華瑩珂

(江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠,江西 貴溪 335424)

電解液溫度是銅電解精煉過程中一項(xiàng)十分重要的參數(shù),它主要與電流密度、換熱器換熱效果、電解液循環(huán)流量、環(huán)境溫度等有關(guān)[1],將電解液溫度控制在合理的區(qū)間,有利于提高陰極銅產(chǎn)品的質(zhì)量。但由于銅電解精煉工序通常需用到數(shù)量巨大的電解槽,根據(jù)陰極銅產(chǎn)量的不同電解槽數(shù)量一般在幾百甚至超過一千個(gè),為在線溫度測(cè)量工作帶來了極大困難。

1 銅電解精煉過程測(cè)溫現(xiàn)狀

通常情況下,銅電解精煉工序采用測(cè)量每個(gè)出液口的電解液溫度來判斷當(dāng)前電解槽內(nèi)電解液的循環(huán)狀態(tài)。目前,國(guó)內(nèi)大部分銅冶煉廠的電解精煉工序,都以人工測(cè)量的方式來獲取溫度數(shù)據(jù),這種方式存在以下多種弊端:(1)需要耗費(fèi)大量的人力做長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械化重復(fù)性的工作,不利于操作人員的職業(yè)健康;(2)人工測(cè)溫方式效率低,不可能及時(shí)有效地反映電解液的實(shí)時(shí)溫度;(3)在各種外界因素的干擾下,人工測(cè)溫可能出現(xiàn)測(cè)量誤差。

為了推進(jìn)智能工廠建設(shè)、提高生產(chǎn)作業(yè)效率、降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提升陰極銅質(zhì)量把控能力和電能效率,銅電解精煉過程已經(jīng)探索過多種在線測(cè)溫方案。

1.1 傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)溫方式

采用傳統(tǒng)基于電學(xué)的鉑熱電阻測(cè)溫,特點(diǎn)是測(cè)溫精度高、機(jī)械強(qiáng)度大。鉑熱電阻用于電解液測(cè)溫的缺點(diǎn)較為明顯,工業(yè)過程控制常用鉑熱電阻使用三線制接法,每個(gè)測(cè)點(diǎn)均需要三根導(dǎo)線,在測(cè)點(diǎn)多且密集的情況下,大量的電纜敷設(shè)不利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理。此外,銅電解精煉過程的強(qiáng)電磁環(huán)境[2]、沖水作業(yè)等因素都可能對(duì)鉑熱電阻的測(cè)量產(chǎn)生影響,而且電解液的強(qiáng)酸性容易引起鉑熱電阻及其電纜線路的腐蝕損壞。

1.2 紅外熱成像測(cè)溫方式

在銅冶煉行業(yè)智能建設(shè)的進(jìn)程中,紅外成像技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在銅電解精煉過程的極板短路檢測(cè)得到較為成功的應(yīng)用。紅外攝像頭安裝在用于吊裝極板的行車上,在行車行走過程中可以掃描覆蓋范圍電解槽的極板溫度分布情況,也能同時(shí)測(cè)得電解槽兩端電解液的溫度,但受制于紅外熱成像的原理,該技術(shù)只能反映出物體表面的溫度場(chǎng)。從電解液測(cè)溫的實(shí)際效果來看,其測(cè)量精度只能達(dá)到±2 ℃,遠(yuǎn)不能達(dá)到精煉過程電解液溫度±0.5 ℃的控制要求。

2 銅電解精煉過程光纖光柵測(cè)溫方案

光纖傳感技術(shù)是隨光纖通信技術(shù)而迅速發(fā)展起來的一種傳感技術(shù)。在外界因素的作用下,光纖中光波的振幅、相位、頻率、波長(zhǎng)等特征參量會(huì)發(fā)生變化,從而可以將光纖作為傳感器來測(cè)量各種物理量[3]。光纖傳感技術(shù)用于溫度測(cè)量與其他工作原理的測(cè)溫傳感器相比,光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、絕緣、無感應(yīng)、耐腐蝕、體積小質(zhì)量輕、靈敏度高等特點(diǎn)[4],由于其優(yōu)勢(shì)顯著,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、石油石化等行業(yè)。

傳統(tǒng)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)是基于光時(shí)域反射和拉曼散射效應(yīng)建立的,其特點(diǎn)是光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感元件,測(cè)量的溫度是某一段光纖溫度的平均值,準(zhǔn)確性特別依賴信號(hào)解調(diào)和算法,溫度測(cè)量精度和測(cè)點(diǎn)定位精度不高,多應(yīng)用于市政管廊、隧道、橋梁等場(chǎng)景。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)一旦出現(xiàn)斷纖,斷點(diǎn)后的溫度測(cè)點(diǎn)均不能工作,用于相對(duì)惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在較大的不確定性,且光纖串聯(lián)電解槽的安裝方式不便于維護(hù)。

2.1 光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵傳感器是當(dāng)前主流的光纖傳感器之一,它利用光柵作為敏感元件,通過調(diào)制布拉格波長(zhǎng)來獲取相關(guān)物理量的信息。將光纖進(jìn)行高壓載氫以增強(qiáng)其光敏性,再通過紫外光曝光或飛秒激光刻蝕技術(shù)將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯,在光纖上形成折射率的周期性分布結(jié)構(gòu),其作用實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡,把光纖中傳輸?shù)哪骋惶囟úㄩL(zhǎng)的光反射,其余波長(zhǎng)的光透射過光柵繼續(xù)傳輸。

圖1 光纖光柵測(cè)溫原理圖

如果光纖光柵不受到應(yīng)力作用,僅當(dāng)溫度變化時(shí),光纖光柵的反射波長(zhǎng)也發(fā)生改變,由公式(1)得出:

式中α—彈性體的熱膨脹系數(shù);

ξ—光纖的熱光系數(shù);

ΔT—溫度改變量。

由此可見,光纖光柵可用作溫度傳感器。

根據(jù)光纖光柵傳感器的測(cè)溫原理,結(jié)合銅電解精煉工序的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,測(cè)溫方案重點(diǎn)需要考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和光纖光柵傳感器方案。

2.2 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)主機(jī)、傳輸光纖和光纖光柵傳感器組成。光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)中每個(gè)光纖光柵傳感器通過其特定的光譜特征分辨,因此能夠?qū)崿F(xiàn)在一根光纖上串接多個(gè)傳感器,并且可以通過分路合路器實(shí)現(xiàn)單套光源、探測(cè)器和信號(hào)處理電路對(duì)多路光纖的數(shù)據(jù)采集[5]。

目前,較為常用的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)型傳感網(wǎng)絡(luò)、并聯(lián)型傳感網(wǎng)絡(luò)和組合型傳感網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)銅電解精煉過程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況的特點(diǎn),本方案選擇了并聯(lián)型傳感網(wǎng)絡(luò),便于設(shè)備維護(hù)人員對(duì)單個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行維護(hù)和更換。

圖2 并聯(lián)型光纖光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.3 波長(zhǎng)分配與測(cè)溫范圍、精度

此次方案所用的監(jiān)測(cè)主機(jī)每個(gè)通道可負(fù)載的光纖光柵傳感器上限為20 個(gè),同一通道內(nèi)傳感器的回波波長(zhǎng)不能發(fā)生混疊,因此要根據(jù)槽面電解液的溫度變化范圍對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行分配,最終確定單個(gè)通道上光柵傳感器的數(shù)量。正常生產(chǎn)過程中銅電解精煉過程中槽面電解液溫度控制范圍在62～66 ℃,兼顧空槽時(shí)管線光柵傳感器所處的環(huán)境溫度和工程余量,將溫度測(cè)量范圍擴(kuò)展為-20～85 ℃,溫度測(cè)量精度在0.5～0.8 ℃。

2.4 傳感器結(jié)構(gòu)與材料

銅電解精煉所用的電解液主要成分是H2SO4和CuSO4組成的水溶液,溶液中的As、Sb、Bi 等雜質(zhì)會(huì)形成極易附著的化合物,此外電解液中還會(huì)加入少量鹽酸作為添加劑。因此用于銅電解液的溫度測(cè)量,光纖光柵傳感器需要考慮封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料問題。光纖光柵傳感器由玻璃纖維制成,自身抗剪切能力差,所以在實(shí)際工程應(yīng)用中需要做封裝處理。對(duì)于銅電解液和Cl-的強(qiáng)腐蝕性和As、Sb、Bi等形成的化合物容易粘結(jié)的特性,同時(shí)考慮設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為并聯(lián)型傳感網(wǎng)絡(luò),光纖光柵傳感器采用耐腐蝕材料制成單端管式封裝的結(jié)構(gòu),端部與光纖用連接器連接,便于日常維護(hù)和更換。

3 光纖光柵測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

3.1 光纖光柵傳感器實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定

光柵傳感器在現(xiàn)場(chǎng)安裝前,先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定,本次實(shí)驗(yàn)使用的光纖光柵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)可解調(diào)的反射波長(zhǎng)范圍為1 525～1 565 nm,光纖光柵傳感器的溫度靈敏度為10pm/℃,實(shí)際溫度測(cè)量范圍-20～85 ℃,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化范圍為1.05 nm,光纖光柵中心波長(zhǎng)間隔應(yīng)大于1.05 nm,因此將波長(zhǎng)間隔設(shè)置為2 nm。

標(biāo)定設(shè)備采用了GT-TH-S-80Z 型恒溫恒濕試驗(yàn)箱和光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀,標(biāo)定介質(zhì)為純水。因在前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)光纖光柵傳感器的涂覆層與玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)不一致,導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度變化存在動(dòng)態(tài)偏差,所以標(biāo)定前剝離了光纖光柵傳感器的涂覆層,進(jìn)行不受力自由狀態(tài)固定于特種陶瓷管內(nèi)。光纖光柵傳感器恒溫40 ℃固化24 h,再放入恒溫箱里進(jìn)行溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度56～68 ℃,溫度間隔4 ℃,每個(gè)溫度點(diǎn)持續(xù)恒溫2 h,循環(huán)5 次。每個(gè)循環(huán)之間用硫酸銅溶液(配比為1 000 mL 純水:200 g 無水硫酸銅)浸泡16 h 進(jìn)行密封性實(shí)驗(yàn)。光纖光柵傳感器波長(zhǎng)穩(wěn)定,線性擬合度均大于0.999,適用性達(dá)標(biāo)。

圖3 波長(zhǎng)與溫度線性擬合度曲線

3.2 光纖光柵傳感器銅電解過程實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)在銅電解精煉工序的13 組選擇了1#～5#電解槽,每個(gè)電解槽的出液口液面以下300 mm 各安裝1 個(gè)光纖光柵傳感器,同時(shí)在1#、3#、5#電解槽各安裝一支PT100 型熱電阻用于測(cè)溫準(zhǔn)確性對(duì)比,浸入電解液深度與光纖光柵傳感器一致,二者相隔距離小于10 mm。5 個(gè)光纖光柵傳感器經(jīng)分光器由同一通道接入監(jiān)測(cè)主機(jī),為防止槽面電磁干擾熱電阻則有溫度隔離變送器將RTD 信號(hào)轉(zhuǎn)為4～20 mA 信號(hào)接入DCS。兩種傳感器安裝調(diào)試完成后,與經(jīng)過檢定的手持式溫度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比,三者溫差小于0.1 ℃。

圖4 光纖光柵測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖

通過一段時(shí)間的穩(wěn)定性觀察后,分別從光纖光柵測(cè)溫監(jiān)測(cè)主機(jī)和DCS 系統(tǒng)中取出原始數(shù)據(jù),制成趨勢(shì)圖,顯示光纖光柵傳感器與熱電阻測(cè)量的溫度趨勢(shì)基本一致,二者的偏差范圍小于0.4 ℃。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化、智能化的推進(jìn),現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)各類工藝參數(shù)的測(cè)量精度和可靠性要求越來越高,而很多傳統(tǒng)的測(cè)量方法由于諸多原因,逐漸不能滿足需求。本文介紹的基于光纖傳感技術(shù)測(cè)溫系統(tǒng),與傳統(tǒng)的電學(xué)測(cè)溫方式相比結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,容易構(gòu)成測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)且適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。盡管從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,光纖光柵傳感技術(shù)能夠滿足銅電解精煉過程中電解液的溫度測(cè)量要求,但此項(xiàng)技術(shù)用于該場(chǎng)景下的溫度測(cè)量尚屬首次,大規(guī)模工程應(yīng)用仍需進(jìn)一步探索。

圖5 光纖光柵與熱電阻測(cè)溫趨勢(shì)對(duì)比