專利名稱：一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁電解溫度測量方法，特別涉及一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置及方法。
背景技術：
金屬鋁是通過電化學法還原溶解在冰晶石熔體中的氧化鋁來生產的；生產過程中需要測量鋁電解質的溫度和初晶溫度。近年來，已經相繼問世了多種用于同時測量鋁電解質溫度和初晶溫度的方法，這些方法大體可分成兩類單溫度傳感器技術和雙溫度傳感器技術。單溫度傳感器技術中，采用的探頭是將一個溫度傳感器安置在一個試樣杯中，測量時將探頭浸入到電解質中，待溫度恒定后，將探頭取出并隨環境溫度冷卻；測量至溫度恒定時的溫度為電解質溫度；而初晶溫度為測量獲得的冷卻曲線拐點處的溫度。雙溫度傳感器技術中，探頭安裝有兩個溫度傳感器，一個溫度傳感器安置在試樣杯中，另一個溫度傳感器作為參比溫度封裝在一個金屬體中，試樣杯和封裝參比熱電偶的金屬體為一個整體；測試時將探頭浸入到電解質中，待溫度恒定后，將探頭取出并隨環境溫度冷卻。測量至溫度恒定時的溫度為電解質溫度；而初晶溫度為測量獲得的冷卻曲線拐點處的溫度。相對于單溫度傳感器探頭，雙溫度傳感器技術對拐點的分辨度更高，特別適合用于測量電解質中氟化鋁含量高于8%的電解質的初晶溫度。但是這兩種傳感器都存在一個共同的缺點，由于冷卻過程中冷卻速度太大，造成測定的電解質初晶溫度與實際值相比偏低；并且測試結果受環境影響較大，重現性較差；還有再次測量時，必須將樣品杯中的電解質清除干凈，除了操作比較麻煩，還將影響探頭的壽命。
發明內容
針對現有鋁電解質溫度和初晶溫度測量技術存在的上述問題，本發明提供一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置及方法，通過采用兩個各自獨立分別安裝有溫度傳感器的探頭同時進行測量，在提高測量精度的同時，延長探頭的使用壽命。本發明的測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置由探頭I和探頭II、分析儀器和升降裝置構成，每個探頭由一個溫度傳感器和一個保護套管組成，兩個溫度傳感器同時與一個分析儀器裝配在一起，兩個保護套管固定在一個升降裝置上；每個探頭中溫度傳感器的上部固定在保護套管內，溫度傳感器的末端插入保護套管內的空腔下部的小孔中。上述裝置中探頭I的保護套管底端面與該保護套管的小孔連通；探頭II的保護套管底端封閉。上述裝置的探頭II中，保護套管的底端面為平面、球缺面或圓錐面，溫度傳感器末端與保護套管的小孔的底端連接。上述裝置的探頭I中，保護套管的底端面為平面、球缺面或帶有凹槽的平面；當保護套管的底端面為平面或球缺面時，小孔與保護套管的底端連通或呈L型與保護套管下部的側壁連通，溫度傳感器末端與保護套管底端平齊，或位于小孔與保護套管下部側壁的連通處；當保護套管底端面為帶有凹槽的平面時，小孔與凹槽連通，溫度傳感器末端位于凹槽內。上述裝置的兩個溫度傳感器的水平高度差< 30mm。上述裝置的每個溫度傳感器外徑與該溫度傳感器插入的小孔孔徑的差< 0. 5mm。上述裝置的探頭I中，保護套管的頂端封閉。上述裝置中，保護套管的材質選用鐵、鎳、銅或不銹鋼；所述的不銹鋼為310s、 304、316或316L不銹鋼。上述的溫度傳感器為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶或S型鉬銠-鉬熱電偶。上述裝置中的分析儀器為與計算機裝配在一起的熱電偶模塊、與計算機裝配在一起的電位差計或與計算機裝配在一起的萬用表。本發明的測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法是采用上述裝置，按以下步驟進行
1、通過升降裝置將兩個探頭插入到熔融的電解質中測量電解質的溫度，通過分析儀器記錄兩個探頭的溫度，并建立溫度-時間關系曲線；當兩個探頭測量到的溫度都恒定不變時，停止記錄；
2、通過升降裝置將兩個探頭從電解質中取出，空冷至溫度<300°C，準備下次進行測
量；
3、建立溫度差-溫度曲線，其中溫度差坐標為同一時刻探頭I與探頭II測得的溫度差，溫度坐標為探頭I測得的溫度；溫度差-溫度曲線中停止記錄時溫度差為0，該處對應的探頭I測得的溫度即為電解質溫度；溫度差-溫度曲線中電解質溫度前第一個峰值點處對應的探頭I測得的溫度即為電解質的初晶溫度。本發明的裝置方法適用于各種成分的電解質溫度測量，用兩個探頭分別測量溫度，采用溫度差-溫度曲線確定電解質溫度和初晶溫度，避免了測量時環境的影響，降低了誤差的范圍；探頭I的保護套管底端面的形狀適合不同條件的電解質測量，探頭測量結束后從電解質中取出時，會大大減少附著電解質，重復測量不需要處理附著的電解質，便于操作且有利于延長保護套管的壽命；探頭I的保護套管頂端封閉能夠防止電解質以虹吸的方式進入空腔內。本發明的裝置及方法具有測量結果準確，重復測量穩定，便于操作的效果。
圖1為本發明實施例1中采用的探頭I ； 圖2為本發明實施例2中采用的探頭I；
圖3為本發明實施例3中采用的探頭I； 圖4為本發明實施例4中采用的探頭I； 圖5為本發明實施例1中采用的探頭II ； 圖6為本發明實施例2中采用的探頭II ； 圖7為本發明實施例3中采用的探頭II ；
圖8為本發明實施例1中的測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構示意圖； 圖9為本發明實施例1中的溫度差-溫度曲線圖；圖中，1、溫度傳感器I，2、保護套管I，3、小孔I，4、凹槽，5、溫度傳感器11，6、保護套管II，7、小孔II，8、分析儀器，9、升降裝置。
具體實施例方式本發明實施例中采用的溫度傳感器的測量誤差彡0. 5%。本發明實施例中采用的電位差計和萬用表的電位測量精度為6位半。實施例1
測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構如圖8所示，由探頭I和探頭II、分析儀器和升降裝置構成，每個探頭由一個溫度傳感器和一個保護套管組成，兩個溫度傳感器同時與一個分析儀器裝配在一起，兩個保護套固定在一個升降裝置上；每個探頭中溫度傳感器的上部固定在保護套管內，溫度傳感器的末端插入保護套管內的空腔下部的小孔中； 探頭I的保護套管底端面與該保護套管的小孔連通；探頭II的保護套管底端封閉； 探頭II的保護套管的底端面為球缺面，溫度傳感器末端與保護套管的小孔的底端連
接；
探頭I的保護套管的底端面為球缺面，小孔與保護套管的底端連通，溫度傳感器末端與保護套管底端平齊；
兩個溫度傳感器的水平高度差< 30mm ；
每個溫度傳感器外徑與該溫度傳感器插入的小孔孔徑的差< 0. 5mm ； 探頭I的保護套管的頂端封閉； 保護套管的材質為310s不銹鋼； 溫度傳感器為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶； 分析儀器為與計算機裝配在一起的熱電偶模塊； 測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法是采用上述裝置，按以下步驟進行 將電解質加熱至1000°C，采用的電解質的由氟化鈉、氟化鋁、氟化鈣和氧化鋁組成，氟化鈣占電解質總重量的5%，氧化鋁占電解質總重量的5%，其余為氟化鈉和氟化鋁，氟化鈉和氟化鋁的分子比為2.2:1 ；
當電解質的溫度達到時，通過升降裝置將兩個探頭插入到熔融的電解質中測量電解質的溫度，通過分析儀器記錄兩個探頭的溫度，并建立溫度-時間關系曲線；當兩個探頭測量到的溫度都恒定不變時，停止記錄；
通過升降裝置將兩個探頭從電解質中取出，空冷至溫度< 300°C，準備下次進行測量； 建立溫度差-溫度曲線，如圖9所示，其中溫度差坐標為同一時刻探頭I測得的溫度與探頭II測得的溫度的差Ti-Tii, Ti為探頭I測得的溫度，Tii為探頭II測得的溫度；溫度坐標為探頭I測得的溫度Ti;
停止記錄時溫度差為0，該處對應的探頭I測得的溫度即為電解質溫度T1，根據溫度差-溫度曲線圖該溫度為999°C ；溫度差-溫度曲線中電解質溫度前第一個峰值點處對應的探頭I測得的溫度即為電解質的初晶溫度Tb，根據溫度差-溫度曲線圖該溫度為948°C ； 上述過程中同時采用步冷曲線法測得該電解的初晶溫度為947. 3°C，測試過程中控制傳感裝置冷卻速度為1°C /min ；
測量結果與傳統實驗技術獲得的結果近似，測量誤差在電偶誤差范圍以內。
實施例2
測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構同實施例1，不同點在于 探頭II的保護套管的底端面為平面，結構如圖6所示；
探頭I的保護套管的底端面為平面；溫度傳感器末端與保護套管底端平齊，結構如圖 2所示；
兩個溫度傳感器的水平高度差15mm ；
每個溫度傳感器外徑與該溫度傳感器插入的小孔孔徑的差為0. 4mm ； 保護套管的材質為316不銹鋼；
分析儀器為與計算機裝配在一起的電位差計，其電位測量精度為6位半； 測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法同實施例1，測得電解質溫度為999. 2°C，初晶溫度為 947. 6 0C ο實施例3
測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構同實施例1，不同點在于 探頭II的保護套管的底端面為圓錐面，結構如圖7所示；
探頭I的保護套管的底端面為帶有凹槽的平面；小孔與凹槽連通，溫度傳感器末端位于凹槽內，結構如圖3所示；
兩個溫度傳感器的水平高度差20mm ；
每個溫度傳感器外徑與其所在的小孔孔徑的差為0. 3mm ；
保護套管的材質為304不銹鋼；
分析儀器為與計算機裝配在一起的萬用表，其電位測量精度為6位半； 測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法同實施例1，測得電解質溫度為998. 8°C，初晶溫度為947°C;由于該類型探頭附著的電解質量要多于其它類型的探頭，在從電解質中取出的10 秒內，抖動一下探頭，附著的液態電解質將脫落，就不會影響下次測量。實施例4
測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構同實施例1，不同點在于 探頭I中，保護套管的底端面為平面；小孔呈L型與保護套管下部的側壁連通，溫度傳感器末端位于小孔與保護套管下部側壁的連通處；結構如圖4所示； 兩個溫度傳感器的水平高度差25mm ； 保護套管的材質為316L不銹鋼；
測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法同實施例1，測得電解質溫度為999. 4°C，初晶溫度為 947. 9 0C ο實施例5
測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構同實施例1，不同點在于
兩個溫度傳感器的水平高度差30mm ；
保護套管的材質為鐵；
采用的溫度傳感器為S型鉬銠-鉬熱電偶；
測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法同實施例1，測得電解質溫度為999. 6°C，初晶溫度為 948. I0Co實施例6測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構同實施例1，不同點在于
保護套管的材質為鎳；
采用的溫度傳感器為S型鉬銠-鉬熱電偶；
測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法同實施例1，測得電解質溫度為1000. 2°C，初晶溫度為 948. 30C ο
實施例7
測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置結構同實施例1，不同點在于 每個溫度傳感器外徑與其所在的小孔孔徑的差< 0. 5mm ； 保護套管的材質為銅； 采用的溫度傳感器為S型鉬銠-鉬熱電偶；
測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法同實施例1，測得電解質溫度為999. 5°C，初晶溫度為 947. 7 0C ο
權利要求
1 一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于該裝置由探頭I和探頭II、 分析儀器和升降裝置構成，每個探頭由一個溫度傳感器和一個保護套管組成，兩個溫度傳感器同時與一個分析儀器裝配在一起，兩個保護套管固定在一個升降裝置上；每個探頭中溫度傳感器的上部固定在保護套管內，溫度傳感器的末端插入保護套管內的空腔下部的小孔中。
2.根據權利要求1所述的一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于所述的探頭I的保護套管底端面與該保護套管的小孔連通；探頭II的保護套管底端封閉。
3.根據權利要求1所述的一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于所述的探頭II中，保護套管的底端面為平面、球缺面或圓錐面，溫度傳感器末端與保護套管的小孔的底端連接。
4.根據權利要求1所述的一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于所述的探頭I的保護套管的底端面為平面、球缺面或帶有凹槽的平面；當保護套管的底端面為平面或球缺面時，小孔與保護套管的底端連通或呈L型與保護套管下部的側壁連通，溫度傳感器末端與保護套管底端平齊，或位于小孔與保護套管下部側壁的連通處；當保護套管底端面為帶有凹槽的平面時，小孔與凹槽連通，溫度傳感器末端位于凹槽內。
5.根據權利要求1所述的一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于每個溫度傳感器外徑與該溫度傳感器插入的小孔孔徑的差< 0. 5mm。
6.根據權利要求1所述的一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于保護套管的材質選用鐵、鎳、銅或不銹鋼；所述的不銹鋼為310s、304、316或316L不銹鋼。
7.根據權利要求1所述的一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置，其特征在于所述的溫度傳感器為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶或S型鉬銠-鉬熱電偶。
8.一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度方法，其特征在于采用權利要求1所述的裝置， 按以下步驟進行(1)通過升降裝置將兩個探頭插入到熔融的電解質中測量電解質的溫度，通過分析儀器記錄兩個探頭的溫度，并建立溫度-時間關系曲線；當兩個探頭測量到的溫度都恒定不變時，停止記錄；(2 )通過升降裝置將兩個探頭從電解質中取出，空冷至溫度(300。C，準備下次進行測量；(3)建立溫度差-溫度曲線，其中溫度差坐標為同一時刻探頭I與探頭II測得的溫度差，溫度坐標為探頭I測得的溫度；溫度差-溫度曲線中停止記錄時溫度差為0，該處對應的探頭I測得的溫度即為電解質溫度；溫度差-溫度曲線中電解質溫度前第一個峰值點處對應的探頭I測得的溫度即為電解質的初晶溫度。
全文摘要
一種測量鋁電解質溫度和初晶溫度的裝置及方法，裝置由探頭Ⅰ和探頭Ⅱ、分析儀器和升降裝置構成，兩個溫度傳感器與分析儀器裝配在一起，兩個保護套固定在升降裝置上；溫度傳感器插入保護套管內的小孔中；方法為兩個探頭插入到熔融電解質中，分析儀器記錄兩個探頭的溫度，建立溫度-時間關系曲線；當溫度都恒定不變時停止記錄；建立溫度差-溫度曲線，溫度差-溫度曲線中停止記錄時，該處對應的探頭Ⅰ測得的溫度為電解質溫度；溫度差-溫度曲線中電解質溫度前第一個峰值點處對應的探頭Ⅰ測得的溫度即為電解質的初晶溫度。本發明的裝置及方法具有測量結果準確，重復測量穩定，便于操作的效果。
文檔編號C25C3/20GK102494789SQ201110445908
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者于江玉, 史冬, 王兆文, 石忠寧, 胡憲偉, 高炳亮 申請人:東北大學