CN103926014A - 一种铝电解初晶温度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解初晶温度测量方法及系统；所述的方法包括以下步骤：步骤1：参数获取：将多路K型热电偶同时插入位于炉体内的铝电解槽内熔体的不同深度处，并采用其中的一路K型热电偶测量炉体温度；另外的多路K型热电偶用于电解质样温度的测量，以获取铝电解槽中电解质温度梯度分布参数；步骤2：基于电解质温度曲线获取电解质初晶温度值：根据电解质温度与时间的关系绘制曲线，即电解质温度曲线，将电解质温度曲线的首尾端点连成直线，在该电解质温度曲线上，位于直线左边并距离直线最远点对应的温度值即为电解质初晶温度值。该铝电解初晶温度测量方法及系统易于实施，且测量数据准确。

Description

一种铝电解初晶温度测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种铝电解初晶温度测量方法及系统。

背景技术

近年来，我国铝冶金工业有了飞速发展，现在已经成为世界产铝大国。全球电解铝增产动力主要来自中国。铝电解质初晶温度是铝电解生产中重要的工艺研究参数之一。初晶温度即铝电解质初始结晶(凝固)时的温度，在电解过程中电解槽的温度(电解质温度)应高于初晶温度，电解才可以顺利地进行。电解质温度高出初晶温度的部分称为过热度，一般认为最佳过热度是10℃左右。电解质温度主要由电解槽的电流效率、热收入、电解槽内的铝量决定；初晶温度由电解质成分决定。物料平衡可由氧化铝浓度的控制来解决，能量平衡控制则没有很好控制，能量平衡控制的目标，就是把铝电解质温度控制在适当的低温范围内。通常电解质温度介于910℃至980℃之间。当电解质温度降低时，能极大地减少电能的损耗，铝的重量损失大为减小，其原因是随着温度的降低，金属的溶解度减小；但温度过低，将导致电解质结晶严重，影响整个电解槽不能运行，造成“病槽”或者“死槽”，因而在电解槽稳定运行与节能降耗之间存在着矛盾。

测量时，6路K型高精度热电偶同时插入槽内熔体不同深度处，其中1路用于炉体温度测量，其余5路K型高精度热电偶同时插入槽内熔体不同深度处，深度依次相差5cm，用于电解质样温度的测量，自动地获取铝电解槽中电解质温度梯度分布情况等参数，但检测过程存在一些干扰，如生产过程中液面波动等。

实践证明，铝电解质温度的高低，与电流效率的高低有直接关系。在保持电解槽正常运行的条件下，电解质温度降低10℃，则电流效率将提高1～1.5％。

实时准确测量电解质温度，根据实际情况当过热度每降低10℃，即可降低电能损耗达2％～3％，对一个年产几十万吨原铝的企业来说，就可节约成本数千万元。对于电解铝生产企业而言，可最大程度地降低每吨原铝的生产成本，获取显著的经济效益；对于社会而言，可减少能源消耗与浪费，获得显著的社会效益。

因此，有必要设计一种铝电解初晶温度测量方法及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铝电解初晶温度测量方法及系统，该铝电解初晶温度测量方法及系统易于实施，且测量数据准确。

发明的技术解决方案如下：

本发明依据的理论如下：当一个冷的物体快速地浸入到高温熔盐中时，其表面立即冷凝一层凝固物。由于该过程相当于部分电解质进行“骤冷”，因此凝固物成份与溶盐相同，在物体温度不断升高的过程中，凝固层经历了加厚、稳定、减薄直至全部熔化这一过程。如果物体的体积足够小，而且导热性能又相当好，则在任何时刻可以认为物体的温度是均匀的，那么在凝固层熔化完这一瞬间，物体的温度就是熔盐的初晶点(对于纯熔盐则为熔点)。根据传热原理，在凝固物全部熔化完的瞬间，物体的温度变化率突然上升，出现一个突变点，这一突变点所对应的温度就是熔盐的初晶点温度。依据以上情况，设计多个热电偶组成的阵列，同时插入槽内熔体不同深度处，自动地获取铝电解槽中电解质温度梯度分布情况等参数，并通过上位机软件确定电解质温度与时间的曲线，根据电解质温度曲线前后两点形成的直线，判定位于直线左边并距离直线最远点为初晶温度点。有益效果：

本发明的铝电解初晶温度测量方法及系统，通过多个热电偶组成的阵列在同时插入槽内熔体不同深度处，自动地获取整槽中电解质温度梯度分布情况等参数，准确地测量出铝电解的初晶温度，当生产过程中电解质温度降低时，能极大地减少电能的损耗，从而能提高铝电解效率。

附图说明

图1为铝电解初晶温度测量系统的结构框图。

图2为6路K型高精度热电偶结构示意图。

图3为电解质温度曲线及电解质初晶温度的判定示意图。标号说明：1-炉体装置，2-K型热电偶，3-温度信号处理电路，4-按键，5-炉温控制电路，6-主控制器，7-声光报警电路，8-上位机；，1-炉体部分，12-控制电路部分，13-上位机部分。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1，铝电解初晶温度测量系统，主要由炉体部分、控制电路部分和上位机部分三部分构成。每个炉体装含有6路K型高精度热电偶，响应时间为30ms～30s，本系统采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，测量温度范围在0～1023.5℃，其温度分辨能力达0.25℃。测量时，6路K型高精度热电偶同时插入槽内熔体不同深度处，深度依次相差5cm。1路用于炉体温度测量，5路用于电解质样温度的测量，自动地获取铝电解槽中电解质温度梯度分布情况等参数。确定电解质温度与时间的曲线关系，根据电解质温度曲线前后两点形成的直线，判定位于直线左边并距离直线最远点为初晶温度点并加以标注，并存储数据生成报表。本发明能够实现炉体温度在一定范围内调节，并能准确的检测和计算出铝电解初晶温度。

炉体温度控制在940℃～1010℃的可调范围，电解质样的温度测量范围为910℃～970℃，电解质的初晶温度为910℃～940℃。炉温的控制为从起始温度加热至设定炉温，断开炉体加热电源，开始测量电解质样的温度，一个周期约12分钟，进入炉温下限且新试样更换完成后，合上炉体加热电源，进入下一个测量周期；整套测量装置为半自动设计，炉体温度的控制和电解质样温度的采集为全自动方式工作，电解质样的运动机械装置为纯手动。

其中控制电路部分由温度信号处理电路、炉温控制电路(为现有成熟技术)及按键与声光报警电路组成，完成铝电解质温度采集、炉体温度自动控制、相关参数显示、提醒及报警等功能；上位机通过计算机来实现，主要用于接收和处理下位机(即控制电路部分)传过来的数据，准确计算出初晶温度值并加以标注，并存储数据生成报表；炉体装置主要用于完成铝电解质加热。

整个装置的工作原理如下：工作人员在上位机的软件系统界面上输入炉温上限、各槽内熔体的样品编号、样品温度上下限后，向下位机发送启动命令，主控制器接收到上位机的命令后，通过炉温控制电路对炉体进行加热，温度信号处理电路开始采集炉体温度，当炉体加热到940℃时候，工作时炉体温度控制在940℃～1010℃的可调范围，声光报警电路产生声光报警提示工作人将铝电解质样品放入炉体装置并开始采集铝电解质温度；继续对炉体加热，当加热到炉体设置温度上限时维持炉温不变，直到各铝电解质温度达到设置上限，停止加热，声光报警电路提示测量开始，每隔3秒钟左右采集一次铝电解质温度并记录下来，直到铝电解质温度下降为设置下限，停止采集数据，将记录下来的采集数据发送到上位机，声光报警电路提示测量完成，完成全部的控制电路部分工作。上位机通过网络端口接收采集到的实时温度，用通信协议解包，分析是实时炉温还是样品温度，如果是实时炉温，将传给计算机界面实时显示，如果是样品温度，将样品温度传给文件数据库中，程序从数据库中取出数据，在界面的时间-温度坐标系上绘制曲线、计算并标识出曲线的拐点，拐点计算出后存到ACCESS数据库中，此数据库中的字段有：样品编号、日期、时间、初晶点(拐点温度)、分子比(用户输入)和几个其它依靠用户输入值的数据字段，此数据库作用为用户修改、查找及生成报表。

系统总电源由220V市电提供，进入系统经过保险丝、空气开关后将其分成两路，一路给加热炉及风扇供电；另一路经过两个开关电源将电压降至24V，12V和5V，其中5V给主控板电源模块供电，12为光耦供电、24V为PID调节器SR92，SCR调节器等装置供电。

炉体装置主要由用于完成铝电解质加热的设备，6路K型热电偶呈梯度阵列排列。

铝电解质温度采集采用6路K型高精度热电偶。K型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、制造容易、使用方便、测量范围宽、测量精度高等特点。在以K型热电偶为测温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势较小，信号必须经过温度信号处理电路，才能输入基于ARM7(LPC2378)的主控制器。温度信号处理电路包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字化等几个部分。本系统采用了MAXIM公司新近推出的MAX6675，MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，测量温度范围在0～1023.5℃，其温度分辨能力达0.25℃，可以满足该系统对温度精度的要求。可以直接与主控制器接口相连，大大简化系统的设计，保证了温度测量的快速、准确。

控制电路部分主要是控制铝电解质初晶温度采样的整个工作过程，完成炉温及铝电解质温度采集，炉温的控制，显示、告警提示和通信等功能。主控器件是控制电路部分的核心，是协调整个系统的各分模块工作、数据的存储及传输的控制单元，主控制器选用ARM 7(LPC2378)作为主控芯片，可以快速处理、存储并转发大量数据。

炉温自动控制电路部分采用热电偶自动检定系统来进行炉温控制，此电路由K型热电偶、控温伺服器及检定炉温伺服器组成。K型热电偶用于采集炉体温度；控温伺服器的主要功能是执行检定测控仪器发出的信号并向检定炉提供加热电流；检定炉温伺服器主要根据提供的加热电流自动完成对炉温加热，从而达到根据设置温度自动控制对炉温进行加热的目的。

控温伺服器选用日本岛电公司生产的PID调节器SR92，SR92系列是0.3级的PID智能调节器，具有双四位显示，双输出，模拟变送输出，数字通信，上下限报警设置等功能。自由输入的量可以为热电偶(用于炉温采集)，输出电流4～20mA DC(用于SCR电热调整器输入模拟信号)。

检定炉温伺服器选用航泰电子电力公司生产的SCR电热调整器，主要是由单相可控硅，加上控制电路板及相关的电气部分(散热片，制冷风扇)。在控制方式上属于线性控制，接收模拟量信号4-20MA等，SCR电热调整器再根据输入接收的模拟信号自动调整给炉温加热的电流。

显示、声光报警电路包括LED数码管显示及LED灯显示电路和告警提示电路。LED数码管由四个8段LED组成的，可以显示0～9999℃，LED灯显示用于显示系统当前状态。告警提示电路由一个扬声器及LED显示灯组成，扬声器用于提醒工作人员，LED显示需要做的工作状态，这样工作人员就可以简单根据提示完成相关的操作。

上位机部分的主要包括以下几个方面：通信协议设计实现、数据图形设计实现、绘图设计实现、界面设计实现、数据查询设计实现、数据库实施方案6部分。主要用于接收和处理下位机(即控制电路部分)来的数据，准确计算出初晶温度值并加以标注，并存储数据生成报表。

参见图3，图3即为电介质温度-时间曲线，箭头所指的位置距离直线最远，此点即为电解质初晶温度点。将此初晶温度点存到ACCESS数据库中，此数据库中的字段有：样品编号、日期、时间、初晶点(拐点温度)、分子比(用户输入)和几个其它依靠用户输入值的数据字段，此数据库作用为用户修改、查找及生成报表。

Claims (6)

1.一种铝电解初晶温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：参数获取：采用其中的一路K型热电偶测量炉体温度，并将多路K型热电偶同时插入位于炉体内的铝电解槽内熔体的不同深度处，多路K型热电偶用于电解质样温度的测量，以获取铝电解槽中电解质温度梯度分布参数，步骤2：基于电解质温度曲线获取电解质初晶温度值：如果物体的体积足够小，而且导热性能又相当好，则在任何时刻可以认为物体的温度是均匀的，那么在凝固层熔化完这一瞬间，物体的温度就是熔盐的初晶点(对于纯熔盐则为熔点)，根据传热原理，在凝固物全部熔化完的瞬间，物体的温度变化率突然上升，出现一个突变点，这一突变点所对应的温度就是熔盐的初晶点温度，根据电解质温度与时间的关系绘制多条曲线，即电解质温度曲线，将电解质温度曲线的首尾端点连成直线，在该电解质温度曲线上，位于直线左边并距离直线最远点对应的温度值即为多个电解质初晶温度值。

2.根据权利要求1所述的铝电解初晶温度测量方法，其特征在于，炉体温度控制在940℃～1010℃。

3.根据权利要求1或2所述的铝电解初晶温度测量方法，其特征在于，K型热电偶为6路，相邻的K型热电偶深度依次相差5cm。

4.一种基于权利要求1或2所述铝电解初晶温度测量方法的铝电解初晶温度测量系统，其特征在于，包括上位机、主控制器、炉温控制电路、多路K型热电偶、温度信号处理电路；上位机、炉温控制电路和温度信号处理电路均与主控制器连接；多路K型热电偶插入到炉体内的铝电解槽内熔体的不同深度处；多路K型热电偶的输出端接温度信号处理电路的输入端。

5.根据权利要求4所述的铝电解初晶温度测量系统，其特征在于，K型热电偶为6路，相邻的K型热电偶深度依次相差5cm。

6.根据权利要求5所述的铝电解初晶温度测量系统，其特征在于，所述的温度信号处理电路采用MAX6675芯片。