СПОСОБ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЗГАРА ГОРНА И ЛЕЩАДИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ С ПОМОЩЬЮ ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОГО МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЛОКАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК C21B7/24 

Изобретение относится к области физики и металлургической технологии и предназначено для определения остаточной толщины слоя композиционных материалов (в частности горна и лещади доменной печи) с целью продления кампании печи во времени и предотвращения аварийных ситуаций в процессе эксплуатации.

Известен способ контроля толщины сохранившихся углеродистых блоков в доменной печи с помощью упругих ударных волн, предложенный фирмой Nippon Steel Corp. /1/. Согласно данному методу по времени распространения отраженной волны и скорости ее распространения определяется расстояние до конца углеродистого блока.

Применение упругих ударных волн осложняется рядом факторов, которые невозможно устранить:
1. Упругие ударные волны распространяются во все стороны, вследствие чего определение направления до точки отражения невозможно, т.к. возвратившиеся сигналы распространялись в перпендикулярном направлении прозвучивания /2...5/.

2. Особенности работы печи позволяют утверждать, что в ходе ее эксплуатации возникает множество акустических шумов с частотой всего звукового диапазона. Как следствие - неисправимое влияние этих шумов на результаты измерений /5...7/.

Известен ультразвуковой метод сканирования для неразрушающего контроля композиционных материалов /8/. При этом исследовались изменения в структуре материалов в результате ультразвуковых воздействий. Следовательно, подобрав соответствующие параметры ультразвуковых колебаний, можно исследовать массивные композиционные тела (горн и лещадь доменной печи).

Известен ультразвуковой способ контроля износа футеровки шахты доменной печи /9/. Васильевым П.П., Левченко В.Е., Алапаевым Н.Е., Шульгой А.В. разработана методика ультразвукового контроля футеровки шахты доменной печи. Методика предполагает использование встроенных в футеровку волноводов, что и обуславливает ряд недостатков:
-использование волноводов не отражает полной картины состояния футеровки;
-с помощью предложенного метода невозможно определить наличие настыли, гарнисажа;
-диагностирование износа футеровки привязано к месту закладки волновода;
-с помощью данного метода невозможно определить топографию кладки горна и лещади доменной печи и тем более динамику изменения топографии вследствие оседания тугоплавких элементов.

Ближайшим аналогом к изобретению является способ измерения износа футеровки стен доменной печи по JP 61-127804, кл. С 21 В 7/24, 16.06.1986, согласно которому излучают ультразвуковые колебания внутрь доменной печи. Принимают отраженные ультразвуковые колебания и определяют толщину кладки доменной печи по времени распространения ультразвуковых колебаний.

Недостатком ближайшего аналога является невысокая точность, поскольку излучение и прием ультразвуковых колебаний осуществляется только с одного места на кожухе печи.

Технический результат - повышение точности измерения.

Технический результат достигается за счет того, что излучают ультразвуковые колебания внутрь доменной печи, принимают отраженные ультразвуковые колебания, определяют толщину кладки доменной печи по времени распространения ультразвуковых колебаний. При этом осуществляют ультразвуковую локацию с восьми точек, расположенных по периметру горна и лещади доменной печи в горизонтальной плоскости и под несколькими углами к ней. В каждой точке подготавливают место на кожухе доменной печи путем зачистки его от ржавчины, закрепляют упор с пазом на кожухе доменной печи, фиксируют генерирующий ультразвуковые колебания пьезопреобразователь с волноводом в пазе упора под необходимым углом. Перемещают приемный преобразователь в пределах каждого зачищенного места, время распространения ультразвуковых колебаний фиксируют в запоминающем устройстве, по которым в соответствии с математической моделью определяют топографию разгара горна и лещади доменной печи.

Заявляемый способ базируется на математической модели определения рабочего профиля нижнего строения работающей доменной печи с помощью ультразвуковой локации ее конструкции и элементов.

При разработке заявляемого способа определения разгара горна и лещади доменной печи учитывались следующие факторы:
-теплоемкость прозвучиваемых материалов;
-коэффициенты теплопроводности материалов горна и лещади доменной печи;
-скорость распространения ультразвуковых колебаний в различных материалах и средах, присутствующих в доменной печи в процессе ее работы;
-распределение температур в объеме горна и лещади печи;
-определены зоны ввода и направления распределения ультразвуковых колебаний;
-технологические особенности механизма образования разгара горна и лещади доменной печи.

Для прозвучивания горна и лещади доменной печи использовались продольные ультразвуковые колебания, т. к. толщина исследуемой части печи находится в пределах 10-15 метров, глубина распространения поперечных ультразвуковых волн в прозвучиваемом материале небольшая.

При дефектоскопии горна и лещади кладка прозвучивалась по диаметру лещади в горизонтальной плоскости и под углом к ней с частотой ультразвуковых колебаний от 30 до 70 кГц. Выбор частоты ультразвуковых колебаний обусловлен конструкцией горна и лещади доменной печи, материалом футеровочных блоков, их размерами и видом кладки. Поскольку серийный пьезоэлектрический преобразователь (ПШ-0,06-П 3.1) имеет рабочий диапазон частот f=42...78 кГц, а скорость распространения ультразвуковых колебаний в рабочем углеродистом блоке горна и лещади доменной печи и в жидком металле, соответственно верхний и нижний пределы, составляет Vp=2500...4500 м/с, длина волны вычисляется следующим образом:
λ=V_p / f,
где λ - длина волны, м;
V_p - скорость распространения ультразвука, м/с;
F - частота ультразвуковых колебаний, кГц.

Т.е. λ=(2500-4500)/((42-78)•10³)=0,059...0,058 м.

Очевидно, что длина волны много больше размеров зерен углеродистых блоков λ>(10-15)D, где D - средний диаметр зерна углеродистых блоков. В этом диапазоне волны слабо затухают и на результаты мало влияют помехи от структурных составляющих. Зона ввода, направление распространения ультразвуковых колебаний, шаг прозвучивания определены конструктивными особенностями горна и лещади (доступом к зоне прозвучивания), оптимальным количеством точек и направлений прозвучивания. Достаточно и необходимо прозвучивание с шагом 2-3 метра в горизонтальной плоскости по периметру горна и лещади с 2-3 углами (0^o, 20^o, 40^o, 60^o) к горизонту (фиг.1). Прозвучивание аналогично осуществляется на нескольких уровнях (фиг.2). Полученные результаты прозвучивания дают информацию о 70...90% объема горна и лещади, позволяют определить величину разгара, рабочий профиль и состояние кладки с достаточной степенью точности - 4,7% относительная ошибка. Увеличение шага приводит к росту погрешности при определении рабочего профиля и состояния кладки лещади доменной печи.

Прозвучивание проводится зеркально-теневым методом, устанавливая генерирующую головку пьезопреобразователя жестко. Меняется положение приемной головки пьезопреобразователя в радиусе 0,5... 1 метра относительно генерирующей головки.

Для проведения прозвучивания использовался ультразвуковой прибор УК-14П производства НПО "Волна" г. Кишинев с разработанной в дополнение приставкой АБЗИП (автоматизированный блок запоминания информации переносной). Прибор УК-14П показывает время прохождения ультразвукового сигнала через объект в микросекундах. Это позволяет оценивать информацию без дополнительной расшифровки осциллограмм. Полученные значения времен обрабатываются, группируются, пересчитываются с учетом температуры материала по формуле:
lgt_p = a+b•τ-c•τ².
Потенцируя, получаем температуру,

где t_p - температура в точке отражения ультразвуковых колебаний, ^oС;
а, b, с - эмпирические коэффициенты, учитывающие коэффициент теплопроводности, теплоемкость и их изменение от величины разгара;
τ - время прохождения ультразвуковой волны до точки отражения, микросекунд.

Результатом обработки данных при помощи математической модели является топография профиля разгара (фиг.3) и вертикальный разрез горна и лещади доменной печи (фиг. 4). Погрешность данного метода очень мала и подтверждена производственными испытаниями на действующих агрегатах доменного цеха Открытого Акционерного Общества "Магнитогорский Металлургический Комбинат" г. Магнитогорск, Челябинской области. Российская Федерация и составляет 4,7%.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ определения разгара горна и лещади доменной печи с помощью зеркально-теневого метода ультразвуковой локации устраняет недостатки, имеющие место в ближайшем аналоге и аналогичных способах, приведенных в тексте. Соответственно, заявляемый способ может быть применен в металлургической технологии для контроля разгара нижнего строения доменной печи, а следовательно, соответствует условию "промышленной применимости".

Источники информации
1. Разработка неразрушающих средств контроля огнеупорной футеровки / Nippon Steel Corp. // Реферативный журнал. Металлургия. -1992. 4.

2. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш.М. Ультразвуковая обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1984. -276 с.

3. Бергман Л. Н. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд-во Иностр. лит., 1957. -727 с.

4. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1970. -687 с.

5. Матаушек И. Ультразвуковая техника. - М.: Металлургиздат, 1962. -511 с.

6. Neppias E.A. Ultrasonics measurements in liquids. Ultrasonics. -1963. - 3.

7. Иванов В. И. Повышение точности измерений скорости ультразвука в твердых телах импульсно-фазовым методом. - Л.: ЛЭТИ, 1970. -Вып.89. -С.21-24.

8. Preuss Т.Е., Clark G. Применение ультразвукового метода сканирования композитных материалов // Non - Destruch. Fest. -1989. - 3. -С.64-68.

9. Ультразвуковой контроль износа футеровки шахты доменной печи / П.Г. Васильев, В. Е. Левченко, Н.Е. Алпаев, А.В. Шульга. // Металлургическая и горнорудная промышленность. -1992. - 3. -С.3-5.

Изобретение относится к металлургии. Технический результат: повышение точности измерения. Согласно изобретению излучают ультразвуковые колебания внутрь доменной печи, принимают отраженные ультразвуковые колебания, определяют толщину кладки доменной печи по времени распространения ультразвуковых колебаний. Осуществляют ультразвуковую локацию с восьми точек, расположенных по периметру горна и лещади доменной печи в горизонтальной плоскости и под несколькими углами к ней. При этом в каждой точке подготавливают место на кожухе доменной печи путем зачистки его от ржавчины, закрепляют упор с пазом на кожухе доменной печи, фиксируют генерирующий ультразвуковые колебания пьезопреобразователь с волноводом в пазе упора под необходимым углом. Перемещают приемный преобразователь в пределах каждого зачищенного места, время распространения ультразвуковых колебаний фиксируют в запоминающем устройстве, по которым в соответствии с математической моделью определяют топографию разгара горна и лещади доменной печи. 4 ил.

Способ определения разгара горна и лещади доменной печи с помощью зеркально теневого метода ультразвуковой локации, включающий излучение ультразвуковых колебаний внутрь доменной печи, прием отраженных ультразвуковых колебаний, определение толщины кладки доменной печи по времени распространения ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что осуществляют ультразвуковую локацию с восьми точек, расположенных по периметру горна и лещади доменной печи в горизонтальной плоскости и под несколькими углами к ней, при этом в каждой точке подготавливают место на кожухе доменной печи путем зачистки его от ржавчины, закрепляют упор с пазом на кожухе доменной печи, фиксируют генерирующий ультразвуковые колебания пьезопреобразователь с волноводом в пазе упора под необходимым углом, перемещают приемный преобразователь в пределах каждого зачищенного места, время распространения ультразвуковых колебаний фиксируют в запоминающем устройстве, по которым в соответствии с математической моделью определяют топографию разгара горна и лещади доменной печи.