淺析紅外熱成像技術在銅冶煉爐上的應用

余小華 宮志昊

摘 要：本文介紹紅外熱成像技術在銅冶煉爐上的應用，通過紅外熱成像技術對陽極精煉爐爐體的溫度進行實時在線監測，使爐體溫度分布可視化，便于爐體安全的監管。

關鍵詞：陽極爐;溫度;紅外熱成像技術;可視化

中圖分類號：TF301 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0072-02

0 引言

銅冶煉工業是國家最重要的原材料工業之一，陽極爐是銅冶煉火法精煉工藝過程中關鍵設備，保證陽極爐安全高效運轉對于銅冶煉生產具有重要的意義。

在紅外熱成像測溫技術日漸完善的當下，其是實現溫度測量的重要手段。[1]隨著計算機技術、控制技術與網絡通信技術的飛速發展，爐體紅外在線實時測溫變成了可能，將會便于爐體故障早發現早診斷，同時也節省大量的人力和物力，實現爐體紅外測溫自動化。實時在線、提前準確感知耐火磚的磨損或破損，防止耐火磚的進一步脫落，乃至杜絕爐體破裂，銅水泄露是陽極爐裝備紅外在線測溫與分析系統的關鍵所在。而紅外熱成像技術在陽極爐上的使用在國內目前尚屬空白。

國內的紅外溫度掃描系統主要用在回轉式水泥窯上，回轉窯的窯襯是回轉窯生產中優質、高產、低消耗和長期安全運轉的關鍵因素。溫度過高、熱振蕩過大會嚴重損壞窯襯，甚至殃及窯筒體。紅外熱成像系統是防止窯襯及窯筒體損壞，保證回轉窯安全可靠的運行，實現回轉窯經濟運行的重要監測設備。

在紅外線測溫儀的基礎上，調整燒嘴及還原介質的流量，即可避免爐膛溫度過高對耐火磚的消耗，又能降低能耗和減少環境污染，達到工藝與控制優化的目的。

1 紅外熱成像儀使用前的陽極爐生產情況

陽極爐在運行過程中，由于爐內燃氣燒嘴氣液交界處附近，以及氮氣攪拌系統攪拌口附近的的溫度過高或熱震蕩過大，會造成耐火磚的破損或脫落，嚴重時甚至會造成爐體破裂，而這些故障發生之前，均會出現陽極爐爐體表面局部區域溫度異常高。如不及時發現爐體溫度異常，將會引起爐體設備損壞，造成銅水泄露等狀況，使得在危險作業區作業的人員的人身安全受到威脅，也會給公司帶來巨大的經濟損失。而當前使用的紅外測溫儀都是通過人工手持到陽極爐爐爐體附近測試的方法，人員存在較大安全風險，同時該方法存在著極大的空缺期，不能24小時實時在線監測爐體溫度，這些都不能適應智能化工廠的要求。

由于國內銅冶煉廠的還原效率都普遍較低，大致在30%左右，大量的天然氣在爐內燃燒，不僅增加了爐膛的熱負荷，還增加了排煙管爐上設備的熱負荷，特別是空冷器和布袋收塵設備，溫度一旦不可控，收塵的濾袋就很可能燒損，從而造成嚴重的環境責任事故，因此對于陽極爐煙氣溫度的實時監控和調整極為重要，而對爐體及爐內的溫度實時檢測和監控勢在必行，達到可視化管理。

2 紅外熱成像儀使用后的陽極爐生產情況

針對上述問題，借鑒軍工類紅外熱成像技術，開展實施紅外熱成像溫度掃描檢測裝置，熱成像儀對全部監測目標區域的定時掃描或定點監測。監測畫面通過光纖實時傳輸到監測計算機，[2]以便提高生產勞動效率，加強爐體安全的監管，優化工藝操作，并自主研發紅外測溫儀在陽極爐上的成像系統。

如圖1、圖2，自紅外熱成像儀投入使用，經過現場生產實踐摸索，已實現以下成果：

（1）實時顯示捕捉畫面內的最高溫度，全屏幕多點同時掃描測溫顯示;（2）自動全屏掃描捕捉最高溫與最低溫;（3）對圖像上任一直線進行溫度分析;（4）對圖像上的相關區域進行溫度掃描分析，且區域可任意移動和改變大小，同時可有多個不同的區域進行分析;（5）對多個區域同時進行分析比較;圖像內任意點、線的溫度掃描，對變化趨勢進行記錄分析;（6）圖像內任意區域內的溫度掃描，對變化趨勢進行記錄分析;（7）自動計算被測點與設置溫度的溫差;并形成數字顯示，便于操作人員對爐體溫度分布情況的了解和掌握。

通過對紅外熱成像儀使用經驗歸納，現場操作人員可通過畫面的顏色分布，對照顏色溫度分布坐標可直觀的判斷爐體各區域溫度分布，對爐體使用安全可實時掌控，并對溫度偏高區域進行現場測溫點檢，雙層保障確保爐體安全使用。

對于溫度偏低，顏色呈暗黑的區域，操作人員會加強爐內點檢，確認顏色暗黑區域的具體情況，并能及時安排陽極爐進行添加石英砂造渣洗爐放渣操作，防止爐內因溫度過低，在爐內形成結渣大塊，導致爐內容積逐漸減小，無法滿足生產需要。同時也可以有效避免因溫度低而形成結渣大塊導致的爐體重心偏移，減少陽極爐爐體驅動負荷，保證爐體運行安全穩定。

另外，通過紅外熱成像系統，還可以間接反應爐膛的燃燒氣氛與效果。當爐體溫度整體升高，陽極爐爐內存在過熱現象，操作員可以根據紅外熱成像系統顯示的顏色變化間接判斷爐溫過高，及時降低燒嘴燃料量，來控制爐內溫度和減少排煙系統的熱負荷，保護排煙管路與管路上的收塵設備。

陽極精煉的還原期，由于工藝特點，還原效率較低，大部分天然氣在爐內燃燒，爐內過熱現象就更為頻繁，通過有紅外熱成像系統顯示的顏色變化，操作員可及時加大或減小氮氣量、調整還原風管邁入銅水的深度、還原時燒嘴流量、攪拌系統氮氣的流量等來合理的調整爐內溫度，更加精細化地監控和控制陽極爐爐體狀態，對于爐體安全控制具有極其重要的意義。

3 結語

通過紅外熱成像儀的使用跟蹤和積累，對紅外熱成像儀在陽極爐上的應用做如下總結：

（1）測溫范圍充足：陽極爐表面溫度是爐內工況的綜合反映，其溫度的高低受制于爐內冶煉溫度的高低、耐火磚的導熱系數、耐火磚的厚度和磨損等情況的影響，通常情況下，陽極爐表面溫度在100度到350度的變化范圍，紅外在線測溫儀有足夠大的測溫范圍，可以滿足陽極爐爐體溫度變化范圍，并相應的顏色顯示對應溫度變化，可以明確、快速地供操作人員掌握爐體溫度分布和變化，面對異常情況，可及時、準確地采取相應的應急措施，降低安全風險。

（2）測溫點數：整個陽極爐爐體覆蓋多個溫度測量點可輕易易感知爐體的溫度變化，但因為紅外測溫是被測靶面的紅外輻射能量的平均值，當測量靶面越大，紅外測溫儀獲取的是測量靶面上的平均溫度，當測量靶面等于或大于一個耐火磚的面積時，耐火磚上的細小的溫度變化，是無法檢測到的，只有等到耐火磚脫落或大面積耐火磚脫落時才能發現，因此對于陽極爐重點區域（風口區、渣線區、燒嘴區、出銅口區）的日常人工測溫點檢仍是不可替代的。

（3）溫度測量精度：選擇配置高性能的紅外測溫儀，保證了紅外在線測溫與分析系統的技術性能，該系統在陽極爐上使用時對陽極爐生產過程中的爐體安全的實時監控有重要意義。

（4）根據紅外熱成像儀的實時數據，及時調整陽極爐稀氧燒嘴、透氣磚、氧化還原介質的流量，及氧化還原風管角度的確定等工藝參數的調整及優化，在保證爐體安全穩定運行的前提下，實現更優化、更精細地操作。

參考文獻

[1] 徐卓.金屬機械加工中紅外熱成像測溫技術的應用[J].大科技，2019，（35）：222-223.

[2] 于占忠.高爐熱風爐系統紅外成像監測技術開發與應用[J].設備管理與維修，2019，（13）：107-109.