耐火材料损伤状态的声学主被动监测机理与方法研究

Improving the life of lining is an important approach to reduce the consumption of refractory. Meanwhile, the discriminant of damage rules and monitoring of damage state are prerequisite in this regard. Acoustic detection, with advantages of large information capacity and excellent cooperativity, is suitable for evaluation of refractory. However, the traditional techniques can not apply any more because of the complex acoustic clutter and scattering caused by the microscopic structure of the refractory. TR (Time Reversal) technology has the advantage of adaptively focusing detection signal on the crack in the detection area and further has the capacity of exactly locating the target, which makes TR suited for damage detection in inhomogeneous environment, such as refractory structure. The structure of matrix and granular and its interface dynamics character will be theoretically studied first in the project. The propagation process and energy loss mechanism of elastic wave generated by piezoelectric actuator will be analyzed by numerical simulation technology. The piezoelectric active sensor will be used to simulate and receive the interfacial response. The TR will be then used to study the dynamic information and the dynamic model will be obtained with the combination of theory and simulation. On this basis, with the fusion of acoustic emission and piezoelectric active sensor technology, the active and passive acoustic real time detection monitoring system will be developed to achieve the high resolution imaging of crack. The project will provide a novel damage imaging based structural health monitoring approach that is highly intelligent, accurate and real time, and will make significant contribution to improve safety level of the refractory structures.

提高炉衬寿命是降低耐火材料消耗的重要途径，对材料损伤规律的判断与损伤状态的监测是提高其寿命的先决条件。声学检测以其携带信息量大、协同性好等优点，非常适用于材料的状态评价。然而，耐火材料复杂的微观结构对声波产生杂波、散射等干扰，加之主动传感技术监测范围的限制，使得传统方法难以适用。时间反演技术能够使信号聚焦成像，实现目标清晰定位，在耐火材料的损伤监测中具有广阔应用前景。本课题首先从理论研究耐火材料基质颗粒相结构及其界面动力学特性，借助数值方法分析压电弹性波在组分相界面的传播、损耗机理；采用压电主动传感的方式，利用时间反演法分析界面动力学信息，结合理论与数值研究获得界面动力学模型；在此基础上，融合声发射被动传感与压电主动传感技术，形成耐火材料主被动声学实时监测方法，实现对更广范围内正在扩展裂纹的高分辨率成像。本项目的完成，可为大型耐火材料结构提供一个智能、精确、实时的新型监测系统及解决方案。

耐火材料炉衬结构广泛用于冶金、建材、化工等行业的高温容器件中。据统计，我国每年因炉衬损坏就要消耗大量的耐火材料，其中钢铁行业的消耗量最大，约占总量的60%~70%，成为节能环保需要考虑的重要问题。提高炉衬寿命是降低耐火材料消耗的重要途径，对材料损伤规律的判断与损伤状态的监测是提高其寿命的先决条件。声学检测以其携带信息量大、协同性好等优点，非常适用于材料的状态评价。然而，耐火材料复杂的微观结构对声波产生杂波、散射等干扰，加之主动传感技术监测范围的限制，使得传统方法难以适用。时间反演技术能够使信号聚焦成像，实现损伤目标的识别，在耐火材料的损伤监测中具有广阔应用前景。本项目首先从理论研究耐火材料基质颗粒相结构及其界面特性，借助数值方法分析弹性波在组分相界面的传播、损耗机理；采用压电主动传感的方式，利用时间反演法分析界面信息，结合理论与数值研究获得界面模型；在此基础上，融合声发射被动传感与压电主动传感技术，形成耐火材料主被动声学实时监测方法，实现对更广范围内声波传递与衰减特性的识别研究。. 本项目在耐火材料宏观非线性力学行为的细观力学建模和基于主被动声学检测微损伤的实验表征技术方面取得了一些有意义的成果。基于主成分分析和高斯混合模型，结合多重分形理论提出了一种耐火材料声发射信号特征提取及损伤模式识别方法；之后进行了基于内聚力模型的耐火材料非线性力学行为研究，借助了数值方法分析弹性波在组分相界面的传播、损耗机理，建立了耐火材料的多颗粒随机分布界面损伤模型，并模拟了单轴拉伸作用下材料的力学行为；开发了主被动声学检测耐火材料损伤实验平台，进行了基于主被动传感的耐火材料声发射传递规律研究；最后，在之前研究成果的基础上，在原研究计划之外进行了一定探索性研究，运用小波变换分析了冲击回波法在混凝土检测中的应用。本项目的研究成果可以为大型耐火材料结构提供一个智能、精确的新型监测系统及解决方案，对提高炉衬结构使用寿命具有重要意义。部分研究成果还可为耐火材料的微观结构设计和性能评价提供借鉴。