摘 要： 电解液温度影响槽电压、电解液导电率、电流效率、阴极铜表面质量等,是铜电解工艺控制的关键参数之一。传统的水银温度计或接触式测温仪依靠人工检测并记录每个电解槽电解液温度,工作量大、效率低,做不到实时在线监测。紫金铜业有限公司将分布式光纤测温技术首次应用于铜电解测温,可实现每个电解槽温度的在线监测、预警、报表、历史曲线记录等功能,并间接反映管道堵塞、槽子漏液、板换故障等问题。
关键词:分布式光纤；电解质；智能冶金；绿色冶金；电流效率；
文摘:电解液温度影响槽电压、电解液电导率、电流效率和阴极铜表面质量，是铜电解的关键参数之一。传统的水银温度计或接触式温度计依靠人工检测和记录每个电解槽中电解液的温度，具有工作量大、效率低、无法实时在线监测的特点。紫金铜业股份有限公司首次将分布式光纤测温应用于电解质温度的测量，可实现各电解槽温度的实时在线监测、预警、报表、历史曲线记录等功能，间接反映管道堵塞、通道泄漏、换板失败等问题。
关键词:分布式光纤；电解质；智能冶金；绿色冶金；电流效率；
电解液温度的变化对铜电解精炼过程影响很大[1]，电导率随着电解液温度的升高而迅速增加。在50 ~ 60℃时，电解液温度每升高1℃，电解液电阻下降约0.7%[2]，从而降低槽电压[3，4，5]，降低铜电解精炼的直流电耗，有助于消除阴极附近铜离子贫化现象，使铜在阴极上均匀分布。但过高的电解液温度会增加电解液的蒸发，排出的酸雾对车间环境有害，还会造成电解液酸度和成分的不稳定，不利于正常生产[6，7]。因此，在铜电解精炼过程中，需要动态检测并严格控制电解液温度。
1.紫金铜业有限公司铜电解工艺简介。
紫金铜业股份有限公司(以下简称紫金铜业)300kt/a阴极铜电解项目采用永久不锈钢阴极工艺，分为东、西两个系统，每个系统480台电解槽，共计960台电解槽。
在铜电解过程中，电解液必须不断循环，以保持电解槽中电解液的温度、成分和浓度均匀一致[8]；紫金铜业的生产工艺要求每槽电解液温度控制在62.5 ~ 64.5℃。根据原设计，紫金铜电解液循环系统只有高位槽和板式换热器出口装有温度计，可在中控室DCS系统上在线显示。目前采用水银温度计或接触式温度计人工检查和记录每班电解槽的电解液温度，工作量大，效率低，不利于职业健康，无法实时在线监测。
2.铜冶炼电解液自动测温系统的研制
为了提高工作效率，降低工人劳动强度，保护员工职业健康，实现电解槽电解质温度在线监测，提高自动化程度，不断推进智能冶金和绿色冶金，铜冶炼行业不断探索和尝试各种自动测温方案。
2.1.铂电阻温度测量方案
早期传统的电解液测温方法是直接接触，即在探头上包裹一层不锈钢后，将铂电阻安装固定在电解槽中，通过直接接触电解液来测量温度。每个槽中每个铂电阻的电源或信号线需要分配到现场最近的控制箱，控制箱包含电源、数模转换主板、无线通信模块等。热敏电阻输出的4 ~ 20mA或0 ~ 5v温度信号经数模转换主板转换后，将相关的温度数据传输到中央控制室的后台
一方面，由于电解液的强酸性和腐蚀性，加上槽面冲刷、飞溅等因素，造成铂电阻或电缆路易斯腐蚀损坏；另一方面，大DC电流产生的强磁场干扰铂电阻内部的电气元件或信号传输，导致后台显示的温度数据突然异常。因此，这种方案存在硬件生命周期短、故障率高、稳定性差等缺点。
2.2、红外测温方案
随着红外成像和图像识别处理软件技术的日益成熟和进步，在电解槽旁的厂房立柱上固定安装红外摄像机，拍摄实时照片并转换成红外照片。利用图像识别处理软件生成相对温度数据和电解槽位置信息，然后利用2.4G无线通信将相关温度数据和相应位置信息传输到中控室后台的上位机进行显示。
一方面，受红外摄像镜头广角的限制，通常安装在距电解槽6 ~ 10m的地方；另一方面，为了保暖，电解槽表面通常覆盖有盖布。从铜冶炼行业的实际应用效果来看，国际知名品牌的红外摄像机测温精度只能达到& plusmn2℃或& plusmn与工艺生产要求相差甚远。
与铂电阻测温相比，该方案稳定可靠，但存在投资价格高、测温精度低等缺点。
3.分布式光纤温度测量
结合上述两种测温方案的优缺点，紫金铜业公司详细调研了光纤在消防、电力、路桥隧道等领域的应用案例，将经过特殊防腐处理的光纤长时间浸泡在电解液中并进行高温烘箱老化试验，最终首次决定将分布式光纤测温应用于铜冶炼电解液温度测量。
3.2.现场实施计划
紫金铜电解液光纤测温系统由前端耐腐蚀光纤、16路测温主机和监控后台三个主要部分组成。服务器、显示屏和测温主机安装在机柜内，机柜放置在电解车间的电解中央控制室。共有16根环路测温光缆。每一回路连续监测15个电解槽的出液口或进液口，一回路为连续分布的测温光缆。每根光缆通过FC/APC连接器直接连接到测温主机，测温主机的温度数据通过网线传输到服务器，并显示在服务器中定制的软件界面上。
紫金铜业公司选取5号系列8组120个电解槽铺设光纤，测量每个电解槽电解液进出口附近的温度，需要16组光纤。每列15个电解槽中串联安装光纤，具体走向如图2所示。
光纤附着在电解槽进液口和出液口附近的壁上，穿过FRPP管后进入约1m的深度，保证光纤浸入电解液的长度为2 ~ 3m。光纤从一个电解槽出来后，进入另一个电解槽前需要预留2m左右的长度。& Phi20mm UPVC管组合包括一个直管(0.14m)、一个直管(0.8m)、一个直管(0.22m)、一个UPVC三通和两个UPVC弯头。其中0.8m的直管平均需要钻4个以上的孔，以保证电解液在UPVC管内外处于流动状态，提高光缆测量电解液温度的精度。现场安装如图3所示。
3.3.主要部件和性能参数
光纤测温系统的光纤既是传输介质又是传感器，其结构如图4所示。光纤结构从里到外依次为:0.9mm ETFE紧包光纤、芳纶纤维层、光缆外护套防腐层。光纤传感器抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；重量轻、体积小、灵活；分布式测量可实现长距离、多点同时在线测量，测量信息丰富，无测量盲区；便于复用和组网，有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网。
16通道分布式光纤测温主机是我国某公司自主研发设计的低功耗主机。控制光信号转换为电信号的主板具有自主知识产权，具有很高的可靠性和适用性。主要性能指标:测温范围-10 ~ 150℃，测温精度& plusmn0.5℃(满量程)，测量时间4S/通道，测量距离2km(单通道)，定位精度& le0.2m，空分辨率& le0.5m，采样间隔0.2m..
监控后台使用工业服务器，光纤测温主机只能给出光纤的位置和温度。项目实施过程中，专门开发了一套可视化管理软件，采用自动定位算法，根据工厂平面图将光纤数据与现场电解槽对应起来。系统的支撑软件功能全面，包括实时数据采集、显示、报警、历史数据存储和调用、温度曲线趋势图记录等。
3.4、安全和施工要点
激光的安全等级:必须在1级(IEC60825-1:2001标准)以上，能保证激光暴露后(如光纤断裂后)不会对人体造成伤害，并提供权威的激光能级检测报告。人眼不能长时间面对激光束。
该系统能自动检测感温光纤的损坏或失效，立即报警并关闭激光束。当温度变化超过设定报警阈值时，发出声光报警；具有OPC通讯功能，可接入紫金铜业DCS系统。
温敏光纤应具有良好的抗咬合和抗振动特性，外层防腐材料应抗老化和抗电解质腐蚀。
感温光纤内部是玻璃纤芯，弯曲受压时容易损坏，影响信号的传输，导致测温异常。光纤损坏后，需要使用专用工具进行焊接，信号也会受到影响。因此，在施工过程中必须小心，确保弯曲半径大于5cm。
光纤余量是一种措施，主要用于定位测温系统，便于后期维护。设置场景主要包括:头端(即测温主机处)要设置光纤余量段，实现头端的显式定位；末端(即每组电解槽的第15个槽后)应设置光纤余量段，实现终端的明确定位；从桥架跳到电解槽时，每隔100米设置一个光纤余量段。
容差段设置要点:容差段长度一般为5 ~ 10m一般用3 ~ 4个扎带扎成一圈；应固定牢固，弯曲半径大。
3.5.温度测量准确度的验证
紫金铜业的120槽分布式光纤测温系统首先选择5-78的1-30槽的进液口进行安装调试，验证系统通信的稳定性、软件后台的可靠性、测温精度是否满足要求。目前的工艺生产要求电解槽内电解液温度控制在63.5℃。分布式光纤自动测温的背景显示值与手动水银温度计测量值的比较见表1。从表1的对比数据可以看出，基于水银温度计的分布式光纤测温值最大偏差为0.4℃，满足紫金铜业工艺生产所需的测温精度和控制精度要求。
4.结论。
1)分布式光纤测温系统中使用的光纤传感器不带电，本质安全，不受电解槽强磁场的影响，可以长期稳定工作。
2)现场传感器为3 ~ 4mm光纤，安装施工简单，维护成本低。为该项目特别定制的耐高温耐腐蚀光纤，使用寿命长，满足紫金铜业测温精度要求。
3)本项目专用后台软件可直观显示各槽电解液进出口温度，可实现在线温度监测、预警、报表、历史曲线记录等功能。，并间接反映管道堵塞、罐体泄漏、换板失败等问题。
参考
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