铝电解及碳素行业用新型温度传感器及其应用

摘要：简述铝电解及碳素行业在线检测用新型温度传感器。着重探讨铝液连续测温、铝电解质温度间歇式在线测量装置及便携式浸入型测温仪在铝冶金行业的成功应用。

关键词：铝电解；温度传感器；在线；间歇式；便携式测温仪

0前言

准确测量与控制铝电解槽温度，是保证电解槽热平衡稳定性，实现生产过程自动化，科学化管理的必要条件。但由于氟化物在高温下对热电偶保护管蚀损严重，实现连续测温难度很大，这是国内外长期以来迫切需要解决的难题。目前仅有法国采用间歇式测温方式实现了在线检测。作者也同沈阳铝镁院、包铝合作开发出“铝电解质温度间歇式在线测量装置”，现已申请专利[1]，并在包铝投入运行。铝液连续测温用热电偶在贵铝、沈阳电缆厂、包铝等成功应用多年[2]。作者开发的铝电解质连续测温专用热电偶，使用寿命可达1100h,现已申请专利[3]。本文将着重探讨铝电解、加工及碳素行业用新型温度传感器及实用测温技术。

新型温度传感器
1.1热电偶保护管

温度传感器有接触式与非接触式两类。在接触式中多采用热电偶测温，其使用寿命的关键是保护管。因此，新型保护管的研制一直是富于挑战性的课题。热电偶保护管按其材质分为金属、陶瓷及金属陶瓷3类。陶瓷材料耐高温、抗腐蚀，但质脆、强度低、抗热冲击性能差；金属管强度高、韧性好，但不耐高温、易腐蚀；金属陶瓷是一种复合材料，既耐高温、抗腐蚀，又有一定强度与韧性，并可加工。兼有金属与陶瓷 两种材料的优点。为了获取复合材料特性，还可以采用表面改性方法，如金属保护管喷涂陶瓷材料等。总之，作者可依据用户要求，有针对性的提供各种保护管，取得较为满意的效果[4]。

1.2新型热电偶

a. 镍铬硅—镍硅镁热电偶(N型)

①镍铬硅—镍硅镁热电偶（分度号为N）的特点在1300℃以下，高温抗氧化能力强；热电动势的长期稳定性及短期热循环的复线性好；耐核辐射能力强，耐低温性能也好。

②N型与K热电偶性能对比

N型与K热电偶性能在550～1050℃范围内，两者几乎无差异，但在30～1500K的温度范围内，有可能全部替代其他廉金属热电偶，并有部分取代S型热电偶的趋势。正在引起人们高度重视。

b. 复合管型铠装热电偶

最近美国Hoskins公司开发出一种复合管型铠装热电偶型，据报导[5]它的特点是：耐高温（可用至1260℃的高温），抗氧化，使用寿命长，即使在含H2的还原性气氛中也可使用。为了验证此种专利产品性能，作者曾从美国进口10支该种热电偶(Φ6.4×1300?L)，在1200℃下使用结果表明：美国专利产品在高温下绝缘性能欠佳，存在高温漏电等问题，使用寿命很短，与报导的性能相差甚远。作者在美国产品的基础上，又开发出大直径的复合管型铠转热电偶，其规格较HoskinsΦ6.4?L更多，直径达到Φ8～Φ22?L，在1260℃下，仍具有良好的高温稳定性及使用寿命。

2铝液及铝电解质连续测温

2.1铝液连续测温

对于铝锭熔化炉、铝液保持炉、铸造炉及精炼炉中铝液温度的连续测量与控制，是保证产品质量，节能降耗的重要条件。由于铝液温度较高，腐蚀性强，在熔化或精炼过程中要添加精炼剂、除气剂和覆盖剂等。其腐蚀性也很强，而且还有机械或电磁搅拌，机械扒渣等工艺操作，因此，常规陶瓷管是无能为力的。针对上述情况，参照进口传感器，作者开发出拥有自主知识产权的铸造合金保护管。

a. 新型铸造合金（MPT-1型）保护管

新型铸造合金（MPT-1型）保护管为铁基铸造合金。它的特点是强度高、韧性好、耐腐蚀，在有机械扒渣的情况下，也不易碰断。MPT-1型保护管规格为：Φ16～45?L，L=300～1200?L。研制初期只能生产500?L长的保护管。用户订购1000?L长的保护管只能用两根500?L 的保护管焊接，因此，焊接处成为保护管的薄弱环节。在此基础上，作者又开发出1米长整体保护管。该种材料还可加工，因此可将MPT-1型管延长。贵州铝厂及包头铝厂保持炉连续测温用热电偶的规格为Φ35～45×2000?L。其中MPT-1型保护管规格为Φ35～45×1000?L。用于从意大利进口的铝连轧生产线，替代进口产品，不仅价格便宜，而且在性能上也能达到进口产品水平。

b. 陶瓷管——氮化硅结合碳化硅或表面改性SiC管

铝轮毂等行业对铁杂质要求很严，上述铁基合金管不能用，必须采用陶瓷管。Si3N4管虽然耐铝液腐蚀，但强度低，塞龙管强度高，耐腐蚀，然而价格昂贵，无实用价值。作者采用表面改性SiC管及氮化硅结合SiC管，其规格为Φ25～50×1200?L。用于三洋公司、戴卡轮毂、大长江集团、大连利优比公司等，替代进口产品效果也很好。

2.2铝电解液连续测温

关于铝电解液连续测温，早在70年代就有人选用SnO2+2%Fe2O3氧化物陶瓷作保护管，浸入铝电解液中进行连续测温，但此种保护管抗热震性不好，容易炸裂；80年代初，前苏联将热电偶埋在炉衬内间接测量铝电解液温度。但是，测量结果可靠性差，温度信号严重滞后，难以准确反映电解液温度。1985年丘竹贤院士等又采用锌铁尖晶石涂层法，使其热电偶在铝电解液中的使用寿命达1个月，但涂层工艺不够稳定，寿命较短而未实用化。

为了攻克铝电解液连续测温难关，作者又开发出MPT-2型铁基合金保护管，并采用整体嵌合式，一次浇铸成形连续测温用热电偶，规格为Φ35×500?L它有以下特点：

①强度高、韧性好；

②寿命长、不粘电解质；

③灵敏度高，响应速度快。

今后将努力提高热电偶使用寿命，使其尽早用于铝电解槽温度控制。

3铝电解质温度间歇式在线测量装置

由于铝电解质温度连续在线测量方式尚不能满足生产要求，因此，国内外多采用人工间歇式测温，所得数据对于控制系统是离线数据，需要人工输入，不能对电解槽进行实时监控。电解槽是一个大滞后系统，并不是每次进行槽况解析时都需要采集温度参数，只有在发现电解槽热平衡可能出现变化时，才需要采集和处理温度信号。这种需要是随机的，因此，作者同沈阳铝镁院、包铝合作开发出一种间歇式测温装置，在槽控机控制下进行在线测温。法国类似间歇式测温装置已用于生产过程的在线控制。

3.1间歇式测温装置的结构与控制

a. 结构

作者等开发的铝电解质温度间歇式在线测量装置由以下3部分组成。

①用于打测温孔的打壳机构（如在出铝端，可用出铝打壳机替代）;

②用于驱动测温探头的测量机构;

③用于控制测量过程、采集、处理温度信号的槽控机，本装置结构示意图见图1。

图1 铝电解质温度间歇式在线测量装置

1． 电磁阀　2． 打壳气缸　3． 接头　4． 定位砖套　5． 打壳锤头　6． 支架

7． 电解槽上部结构　8． 电磁阀　9． 测温气缸　10．接头　11． 定位砖套

12． 合金测温管　13． 热电偶　14． 槽控箱

b. 启动与控制

启动测温程序有3种方式：

①槽控机依据槽况解析的需要，随时发出测温指令；

②电解控制系统上位机随机或定时向槽控机发出测温指令；

③电解槽前，手动槽控机上测温按钮启动测温程序。

c. 主要技术经济指标

①测温探头

采用特种铁基铸造合金保护管（规格Φ16×300?L）及K型热电偶，使用寿命在500次以上，响应时间为3～4分钟。

②测量精度

测量系统精度等级可达0.5%t。

d. 特点

①全套装置可在线安装，测温方式为间歇式；

②测温过程自动化；

③3种启动测温程序，可满足生产需要；

④打壳机构与测量机构分体安装；

⑤测量精度高，可满足控制要求；

⑥投资少，安装方便，维护量小；

⑦测温保护管使用寿命长，可满足生产需要。

本装置自2001年5月起，在包头铝厂二电解投入运行，情况良好。11月经中国有色金属工业协会组织专家鉴定认为，“该套测温装置解决了铝电解生产过程控制急需解决的铝电解质温度的实时在线测量技术难题，为槽控软件在温度控制方面重大突破提供了重要前提条件，可在现有槽控软件（物料平衡）的基础上，进而实现能量平衡控制，使我国铝工业在降低能耗方面上一个新台阶。该装置总体技术属国内首创，处于国内领先水平，具有很强的实用性及良好的推广前景。”

3.2铝电解液间断测温技术——便携式浸入型测温仪（BXW——Ⅲ型）

从40年代起已广泛应用浸入式测温仪。具有如下特点：

①不断更换保护管及插头；

②频繁的切断偶丝，制作新的测量端。

作者与抚顺铝厂联合开发的浸入型测温仪。它是由热电偶、保护管及显示仪表构成的。已成功的用于铝冶金及加工行业氟化物电解液及铝液温度测量。该种测温仪的研制成功填补了国内空白，博得用户好评，1995年获有色总公司科技进步奖。现已在抚顺铝厂、通顺铝厂、平果铝厂、兆丰铝业、长城铝业、延吉铝业、阳泉铝业、皖北铝业、吉林铝业、广兴铝业、遵义铝厂、武汉铝厂、华盛铝电公司、黄岗白莲铝业、山东铝业、浑电铝业、新疆众和铝业、康平铝厂等十几家铝厂推广应用。

a. 特点

①测枪及显示仪表一体化，温度数码显示，直观且准确，并有峰值保持功能；

②保护管耐腐蚀，使用寿命长（100～500次），测温费用低；

③结构简单，热电偶及保护管均可更换；

④测量精度高，测温仪经整体检定后，精度可达0.2%t。

b. 技术指标

①31/2位数码显示；

②准确度0.5%t；

③使用温度范围0～1200℃；

④重量约1Kg；

⑤电池供电；

⑥保护管规格Φ12～16×300?L；

⑦热电偶为K型铠装热电偶，规格为Φ6～8；

⑧测枪长度为1000～3000?L。

c. 结构

①Ⅰ型热电偶，测枪一体化，不可拆卸；

②Ⅱ型显示仪表与测枪形成一体，保护管可更换；

③Ⅲ型保护管、枪体采用分解组合式，热电偶及保护管均可更换。

目前，各铝厂采购的铠装热电偶，使用前通常不进行检定。即使入厂鉴定，保证达到Ⅱ级精度（0.75%t），那么在1000℃下，允许误差为±7.5℃，补偿导线的误差为±2.5℃，而便携式数字显示仪表在1000℃下的偏差约为±10℃。因此，依据误差理论现有的电解质温度测量系统的偏差为：

Δ=±=±=±12.75℃

由上述误差分析可以看出，现有的测温系统，不能满足工艺要求（±5℃）。因此，常常出现两支新热电偶测量同一处温度时，相差10几度的所谓“怪现象”，其实由上述误差分析看出实属正常现象。

我国标准中有热电偶、补偿导线及数显仪表各自的检定规程。但却没有将3者组合起来——热电高温计的检定规程。即使3部分都合格，但组合起来不一定合格。这是我国标准的欠缺与不足。发达国家如日本有热电高温计检定规范，检定后可以保证整体系统的测量精度。

铝电解工业要求电解质温度的测量误差为±5℃。那么，依据误差理论，其检测系统的误差应为±5℃的1/3，才有可能忽略测量系统的误差，即测量系统的误差必须小于±2℃。因此可以看出现有的测量系统均不能满足生产工艺要求，不能用于指导生产，应尽快改进，采用可靠而准确的测量工具。

针对上述情况，作者开发的BXW—Ⅲ型测温仪，采用Ⅰ级K型铠装热电偶，精密级补偿导线及0.2级台湾产数字显示仪表，固定配对。该种测温仪的精度可达0.2级。今年为湖北华盛铝电公司提供13台测温仪，在室温下13支热电偶的最大偏差为±0.8℃。经沈阳市计量测试所检定结果如表1所示。由表可以看出在1000℃下，最大偏差为±2℃，非常准确。这13台测温仪的偏差很有规律。

说明测量结果准确可靠。所以，只有作者开发的采用固定配对的测温仪，才能满足铝电解工艺测温要求。所测数据准确、可靠、值得信赖，让用户放心。

表1沈阳市计量测试所检定结果

备注：检定日期2002.3.12～2002.4.18。

4铝用碳素行业焙烧炉连续测温

4.1 阳极焙烧炉连续测温

阳极焙烧炉是铝用碳素行业的重要烧结炉，主要用于烧结铝电解行业的预焙阳极。为了减少对环境的污染，铝冶金生产过程中，逐渐用预焙阳极取代自焙阳极。而且，为了提高自动化水平，又从国外进口自动控制设备及温度传感器。由于焙烧炉生产过程的间歇性，对热电偶保护管的抗热冲击要求很苛刻。因此，国外均采用耐热合金保护管，以及高温抗氧化性能优越的镍铬硅－镍硅镁热电偶，使用寿命达6个月。为了使进口设备中温度传感器国产化，作者开发了3种热电偶：

a. 采用耐热合金管制成装配式热电偶

采用国产保护管材料及N型热电偶，运用复合管及实体化技术，研制出阳极焙炉专用热电偶，实际使用寿命在2个月以上。

b. 复合管型铠装热电偶

采用两种不同的耐热合金制成复合管型特种铠装热电偶，已申请专利[6]，用于长城铝业公司阳极焙烧炉。其规格为Φ16×1200?L，同进口及国产的装配式热电偶相比，重量轻，操作方便，颇受工人师傅欢迎。使用寿命接近2个月，保护管完好，出现示值不稳，主要是高温绝缘电阻下降所致。目前，还针对此种问题开发新型复合管型铠装热电偶，可望有满意效果。

c. 新型陶瓷管制成装配式热电偶

作者最近开发的新型陶瓷管，不仅耐高温、抗腐蚀、价格便宜，而且抗热冲击性能好，取代耐热合金管，制成装配式热电偶，正在进行试验，将会有广阔的应用前景和很强的竞争力。

5结语

为了解决铝电解及加工过程中的温度测量，开发出多种符合国情，并拥有自主知识产权的特种温度传感器及便携式测温仪，成功的用于铝液连续测温及铝电解质间歇式测温，取得良好效果，博得用户好评。实践证明，作者开发的新型温度传感器，不仅可以替代进口传感器，节约外汇，而且，还可以出口，应用前景广阔。