摘要：簡(jiǎn)述鋁電解及碳素行業(yè)在線檢測(cè)用新型溫度傳感器。著重探討鋁液連續(xù)測(cè)溫、鋁電解質(zhì)溫度間歇式在線測(cè)量裝置及便攜式浸入型測(cè)溫儀在鋁冶金行業(yè)的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁電解；溫度傳感器；在線；間歇式；便攜式測(cè)溫儀

0前言

準(zhǔn)確測(cè)量與控制鋁電解槽溫度，是保證電解槽熱平衡穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，科學(xué)化管理的必要條件。但由于氟化物在高溫下對(duì)熱電偶保護(hù)管蝕損嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)溫難度很大，這是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期以來迫切需要解決的難題。目前僅有法國(guó)采用間歇式測(cè)溫方式實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)。作者也同沈陽鋁鎂院、包鋁合作開發(fā)出“鋁電解質(zhì)溫度間歇式在線測(cè)量裝置”，現(xiàn)已申請(qǐng)專利[1]，并在包鋁投入運(yùn)行。鋁液連續(xù)測(cè)溫用熱電偶在貴鋁、沈陽電纜廠、包鋁等成功應(yīng)用多年[2]。作者開發(fā)的鋁電解質(zhì)連續(xù)測(cè)溫專用熱電偶，使用壽命可達(dá)1100h,現(xiàn)已申請(qǐng)專利[3]。本文將著重探討鋁電解、加工及碳素行業(yè)用新型溫度傳感器及實(shí)用測(cè)溫技術(shù)。

新型溫度傳感器
1.1熱電偶保護(hù)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(cè)溫，其使用壽命的關(guān)鍵是保護(hù)管。因此，新型保護(hù)管的研制一直是富于挑戰(zhàn)性的課題。熱電偶保護(hù)管按其材質(zhì)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(zhì)脆、強(qiáng)度低、抗熱沖擊性能差；金屬管強(qiáng)度高、韌性好，但不耐高溫、易腐蝕；金屬陶瓷是一種復(fù)合材料，既耐高溫、抗腐蝕，又有一定強(qiáng)度與韌性，并可加工。兼有金屬與陶瓷 兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。為了獲取復(fù)合材料特性，還可以采用表面改性方法，如金屬保護(hù)管噴涂陶瓷材料等?？傊?，作者可依據(jù)用戶要求，有針對(duì)性的提供各種保護(hù)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(hào)為N）的特點(diǎn)在1300℃以下，高溫抗氧化能力強(qiáng)；熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)線性好；耐核輻射能力強(qiáng)，耐低溫性能也好。

②N型與K熱電偶性能對(duì)比

N型與K熱電偶性能在550～1050℃范圍內(nèi)，兩者幾乎無差異，但在30～1500K的溫度范圍內(nèi)，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(shì)。正在引起人們高度重視。

b. 復(fù)合管型鎧裝熱電偶

最近美國(guó)Hoskins公司開發(fā)出一種復(fù)合管型鎧裝熱電偶型，據(jù)報(bào)導(dǎo)[5]它的特點(diǎn)是：耐高溫（可用至1260℃的高溫），抗氧化，使用壽命長(zhǎng)，即使在含H2的還原性氣氛中也可使用。為了驗(yàn)證此種專利產(chǎn)品性能，作者曾從美國(guó)進(jìn)口10支該種熱電偶(Φ6.4×1300?L)，在1200℃下使用結(jié)果表明：美國(guó)專利產(chǎn)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(bào)導(dǎo)的性能相差甚遠(yuǎn)。作者在美國(guó)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出大直徑的復(fù)合管型鎧轉(zhuǎn)熱電偶，其規(guī)格較HoskinsΦ6.4?L更多，直徑達(dá)到Φ8～Φ22?L，在1260℃下，仍具有良好的高溫穩(wěn)定性及使用壽命。

2鋁液及鋁電解質(zhì)連續(xù)測(cè)溫

2.1鋁液連續(xù)測(cè)溫

對(duì)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(xù)測(cè)量與控制，是保證產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能降耗的重要條件。由于鋁液溫度較高，腐蝕性強(qiáng)，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(qiáng)，而且還有機(jī)械或電磁攪拌，機(jī)械扒渣等工藝操作，因此，常規(guī)陶瓷管是無能為力的。針對(duì)上述情況，參照進(jìn)口傳感器，作者開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造合金保護(hù)管。

a. 新型鑄造合金（MPT-1型）保護(hù)管

新型鑄造合金（MPT-1型）保護(hù)管為鐵基鑄造合金。它的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕，在有機(jī)械扒渣的情況下，也不易碰斷。MPT-1型保護(hù)管規(guī)格為：Φ16～45?L，L=300～1200?L。研制初期只能生產(chǎn)500?L長(zhǎng)的保護(hù)管。用戶訂購1000?L長(zhǎng)的保護(hù)管只能用兩根500?L 的保護(hù)管焊接，因此，焊接處成為保護(hù)管的薄弱環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，作者又開發(fā)出1米長(zhǎng)整體保護(hù)管。該種材料還可加工，因此可將MPT-1型管延長(zhǎng)。貴州鋁廠及包頭鋁廠保持爐連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的規(guī)格為Φ35～45×2000?L。其中MPT-1型保護(hù)管規(guī)格為Φ35～45×1000?L。用于從意大利進(jìn)口的鋁連軋生產(chǎn)線，替代進(jìn)口產(chǎn)品，不僅價(jià)格便宜，而且在性能上也能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平。

b. 陶瓷管——氮化硅結(jié)合碳化硅或表面改性SiC管

鋁輪轂等行業(yè)對(duì)鐵雜質(zhì)要求很嚴(yán)，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(qiáng)度低，塞龍管強(qiáng)度高，耐腐蝕，然而價(jià)格昂貴，無實(shí)用價(jià)值。作者采用表面改性SiC管及氮化硅結(jié)合SiC管，其規(guī)格為Φ25～50×1200?L。用于三洋公司、戴卡輪轂、大長(zhǎng)江集團(tuán)、大連利優(yōu)比公司等，替代進(jìn)口產(chǎn)品效果也很好。

2.2鋁電解液連續(xù)測(cè)溫

關(guān)于鋁電解液連續(xù)測(cè)溫，早在70年代就有人選用SnO2+2%Fe2O3氧化物陶瓷作保護(hù)管，浸入鋁電解液中進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫，但此種保護(hù)管抗熱震性不好，容易炸裂；80年代初，前蘇聯(lián)將熱電偶埋在爐襯內(nèi)間接測(cè)量鋁電解液溫度。但是，測(cè)量結(jié)果可靠性差，溫度信號(hào)嚴(yán)重滯后，難以準(zhǔn)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(dá)1個(gè)月，但涂層工藝不夠穩(wěn)定，壽命較短而未實(shí)用化。

為了攻克鋁電解液連續(xù)測(cè)溫難關(guān)，作者又開發(fā)出MPT-2型鐵基合金保護(hù)管，并采用整體嵌合式，一次澆鑄成形連續(xù)測(cè)溫用熱電偶，規(guī)格為Φ35×500?L它有以下特點(diǎn)：

①強(qiáng)度高、韌性好；

②壽命長(zhǎng)、不粘電解質(zhì)；

③靈敏度高，響應(yīng)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(zhì)溫度間歇式在線測(cè)量裝置

由于鋁電解質(zhì)溫度連續(xù)在線測(cè)量方式尚不能滿足生產(chǎn)要求，因此，國(guó)內(nèi)外多采用人工間歇式測(cè)溫，所得數(shù)據(jù)對(duì)于控制系統(tǒng)是離線數(shù)據(jù)，需要人工輸入，不能對(duì)電解槽進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。電解槽是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，并不是每次進(jìn)行槽況解析時(shí)都需要采集溫度參數(shù)，只有在發(fā)現(xiàn)電解槽熱平衡可能出現(xiàn)變化時(shí)，才需要采集和處理溫度信號(hào)。這種需要是隨機(jī)的，因此，作者同沈陽鋁鎂院、包鋁合作開發(fā)出一種間歇式測(cè)溫裝置，在槽控機(jī)控制下進(jìn)行在線測(cè)溫。法國(guó)類似間歇式測(cè)溫裝置已用于生產(chǎn)過程的在線控制。

3.1間歇式測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)與控制

a. 結(jié)構(gòu)

作者等開發(fā)的鋁電解質(zhì)溫度間歇式在線測(cè)量裝置由以下3部分組成。

①用于打測(cè)溫孔的打殼機(jī)構(gòu)（如在出鋁端，可用出鋁打殼機(jī)替代）;

②用于驅(qū)動(dòng)測(cè)溫探頭的測(cè)量機(jī)構(gòu);

③用于控制測(cè)量過程、采集、處理溫度信號(hào)的槽控機(jī)，本裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鋁電解質(zhì)溫度間歇式在線測(cè)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(jié)構(gòu)　8． 電磁閥　9． 測(cè)溫氣缸　10．接頭　11． 定位磚套

12． 合金測(cè)溫管　13． 熱電偶　14． 槽控箱

b. 啟動(dòng)與控制

啟動(dòng)測(cè)溫程序有3種方式：

①槽控機(jī)依據(jù)槽況解析的需要，隨時(shí)發(fā)出測(cè)溫指令；

②電解控制系統(tǒng)上位機(jī)隨機(jī)或定時(shí)向槽控機(jī)發(fā)出測(cè)溫指令；

③電解槽前，手動(dòng)槽控機(jī)上測(cè)溫按鈕啟動(dòng)測(cè)溫程序。

c. 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

①測(cè)溫探頭

采用特種鐵基鑄造合金保護(hù)管（規(guī)格Φ16×300?L）及K型熱電偶，使用壽命在500次以上，響應(yīng)時(shí)間為3～4分鐘。

②測(cè)量精度

測(cè)量系統(tǒng)精度等級(jí)可達(dá)0.5%t。

d. 特點(diǎn)

①全套裝置可在線安裝，測(cè)溫方式為間歇式；

②測(cè)溫過程自動(dòng)化；

③3種啟動(dòng)測(cè)溫程序，可滿足生產(chǎn)需要；

④打殼機(jī)構(gòu)與測(cè)量機(jī)構(gòu)分體安裝；

⑤測(cè)量精度高，可滿足控制要求；

⑥投資少，安裝方便，維護(hù)量?。?/P>

⑦測(cè)溫保護(hù)管使用壽命長(zhǎng)，可滿足生產(chǎn)需要。

本裝置自2001年5月起，在包頭鋁廠二電解投入運(yùn)行，情況良好。11月經(jīng)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家鑒定認(rèn)為，“該套測(cè)溫裝置解決了鋁電解生產(chǎn)過程控制急需解決的鋁電解質(zhì)溫度的實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù)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(xiàn)有槽控軟件（物料平衡）的基礎(chǔ)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量平衡控制，使我國(guó)鋁工業(yè)在降低能耗方面上一個(gè)新臺(tái)階。該裝置總體技術(shù)屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有很強(qiáng)的實(shí)用性及良好的推廣前景?！?/P>

3.2鋁電解液間斷測(cè)溫技術(shù)——便攜式浸入型測(cè)溫儀（BXW——Ⅲ型）

從40年代起已廣泛應(yīng)用浸入式測(cè)溫儀。具有如下特點(diǎn)：

①不斷更換保護(hù)管及插頭；

②頻繁的切斷偶絲，制作新的測(cè)量端。

作者與撫順鋁廠聯(lián)合開發(fā)的浸入型測(cè)溫儀。它是由熱電偶、保護(hù)管及顯示儀表構(gòu)成的。已成功的用于鋁冶金及加工行業(yè)氟化物電解液及鋁液溫度測(cè)量。該種測(cè)溫儀的研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，博得用戶好評(píng)，1995年獲有色總公司科技進(jìn)步獎(jiǎng)?，F(xiàn)已在撫順鋁廠、通順鋁廠、平果鋁廠、兆豐鋁業(yè)、長(zhǎng)城鋁業(yè)、延吉鋁業(yè)、陽泉鋁業(yè)、皖北鋁業(yè)、吉林鋁業(yè)、廣興鋁業(yè)、遵義鋁廠、武漢鋁廠、華盛鋁電公司、黃崗白蓮鋁業(yè)、山東鋁業(yè)、渾電鋁業(yè)、新疆眾和鋁業(yè)、康平鋁廠等十幾家鋁廠推廣應(yīng)用。

a. 特點(diǎn)

①測(cè)槍及顯示儀表一體化，溫度數(shù)碼顯示，直觀且準(zhǔn)確，并有峰值保持功能；

②保護(hù)管耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)（100～500次），測(cè)溫費(fèi)用低；

③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱電偶及保護(hù)管均可更換；

④測(cè)量精度高，測(cè)溫儀經(jīng)整體檢定后，精度可達(dá)0.2%t。

b. 技術(shù)指標(biāo)

①31/2位數(shù)碼顯示；

②準(zhǔn)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(hù)管規(guī)格Φ12～16×300?L；

⑦熱電偶為K型鎧裝熱電偶，規(guī)格為Φ6～8；

⑧測(cè)槍長(zhǎng)度為1000～3000?L。

c. 結(jié)構(gòu)

①Ⅰ型熱電偶，測(cè)槍一體化，不可拆卸；

②Ⅱ型顯示儀表與測(cè)槍形成一體，保護(hù)管可更換；

③Ⅲ型保護(hù)管、槍體采用分解組合式，熱電偶及保護(hù)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(jìn)行檢定。即使入廠鑒定，保證達(dá)到Ⅱ級(jí)精度（0.75%t），那么在1000℃下，允許誤差為±7.5℃，補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差為±2.5℃，而便攜式數(shù)字顯示儀表在1000℃下的偏差約為±10℃。因此，依據(jù)誤差理論現(xiàn)有的電解質(zhì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的偏差為：

Δ=±=±=±12.75℃

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

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中有熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及數(shù)顯儀表各自的檢定規(guī)程。但卻沒有將3者組合起來——熱電高溫計(jì)的檢定規(guī)程。即使3部分都合格，但組合起來不一定合格。這是我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的欠缺與不足。發(fā)達(dá)國(guó)家如日本有熱電高溫計(jì)檢定規(guī)范，檢定后可以保證整體系統(tǒng)的測(cè)量精度。

鋁電解工業(yè)要求電解質(zhì)溫度的測(cè)量誤差為±5℃。那么，依據(jù)誤差理論，其檢測(cè)系統(tǒng)的誤差應(yīng)為±5℃的1/3，才有可能忽略測(cè)量系統(tǒng)的誤差，即測(cè)量系統(tǒng)的誤差必須小于±2℃。因此可以看出現(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)均不能滿足生產(chǎn)工藝要求，不能用于指導(dǎo)生產(chǎn)，應(yīng)盡快改進(jìn)，采用可靠而準(zhǔn)確的測(cè)量工具。

針對(duì)上述情況，作者開發(fā)的BXW—Ⅲ型測(cè)溫儀，采用Ⅰ級(jí)K型鎧裝熱電偶，精密級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線及0.2級(jí)臺(tái)灣產(chǎn)數(shù)字顯示儀表，固定配對(duì)。該種測(cè)溫儀的精度可達(dá)0.2級(jí)。今年為湖北華盛鋁電公司提供13臺(tái)測(cè)溫儀，在室溫下13支熱電偶的最大偏差為±0.8℃。經(jīng)沈陽市計(jì)量測(cè)試所檢定結(jié)果如表1所示。由表可以看出在1000℃下，最大偏差為±2℃，非常準(zhǔn)確。這13臺(tái)測(cè)溫儀的偏差很有規(guī)律。

說明測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。所以，只有作者開發(fā)的采用固定配對(duì)的測(cè)溫儀，才能滿足鋁電解工藝測(cè)溫要求。所測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、值得信賴，讓用戶放心。

表1沈陽市計(jì)量測(cè)試所檢定結(jié)果

備注：檢定日期2002.3.12～2002.4.18。

4鋁用碳素行業(yè)焙燒爐連續(xù)測(cè)溫

4.1 陽極焙燒爐連續(xù)測(cè)溫

陽極焙燒爐是鋁用碳素行業(yè)的重要燒結(jié)爐，主要用于燒結(jié)鋁電解行業(yè)的預(yù)焙陽極。為了減少對(duì)環(huán)境的污染，鋁冶金生產(chǎn)過程中，逐漸用預(yù)焙陽極取代自焙陽極。而且，為了提高自動(dòng)化水平，又從國(guó)外進(jìn)口自動(dòng)控制設(shè)備及溫度傳感器。由于焙燒爐生產(chǎn)過程的間歇性，對(duì)熱電偶保護(hù)管的抗熱沖擊要求很苛刻。因此，國(guó)外均采用耐熱合金保護(hù)管，以及高溫抗氧化性能優(yōu)越的鎳鉻硅－鎳硅鎂熱電偶，使用壽命達(dá)6個(gè)月。為了使進(jìn)口設(shè)備中溫度傳感器國(guó)產(chǎn)化，作者開發(fā)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(guó)產(chǎn)保護(hù)管材料及N型熱電偶，運(yùn)用復(fù)合管及實(shí)體化技術(shù)，研制出陽極焙爐專用熱電偶，實(shí)際使用壽命在2個(gè)月以上。

b. 復(fù)合管型鎧裝熱電偶

采用兩種不同的耐熱合金制成復(fù)合管型特種鎧裝熱電偶，已申請(qǐng)專利[6]，用于長(zhǎng)城鋁業(yè)公司陽極焙燒爐。其規(guī)格為Φ16×1200?L，同進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)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(gè)月，保護(hù)管完好，出現(xiàn)示值不穩(wěn)，主要是高溫絕緣電阻下降所致。目前，還針對(duì)此種問題開發(fā)新型復(fù)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(fā)的新型陶瓷管，不僅耐高溫、抗腐蝕、價(jià)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(jìn)行試驗(yàn)，將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景和很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

5結(jié)語

為了解決鋁電解及加工過程中的溫度測(cè)量，開發(fā)出多種符合國(guó)情，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特種溫度傳感器及便攜式測(cè)溫儀，成功的用于鋁液連續(xù)測(cè)溫及鋁電解質(zhì)間歇式測(cè)溫，取得良好效果，博得用戶好評(píng)。實(shí)踐證明，作者開發(fā)的新型溫度傳感器，不僅可以替代進(jìn)口傳感器，節(jié)約外匯，而且，還可以出口，應(yīng)用前景廣闊。