給定出料塊120的聲發射變化，或者跟蹤和評估給定出 料員的表現。圖2示出了一個方框圖，其圖解說明了圖1所示監控站150的實施例。監控站150 的實施例包括主工作站230。主工作站230包括存儲在存儲器260中且在處理器250上執 行的計算機軟件模塊270、280和290。處理器250可以是本領域技術人員已知的任何在市 面上可購買到的處理器。類似地，存儲器260可以是任何類型的在市面上可購買到的易失 性或非易失性計算機存儲器。本領域技術人員理解的是主工作站230可根據需要包括額外 的存儲器、軟件模塊和處理器。處理器250也可和網絡180、指示器160和狀態顯示器170通信。和網絡180通 信使處理器250能夠輸出聲信號和聲事件數據，用于在遠程位置，并入圖1中所示的用戶站 190的存儲和分析。和網絡180的通信也允許處理器250可被遠程訪問和控制，使得也可以 從遠程位置影響處理器230和主工作站230的配置變化。處理器250和指示器160及狀態 顯示器170之間的通信允許聲信號和聲事件信息從主工作站230輸出并且顯示給出料員和 系統操作員。主工作站230也包括和處理器250通信的模數轉換器和顯示器240。模數(A/D) 轉換器250被配置為接收聲發射傳感器140 (參見圖1)產生的模擬聲發射信號210并且將 它們轉換成傳遞到處理器250的相應數字信號。模數轉換器250可以是本領域技術人員已 知的任何在市面上可購買到的模數轉換器。同樣，模數轉換器250可以是單通道的，用于處 理來自單個聲發射傳感器140的聲發射信號210，或者模數轉換器250可以是多通道的，用 于處理來自多個聲發射傳感器140的聲發射信號210。要理解的是，如果模數轉換器250是 單通道的，那么可在主工作站230中包括多個模數轉換器250，以便每個安裝在出料塊120 上的聲發射傳感器140有一個模數轉換器250。在圖2中，所示的模數轉換器250容裝于主 工作站230內，但是，要理解的是，模數轉換器250可以是聲發射傳感器140整體的一部分 (或稱集成到聲發射傳感器140中)，或者它可以是位置上遠離主工作站230但與主工作站 230可通信地連接的自包含裝置。顯示器240可以是任何類型的在市面上可購買到的數據顯示裝置，但是出于解釋 性目的，它可理解為計算機監視器。顯示器240可以以和上述指示器160及狀態顯示器170 類似的方式向操作員顯示系統信息。此外，顯示器240可以和適當的計算機輸入裝置(例 如鍵盤或鼠標，未示出)結合使用，以允許操作員直接配置和修改主工作站230，而無需如上文所述的那樣必須通過網絡180來連接。監控站150可僅包括如上所述的主工作站230，例如，如果監控站150的功能可使 用單個主工作站230PC實現。但是，要理解的是，監控站150也可包括配置為和主工作站 230通信的額外PC、服務器、處理器、顯示器和存儲器模塊。如圖2和3所示，主工作站230的存儲器260包括多個軟件模塊270、280和290， 用于處理從聲發射傳感器140接收的聲發射信號210。這種軟件模塊包括聲發射斷層攝影 模塊270，聲發射數據獲取和評估系統280和模式識別模塊290。雖然未示出，但是存儲器 260可包括額外的軟件模塊，例如用于聲發射和聲事件數據的存儲和檢索的數據庫模塊。聲發射斷層攝影模塊270負責生成出料通道、耐火爐襯、冷卻回路410、420和出料 塊120的其他元件的二維(2D)或三維(3D)圖像。在出料塊120的工作期間，聲監控系統 100可監控聲發射，這些聲發射對應于耐火材料磨損、銅殼損壞、熔化的金屬流、冷卻回路 410,420中的水流和出料塊120的損壞部分附近的冷卻回路內的水沸騰。使用聲發射傳感 器140收集的數據和源位置模塊320 (在下面詳細描述)產生的數據，聲發射斷層攝影模塊 270生成圖示說明出料塊120的條件的2D或3D圖像。例如，監視耐火材料磨損聲發射時， 聲發射斷層攝影模塊270可生成對應于耐火爐襯的表面輪廓/幾何形狀的3D圖像。聲發 射斷層攝影模塊270生成的圖像可示出耐火爐襯的表面上的標記后凹陷或其他磨損模式。不是顯示出料通道的完整3D圖像，聲發射斷層攝影模塊270可配置為顯示一系列 2D截面圖像，顯示在沿出料通道的長度的多個預定截面位置的相對耐火材料厚度。也可以 為多個出料塊120部件生成類似的圖像，例如冷卻回路410、420或銅殼。模式識別模塊290負責處理和分類從聲發射傳感器140接收的聲發射信號210。 使用模式識別模塊290，在出料過程中產生的聲信號可被識別和分類。一種可能的分類方法 是基于發射的物理源分離聲發射。例如，在出料過程中產生的所有聲發射可分類成4組。第一組聲發射由流過出料口和出料通道的液體金屬引起。這個類型的聲發射可被 監控，以跟蹤和評估耐火爐襯材料的條件。第二組聲發射由在切割過程中撞擊出料塊120 或出料通道的耐火爐襯的切割槍的機械沖擊引起。跟蹤切割撞擊聲發射可用于評估出料過 程和跟蹤各個出料員的表現。第三組聲發射在閉合出料口的過程期間產生，而第四組聲發 射在出料塊冷卻時產生。所有4組聲發射的跟蹤和趨勢可提供對于過程監控和改進有用的 數據。聲發射分類數據可從模式識別模塊290輸出到聲發射數據獲取和評估模塊280，用于 進一步處理。模式識別模塊290可基于各種信號特性將聲發射分類。例如，一個或多個以下信 號特性可用于分類信號峰值振幅、能量、持續時間，上升時間、平均頻率和上升時間與持續 時間比。其他因素，例如在出料過程的特定部分期間聲發射的發生時間，聲發射的源位置 (當前正在發生哪部分出料過程)、發射源位置(如下所述，從源位置模塊320獲取的，系統 操作員選擇的任何其他聲發射特征可用于分類聲發射。在某些實施例中，開發神經網絡用 于模式識別并且最終產生出料通道的圖像重構。雖然已經關于用模式識別模塊290分析發 射描述了聲發射分類，但是要理解等同或可比較的處理可由信號處理模塊330或替代的軟 件模塊實時完成。然后聲發射數據獲取和評估系統模塊280可以處理已分類的聲發射。聲發射數據獲取和評估系統模塊280負責接收和處理聲信號信息以及檢測聲事 件的存在和確定聲事件的源位置。聲發射數據獲取和評估系統模塊280處理的聲發射數據可直接來自模數轉換器、聲發射斷層攝影模塊270或模式識別模塊290。如圖3所示，聲發 射數據獲取和評估系統模塊280包括檢測模塊310、源位置模塊320和信號處理模塊330。檢測模塊310負責確定是否已經發生聲事件。檢測模塊310可直接從模數轉換器 220 (經由處理器250)、模式識別模塊290接收聲發射信號，或者它可從信號處理模塊330 接收已處理的聲發射信號。經過信號處理模塊330的信號可被濾波、放大或者根據需要修 改。檢測模塊310也可從如上所述的模式識別模塊290接收數據。一接收聲發射信號，檢 測模塊410就比較聲發射信號的特征和一組預定閾值或其他警報條件。如果聲發射信號超 過關聯的閾值或警報條件，檢測模塊310可登記聲事件。可用多個閾值或警報條件配置檢 測模塊310，包括和特定聲發射信號關聯的多個預定閾值。例如，檢測模塊310可具有“警告”和“警報”發射幅度閾值，這些閾值和對應于在 出料塊120內的耐火材料上流動的液體金屬的聲發射信號相關。如果聲發射信號的幅度達 到“警告”閾值，檢測模塊310就可登記聲事件并輸出聲事件數據到處理器250，其中數據被 路由到指示器160上的黃燈。如果聲發射的幅度增加，以至于它超過“警報”閾值，檢測模 塊310就可登記并輸出另一聲事件到處理器250，因此激活指示器160上的紅燈。此外，檢測模塊310可配置為具有和耐火材料上的切割或出料沖擊或鉆孔生成的 聲發射關聯的閾值。和切割或出料沖擊或鉆孔相關的閾值可包括發射幅度閾值(如上關于 金屬流發射描述的)以及發生閾值。如果分類為和切割、出料或鉆孔活動(通過模式識別 模塊290或信號處理模塊330)相關的聲發射超過預定閾值，那么切割、出料撞擊或鉆孔幅 度閾值可導致聲事件。發生閾值可導致檢測模塊310登記聲事件，如果預定事件發生指定 的次數的話。例如，檢測模塊310可跟蹤切割、出料撞擊或鉆孔聲發射并將聲發射和幅度閾值 與發生閾值兩者比較。如果切割或出料撞擊偏離到不期望方向，它的聲發射將指示偏離，并 且“警告”或“警報”幅度閾值和聲事件可由檢測模塊310登記。如果切割、出料撞擊或鉆孔聲發射不超過幅度閾值，檢測模塊310就可不登記聲 事件，但是它記錄每個聲發射。使用發生閾值，如果檢測模塊310在出料時間期間記錄5個 或更多的切割、出料撞擊或鉆孔聲發射(不管它們是否超過幅度閾值)，那么它可登記“警 告”聲事件。檢測模塊310可登記“警告”聲事件，即使它在出料時間期間記錄8個或更多 的切割、出料撞擊或鉆孔(不管聲發射是否超過幅度閾值)。包含在檢測模塊310內的發生 閾值也可合并來自源位置模塊320的信息，使得出料塊120內的每個區可具有獨立的發生 閾值。即使沒有單個切割、出料撞擊或鉆孔聲發射的幅度足以登記基于幅度閾值的“警告” 事件，出料塊120的耐火材料可被在同一位置的多次低沖擊撞擊燃燒損壞。通過使用發生 閾值，檢測模塊310可有利地說明多次檢測模塊310的切割、出料撞擊或鉆孔的累積效應。 在其他實施例中，存在任意數量的代替“警告”和“警報”級別或者除“警告”和“警報”級別 之外的警報，并且每種類型警報的閾值可變化。用于幅度閾值和發生閾值兩者的值可基于各種準則確定，包括出料塊120的壽 命，指定區中耐火材料的條件、指定出料塊的歷史性能、歷史聲發射級別、特定的耐火材料 成分、出料塊的溫度、環境噪聲條件、使用的聲發射傳感器140的類型或其他因素。在設置 閾值時，可考慮耐火材料的各種特征。隨著耐火材料的厚度減少，聲發射的信號振幅增加 并且信號衰減時間增加。耐火爐襯的這些特征可用于設置的幅度閾值和發生閾值。隨著耐火爐襯老化，聲事件的數量可改變。例如，隨著耐火爐襯老化，可在其中發生裂縫，并且各種 聲發射可由爐襯和殼或出料塊的連接或從殼或出料塊分離爐襯時的裂縫產生。在某些情況 下，源自有裂縫的耐火爐襯的聲發射具有增加的振幅。聲發射可使用模式識別或神經網絡 識另U。所有聲事件數據可從檢測模塊32輸出到處理器250，用于處理和路由到網絡180、指 示器160和狀態顯示器170。對于某種類型的聲事件，可能期望識別聲事件的源位置。例如，如果聲事件是切割 燒灼的結果，那么可能期望識別出料塊120的哪一部分被燃燒用于監控和檢查目的。類似 地，如果聲事件是金屬流聲發射幅度的增加，那么可能期望定位在出料通道內的哪個位置 金屬流發射最高。源位置模塊320負責識別特定聲發射的源。為了清楚說明，參考圖4，其示出包括主冷卻回路410、從冷卻回路420和熱電偶套 管(thermal wells) 430的出料塊120。冷卻回路410、420和熱電偶套管430分別具有入口 412，422，432和出口 414，424，434。冷卻回路410、420可包括多個合適部件，包括管道、小 管、管、閥門和泵。主冷卻回路410的一個例子是運送水的冷卻管道，其配置為彎曲/扭曲 通過出料塊120。冷卻回路可以鑲鑄或鉆入到出料塊120。在出料塊120內冷卻回路的特 定路徑可基于出料塊120的特定操作條件確定。冷卻回路410、420和熱電偶套管430可用 具有期望物理特征的任何材料制造，并且可以是不同于出料塊120的材料。運送通過冷卻 回路410、420的冷卻介質可以是水或任何其他合適的自然冷卻液或合成冷卻液。出料塊120也包括熱面122 (被限定為位置最接近冶金爐110內部的出料塊120 的面)、冷面124 (位置和熱面122相對的出料塊120的面)和出料通道126，熔化的金屬在 出料過程期間流過出料通道126。出料通道126的內表面襯有耐火材料。為了確定特定聲發射的源位置，源位置模塊320接收來自至少兩個聲發射傳感器 140的聲發射信號，所述聲發射傳感器140安裝在出料塊120內接收的波導管130上。如上 所述，波導管130可以是在出料塊120內接收的額外元件或圖中所示出料塊120的已有結 構元件例如冷卻回路410、420，或熱電偶套管430可充當波導管130。為了描述源位置模塊 320的實施例，假設冷卻回路410擔任波導管130，并且聲發射傳感器140安裝在冷卻回路 410的入口 410和出口 414。聲發射的源位置由源位置模塊320基于波導管130的彈性波速度、聲發射傳感器 140的位置和聲發射在每個聲發射傳感器140的到達時間差確定。在聲發射已經被波導管 130獲得之后，聲發射沿波導管130的長度行進，在此處它被位于波導管130的大致相對端 的聲發射傳感器140檢測。通過比較聲發射在每個聲發射傳感器140位置的相對到達時間， 可對源位置插值。在聲監控系統100的示例實施例中，聲發射可由高沖擊出料撞擊、熱切割裝置或 鉆孔導致。切割的能量從燃燒傳導，出料的能量通過沖擊點傳導，并且鉆孔是通過穿入和鉆 進固體，穿過出料塊120的耐火材料和銅殼，直到它接觸主冷卻回路410。在聲信號到達主 冷卻回路410之后，它沿主冷卻回路410傳導，直到到達安裝在入口 412和出口 414的聲發 射傳感器140。聲發射將沿主冷卻回路410以不變的速度傳導，該速度依賴于主冷卻回路 410材料的彈性波速度。當聲信號到達入口 412處的聲發射傳感器140時，到達時間將被記 錄。類似地，當聲信號到達出口 414處的聲發射傳感器140時，到達時間將被記錄。基于到 達時間差和已知的主冷卻回路410的彈性波速度，可根據下列等式來計算聲發射源位置的相對位置X = L/2-L Δ T/2C其中，X是源位置的相對位置，L是聲發射傳感器140之間的距離，V是聲發射的速度，Δ T是在聲發射傳感器140的聲發射到達時間差，C是測量的校準值，等于L/V。一旦確定源位置沿著主冷卻回路410的相對位置，就可比較相對位置和主冷卻回 路410的已知幾何形狀，從而表示相對于出料塊120和出料通道126的源位置。例如，原始 表示為“離入口 410為4米”的源位置可被映射到在出料塊120的幾何形狀中定義的相應 位置上，并且然后表示為“出料通道126的左壁”或“區3(圖5中示為530) ”，用于指示的 目的。圖5顯示預定的區位置500。如上參考圖1簡要描述的，為了指示和反饋目的，可 能不希望將聲發射的源位置表示為“離主冷卻回路入口 4米”，特別是當主冷卻回路410遵 循回路和彎曲路徑時。對于出料員或系統操作員可能不明顯的是，出料塊的哪部分對應于 沿主冷卻回路410的長度4米的位置。但是，僅僅指示發生碰撞或碰撞在出料通道126的 左側可能不提供充分的細節。使用預定的區位置，聲監控系統100能夠提供充分細節有意 義反饋，用于出料員評估和正在進行的出料塊120條件監控。如圖5中所示，預定的區位置500可包括4個分離的區區1、區2、區3和區4。在 所示區位置500的實施例中，區的編號始于出料塊120的熱面122，每個區離熱面122越遠， 就分配一個更大的數。此外，每個區可包括子部，例如圖5上的左、右和底部指示。在這個 例子中，左、右和底指的是出料通道126的內表面上的位置。每個預定的區位置500可映射 到一組波導管130距離上。例如，計算為離主冷卻回路410入口 412為4米的波導管130 距離對應于“區2，左”的出料塊120位置。使用這種對應值，源位置模塊320能將波導管 130位置數據轉換為出料塊120位置數據，然后出料塊120位置數據可輸出到指示器160。 在轉換和輸出之后，發生在沿波導管130離入口 410為4米的切割沖擊殼導致黃燈在對應 于區2，左的指示器部分中出現。一看到指示器160上的黃燈，出料員可立即適當調整其切 割位置以避免后續沖擊。雖然顯示的每個區具有3個子部，但是區也可配置為具有更多或更少的子部。區 子部也可包括出料通道的頂部。區和區子部的精確編號和設計可以由系統操作員基于出料 塊120設計、聲波導件130的形狀、冷卻回路410和420的布置、聲發射傳感器140的靈敏 性、期望的指示精度水平、監控站資源和其他因素配置。雖然監控站150、主工作站230和其存儲器被描述為包括軟件模塊，但是軟件模塊 的一些或全部功能可在硬件中執行。圖6是說明方法600的流程圖，方法600使用如圖1到5所描述的聲監控系統100， 通過檢測聲事件和基于該事件的發生提供指示來監控出料塊120。方法600始于檢測聲信號的步驟601。聲信號可以是上述的任何聲發射。在聲監 控系統100中，聲信號是沿波導管130傳播的聲發射，并且聲信號使用聲發射傳感器140檢 測。如果檢測到聲信號，那么在步驟602存儲聲信號信息，用于趨勢和分析目的。在步驟602中存儲聲信號時，也可在步驟603處理聲信號。在步驟603中，聲信號被處理以確定聲 事件是否已經發生。在詢問604，如果聲事件還沒有發生，聲監控系統100就只是繼續監控出料塊120， 并且方法600返回步驟601。但是如果在詢問604確定聲事件已經發生，方法600就前進到 步驟605，在此處聲事件數據被存儲用于趨勢和分析目的。根據聲事件的本性，方法600可進入到步驟606，其中聲事件的源位置被確定。如 果在步驟606中確定聲事件的源位置，那么可在步驟607中存儲源位置數據。然而，如果聲 事件的本性使得不想得到特定的源位置，或不能計算特定的源位置，方法600可進入到步 驟608，其中監控站150產生對應于檢測的聲事件的適當指示數據。一旦已經產生指示數據，在步驟609中數據被輸出到指示器160。在步驟609中提 供適當指示后，方法600返回到步驟601，從而繼續監控出料塊120的條件。圖7是說明方法606的流程圖，方法606是確定聲事件的源位置的方法示例。方 法606是執行上述方法600的步驟606的方法實施例。方法606始于步驟701，其中源位置模塊320詢問安裝在聲波導件130上的聲發射 傳感器140，從而確定在每個聲發射傳感器140位置的聲事件檢測時間。一旦為已經每個聲 發射傳感器140確定了檢測時間，方法606可進入到步驟702。在步驟702中，源位置模塊320基于聲發射傳感器140的位置、波導管130的彈性 波速度和來自步驟701的在每個聲發射傳感器140位置的聲事件檢測時間確定聲事件的源 位置。上面參考圖3描述了源位置計算例子。在步驟703中，在步驟702確定的源位置和預定的區位置500比較。步驟703的 比較可以由源位置模塊320、處理器250或聲監控系統100的任何其他合適部件實施。在步驟704中，步驟703的比較的輸出用于確定預定區位置500的哪個區位置包 含聲事件的源位置。在已經確定區位置時，步驟704輸出源位置數據到如圖6所示的方法 600的步驟607和608。雖然上面的描述提供了實施例示例，但是應該理解所述實施例的一些特征/功能 易于修改而不脫離所述實施例的操作精神和原則。因此，上面已經描述的內容意在說明本 發明而不是限制，并且本領域技術人員理解的是可以進行其他改變和修改而不脫離所附權 利要求定義的本發明的范圍。
1權利要求
一種用于監控出料塊的系統，包括多個聲發射傳感器，其定位為感測沿至少一個聲波導件傳送的聲信號，所述聲波導件至少部分地被容納在所述出料塊的外部結構內；數據處理系統，用于處理來自每個所述聲發射傳感器的輸出，以確定與所述出料塊的內部結構有關的事件的發生，所述數據處理系統具有存儲器并且被配置為對所確定的事件和所述出料塊的操作參數進行比較，并且根據所確定的事件和所述操作參數的比較產生指示數據；響應于所述數據處理系統的指示裝置，用于基于所述指示數據提供指示。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述指示包括聲音指示和視覺指示中的至少一種。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述指示裝置被布置成在所述出料塊的附近 提供所述指示。
4.根據權利要求3所述的系統，其中所述指示裝置包括處于所述出料塊附近的至少一 個指示器，以指示在所述內部結構內的所確定事件中一個或多個的相對位置。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述相對位置的指示包括側位置指示、低位置指 示和頂位置指示中的一個。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述相對位置的指示包括區域指示，該區域指示 對應于沿所述出料塊的出料通道的長度的多個區域中的一個區域。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述多個區域包括兩個、三個或四個區域。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的系統，其中所述指示裝置包括至少一個顯示器， 其響應于所述數據處理系統而顯示表示所述指示的圖形化圖像。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述至少一個顯示器被定位成遠離所述出料塊。
10.根據權利要求8或9所述的系統，其中所述至少一個顯示器響應于所述數據處理系 統而顯示所述內部結構內所確定事件中一個或多個的相對位置。
11.根據權利要求1-10中任一項所述的系統，其中所述指示包括當所確定事件中的一 個或多個被所述數據處理系統確定為超出事件界限時的實時警告指示。
12.根據權利要求1-11中任一項所述的系統，其中所確定的事件包括以下事件中的任 意一個一次撞擊、預定數量的撞擊、在所述內部結構的特定區域內的預定數量的撞擊、在 所述內部結構的指定為敏感區域的區域內的一次撞擊、在所述內部結構的指定為敏感區域 的區域內的預定數量的撞擊、一次刮擦、預定數量的刮擦、在所述內部結構的特定區域內的 預定數量的刮擦、在所述內部結構的指定為敏感區域的區域內的一次刮擦以及在所述內部 結構的指定為敏感區域的區域內的預定數量的刮擦。
13.根據權利要求1-12中任一個所述的系統，其中所述至少一個聲波導件包括冷卻管 道和熱電偶套管中的至少一個。
14.根據權利要求1-13中任一個所述的系統，其中所述多個聲發射傳感器包括多個加 速計。
15.一種用于監控出料塊的方法，包括從多個聲發射傳感器沿至少一個聲波導件接收電信號，所述聲波導件至少部分地被容 納在所述出料塊的外部結構內，所述電信號對應于沿所述至少一個聲波導件傳送并且由所述多個聲發射傳感器感測的聲信號；處理所述電信號，以確定與所述出料塊的內部結構有關事件的發生，比較所確定的事件和所述出料塊的操作參數，根據所述比較產生指示數據；基于所述指示數據提供指示。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述多個聲發射傳感器位于所述至少一個聲波 導件的基本上相對的端部。
17.根據權利要求15或16所述的方法，其中所述至少一個聲波導件包括容納在所述出 料塊內的冷卻回路。
18.根據權利要求15-17中任一項所述的方法，其中事件的發生是通過利用幅度閾值 和發生閾值中的至少一個來確定的。
19.根據權利要求15-18中任一項所述的方法，其中所述指示包括聲音指示和視覺指 示中的至少一種。
20.根據權利要求15所述的方法，其中所述視覺指示包括顯示第一、第二或第三狀態， 這些狀態表示了所述出料塊的相對條件和給定事件重要性中的至少一個。
21.根據權利要求15-20中任一項所述的方法，其中所述指示包括指示所述事件的源 位置的顯示。
22.根據權利要求15所述的方法，其中所述多個聲發射傳感器包括多個加速計。
23.—種監控出料塊的系統，包括多個聲發射傳感器，其定位為感測沿至少一個聲波導件傳送的聲信號，所述聲波導件 至少部分地容納在所述出料塊的外部結構內；數據處理系統，用于處理來自每個所述聲發射傳感器的輸出，以確定與所述出料塊的 內部結構有關的事件的發生，所述數據處理系統具有存儲器，用于配置處理器以便比較所 確定的事件和所述出料塊的操作參數，以及根據所確定的事件與所述操作參數的比較來產 生輸出數據。
24.根據權利要求23所述的系統，其中所述至少一個聲波導件包括熱電偶套管。
25.根據權利要求23所述的系統，其中所述至少一個聲波導件包括主冷卻回路和從冷 卻回路中的至少一個。
26.根據權利要求23所述的系統，其中所述多個聲發射傳感器包括多個加速計。
27.根據權利要求23所述的系統，其中所述存儲器包括聲斷層攝影模塊，其被配置為 基于所述聲發射產生圖像。
28.根據權利要求26和27所述的系統，其中所述存儲器還包括模式識別模塊，其被配 置為識別指定聲發射的源位置。
29.根據權利要求26-28中任一項所述的系統，其中所述存儲器還包括聲發射數據獲 取和評估系統。
30.根據權利要求29所述的系統，其中所述聲發射數據獲取和評估系統還包括檢測模 塊、源位置模塊和信號處理模塊。
31.根據權利要求26-28中任一項所述的系統，其中所述數據處理系統還包括顯示器。
32.根據權利要求26-31中任一項所述的系統，其中所述數據處理系統可通信地連接到網絡，使得所述數據處理系統能夠從至少一個用戶站被訪問和控制。
33.根據權利要求31所述的系統，其中所述至少一個用戶站在地理位置上遠離所述出 料塊。
34.根據權利要求26-33中任一項所述的系統，還包括配置為顯示所述輸出數據的狀態顯不器。
35.根據權利要求26-33中任一項所述的系統，其中所述輸出數據包括由指示器顯示 的指示數據。
全文摘要
描述的實施例涉及冶金爐冷卻元件的聲監控系統和方法。一些冶金爐具有在爐工作期間阻塞的出料塊，出料塊可通過切割、鉆孔、開口或其他手段打開，從而從爐中釋放金屬。通過在打開過程期間監控聲發射，可提供反饋以改進打開過程和避免對出料塊、冷卻元件、出料塊的耐火爐襯、或冶金爐的其他元件的過度損害。
文檔編號F27D3/15GK101932896SQ200880108938
公開日2010年12月29日 申請日期2008年9月29日 優先權日2007年9月28日
發明者A·薩里, B·O·瓦斯蒙, N·W·費爾曼, P·B·格布斯基 申請人:哈茨有限公司