華瑩珂

(江西銅業(yè)集團有限公司 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,為在線溫度測量工作帶來了極大困難。

1 銅電解精煉過程測溫現(xiàn)狀

通常情況下,銅電解精煉工序采用測量每個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,國內(nèi)大部分銅冶煉廠的電解精煉工序,都以人工測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)需要耗費大量的人力做長時間機械化重復(fù)性的工作,不利于操作人員的職業(yè)健康;(2)人工測溫方式效率低,不可能及時有效地反映電解液的實時溫度;(3)在各種外界因素的干擾下,人工測溫可能出現(xiàn)測量誤差。

為了推進智能工廠建設(shè)、提高生產(chǎn)作業(yè)效率、降低操作人員的勞動強度,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)探索過多種在線測溫方案。

1.1 傳統(tǒng)電學(xué)測溫方式

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

1.2 紅外熱成像測溫方式

在銅冶煉行業(yè)智能建設(shè)的進程中,紅外成像技術(shù)和圖像識別技術(shù)已經(jīng)在銅電解精煉過程的極板短路檢測得到較為成功的應(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,也能同時測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。從電解液測溫的實際效果來看,其測量精度只能達到±2 ℃,遠不能達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、波長等特征參量會發(fā)生變化,從而可以將光纖作為傳感器來測量各種物理量[3]。光纖傳感技術(shù)用于溫度測量與其他工作原理的測溫傳感器相比,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[4],由于其優(yōu)勢顯著,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)的分布式光纖測溫技術(shù)是基于光時域反射和拉曼散射效應(yīng)建立的,其特點是光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感元件,測量的溫度是某一段光纖溫度的平均值,準確性特別依賴信號解調(diào)和算法,溫度測量精度和測點定位精度不高,多應(yīng)用于市政管廊、隧道、橋梁等場景。分布式光纖測溫系統(tǒng)一旦出現(xiàn)斷纖,斷點后的溫度測點均不能工作,用于相對惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場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。

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)制布拉格波長來獲取相關(guān)物理量的信息。將光纖進行高壓載氫以增強其光敏性,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),其作用實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡,把光纖中傳輸?shù)哪骋惶囟úㄩL的光反射,其余波長的光透射過光柵繼續(xù)傳輸。

圖1 光纖光柵測溫原理圖

如果光纖光柵不受到應(yīng)力作用,僅當(dāng)溫度變化時,光纖光柵的反射波長也發(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溫原理,結(jié)合銅電解精煉工序的現(xiàn)場實際情況,測溫方案重點需要考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和光纖光柵傳感器方案。

2.2 光纖光柵測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖光柵測溫系統(tǒng)主要由監(jiān)測主機、傳輸光纖和光纖光柵傳感器組成。光纖光柵測溫系統(tǒng)中每個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傳感器,并且可以通過分路合路器實現(xiàn)單套光源、探測器和信號處理電路對多路光纖的數(shù)據(jù)采集[5]。

目前,較為常用的光纖光柵測溫系統(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)場作業(yè)情況的特點,本方案選擇了并聯(lián)型傳感網(wǎng)絡(luò),便于設(shè)備維護人員對單個光纖光柵傳感器進行維護和更換。

圖2 并聯(lián)型光纖光柵測溫網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.3 波長分配與測溫范圍、精度

此次方案所用的監(jiān)測主機每個通道可負載的光纖光柵傳感器上限為20 個,同一通道內(nèi)傳感器的回波波長不能發(fā)生混疊,因此要根據(jù)槽面電解液的溫度變化范圍對波長進行分配,最終確定單個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 ℃,兼顧空槽時管線光柵傳感器所處的環(huán)境溫度和工程余量,將溫度測量范圍擴展為-20～85 ℃,溫度測量精度在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)會形成極易附著的化合物,此外電解液中還會加入少量鹽酸作為添加劑。因此用于銅電解液的溫度測量,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,所以在實際工程應(yīng)用中需要做封裝處理。對于銅電解液和Cl-的強腐蝕性和As、Sb、Bi等形成的化合物容易粘結(jié)的特性,同時考慮設(shè)計的測溫系統(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,便于日常維護和更換。

3 光纖光柵測溫現(xiàn)場實踐

3.1 光纖光柵傳感器實驗室標(biāo)定

光柵傳感器在現(xiàn)場安裝前,先進行了實驗室標(biāo)定,本次實驗使用的光纖光柵系統(tǒng)監(jiān)測主機可解調(diào)的反射波長范圍為1 525～1 565 nm,光纖光柵傳感器的溫度靈敏度為10pm/℃,實際溫度測量范圍-20～85 ℃,對應(yīng)的波長變化范圍為1.05 nm,光纖光柵中心波長間隔應(yīng)大于1.05 nm,因此將波長間隔設(shè)置為2 nm。

標(biāo)定設(shè)備采用了GT-TH-S-80Z 型恒溫恒濕試驗箱和光纖光柵波長解調(diào)儀,標(biāo)定介質(zhì)為純水。因在前期實驗中發(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)致測量數(shù)據(jù)與實際溫度變化存在動態(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,再放入恒溫箱里進行溫度循環(huán)實驗。實驗溫度56～68 ℃,溫度間隔4 ℃,每個溫度點持續(xù)恒溫2 h,循環(huán)5 次。每個循環(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 進行密封性實驗。光纖光柵傳感器波長穩(wěn)定,線性擬合度均大于0.999,適用性達標(biāo)。

圖3 波長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測

現(xiàn)場測溫實驗在銅電解精煉工序的13 組選擇了1#～5#電解槽,每個電解槽的出液口液面以下300 mm 各安裝1 個光纖光柵傳感器,同時在1#、3#、5#電解槽各安裝一支PT100 型熱電阻用于測溫準確性對比,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 個光纖光柵傳感器經(jīng)分光器由同一通道接入監(jiān)測主機,為防止槽面電磁干擾熱電阻則有溫度隔離變送器將RTD 信號轉(zhuǎn)為4～20 mA 信號接入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進行數(shù)據(jù)對比,三者溫差小于0.1 ℃。

圖4 光纖光柵測溫結(jié)構(gòu)圖

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

4 結(jié)語

隨著自動化、智能化的推進,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對各類工藝參數(shù)的測量精度和可靠性要求越來越高,而很多傳統(tǒng)的測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)測溫系統(tǒng),與傳統(tǒng)的電學(xué)測溫方式相比結(jié)構(gòu)相對簡單,容易構(gòu)成測溫網(wǎng)絡(luò)且適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。盡管從目前的實驗結(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量要求,但此項技術(shù)用于該場景下的溫度測量尚屬首次,大規(guī)模工程應(yīng)用仍需進一步探索。

圖5 光纖光柵與熱電阻測溫趨勢對比