銅冶金爐高溫熔體物位檢測裝置研究

嚴明 徐宇坤 林成東

〔摘 要〕針對冶金爐內高溫熔體物位檢測自動檢測缺少標準化、成熟可靠的裝置及應用方案的情況，介紹了一種優化的高溫熔體物位檢測裝置。該裝置采用適用于高溫環境的物位檢測裝置新型設計，通過對雷達傳感器結構進行針對高溫環境的設計，增加多個散熱部件，重新選擇傳感器核心材料和散熱片材質，大大提高了儀表傳感器的耐溫能力，有助于提高物位檢測裝置在火法銅冶煉范圍的閃速爐、側吹爐等高溫爐體上的可靠性、穩定性，延長使用壽命。

〔關鍵詞〕高溫熔體； 高溫； 優化； 物位檢測

中圖分類號：TH816 ? ?文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2023）01-0024-03

Study on the Level Detection Device for the High Temperature Melt in Copper Metallurgical Furnace

YAN Ming， XU Yukun， LIN Chengdong

（Jiangxi Nerin Electric & Automation Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract ?On the conditions of that the standardized， technically-proven and reliable unit and application plan are lacking for automatic measuring of high temperature melt level in metallurgical furnace， the paper introduces an optimized level measuring unit of high temperature melt. The unit adopts a new design of level measuring suitable for high temperature environment. By designing the radar sensor structure in high temperature environment， adding a variety of radiators， and re-selecting the core material and radiation fin material of the sensor， it greatly improves the temperature resistance of the instrument sensor， and helps to increase the reliability and stability of the level measuring unit in the application of the high temperature furnace bodies， such as flash furnace and side-blown furnace in the scope of pyro-metallurgical copper smelting， and extends the service life.

Keywords ?high temperature melt; high temperature; optimization; level measuring

1 研究背景

火法銅冶煉常見的冶金爐主要有閃速爐、側吹爐、頂吹爐等[1]。此類冶金爐內通常存在一個沉淀池承載高溫熔體。在生產過程中，池中高溫熔體的物位是重要的工藝參數，需要技術人員動態地掌握，以實現對工藝過程的實時監控。然而，冶金爐高溫、高粉塵量的惡劣環境，對各類儀器、儀表都提出了苛刻的要求。

由于缺少標準化、成熟可靠的實時測量裝置及應用方案，冶金爐內高溫熔體物位檢測依舊沒有配置自動檢測裝置，目前實際應用較多的仍然是人工通過探尺手段進行手動測量。人工檢測的方法既無法實現對工藝參數實時的掌控，又會耗費大量人工及設備，影響生產效率。盡管在鋼鐵行業中，已有部分高爐應用高溫雷達物位計進行檢測[2]，但是在實際的使用過程中，物位檢測裝置依舊遇到了一些問題，如在對高溫爐體進行測量時，安裝在頂部的物位檢測裝置會因爐內的溫度過高，核心部件壽命縮短，可靠性變差。基于現階段高溫熔體物位檢測裝置存在的缺陷，為增強冶金爐熔體物位檢測的可靠性、穩定性，延長檢測裝置的使用壽命，本文擬提出一種適用于冶金爐高溫環境的物位檢測裝置的新型設計。該裝置具有很強的粉塵穿透能力，能耐受高溫，同時實現將測量檢測信號無延時地傳至上層控制系統，實現數據的可視化及歷史數據的自動保存等功能[3]。

2 ? 物位檢測原理

物位檢測是一種常規的儀表檢測方法，通常可分為接觸式和非接觸式。接觸式，又分為重錘、阻旋、磁翻板、浮球、壓力檢測等類型；非接觸式，根據不同原理可分為超聲波、雷達、高能聲波、視頻成像、激光、電容、放射線等類型。其中，雷達物位計是目前較為常用的固體、液體等物位實時檢測類型[4-6]。

雷達物位檢測裝置采用的是飛行時間法（Time of Flight，簡稱“TOF”）測量原理，又稱回波測距原理。該裝置一般由安裝在料倉頂部的探頭，向倉內發射雷達波，當雷達波傳播到被測物料面上時，在物料面形成反射并返回到探頭被接收。作為一種特殊的電磁波，雷達波與可見光在一些物理特性上極為相似，如以光速傳播，可以穿透空間蒸汽、粉塵等干擾源，遇到障礙物易于被反射等，且被測介質的導電性越好或者介電常數越大，回波信號的反射效果越好。利用雷達波的這些特點，電子部件可以通過雷達波的傳播時間計算出雷達波的傳播距離，從而得出物位信息[5]。

3 ? 高溫熔體物位檢測裝置優化設計

為解決銅冶金爐熔體物位檢測難題，本文擬基于現存常規雷達物位計的特點，以及高溫熔體冶金爐的特殊工況，設計一種可靠、實用，專門用于高溫爐體物位測量的物位檢測裝置。

3.1 ?裝置技術方案

基于常規雷達物位計的檢測原理及配置[7]，物位檢測裝置功能結構特點，從低到高可分為傳感器層、緩沖散熱層、吹掃層、隔熱層4個層次。

1）傳感器層。傳感器層的優化方案是通過改變傳感器核心材料的材質，提高傳感器耐溫能力。普通的物位檢測裝置，其傳感器發波處的核心材料為PTFE、PFA等不耐高溫的材料。本設計將該處材料改為可以耐溫1 500 ℃的三氧化二鋁陶瓷，并將密封材料從氟橡膠等材料更換為耐溫1 200 ℃的石墨，從而大大提高了儀表傳感器的耐溫、耐熱浪沖擊的能力。同時，在表頭與傳感器發波位置之間增加10 cm導波管散熱片以降低熱傳導，使表頭電子與傳感器之間存在一個熱傳導緩沖區，以此來提高表頭對高溫和熱浪沖擊的耐受能力。

2）緩沖散熱層。緩沖散熱層的優化思路是在散熱套管外增加緩沖散熱套管。緩沖散熱套管能夠形成另外一個相對獨立的氣體區域，將散熱套管內的氣體與倉庫內的熱浪氣流分隔開。這樣倉體內的熱浪氣流只能沖擊到緩沖散熱套管區，與散熱套管內的氣體無法直接形成對流，從而降低了熱浪的沖擊。表頭及散熱套管內部配有溫度測量元件，并且以4～20 mA的信號類型傳至控制系統。如果溫度超高，則需要采取必要措施對儀表進行降溫。

3）吹掃層。吹掃層的優化思路是在該層增加吹掃喇叭和散熱套管結構。吹掃喇叭能夠保證雷達傳感器工作在常溫狀態下；散熱套管能夠保證安裝立管處于常溫狀態，避免熱量通過立管傳到儀表表頭，從而損壞電子單元。

4）隔熱層。在1 600 ℃的高溫工況下，必須考慮熱輻射對儀表表頭的加熱作用。隔熱層的優化思路就是通過增加隔熱耐高溫石英玻璃罩和石英玻璃散熱套管部件保護表頭。表頭散熱套管可以有效冷卻儀表供電線纜，保證線纜在高熱輻射下不會熔化；同時在底部增加隔熱耐高溫石英玻璃罩，從而實現對熱浪沖擊的防護。

3.2 ?裝置配置

優化后的高溫熔體物位檢測裝置整體架構設計如圖1所示。

如圖1所示，本優化裝置結構主要包括表頭、吹掃喇叭、散熱套管、緩沖散熱套管、隔熱耐高溫石英玻璃罩、石英玻璃散熱套管等。除此之外，表頭還可加裝表頭吹掃裝置和表頭溫度報警，對儀表供電線纜進行冷卻，防止線纜在高熱輻射下熔化。在有壓力的場所或倉內有CO等易燃、有毒氣體的場所，還可以選配高溫閥門。在儀表進行維護的時候，可以將閥門關閉，避免氣體泄漏。表頭及散熱套管內部配有溫度測量元件，并且以4～20 mA的信號類型遠傳至控制系統。如果溫度超高，則需要采取必要措施對儀表進行降溫，其主要降溫手段則是通過在被分隔的獨立氣體空間中均設置有吹掃裝置，可使用溫度≤35 ℃、壓力為0.4 MPa的氮氣或者壓縮空氣（推薦使用氮氣）進行吹掃，降低各自氣體空間的溫度。

3.3 ?裝置安裝與調試

本優化裝置的安裝，如圖2所示。

物位檢測裝置與爐體使用法蘭連接，雷達天線在天線接管內垂直安裝。物位檢測裝置與爐體之間的空間建議安裝一個防止熱輻射的阻熱擋板，擋板材料可以選擇碳鋼或不銹鋼。考慮到擋板太薄容易被烤變形甚至于烤漏，擋板建議厚度應大于10 mm。

在儀表初期安裝的時候可以采用儀表顯示表頭按鍵進行靜態調試，同時通過液晶顯示曲線來確定儀表安裝是否正確，并進行虛假回波設置來去掉倉壁干擾回波的影響。

儀表在現場運行之后，由于附近溫度較高，可以通過HART WAVER對儀表進行遠程調試。HART WAVER可以直接觀察儀表讀數、雷達回波波形以及對儀表進行所有的參數設置。HART WAVER的操作與表頭的操作完全一致，操作人員不需要對產品進行二次學習。

3 結語

綜上，本文提出的新型物位檢測裝置，能很好地適用于冶金爐的高溫環境，其特征在于以下幾點：

1）傳感器發波處核心材料使用三氧化二鋁陶瓷；2）表頭與傳感器發波位置間增加導波管散熱片降低熱傳導；3）傳感器下增加吹掃喇叭和散熱套管；4）使用緩沖散熱套管形成相對獨立的氣體區域，與散熱套管內氣體形成分隔；5）使用隔熱耐高溫石英玻璃罩和石英玻璃散熱套管防護高溫氣流的流動作用，能大大提高儀表傳感器耐溫能力。該設計能提高物位檢測裝置在閃速爐、側吹爐等高溫爐體內的可靠性、穩定性，延長使用壽命，最終達到提高生產作業率、降低能量消耗的目的。

人工定時檢測改為自動實時監測是工業自動化控制發展的必然方向，目前該設備在銅冶煉行業的應用還處于實驗性階段，筆者相信通過不斷優化改進，此類新型物位檢測裝置將在冶金爐廣泛使用。

參考文獻

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