銅電解精煉過程光纖光柵測溫研究

華瑩珂

(江西銅業集團有限公司 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,它主要與電流密度、換熱器換熱效果、電解液循環流量、環境溫度等有關[1],將電解液溫度控制在合理的區間,有利于提高陰極銅產品的質量。但由于銅電解精煉工序通常需用到數量巨大的電解槽,根據陰極銅產量的不同電解槽數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前電解槽內電解液的循環狀態。目前,國內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據,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性的工作,不利于操作人員的職業健康;(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,人工測溫可能出現測量誤差。

為了推進智能工廠建設、提高生產作業效率、降低操作人員的勞動強度,提升陰極銅質量把控能力和電能效率,銅電解精煉過程已經探索過多種在線測溫方案。

1.1 傳統電學測溫方式

采用傳統基于電學的鉑熱電阻測溫,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線,在測點多且密集的情況下,大量的電纜敷設不利于工業現場管理。此外,銅電解精煉過程的強電磁環境[2]、沖水作業等因素都可能對鉑熱電阻的測量產生影響,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

在銅冶煉行業智能建設的進程中,紅外成像技術和圖像識別技術已經在銅電解精煉過程的極板短路檢測得到較為成功的應用。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

光纖傳感技術是隨光纖通信技術而迅速發展起來的一種傳感技術。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,光纖傳感技術具有抗電磁干擾、絕緣、無感應、耐腐蝕、體積小質量輕、靈敏度高等特點[4],由于其優勢顯著,現已廣泛應用于航空航天、醫藥衛生、石油石化等行業。

傳統的分布式光纖測溫技術是基于光時域反射和拉曼散射效應建立的,其特點是光纖既是傳輸介質又是傳感元件,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和算法,溫度測量精度和測點定位精度不高,多應用于市政管廊、隧道、橋梁等場景。分布式光纖測溫系統一旦出現斷纖,斷點后的溫度測點均不能工作,用于相對惡劣的工業生產現場存在較大的不確定性,且光纖串聯電解槽的安裝方式不便于維護。

2.1 光纖光柵傳感技術

光纖光柵傳感器是當前主流的光纖傳感器之一,它利用光柵作為敏感元件,通過調制布拉格波長來獲取相關物理量的信息。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構,其作用實質是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡,把光纖中傳輸的某一特定波長的光反射,其余波長的光透射過光柵繼續傳輸。

圖1 光纖光柵測溫原理圖

如果光纖光柵不受到應力作用,僅當溫度變化時,光纖光柵的反射波長也發生改變,由公式(1)得出:

式中α—彈性體的熱膨脹系數;

ξ—光纖的熱光系數;

ΔT—溫度改變量。

由此可見,光纖光柵可用作溫度傳感器。

根據光纖光柵傳感器的測溫原理,結合銅電解精煉工序的現場實際情況,測溫方案重點需要考慮系統的結構和光纖光柵傳感器方案。

2.2 光纖光柵測溫系統結構

光纖光柵測溫系統主要由監測主機、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,因此能夠實現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單套光源、探測器和信號處理電路對多路光纖的數據采集[5]。

目前,較為常用的光纖光柵測溫系統的網絡結構分為串聯型傳感網絡、并聯型傳感網絡和組合型傳感網絡。根據銅電解精煉過程現場作業情況的特點,本方案選擇了并聯型傳感網絡,便于設備維護人員對單個光纖光柵傳感器進行維護和更換。

圖2 并聯型光纖光柵測溫網絡示意圖

2.3 波長分配與測溫范圍、精度

此次方案所用的監測主機每個通道可負載的光纖光柵傳感器上限為20 個,同一通道內傳感器的回波波長不能發生混疊,因此要根據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量。正常生產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 傳感器結構與材料

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構和封裝材料問題。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的特性,同時考慮設計的測溫系統結構為并聯型傳感網絡,光纖光柵傳感器采用耐腐蝕材料制成單端管式封裝的結構,端部與光纖用連接器連接,便于日常維護和更換。

3 光纖光柵測溫現場實踐

3.1 光纖光柵傳感器實驗室標定

光柵傳感器在現場安裝前,先進行了實驗室標定,本次實驗使用的光纖光柵系統監測主機可解調的反射波長范圍為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 ℃,對應的波長變化范圍為1.05 nm,光纖光柵中心波長間隔應大于1.05 nm,因此將波長間隔設置為2 nm。

標定設備采用了GT-TH-S-80Z 型恒溫恒濕試驗箱和光纖光柵波長解調儀,標定介質為純水。因在前期實驗中發現光纖光柵傳感器的涂覆層與玻璃纖維的熱膨脹系數不一致,導致測量數據與實際溫度變化存在動態偏差,所以標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固定于特種陶瓷管內。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實驗。實驗溫度56～68 ℃,溫度間隔4 ℃,每個溫度點持續恒溫2 h,循環5 次。每個循環之間用硫酸銅溶液(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定,線性擬合度均大于0.999,適用性達標。

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分光器由同一通道接入監測主機,為防止槽面電磁干擾熱電阻則有溫度隔離變送器將RTD 信號轉為4～20 mA 信號接入DCS。兩種傳感器安裝調試完成后,與經過檢定的手持式溫度計進行數據對比,三者溫差小于0.1 ℃。

圖4 光纖光柵測溫結構圖

通過一段時間的穩定性觀察后,分別從光纖光柵測溫監測主機和DCS 系統中取出原始數據,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 結語

隨著自動化、智能化的推進,現代工業生產過程對各類工藝參數的測量精度和可靠性要求越來越高,而很多傳統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測溫系統,與傳統的電學測溫方式相比結構相對簡單,容易構成測溫網絡且適應惡劣的工業現場環境。盡管從目前的實驗結果來看,光纖光柵傳感技術能夠滿足銅電解精煉過程中電解液的溫度測量要求,但此項技術用于該場景下的溫度測量尚屬首次,大規模工程應用仍需進一步探索。

圖5 光纖光柵與熱電阻測溫趨勢對比