用于检测金属或合金制造设备中的熔炼炉漏水的方法和相关设备与流程

1.本发明涉及一种用于检测用于制造金属或合金如钢、铸铁、铜的熔炼炉中的漏水的方法；其特别适配于用于电弧炉，所述电弧炉设置有水冷系统并与工艺烟气抽取和排放系统相连。更具体地，所述方法适用于间接冷却的情况，其中水在包含相关冷却面板的冷却回路内流动。所描述的方法和相关设备也能够用于提供冷却回路的其它应用中，例如用于钢的真空处理(脱气)的机器如vd(真空脱气)或vdo(真空脱氧)设备中。


背景技术：

2.在现有技术中已知，电炉需要大量的水来冷却它们的一些部件：这些冷却流能够容易达到每分钟数百升。在这种情况下，任何泄漏都可以通过安装在流体供应管线中的流量计立即检测到，然而，所述流量计必须读取高通过量并且不具有高灵敏度。相反，自从最初将h2o进料冷却面板安装在电炉内以来，检测轻微漏水的问题已经成为焦点。事实上，迄今为止，市场上仍然没有安全并且可靠的方法来跟踪每分钟约数十升的微泄漏。冷却面板泄漏造成的后果和损害是多种多样的，范围从带来大桶穿孔风险的对耐火材料的损坏，到增加炉子的能量消耗，再到由于水的剧烈蒸发而爆炸的危险，并且有时由于h2o分子的裂解而产生h2并且当组成和温度条件落入h2/o2氢氧混合物的爆炸极限内时它会爆炸。
3.文献nl 1 002 377 c2提出了一种通过将示踪剂、特别是稀有气体添加到冷却流体中来检测熔炼炉冷却系统的漏水的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服上述缺陷，并提出一种用于检测电炉漏水的方法和相关设备，以检测甚至轻微漏水的存在，使得炉子能够及时停止以进行维修，从而避免对设备和人员造成损害。
5.所述目的通过一种用于检测熔炼炉、精炼炉或者金属或合金处理设备如脱气设备中的漏水的方法来实现，所述方法包括如下步骤：
6.(i)提供至少一个熔炼炉、特别是电弧炉，或者至少一个金属或合金处理设备，所述熔炼炉或者金属或合金处理设备设置有水冷系统并连接到工艺烟气排放系统；
7.(ii)在冷却水中混入示踪化学剂，所述示踪化学剂在漏水的情况下与源自熔炼炉或者金属或合金处理设备的排放气体一起是挥发性的，并适合于由在所述至少一个熔炼炉或者在所述至少一个金属或合金处理设备中产生的排放气体的分析系统来检测；和
8.(iii)利用包含在所述工艺烟气排放设备中的所述分析系统对所述排放气体中所含的所述示踪化学剂进行检测。
9.因此，本发明的构思包括在冷却水中混合示踪化学剂，所述示踪化学剂在冷却回路漏水的情况下可易于被分析系统检测到，所述分析系统能够对从炉子或者金属或合金处理设备输出的排放气体进行采样并且布置在所述炉子或者金属或合金处理设备的出口的
下游。与“损失”的冷却水一起蒸发的示踪剂是炉子的大桶内水本身存在的可靠指示剂。显然，这种可以是元素或化合物的化学品以适当的浓度加入到冷却水中，但有利地是在普通冷却水中不存在或很少浓缩，或者很少在熔炼炉或者金属或合金处理设备中发现。有利地，除了易挥发和易于检测之外，示踪剂不会随着时间的推移而分散或降解。优选地，所述示踪剂是可与冷却水完全混溶的液体。
10.不同类型的示踪剂是可能的，例如对使用诸如氦气(he)的气体示踪剂的可能性进行了试验，但由于这种气体在冷却水中的溶解度低，由此存在热交换恶化的风险，因此该选项不容易实现。考虑过其它气体如氪(kr)和氙(xe)，但存在氦(he)所示的问题。
11.在金属、特别是钢的制造中，使用各种类型的电炉或金属处理设备，它们具有可能会损失水的冷却系统，例如钢包炉(lf)或电弧炉(eaf)或钢脱气机器如vd(真空脱气)或vod(真空脱氧)系统。在本发明的一个变型中，所述冷却系统包含设置有水管的冷却面板。特别地，电弧炉由于构成其侧壁和拱顶的众多冷却面板而遭受水损失。
12.在本发明的一个特别优选的变型中，所用的示踪化学剂是氘化水。氘化水可以以d2o或hdo的形式存在。通过交换反应，hdo与h2o和d2o形成平衡。
13.所提出的解决方案因其简单性而令人惊讶，并且不会导致水面板的热交换特性发生任何变化。
14.选作示踪剂的流体是d2o(重水)，含有氘(质量为2的氢同位素)而不是氢。重水在实施本发明所需的浓度下是无毒的，并且在任何浓度下都与h2o完全混溶。
15.根据本发明的在此公开的技术使得可检测仅以痕量存在的示踪剂，避免示踪剂的高成本。
16.本发明的优选实施方式规定，冷却系统是闭合回路系统。闭合回路避免了高的示踪剂消耗，因为它只会位于所述回路中(除了在泄漏的情况下蒸发的份额)。然而，也可以在开放式冷却回路中使用示踪剂，即，其中一旦水履行其功能就会被送到收集罐的回路，所述收集罐通常是开放的，也用于接收源自其它用户的水。然而，在这种情况下，由于示踪剂被分散/稀释在收集罐中，需要在要检测泄漏的用户附近进行连续的示踪剂补充。在这种情况下，示踪剂液体也可以仅为临时检查而供应。
17.所提出的解决方案以优选的形式应用于将冷却水进料到面板和电炉拱顶的回路。
18.为了检测水中以及因此在排放气体/烟气中的痕量d2o，质谱法是特别合适的。通过质谱仪能够检测到在漏水情况下排放气体或烟气中d2o浓度的增加。在这方面，质谱仪可以例如通过提取探针连接到从熔炼炉或从金属或合金处理设备抽吸的下游的排放气体管。诸如核磁共振(nmr)的其它分析技术需要强大的磁场并且不适合工业应用。
19.当使用质谱法检测泄漏水中的d2o时，水回路中d2o的最佳浓度应考虑如下信息：通常使用的自来水含有少量天然浓度的d2o，所述浓度等于其同位素浓度，即大约150ppm。对于质谱分析，可以在20amu的峰值上工作，优选在19amu的峰值上工作，因为对于低浓度，水的天然同位素平衡包括分子的重组，从而产生比d2o的浓度更高的hdo。或者，能够考虑使用质量峰4(d2)，这由质谱仪突出显示，但也与空气中存在的浓度为约5ppm的氦元素的峰值相吻合。为使分析系统做出毫无疑问的响应，在排放气体和烟气中要达到的d2o浓度必须有利地大于25ppm。
20.本领域技术人员凭借他们的一般知识并进行常规测试，通过模拟各种漏水量并了
解工艺烟气排放系统中所涉及的烟气流量和冷却水的体积，能够容易地计算出要添加到冷却水中的氘化水的所需量以利用根据本发明的方法和设备检测任何泄露。
21.在示例形式中，为了在通常尺寸的设备中并在约250ml/s的水损失的条件下显示排放气体中约25ppm的d2o浓度(然而，在不使用d2o的情况下，其在烟气中的浓度将为几ppm，不足以获得可靠的测量结果)，应优选将水的总质量的0.15重量％的d2o添加到冷却水回路中。
22.有利地，工艺烟气排放设备包含至少一个从熔炉输出的烟气的除尘器装置，优选包含排放气体冷却装置。在这种情况下，分析系统位于该/这些装置的下游。有利地，所述冷却装置不引起h2o的冷凝并且不会因洗涤器或类似系统而发生冷却以避免示踪剂的损失。无粒子且冷却的气体适合于使用探针进行采样，而不会阻塞探针的毛细管。
23.本发明的另一个方面涉及一种用于制造金属或合金的设备，所述设备包含：
24.(a)设置有水冷系统的至少一个熔炼炉、特别是电弧炉，或者至少一个金属或合金处理设备；和
25.(b)工艺烟气排放系统，所述工艺烟气排放系统适配于抽取并除去由所述至少一个熔炼炉或者由所述金属或合金处理设备所产生的排放气体；
26.其特征在于
27.(c)所述冷却水混合有示踪化学剂，所述示踪化学剂与源自熔炼炉或者金属或合金处理设备的排放气体一起是挥发性的，并且适配于通过分析系统在所述至少一个熔炼炉或者在所述金属或合金处理设备中产生的排放气体中被检测；和
28.(d)所述分析系统位于所述工艺烟气排放系统中。
29.针对本发明的一个方面描述的特征可以经过必要修改后转移到本发明的其它方面。这尤其适用于d2o形式的示踪剂、其利用质谱仪的检测、冷却水闭合回路的使用以及分析系统在工艺烟气排放系统中在除尘器装置下游、优选在排放气体冷却之后的布置。
30.通常可以说，对于常规尺寸的设备，为了实施本发明，冷却h2o的闭合回路含有至少0.1质量％的d2o是可取的。回到上图1中的实例，要添加的d2o的浓度还取决于分析点，所述分析点可能位于上述烟气的主要支路上或直接位于从两个支路接收排放气体的烟囱上。
31.可以提供一个警报系统，在超过为d2o设定并因此间接为漏水设定的最大浓度的情况下，所述警报系统警告用户和/或关闭炉子。
32.即使在冶金环境之外，所提出的方法也适用于在本发明的意义上具有水冷却的可能会发生漏水的任何系统，并且适用于设置在设备中用于排放工艺烟气/气体的任何系统。
33.所描述的本发明的变型实现了本发明的目的。特别地，它们可以确定熔炼炉、特别是电炉中存在的冷却回路中的水的微泄漏。
34.在实践中，关于所采用的材料以及尺寸、数量和形状，只要它们与特定的和未另行规定的用途相兼容，就可以根据要求而有所不同。此外，所有细节都能够用其它技术上等效的要素来代替。
35.在以举例而非限制的方式给出的本发明的优选实施方式实例的描述的过程中，将进一步强调所述目的和优点。
36.本发明的变型实施方式是从属权利要求的目标。参考附图，对根据本发明的方法和设备的优选示例性实施方式的描述以示例而非限制的方式给出。
附图说明
37.图1显示了根据本发明的钢制造设备和相关的烟气抽取系统。
38.图2示意性地显示了可应用本发明构思的现有技术的电弧炉。
39.图3以图(作为同位素分数d/(d h)的函数的h2o、d2o和hdo的摩尔分数)的形式显示了h2o/d2o与hdo之间的交换平衡。
40.图4显示了用于模拟漏水的原子质量比为18:19的痕量d2o的检测。
41.图1显示了根据本发明的钢制造设备。所描绘的设备由两个炉子、即电弧熔炼炉2和用于精炼处理的钢包炉4构成。电弧炉2内产生的排放气体从烟气抽取系统被抽取，所述系统可以包含各种组合和尺寸的最多样化的处理元件部件，范围从烟气或排放气体的不同冷却形式到烟气中的固体和液体组分的分离器的不同类型，例如烟罩、过滤器、旋风分离器、燃烧装置、沉降室。这种设备的其它典型元件是用于引导流动的阀门和风扇。
42.在示例性形式中，烟气系统管线由冷却导管6构成，所述冷却导管6包含沉降室8，所述沉降室8在冷却烟气的同时除去重粒子。该室的下游是旋风分离器10，用于从排放气体中提取更多灰尘，所述排放气体随后通过热交换器12。直接从电弧炉2内部引出的该排放气体管线是所述设备的主要支路14并且含有源自电炉的故障冷却面板中的泄漏的任何水。离开钢包炉4的排放气体和由在电弧炉2上方的烟罩16抽取的气体包含在电弧炉2外部并且源自钢包炉4的冷却且镶板的拱顶的任何漏水，并且形成钢制造设备的排放气体设备的次要支路18。主要支路14和次要支路18汇合并且将全部排放气体通过套筒过滤器20进行输送以进一步净化气体，然后通过烟囱22排出设备。整个抽气管线通过通常布置在烟囱底部的风扇而处于真空状态，所述风扇具有抽取烟气的任务。如上所述，所描绘的设备只是包含电炉的设备的一个实例，其中能够应用本发明并且其中能够在各个点集成分析系统以确定添加到冷却水中的在漏水时可在排放气体中检测到的示踪剂的存在。分析系统能够优选位于烟囱22的烟道中(变型11c)，但也可以位于明显在电弧炉2的下游的主要支路14中，例如紧接在电炉之后(变型11a)或在过滤器20之前(变型11b)。如果仅在电弧炉2的冷却水中具有额外的d2o，而没有为钢包炉4的冷却水提供额外的d2o，则示踪剂的检测是电弧炉2中泄漏的可靠指示。
43.钢制造设备可以包含一个或多个炉子或者各种组合的不同类型的炉子。如果需要确定其各自的冷却回路中的任何漏水情况，只需在每台相关炉子下游的烟气抽取系统部分布置一台或多台分析仪(即，每台具有氘化水的炉子配备一台分析仪)即可。为了检测源自钢包炉4的漏水，建议在管线18中具有分析系统(未示出)，然后与可能含有源自并非源自钢包炉4的漏水的示踪剂的其它管线汇合。通常检测电弧炉2的泄漏是最受关注的，并且仅将该炉子的冷却水与示踪剂共混。在这种情况下，由于示踪剂只能源自电弧炉2，分析系统可以布置在两个支路18和14汇合之后的烟囱22中(变型11c)。如果要监测电弧炉2和钢包炉4两者的泄漏，则必须在相关的排放烟气/气体管线汇合之前在各炉子下游提供两个单独的分析系统。
44.本发明适用于上述工艺烟气排放系统和炉子组合的所有变型，其中唯一的改变是需要根据设备的大小和分析系统的位置调节示踪剂的添加量，并且包括将分析仪安置在适当点处。
45.图2示意性显示了可应用本发明构思的现有技术的电弧炉2。将所描绘的炉子分割
为：下部1，所述下部1具有用于收集熔渣17覆盖的熔融金属15的底和大桶；和上部3，所述上部3覆盖有冷却面板5并覆盖有镶板拱顶9，它们经常经历来自各冷却面板的漏水。上部大桶3的壁具有开口，喷射器7能够插入所述开口以提供氧气(用于燃烧)、煤、石灰和辅助熔融材料，并赋予所制造的金属特定的化学、机械或物理特性。用电极11产生电弧，将金属熔化。能够通过抽取口13从炉子抽取排放气体或烟气，然后抽取到管6中。熔融金属则可以从炉子2底部的孔19排出。炉子能够在弯曲的架子(未示出)上倾斜，向右倾斜以通过孔19排料，向左倾斜以从熔渣门21排出过量的熔渣。对于一般的废金属装载(在篮子进料的情况下)，拱顶9绕着销侧向移动而打开。或者，另一个侧门(未示出)布置在门21与孔19之间的中间，以用于通过所谓的连续装载传送带供应废金属。
46.炉子中可能有痕量水，通常源自装载材料的湿度、空气的湿度和用于冷却电极的水雾，但是根据本发明，仅源自冷却面板的漏水提供有大于自然浓度的氘浓度，所述d2o仅添加到进料到冷却面板的水中。
47.图3以图(作为同位素分数d/(d h)的函数的h2o、d2o和hdo的摩尔分数)的形式显示了h2o/d2o与hdo之间的交换平衡。由于这种平衡而使得相关浓度范围内的hdo浓度高于d2o的浓度，因此优选测量hdo(19)而不是d2o(20)的峰值。
48.质谱仪测量原子或分子的质量。在这方面，将待分析的气体材料插入空的电离室中。加速的电子束将引入的物质转化为正离子，所述正离子被强电场推出到室外。离子达到的速度取决于质量，较轻的离子精确地达到比重离子更高的速度。在通过磁场时，每个离子都因其速度、即其质量而偏离其原始轨迹。磁场强度被略微改变，并且当磁场足够强从而足以使离子束偏转到被引入检测器中时，就会获得信号。基于为获得信号而施加的加速电压和磁场强度，计算形成的离子类型的质量。质谱是作为磁场的函数而检测到的信号的图。峰的位置用于计算加速离子的质量，而它们的相对高度表示各种离子的比例。质谱仪在本领域中是已知的并且不需要更详细地描述。市场提供了多种可用于此目的的仪器。合适的质谱仪是例如用于连续烟和蒸汽分析的系统，所述系统基于具有四极质量分析仪的质谱仪，具有双检测系统：sem(二次电子倍增器)和法拉第。质量范围为0～50amu(原子质量单位)，在100ppb时灵敏度为100％。有利地，速度超过每秒500次测量，并且响应时间《300ms。作为真空系统，可以提供流速为60l/s的超高真空(uhv)涡轮分子泵，具有用于样品前级管道和旁路型泵送的集成隔膜泵。毛细管气体采样入口适用于样品压力在100mbar～2bar之间的连续采样。部件可以是分子泄漏歧管旁路、2米长的加热石英毛细管采样管、从室温到200℃的入口加热系统以及带有样品旁路控制阀的旁路泵管。
49.可以通过减少系统振动、最小化冷点、优化毛细管直径和稀释烟气或排放气体来改进测量系统。
50.为了证明本发明原理的功能性，在图1所示的系统中，在有限的时间段内以各种浓度和各种频率在炉子和沉降室内进行氘化水的注入。
51.图4以示例形式显示了在1分钟内用两次注射模拟水泄漏的对于比18amu:19amu的痕量d2o的检测。所述图清晰地区分了随时间而间隔开的两个峰，所述峰对应于进行的两次注射，并表达了由高浓度d2o的存在而引起的h2o/d2o比的变化。所述图显示了临时模拟的泄漏，在连续泄漏的情况下，检测到的趋势显然会有所不同。
52.在操作期间，可以实施本发明的方法和设备对象的其它实施方式变体或变型。如
果这种变体或这种变型应落入所附权利要求的范围内，则它们均应视为受本专利保护。