铜冶金炉高温熔体物位检测装置研究

633 编辑：中冶有色技术网来源：严明徐宇坤林成东

2024-03-05 14:20:06

〔摘要〕针对冶金炉内高温熔体物位检测自动检测缺少标准化、成熟可靠的装置及应用方案的情况，介绍了一种优化的高温熔体物位检测装置。该装置采用适用于高温环境的物位检测装置新型设计，通过对雷达传感器结构进行针对高温环境的设计，增加多个散热部件，重新选择传感器核心材料和散热片材质，大大提高了仪表传感器的耐温能力，有助于提高物位检测装置在火法铜冶炼范围的闪速炉、侧吹炉等高温炉体上的可靠性、稳定性，延长使用寿命。

〔关键词〕高温熔体, 高温, 优化, 物位检测

中图分类号：TH816 文献标志码：B 文章编号：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

火法銅冶炼常见的冶金炉主要有闪速炉、侧吹炉、顶吹炉等[1]。此类冶金炉内通常存在一个沉淀池承载高温熔体。在生产过程中，池中高温熔体的物位是重要的工艺参数，需要技术人员动态地掌握，以实现对工艺过程的实时监控。然而，冶金炉高温、高粉尘量的恶劣环境，对各类仪器、仪表都提出了苛刻的要求。

由于缺少标准化、成熟可靠的实时测量装置及应用方案，冶金炉内高温熔体物位检测依旧没有配置自动检测装置，目前实际应用较多的仍然是人工通过探尺手段进行手动测量。人工检测的方法既无法实现对工艺参数实时的掌控，又会耗费大量人工及设备，影响生产效率。尽管在钢铁行业中，已有部分高炉应用高温雷达物位计进行检测[2]，但是在实际的使用过程中，物位检测装置依旧遇到了一些问题，如在对高温炉体进行测量时，安装在顶部的物位检测装置会因炉内的温度过高，核心部件寿命缩短，可靠性变差。基于现阶段高温熔体物位检测装置存在的缺陷，为增强冶金炉熔体物位检测的可靠性、稳定性，延长检测装置的使用寿命，本文拟提出一种适用于冶金炉高温环境的物位检测装置的新型设计。该装置具有很强的粉尘穿透能力，能耐受高温，同时实现将测量检测信号无延时地传至上层控制系统，实现数据的可视化及历史数据的自动保存等功能[3]。

2 物位检测原理

物位检测是一种常规的仪表检测方法，通常可分为接触式和非接触式。接触式，又分为重锤、阻旋、磁翻板、浮球、压力检测等类型,非接触式，根据不同原理可分为超声波、雷达、高能声波、视频成像、激光、电容、放射线等类型。其中，雷达物位计是目前较为常用的固体、液体等物位实时检测类型[4-6]。

雷达物位检测装置采用的是飞行时间法（Time of Flight，简称“TOF）测量原理，又称回波测距原理。该装置一般由安装在料仓顶部的探头，向仓内发射雷达波，当雷达波传播到被测物料面上时，在物料面形成反射并返回到探头被接收。作为一种特殊的电磁波，雷达波与可见光在一些物理特性上极为相似，如以光速传播，可以穿透空间蒸汽、粉尘等干扰源，遇到障碍物易于被反射等，且被测介质的导电性越好或者介电常数越大，回波信号的反射效果越好。利用雷达波的这些特点，电子部件可以通过雷达波的传播时间计算出雷达波的传播距离，从而得出物位信息[5]。

3 高温熔体物位检测装置优化设计

为解决铜冶金炉熔体物位检测难题，本文拟基于现存常规雷达物位计的特点，以及高温熔体冶金炉的特殊工况，设计一种可靠、实用，专门用于高温炉体物位测量的物位检测装置。

3.1 装置技术方案

基于常規雷达物位计的检测原理及配置[7]，物位检测装置功能结构特点，从低到高可分为传感器层、缓冲散热层、吹扫层、隔热层4个层次。

1）传感器层。传感器层的优化方案是通过改变传感器核心材料的材质，提高传感器耐温能力。普通的物位检测装置，其传感器发波处的核心材料为PTFE、PFA等不耐高温的材料。本设计将该处材料改为可以耐温1 500 ℃的三氧化二铝陶瓷，并将密封材料从氟橡胶等材料更换为耐温1 200 ℃的石墨，从而大大提高了仪表传感器的耐温、耐热浪冲击的能力。同时，在表头与传感器发波位置之间增加10 cm导波管散热片以降低热传导，使表头电子与传感器之间存在一个热传导缓冲区，以此来提高表头对高温和热浪冲击的耐受能力。

2）缓冲散热层。缓冲散热层的优化思路是在散热套管外增加缓冲散热套管。缓冲散热套管能够形成另外一个相对独立的气体区域，将散热套管内的气体与仓库内的热浪气流分隔开。这样仓体内的热浪气流只能冲击到缓冲散热套管区，与散热套管内的气体无法直接形成对流，从而降低了热浪的冲击。表头及散热套管内部配有温度测量元件，并且以4～20 mA的信号类型传至控制系统。如果温度超高，则需要采取必要措施对仪表进行降温。

3）吹扫层。吹扫层的优化思路是在该层增加吹扫喇叭和散热套管结构。吹扫喇叭能够保证雷达传感器工作在常温状态下,散热套管能够保证安装立管处于常温状态，避免热量通过立管传到仪表表头，从而损坏电子单元。

4）隔热层。在1 600 ℃的高温工况下，必须考虑热辐射对仪表表头的加热作用。隔热层的优化思路就是通过增加隔热耐高温石英玻璃罩和石英玻璃散热套管部件保护表头。表头散热套管可以有效冷却仪表供电线缆，保证线缆在高热辐射下不会熔化,同时在底部增加隔热耐高温石英玻璃罩，从而实现对热浪冲击的防护。

3.2 装置配置

优化后的高温熔体物位检测装置整体架构设计如图1所示。

如图1所示，本优化装置结构主要包括表头、吹扫喇叭、散热套管、缓冲散热套管、隔热耐高温石英玻璃罩、石英玻璃散热套管等。除此之外，表头还可加装表头吹扫装置和表头温度报警，对仪表供电线缆进行冷却，防止线缆在高热辐射下熔化。在有压力的场所或仓内有CO等易燃、有毒气体的场所，还可以选配高温阀门。在仪表进行维护的时候，可以将阀门关闭，避免气体泄漏。表头及散热套管内部配有温度测量元件，并且以4～20 mA的信号类型远传至控制系统。如果温度超高，则需要采取必要措施对仪表进行降温，其主要降温手段则是通过在被分隔的独立气体空间中均设置有吹扫装置，可使用温度≤35 ℃、压力为0.4 MPa的氮气或者压缩空气（推荐使用氮气）进行吹扫，降低各自气体空间的温度。

3.3 装置安装与调试

本优化装置的安装，如图2所示。

物位检测装置与炉体使用法兰连接，雷达天线在天线接管内垂直安装。物位检测装置与炉体之间的空间建议安装一个防止热辐射的阻热挡板，挡板材料可以选择碳钢或不锈钢。考虑到挡板太薄容易被烤变形甚至于烤漏，挡板建议厚度应大于10 mm。

在仪表初期安装的时候可以采用仪表显示表头按键进行静态调试，同时通过液晶显示曲线来确定仪表安装是否正确，并进行虚假回波设置来去掉仓壁干扰回波的影响。

仪表在现场运行之后，由于附近温度较高，可2X9vzNIqe2z+hYreRPfc+w==以通过HART WAER对仪表进行远程调试。HART WAER可以直接观察仪表读数、雷达回波波形以及对仪表进行所有的参数设置。HART WAER的操作与表头的操作完全一致，操作人员不需要对产品进行二次学习。

3 结语

综上，本文提出的新型物位检测装置，能很好地适用于冶金炉的高温环境，其特征在于以下几点：

1）传感器发波处核心材料使用三氧化二铝陶瓷,2）表头与传感器发波位置间增加导波管散热片降低热传导,3）传感器下增加吹扫喇叭和散热套管,4）使用缓冲散热套管形成相对独立的气体区域，与散热套管内气体形成分隔,5）使用隔热耐高温石英玻璃罩和石英玻璃散热套管防护高温气流的流动作用，能大大提高仪表传感器耐温能力。该设计能提高物位检测装置在闪速炉、侧吹炉等高温炉体内的可靠性、稳定性，延长使用寿命，最终达到提高生产作业率、降低能量消耗的目的。

人工定时检测改为自动实时监测是工业自动化控制发展的必然方向，目前该设备在铜冶炼行业的应用还处于实验性阶段，笔者相信通过不断优化改进，此类新型物位检测装置将在冶金炉广泛使用。

参考文献

[1] 周俊，陈卓.闪速炉沉淀池中的冶金过程与炉况控制[J].有色金属（冶炼部分），2021（12）：1-10.

[2] 许佩佩.铜冶炼炉烟气冷却检测系统的研究与设计[D].包头：内蒙古科技大学，2017.

[3] 武丽霞.DCS自动控制系统在铜冶炼中的应用[J].中国设备工程，2017（14）：158-159.

[4] 马海珊，程江华.雷达和超声波物位计选型对比分析[J].科技创新与应用，2016（19）：12-13.

[5] 尹毅强，宋丹林.雷达物位计量程选择对料位检测效果的影响[J].仪器仪表用户，2016，23（4）：50-51.

[6] 崔仁泰.蓄热式密闭电石炉高温料仓料位检测设计[J].仪器仪表用户，2018，25（4）：1-5.

[7] 佟文清.耐高温雷达天线罩上的树脂基复合材料应用[J].电子技术与软件工程，2019（9）：87.

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