CN104359578A - 一种铝电解槽连续测温装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种铝电解槽连续测温装置及其制造方法，装置由测温热电偶、补偿导线、单片机和显示器组成；测温热电偶通过补偿导线与单片机连接；单片机与显示器连接；其中测温热电偶由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒组成。制造方法为：将热电极的工作端放入保护套管之中，热电极和保护套管之间用绝缘材料填充，热电极的冷端固定在接线盒上并与补偿导线连接；单片机两端分别与补偿导线和显示器连接；其中保护套管由注浆成型法制备而成。本发明的铝电解槽连续测温装置所使用的热电偶具有良好的抗热震性能，热导率高，热膨胀性小，能够在高温下耐熔盐腐蚀，耐电解质冲刷，且气、液、固三相界面处耐腐蚀性好，可长期地进行电解槽内的温度测量。

Description

一种铝电解槽连续测温装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及高温熔体测量技术领域，特别涉及一种铝电解槽连续测温装置及其制造方法。

背景技术

熔盐电解金属铝是在电解槽中进行的，所用原料是氧化铝。由于氧化铝的熔点在2000℃以上，需要以冰晶石为溶剂，建立冰晶石-氧化铝熔体电解质体系，进而使电解过程在940℃~960℃之间进行。电解过程中以炭素材料为电极，直流电由阳极导入，经过电解质与铝液层后从阴极导出，因此，工业铝电解槽内始终处于高温、强腐蚀性和强磁场产生的熔体冲刷等因素的影响之中，给铝电解生产的温度测量带来了很大困难，温度信号难以长期、准确地采集。

现有的连续测温方法分为非接触式测温和接触式测温两种。非接触式测温是基于物体的热辐射和光传播、声传播原理设计而成，测量时感温元件不与被测物体直接接触。如采用红外线测温仪测量电解槽的温度时，只能测量电解质的表面温度，难以反映电解槽内部的实际温度变化情况，同时由于不与被测物体直接接触，测量受中间介质影响较大；特别是在工业生产中，现场环境较为恶劣，使用这种方式测温的难度较大。CN1011118186 公开了一种高温连续测温系统及测温管的制造方法，该高温连续测温系统包括测温管、光接收探头和信号分析仪，测温时将测温管插入待测钢水之中，用光接收探头接收来至测温管内的光辐射，光路信号经电缆传入信号分析仪；由于光路信号产生于钢水表面，且传播过程容易受到干扰，存在测量精度较低的问题。另外，CN202770552公开了一种基于声学技术的铝电解槽连续测温装置；该装置在铝电解槽四周中部同一水平面上分别平均安装多个声波导管，每个声波导管上分别设置一个声波接收器和一个声波发生器；声波发生器产生声信号，通过声波导管被声波接收器检测到；声波接收器将声信号转换为电压信号，被双通道数据采集卡接收；通过主机中的软件将两个通道中的信号进行双频估计，得出声波飞渡时间；然后计算得出铝电解质的温度，由于该装置接收的是间接的声波信号，且经过较为复杂的转换过程，所以仍然存在测量精度较低的问题。

接触式测温依据热平衡原理，即两物体接触足够长的时间后它们将具有相同的温度，根据此原理对物体的温度进行实时测量就称为接触式测温。CN103292924公布了一种稀土电解槽测温设备及测温热电偶，该测温设备由带保护套的热电偶、PLC和欧姆龙触摸屏组成，保护套采用石墨材料制成，热电偶通过PLC与欧姆龙触摸屏连接，PLC通过热电偶采集测温数据并记录，通过现场欧姆龙触摸屏查看电解槽的实际温度；尽管该设备能够在线实时测量稀土电解槽内电解液的温度，但作为热电偶保护套的石墨材料在高温条件下容易氧化，使得热电偶的使用寿命受到极大影响。CN1164919C公开了一种铝电解液温度测量用浸入式热电偶，该电偶采用整体嵌合式复合管结构，由接线盒铠装热电偶、连接管和复合型保护管组成，其中复合型保护管内管为陶瓷管，外管采用耐冰晶石腐蚀的铁基铸造合金保护管，保护管表面需要涂覆改性处理材料；该热电偶制作工艺复杂，采用的铁基合金保护管容易引入铁、硅等杂质，同时较厚的保护层使得电偶的温度响应速度较慢。

发明内容

针对现有铝电解槽连续测温方法中技术上存在的上述问题，本发明提供一种铝电解槽连续测温装置及其制造方法。

本发明的铝电解槽连续测温装置，由测温热电偶、补偿导线、单片机和显示器组成；测温热电偶通过补偿导线与单片机连接用于将测得的电压信号输入单片机；单片机用于机记录、储存传入的电压信号，并将它们转换为实时的温度数据；单片机与显示器连接，显示器用于显示实时的温度数据或某一时间段的温度变化情况；其中测温热电偶由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒组成，测温热电偶为K型热电偶或S型热电偶；所述保护套管的成分为NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂，按质量百分含量分别为75~94%、5~15%，1~10%；所述的NiFe₂O₄颗粒的粒径≤150μm；NiFe₂O₄纳米粉粒径在40~90nm；所述的纳米粘结剂为纳米凹土材料，包含SiO₂、Al₂Si₄O₁₀、Al₂O₃和MgO·Al₂O₃·SiO₂四种物相。

上述的绝缘材料为氧化镁粉末或氧化铝粉末。

上述的热电极的工作端的正负极焊合接点与保护套管底部内壁的间距≤10mm。

上述的保护套管为底端封闭的管状结构，且管壁厚度在5mm~30mm之间。

本发明的铝电解槽连续测温装置的制造方法为：将热电极的工作端放入保护套管之中，热电极和保护套管之间用绝缘材料填充，热电极的冷端固定在接线盒上并与补偿导线连接；单片机两端分别与补偿导线和显示器连接；其中保护套管由注浆成型法制备而成，制备过程包括：

（1）将NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂按比例混合均匀，再将混好的物料放入球磨罐中并加入去离子水，加入量按混合物料与去离子水的固液比在（1~2）:1之间，而后放在球磨混料机上进行混合调浆，获得浆料；

（2）将球磨好的浆料倒入石膏模型中，当石膏内壁累积的物料厚度达到要求之后，停止注浆，并将模型内剩余的浆料倒出；

（3）将石膏模型内壁累积的物料经干燥形成一端封闭的管状物，脱模后即为保护套管生坯；

（4）将保护套管生坯再经干燥后即可进行烧结，获得保护套管。

上述的步骤（4）中，所述保护套管生坯在烧结时采用竖直放置，并用Al₂O₃粉末填埋，然后在1200~1400℃条件下保温烧结5~10小时。

上述的步骤（3）中的干燥是指在≤50℃条件下放置至物料完全凝结。

上述的步骤（4）中的干燥是指在自然条件下风干12小时以上。

上述的NiFe₂O₄颗粒以高温固相反应法制备，步骤如下：

（1）以NiO和Fe₂O₃为原料，按摩尔比1:1配料，并且NiO过量10~20%，获得反应原料；

（2）向反应原料中加入MnO₂和V₂O₅，MnO₂的添加量为反应原料总质量的1~3%，V₂O₅的添加量为反应原料总质量的0.5~2%；将全部物料用球磨罐湿磨后进行烘干去除水分，获得球磨物料；

（3）向球磨物料中添加质量分数为2~10%的聚乙烯醇，然后用40~70目标准筛造粒，再经压制和烧结，最后破碎并筛分得到NiFe₂O₄颗粒；其中压制压力为40~80MPa；烧结温度为900~1200℃，烧结保温时间为4~8小时。

上述的NiFe₂O₄纳米粉采用低温固相合成法制备，步骤如下：

（1）将FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O、NaOH和分散剂NaCl分别放入球磨罐中磨细至粒径≤100目；

（2）按摩尔比2:1:6称取FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O和NaOH，获得反应原料；

（3）将分散剂NaCl加入到反应原料中，加入量为反应原料总质量10~30%，混合均匀并煅烧，再将煅烧后所得的固体物料经洗涤、干燥后得到NiFe₂O₄纳米粉；所述的煅烧温度为600~800℃，时间为0.5~1.5小时。

本发明产生的积极效果是：

1、铝电解槽连续测温装置所使用的热电偶直接插入电解质内，显示器上显示的温度是电解槽内电解质的实际温度，有利于现场操作人员了解生产状况，及时调节电解工艺参数，使电解槽处于最佳工作状态。

2、铝电解连续测温装置所使用的热电偶具有良好的抗热震性能，热导率高，热膨胀性小，能够在高温下耐熔盐腐蚀，耐电解质冲刷，且气、液、固三相界面处耐腐蚀性好，可长期地进行电解槽内的温度测量。

3、铝电解连续测温装置能够长期记录和存储电解槽内部的温度数据，可为电解过程的工艺改进和设备改造提供参考，对提高电解槽电流效率具有重要意义。

4、铝电解槽连续测温装置的制作方法比较简单，可与现有的铝电解槽控箱进行对接，进而为铝电解槽温度的自动控制奠定基础。

附图说明

图1为本发明的铝电解槽连续测温装置结构示意图；

图2为本发明实施例中的热电偶结构示意图；

图中，1、热电偶，2、补偿导线，3、单片机，4、显示器，5、导电杆，6、阳极，7、电解质，8、电解槽壳，9、热电极，10、绝缘材料，11、保护套管，12、接线盒，13、正负极焊合接点。

图3为本发明的热电偶保护套管的制备方法流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的氧化亚镍（NiO）、氧化铁（Fe₂O₃）、硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）、硫酸镍（NiSO₄·6H₂O）、氢氧化钠（NaOH）和氯化钠（NaCl）为市购分析纯试剂。

本发明实施例中采用的热电极为K型热电偶的热电极为镍铬-镍硅丝；S型热电偶的热电极为铂铑-铂丝。

本发明实施例中采用的氧化镁粉末为市购粒度≤200目的。

本发明实施例中采用的绝缘材料或填埋材料所用Al₂O₃粉末为市购工业级产品，粒度≤200目。

本发明实施例中采用的二氧化锰（MnO₂）、五氧化二钒（V₂O₅）和聚乙烯醇为市购分析纯试剂。

本发明实施例中的纳米凹土材料为市购产品，包含SiO₂、Al₂Si₄O₁₀、Al₂O₃和MgO·Al₂O₃·SiO₂四种物相。

本发明实施例中的单片机选用PLC可编程逻辑控制器。

本发明实施例中的铝电解槽连续测温装置的使用方法为：将铝电解槽连续测温装置的测温热电偶置于铝电解槽内熔化的电解质中，测温热电偶通过补偿导线与单片机连接并将测得的电压信号输入单片机，单片机记录、储存传入的电压信号，并将它们转换为实时的温度数据在显示器屏幕上显示出来；在显示器屏幕上可以调取和查询某一时刻的温度数据，以及某一时间段的温度变化情况。

实施例1

铝电解槽连续测温装置结构如图1所示，由测温热电偶1、补偿导线2、单片机3和显示器4组成；测温热电偶1通过补偿导线2与单片机3连接；单片机3与显示器4连接；

测温热电偶1为K型热电偶，结构如图2所示，由热电极9、绝缘材料10、保护套管11和接线盒12组成；接线盒12固定在保护套管11顶部；两个热电极9位于保护套管11内，顶端固定在接线盒12上，两个热电极9的工作端的正负极焊合接点13与保护套管11底部内壁的间距10mm；两个热电极9与保护套管11之间填充有绝缘材料10；绝缘材料为氧化铝粉末；

保护套管11为底端封闭的管状结构，管壁厚度5mm；

保护套管11的成分为NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂，按质量百分含量分别为75%，15%和10%；NiFe₂O₄颗粒的粒径147μm；NiFe₂O₄纳米粉粒径90nm；纳米粘结剂为纳米凹土；

铝电解槽连续测温装置的制造方法为：

将热电极的工作端放入保护套管之中，热电极和保护套管之间用绝缘材料填充，热电极的冷端固定在接线盒上并与补偿导线连接；单片机两端分别与补偿导线和显示器连接；其中保护套管由注浆成型法制备而成，制备过程包括：

（1）将NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂按比例混合均匀，再将混好的物料放入球磨罐中并加入去离子水，加入量按混合物料与去离子水的固液比为1:1，而后放在球磨混料机上进行混合调浆，获得浆料；

（2）将球磨好的浆料倒入石膏模型中，当石膏内壁累积的物料厚度达到5mm之后，停止注浆，并将模型内剩余的浆料倒出；

（3）将石膏模型内壁累积的物料经自然风干形成一端封闭的管状物，脱模后即为保护套管生坯；

（4）将保护套管生坯再经室温风干12小时后即可进行烧结，获得保护套管；保护套管生坯在烧结时采用竖直放置，并用Al₂O₃粉末填埋，然后在1200℃条件下保温烧结10小时； 

NiFe₂O₄颗粒的制备步骤如下：

（1）以NiO和Fe₂O₃为原料，按摩尔比1:1配料，并且NiO过量10%，获得反应原料；

（2）向反应原料中加入MnO₂和V₂O₅，MnO₂的添加量为混合原料总质量的1%，V₂O₅的添加量为混合原料总质量的0.5%；将全部物料用球磨罐湿磨后在100±1℃烘干去除水分，获得球磨物料；

（3）向球磨物料中添加质量分数为2%的聚乙烯醇，然后用40目标准筛造粒，再经压制和烧结，最后破碎并筛分得到NiFe₂O₄颗粒；其中压制压力为40MPa；烧结温度为1200℃，烧结保温时间为4小时。

NiFe₂O₄纳米粉的制备步骤如下：

（1）将FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O、NaOH和分散剂NaCl分别放入球磨罐中磨细至≤100目；

（2）将FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O和NaOH按摩尔比2:1:6混合均匀，获得反应原料；

（3）将磨细的NaCl加入到反应原料中，加入量为反应原料总质量10%，混合均匀并煅烧，再将煅烧后所得的固体物料经洗涤、干燥后得到NiFe₂O₄纳米粉；所述的煅烧温度为800℃，时间为0.5小时。

实施例2

铝电解槽连续测温装置结构及测温热电偶结构同实施例1；不同点在于：测温热电偶1为K型热电偶；正负极焊合接点与保护套管底部内壁的间距7mm；保护套管管壁厚度15mm；保护套管的成分为NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂，按质量百分含量分别为85%，10%和5%；NiFe₂O₄颗粒的粒径74μm；NiFe₂O₄纳米粉粒径65nm；绝缘材料为氧化镁粉末；

铝电解槽连续测温装置的制造方法同实施例1，不同点在于：步骤（1）中混合物料与去离子水的固液比为1.5:1；步骤（2）中当累积的物料厚度达到15mm之后，停止注浆；步骤（3）中石膏模型内壁累积的物料经50℃干燥形成一端封闭的管状物；步骤（4）中保护套管生坯再经室温风干24小时后即可进行烧结，烧结温度1300℃，时间8小时； 

NiFe₂O₄颗粒的制备方法同实施例1，不同点在于：步骤（1）中NiO过量15%；步骤（2）中MnO₂的添加量为混合原料总质量的2%，V₂O₅的添加量为混合原料总质量的1%；

步骤（3）中向球磨物料中添加质量分数为6%的聚乙烯醇，用60目标准筛造粒，压制压力为60MPa，烧结温度为1050℃，烧结保温时间为6小时；

NiFe₂O₄纳米粉的制备方法同实施例1，不同点在于：步骤（1）中将FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O、NaOH和分散剂NaCl分别放入球磨罐中磨细至≤150目；步骤（3）中NaCl的加入量为混合原料总质量20%，煅烧温度为700℃，时间为1小时。

实施例3

铝电解槽连续测温装置结构及测温热电偶结构同实施例1；不同点在于：测温热电偶1为S型热电偶；正负极焊合接点与保护套管底部内壁的间距4mm；保护套管管壁厚度30mm；保护套管的成分为NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂，按质量百分含量分别为94%，5%和1%；NiFe₂O₄颗粒的粒径38μm；NiFe₂O₄纳米粉粒径在40nm；绝缘材料为氧化镁粉末；

铝电解槽连续测温装置的制造方法同实施例1，不同点在于：步骤（1）中混合物料与去离子水的固液比为2:1；步骤（2）中当累积的物料厚度达到30mm之后，停止注浆；步骤（3）中石膏模型内壁累积的物料经50℃干燥形成一端封闭的管状物；步骤（4）中保护套管生坯再经室温风干36小时后即可进行烧结，烧结温度1400℃，时间5小时； 

NiFe₂O₄颗粒的制备方法同实施例1，不同点在于：步骤（1）中NiO过量20%；步骤（2）中MnO₂的添加量为混合原料总质量的3%，V₂O₅的添加量为混合原料总质量的2%；

步骤（3）中向球磨物料中添加质量分数为10%的聚乙烯醇，用70目标准筛造粒，压制压力为80MPa，烧结温度为900℃，烧结保温时间为8小时；

NiFe₂O₄纳米粉的制备方法同实施例1，不同点在于：步骤（1）中将FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O、NaOH和分散剂NaCl分别放入球磨罐中磨细至≤200目；步骤（3）中NaCl的加入量为混合原料总质量30%，煅烧温度为600℃，时间为1.5小时。

Claims (7)

1.一种铝电解槽连续测温装置，由测温热电偶、补偿导线、单片机和显示器组成；测温热电偶通过补偿导线与单片机连接用于将测得的电压信号输入单片机；单片用于机记录、储存传入的电压信号，并将它们转换为实时的温度数据；单片机与显示器连接，显示器用于显示实时的温度数据或某一时间段的温度变化情况；其中测温热电偶由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒组成，测温热电偶为K型热电偶或S型热电偶；其特征在于所述的保护套管的成分为NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂，按质量百分含量分别为75~94%、5~15%，1~10%；所述的NiFe₂O₄颗粒的粒径≤150μm；NiFe₂O₄纳米粉粒径在40~90nm；所述的纳米粘结剂为纳米凹土材料，包含SiO₂、Al₂Si₄O₁₀、Al₂O₃和MgO·Al₂O₃·SiO₂四种物相。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽连续测温装置，其特征在于所述的热电极的工作端的正负极焊合接点与保护套管底部内壁的间距≤10mm。

3.根据权利要求1和2所述的一种铝电解槽连续测温装置，其特征在于所述的保护套管为底端封闭的管状结构，且管壁厚度在5mm~30mm之间。

4.一种权利要求1所述的铝电解槽连续测温装置的制造方法，将热电极的工作端放入保护套管之中，热电极和保护套管之间用绝缘材料填充，热电极的冷端固定在接线盒上并与补偿导线连接；单片机两端分别与补偿导线和显示器连接；其特征在于：保护套管由注浆成型法制备而成，制备过程包括：

（1）将NiFe₂O₄颗粒、NiFe₂O₄纳米粉和纳米粘结剂按比例混合均匀，再将混好的物料放入球磨罐中并加入去离子水，加入量按混合物料与去离子水的固液比在（1~2）:1之间，而后放在球磨混料机上进行混合调浆，获得浆料；

（2）将球磨好的浆料倒入石膏模型中，当石膏内壁累积的物料厚度达到要求之后，停止注浆，并将模型内剩余的浆料倒出；

（3）将石膏模型内壁累积的物料经干燥形成一端封闭的管状物，脱模后即为保护套管生坯；

（4）将保护套管生坯再经干燥后即可进行烧结，获得保护套管。

5.根据权利要求4所述的铝电解槽连续测温装置的制造方法，其特征在于步骤（4）中，所述保护套管生坯在烧结时采用竖直放置，并用Al₂O₃粉末填埋，然后在1200~1400℃条件下保温烧结5~10小时。

6.根据权利要求4所述的铝电解槽连续测温装置的制造方法，其特征在于所述的NiFe₂O₄颗粒的制备按以下步骤进行：

（1）以NiO和Fe₂O₃为原料，按摩尔比1:1配料，并且NiO过量10~20%，获得反应原料；

（2）向反应原料中加入MnO₂和V₂O₅，MnO₂的添加量为混合原料总质量的1~3%，V₂O₅的添加量为混合原料总质量的0.5~2%；将全部物料用球磨罐湿磨后进行烘干去除水分，获得球磨物料；

（3）向球磨物料中添加质量分数为2~10%的聚乙烯醇，然后用40~70目标准筛造粒，再经压制和烧结，最后破碎并筛分得到NiFe₂O₄颗粒；其中压制压力为40~80MPa；烧结温度为900~1200℃，烧结保温时间为4~8小时。

7.根据权利要求4所述的铝电解槽连续测温装置的制造方法，其特征在于所述的NiFe₂O₄纳米粉的制备方法按以下步骤进行：

（1）将FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O、NaOH和分散剂NaCl分别放入球磨罐中磨细至粒径≤100目；

（2）按摩尔比2:1:6称取FeSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O和NaOH，获得反应原料；

（3）将磨细的NaCl加入到反应原料中，加入量为反应原料总质量10~30%，混合均匀并煅烧，再将煅烧后所得的固体物料经洗涤、干燥后得到NiFe₂O₄纳米粉；所述的煅烧温度为600~800℃，时间为0.5~1.5小时。