自動測溫裝置在銅熔煉熔體溫度測量中的應用

    銅熔煉過程中熔體溫度是一個重要參數，溫度過低，反應無法正常進行，溫度過高會浪費能源，降低爐壽命，所以熔體溫度在線檢測成為實現生產過程自動控制的關鍵。但是目前國內轉爐吹煉絕大多數沒有溫度在線檢測的手段，基本上處于憑經驗操作的落后狀況，這主要由于冶煉生產的環境惡劣（高溫輻射、高粉塵、腐蝕性氣體、雜光干擾）造成的，如果使用熱電偶接觸法測溫，由于熔體腐蝕性很強，在銅熔煉中難以實現長時間溫度檢測，而且轉爐過程中爐體會經常轉動，熔體處于強烈翻動狀態，所以應用接觸法測熔體溫度非常困難。非接觸法測溫具有充分的靈活性，現在應用較多的儀表———輻射溫度計，是根據物體的輻射強度與溫度的函數關系來標定溫度值。但由于輻射強度受輻射系數影響，必須要根據輻射系數來修正測量值才能接近真實溫度，這種修正不僅在技術上存在很多困難，現場也只能根據經驗判斷，修正中難免引入人為誤差。此外，由于在銅冶煉中煙塵、大氣、雜光等介質對輻射能的影響很大，使所測溫度偏低，很難進行修正。因而，在銅冶煉中要想簡便而準確地測定物體的溫度是比較困難的。為此，我們通過大量實驗與研究，開發出運用比值測溫法的熔體自動測溫裝置。
    1 裝置原理及關鍵技術
    1.1 原理
    本裝置采用具有高抗干擾性能的紅外比值測溫方法，采用計算機進行數據處理，實現熔體溫度的在線測量、顯示和打印。
    所謂比值測溫原理，是根據普朗克—維恩定律 .利用兩個波段國輻射能的比值與溫度的函數關系來確定被測物體的溫度，從而克服了輻射系數對測溫的影響。也就是說，輻射系數雖然影響輻射能，但不影響輻射能的比值。這樣就解決了需要人為修正的缺點。
    1.2 關鍵技術
    1.2.1 利用比值法消除輻射系數的關鍵是兩個波段的設計要合理，帶寬要窄且彼此靠近 ，這就造成信號減小，信噪比減小，精度降低。為此我們采用單片機對信號進行處理，將電信號放大后，進行V／F轉換，轉換過程中對輸入信號進行積分，以提高抗干擾能力。另外通過光電隔離，有效抑制了各種噪聲干擾，大大提高了信噪比。
    在軟件設計上，由于銅熔煉過程屬自熱熔煉，所以對紅外信號進行最大值采樣，減少煙塵干擾，進一步提高了測量精度。
    1.2.2銅礦是多種元素的共生礦，銅精礦中含有銅、硫、鐵、鈣、鎂、鋁等元素 .有些元素在熔煉過程中參與反應，劇烈氧化時會發出特定波長的光譜，這些波長多在可見光波的范圍，如將儀器的工作波段設計在可見光波段，這些雜色光將不可避免地引入干擾。而紅外光波比可見光波在煙塵大氣介質中的透過能力強，反射能力稍差，這有利于抑制雜散光的影響，且選用的接收器———硅光電池在近紅外區比較敏感。根據銅冶煉中的這些特點，我們將儀器的工作波段設計在近紅外波段，λ1和λ2在0.8～0.9μm間，避開這些雜光所產生的干擾。
    1.2.3銅冶煉現場生產環境惡劣，為保護測溫裝置，現場采用了環形風幕及隔熱罩裝置，減少被測物的熱輻射，并對傳感器進行風冷降溫。
    2 測溫裝置結構
    測溫裝置由風幕及隔熱罩、溫度傳感器、信號處理器和測溫控制開關組成。
    2.1 風幕及隔熱罩
    1 kg壓力左右的壓縮空氣經過過濾，除去油、水后在傳感器透鏡前形成環形風幕，以阻止煙塵、水氣及異物接近傳感器，保護傳感器透鏡，并對傳感器進行風冷降溫。這部分是測溫裝置的保護傘，以便裝置在惡劣的生產環境下能夠進行長時間的溫度在線檢測。
    2.2 溫度傳感器
    將被測物體的輻射能轉換成兩路電壓信號輸出，并備有觀察瞄準器。
    2.3 信號處理器
    傳感器將輸出的兩路電信號V1和V2分別放大到0～10 V后，經過V／F轉換，變成0～100 kHz的脈沖信號，經光電隔離后，輸入到單片機進行數據處理，得出溫度檢測結果進行數字顯示和打印。
    2.4 測溫控制開關
    當轉爐處于冶煉狀態時，電子開關啟動測溫裝置測溫；當轉爐轉動時，電子開關關閉測溫系統，從而實現測溫過程的自動控制。
    3 裝置特點及技術指標
    。抗干擾能力強
    裝置采用比值測溫的原理，因而決定溫度高低的不是光信號的強弱而是光信號的比值。在一般煙塵情況下，即使兩路光信號由于煙氣而分別衰減較多，但其比值波動不大 ，因而測量值仍極接近真實溫度。
    。測量精度高
    可自動修正輻射系數對測溫的影響，避免了人為修正引入的測量誤差。
    。測溫過程自動進行
    通過傳感器和電子開關實現了測溫的自動控制。利用集成電路和單片機進行信號處理，按最大值采樣提高了測量精度和信號處理的靈活性。
    。儀器使用方便使用過程中無需調整，只要將傳感器對準被測物體即可，不必考慮輻射系數的大小 .。測量范圍：1 000～1 600℃。測量精度：誤差＜±1%FS。根據現場管理的需要，本裝置具有自動開機、關機和傳感器的保護、冷卻等功能 .。測量結果用數字顯示，可連續打印或定時打印溫度值。
    4 結論
    國內銅熔煉企業溫度檢測手段落后，轉爐冶煉多數尚無檢測手段。經檢索查詢，本裝置填補了國內銅熔煉熔體測溫裝置的空白，其技術指標已達到國際同類產品水平。
    測溫裝置不僅可用于轉爐，還可用于液態鼓風爐、反射爐、陽極爐等。據專家預測 ，將轉爐熔體溫度控制在1250℃左右，就可使每噸銅耐火材料消耗減少1／2，爐壽命延長近一倍，僅此一項指標就可使每臺轉爐每年節約近百萬元，推廣應用將產生巨大的經濟和社會效益。