鋁電解及碳素行業用新型溫度傳感器及其應用

摘要：簡述鋁電解及碳素行業在線檢測用新型溫度傳感器。著重探討鋁液連續測溫、鋁電解質溫度間歇式在線測量裝置及便攜式浸入型測溫儀在鋁冶金行業的成功應用。

關鍵詞：鋁電解；溫度傳感器；在線；間歇式；便攜式測溫儀

0前言

準確測量與控制鋁電解槽溫度，是保證電解槽熱平衡穩定性，實現生產過程自動化，科學化管理的必要條件。但由于氟化物在高溫下對熱電偶保護管蝕損嚴重，實現連續測溫難度很大，這是國內外長期以來迫切需要解決的難題。目前僅有法國采用間歇式測溫方式實現了在線檢測。作者也同沈陽鋁鎂院、包鋁合作開發出“鋁電解質溫度間歇式在線測量裝置”，現已申請專利[1]，并在包鋁投入運行。鋁液連續測溫用熱電偶在貴鋁、沈陽電纜廠、包鋁等成功應用多年[2]。作者開發的鋁電解質連續測溫專用熱電偶，使用壽命可達1100h,現已申請專利[3]。本文將著重探討鋁電解、加工及碳素行業用新型溫度傳感器及實用測溫技術。

新型溫度傳感器
1.1熱電偶保護管

溫度傳感器有接觸式與非接觸式兩類。在接觸式中多采用熱電偶測溫，其使用壽命的關鍵是保護管。因此，新型保護管的研制一直是富于挑戰性的課題。熱電偶保護管按其材質分為金屬、陶瓷及金屬陶瓷3類。陶瓷材料耐高溫、抗腐蝕，但質脆、強度低、抗熱沖擊性能差；金屬管強度高、韌性好，但不耐高溫、易腐蝕；金屬陶瓷是一種復合材料，既耐高溫、抗腐蝕，又有一定強度與韌性，并可加工。兼有金屬與陶瓷 兩種材料的優點。為了獲取復合材料特性，還可以采用表面改性方法，如金屬保護管噴涂陶瓷材料等。總之，作者可依據用戶要求，有針對性的提供各種保護管，取得較為滿意的效果[4]。

1.2新型熱電偶

a. 鎳鉻硅—鎳硅鎂熱電偶(N型)

①鎳鉻硅—鎳硅鎂熱電偶（分度號為N）的特點在1300℃以下，高溫抗氧化能力強；熱電動勢的長期穩定性及短期熱循環的復線性好；耐核輻射能力強，耐低溫性能也好。

②N型與K熱電偶性能對比

N型與K熱電偶性能在550～1050℃范圍內，兩者幾乎無差異，但在30～1500K的溫度范圍內，有可能全部替代其他廉金屬熱電偶，并有部分取代S型熱電偶的趨勢。正在引起人們高度重視。

b. 復合管型鎧裝熱電偶

最近美國Hoskins公司開發出一種復合管型鎧裝熱電偶型，據報導[5]它的特點是：耐高溫（可用至1260℃的高溫），抗氧化，使用壽命長，即使在含H2的還原性氣氛中也可使用。為了驗證此種專利產品性能，作者曾從美國進口10支該種熱電偶(Φ6.4×1300?L)，在1200℃下使用結果表明：美國專利產品在高溫下絕緣性能欠佳，存在高溫漏電等問題，使用壽命很短，與報導的性能相差甚遠。作者在美國產品的基礎上，又開發出大直徑的復合管型鎧轉熱電偶，其規格較HoskinsΦ6.4?L更多，直徑達到Φ8～Φ22?L，在1260℃下，仍具有良好的高溫穩定性及使用壽命。

2鋁液及鋁電解質連續測溫

2.1鋁液連續測溫

對于鋁錠熔化爐、鋁液保持爐、鑄造爐及精煉爐中鋁液溫度的連續測量與控制，是保證產品質量，節能降耗的重要條件。由于鋁液溫度較高，腐蝕性強，在熔化或精煉過程中要添加精煉劑、除氣劑和覆蓋劑等。其腐蝕性也很強，而且還有機械或電磁攪拌，機械扒渣等工藝操作，因此，常規陶瓷管是無能為力的。針對上述情況，參照進口傳感器，作者開發出擁有自主知識產權的鑄造合金保護管。

a. 新型鑄造合金（MPT-1型）保護管

新型鑄造合金（MPT-1型）保護管為鐵基鑄造合金。它的特點是強度高、韌性好、耐腐蝕，在有機械扒渣的情況下，也不易碰斷。MPT-1型保護管規格為：Φ16～45?L，L=300～1200?L。研制初期只能生產500?L長的保護管。用戶訂購1000?L長的保護管只能用兩根500?L 的保護管焊接，因此，焊接處成為保護管的薄弱環節。在此基礎上，作者又開發出1米長整體保護管。該種材料還可加工，因此可將MPT-1型管延長。貴州鋁廠及包頭鋁廠保持爐連續測溫用熱電偶的規格為Φ35～45×2000?L。其中MPT-1型保護管規格為Φ35～45×1000?L。用于從意大利進口的鋁連軋生產線，替代進口產品，不僅價格便宜，而且在性能上也能達到進口產品水平。

b. 陶瓷管——氮化硅結合碳化硅或表面改性SiC管

鋁輪轂等行業對鐵雜質要求很嚴，上述鐵基合金管不能用，必須采用陶瓷管。Si3N4管雖然耐鋁液腐蝕，但強度低，塞龍管強度高，耐腐蝕，然而價格昂貴，無實用價值。作者采用表面改性SiC管及氮化硅結合SiC管，其規格為Φ25～50×1200?L。用于三洋公司、戴卡輪轂、大長江集團、大連利優比公司等，替代進口產品效果也很好。

2.2鋁電解液連續測溫

關于鋁電解液連續測溫，早在70年代就有人選用SnO2+2%Fe2O3氧化物陶瓷作保護管，浸入鋁電解液中進行連續測溫，但此種保護管抗熱震性不好，容易炸裂；80年代初，前蘇聯將熱電偶埋在爐襯內間接測量鋁電解液溫度。但是，測量結果可靠性差，溫度信號嚴重滯后，難以準確反映電解液溫度。1985年丘竹賢院士等又采用鋅鐵尖晶石涂層法，使其熱電偶在鋁電解液中的使用壽命達1個月，但涂層工藝不夠穩定，壽命較短而未實用化。

為了攻克鋁電解液連續測溫難關，作者又開發出MPT-2型鐵基合金保護管，并采用整體嵌合式，一次澆鑄成形連續測溫用熱電偶，規格為Φ35×500?L它有以下特點：

①強度高、韌性好；

②壽命長、不粘電解質；

③靈敏度高，響應速度快。

今后將努力提高熱電偶使用壽命，使其盡早用于鋁電解槽溫度控制。

3鋁電解質溫度間歇式在線測量裝置

由于鋁電解質溫度連續在線測量方式尚不能滿足生產要求，因此，國內外多采用人工間歇式測溫，所得數據對于控制系統是離線數據，需要人工輸入，不能對電解槽進行實時監控。電解槽是一個大滯后系統，并不是每次進行槽況解析時都需要采集溫度參數，只有在發現電解槽熱平衡可能出現變化時，才需要采集和處理溫度信號。這種需要是隨機的，因此，作者同沈陽鋁鎂院、包鋁合作開發出一種間歇式測溫裝置，在槽控機控制下進行在線測溫。法國類似間歇式測溫裝置已用于生產過程的在線控制。

3.1間歇式測溫裝置的結構與控制

a. 結構

作者等開發的鋁電解質溫度間歇式在線測量裝置由以下3部分組成。

①用于打測溫孔的打殼機構（如在出鋁端，可用出鋁打殼機替代）;

②用于驅動測溫探頭的測量機構;

③用于控制測量過程、采集、處理溫度信號的槽控機，本裝置結構示意圖見圖1。

圖1 鋁電解質溫度間歇式在線測量裝置

1． 電磁閥　2． 打殼氣缸　3． 接頭　4． 定位磚套　5． 打殼錘頭　6． 支架

7． 電解槽上部結構　8． 電磁閥　9． 測溫氣缸　10．接頭　11． 定位磚套

12． 合金測溫管　13． 熱電偶　14． 槽控箱

b. 啟動與控制

啟動測溫程序有3種方式：

①槽控機依據槽況解析的需要，隨時發出測溫指令；

②電解控制系統上位機隨機或定時向槽控機發出測溫指令；

③電解槽前，手動槽控機上測溫按鈕啟動測溫程序。

c. 主要技術經濟指標

①測溫探頭

采用特種鐵基鑄造合金保護管（規格Φ16×300?L）及K型熱電偶，使用壽命在500次以上，響應時間為3～4分鐘。

②測量精度

測量系統精度等級可達0.5%t。

d. 特點

①全套裝置可在線安裝，測溫方式為間歇式；

②測溫過程自動化；

③3種啟動測溫程序，可滿足生產需要；

④打殼機構與測量機構分體安裝；

⑤測量精度高，可滿足控制要求；

⑥投資少，安裝方便，維護量小；

⑦測溫保護管使用壽命長，可滿足生產需要。

本裝置自2001年5月起，在包頭鋁廠二電解投入運行，情況良好。11月經中國有色金屬工業協會組織專家鑒定認為，“該套測溫裝置解決了鋁電解生產過程控制急需解決的鋁電解質溫度的實時在線測量技術難題，為槽控軟件在溫度控制方面重大突破提供了重要前提條件，可在現有槽控軟件（物料平衡）的基礎上，進而實現能量平衡控制，使我國鋁工業在降低能耗方面上一個新臺階。該裝置總體技術屬國內首創，處于國內領先水平，具有很強的實用性及良好的推廣前景。”

3.2鋁電解液間斷測溫技術——便攜式浸入型測溫儀（BXW——Ⅲ型）

從40年代起已廣泛應用浸入式測溫儀。具有如下特點：

①不斷更換保護管及插頭；

②頻繁的切斷偶絲，制作新的測量端。

作者與撫順鋁廠聯合開發的浸入型測溫儀。它是由熱電偶、保護管及顯示儀表構成的。已成功的用于鋁冶金及加工行業氟化物電解液及鋁液溫度測量。該種測溫儀的研制成功填補了國內空白，博得用戶好評，1995年獲有色總公司科技進步獎。現已在撫順鋁廠、通順鋁廠、平果鋁廠、兆豐鋁業、長城鋁業、延吉鋁業、陽泉鋁業、皖北鋁業、吉林鋁業、廣興鋁業、遵義鋁廠、武漢鋁廠、華盛鋁電公司、黃崗白蓮鋁業、山東鋁業、渾電鋁業、新疆眾和鋁業、康平鋁廠等十幾家鋁廠推廣應用。

a. 特點

①測槍及顯示儀表一體化，溫度數碼顯示，直觀且準確，并有峰值保持功能；

②保護管耐腐蝕，使用壽命長（100～500次），測溫費用低；

③結構簡單，熱電偶及保護管均可更換；

④測量精度高，測溫儀經整體檢定后，精度可達0.2%t。

b. 技術指標

①31/2位數碼顯示；

②準確度0.5%t；

③使用溫度范圍0～1200℃；

④重量約1Kg；

⑤電池供電；

⑥保護管規格Φ12～16×300?L；

⑦熱電偶為K型鎧裝熱電偶，規格為Φ6～8；

⑧測槍長度為1000～3000?L。

c. 結構

①Ⅰ型熱電偶，測槍一體化，不可拆卸；

②Ⅱ型顯示儀表與測槍形成一體，保護管可更換；

③Ⅲ型保護管、槍體采用分解組合式，熱電偶及保護管均可更換。

目前，各鋁廠采購的鎧裝熱電偶，使用前通常不進行檢定。即使入廠鑒定，保證達到Ⅱ級精度（0.75%t），那么在1000℃下，允許誤差為±7.5℃，補償導線的誤差為±2.5℃，而便攜式數字顯示儀表在1000℃下的偏差約為±10℃。因此，依據誤差理論現有的電解質溫度測量系統的偏差為：

Δ=±=±=±12.75℃

由上述誤差分析可以看出，現有的測溫系統，不能滿足工藝要求（±5℃）。因此，常常出現兩支新熱電偶測量同一處溫度時，相差10幾度的所謂“怪現象”，其實由上述誤差分析看出實屬正常現象。

我國標準中有熱電偶、補償導線及數顯儀表各自的檢定規程。但卻沒有將3者組合起來——熱電高溫計的檢定規程。即使3部分都合格，但組合起來不一定合格。這是我國標準的欠缺與不足。發達國家如日本有熱電高溫計檢定規范，檢定后可以保證整體系統的測量精度。

鋁電解工業要求電解質溫度的測量誤差為±5℃。那么，依據誤差理論，其檢測系統的誤差應為±5℃的1/3，才有可能忽略測量系統的誤差，即測量系統的誤差必須小于±2℃。因此可以看出現有的測量系統均不能滿足生產工藝要求，不能用于指導生產，應盡快改進，采用可靠而準確的測量工具。

針對上述情況，作者開發的BXW—Ⅲ型測溫儀，采用Ⅰ級K型鎧裝熱電偶，精密級補償導線及0.2級臺灣產數字顯示儀表，固定配對。該種測溫儀的精度可達0.2級。今年為湖北華盛鋁電公司提供13臺測溫儀，在室溫下13支熱電偶的最大偏差為±0.8℃。經沈陽市計量測試所檢定結果如表1所示。由表可以看出在1000℃下，最大偏差為±2℃，非常準確。這13臺測溫儀的偏差很有規律。

說明測量結果準確可靠。所以，只有作者開發的采用固定配對的測溫儀，才能滿足鋁電解工藝測溫要求。所測數據準確、可靠、值得信賴，讓用戶放心。

表1沈陽市計量測試所檢定結果

備注：檢定日期2002.3.12～2002.4.18。

4鋁用碳素行業焙燒爐連續測溫

4.1 陽極焙燒爐連續測溫

陽極焙燒爐是鋁用碳素行業的重要燒結爐，主要用于燒結鋁電解行業的預焙陽極。為了減少對環境的污染，鋁冶金生產過程中，逐漸用預焙陽極取代自焙陽極。而且，為了提高自動化水平，又從國外進口自動控制設備及溫度傳感器。由于焙燒爐生產過程的間歇性，對熱電偶保護管的抗熱沖擊要求很苛刻。因此，國外均采用耐熱合金保護管，以及高溫抗氧化性能優越的鎳鉻硅－鎳硅鎂熱電偶，使用壽命達6個月。為了使進口設備中溫度傳感器國產化，作者開發了3種熱電偶：

a. 采用耐熱合金管制成裝配式熱電偶

采用國產保護管材料及N型熱電偶，運用復合管及實體化技術，研制出陽極焙爐專用熱電偶，實際使用壽命在2個月以上。

b. 復合管型鎧裝熱電偶

采用兩種不同的耐熱合金制成復合管型特種鎧裝熱電偶，已申請專利[6]，用于長城鋁業公司陽極焙燒爐。其規格為Φ16×1200?L，同進口及國產的裝配式熱電偶相比，重量輕，操作方便，頗受工人師傅歡迎。使用壽命接近2個月，保護管完好，出現示值不穩，主要是高溫絕緣電阻下降所致。目前，還針對此種問題開發新型復合管型鎧裝熱電偶，可望有滿意效果。

c. 新型陶瓷管制成裝配式熱電偶

作者最近開發的新型陶瓷管，不僅耐高溫、抗腐蝕、價格便宜，而且抗熱沖擊性能好，取代耐熱合金管，制成裝配式熱電偶，正在進行試驗，將會有廣闊的應用前景和很強的競爭力。

5結語

為了解決鋁電解及加工過程中的溫度測量，開發出多種符合國情，并擁有自主知識產權的特種溫度傳感器及便攜式測溫儀，成功的用于鋁液連續測溫及鋁電解質間歇式測溫，取得良好效果，博得用戶好評。實踐證明，作者開發的新型溫度傳感器，不僅可以替代進口傳感器，節約外匯，而且，還可以出口，應用前景廣闊。