一種轉爐爐渣粘度在線監測系統及方法與流程

本發明涉及轉爐爐渣粘度監測技術領域，更具體地說，涉及一種轉爐爐渣粘度在線監測系統及方法。

背景技術：

爐渣在鋼鐵冶煉過程中起著重要的作用，如作為熔煉介質、溫度和熱制度的調整介質、產品的保護介質，液態爐渣粘度它對冶煉過程中的反應速度、熔煉的完全性、有價金屬的損失等有著直接的影響。粘度是熔渣的重要性質之一，它與渣鋼間的傳熱和傳質速率關系密切，冶煉過程熔渣需有適當的粘度方能保證正常操作，獲得優質的鋼液和較好的技術經濟指標。過粘爐渣的熔池不活躍，冶煉不能順利進行，過稀爐渣易于造成噴濺，而且嚴重侵蝕爐襯。粘度過大的初成渣能堵塞爐料間的空隙，使料柱透氣性變壞從而增加煤氣通過時的阻力。這種爐渣也易在爐腹部位的墻上結成爐瘤，會引起爐料下降不順，形成崩料和懸料等生產故障。爐渣粘度過高，容易堵塞排渣口，發生粘結渣溝和渣口凝渣等現象，不易從爐缸中自由流出，使爐缸壁結厚，縮小爐缸容積，造成操作上的困難。

爐渣的脫磷、硫能力與其流動性具有一定的關系。爐渣粘度低，流動性好，有利于加快脫硫反應過程中的擴散速度。通過在線實時監測爐渣粘度，可以更合理的確定造渣料的加入量，調整終渣化學成分達到適當的流動性。因此，對轉爐爐渣粘度的測定和分析，具有重要的經濟價值和科學意義。

目前國內外均采用離線法進行轉爐爐渣粘度的監測，即采取取樣后在實驗室進行加熱還原爐渣然后再進行成分及粘度的測定。這種方法測量時間長不能在線實時測量，測量值不能真實反應爐內爐渣的粘度，且需要中途倒爐取樣,不僅打亂鋼廠的生產節奏還存在一定的事故風險。傳統的實驗室測渣粘度的方法一般是采用旋轉法或振動法。由于轉爐內溫度高(可達1700℃)、冶煉環境復雜(粉塵多)，而且測量方法都需要接觸被測物質，不適合實時在線監測轉爐內渣粘度。目前世界上沒有同類型的轉爐爐渣粘度在線監測系統。

綜上所述，如何有效地對轉爐爐渣粘度進行在線監測的問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種轉爐爐渣粘度在線監測系統及方法，以有效地對轉爐爐渣粘度進行在線監測的問題。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種轉爐爐渣粘度在線監測系統，包括：

控制模塊，用于實時獲取鋼廠的PLC信號并發送啟動信號至聲音采集模塊；獲取溫度監測模塊的鋼水溫度信號，將所述PLC信號和所述鋼水溫度信號發送至數據處理模塊；

所述聲音采集模塊，用于接收所述啟動信號，對轉爐的聲音信號進行采集并發送至音頻分析模塊；

所述音頻分析模塊，用于接收所述聲音信號并進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至所述數據處理模塊；

所述數據處理模塊，用于接收并將所述音頻特征參數信號、所述PLC信號和所述鋼水溫度信號代入預設爐渣粘度監測模型，得到轉爐爐渣粘度。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，還包括：

信號調理模塊，用于接收所述聲音采集模塊發送的所述聲音信號并對其進行放大濾波，并將放大濾波后的聲音信號發送至所述音頻分析模塊。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，所述音頻特征參數信號具體為聲音強度信號和聲音頻率信號。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，所述PLC信號具體為氧槍槍位信號和氧氣流量信號。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，所述預設爐渣粘度監測模型具體為：

$\mathrm{\μ}=\frac{{(A\·T+B)}^{3}I}{2{\mathrm{\π}}^2{f}^2}\·\frac{1}{G-O_1(C\·I)}$

其中，T為根據所述鋼水溫度信號得到的鋼水溫度；G為根據所述氧槍槍位信號獲得的氧槍槍位；O₁為根據氧氣流量信號得到的氧氣流量；f為根據聲音頻率信號得到的聲音頻率，I為根據聲音強度信息得到的聲音強度，I與f相對應；A和B為渣中聲速相關參數，C＝A·T+B；μ為轉爐爐渣粘度。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，還包括：

用于保護所述聲音采集模塊的機械保護裝置，所述機械保護裝置包括用于定向采集冶煉聲音的采音管，用于為所述聲音采集模塊提供穩定的溫度環境的冷卻水箱和用于對所述采音管吹掃的智能吹掃裝置。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，所述聲音采集模塊具體包括至少一個聲音傳感器。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，所述音頻分析模塊還用于：

當所述聲音傳感器為多個時，對所述聲音信號進行取平均值后得到的聲音信號進行分析處理，得到所述音頻特征參數信號并發送至數據處理模塊。

優選地，在上述轉爐爐渣粘度在線監測系統中，所述音頻分析模塊具體為多頻段音頻分析儀。

一種轉爐爐渣粘度在線監測方法，包括：

實時獲取鋼廠的PLC信號并發送啟動信號至聲音采集模塊；獲取溫度監測模塊的鋼水溫度信號，將所述PLC信號和所述鋼水溫度信號發送至數據處理模塊；

接收所述啟動信號，對轉爐的聲音信號進行采集并發送至音頻分析模塊；

接收所述聲音信號并進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至所述數據處理模塊；

接收并將所述音頻特征參數信號、所述PLC信號和所述鋼水溫度信號代入預設爐渣粘度監測模型，得到轉爐爐渣粘度。

本發明提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統及方法，包括控制模塊，用于實時獲取鋼廠的PLC信號并發送啟動信號至聲音采集模塊；獲取溫度監測模塊的鋼水溫度信號，將PLC信號和鋼水溫度信號發送至數據處理模塊；用于接收啟動信號、對轉爐的聲音信號進行采集并發送至音頻分析模塊的聲音采集模塊，音頻分析模塊，用于接收聲音信號并進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至數據處理模塊；數據處理模塊接收并將音頻特征參數信號、PLC信號和鋼水溫度信號代入預設爐渣粘度監測模型，得到轉爐爐渣粘度。

應用本發明提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統及方法，通過聲音采集模塊對轉爐的聲音信號進行采集，音頻分析模塊對聲音信號進行監測分析經過渣層后的聲音特征相關特性，經過相應的爐渣粘度監測模型計算得到爐渣粘度，可以實時監測爐內渣粘度的實時情況，提高化渣狀態監控的穩定性和準確率，實現指導平穩自動化煉鋼，同時降低設備維護工作量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統的結構示意圖；

圖2為本發明另一實施例提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統的結構示意圖。

圖3為本發明另一實施例提供的爐渣粘度曲線。

具體實施方式

本發明實施例公開了一種轉爐爐渣粘度在線監測系統及方法，以有效地對轉爐爐渣粘度進行在線監測的問題。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1，圖1為本發明實施例提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統的結構示意圖。

實施例一

本發明提供的一種轉爐爐渣粘度在線監測系統，請參閱圖1，圖1為本發明實施例提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統的結構示意圖，該系統包括：

控制模塊11，用于實時獲取鋼廠的PLC信號并發送啟動信號至聲音采集模塊12；獲取溫度監測模塊的鋼水溫度信號，將PLC信號和鋼水溫度信號發送至數據處理模塊14；

聲音采集模塊12，用于接收啟動信號，對轉爐的聲音信號進行采集并發送至音頻分析模塊13；

音頻分析模塊13，用于接收聲音信號并進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至數據處理模塊14；

數據處理模塊14，用于接收并將音頻特征參數信號、PLC信號和鋼水溫度信號代入預設爐渣粘度監測模型，得到轉爐爐渣粘度。

優選地，可將控制模塊和數據處理模塊放置在工控機內進行系統運行，在其他實施例中，也可以僅在工控機內放置控制模塊或者僅在工控機內放置數據處理模塊進行設置，均在本發明的保護范圍內。

本發明提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統，包括控制模塊，用于實時獲取鋼廠的PLC信號并發送啟動信號至聲音采集模塊；獲取溫度監測模塊的鋼水溫度信號，將PLC信號和鋼水溫度信號發送至數據處理模塊；用于接收啟動信號、對轉爐的聲音信號進行采集并發送至音頻分析模塊的聲音采集模塊，音頻分析模塊，用于接收聲音信號并進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至數據處理模塊；數據處理模塊接收并將音頻特征參數信號、PLC信號和鋼水溫度信號代入預設爐渣粘度監測模型，得到轉爐爐渣粘度。

應用本發明提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統，通過聲音采集模塊對轉爐的聲音信號進行采集，音頻分析模塊對聲音信號進行監測分析經過渣層后的聲音特征相關特性，經過相應的爐渣粘度監測模型計算得到爐渣粘度，可以實時監測爐內渣粘度的實時情況，提高化渣狀態監控的穩定性和準確率，實現指導平穩自動化煉鋼，同時降低設備維護工作量。本發明還提供了一種轉爐爐渣粘度在線監測方法，具有上述技術效果。

實施例二

基于實施例一的基礎上，本發明還提供了另外一種轉爐爐渣粘度在線監測系統。請參閱圖2-3，圖2為本發明另一實施例提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統的結構示意圖；圖3為本發明另一實施例提供的爐渣粘度曲線。該系統中：

具體的，還包括：

信號調理模塊2，用于接收聲音采集模塊12發送的聲音信號并對其進行放大濾波，并將放大濾波后的聲音信號發送至音頻分析模塊13。

可以理解的是，信號調理模塊2通過對聲音信號進行放大和濾波，使得聲音信號能夠傳輸至較遠處其信號不會減弱，且能夠對其有效波進行過濾，剔除雜音及其他信號的影響，在其他實施例中，也可以不設置信號調理模塊2，但不設置對聲音信號的傳輸存在一定的局限性，具體的可根據實際的系統需要進行選擇。具體的，信號調理模塊2可以為放大器或濾波器，其串聯順序不限定，優選地，可先對聲音信號進行放大后進行濾波，其濾波效果更好，放大器的類型可以為運算放大器，具體的，可自行進行選擇。

進一步地，音頻特征參數信號具體為聲音強度信號和聲音頻率信號。

更進一步地，PLC信號具體為氧槍槍位信號和氧氣流量信號。

具體的，預設爐渣粘度監測模型具體為：

$\mathrm{\μ}=\frac{{(A\·T+B)}^{3}I}{2{\mathrm{\π}}^2{f}^2}\·\frac{1}{G-O_1(C\·I)}$

其中，T為根據所述鋼水溫度信號得到的鋼水溫度；G為根據所述氧槍槍位信號獲得的氧槍槍位；O₁為根據氧氣流量信號得到的氧氣流量；f為根據聲音頻率信號得到的聲音頻率，I為根據聲音強度信息得到的聲音強度，I與f相對應；A和B為渣中聲速相關參數，C＝A·T+B；μ為轉爐爐渣粘度。

可以理解的是，將轉爐冶煉數據和工藝參數引入至轉爐爐渣粘度監測模型，研究音頻特征、化渣狀態與爐渣粘度的關聯性，通過音頻特征參數信號得到聲音強度信號和聲音頻率信號，進而得到聲音強度和聲音頻率，通過PLC信號得到氧槍槍位信號和氧氣流量信號，進而得到氧槍槍位和氧氣流量，代入至預設爐渣粘度監測模型中，實現在線預報轉爐爐渣粘度。

如圖3所示，圖3為本發明另一實施例提供的爐渣粘度曲線。曲線為實時粘度曲線，橫坐標標識該爐次吹煉時間，單位為s。縱坐標表示粘度，單位Pa.s。

進一步地，還包括用于保護聲音采集模塊12的機械保護裝置，機械保護裝置包括用于定向采集冶煉聲音的采音管，用于為聲音采集模塊12提供穩定的溫度環境的冷卻水箱和用于對采音管吹掃的智能吹掃裝置。

機械保護裝置一般設置在高出轉爐爐口10cm的擋火墻側面，聲音采集模塊12一般設置在采音管內部，冷卻水箱用于為聲音采集模塊12提供穩定的穩定環境，提高聲音采集模塊12的使用壽命，同時隔絕現場噪聲干擾，智能吹掃裝置用于在每爐冶煉結束后和濺渣工序時對采音管進行自動吹掃，放置采音管被現場煙塵堵塞，保持監測精度，降低工人的勞動強度。

更進一步地，聲音采集模塊12具體包括至少一個聲音傳感器。

優選地，可根據轉爐容量，動態調整聲音傳感器的數量。如100噸(含100噸以下)轉爐采用1個聲音傳感器，100-150噸轉爐采用2個聲音傳感器，150-200噸轉爐采用3個聲音傳感器，200-300噸轉爐采用4個聲音傳感器，若采用多個聲音傳感器，可取其平均值作為測試均值。在其他實施例中可根據實際的需要自行進行設置，如麥克風等。

具體的，音頻分析模塊13還用于：

當聲音傳感器為多個時，對聲音信號進行取平均值后得到的聲音信號進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至數據處理模塊14。

進一步地，音頻分析模塊13具體為多頻段音頻分析儀。

可以理解的是，音頻分析模塊13對多個聲音傳感器的聲音信號進行取平均值后再進行分析處理，后將得到的音頻特征參數信號發送至數據處理模塊14。多頻段音頻分析儀可以同時監測4-16各特征頻段的音頻信號，全面覆蓋各類轉爐在爐齡和爐襯變化時引起的聲音頻段變化，解決由于爐齡和爐襯變化引起聲音特征頻段變化引起的監測爐渣粘度誤差變大的問題。一般的，采集頻段覆蓋100-2000Hz，采集頻段間隔可調，最小間隔10Hz，最大間隔100Hz。音頻分析儀采用模塊化設計，每四路音頻采集為一個模塊，可快速實現模塊的增減，具體的，I對應4-16路音頻采集分析儀，有4-16路音頻強度輸出，分別為I₁、I₂、I₃…I₁₆。f的選取范圍在100-2000Hz，I與之對應。

本發明提供的轉爐爐渣粘度在線監測系統運行穩定，使用壽命長，維護量小，對生產無干擾，能夠實現自動化煉鋼。

本發明還提供了一種轉爐爐渣粘度在線監測方法，包括：

實時獲取鋼廠的PLC信號并發送啟動信號至聲音采集模塊；獲取溫度監測模塊的鋼水溫度信號，將PLC信號和鋼水溫度信號發送至數據處理模塊；

接收啟動信號，對轉爐的聲音信號進行采集并發送至音頻分析模塊；

接收聲音信號并進行分析處理，得到音頻特征參數信號并發送至數據處理模塊；

接收并將音頻特征參數信號、PLC信號和鋼水溫度信號代入預設爐渣粘度監測模型，得到轉爐爐渣粘度。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。

結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。