炼钢钢包的振动分析：来自工业和实验室研究的成果，用于模型开发与搅拌优化

《steel research international》：Vibrational Analysis of Steelmaking Ladles: Findings from Industrial and Laboratory Studies for Model Development and Stirring Optimization

振动信号分析用于工业钢包气体搅拌过程监控，通过工业与实验室双尺度测量（65t钢包与Sn-40wt%Bi合金模型）发现，低频段（100-300Hz）与气泡生成相关，高频段（900-1600Hz）与气泡破裂及渣-钢界面相互作用相关。实验表明，振动强度与气体流量呈非线性关系，且工业环境下的信号因渣层存在和搅拌电磁力影响更具复杂性。研究为开发基于振动监测的气体流量控制算法提供了理论依据。

　　振动测量在工业钢包和实验室规模模型中被广泛用于研究氩气注入过程中的流体动力学行为。这项研究由瑞典Uddeholms AB公司的工业钢包和德国德累斯顿-罗斯托克研究中心（HZDR）的实验室模型共同完成，旨在深入理解钢包在真空脱气过程中产生的振动特性，从而为工业中的气体搅拌控制提供理论支持和实践指导。研究结果表明，无论是在工业环境还是实验室条件下，气泡的形成和破裂都会在特定频率范围内产生显著的振动信号，这些信号能够反映气体搅拌的强度和效率，为优化钢包操作提供关键依据。

在工业钢包中，熔融钢水在真空条件下通过底部的搅拌插头注入氩气，形成上升气泡并引发循环流动。这种循环流动有助于混合钢水，确保温度和合金元素的均匀分布。同时，气泡上升过程中会在钢水表面产生湍流，对液态金属施加力并促进非金属夹杂物向渣层迁移。然而，如果气体流量控制不当，可能导致过强的湍流和表面扰动，进而引发渣层夹带，影响钢水的纯净度。因此，如何有效监测和控制气体搅拌强度成为提升钢水质量的重要课题。

传统的气体搅拌强度监测方法主要依赖于对钢水表面现象的观察，例如使用红外（IR）相机测量钢水表面形成的“开放眼”大小。然而，这种方法在软搅拌等情况下可能失效，因为此时钢水表面不会形成明显的开放眼。因此，需要寻找更可靠和全面的监测手段。振动测量作为一种间接方法，已被证明是评估气体搅拌强度的有效工具。通过安装高灵敏度的加速度计，可以捕捉钢包在气体注入过程中产生的振动信号，从而分析搅拌效果。这些加速度计被安装在钢包支撑结构的不同位置，以避免高温对测量精度的影响，同时确保能够捕捉到与气泡流动相关的振动。

在实验室模型中，使用了Sn–40 wt% Bi合金作为模拟液态金属，温度控制在200°C，以更贴近工业钢水的物理特性。实验室模型的振动测量方法与工业钢包相似，采用相同的加速度计和信号处理技术，包括均方根（RMS）分析、连续小波变换（CWT）和功率谱（PS）分析。通过这些技术，研究人员能够识别出不同频率范围内的振动特征，进而与工业钢包的振动信号进行对比分析。实验室测量的结果显示，气泡的形成和破裂分别对应低频段（100–300 Hz）和高频段（900–1600 Hz），这些频率范围与工业钢包中观察到的振动模式高度一致，说明振动分析具有跨尺度的适用性。

在工业钢包中，随着气体流量的增加，RMS值呈现出明显的幂律增长趋势。这表明气泡的形成和破裂过程对振动信号的强度有显著影响。例如，低频段的振动主要来源于气泡在搅拌插头处的生成和脱离，而高频段则与气泡在渣-钢界面破裂有关。这些振动信号能够反映气泡的运动状态以及它们与周围流体的相互作用。同时，实验室模型中的振动信号也表现出类似的频率特征，进一步验证了振动分析方法的可靠性。

值得注意的是，工业钢包和实验室模型在振动特性上存在一些差异。工业钢包中由于存在渣层，气泡破裂时与渣层的相互作用会引入额外的阻尼和共振效应，从而改变振动的频率分布和强度。相比之下，实验室模型中没有渣层，因此气泡破裂的振动信号主要集中在液面附近的高频段，而工业钢包中的高频段则受到渣层影响，呈现出更复杂的频率响应。这种差异强调了在将实验室研究成果应用于工业环境时，需要充分考虑渣层的存在及其对振动信号的影响。

此外，实验室模型中的振动信号通常比工业钢包更为稳定，因为其规模较小，系统调整时间较短。在工业钢包中，由于体积较大，气泡的生成和破裂过程需要更长的时间才能达到稳定状态。因此，工业钢包的振动信号在达到稳定之前会经历一个短暂的过渡阶段，表现为RMS值的快速上升。而在实验室模型中，由于系统规模较小，振动信号的稳定时间更短，通常在50秒左右即可达到稳定状态。这种差异表明，振动信号的稳定时间与系统规模和操作条件密切相关。

通过对不同气体流量下的振动信号进行分析，研究人员发现，随着气体流量的增加，气泡的尺寸和数量都会显著增加，从而导致更强的湍流和更剧烈的振动。例如，在工业钢包中，当气体流量增加到一定范围时，气泡破裂的频率范围会扩大，表明钢水表面的扰动更加剧烈。这种现象在实验室模型中也有所体现，但频率范围相对较低，说明渣层的存在在工业环境中对振动信号具有更大的影响。因此，未来的实验研究应考虑在实验室模型中模拟渣层，以更准确地反映工业钢包的振动特性。

振动测量不仅能够监测气体搅拌的强度，还能检测异常情况，如管道泄漏或搅拌插头堵塞。这些异常事件会导致振动信号的突变，从而为操作人员提供早期预警。此外，振动信号还可以用于评估气体流量是否符合预期，为调整搅拌参数提供依据。例如，在工业钢包中，通过分析振动信号的频率分布，可以判断当前气体流量是否适中，从而优化脱气和脱硫过程。

在实验室模型中，研究人员还观察到气泡的生成和破裂对振动信号的贡献存在明显的非线性关系。当气体流量较小时，气泡的生成较为缓慢，振动信号的强度相对较低；而随着气体流量的增加，气泡的数量和大小迅速增长，振动信号的强度也随之提升。这种非线性行为与工业钢包中的观察结果一致，进一步支持了振动分析在气体搅拌控制中的应用价值。

通过比较工业钢包和实验室模型的振动信号，研究人员能够更深入地理解气泡行为对振动的影响。例如，在工业钢包中，当气泡破裂时，会引发较大的表面扰动，从而产生更强烈的振动信号。而在实验室模型中，由于缺乏渣层，这些扰动相对较小，导致振动信号的强度较低。因此，振动信号的强度不仅与气泡的生成和破裂有关，还受到渣层和钢水温度等外部因素的影响。

这项研究还揭示了振动信号在不同频率范围内的物理意义。低频段的振动主要与气泡的生成和脱离相关，而高频段则与气泡在钢水表面的破裂过程有关。通过分析这些频率范围，可以更准确地判断气体搅拌的强度和效率。例如，在工业钢包中，低频段的振动强度随着气体流量的增加而增强，表明气泡的生成和脱离更加频繁，从而促进了钢水的混合和夹杂物的去除。而高频段的振动则与气泡破裂引起的表面扰动有关，这些扰动可能影响钢水的纯净度和操作稳定性。

此外，振动信号的稳定性也对气体搅拌控制具有重要意义。在工业钢包中，RMS值在达到稳定后可以作为判断搅拌过程是否达到平衡的依据。一旦RMS值稳定，说明气泡的生成和破裂过程已经趋于平衡，钢水的循环流动也趋于稳定。这种稳定状态对于确保钢水的均匀性和纯净度至关重要。而在实验室模型中，RMS值的稳定性更快，说明其系统响应更迅速，便于研究不同气体流量下的振动特性。

综上所述，振动测量在气体搅拌过程中具有重要的应用价值。无论是工业钢包还是实验室模型，振动信号都能提供关于气泡行为和搅拌强度的重要信息。通过分析振动信号的频率分布和强度变化，可以优化气体流量，提高钢水质量，并实现更精确的搅拌控制。未来的研究应进一步探索渣层对振动信号的影响，并结合其他监测手段，如红外相机，以提高气体搅拌过程的监控精度和可靠性。同时，随着振动分析技术的不断发展，其在冶金工业中的应用前景将更加广阔，有望成为提升生产效率和产品质量的重要工具。