專利名稱：：高溫熔體的測溫方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明與高溫熔體的溫度測量和控制有關(guān)。高溫熔體一般是指液態(tài)金屬、液態(tài)冰銅、液態(tài)爐渣、熔融鹽、玻璃熔體等高溫產(chǎn)物，它們是火法冶金、熔鹽電解、硅酸鹽提純的物理化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的必然過程。熔體的溫度過高或過低，都將影響冶金作業(yè)的正常進(jìn)行，及時(shí)檢測和控制熔體的溫度，是保證冶金生產(chǎn)正常作業(yè)的重要條件之一。以氧化鋁熔鹽電解過程為例，鋁電解生產(chǎn)所用的電解質(zhì)，是以Na3AlF6-AlF3-Al2O3為基的熔融鹽，電解質(zhì)的溫度一般在940～980℃范圍內(nèi)。據(jù)檢測表明，電解質(zhì)的溫度是影響電流效率和電能消耗的重要因素，當(dāng)電解質(zhì)溫度降低10℃，而電流效率可提高2%;然而溫度過低，電解質(zhì)的密度和粘度相應(yīng)增大，不利于電解質(zhì)與金屬鋁的分層，以及陽極氣體的排出。因此，經(jīng)常檢測電解質(zhì)的溫度并將其控制在最佳溫度狀態(tài)，是鋁電解生產(chǎn)取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提條件。由于鋁電解質(zhì)溫度高、腐蝕性強(qiáng)，如何及時(shí)、準(zhǔn)確地測定其溫度，是鋁電解作業(yè)中的重要課題。國內(nèi)外從事鋁業(yè)的工作者，進(jìn)行了多方面的研究，如聯(lián)邦德國專利DE2844417/1980公開了一種采用復(fù)合層套管熱電偶裝置，其使用壽命可達(dá)30天左右;美國專利US3975212公開了一種將熱電偶埋入電解槽的槽襯中，其使用壽命可延長至125天左右，然而因其熱慣性大，難以得到實(shí)時(shí)的電解質(zhì)溫度信號，故不能及時(shí)調(diào)整和自動控制電解質(zhì)溫度;此外，還有采用嚴(yán)格控制電流密度的陽極保護(hù)法。如上所述的測溫方法和裝置，皆有其不足之處，不能適應(yīng)現(xiàn)代化鋁業(yè)或其它冶金工業(yè)生產(chǎn)的需要。為了快速、準(zhǔn)確地提供鋁電解質(zhì)或其它高溫熔體的實(shí)時(shí)溫度，便于計(jì)算機(jī)控制和管理生產(chǎn)過程，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)省能耗、延長測溫?zé)犭娕級勖饶康模纱颂岢隽吮景l(fā)明。本發(fā)明是通過熱電偶與高溫熔體接觸時(shí)所采集的過渡過程某段時(shí)間的溫度信號，依據(jù)某種數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，及時(shí)給出被測物體(質(zhì))實(shí)時(shí)溫度的動態(tài)測溫方法及其裝置。其實(shí)施方案與測溫方法如圖1所示。它由高重現(xiàn)性熱電偶(2)，通過升降裝置(3)插入高溫熔體(1)中，利用溫度變送器和數(shù)據(jù)采集板(7)，采集熱電偶所響應(yīng)的溫度信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)(4)處理后，再由顯示裝置(5)顯示或輸出裝置(6)輸出被測物質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度。視所測熔體的溫度若過高或偏低，可通過計(jì)算機(jī)(4)配合調(diào)整溫度的控制裝置(8)調(diào)整熔體(爐、槽)相應(yīng)作業(yè)參數(shù)，使其穩(wěn)定在最佳溫度狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和節(jié)能的目的。當(dāng)熱電偶測完某一溫度后，迅速啟動升降裝置(3)將熱電偶縮回原冷卻保護(hù)裝置中，并通氣冷卻。熱電偶插入熔體的時(shí)間、深度和定時(shí)測溫的次數(shù)，以及調(diào)整熔體相應(yīng)的作業(yè)參數(shù)，均由一臺計(jì)算機(jī)(4)進(jìn)行控制。采用高重現(xiàn)性的熱電偶插入高溫熔體(例如鋁電解質(zhì))中，把熱電偶響應(yīng)某段時(shí)間內(nèi)的溫度信號(熱電勢)，經(jīng)過溫度變送器(例如DBW)送入數(shù)據(jù)采集板(例如PC-1216A);然后將采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)(例如IBM-PC/XT)中。計(jì)算機(jī)將采集的t1、t2、tk……tn的n個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的T1、T2、Tk……Tn的溫度點(diǎn)，通過選定的數(shù)字模型(例如指數(shù)模型)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到T＝f(t)方程，再依據(jù)方程T＝f(t)可得到熔體溫度。這種測溫方法稱之為動態(tài)測溫法。其原理示于圖2。為適應(yīng)熔鹽電解尤其鋁電解作業(yè)，以及礦物熔化、冰銅(含銅冰銅、鉛冰銅和鎳冰銅)分離、冶金熔析(含離析)、火法精煉和玻璃生產(chǎn)等高溫熔體測溫的需要，我們專門研制了如圖3所示的高重現(xiàn)性熱電偶(2)。該熱電偶的測溫頭(15)采用耐熱而且導(dǎo)熱性良好的材料做成半球狀，采用耐熱抗腐蝕材料(例如鎳材、高溫不銹鋼或金屬陶瓷)做成熱電偶外保護(hù)套管(10)，在內(nèi)保護(hù)套管(12)與外保護(hù)套管(10)之間充填絕緣(例如硅酸鋁纖維)材料(11)。在內(nèi)保護(hù)套管(12)中，除保留兩個(gè)偶絲孔(14)外，均填滿陶瓷絕緣子(13)，以防偶絲(17)相接觸。熱電偶絲測溫端點(diǎn)(16)與測溫頭(15)將其焊接牢固，以保持良好的導(dǎo)熱性。測溫頭(15)與外保護(hù)套管(10)采用螺紋連接或焊接方式。熱電偶導(dǎo)線由孔(9)引出，并連接于采集裝置(7)。熱電偶的升降和冷卻裝置(3)的結(jié)構(gòu)示于圖4，它是由汽缸(18)和冷卻室(34)兩部分組成，并通過螺栓(21)、螺母(22)固聯(lián)在一起;而熱電偶(2)則與汽缸中活塞連桿(20)聯(lián)結(jié)在一起，并裝配于圖5的測溫機(jī)構(gòu)(27)中。當(dāng)熱電偶進(jìn)行測溫時(shí)，壓縮空氣通過汽缸上部進(jìn)(出)氣口(19)，以壓縮空氣推動活塞連桿(20)，促使熱電偶(2)向下運(yùn)動，快速伸入待測的高溫熔體(1)中，其深度控制在40～60mm，持續(xù)時(shí)間為5～30秒，由此取得熔體(槽)溫度信號后，隨即由汽缸下部進(jìn)(出)氣口(25)，通入壓縮空氣，迫使活塞連桿(20)向上運(yùn)動，使熱電偶重新回到冷卻室(34)中，同時(shí)由入口(23)通入冷卻空氣，使熱電偶恢復(fù)初始狀態(tài)。在熱電偶提升過程中，擋渣圈(24)同時(shí)括除熱電偶外殼保護(hù)套管上的熔體(渣)。每個(gè)測溫周期所需時(shí)間為2～5分鐘，整個(gè)測溫過程由計(jì)算機(jī)(4)控制。采用如上方法與裝置測溫，若在鋁電解槽中進(jìn)行測溫時(shí)，其測溫裝置(27)可固定在加料室(26)上，其測溫過程示于圖5。即利用鋁電解槽原有打殼錘裝置(31)，將電解質(zhì)結(jié)殼(28)打穿后，迅速啟動測溫裝置(27)，將熱電偶伸入電解質(zhì)(30)中，完成一次采樣需5～30秒。在鋁電解作業(yè)中，同槽一般有2～4根打殼錘裝置(31)，每根打殼錘旁邊均安裝一個(gè)測溫裝置(27)，經(jīng)多個(gè)測溫裝置同時(shí)采樣，通過計(jì)算機(jī)(4)處理所得溫度的平均值，即為被測電解槽的溫度。通過這種動態(tài)法若干次測溫后，亦可在計(jì)算機(jī)(4)控制下，用同一熱電偶采用平衡法測定該電解槽(質(zhì))溫度，以此校驗(yàn)動態(tài)法測溫的數(shù)值。如果在冰銅、玻璃熔體或其它高溫熔體中測溫，則可將測溫裝置(27)安裝在相應(yīng)的爐(槽)的測溫機(jī)構(gòu)(架)上，并按鋁電解測溫的步驟進(jìn)行測溫，同樣能實(shí)現(xiàn)其測溫目的。對于自焙鋁電解槽和其它單爐(坩堝)或處理量少的某些高溫熔體的溫度測量，可按圖6所示采用本發(fā)明熱電偶(2)，通過溫度變送器與數(shù)據(jù)采集板(7)、單板計(jì)算機(jī)(32)和液晶顯示器(33)組成便攜式動態(tài)測溫儀。這種動態(tài)測溫儀，其原理及其構(gòu)思如同前述方案，只是省去了熱電偶冷卻保護(hù)外殼和升降裝置。使用時(shí)熱電偶插入和去渣由人工操作，電源可采用交流電或干電池供電。采用動態(tài)法及其裝置(儀器)測溫，較之平衡法測溫具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)熱電偶使用壽命長。由于動態(tài)法測溫?zé)犭娕冀佑|高溫熔體的時(shí)間短，大大減輕了熔體對熱電偶套管的腐蝕，因而延長了熱電偶的使用壽命，解決了熔體測溫問題;(2)熱電偶對實(shí)時(shí)溫度響應(yīng)快。由于測溫頭采用導(dǎo)熱性良好的材料制成，因而時(shí)間常數(shù)小，能在很短時(shí)間內(nèi)測出熔體的溫度，解決了某些測溫方法因滯后而難于適時(shí)控溫問題;(3)測溫準(zhǔn)確度高。由于本方法測溫是取多點(diǎn)平均值和定期校驗(yàn)，因而大大提高了測溫準(zhǔn)確度;(4)抗高溫腐蝕好。由于采用耐熱抗腐蝕材料做成保護(hù)外殼，因而解決了常規(guī)熱電偶易被高溫熔體腐蝕問題;(5)裝置簡單，易于實(shí)現(xiàn)。動態(tài)法測溫若用于鋁電解預(yù)焙槽，可附設(shè)于加料室的機(jī)構(gòu)上，利用打殼的機(jī)會進(jìn)行測溫;如果對單爐(槽)進(jìn)行測溫，可用動態(tài)測溫儀，攜帶方便，測溫迅速、精確;(6)節(jié)省能耗、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。在高溫熔體中實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確測溫，又通過計(jì)算機(jī)控制和管理，使被測熔體溫度達(dá)到最佳狀態(tài)，這樣既可節(jié)省能耗，又可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，因而可在高溫熔體中廣泛推廣。圖1.動態(tài)法測溫方框圖。其中1.高溫熔體，2.高重現(xiàn)性熱電偶，3.熱電偶升降及冷卻裝置，4.計(jì)算機(jī)，5.顯示裝置，6.輸出裝置，7.溫度變送器和數(shù)據(jù)采集板，8.調(diào)整溫度的控制裝置。圖2.動態(tài)法測溫原理圖。其中t代表時(shí)間，T代表溫度;to是熱電偶測溫起始時(shí)間，To是熱電偶測溫起始溫度;t∞代表熱電偶熱平衡時(shí)所需時(shí)間，Te代表所測熔體溫度;t1、t2、tk……tn代表采樣時(shí)間，T1、T2、Tk……Tn代表采集的溫度。圖3.高重現(xiàn)性熱電偶半剖面圖。其中9.補(bǔ)償導(dǎo)線引出口，10.外保護(hù)套管，11.絕緣隔熱材料，12.內(nèi)保護(hù)套管，13.陶瓷絕緣子，14.偶絲孔，15.測溫頭，16.熱電偶感溫端點(diǎn)，17.熱電偶絲。圖4.熱電偶測溫裝置半剖面圖。其中18.汽缸，19.汽缸上部進(jìn)(出)口，20.活塞連桿，21.螺栓，22.螺母，23.冷空氣進(jìn)口，24.擋渣圈，25.汽缸下部進(jìn)(出)氣口，34.冷卻室。圖5.鋁電解槽測溫示意圖。其中26.加料室，27.測溫裝置，28.電解質(zhì)結(jié)殼，29.鋁液，30.電解質(zhì)，31.打殼錘裝置。圖6.便攜式動態(tài)測溫儀方框圖。其中2.高重現(xiàn)性熱電偶，7.溫度變送器和數(shù)據(jù)采集板，32.單板計(jì)算機(jī)，33.液晶顯示器。圖7.高重現(xiàn)性熱電偶使用實(shí)測圖。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間t(s)，縱坐標(biāo)為溫度T(℃);Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為三組溫度分別4次升溫曲線。實(shí)例1.按照本發(fā)明的動態(tài)測溫方法，采用高重現(xiàn)性的熱電偶，其外套管用高溫不銹鋼，對電解質(zhì)進(jìn)行測溫。電解質(zhì)的分子比2.24，Al2O34.2%，MgF23%，室溫8℃，熱電偶插入熔體時(shí)間為25秒，插入鋁電解質(zhì)深度為50mm，溫度信號用計(jì)算機(jī)采集和處理，數(shù)據(jù)處理采用指數(shù)回歸法，每次測試后去渣且冷卻到初始狀態(tài)。其測試結(jié)果示于表一。由表一可知，動態(tài)法預(yù)測溫度與電解質(zhì)實(shí)際溫度誤差范圍為(+5～-6)℃。實(shí)例2，按照實(shí)例1的測溫方法及在相同條件下，測定鋁液混合爐中的鋁液溫度，熱電偶外保護(hù)套管用氮化硅制成，其測試結(jié)果示于表二。表二</tables>由表二可知，動態(tài)法預(yù)測溫度與鋁液實(shí)際溫度誤差范圍為(+6～-5)℃。實(shí)例3.采用高重現(xiàn)性的熱電偶，通過溫度變送器連接數(shù)據(jù)采集板，配置單板計(jì)算機(jī)和液晶顯示器組成的便攜式動態(tài)測溫儀。將熱電偶分次插入熔有質(zhì)量為1000克銅冰銅電阻爐的坩堝中，每次插入熔體深度為60mm，持續(xù)時(shí)間為20～25秒。對熱電偶每次去渣、空冷到室溫。測溫?cái)?shù)據(jù)直接由液晶顯示器顯示，其測試結(jié)果示于表三。表三</tables>由表三可知，動態(tài)法預(yù)測溫度與冰銅實(shí)際溫度誤差范圍為(+5～-5)℃。實(shí)例4.本實(shí)例是為驗(yàn)證熱電偶重現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)例1。所測鋁電解質(zhì)溫度分為三組，它們分別是970℃、955℃、940℃，每組溫度測4次，每次都用YEW(X-Y)記錄儀記錄熱電偶插入熔體后的升溫曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖7。圖7的曲線Ⅰ為鋁電解質(zhì)溫度970℃，4次升溫過程的重合線;曲線Ⅱ?yàn)殇X電解質(zhì)溫度955℃，4次升溫過程的重合線;曲線Ⅲ為鋁電解質(zhì)溫度940℃，4次升溫過程的重合線。由圖看出，對同一溫度，其4次升溫曲線基本重合在一起，這表明本發(fā)明的熱電偶具有高度重現(xiàn)性。權(quán)利要求1.一種高溫熔體的測溫方法，其特征在于用高重現(xiàn)性熱電偶短時(shí)插入高溫熔體中，通過溫度變送器和數(shù)據(jù)采集板所采集的溫度信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，由顯示裝置顯示或由輸出裝置輸出被測物體的實(shí)時(shí)溫度。2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于溫度信號輸入計(jì)算機(jī)后，將采集的t1、t2、tk……tn的幾個(gè)時(shí)刻所對應(yīng)的T1、T2、Tk……Tn的溫度點(diǎn)，按照一定的數(shù)學(xué)模型經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到被測物體的實(shí)時(shí)溫度。3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于熱電偶插入熔體的深度為40～60mm，其持續(xù)時(shí)間為5～30秒。4.一種備有高重現(xiàn)性熱電偶測溫裝置，其特征在于采用耐熱抗腐蝕材料做成熱電偶外保護(hù)套管(10)，在內(nèi)保護(hù)套管(12)與外保護(hù)套管(10)之間填充絕緣隔熱材料，在內(nèi)保護(hù)套管(12)中除保留兩個(gè)偶絲孔(14)外，均填滿陶瓷絕緣子;熱電偶絲測溫端點(diǎn)(16)與測溫頭(15)將其焊接牢固，測溫頭(15)與外保護(hù)套管(10)采用螺紋連接或焊接固定;然后將熱電偶置于升降和冷卻裝置(3)中，由此構(gòu)成高重現(xiàn)性熱電偶測溫裝置(27)。5.按照權(quán)利要求4所述的測溫裝置，其特征在于熱電偶測溫頭(15)做成半球狀。6.按照權(quán)利要求4所述的測溫裝置，其特征在于熱電偶外保護(hù)套管(10)采用鎳材、高溫不銹鋼或金屬陶瓷材料制成。7.按照權(quán)利要求4所述的測溫裝置，其特征在于熱電偶內(nèi)保護(hù)套管(12)與外保護(hù)套管(10)之間填充絕緣(如硅酸鋁纖維)材料。8.按照權(quán)利要求，所述的測溫裝置，其特征在于熱電偶使用時(shí)，將測溫裝置(27)固定在鋁電解槽加料室(26)或其它高溫熔爐(槽)的測溫機(jī)構(gòu)上，壓縮空氣通過汽缸上部進(jìn)(出)氣口(19)推動活塞連桿(20)，促使熱電偶(2)向下伸入熔體中測溫;經(jīng)片刻測溫完畢，隨即將壓縮空氣由汽缸下部進(jìn)(出)氣口(25)通入，迫使活塞連桿(20)向上運(yùn)動，將熱電偶(2)縮回冷卻室中，整個(gè)測溫過程由計(jì)算機(jī)控制。9.按照權(quán)利要求4或8所述的測溫裝置，其特征在于附著在熱電偶外保護(hù)套管(10)上的熔體(渣)，在熱電偶提升時(shí)由檔渣圈(24)括去。10.一種便攜式動態(tài)測溫儀，其特征在于利用高重現(xiàn)性熱電偶(2)，通過溫度變送器與數(shù)據(jù)采集板(7)所采集的溫度信號，經(jīng)單板計(jì)算機(jī)(32)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果，直接由液晶顯示被測物體的實(shí)時(shí)溫度。全文摘要一種高溫熔體測溫方法及裝置，是采用高重顯性熱電偶插入熔體中停留片刻取其溫度信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，顯示或打印出熔體的實(shí)時(shí)溫度；同時(shí)根據(jù)需要及時(shí)調(diào)整和控制熔體的最佳溫度狀態(tài)，整個(gè)測溫和控溫過程均由計(jì)算機(jī)管理。達(dá)到降低勞動強(qiáng)度，簡化操作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和節(jié)能等目的。這種方法測溫反應(yīng)快、誤差較小、熱電偶壽命長、裝置簡單、易于工業(yè)化，是鋁電解作業(yè)、冰銅熔析、礦物熔化、硅酸鹽熔體、熔鹽電解等高溫熔體測溫的理想裝置。文檔編號G01K7/06GK1057335SQ9110672公開日1991年12月25日申請日期1991年6月14日優(yōu)先權(quán)日1991年6月14日發(fā)明者王化章,薛健,劉業(yè)翔,喻學(xué)斌,袁泉,黃永忠,廖賢安申請人:中南工業(yè)大學(xué)