转炉造渣过程检测的声学原理及应用

    10年来,音平控渣技术已在全国30多家炼钢厂应用。但不少厂在消化、移植该技术时,对其中关键的取声、隔声、音频匹配等声学原理和技术措施不甚明了。本文将就这些问题作一详细阐述,作为音平控渣技术在各厂推广应用时的参考。同时,近两年发现,将该技术延伸可判断溅渣护炉时的溅渣效果。

    1　氧气转炉吹炼过程中噪声的来源

　　分析氧气转炉吹炼情况,可知有三种噪声与吹炼有关:

　　①超音速氧气流股的气体动力学噪声及其冲击铁液、渣液和固相颗粒时的噪声;

　　②一氧化碳气泡破裂和溢出的气流噪声;

　　③金属熔池和渣液与炉壁摩擦的噪声。

　　在实际检测过程中,只要泡沫渣能保持正常状态,噪声强度最低时恰恰是碳氧反应最剧烈、熔池运动最活跃的时候。由此可以推断,超音速氧气流股是产生吹炼噪声的最主要的噪声源。

    2　吹炼噪声强度与炉渣状态的关系

    2.1　吹炼过程中可能出现的几种炉渣状态以及与此对应的音平曲线

　　从以上分析可知,氧气流股是最主要的噪声源,因此炉内传出的噪声的强度与泡沫渣的状态有密切关系。

　　据有几十年经验的炼钢工分析,炉渣状态大致可以分为5种:

　　①开吹:氧气流股直接冲击金属熔池和刚投入的固体造渣材料;

　　② 喷溅:泡沫渣从炉口溢出或喷出;

　　③炉渣偏干:泡沫渣的渣液面较低,但仍能淹没氧气流股;

　　④炉渣返干:炉渣熔点过高,析出大量高熔点的固相物质,氧气流股暴露于炉膛空间;

　　⑤化渣良好:泡沫渣渣层较厚,虽接近炉口,但不会溢渣或喷渣。

　　根据现场观察,音平曲线所反映的渣况与炼钢工的判断完全一致(见图1)[1]。

    2.2　渣况与音平值关系的声学原理

　　在泡沫渣尚未形成时,氧气流股产生的强烈噪声一部分直接通过炉口传至取声点,另一部分在炉膛内壁反复反射和吸收,形成一个具有特征频率范围的噪声场。前者为直达声场,后者为混响声场。取声点的相对声压级SPL可借鉴公式(1)求出[2]:

    式中　r为声源至取声点的距离;R=(S·A)/(1-A);S为炉膛内壁边界总面积;A为炉膛内壁平均吸声系数。

　　公式(1)表示取声点的相对声压级为直达声场(前项)与混响声场(后项)的综合影响值。将其物理意义推广至淹没吹炼时,因泡沫渣的吸声系数接近1,R值非常大,因此取声点的相对声压级可表述为:

    其物理意义是:取声点的相对声压级为经过泡沫渣吸收后的直达声场值。

　　如果将氧气流股的噪声在P点测得的直达声场强度定为I0,经泡沫渣吸收后的P点噪声强度为I,则存在下述关系[2]: