嚴(yán)明 徐宇坤 林成東

〔摘 要〕針對(duì)冶金爐內(nèi)高溫熔體物位檢測(cè)自動(dòng)檢測(cè)缺少標(biāo)準(zhǔn)化、成熟可靠的裝置及應(yīng)用方案的情況，介紹了一種優(yōu)化的高溫熔體物位檢測(cè)裝置。該裝置采用適用于高溫環(huán)境的物位檢測(cè)裝置新型設(shè)計(jì)，通過對(duì)雷達(dá)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)高溫環(huán)境的設(shè)計(jì)，增加多個(gè)散熱部件，重新選擇傳感器核心材料和散熱片材質(zhì)，大大提高了儀表傳感器的耐溫能力，有助于提高物位檢測(cè)裝置在火法銅冶煉范圍的閃速爐、側(cè)吹爐等高溫爐體上的可靠性、穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。

〔關(guān)鍵詞〕高溫熔體； 高溫； 優(yōu)化； 物位檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH816 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：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(cè)吹爐、頂吹爐等[1]。此類冶金爐內(nèi)通常存在一個(gè)沉淀池承載高溫熔體。在生產(chǎn)過程中，池中高溫熔體的物位是重要的工藝參數(shù)，需要技術(shù)人員動(dòng)態(tài)地掌握，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。然而，冶金爐高溫、高粉塵量的惡劣環(huán)境，對(duì)各類儀器、儀表都提出了苛刻的要求。

由于缺少標(biāo)準(zhǔn)化、成熟可靠的實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及應(yīng)用方案，冶金爐內(nèi)高溫熔體物位檢測(cè)依舊沒有配置自動(dòng)檢測(cè)裝置，目前實(shí)際應(yīng)用較多的仍然是人工通過探尺手段進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量。人工檢測(cè)的方法既無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)的掌控，又會(huì)耗費(fèi)大量人工及設(shè)備，影響生產(chǎn)效率。盡管在鋼鐵行業(yè)中，已有部分高爐應(yīng)用高溫雷達(dá)物位計(jì)進(jìn)行檢測(cè)[2]，但是在實(shí)際的使用過程中，物位檢測(cè)裝置依舊遇到了一些問題，如在對(duì)高溫爐體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，安裝在頂部的物位檢測(cè)裝置會(huì)因爐內(nèi)的溫度過高，核心部件壽命縮短，可靠性變差。基于現(xiàn)階段高溫熔體物位檢測(cè)裝置存在的缺陷，為增強(qiáng)冶金爐熔體物位檢測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性，延長(zhǎng)檢測(cè)裝置的使用壽命，本文擬提出一種適用于冶金爐高溫環(huán)境的物位檢測(cè)裝置的新型設(shè)計(jì)。該裝置具有很強(qiáng)的粉塵穿透能力，能耐受高溫，同時(shí)實(shí)現(xiàn)將測(cè)量檢測(cè)信號(hào)無(wú)延時(shí)地傳至上層控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及歷史數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存等功能[3]。

2 ? 物位檢測(cè)原理

物位檢測(cè)是一種常規(guī)的儀表檢測(cè)方法，通?？煞譃榻佑|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(cè)等類型；非接觸式，根據(jù)不同原理可分為超聲波、雷達(dá)、高能聲波、視頻成像、激光、電容、放射線等類型。其中，雷達(dá)物位計(jì)是目前較為常用的固體、液體等物位實(shí)時(shí)檢測(cè)類型[4-6]。

雷達(dá)物位檢測(cè)裝置采用的是飛行時(shí)間法（Time of Flight，簡(jiǎn)稱“TOF”）測(cè)量原理，又稱回波測(cè)距原理。該裝置一般由安裝在料倉(cāng)頂部的探頭，向倉(cāng)內(nèi)發(fā)射雷達(dá)波，當(dāng)雷達(dá)波傳播到被測(cè)物料面上時(shí)，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(dá)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(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性越好或者介電常數(shù)越大，回波信號(hào)的反射效果越好。利用雷達(dá)波的這些特點(diǎn)，電子部件可以通過雷達(dá)波的傳播時(shí)間計(jì)算出雷達(dá)波的傳播距離，從而得出物位信息[5]。

3 ? 高溫熔體物位檢測(cè)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決銅冶金爐熔體物位檢測(cè)難題，本文擬基于現(xiàn)存常規(guī)雷達(dá)物位計(jì)的特點(diǎn)，以及高溫熔體冶金爐的特殊工況，設(shè)計(jì)一種可靠、實(shí)用，專門用于高溫爐體物位測(cè)量的物位檢測(cè)裝置。

3.1 ?裝置技術(shù)方案

基于常規(guī)雷達(dá)物位計(jì)的檢測(cè)原理及配置[7]，物位檢測(cè)裝置功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從低到高可分為傳感器層、緩沖散熱層、吹掃層、隔熱層4個(gè)層次。

1）傳感器層。傳感器層的優(yōu)化方案是通過改變傳感器核心材料的材質(zhì)，提高傳感器耐溫能力。普通的物位檢測(cè)裝置，其傳感器發(fā)波處的核心材料為PTFE、PFA等不耐高溫的材料。本設(shè)計(jì)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(shí)，在表頭與傳感器發(fā)波位置之間增加10 cm導(dǎo)波管散熱片以降低熱傳導(dǎo)，使表頭電子與傳感器之間存在一個(gè)熱傳導(dǎo)緩沖區(qū)，以此來(lái)提高表頭對(duì)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(yōu)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(gè)相對(duì)獨(dú)立的氣體區(qū)域，將散熱套管內(nèi)的氣體與倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的熱浪氣流分隔開。這樣倉(cāng)體內(nèi)的熱浪氣流只能沖擊到緩沖散熱套管區(qū)，與散熱套管內(nèi)的氣體無(wú)法直接形成對(duì)流，從而降低了熱浪的沖擊。表頭及散熱套管內(nèi)部配有溫度測(cè)量元件，并且以4～20 mA的信號(hào)類型傳至控制系統(tǒng)。如果溫度超高，則需要采取必要措施對(duì)儀表進(jìn)行降溫。

3）吹掃層。吹掃層的優(yōu)化思路是在該層增加吹掃喇叭和散熱套管結(jié)構(gòu)。吹掃喇叭能夠保證雷達(dá)傳感器工作在常溫狀態(tài)下；散熱套管能夠保證安裝立管處于常溫狀態(tài)，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(duì)儀表表頭的加熱作用。隔熱層的優(yōu)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(hù)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(huì)熔化；同時(shí)在底部增加隔熱耐高溫石英玻璃罩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱浪沖擊的防護(hù)。

3.2 ?裝置配置

優(yōu)化后的高溫熔體物位檢測(cè)裝置整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

如圖1所示，本優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)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(bào)警，對(duì)儀表供電線纜進(jìn)行冷卻，防止線纜在高熱輻射下熔化。在有壓力的場(chǎng)所或倉(cāng)內(nèi)有CO等易燃、有毒氣體的場(chǎng)所，還可以選配高溫閥門。在儀表進(jìn)行維護(hù)的時(shí)候，可以將閥門關(guān)閉，避免氣體泄漏。表頭及散熱套管內(nèi)部配有溫度測(cè)量元件，并且以4～20 mA的信號(hào)類型遠(yuǎn)傳至控制系統(tǒng)。如果溫度超高，則需要采取必要措施對(duì)儀表進(jìn)行降溫，其主要降溫手段則是通過在被分隔的獨(dú)立氣體空間中均設(shè)置有吹掃裝置，可使用溫度≤35 ℃、壓力為0.4 MPa的氮?dú)饣蛘邏嚎s空氣（推薦使用氮?dú)猓┻M(jìn)行吹掃，降低各自氣體空間的溫度。

3.3 ?裝置安裝與調(diào)試

本優(yōu)化裝置的安裝，如圖2所示。

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

在儀表初期安裝的時(shí)候可以采用儀表顯示表頭按鍵進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，同時(shí)通過液晶顯示曲線來(lái)確定儀表安裝是否正確，并進(jìn)行虛假回波設(shè)置來(lái)去掉倉(cāng)壁干擾回波的影響。

儀表在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行之后，由于附近溫度較高，可以通過HART WAVER對(duì)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。HART WAVER可以直接觀察儀表讀數(shù)、雷達(dá)回波波形以及對(duì)儀表進(jìn)行所有的參數(shù)設(shè)置。HART WAVER的操作與表頭的操作完全一致，操作人員不需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二次學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語(yǔ)

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

1）傳感器發(fā)波處核心材料使用三氧化二鋁陶瓷；2）表頭與傳感器發(fā)波位置間增加導(dǎo)波管散熱片降低熱傳導(dǎo)；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(duì)獨(dú)立的氣體區(qū)域，與散熱套管內(nèi)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(hù)高溫氣流的流動(dòng)作用，能大大提高儀表傳感器耐溫能力。該設(shè)計(jì)能提高物位檢測(cè)裝置在閃速爐、側(cè)吹爐等高溫爐體內(nèi)的可靠性、穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命，最終達(dá)到提高生產(chǎn)作業(yè)率、降低能量消耗的目的。

人工定時(shí)檢測(cè)改為自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是工業(yè)自動(dòng)化控制發(fā)展的必然方向，目前該設(shè)備在銅冶煉行業(yè)的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)性階段，筆者相信通過不斷優(yōu)化改進(jìn)，此類新型物位檢測(cè)裝置將在冶金爐廣泛使用。

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