浅析红外热成像技术在铜冶炼炉上的应用

余小华 宫志昊

摘 要：本文介绍红外热成像技术在铜冶炼炉上的应用，通过红外热成像技术对阳极精炼炉炉体的温度进行实时在线监测，使炉体温度分布可视化，便于炉体安全的监管。

关键词：阳极炉;温度;红外热成像技术;可视化

中图分类号：TF301 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0072-02

0 引言

铜冶炼工业是国家最重要的原材料工业之一，阳极炉是铜冶炼火法精炼工艺过程中关键设备，保证阳极炉安全高效运转对于铜冶炼生产具有重要的意义。

在红外热成像测温技术日渐完善的当下，其是实现温度测量的重要手段。[1]随着计算机技术、控制技术与网络通信技术的飞速发展，炉体红外在线实时测温变成了可能，将会便于炉体故障早发现早诊断，同时也节省大量的人力和物力，实现炉体红外测温自动化。实时在线、提前准确感知耐火砖的磨损或破损，防止耐火砖的进一步脱落，乃至杜绝炉体破裂，铜水泄露是阳极炉装备红外在线测温与分析系统的关键所在。而红外热成像技术在阳极炉上的使用在国内目前尚属空白。

国内的红外温度扫描系统主要用在回转式水泥窑上，回转窑的窑衬是回转窑生产中优质、高产、低消耗和长期安全运转的关键因素。温度过高、热振荡过大会严重损坏窑衬，甚至殃及窑筒体。红外热成像系统是防止窑衬及窑筒体损坏，保证回转窑安全可靠的运行，实现回转窑经济运行的重要监测设备。

在紅外线测温仪的基础上，调整烧嘴及还原介质的流量，即可避免炉膛温度过高对耐火砖的消耗，又能降低能耗和减少环境污染，达到工艺与控制优化的目的。

1 红外热成像仪使用前的阳极炉生产情况

阳极炉在运行过程中，由于炉内燃气烧嘴气液交界处附近，以及氮气搅拌系统搅拌口附近的的温度过高或热震荡过大，会造成耐火砖的破损或脱落，严重时甚至会造成炉体破裂，而这些故障发生之前，均会出现阳极炉炉体表面局部区域温度异常高。如不及时发现炉体温度异常，将会引起炉体设备损坏，造成铜水泄露等状况，使得在危险作业区作业的人员的人身安全受到威胁，也会给公司带来巨大的经济损失。而当前使用的红外测温仪都是通过人工手持到阳极炉炉炉体附近测试的方法，人员存在较大安全风险，同时该方法存在着极大的空缺期，不能24小时实时在线监测炉体温度，这些都不能适应智能化工厂的要求。

由于国内铜冶炼厂的还原效率都普遍较低，大致在30%左右，大量的天然气在炉内燃烧，不仅增加了炉膛的热负荷，还增加了排烟管炉上设备的热负荷，特别是空冷器和布袋收尘设备，温度一旦不可控，收尘的滤袋就很可能烧损，从而造成严重的环境责任事故，因此对于阳极炉烟气温度的实时监控和调整极为重要，而对炉体及炉内的温度实时检测和监控势在必行，达到可视化管理。

2 红外热成像仪使用后的阳极炉生产情况

针对上述问题，借鉴军工类红外热成像技术，开展实施红外热成像温度扫描检测装置，热成像仪对全部监测目标区域的定时扫描或定点监测。监测画面通过光纤实时传输到监测计算机，[2]以便提高生产劳动效率，加强炉体安全的监管，优化工艺操作，并自主研发红外测温仪在阳极炉上的成像系统。

如图1、图2，自红外热成像仪投入使用，经过现场生产实践摸索，已实现以下成果：

（1）实时显示捕捉画面内的最高温度，全屏幕多点同时扫描测温显示;（2）自动全屏扫描捕捉最高温与最低温;（3）对图像上任一直线进行温度分析;（4）对图像上的相关区域进行温度扫描分析，且区域可任意移动和改变大小，同时可有多个不同的区域进行分析;（5）对多个区域同时进行分析比较;图像内任意点、线的温度扫描，对变化趋势进行记录分析;（6）图像内任意区域内的温度扫描，对变化趋势进行记录分析;（7）自动计算被测点与设置温度的温差;并形成数字显示，便于操作人员对炉体温度分布情况的了解和掌握。

通过对红外热成像仪使用经验归纳，现场操作人员可通过画面的颜色分布，对照颜色温度分布坐标可直观的判断炉体各区域温度分布，对炉体使用安全可实时掌控，并对温度偏高区域进行现场测温点检，双层保障确保炉体安全使用。

对于温度偏低，颜色呈暗黑的区域，操作人员会加强炉内点检，确认颜色暗黑区域的具体情况，并能及时安排阳极炉进行添加石英砂造渣洗炉放渣操作，防止炉内因温度过低，在炉内形成结渣大块，导致炉内容积逐渐减小，无法满足生产需要。同时也可以有效避免因温度低而形成结渣大块导致的炉体重心偏移，减少阳极炉炉体驱动负荷，保证炉体运行安全稳定。

另外，通过红外热成像系统，还可以间接反应炉膛的燃烧气氛与效果。当炉体温度整体升高，阳极炉炉内存在过热现象，操作员可以根据红外热成像系统显示的颜色变化间接判断炉温过高，及时降低烧嘴燃料量，来控制炉内温度和减少排烟系统的热负荷，保护排烟管路与管路上的收尘设备。

阳极精炼的还原期，由于工艺特点，还原效率较低，大部分天然气在炉内燃烧，炉内过热现象就更为频繁，通过有红外热成像系统显示的颜色变化，操作员可及时加大或减小氮气量、调整还原风管迈入铜水的深度、还原时烧嘴流量、搅拌系统氮气的流量等来合理的调整炉内温度，更加精细化地监控和控制阳极炉炉体状态，对于炉体安全控制具有极其重要的意义。

3 结语

通过红外热成像仪的使用跟踪和积累，对红外热成像仪在阳极炉上的应用做如下总结：

（1）测温范围充足：阳极炉表面温度是炉内工况的综合反映，其温度的高低受制于炉内冶炼温度的高低、耐火砖的导热系数、耐火砖的厚度和磨损等情况的影响，通常情况下，阳极炉表面温度在100度到350度的变化范围，红外在线测温仪有足够大的测温范围，可以满足阳极炉炉体温度变化范围，并相应的颜色显示对应温度变化，可以明确、快速地供操作人员掌握炉体温度分布和变化，面对异常情况，可及时、准确地采取相应的应急措施，降低安全风险。

（2）测温点数：整个阳极炉炉体覆盖多个温度测量点可轻易易感知炉体的温度变化，但因为红外测温是被测靶面的红外辐射能量的平均值，当测量靶面越大，红外测温仪获取的是测量靶面上的平均温度，当测量靶面等于或大于一个耐火砖的面积时，耐火砖上的细小的温度变化，是无法检测到的，只有等到耐火砖脱落或大面积耐火砖脱落时才能发现，因此对于阳极炉重点区域（风口区、渣线区、烧嘴区、出铜口区）的日常人工测温点检仍是不可替代的。

（3）温度测量精度：选择配置高性能的红外测温仪，保证了红外在线测温与分析系统的技术性能，该系统在阳极炉上使用时对阳极炉生产过程中的炉体安全的实时监控有重要意义。

（4）根据红外热成像仪的实时数据，及时调整阳极炉稀氧烧嘴、透气砖、氧化还原介质的流量，及氧化还原风管角度的确定等工艺参数的调整及优化，在保证炉体安全稳定运行的前提下，实现更优化、更精细地操作。

参考文献

[1] 徐卓.金属机械加工中红外热成像测温技术的应用[J].大科技，2019，（35）：222-223.

[2] 于占忠.高炉热风炉系统红外成像监测技术开发与应用[J].设备管理与维修，2019，（13）：107-109.