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淺談玻璃熔窯中熱電偶的選型、安裝和補償方法

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2017-10-31 16:03:19

         摘 要: 熔窯溫度直接關係到熔窯內火焰燃燒情況和玻璃液狀態,對於生產流程的控製有著重要意義,該文根據玻璃生產線熔化工段的測溫要求和實際項目經驗,介紹並討論了熱電偶的選型、安裝和補償方法,為進一步的優化策略提出了改進的方向。

 
        平板玻璃生產線的主要工藝環節包括熔化、成形以及退火等工序。玻璃生產原料通過投料機投入熔窯加熱熔化為玻璃液,再經過成形和退火逐步冷卻,形成玻璃板。在玻璃的生產過程中,玻璃液溫度及空間溫度是最重要的工藝參數,直接關係到玻璃的質量以及整個設備的使用壽命。通過對溫度的嚴格監控,可以實時掌握熔窯燃燒的情況,以及成形、退火工段中玻璃液冷卻的情況。因此在熔化、成形和退火工段中,會布置有大量的溫度測點,以熱電偶作為主要的溫度儀表,采集各個階段的玻璃液和介質空間溫度,用於生產流程的監控。熔化工段是最重要的工藝流程,該文從選型、安裝和補償等幾個方麵,對熔窯熱電偶進行介紹。
 
1 熱電偶的基本原理和分類
        熱電偶是工業中最常使用的溫度檢測元件之一,可用於測量液體和氣體介質以及固體表麵溫度。其作為一次側儀表,一般與顯示儀表等二次儀表配套使用。熱電偶具有測量範圍廣、精度高、構造簡單、安裝方便等優勢,因此在玻璃生產線上被廣泛應用。
 
        熱電偶的工作原理基於賽貝克效應,其感溫元件由兩種不同材質的電導體或半導體A和B組成並將其焊接構成閉合回路,見圖1,當回路兩端存在溫度差,回路中將產生熱效應並出現熱電流及相應的熱電勢,其大小由溫度差決定,方向取決於溫度梯度的方向。在熱電偶回路中接入測量儀表測得熱電勢後即可推斷回路溫差。熱電偶回路的兩端被分別定義為測量端(熱端)及參考端(冷端)。標定時,將參考端置於恒定溫度(如0℃)中,測量熱端在不同溫度下的熱電勢與回路溫差的函數關係,在實際應用中,冷端與二次儀表連接,二次儀表測得熱電勢後即可根據該關係獲得熱端溫度值。
 熱電偶測量原理圖
        熱電偶回路溫差與熱電勢的函數關係與被焊接的材料有關,使用不同的材料可製作成不同分度表的熱電偶。工業熱電偶較為常見分度號有S、B、K、E、T等幾種。其中,玻璃生產線內因介質高溫、高控製精度等需求,主要選用S、B、K及E型分度號。這裏對該幾種分度號熱電偶的特性進行簡單介紹。
 
        1)鉑銠10-鉑熱電偶(S型)準確度高、穩定性好、測溫範圍廣,最高可達1 600℃,一般用於精度要求較高的高溫測量。其不足之處在於熱電勢較小,需配置高靈敏度的二次顯示儀表,且儀表及補償電纜的材料價格較為昂貴。
        2)鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)與S型一樣同屬於貴金屬熱電偶,其特性也與S型相似。但B型熱電偶具有更高的測量上限,使用溫度可達1 800℃,適用於介質溫度更高的測量場合。以上兩種熱電偶在高溫場合精度較高,用於熔窯火焰、玻璃液及成形工段錫液溫度的測量。
        3)鎳鉻-鎳矽熱電偶(K型)熱電勢比S型熱電偶大4~5倍,長期使用溫度1 000℃,且具有良好的穩定性、均勻性和高靈敏度。同時,其造價低廉,是目前使用最為普遍的熱電偶。熔窯煙道和退火工段基本使用的都是K型熱電偶。
        4)鎳鉻-康銅熱電偶(E型)熱電勢最大且靈敏度高,長期使用溫度800℃,但其抗氧化性能較差。成形工段的空間溫度及錫槽底鋼殼溫度采用E型熱電偶測量。
        5)銅-康銅熱電偶(T型)普遍用於低溫狀態溫度測量,其測量範圍-40~350℃,在此溫度範圍下,其靈敏度、穩定性等可以滿足絕大部分工藝測量要求。熔窯鼓泡係統常用該熱電偶。熱電偶根據結構形式不同可分為鎧裝式熱電偶和裝配式熱電偶。鎧裝式熱電偶通過拉製方法將熱電極絲固封在金屬套管內,其熱節點處熱容量小故響應快速,且可隨測量需要而彎曲。裝配式熱電偶是將熱電極絲及其引線焊接好放入保護套管內,故其導熱速率弱於鎧裝式熱電阻,響應速度較慢。但是保護套管具有良好的抗震、抗衝擊能力,適用於管道流速較快的工況,使用壽命較長。
 
2 熔窯熱電偶
2.1 熔窯熱電偶的布置和種類
        火焰溫度可以體現熔窯的燃燒情況,不同溫度下玻璃液的熔融狀態和成分也不相同,所以空間火焰溫度和玻璃液溫度是熔窯最重要的工藝參數。同時,熔窯溫度參數對於火焰換向控製也有校正作用。在窯池镟頂、窯底、蓄熱室镟頂、煙道等位置布置有不同類型的熱電偶,測量熔窯玻璃液或空間溫度。圖2~圖4中的圓圈代表熔窯中的熱電偶測點示意。熔窯內介質溫度一般在1 200~1 600℃左右,故大部分熱電偶都是S型或B型,見表1。
 煙道溫度測量點镟頂溫度測量點窯底溫度測量點
2.2 熔窯熱電偶的安裝
        根據實際項目經驗,熱電偶在投產後經常會過早損壞,很大程度上是因為安裝不當導致的,熱電偶及補償導線價格昂貴,所以需要特別重視熱電偶的安裝問題。熔化部镟頂的溫度對於燃燒狀態的體現最為直觀,而窯底溫度則最能反應玻璃液的情況,所以這兩處測點最為重要,其熱電偶的測量精度及響應時間直接關係到燃燒控製效果。在國內項目中,這兩處測點大多采用的是非穿透的安裝方式,即用磚溫來近似代替實際介質溫度。由於镟磚或底部磚與被測介質長期穩定接觸,在溫度波動不大的情況下,其溫差較小(溫差主要是因為冷卻風機對磚有降溫作用),而且溫差比較穩定,基本可以反應實際介質的溫度。在溫度波動頻繁的時候,磚溫就不能很好的反映出實際介質溫度的變化。
 
        以镟頂安裝為例。非穿透安裝方式是將熱電偶插入镟磚孔中,見圖5、圖6,根據實際項目經驗,溫度修正值一般為40~100℃。測溫靈敏度與其插入深度相關,為了改善靈敏度,應適當深插。孔隙需要用玻璃棉等進行防火封堵。
镟頂非穿透式熱電偶安裝圖(盲孔) 镟頂非穿透式熱電偶安裝圖(非盲孔)
        第二種非穿透式將熱電偶探入熔窯空間中,以耐火磚進行保護。這種方式雖然還是以磚溫代替空間溫度,但間接增大了熱電偶與空間的接觸麵積,提高了熱電偶響應速度。
 
        有些對靈敏度要求更高的場合采用穿透式的安裝方式,直接測量火焰溫度或玻璃液溫度。由於熱電偶直接接觸高溫被測介質,特別是窯底處,熱電偶直接插入玻璃液中,對保護套管材質要求就會很高,熱電偶開孔封堵的要求也更加嚴格。窯底穿透式熱電偶套管見圖7。
 窯底穿透式熱電偶套管樣式
        窯底穿透式熱電偶開孔應為熱態開孔,這是由於在烤窯時窯底上鋪麵的耐火材料熱膨脹係數不同,如果預先開孔,就會發生各層開孔難以對準的問題。開孔孔徑不應過大(熱電偶一般為9),過大的孔徑會增加孔隙封堵的難度;也不應過小,以防熱電偶插入後,由於耐火磚膨脹不均而導致熱偶折彎斷裂。
 
        窯底穿透式熱電偶的保護套管一般采用鉑金套管。出於製造成本的考慮,插入玻璃液部分的套管采用鉑材料塗層,鉑材料壁厚0.5±0.05mm左右,內部襯剛玉管。套管其餘部分仍用剛玉管或者高合金管。穿透式熱電偶的插入深度不宜太深,否則惡劣的介質環境容易損傷熱電偶,比如镟頂熱電偶插入深度不應超過50mm,否則會接觸料粉和火焰,窯底熱電偶插入深度應在100mm左右。镟頂熱電偶插入深度適宜的情況下,能夠避開火焰,可以采用剛玉管套管。
 
2.3 熱電偶的補償
        在實際工程中,熱電偶產生的熱電勢與測量端、參考端的溫度有關,參考端溫度T0為零或恒定不變時,熱電勢是測量端溫度的單值函數。在實際工程中,參考端若位於窯外空間,溫度會存在很大波動,難以維持恒定。溫度補償就是通過補償導線,使參考端處於一個溫度穩定的環境中,一般是在控製室機櫃內。熱電偶補償原理見圖8。
 熱電偶補償線路圖
        補償導線按照材質可分為兩種,分度號分別為“X”和“C”。“X”為延伸型補償導線,與熱電偶的材質相同,一般的非貴金屬熱電偶如K型、E型等都采用該種補償導線;“C”為補償型補償導線,與熱電偶的材質不同,但在工作溫度範圍裏與熱電偶熱電勢標稱值接近,主要適用於貴金屬,如S分度號的鉑銠10-鉑熱電偶,項目中補償電纜基本都采用銅-銅鎳。“C”補償導線雖然精度會有所降低,但價格低廉,對於一般工程項目已經可以滿足要求。補償導線在選型時,還必須選擇適用環境和精度,見表2。
 補償導線分類、等級和型號
        在實際工程中,B型熱電偶常常不使用補償導線,這是由於冷端在0~50℃環境裏,B型熱電偶僅產生約3μV熱電勢,對實際測量精度影響不大。補償導線在敷設的時候要注意抗幹擾,應與動力電纜保持距離,特別是在帶電助熔的熔窯中。有的項目裏會為熱電偶補償導線設置接線盒,窯爐各點的熱電偶補償導線先接入接線盒中,再通過橋架送入控製室。檢修時,隻需要調換熱電偶或者熱電偶到接線盒的補償導線,接線盒到控製室的補償導線可以長期使用。這樣的做法大大節省了維護成本,應予以推廣。
 
3 冷端補償簡述
        熱電偶的熱電勢關係式如下
        EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)
        其中,EAB(T,T0)是以冷端溫度為基準的測量端溫度,EAB(T,0)是以0℃為基準的測量端溫度。冷端補償的基本思路就是通過測量值EAB(T,T0)和熱電勢波動值EAB(T0,0)來取得目標值EAB(T,0)。熱電偶參考端(冷端)的溫度漂移,是影響測量精度的一個重要原因。冷端補償的方法很多,比較經典的是電橋補償法,見圖9,利用有源電橋產生的電壓補償熱電偶冷端溫度的波動對熱電勢的影響。
 電橋法冷端補償圖
        冷端溫度T0不為0℃時,會產生熱電勢EAB(T0,0)。通過設置電橋中補償導線末端電阻溫度傳感器R1的參數,使電橋輸出的電壓補償掉EAB(T0,0),即抵消了冷端溫度T0波動對測量精度的影響。冷端補償可以通過軟件實現,可以根據項目情況靈活修改參數,以適應不同的冷端溫度或者不同分度號的熱電偶,大大提高係統的普適性。
 
4 結 語
        熔窯溫度是玻璃生產工藝中的重要測點,直接反映了熔窯燃燒狀態,對熔窯各參數的控製也有重要的指導意義。該文根據實際項目經驗,在選型、安裝和補償等幾個方麵對熔窯空間和玻璃液溫度測量熱電偶進行了大致介紹,旨在針對不同的工藝要求提出具體可行的測量方案,並為以往項目中遇到的熱電偶測量偏差和易損壞問題提供解決的思路。
 
       作者:裝配式熱電偶
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