一種銅模表面溫度檢測及噴淋水系統(tǒng)的應(yīng)用

〔摘 要〕分析了銅模表面溫度對陽極板質(zhì)量和模具壽命的影響，介紹了紅外測溫技術(shù)和智能噴淋控制系統(tǒng)的工作原理。針對某冶煉企業(yè)的實際情況，提出了一種基于高性能紅外熱像儀的銅模表面溫度檢測及噴淋水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種非制冷微量熱型焦平面探測器對銅模表面溫度檢測，所測銅模表面溫度通過銅模表面溫度檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析后，由噴淋水控制系統(tǒng)實現(xiàn)對噴淋水溫度和噴水量的智能化調(diào)整，使銅模表面溫度在澆鑄期間保持在120～170 ℃，能有效延長銅模壽命，保證陽極板質(zhì)量。

〔關(guān)鍵詞〕銅模；表面溫度檢測；噴淋水系統(tǒng)；智能控制

中圖分類號： TF811 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）05-00３７-0４

Application of a Copper Mold Surface Temperature Detection and Spray Water System

ZHENG Chunyu

（Jinguan Copper Branch of Tongling Nonferrous Metals Group Co.， Ltd.， Tongling，Anhui 244000，China）

Abstract" This article analyzes the influence of copper mold surface temperature problem on anode plate quality and mold lift， and introduces the working principle of infrared temperature measurement technology and intelligent spray control system. Aiming at the actual situation of a smelting enterprise， a copper mold surface temperature detection and spray water system based on a high-performance infrared thermal imager is proposed. The system adopts an uncooled microcalorimetric focal plane array sensors to detect the surface temperature of the copper mold. After data processing and analysis by the copper mold surface temperature detection system， the entire spray water temperature control system intelligently adjusts the spray water temperature and spray volume， so that the surface temperature of the copper mold is maintained at 120～170 ℃ during the casting period， which can effectively prolong the service life of the copper mold and ensure the quality of anode plate.

Keywords" copper mold; surface temperature detection; spray water system; intelligent control

在工業(yè)生產(chǎn)中，銅模廣泛應(yīng)用于鑄造、模具制造等領(lǐng)域。然而，銅模在使用過程中通常是長時間處于高溫環(huán)境下，若不能得到溫度控制，將會導(dǎo)致模具損壞和產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此，及時準(zhǔn)確地對銅模表面溫度進(jìn)行檢測和控制，對于延長銅模壽命、提高澆鑄產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

某冶煉企業(yè)圓盤澆鑄系統(tǒng)采用銅模作為陰極板的澆鑄模具。為提升現(xiàn)場設(shè)備的智能化水平，該企業(yè)進(jìn)行了一系列的技術(shù)研發(fā)工作，其中為保證銅模表面溫度檢測的有效性，采用一種非制冷微量熱型焦平面探測器（一種高性能紅外熱像儀），替代傳統(tǒng)的人工局部測溫[1]；同時通過配套的銅模表面溫度檢測系統(tǒng)和噴淋水控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了根據(jù)銅模表面溫度自動調(diào)整噴淋水閥門啟閉數(shù)量及時間的目的，使模面表面溫度范圍由100 ～220 ℃縮小至120 ～170 ℃。本文擬針對該銅模表面溫度檢測及噴淋水系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為冶金工廠系統(tǒng)自動化、智能化建設(shè)提供參考。

1" "銅模表面溫度的影響

圓盤澆鑄機(jī)銅模作為澆鑄模具，其主要作用是容納和定位澆注材料（即高溫液態(tài)銅），使其冷卻凝固后形成陽極板。銅模長期在高溫下使用，其表面溫度對陽極板質(zhì)量和模具壽命都有重大影響。

1.1" 對陽極板質(zhì)量的影響

銅模表面溫度是除銅水成分外影響陽極板內(nèi)部組織和物理外觀的重要因素。銅模表面溫度過高或過低都會影響陽極板的塑形[2-3]。

1）對陽極板內(nèi)部組織的影響。銅模的溫度會直接影響熔融金屬的凝固過程，進(jìn)而影響其內(nèi)部組織。理論上，銅液以正常的速度冷卻凝固，可以形成致密、均勻的內(nèi)部組織。這樣的陽極板具有較好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，能夠滿足后續(xù)電解工藝的要求。但在實際生產(chǎn)過程中，銅模溫度控制不當(dāng)，表面溫度過高或過低，都會影響陽極板的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致陽極板內(nèi)部出現(xiàn)疏松、氣孔、夾雜物等缺陷。例如高溫銅?？赡苁广~液中的氣體來不及逸出，從而在陽極板內(nèi)部形成氣孔；低溫銅模則可能使銅液中的雜質(zhì)來不及上浮，從而被凝固在陽極板內(nèi)部。

2）對陽極板物理外觀的影響[4-5]。根據(jù)奧爐精煉車間生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)銅模表面溫度低于120 ℃ 時，會加速銅水的冷卻，降低銅水的流動速度，致使陽極板耳部出現(xiàn)不飽滿現(xiàn)象。由于銅模與銅水存在較大的溫度梯度，澆鑄過程中容易發(fā)生銅水飛濺的情況，導(dǎo)致陽極板產(chǎn)生飛邊毛刺；冷卻脫模時，陽極板易發(fā)生彎曲變形、耳部斷裂等情況。當(dāng)銅模表面溫度高于180 ℃時，氣體在陽極銅中的溶解度增大，隨著陽極板澆鑄完成，銅液溫度降低，氣體在銅液中的溶解度也急劇下降，氣體開始外溢。然而，由于銅液表面先于內(nèi)部冷卻，并凝固成殼，這使得氣體在外溢過程中受阻，內(nèi)部壓力升高，外溢的氣體將陽極板表面頂起從而形成“鼓包”。

1.2" 對模具壽命的影響

銅模在生產(chǎn)過程中長時間暴露在高溫環(huán)境下，表面溫度持續(xù)升高。這種高溫環(huán)境不僅會導(dǎo)致銅模的退火和氧化，增加模具的損耗和老化，過高的溫度還可能使模具發(fā)生磨損和變形，甚至導(dǎo)致模具燒損，使生產(chǎn)成本大大提高。好在銅模具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，能夠快速散發(fā)熱量，有助于提升模具的散熱效果。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測銅模表面溫度對延長銅模使用壽命顯得非常重要。

2" "技術(shù)路線與方法

為了實現(xiàn)對銅模表面溫度的實時、精確的監(jiān)測與控制，該冶煉企業(yè)結(jié)合生產(chǎn)實際，對該廠原有測溫及噴淋系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)了1套基于非制冷微量熱型焦平面探測器的銅模表面溫度檢測系統(tǒng)以及與之配套的智能噴淋水控制系統(tǒng)。

2.1" 系統(tǒng)架構(gòu)

該冶煉企業(yè)基于非制冷微量熱型焦平面探測器的銅模表面溫度檢測系統(tǒng)以及與之配套的智能噴淋水控制系統(tǒng)之間的運行過程如圖1所示。該系統(tǒng)先通過銅模溫度檢測系統(tǒng)檢測并記錄當(dāng)前位置下銅模表面的溫度，再通過噴淋水控制系統(tǒng)對測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)測溫后的模位轉(zhuǎn)到有噴淋水裝置的模位時，噴淋水控制系統(tǒng)會根據(jù)此數(shù)據(jù)來改變水閥開關(guān)量，從而控制噴水量的大小，如圖2所示。

2.2" 銅模表面溫度檢測方法的實現(xiàn)

目前，在陽極板澆鑄過程中，陽極板板面溫度要求控制在120～170 ℃。在傳統(tǒng)的測溫模式下，現(xiàn)場通常采用固定點式測溫和人工手持測溫槍測溫兩種方式。固定點式測溫須固定在某個點位進(jìn)行檢測，人工手持測溫槍測溫則須人工現(xiàn)場檢測[6-7]。這兩種測溫方式均存在測溫點單一，無法有效反映整個模面的溫度分布情況；現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣，存在重大安全隱患。

為了實現(xiàn)對銅模表面溫度的準(zhǔn)確檢測，有的企業(yè)引入了紅外測溫技術(shù)[8-11]。紅外測溫技術(shù)通過測量物體輻射的紅外輻射量，來推測物體的表面溫度。該技術(shù)優(yōu)勢如下：1）非接觸式測量，既可以避免干擾生產(chǎn)過程，又能有效保護(hù)測溫設(shè)備。2）可實現(xiàn)快速、實時測量，使技術(shù)人員能夠及時得到檢測的溫度信息。3）測量準(zhǔn)確、全面，紅外測溫儀具有較高的測量精度，為工藝參數(shù)的調(diào)整提供可靠的依據(jù)，同時可以實現(xiàn)對銅模整個表面的快速掃描式測量，能夠獲取銅模表面溫度的分布情況。4）適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。紅外測溫儀具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在充斥著灰塵、煙霧、水蒸氣的高溫、復(fù)雜環(huán)境條件下，準(zhǔn)確地測量銅模表面的溫度。

紅外熱像儀是紅外測溫技術(shù)中的一種重要設(shè)備，通常可分為制冷型和非制冷型兩種。制冷型紅外熱像儀通常采用氧化汞、銻化銦等特殊的半導(dǎo)體材料，這些材料對紅外輻射具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度，但需要通過制冷技術(shù)降低探測元件的溫度，以減少熱噪聲的干擾，提高測溫精度。非制冷型紅外熱像儀則不需要制冷，直接使用半導(dǎo)體材料（如非晶硅和氧化釩）作為探測元件。探測器的溫度通常與環(huán)境溫度相同或略高，通過利用探測器材料的特性將物體輻射的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，再通過信號處理和圖像重建技術(shù)得到物體表面的溫度分布圖像。從性能特點方面進(jìn)行比較，非制冷型紅外熱像儀體積小、質(zhì)量輕、價格低廉，更適合在工業(yè)場景下使用。

本系統(tǒng)基于上述紅外熱像技術(shù)，在銅模上方大約2 m處安裝非制冷微量熱型焦平面探測器。這種非制冷紅外焦平面探測器是基于MEMS技術(shù)制造的1種微型傳感器。它由MEMS芯片、半導(dǎo)體制冷器、吸氣劑、窗口、管殼等部分組成。其紅外吸收層面可以高效地吸收外來的紅外輻射，引起溫度變化，從而改變熱敏薄膜的阻值，再將微測輻射熱計陣列的電阻變化放大處理，轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

系統(tǒng)對該探測器實時捕捉到的銅模表面的紅外圖像進(jìn)行圖像分析和處理，提取出銅模表面的溫度信息，將其集成到自有系統(tǒng)中，并連接到計算機(jī)上。技術(shù)人員不僅能夠通過這些數(shù)據(jù)在線觀測和監(jiān)控到銅模表面溫度的任何變化，還能通過紅外熱圖和紅外視頻掌握模具的溫度分布，作為調(diào)節(jié)噴淋系統(tǒng)的依據(jù)。非制冷微量熱型焦平面探測器現(xiàn)場工作情況如圖3所示。

2.3" 噴淋水系統(tǒng)

噴淋水系統(tǒng)通常由噴頭、水源和控制系統(tǒng)組成。噴頭是噴淋水系統(tǒng)的核心部件[12]，其形狀和布局設(shè)計對噴淋水效果有重要影響。常見的噴頭類型有霧化噴頭、噴霧噴頭和雨淋噴頭等。噴淋水水源可以是自來水或者其他特殊處理過的水?？刂葡到y(tǒng)是噴淋水系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)監(jiān)控并調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括控制噴頭的開關(guān)、水流的大小以及噴淋的時長，從而實現(xiàn)按需噴淋和節(jié)水節(jié)能的目標(biāo)。

噴淋水系統(tǒng)從噴淋方位可分為底部噴淋、頂部噴淋和側(cè)邊噴淋幾種形式。本項目圓盤澆鑄機(jī)采用的是冷卻均勻性更好、能有效防止氧化、減少噴淋的底部噴淋系統(tǒng)。單個圓盤底部共設(shè)有8組噴淋水，圓盤澆鑄機(jī)單爐出銅過程須調(diào)整噴淋水閥門5～7次。如果調(diào)節(jié)不及時，會使銅模表面溫度偏離合理范圍。

噴淋水智能控制系統(tǒng)接收到溫度檢測系統(tǒng)測得的銅模表面溫度后，將其與預(yù)設(shè)的溫度設(shè)定值進(jìn)行對比，再通過可編程控制器、電動調(diào)節(jié)閥門對噴淋水流量進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，控制噴淋水的噴水量，從而實現(xiàn)對銅模表面溫度的精確控制。當(dāng)檢測到的銅模溫度低于120 ℃時，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)檢測到的銅模溫度在120 ～170 ℃之間時，閥門會自動調(diào)整為半開狀態(tài)；在銅模表面溫度高于170 ℃時，閥門自動調(diào)整為全開狀態(tài)。該項目噴淋水系統(tǒng)還具有如下特點：

1）選擇高效的噴淋器，以確保噴水的均勻性和穩(wěn)定性。噴淋器的設(shè)計既考慮到了銅模表面的特殊形狀和需要噴水的區(qū)域，又兼顧了節(jié)水和節(jié)能的要求。

2）選用高壓水泵，以確保噴水的壓力足夠，能夠?qū)⑺鶆虻貒姙⒌秸麄€銅模表面。水泵的流量可以通過智能控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同的溫度控制需求。

3）采取多工位冷卻環(huán)節(jié)，保證銅模溫度調(diào)節(jié)效果。多工位冷卻環(huán)節(jié)包括設(shè)置循環(huán)水系統(tǒng)、多個噴淋頭、多模位噴淋。（1）循環(huán)水系統(tǒng)。通過循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻水可在多個冷卻位置之間循環(huán)使用，優(yōu)化水資源的利用。（2）多個噴淋頭。在銅模的不同區(qū)域設(shè)置多個噴淋頭，使水流能夠覆蓋更廣的表面，提高冷卻效率。（3）多模位噴淋。側(cè)面連續(xù)8個模位都裝載噴淋裝置，可進(jìn)行連續(xù)噴淋。

4）在噴淋水系統(tǒng)的設(shè)計中，為確保系統(tǒng)的可靠性和安全性，還配備了液位傳感器和溫度保護(hù)裝置。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，如水位過低或溫度過高，系統(tǒng)將自動停止工作，并發(fā)出警報信號，以保護(hù)銅模不受損壞。

噴淋前后，陽極板的合格率對比見表1。

可以看到，增加了噴淋水系統(tǒng)之后，生產(chǎn)同樣數(shù)量的陽極板板中，不合格的銅板數(shù)量大大減少。且通過噴淋水系統(tǒng)進(jìn)行合理的溫度控制，可以加快銅模的熱傳導(dǎo)，提高陽極板成型速度，縮短了生產(chǎn)周期。

3" "結(jié)論

本文介紹了一種基于非制冷微量熱型焦平面探測器的銅模表面溫度檢測系統(tǒng)及其配套的智能噴淋水控制系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)技術(shù)路線、方法及應(yīng)用效果的分析，可以得出以下結(jié)論：1）紅外測溫技術(shù)相較于傳統(tǒng)測溫方法，具有非接觸式測量、快速實時、測量準(zhǔn)確全面以及適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的非制冷微量熱型焦平面探測器，能夠高效吸收銅模表面的紅外輻射，并轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實現(xiàn)了對銅模表面溫度的精確監(jiān)測。2）通過結(jié)合紅外測溫技術(shù)和智能噴淋水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)銅模表面溫度自動調(diào)整噴淋水閥門啟閉數(shù)量及時間，將模面表面溫度范圍控制在120～170 ℃之間。這不僅提高了陽極板的合格率，還縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。3）實際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能顯著提高陽極板的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。噴淋后陽極板的合格率由98.0%提升至99.5%，且生產(chǎn)周期縮短了0.5 h。這充分證明本項目的成功實施，不僅是一次技術(shù)創(chuàng)新，也是冶金企業(yè)智能化升級的一次重要實踐。

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