（钢铁冶金专业论文）转炉炼钢音平控渣系统中弯管取声研究.pdf

摘要 氧枪枪位是氧气顶吹转炉炼钢过程的主要控制量之一，在音平控渣技术中对 氧枪控制的主要信息依据是转炉内的吹炼噪音。要正确地调整氧枪枪位以控制造 渣过程，就要求音平控渣系统取声部分所检测到的吹炼噪音信号能真实的反映炉 内的渣况。这对取声部分的稳定性和可靠性提出了很高的要求。目前应用音平控 渣系统的钢厂大多采用直波导管的取声系统，几年来发现它有一定的缺陷。炉内 的高温、火焰辐射和灰尘易损坏传声器，有时传声器的使用寿命很短，且工况不 稳定，影响了整个音平控渣系统的准确性。 作者对于音平控渣系统的声学原理做了简单的研究，对于如何屏蔽噪音、正 确选取合适的滤波频带及氧枪操作与渣况的关系进行了分析 作者对于直波导管取声系统出现的问题，提出了改进办法。即采用弯波导管 采集音平信号。弯波导管二至三段直波导管用管接头连接，可避免直波导管采集 音平信号时所出现的一些问题。但是弯波导管取声也有一些问题要研究。如取声 的效果，滤波频率与弯波导管各段管长的匹配关系等等。为此参考了大量的声学 文献资料，并做了声波在弯波导管内传播的一系列试验，得出了比较实用的结论。 通过实验室试验及工厂使用，弯波导管代替直波导管取声是可行的，只要各段管 长恰当，取声效果能够达到音平控渣技术的要求。为了使弯波导管的取声效果更 好，适应性更强，在弯波导管的第二、第三段直管之间采用平滑圆弧过渡的方式 代替管接头连接，避免了由于管接头圆弧半径太小而引起的声波扰动。通过一系 列的试验，发现取声效果得到了进一步的改善。在采用渐弯管的弯波导管取声时， 第一段管长可不与滤波频率匹配，发现由于采用渐弯管过渡，第二、第三段管与 等长的直管取声效果非常接近，因而对滤波中心频率匹配的敏感性大大降低，在 钢厂实际应用时更加方便可行，取声的效果更好。 关键词：转炉声波音平值波导管滤波频率匹配 a b s t r a c t t h el a n c ep o s i t i o ni so n eo ft h em a i nc o n t r o l l i n gv a r i a b l e so ft h es l a g g i n g p r o c e s s ，a n d i ti sd e t e r m i n e dm a i n l y b y t h ei n f o r m a t i o no ft h eb l o w i n gs o u n dl e v e li t i ss t r o n g l ys t r e s s e dt h a tt h ed e t e c t e db l o w i n gs o u n dl e v e lm u s tb ea c c o r d i n gt ot h er e a l p r o c e s s i nt h ec o n v e g e rf o rc o n t r o l l i n gt h es l a g g i n gp r o c e s s ，a n dt h e nt h el a n c e p o s i t i o nc a n b es e tr e a s o n a b l et h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f t h ed e t e c t i n ge q u i p m e n t i sv e r yi m p o r t a n t t o d a yt h es o u n d l e v e l s l a g f o r m i n gs y s t e mi sb e i n gu s e di nm a n y s t e e lm a n u f a c t o r i e s t h es o u n d l e v e l d e t e c t i n ge q u i p m e n t i s c o m p o s e d o f s t r a i g l l t - t r a n s m i s s i o n p i p e s o m ed e m e r i t sw e r ef o u n di n c l u d i n gh i g ht e m p e r a t u r e i n c o n v e r t e rf l a m er a d i a t i o na n dd u s ta n dt h o s eh a v eg r e a td a m a g et ot h es o u n dl e v e l d e t e c t i n gs y s t e ms o m e t i m e t h el i f eo ft h em i c r o p h o n em a yb er e d u c e dg r e a t l y a tt h e s a m et i m et h es t a b i l i t yo f t h es y s t e mi sd e a t r o y e d , a n da l s ot h ev e r a c i t yo f t h es y s t e m a u t h o rh a sag e n e r a l s t n d yo nt h em e t h o df o rs e p a r a t i n g a n ds h i e l d i n gt h e e n v i r o n m e n t a li n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l yi ns o u n d l e v e ld e t e c t i n gc o n v e r t e rs l a gf o r m i n g b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fa c o u s t i c sa n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo x y g e n l a n c e o p e r a t i o na n d t h es l a gf o r m i n gs t a t e a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e mo ft h es o u n d - l e v e ld e t e c t i n gs y s t e mc o m p o s e do f s t r a i t t r a n s m i s s i o n p i p e ，a u t h o rh a sp r e s e n t e dam e t h o dt oi m p r o v ei t a v o i d i n gt h e d e m e r i t sa b o v e ，t h ed e t e c t i n ge q u i p m e n tc a nb ec o m p o s e do fs i p h o ni n s t e a do f s t r a i t t r a n s m i s s i o n p i p e w i t ht h eb e n dt i e - i n ，t h es i p h o ni sc o m p o s e do f s t r a i tp i p e b u tt h er e l i a b i l i t ya n dt h ef e a s i b i l i t ya r eu n c o n f i r m e di no r d e rt or e s o l v et h ei s s u e ， m a n yp a p e r sa n db o o k so f a c o u s t i c sh a v eb e e ns t u d i e d ，a n dm a n ye x p e r i m e n t sb e e n d o n e i np l a n tp r a c t i c ew ec a l t l et ot h ec o n c l u s i o nt h a ti ti sf e a s i b l eo fu s i n gs i p h o n e q u i p m e n td e t e c t i n gs o u n d l e v e lw h e nt h el e n g t ho ft h ep i p ei sa p t ，t h ee f l b c to ft h e s o u n d l e v e ld e t e c t i n gc a na c h i e v et h er e q u e s to ft h es t e e lp l a n t i no r d e rt oi m p r o v e t h ee f f e c ta n da d a p t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ，t h eb e n d p i p ec a nb eu s e di n s t e a do f t h e s e c o n da n dt h i r ds t r a i t p i p ej o i n e dw i t ht i e - i ni nt h el a t e re x p e r i m e n t sw ef o u n dt h a t t h ee f f e c to ft h es o t m d - l e v e ld e t e c t i n gg o tb e t t e r w h e nt h eb e n d - p i p ew a su s e d ，t h e l e n g t ho f t h ef i r s ts t r a i t - p i p ed o e sn o tn e e dt om a t c ht h ef r e q u e n c y w ef u n dt h a tt h e e f f e c to ft h ed e t e c t i n gs o u n dl e v e lo f s y p h o n w a sc l o s e dt ot h ep i p ew h i c hl e n g t hw a s e q u a l e d a l s ot h em a t c h s e n s i t i v i t yw a sg r e a t l yd e c r e a s e d t h e n i ti sc o n v e n i e n tf o r p l a n t sp r a c t i c e ，a n d w ec a r lg e tab e t t e re f f e c to f t h es o u n d l e v e l d e t e c t i n g k e y w o r d s ：c o n v e r t e ra c o u s t i cs o u n d - l e v e l t r a n s m i s s i o n - p i p e f r e q u e n c y m a t c h 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：距芝参日期亟! 绰。：1 1 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 冶坠鲤导师签名：燃日期 符号一览表 占。一 气泡总体积占泡沫渣体积的百分比， 泡沫渣中气泡的总体积，m 泡沫渣的瞬时体积， 石灰在炉渣中的溶解速度 滤波频率 声波波长， 声波速度 介质密度 声压 声波振幅 圆频率 入射角 反射角 折射角 反射系数 折射系数 声强 无功声强 声能密度 i v m 。 k g l ( m 2 s ) h z i t i m s m m p a 1 1 1 r a 媚 r a d r a d r a d j m 2 j 莳 j 矗 k b 厂 五 c p p a m 谚 只 只 q = r 7 一q e 上海大学硕士学位论文 第一章前言 自1 9 5 2 年，1 9 6 3 年在奥地利的l i n z 和d e n a w i t z 建成了氧气顶吹转炉( l d 法) 以来，由于其具有生产效率高，钢中气体含量低，投资省，钢的质量好等优 点，所以得到了迅速的推广，钢的产量有了大幅度的提升。但8 0 年代后，工业 化国家向高效优质钢材的方向发展，产量有所下降，而发展中国家钢产量则有所 增加，市场预测今后相当一段时间内，钢的需求将维持在7 到8 亿吨左右。生产 工艺主要向自动化，低能耗，高效，优质方向发展。 转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法，即使到2 1 世纪的前期，转炉炼 钢的生产比例仍将保持在6 0 7 0 【1 4 j 。1 9 9 5 年我国钢的生产能力近亿吨，产量 居世界之首工业布局有了很大的改变。在新建扩、建钢铁联合企业的同时，建设 了十几个特殊钢厂。为均衡生产，利用资源，创造了良好条件。产品品种增加， 质量也有所提高。但是我国钢材的生产效率，质量和品种与国外的企业相比还有 一段差距，这也是我国钢铁行业需要努力的地方。l o 年来，音平控渣技术已在 全国3 0 多家炼钢厂应用。提高了转炉炼钢的生产效益。国外钢厂应用音平控渣 技术已经比较普遍，但是在我国，有不少厂在消化、移植该技术时，对于其中关 键的取声、隔声、音频与集音管的匹配问题不甚了解。为了对直管取声的方法加 以改进，本文从音平控渣技术的两大基本支撑点一一转炉造渣过程及其嗓音的发 生，噪声的传搔原理和管道内传播的特点着手，结合实际研究，以期指导生产中 音平控制技术取声方法的改进。 音平控渣技术对转炉造渣过程的监测作用，主要立足于转炉吹炼过程中， 炉内传出的噪声强度，频率与炉内泡沫渣的状态有关，而泡沫渣的状态又与造 渣操作密切相关。操作一一渣况一一噪声构成一链状环节，要抓住最后一个环 节来知道第一个环节必须对它们之间的有机联系充分了解，并采取措施，保证 噪声信号捡取的可靠性和稳定性。 1 1 炉渣的泡沫化 在氧气转炉吹炼过程中，高度弥散的金属小液滴和大量气泡分布在渣液中 上海大学硕士学位论文 使炉渣成为一种乳化液。由于进入渣中的小气泡其总体积往往超过炉渣的容积， 使炉渣呈现泡沫化。在乳化状态时，金属液滴的巨大界面极大地增加了炉渣和 金属反应的接触面积，大大加速了传质过程缩短了精炼时间。 研究表明，c o 气泡产生于渣一金界面，受炉渣成分的影响，如硫和氧化铁 的含量。而气泡的尺寸是炉渣泡沫化的重要特征1 。如图1 - 1 ： 1 f e 0 h i g hs h i g hf e o l o ws 一、g j 1 lj l e t a l ；u b b l es i z e ：l a r g e s m a l l 图卜1 渣金界面炉渣成分和气泡尺寸的关系 在生产中，当低枪位硬吹时，直接氧化的比例上升，渣中( f e 0 ) 积累的速度 比( f e o ) 消耗的速度要慢，因此渣中( f e o ) 呈现降低的趋势。传质形式如下： 。2 + 2 f e 】_ 2 ( f e o ) ( f e 回+ 【c 】= 【f e 】+ c o 此反应直接在钢渣界面上进行，如果( f e 0 ) 持续下降至一定含量，炉渣熔点 上升，液相量降低，就可能出现炉渣返干。 当高枪位软吹时间接氧化比例增大，发生如下反应： 0 2 + 4 ( f e o ) = 2 ( f e 2 q ) ( 忍2 q ) + f e _ 3 ( f e o ) ( f e o ) + 【c 】_ c o + 【屁】 由于渣内f e o 的传质环节增多，导致( f e 0 ) 消耗速度放慢，渣中( f e 0 ) 含量 升高，液渣量增加，表面张力降低，气泡的寿命增加，就有可能导致炉渣的喷 溅【“。 因此必须正确调整枪位，避免炉渣返干与喷溅，使吹炼平稳进行。 一般可用。来衡量炉渣起泡情况f 1 】【2 3 1 。 占s2 k ”乳 上海大学硕士学位论文 。气泡总体积占泡沫渣体积的百分比， v 。一泡沫渣中气泡的总体积，m 3 ”$ 一泡沫渣的瞬时体积，m 3 在5 。众多的影响因素中，f e o 的影响十分广泛、复杂，且起主导作用【2 4 】。f e o 对炉渣发泡性能主要是通过增加液相渣量，降低渣系的表面张力，来延长气泡生 存时间和乳化渣体积总量的。是炉内c o 气体的瞬时流量，在t 相同时它与 操作的稳定性有关。如在泡沫渣渣面接近炉口时，如果氧枪突然下降的幅度较大， 由炉渣中f e o 向金属液传递的附加供氧量也会突然增加许多，使矿的瞬时值猛 增，就可能造成喷溅。可见，要使炉渣既具有良好的发泡性能，使吹炼在淹没状 态下进行，又不致于过分发达，引起喷溅，就必须准确控制炉渣的f e o 含量。 除此之外，炉渣的液相渣量和泡沫化还与加入的石灰情况有关。 1 2 石灰在炉渣中的溶解机理及f e o 对溶解度影响 1 2 1 石灰溶解的相图分析 氧气项吹转炉炼钢冶炼时间短，石灰的熔解速度是造渣过程的核心问题之 一。在吹炼开始时，炉渣基本上都是高f e o 的酸性渣。加入炉内的石灰必须经 过一段滞止期，才开始与液态炉渣反应并逐渐转移到炉渣中去。欲使石灰块快速 熔解于炉渣中，就应尽力避免在石灰块表面生成致密c 2 s 外壳，其主要途径为： 改变c ：s 在渣中的i 溶解度或设法改变c 2 s 壳层的结构和分布，使它易于从石灰块 表面脱落并熔于渣中( c 2 s 即硅酸二钙，化学式为2 c a o s i 0 2 ) 。 石灰成渣过程可简单地用图】一2 表示。假设熔池温度为1 4 0 0 ，吹炼初期液 渣成分为l 点，石灰粉成分可用s 点表示。如果炉渣中f e o s i 0 2 ( 称之为铁硅 化) 不变，根据杠杆规则，当把石灰粉加到液渣中后，随着加入量不同，炉渣总 成分将沿l s 直线由l 点向s 点改变。如果石灰粉的加入量比较少，使得炉渣总 成分位于l m 段，那么，由相图可知，这时所加入的石灰粉，都可以溶于渣中。 如果继续增加石灰粉的加入量，使得总成分进入m o 段，这时石灰粉与初渣反应 上海大学硕士学位论文 结果就会产生固液两相。如总成分位于n 点，则析出固相c2 s ，而液态渣成分 相当于，。点，固、液二相重量之比为。 5 i 0 ， 图l o 石灰在涛中的溶解过程 旦：竺 w 邸1 n n 如果继续增加石灰粉加入量，那么炉渣总成分可能进入( c 2 s ，c 3 s ) 斗l 相区 如p 点。 1 2 2 石灰的溶鳃过程 根据多相反应动力学的概念，石灰在炉渣中的熔解过程至少包括三个环节： 1 ) 液态炉渣经过石灰块外部扩散边界层向反应区扩散，并沿着石灰块的空隙向 石灰块内部渗透； 2 ) 在石灰块外表面和石灰块空隙的表面上液态炉渣与石灰进行化学反应，并形 成新相； 3 ) 反应物离开反应区通过扩散边界层向渣层中扩散。 显然，加强石灰块外部和内部传质，便能加速石灰块的溶解。实践证明，炉 渣成分对石灰溶解速度有很大的影响。对于实际转炉炉渣，石灰的溶解速度与炉 上海大学硕士学位论文 渣成分之间有一定的统计关系，例如： j c a o = k l ( c a o + 1 3 5 m g o - - 1 0 9 s i 0 2 + 2 7 5 f e o + 1 9 1 v l n o - - 3 19 ) 式中j c a o 一一石灰在炉渣中的溶解速度，k ( m 2 s ) c a o ，m 扣- - c a o ，m g o 渣中的浓度， k 1 一比例常数 ( 2 ) 由上式可见，f e o 对石灰的溶解速度有重要影响，它是石灰的基本溶剂。 1 2 3 渣中f e o 对炉渣粘度的影响 炼钢过程中，在不致引起喷溅的条件下，尽量提高渣中f e o 浓度即提高炉 渣氧化性能显著降低炉渣粘度，如图l - 3 所示。因而可加速外部传质。所以提高 渣中f e o 含量是加速石灰溶解的主要措施。在实际生产中，渣中f e o 含量主要 是通过调节喷枪高度进行的，可见供氧操作对成渣速度有重要作用。 w ( f e o ) 一 图1 - 31 6 7 3 k 条件下c a o s i 0 2 - f e o 渣系的粘度曲线 1 3 吹炼成渣过程和枪位的影响 1 3 1 成渣途径 氧气顶吹转炉的炉渣中c a o ，s i o z ，f e o 之和占渣量的8 0 左右。它们对炉 上海大学硕士学位论文 渣的物理化学性质影响最大。所以可用c a o f e 0 一s i 0 2 三元相图近似地研究吹炼 过程中的成渣途径。图l _ 4 为单渣操作法时两种造渣途径的示意图随3 0 l 。 c s i d 图l 一4 两种造渣途径示意图 第一种途径是在整个吹炼过程中炉渣成分沿a b c 途径变化。称之为石灰质 成渣途径。通常采用较低枪位操作。由于脱碳速度大，在吹炼中期渣中f e o 含 量比较低，炉渣成分进入多相区较早，石灰块表面容易生成致密的2 c a o s i 0 2 外壳，炉渣容易返干。 第二种途径是在整个吹炼过程中炉渣成分沿a d c 途径变化，称之为铁质渣 造渣途径。通常采用较高枪位操作。炉渣中的f e o 含量在较长时间内一直保持 较高，所以石灰熔解速度一直比较快，直至吹炼后期渣中f e o 含量才下降。 改善造渣过程的措施很多，如合适的铁水成分，合理的控制炉渣中氧化铁含 量和碳的氧化速度之间的比例关系，提高渣中氧化镁含量达6 8 左右，采用 活性石灰、合成渣等。 1 3 2 枪位对成渣的影响 在整个吹炼过程中，氧枪枪位是一个非常重要的工艺参数，它直接影响吹炼 6 上海大学硕士学位论文 过程中的脱碳，造渣，升温以及喷溅的发生。因此，只有很好的控制氧枪的枪位， 才能使吹炼过程得以平稳的进行。 在吹炼中，枪位对渣中( f e o ) 的含量的影响很大。在淹没吹炼时期采用较 高枪位操作，增大了间接氧化的比例，同时减小了对金属熔池的搅拌动力，【c 】_ 【o 】 反映减弱，渣中( f e o ) 积累；低枪位操作时，直接氧化比例增大，同时增强了 对金属熔池的搅拌动力，【c 】- o 】反应加剧，渣中( f e o ) 减少。由于吹炼各时期 的温度、碱度等炉渣状况不同，枪位对渣中( f e o ) 含量的影响程度也不一样。 见图1 5 p 州： 1 0e 蚕凰f f g 卜一- _ 爿l 3 7 分钟| | ! 兰5 丰二兰兰兰蔓主三! 三二二一l ：堕筮堡盛l l j o l 一 | i 兰篓= ! ! !j lh 毫米i 图l 一55 5 吨转炉各冶炼期枪位h 对f e o 的影响 由图中可看出，在冶炼全过程中，氧枪枪位与渣中( f e o ) 的含量存在很大的相 关性。由前面的分析可知，渣中( f e o ) 对转炉造渣的影响是非常直接和重要的。 渣中( f e o ) 含量高时，炉渣的泡沫性一般都很发达，容易出现喷溅现象，在高 枪位保持时间较长时，会出现此现象；反之渣中( f e o ) 含量低时，炉渣中液相 比例就比较低，容易出现返干现象，保持低枪位时间较长时，会出现这种情况。 在工厂实际生产过程中，就是通过枪位对渣中( f e o ) 含量的影响，来间接地影 响转炉炼钢的造渣过程。当然，通过调节枪位的高度影响转炉炼钢造渣过程，只 是其中的一个很重要的方法。还有通过渣料( 如矿石) 中的f e o 成分影响炉渣 中的f e o 的含量。 1 ，3 3 不同炉况下的氧枪操作 在转炉吹炼过程中炉渣有以下几种状态： 炉渣返干：炉渣熔点过高，渣中( f e o ) 含量偏低，析出大量高熔点的固相物 7 上海大学硕士学位论文 质，氧气流股暴露在炉膛之内，如图a 所示。 化渣良好：泡沫渣渣层较厚，虽接近炉口，但不会溢渣或喷溅，如图b 所示。 喷溅：泡沫渣从炉口溢出或喷出，如图c 所示。 图1 - 6 不同炉况下的转炉吹炼示意图 在生产中，对应于不同的炉况应采取不同的氧枪操作； 1 淹没吹炼状态下的氧枪操作 在淹没吹炼状态下，处于混合供氧状态，即直接供氧氧化金属液滴，间接 供氧氧化炉渣。一般，吹炼中期化渣良好时，约有5 0 的金属成为液滴进入乳化 渣，这样金属液面就要下降约5 0 。经一系列假设、计算，氧气流在泡沫渣中的 射程大约为0 8 米，不能到达金属液面。因此，在淹没吹炼状态下，提高枪位， 氧气流股在渣中的行程增加，间接氧化比例增大，( f e o ) 含量增加，液渣量增 多。当渣中氧化铁积累很高，液相渣量达到一定的程度，就可能引发喷溅。 2 暴露吹炼状态下的氧枪操作 在冶炼的开吹阶段和返于阶段，氧枪一般都是处于暴露吹炼状态下，氧气 流股能直接到达金属液面。在这种情况下，氧气流会与炉气反应，生成 c 0 2 气 体。这样，在接近氧枪喷头处，炉气中 0 2 的成分高，在接近炉渣液面处，炉气 中 c o ： 气体的成分提高。所以，金属的氧化是按以下方式进行的： 2 f e 】+ 0 2 _ 2 ( f e o ) 2 c o ) + 0 2 = 2 c 0 2 【f e + c 0 2 = c f e o ) + c o 气体流股中的一部分氧用来氧化炉渣： 2 ( f e o ) + 1 2 0 2 = 0 7 e 2 0 3 1 形成的f e 2 0 3 随熔池循环而分散到熔池的各个部分，引起二次反应： 上海大学硕士学位论文 2 ( f e 2 0 3 ) + 【f e 】= 3 ( f e o ) ( f e o ) = f f q + 【o 】 o 】+ 【c 卜 c o 敌在顶吹的情况下，枪位越高，通过炉渣氧化的比例就越高，直接氧化的比例 就越低。但在冶炼中期，由于金属液面上涨，氧气流大部分直接接触上涨的金 属液，小幅度提高枪位，并不能缓解严重的炉渣返干。 3吊枪操作状态下的氧枪操作 在严重返干的情况下，吊枪操作是一种常用的方法。吊枪操作指氧枪高度 比正常枪位高出许多。此时，氧气流股到达金属液面时 c 0 2 的成分大大提高， 发生如下反应： c 0 2 + 【f e 】= c o + ( f e 0 9 ( a ) 0 2 + 2 f e = 2 e o ) 由于气体流股中的 c 0 2 的成分很高，使反应以( a ) 为主要形式进行。此反 应为吸热反应，会使局部液面温度降低， f c 】一 0 1 反应受到抑制，反应( f e o ) + 【c 】= c o ) + 【f c 】的速度大大下降。这样，渣中( f e o ) 的含量积累，返干就可得 到缓解。 4 当炉渣接近炉口时的氧枪操作 此状态下，若吹炼稳定，( f e o ) 含量在合适的范围内，一般不会喷溅枪 位可以不动，也可以稍微降枪( 0 1 - 0 2 m ) ：若此时熔池温度偏高，加入氧化铁皮 或矿石，或者氧枪波动幅度较大，都会使( f e o ) 含量瞬时剧增，易造成短促喷 溅：若吹炼前期温度偏低且枪位偏高，渣中氧化铁含量积累，在【c 】【o 】剧化时可 能会造成恶性喷溅。 如前所述，氧枪枪位对炼钢造渣非常重要。现在大多钢厂采用计算机对炼钢 过程进行控制，包括对枪位的自动的控制。对枪位控制的一个主要依据就是吹炼 时炉内传出的噪音，通过对噪音的检测，将信号输入计算机进行分析，再将分析 结果转换成指令，指导氧枪操作，这就是音平控制系统的部分在自动控制中的作 用。上海大学在这方面做了大量的工作，并已取得相当的成果。此外还有其它的 手段可以用来作为控制枪位的依据。这些都是转炉炼钢过程自动控制的重要组成 部分。下面简述转炉炼钢过程自动控制的相关情况。 9 上海大学硕士学位论文 1 4 氧气转炉炼钢过程自动控制的现状 利用音平控渣系统指导转炉炼钢操作，是转炉炼钢过程自动控制过程的一个 部分。在转炉炼钢过程自动控镱8 过程中占有很重要的地位。下面就简述一下有关 转炉炼钢自动控制过程的相关发展现状。了解音平控渣系统阻外的其它的自动控 制方面的情况。 由于电子技术的高速发展、专家系统、神经元网络、现场总线技术、全数字 直流传动装置和变频装置等技术在转炉自动控制系统中的广泛应用，使转炉炼钢 自动化水平不断提高。 近年来，转炉炼钢过程自动化的研究主要集中在一下方面：冶炼过程的信息 检测，转炉炼钢过程的建模与控制，智能技术及先进系统的应用等方面， 1 4 1 检测技术 任何工业生产过程，要进行自动控制，必须掌握与生产过程密切相关的信息。 转炉炼钢要实现全自动吹炼控制，提高控制的精度和命中率，必须注重对各种工 艺过程信息的在线检测技术的研究和开发。 转炉炼钢过程控制中，吹炼过程中的炉渣状况，枪位变化，终点状态的熔池 温度和含碳量，是转炉炼钢自动控制过程中的主要信息内容。 其中熔池温度和含碳量的一般测定方法分别如下： r 炉体一保温管一热电偶 r 接触矧副枪一保护管 il 利用导光材料 ：，连续式 |r 测定辐射热 ll 非接触式 吹炼过程中温度测定方法l 测定金属蒸发浓度 l r 副枪一消耗性热电偶 lr 接触式 副枪保护管 。间歇式il 投掷式热电偶 1 r 测定辐射热 。非接触式 l 测定金属蒸发浓度 1 0 上海大学硕士学位论文 厂测定导电率变化 f 接触式 r 连续式l 利用浓度差电池测定 fir 炉口火焰分析 f非接触式j声音测定 i1冷却水温度测定吹 吹炼过程中熔池含碳量的测定方法 或 3 2 。时，反射系数r 不存在实数解，即此时的反 射系数r 为虚数，且l r 忙1 。对于折射系数，根据反射面上声波的能量守恒，可 求出折射系数当入射角口3 2 。时，随着入射角的增大而减小。声波从空气中入 射到钢管内壁上几乎不会产生由于声波折射的缘故而引起的能量损失，但是钢管 对声波的能量的吸收还是存在的，因为是刚性结构，吸收的能量很少，所以声波 能量的绝大部分反射回钢管内空气中。 3 4 2 弯管内反射波与入射波的合成声波 从前面的分析，声波传播的弯管接头处，虽然频率没有发生变化，但在反射 时有损失，即声压振幅和速度振幅减小，并且由于各点反射波的行程和入射角的 不同，引起相位的变化。其合成声场我们可以通过几何作图法求出合成声场。矢 量的长度表示振幅。而它们在x 和y 轴上的投影表示两个波的初始形状。图3 7 中大圆代表入射声波，小圆代表反射声波，两列频率相同，固定相位差不变的 声波的合成。我们可以看出，其合成声波在x v 面上是一个椭圆。 上斑大学硕士学位论文 j 荔产_ _ 力 了： n 、弋； _ 一、1 产惑 ii lx 匕彳 涟越 i o i j 毒、 v = 彳i i i l i l vl1 l 赫。 屺蔺_ 图3 7 两列声波在垂直方向上的合成声波 l y 一 忑 _ ： 专土、 j一一一j 一一一一一一7 。 i 7 、 一一一 一一一 ， 、 一一一一一、一一一了 二，二二二二 、 ， 。 一 图3 8 合成声波的展开示意 图3 9 两列声波在传播方向为3 0 0 角时的合成声波 上海大学硕士学位论文 图3 8 为图3 7 所得到的合成声波的展开图。在同周期的不同位置声波振 动发生变化。 图3 9 为两列频率相同，楣位差固定的声波在传播方向为3 0 0 角时的合成 声波图。它的形状在研面的投影是个倾斜的椭圆。形状的改变说明声波的振 幅和声压在周期内的变化更加复杂，由上面两图可以看出，合成后的声波相对于 原来大圆所表示的声波都发生了衰减。 利用相同的方法，我们也可以将图3 9 所得到的合成声波图展开成如图3 1 0 所示。由图中可看出，当频率相同相位差较小的两列声波叠加后，在同 一个周期内振动的幅度变化较为平缓。但是当它们的相位差为其周期的一半时， 则两列声波的振动就会相互抵消，声波严重衰减。所以应尽量避免两列声波的相 位差在半个周期左右，才可以取得较好的取声效果。 y jl 。j 。2 厂 q 二 = = = = = = = = = 疋 ， 彩三 一：芝j 图3 一l o 合成声波展开图 由于反射声波相位的变化，叠加后引起能量的抵消损失，所以我们应该想法 避免这种损失。 3 4 3 声波在弯接头处的麓量传递分析 声场中的能量是靠动量传递的，而声场中的能量又可分为有功能量和无功能 量。无功能量的存在是声波在传播过程中偏离平面波的结果。声波在弯管传播过 程中，在弯管接头出发生反射和折射，声波的平面性质发生变化，即原本的平面 声波在此处发生偏离。由于声波的平面性发生偏离，必然有无功声强的存在，声 强是声波能量传递的载体，从而有无功能量的存在 调。声波能量不能完全传递 到接收器，在现象上表现为所检测到的声强变弱。 声场中任意点的速度和声压的关系为 1 2 , 1 9 】： 上海大学硕士学位论文 c=三哇v州去v(3-17pc ) r2 k 其中伊、妒为声场中的基本变量，p 为介质密度，c 为声速，j 为波数，_ j = c a c ， m 为圆频率。定义复声强为；_ 尸，其中为，足够长的平均时间，口表示复数共 轭，于是可得到声强7 为： 7 ：l ( 3 - - 1 8 ) p c k v 妒 无功声强舀为： 石：一二l v 凹 2 p c k 。 1 其中g ，= 。l _ p p 。n n f 玉, 自功率谱，我们设g ：= 到声场中声能密度e 为： f 毛以+ 嘉g ， 我们对上式平方可得： ( 3 1 9 ) ! a 为质点速度自功率谱，可得 f 肚扣一函一( 刍2 2 c c 。 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 式中t = 以一去q 称为拉格朗日函数，与无功声强有关。上式表明了声能密 度与声强和无功声强之间的复杂关系。 当声波传播以近似平面波传播时，趸和k 与j 相比以更高阶趋于零n 当质点 速度与声压不同相位，声波传播偏离平面波性质时，无功声强百不能被忽略，声 强7 也不能全部传播声能密度e 。将式( 3 - - t 7 ) 写成 ；= p 三c 熹v 妒+ ! p c 【 一1 ) 去v 妒+ 去v 州 ( 3 2 2 ) rk三r 式中占= 嘉v 妒。如果以声压尸为基准，式中右边第二项反应了相对平面波性 上拇大学硕士学位论文 质明偏禺。找1 | j 设 巧= 一o - - 孔1v o + j = 。蓐- i v 州 瓦成为偏离速度，在此偏离速度作用下，质点的动能密度为； = 券谚( 3 - 2 3 ) 由此我们可得到： & = 参”。嵩西( 3 - - 2 4 ) 偏离速度；形成的能量不能被传递，滞留在声场中。 从总能量中扣除能量e 得到声强7 传递的能量e l 为： 即n e q 2 专g p ( 3 - - 2 5 ) 于是式( 3 - - 1 8 ) 可写成 ? 2 e 蠢v 伊( 3 - - 2 6 ) 式中去v 伊为能量传递速度，大小恰好等于声波传播速度v 。这正是能量传递速 3 5 试验方案的研究 从前面的理论分析，当入射声波传播到弯管接头处时，情况很复杂，入射时 的平面声波特性被破坏，但是在第一段管内的声波还是平面波，只是第二和第三 段管内的声波不再是平面波。所以当我们采用弯管接头连接成的弯管取声时，按 照理论，第一段管长应该与滤波中心频率匹配，这样在第一段管内就会产生驻波 共振，有利于取声。可在第二和第三段管内，由于弯管接头的影响，一部分声波 能量在弯管接头处滞留，这部分能量就会被钢管吸收而损失。第二和第三段管对 取声效果的影响有待于进一步研究，我们可以先从试验上判断。 弯管接头对入射声波平面性的破坏，是由于弯管接头的圆弧半径太小而引起 的。由于厂房结构的限制，第一、第二段管之间必须用弯管接头连接。我们可以 上海丈学硬士学位论文 采用圆弧半径较大的渐弯管取代第二、第三段管之间的弯管接头，声波在大圆弧 渐弯管内的传播，可以近似地保持以平面波的方式传播。这样，第二、第三段管 之弼就几乎没有声波能量的损失了。但由于有与之连接的弯接头的影嚷，在频率 的匹配上用试验来研究其特性。 上海丈学顼士学位论文 第四章对理论的验证试验 实验材料及条件：话筒，两端车管牙纹的钢管，长度有0 5 m ( 两根) ，0 8 m ( 两 根) ，0 8 5 m ( 一根) ，2 2 m ( 一根) ，2 2 m 渐弯管( 一根) ，两个弯接头，两个直 接头，噪音发生器( 收音机) ，音平检测仪，2 2 控机，a d 卡，2 5 室温。 4 i 初期验证试验 为了确定第二、第三段管对取声效果有何影响，我们的每组试验都是先确定 第一段波导管的长度，变化第二、三段波导管的长度，观察其对取声效果的影响。 我们所有的音平曲线图都是在音平控渣软件的界面上获得的。一开始我们用收音 机作为噪声源，在两个电台频段中间取其电噪声，由于电噪声不很稳定，造成曲 线出现一些尖峰，我们在做试验的过程中认为音平曲线值的平均值能表示取声效 果时，我们就停止这一号方案的取声，然后做下一号方案的音平曲线图。 由于是初期验证试验，所以我们不考虑管长与频率的匹配关系。 第一组试验： 袤4 一t 第一段波导管l l = 15 m ( f = 2 3 0 h z ) ( 单位：管长m ) 上海大学硕士拳位论文 图4 1 第组试验音平曲线圈 如图4 1 所示的音平曲线图，6 号和7 号曲线之间的曲线是在波导管没有 紧密连接的情况下得到的，将管接头拧紧后就得到了7 号曲线。这说明，当管道 出现截面积突变，尤其反复突变时如管接头连接较松时，声波能量损失很大。 在第一段波导管长度不变的情况下，改变第二、三段波导管的长度取声效果有 变化，5 号和6 号曲线的音平值比较小，其他的音平值相差很小。这组试验当 中，单个直管的取声效果最好。 第二组试验： 表4 2 第一段波导管l 1 = 2 7 m ( f = 2 3 0 h z ) ( 单位：管长1 1 1 ) 上海太学硕士学位论文 一 二f 一 i _二二 、j 。i 一 _ _ ， j ，i 一 | 嗣 3 u 皇 l ， 删 瓣 3 u ij 。l 。 2 j j5 g鲥 图4 - - 2 第二组试验音平曲线圈 如图4 2 所示，在第二组试验情况下，当把第一段波导管长度改为l 1 = 2 7 m 时，变化第二、三段波导管的长度，音平值也有比较大的变化。这组试验中单 个直管的取声效果不是最好，经过计算当直管长度l = 2 ，7 m 时，所匹配的滤波 频率为f = 2 2 0 h z 。所以在单个直管内驻波共振较差，可能是导致单个直管取声效 果不是最好的原因。2 号、3 号、4 号、5 号曲线的音平值都比单个直的波导管取 声的音平值大，所以在这4 个单个试验中，声波在其中的第二或第三段波导管内 有声波传输加强的过程，即有声波共振的产生。通过分析，由于受两短弯接头的 影响，应该不是在第二段内形成驻波的共振。而有可能是在第三段管内。 第三组试验： 表4 3 第一段波导管l 1 = o 。8 m ( f = 2 3 0 h z ) ( 单位：管长m ) 因为前面的试验都没有改变滤波频率，所以6 号和7 号音平曲线是我们在5 号曲线试验弯管的萋础上通过改变试验的滤波频率而得到的。发现，在各段波导 管长度不变的情况下，改变取声滤波频率，取声效果也会改变。 上海大学硕士学位论文 图4 - - 3 第三组试验音平曲线图 从图4 3 中，3 号和4 号曲线之间的曲线由于不稳定，所以重新取声而得 到4 号曲线。我们发现，在这组试验中，2 号单个直管的取声效果最差。经过计 算其长凄与试验所选取的滤波频率不匹配。1 号、3 号、4 号、5 号的取声效果 相差不大，但还是有变化。从这组试验当中，我们可以得到一个结论，第三段管 在此试验条件下，肯定对声波的传播有强化作用。 结论分析：由上面的试验得出，当采用弯管接头连接而成的弯波导管采集噪 声信号时，在固定滤波频率下，改变第二、第三段直管长度，取声效果也会发生 变化；在各段直管长度不变的情况下，改变滤波频率，取声效果也发生改变。所 以第三段直管长度与滤波中心频率应有匹配的关系。这个关系不一定就是绝对 的，有可能在某个范围内存在一个长度和频率的匹配关系。毕竟弯管取声不同于 直管取声，其情况要复杂的多。 为了确定各段直管的长度与滤波频率的匹配关系是否如我们的理论分析所 得到的结果，以及对取声效果的具体影响，我们傲了如下的一系列试验，以确定 弯集音波导管总长度及各段管长与滤波频率的关系。 4 2 弯集音管中各段直管长度与频率的匹配关系对取声效果 影响的试验 由于前面的试验没有考虑管长与频率的匹配关系，所以在下面的试验中重点 考虑营长与频率的匹配关系 3 7 塑墼塑坠 4 | 2 1 总长度与滤波中心频率匹配实验 ，。冀竺譬究弯管取声过程中，当弯管总长度与滤波中心频率匹配时，在不 耋黧薹慧曼竺耋拿段营长对取声效粟的胝袭4 。；三蒸二嚣 长的频率为在该长度直曹内产生驻波共振所需匹配的滤黼频1 蒜赢g 袭4 4 总长度囊蓼 鼍磐( 总长 ：l = = 3 9 m ，滤波频率乒2 2 0 h 墨) ( 单位：管长m ，频率i - i z ) “7 2 3 4 6 茜。向嚣) “。1 - 飞 ：黧霎等竺篡? 产生驻波的频率数据与音平曲线分别由表4 4 和图4 4 所 享。罢萼三竺喜慧竺次递鞔当总长度与滤拂心频率匹砒取磊簇笔 ：二罢篓萼茎各分竺管长度，取声效果依然会改变，说明在弯管取；三：”三茎姜 影响的还是第