高温熔体的测温方法及其装置

1、一种高温熔体的测温方法，其特征在于用高重现性热电偶与汽缸连杆(20)固联组成的测温装置(27)固定在铝电解槽加料室(26)或其它高温溶炉(槽)的测温机构上，利用铝电解槽原有的打壳锤砸开电解质表面结壳后，于加料前的瞬间(5-30秒)启动活塞推动热电偶向下伸入熔体中，热电偶感知的一系列温度过渡信号经温度变送器和数据采集板送入计算机进行实时处理，由显示装置显示或由输出装置输出被测物体的实时温度，同时控制活塞向上运动，使热电偶缩回到可通入冷却空气的冷却室(34)中备用，整个测温过程由计算机控制。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于热电偶插入熔体的深度为40-60MM，其持续时间为5-30秒。
3、一种备有高重现性热电偶的测温装置，其特征在于采用耐热抗腐蚀材料做成热电偶外保护套管（10），在内保护套管（12）与外保护套管之间填充绝缘隔热材料，在内保护套管（12）中除保留两个偶丝孔（14）外，均填满陶瓷绝缘子，将热电偶丝测温端点（16）与测温头（15）焊接牢固，测温头（15）与外保护套管（10）采用螺纹连接或焊接固定，然后将热电偶置于有由汽缸（18）和冷却室（34）组成的升降冷却装置中，此装置将热电偶与汽缸活塞连杆（20）固联，由压缩空气通过汽缸进（出）气口（19）推动活塞连杆（20），促使热电偶（2）向下伸入熔体中测温，经片刻测温完毕，随即将压缩空气由汽缸下部进（出）气口（25）通入，迫使活塞连杆向上运动，将热电偶（2）缩回冷却室（34）中，并通入压缩空气进行冷却。
4、按照权利要求3所述的测温装置，其特征在于热电偶测温头（15）做成半球状，偶丝和测温头焊接在一起。
5、按照权利要求3所述的测温装置，其特征在于热电偶内保护套管（12）与外保护套管（10）之间填充绝缘（如硅酸铝纤维）材料。
6、按照权利要求3所述的测温装置，其特征在于附着在热电偶外保护套管（10）上的熔体（渣），在热电偶提升时由挡渣圈（24）刮去。

本发明与高温熔体的温度测量和控制有关。\n高温熔体一般是指液态金属、液态冰铜、液态炉渣、熔融盐、玻璃熔体等高温产物，它们是火法冶金、熔盐电解、硅酸盐提纯的物理化学或电化学反应的必然过程。熔体的温度过高或过低，都将影响冶金作业的正常进行，及时检测和控制熔体的温度，是保证冶金生产正常作业的重要条件之一。以氧化铝熔盐电解过程为例。铝电解生产所用的电解质，是以Na3AlF6-AlF3-Al2O3为基的熔融盐，电解质的温度一般在940～980℃范围内。据检测表明，电解质的温度是影响电流效率和电能消耗的重要因素，当电解质温度降低10℃，而电流效率可提高2%;然而温度过低，电解质的密度和粘度相应增大，不利于电解质与金属铝的分层，以及阳极气体的排出。因此，经常检测电解质的温度并将其控制在最佳温度状态，是铝电解生产取得良好技术经济指标的前提条件。由于铝电解质温度高、腐蚀性强，如何及时、准确地测定其温度，是铝电解作业中的重要课题。国内外从事铝业的工作者，进行了多方面的研究，如联邦德国专利DE2844417/1980公开了一种采用复合层套管热电偶装置，其使用寿命可达30天左右;美国专利US3975212公开了一种将热电偶埋入电解槽的槽衬中，其使用寿命可延长至125天左右，然而因其热惯性大，难以得到实时的电解质温度信号，故不能及时调整和自动控制电解质温度;此外，还有采用严格控制电流密度的阳极保护法。如上所述的测温方法和装置，皆有其不足之处，不能适应现代化铝业或其它冶金工业生产的需要。\n为了快速、准确地提供铝电解质或其它高温熔体的实时温度，便于计算机控制和管理生产过程，从而实现优质高产、节省能耗、延长测温热电偶寿命等目的，由此提出了本发明。\n本发明是通过热电偶与高温熔体接触时所采集的过渡过程某段时间的温度信号，依据某种数学模型，利用计算机进行处理，及时给出被测物体（质）实时温度的动态测温方法及其装置。其实施方案与测温方法如图1所示。它由高重现性热电偶（2），通过升降装置（3）插入高温熔体（1）中，利用温度变送器和数据采集板（7），采集热电偶 所响应的温度信号，经计算机（4）处理后，再由显示装置（5）显示或输出装置（6）输出被测物质的实时温度。视所测熔体的温度若过高或偏低，可通过计算机（4）配合调整温度的控制装置（8）调整熔体（炉、槽）相应作业参数，使其稳定在最佳温度状态，以实现优质高产和节能的目的。当热电偶测完某一温度后，迅速启动升降装置（3）将热电偶缩回原冷却保护装置中，并通气冷却。热电偶插入熔体的时间、深度和定时测温的次数，以及调整熔体相应的作业参数，均由一台计算机（4）进行控制。\n采用高重现性的热电偶插入高温熔体（例如铝电解质）中，把热电偶响应某段时间内的温度信号（热电势），经过温度变送器（例如DBW）送入数据采集板（例如PC-1216A）;然后将采集的数据输入计算机（例如IBM-PC/XT）中。计算机将采集的t1、t2、tk……tn的n个时刻所对应的T1、T2、Tk……Tn的温度点，通过选定的数学模型（例如指数模型），经计算机处理得到T＝f（t）方程，再依据方程T＝f（t）可得到熔体温度。这种测温方法称之为动态测温法。其原理示于图2。\n为适应熔盐电解尤其铝电解作业，以及矿物熔化、冰铜（含铜冰铜、铅冰铜和镍冰铜）分离、冶金熔析（含离析）、火法精炼和玻璃生产等高温熔体测温的需要，我们专门研制了如图3所示的高重现性热电偶（2）。该热电偶的测温头（15）采用耐热而且导热性良好的材料做成半球状，采用耐热抗腐蚀材料（例如镍材、高温不锈钢或金属陶瓷）做成热电偶外保护套管（10），在内保护套管（12）与外保护套管（10）之间充填绝缘（例如硅酸铝纤维）材料（11）。在内保护套管（12）中，除保留两个偶丝孔（14）外，均填满陶瓷绝缘子（13），以防偶丝（17）相接触。热电偶丝测温端点（16）与测温头（15）将其焊接牢固，以保持良好的导热性。测温头（15）与外保护套管（10）采用螺纹连接或焊接方式。热电偶导线由孔（9）引出，并连接于采集装置（7）。\n热电偶的升降和冷却装置（3）的结构示于图4，它是由汽缸（18）和冷却室（34）两部分组成，并通过螺栓（21）、螺母（22）固联在一起;而热电偶（2）则与汽缸中活塞连杆（20）联结在一起，并装配于图5的测温机构（27）中。当热电偶进行测温时，压缩空气通过汽缸上部进（出）气口（19），以压缩空气推动活塞连杆（20），促使热电偶（2）向下运动，快速伸入待测的高温熔体（1）中，其深度控制在40～60mm，持续时间为5～30秒，由此取得熔体（槽）温度信号后，随即由汽缸下部进（出）气口（25），通入压缩空气，迫使活塞连杆（20）向上运动，使热电偶重新回到冷却室（34）中，同时由入口（23）通入冷却空气，使热电偶恢复初始状态。在热电偶提升过程中，挡渣圈（24）同时括除热电偶外壳保护套管上的熔体（渣）。每个测温周期所需时间为2～5分钟，整个测温过程由计算机（4）控制。\n采用如上方法与装置测温，若在铝电解槽中进行测温时，其测温装置（27）可固定在加料室（26）上，其测温过程示于图5。即利用铝电解槽原有打壳锤装置（31），将电解质结壳（28）打穿后，迅速启动测温装置（27），将热电偶伸入电解质（30）中，完成一次采样需5～30秒。在铝电解作业中，同槽一般有2～4根打壳锤装置（31），每根打壳锤旁边均安装一个测温装置（27），经多个测温装置同时采样，通过计算机（4）处理所得温度的平均值，即为被测电解槽的温度。通过这种动态法若干次测温后，亦可在计算机（4）控制下，用同一热电偶采用平衡法测定该电解槽（质）温度，以此校验动态法测温的数值。如果在冰铜、玻璃熔体或其它高温熔体中测温，则可将测温装置（27）安装在相应的炉（槽）的测温机构（架）上，并按铝电解测温的步骤进行测温，同样能实现其测温目的。\n对于自焙铝电解槽和其它单炉（坩埚）或处理量少的某些高温熔体的温度测量，可按图6所示采用本发明热电偶（2），通过温度变送器与数据采集板（7）、单板计算机（32）和液晶显示器（33）组成便携式动态测温仪。这种动态测温仪，其原理及其构思如同前述方案，只是省去了热电偶冷却保护外壳和升降装置。使用时热电偶插入和去渣由人工操作，电源可采用交流电或干电池供电。\n采用动态法及其装置（仪器）测温，较之平衡法测温具有如下优点：（1）热电偶使用寿命长。由于动态法测温热电偶接触高温熔体的时间短，大大减轻了熔体对热电偶套管的腐蚀，因而延长了热电偶的使用寿命，解决了熔体测温问题;（2）热 电偶对实时温度响应快。由于测温头采用导热性良好的材料制成，因而时间常数小，能在很短时间内测出熔体的温度，解决了某些测温方法因滞后而难于适时控温问题;（3）测温准确度高。由于本方法测温是取多点平均值和定期校验，因而大大提高了测温准确度;（4）抗高温腐蚀好。由于采用耐热抗腐蚀材料做成保护外壳，因而解决了常规热电偶易被高温熔体腐蚀问题;（5）装置简单，易于实现。动态法测温若用于铝电解预焙槽，可附设于加料室的机构上，利用打壳的机会进行测温;如果对单炉（槽）进行测温，可用动态测温仪，携带方便，测温迅速、精确;（6）节省能耗、优质高产。在高温熔体中实现快速、准确测温，又通过计算机控制和管理，使被测熔体温度达到最佳状态，这样既可节省能耗，又可实现优质高产，因而可在高温熔体中广泛推广。\n附图说明：\n图1.动态法测温方框图。其中：1.高温熔体，2.高重现性热电偶，3.热电偶升降及冷却装置，4.计算机，5.显示装置，6.输出装置，7.温度变送器和数据采集板，8.调整温度的控制装置。\n图2.动态法测温原理图。其中：t代表时间，T代表温度;t0是热电偶测温起始时间，T0是热电偶测温起始温度;t代表热电偶热平衡时所需时间，T0代表所测熔体温度;t1、t2、tk……tn代表采样时间，T1、T2、Tk……Tn代表采集的温度。\n图3.高重现性热电偶半剖面图。其中：9.补偿导线引出口，10.外保护套管，11.绝缘隔热材料，12.内保护套管，13.陶瓷绝缘子，14.偶丝孔，15.测温头，16.热电偶感温端点，17.热电偶丝。\n图4.热电偶测温装置半剖面图。其中：18.汽缸，19.汽缸上部进（出）口，20.活塞连杆，21.螺栓，22.螺母，23.冷空气进口，24.挡渣圈，25.汽缸下部进（出）气口，34.冷却室。\n图5.铝电解槽测温示意图。其中：26.加料室，27.测温装置，28.电解质结壳，29.铝液，30.电解质，31.打壳锤装置。\n图6.便携式动态测温仪方框图。其中：2.高重现性热电偶，7.温度变送器和数据采集板，32.单板计算机，33.液晶显示器。\n图7.高重现性热电偶使用实测图。其中：横坐标为时间t（s），纵坐标为温度T（℃）;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为三组温度分别4次升温曲线。\n实例1.按照本发明的动态测温方法，采用高重现性的热电偶，其外套管用高温不锈钢，对电解质进行测温。电解质的分子比2.24，Al2O34.2%，MgF23%，室温8℃，热电偶插入熔体时间为25秒，插入铝电解质深度为50mm，温度信号用计算机采集和处理，数据处理采用指数回归法，每次测试后去渣且冷却到初始状态。其测试结果示于表一（见文后）。\n由表一可知，动态法预测温度与电解质实际温度误差范围为（+5～-6）℃。\n实例2.按照实例1的测温方法及在相同条件下，测定铝液混合炉中的铝液温度，热电偶外保护套管用氮化硅制成，其测试结果示于表二（见文后）。\n由表二可知，动态法预测温度与铝液实际温度误差范围为（+6～-5）℃。\n实例3.采用高重现性的热电偶，通过温度变送器连接数据采集板，配置单板计算机和液晶显示器组成的便携式动态测温仪。将热电偶分次插入熔有质量为1000克铜冰铜电阻炉的坩埚中，每次插入熔体深度为60mm，持续时间为20～25秒。对热电偶每次去渣、空冷到室温。测温数据直接由液晶显示器显示，其测试结果示于表三（见文后）。\n由表三可知，动态法预测温度与冰铜实际温度误差范围为（+5～-5）℃。\n实例4.本实例是为验证热电偶重现性，实验条件同实例1。所测铝电解质温度分为三组，它们分别是970℃、955℃、940℃，每组温度测4次，每次都用YEW（X-Y）记录仪记录热电偶插入熔体后的升温曲线。实验结果示于图7。图7的曲线Ⅰ为铝电解质温度970℃，4次升温过程的重合线;曲线Ⅱ为铝电解质温度955℃，4次升温过程的重合线;曲线Ⅲ为铝电解质温度940℃，4次升温过程的重合线。由图看出，对同一温度，其4次升温曲线基本重合在一起，这表明本发明的热电偶具有高度重现性。\n表一\n试验次数    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12\n实际温度(℃)936  937  938  939  948  950  950  953  934  931  932  932\n预测温度(℃)  932  938  942  944  950  953  955  958  938  929  927  926\n误差（℃）    -4    +1    +4    +5    +2    +3    +5    +5    +4    -2    -5    -6\n表二：\n试验次数    1    2    3    4    5    6    7    8    9\n实际温度（℃）    695    693    697    693    694    700    705    703    708\n预测温度（℃）    698    699    692    692    695    698    702    703    704\n误差（℃）    +3    +6    -5    -1    +1    -2    -3    0    -4\n表三：\n试验次数    1    2    3    4    5\n实际温度（℃）    1090    1097    1099    1104    1108\n预测温度（℃）    1088    1092    1104    1100    1111\n误差（℃）    -2    -5    +5    -4    +3