CN112880401A - 用于测量熔炼炉中白金属中铜的百分比的系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，所述系统包括至少四个电极(1)，所述至少四个电极以对准的方式插过熔炼炉的耐火壁(2)，使得所述电极(1)中每个电极的一个端部留在熔炉的外部，并且另一个端部插入于其处发生反应的中部，即插入到熔炼熔池中，其中这些电极(1)连接到信号放大器，所述信号放大器又连接到信号发生器，其中所述功率发生器从所述信号发生器发送复制的信号，从而发送用于电阻低于0.1ohm的载荷的且带宽为3MHz的电流增加信号，其中功率放大器将功率信号发送到端部对准的所述电极(1)，使得一旦信号已被发送，保留在中心的所述电极(1)接收电阻率读数。
Description
技术领域
本发明专利申请目的在于一种在线(in-line，联机)并实时测量熔融炉的主要产物中的铜含量百分比从而提高下游处理的效率的系统。具体而言，本发明专利申请目的在于一种测量熔融阶段的铜集聚物并包括连接到功率放大器的对准电极的系统。电极穿过熔炉的耐火壁或汽缸盖插入熔融炉中，使得电极中的每个电极的一个端部在熔炉的外部，并且另一个端部插入在其中进行铸造反应的中部；即，插入到铸造熔池中，并且电极从铸造熔池内出现的那些铸造反应接收电阻率，从而能够基于其具体电阻率来确定熔炉内铸造熔池中铜的百分比。该系统允许增加对集聚物的处理能力、减少炉渣再处理并有效使用当前资产，从而使操作成本降低。
背景技术
铜含量是熔融阶段生产的白金属的质量和被弃用的炉渣的最有影响力的参数之一。该值由铸造根据其要求进行计划，因此，计划可能使熔炉生产包含一定百分比的Cu的白金属，因为在随后的转换过程中，它需要较大量的能量来消耗冷负荷，而在另一计划中，可能需要较高的Cu浓度以生成最低水平的炉渣。
当前，在熔融过程中，仪器的水平较低，这暗示不能根据操作所需的可变性来获得所需的白金属的质量。这是因为没有在线或实时(根据过程的自然时间)对熔炉内白金属中铜的浓度进行测量。相反，目前在30到120分钟的延迟的情况下可获取该信息，因此延迟了操作员的决定。这是因为必须手动取得样品(喷射盘，白金属中或炉渣中)。目前，还不存在下述传感器：所述传感器用于在线监测熔炉内白金属的质量以便提取具有所需的铜的百分比的白金属。
专利JP2009068855的公开描述了一种用于测量熔融金属中铜的浓度的设备。该设备包括测量铁铸件中铜的浓度的探头，该设备的方法考虑了测量铜的活性。如果在固态电解质(electrolyte，电解物)的外表面上包括氧离子导电性，则将放置有氧化铜的副电极放置在其上。还添加了覆盖件或顶部，覆盖件或顶部通过副电极的外部部分覆盖电解质。因此，与此相结合，使元件设备结构化成使用与相对电极耦合的标准电极，以在由副电极、氧和熔融金属内的铜构成的氧化铜之间建立部分(或局部)平衡。以这种方式，它着重于用于由电解质产生的允许测量铜的铜探头的深度，这与本发明的方案不同，本发明的方案着重于电位计的电化学测量的问题。
专利US2006250614的公布描述了一种使用光发射光谱法的用于熔融相的例如铁铸件或钢铸件、炉渣、玻璃或熔浆中的系统的分析方法和设备。使用具有至少一个发射光谱仪和至少一个刺激器件的敏感元件。这是为了激发待分析的材料，并允许通过敏感元件中存在的光谱仪来分析全部的局部生成的辐射。前述敏感元件与将被分析的熔融材料接触并传输信息，该信息包含由光谱仪提供的分析元素。该发明还涉及浸入式传感器。与本申请不同，该公开不被认为是具有通过电位计进行测量的电极的设备。
专利US2003234928的公开描述了一种使用LIBS技术实时分析高温下铸造的材料的设备和方法。该技术用于确定固体、液体和气体中的元素组成，总而言之，包括通过发光脉冲刺激样品。预期的响应是生成等离子体(离子、原子、电子)，这些等离子体以辐射光谱从包含在等离子体中的元素发出。
该过程使用被迫使通过管道的气体流，该管道可以插入熔融材料中以形成气泡。然后，该气泡的内表面呈现熔融材料。在熔炉或转化炉的情况下，或许应通过喷嘴插入激光脉冲(喷嘴在操作上不太可行)。
发明内容
鉴于上述现有技术，需要一种用于通过熔池内的电极测量导电率的系统。电解质具有传感器，该传感器能够测量熔池炉内的熔池例如白金属中存在的铜的浓度，使得操作员具有针对何时提取具有所需质量的液体及时作出决定的工具。
根据一种实施方式，提供了一种用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，所述系统包括至少四个电极，所述至少四个电极以对准的方式插过熔炼炉的耐火壁，使得所述电极中每个电极的一个端部留在熔炉的外部，并且另一个端部插入于其处发生反应的中部，即插入到熔炼熔池中，其中这些电极连接到信号放大器，所述信号放大器又连接到信号发生器，其中所述功率发生器从所述信号发生器发送复制的信号，从而发送用于电阻低于0.1ohm的载荷的且带宽为3MHz的电流增加信号，其中功率放大器将功率信号发送到端部对准的所述电极，使得一旦信号已被发送，保留在中心的所述电极接收电阻率读数。
附图说明
图1和图2：示出了电极如何安装在铸造熔炉的耐火壁上的图示。
图3和图4：示出了安装在中级(Lieutenant：中尉)转化炉的炉渣头部中的电极的图像。
图5和图6：示出了安装在中级转化炉的白金属汽缸盖中的电极的图像。
图7：示出了截面为A且长度为L的线性电阻器，该线性电阻器连接到DC电压源以解释欧姆定律。
图8：示出了一曲线图，该曲线图示出了在不考虑体积校正的情况下取决于铜的温度的电阻率。
图9：示出了基于铜的温度的体积膨胀商的曲线图。
图10：示出了在考虑体积校正的情况下基于铜的温度的电阻率的曲线图。
图11：示出了在不考虑体积校正的情况下基于铜的温度的导电率的曲线图。
图12：示出了在体积校正的情况下基于铜的温度的导电率的曲线图。
具体实施方式
为了在高于1200℃的温度下连续测量液相的铜的浓度，将依据温度的导电率和电阻率的一般行为的背景作为理论基础。
特别地，根据实验参考，基于温度获得电阻率和导电率的差。根据理论，当相变化时，因为电荷传输机制及其与材料的组成粒子的相互作用使其性质变化，所以材料的导电率急剧变化。在固态材料的情况下，该理论指的是“声子”，其是行进穿过晶体网络并与电荷载流子相互作用的能量排列，阻碍其路径，暗示在宏观层面上导电率的变化。在液相的情况下，该模型指的是离子溶液，其中电荷通过库仑力相互作用，其中温度随机影响溶液中存在的颗粒的速率。例如，固态材料的导电率约为9×107[1/Ohm×m]，而在液态时，其导电率为4×107[1/Ohm×m]。
材料介质的电磁组成参数是其介电常数ε，磁导率μ和导电率σ。可以说，如果材料的组成参数从一个点到另一个点不变化，则该材料是同质的或均匀的；又可以说，如果材料的组成参数独立于方向，则该材料是各向同性的。有许多材料表现出各向同性的性质；但是，并非所有的晶态固体或液体就此而言都具有此独特特征。
导电率容易测量电子如何受外部电场影响而行进穿过材料。根据材料的导电率的大小，材料被分成电导体(金属)或电介质(绝缘)。
导体具有大量弱粘附至原子的最外层的电子。在没有外部电场的情况下，这些自由电子以可变的速度沿着随机方向移动。电子的随机移动产生通过导体的零平均电流。然而，当施加外部电场时，电子沿着与外部场的方向相反的方向从一个原子迁移到下一个原子。以平均速率——称为电子流动速率——表征的电子的移动引起传导电流。
在介电材料中，电子牢固地粘附至原子，这暗示在施加电场的情况下很难将其分离。因此，没有电流流过该材料。
理想的电介质是σ几乎为零的材料，并且与此对照，理想的导体是σ很大的材料。大多数金属的导电率在106至107[1/Ohm×m]的范围内，相比之下，好的绝缘体的导电率在10-10到10-7的范围内(参见表1)。
表1.一些常见材料在20℃(和低频率)下的导电率
导电率在导体的导电率和绝缘体的导电率之间的材料被称为半导体。
材料的导电率取决于多个因素，包括温度和存在的杂质。通常，在金属中，导电率随温度升高而降低，另一方面，在接近绝对零度的非常低的温度下，一些导体由于其导电水平变得很高而成为超导体。
理想导体是等电位介质，这意味着在导体的所有点电位都相同。该性质从下述得来：导体的两点之间的差在定义上等于两点之间的场线的总和。但是，场在导体的所有部分都等于零，因此电压差为零。但是，导体是等电位介质这一事实并不一定暗示该导体与任何其他导体之间的电位差为零。每个导体都是等电位介质，但是在其表面上存在不同的电荷分布可以在它们之间生成电位差。
在这种情况下，使用欧姆定律来引入另一个在参考中更有用的重要术语：电阻率：
σ：导电率。
图7示出了导体的长度L、电阻R和截面A。导体的轴线沿x轴线定向，并在点X1和X2之间延伸，其中L＝X2-X1。
施加在导体端子之间的电压V建立电场：
E方向为最高电位点(图7中的点1)到最低电位点(图7中的点2)。
X中的电压与电场分量之间的关系根据如下获得：
流过导体的截面A的电流是表面上电流密度的总和：
另一方面，欧姆定律与(2)和(3)的广为人知的关系是：
其中，ρ是另一重要参数，称为电阻率，是导电率的倒数。后者是在基于温度的行为方面研究最多的。以这种方式，通过建立其形状，间接地建立了导电率。
根据该理论，导体中的电阻率以及因此导体中的电阻取决于温度，并且在许多情况下，可以假定电阻率是线性依赖的。
在不太大的温度范围内，金属的电阻率可以大致由以下方程式表示：
ρT＝ρ0·[1+α(T-T0)] (5)
其中，ρ0是参考温度T0(通常认为在20℃或环境温度下)下的电阻率，ρT是温度T下的电阻率。因数α被称为电阻率温度系数。表2示出了该系数的代表值。
表2.电阻率温度系数
可能是电阻率随温度非线性变化的情况，这暗示在电位级数方面表达该性质是明智的：
在所有已知参考中并且还考虑金属为铜的情况下，电阻率具有随温度的增强的线性行为。另外，当其达到其熔点时，其电阻率增加，特别是对于铜，其电阻率大致增加一倍，因为金属内的体积基本上发生了变化。
例如，图8示出了使用方程式(5)，其中T0＝293K和ρ0＝1.72×10-8[Ohm×m]，在没有对体积变化进行校正的情况下基于温度的铜电阻率的曲线图。
已知体积膨胀是根据热力得来的，取决于长度的变化，作为受温度影响的固体的线性膨胀的延伸(在经典热力学中)：
然后，可以获得基于温度的体积比变化的曲线图，如图9所观察到的。从该曲线图可以观察到，在熔点≈1356[K]或1083[℃]，商从1.037变到1.095。由于电阻率隐含地取决于长度变量，因此电阻率也受体积变化的影响。实际上，这意味着必须在较大空间中扩展电流；因此，“本体或表面”变得更具有电阻力。
通过进行相应的转换，图10中的曲线图利用对函数进行了参数化的以下方程式示出了根据温度校正的电阻率：
ρcorr(T)＝-0,02861+9,98873x10-5T 1100K＜T＜1356K
ρcorr(T)＝0,11031+7,83066x10-5T 1356K＜T＜1900K
基于前述内容，已知电阻率是导电率的“乘法逆元”，因此，在实践中，导电率的行为为：
根据温度，该方程式8的曲线图将为如图11中所示的。根据前述内容，从固态到液态转换的体积的校正根据温度来修改电阻率值(因为它们不修改形式)，暗示了在给定体积增加的情况下，流体对电流的通过有更多阻力。相反，导电率具有逆行为：待研究的本体或熔池的体积越大，导电性就越小；因此，由于高温，下降就较大。
从图12的曲线图中可以看出，通过熔点的铜的导电率的值大致从9×107下降到4×107[1/Ohm×m]，这暗示了实际上该值应不大于9×107(可分配给固态的值)。
考虑到上述概念，用于测量铸造熔池中铜的百分比的系统认为，熔融金属熔池(例如，白金属)中的铜的浓度越高，其导电率越大。在实践中，到目前为止一致的是，如果白金属样品具有的铜含量为72.8％，则可能表现出低于73.8的导电率。
从测量的角度来看，该系统允许频率是改变的频率，允许将熔融状态下具有不同铜含量的白金属样品进行比较，使用4线感测(Kelvin)技术测量其交流导电率。这种技术消除了对布线和接触电位的需求。使用特殊的地球物理勘探应用来测量极低值的电阻是非常有用的。该技术最初是由Lord Kelvin开发的，后来在20世纪初由Frank Wenner完善，FrankWenner用该技术来测量土壤样品的电阻率。在地球物理学中，此技术称为Wenner方法。最常见的是使用万用表利用两个点测量中间值(十分之一欧姆到几毫欧姆)的电阻。
因此，本发明的系统包括至少四个对准的电极(1)，这些对准的电极被插过熔炼炉的耐火壁(2)，使得电极(1)中的每个电极的一个端部保留在熔炉的外部上，并且另一个端部插入发生铸造反应的中部，即插入到熔炼熔池中。
电极(1)连接到信号放大器，该信号放大器是下述放大器，所述放大器从与该放大器连接的信号发生器接收信号并将信号发送到电极(1)。严格地讲，放大后的信号包括发送约为6V的低电压的电流，但是具有约为30A的高电流，使得尽量减少对熔池中液体铜的电阻率的干扰，从而测量在反应过程中随着液体铜的状态变化观察到的变化。
具体而言，放大后的信号包括用于电阻低于0.1ohm的载荷的且带宽为3MHz的电流增加信号，其中功率放大将功率信号发送到被布置成在端部上对准的电极(1)，使得一旦信号被发送，布置在中心的电极(1)接收电阻率读数。为此，被布置成在中心对准的电极连接到数据处理器，该数据处理器将这些电极的电阻率读数解释为在熔融炉中的熔炼熔池中存在的铜的百分比。
在优选的执行模式中，电极(1)以对准的方式插过熔融转化炉的炉渣头部的壁(3)，并且在另一优选的模式中，电极(1)以对准的方式插过熔融转化炉的白金属头部的壁(4)。在这两种情况下，电极(1)都被转化炉外部(5)的外壳覆盖。
电极(1)由具有适合于平衡电阻率的条件的钢耐火条形成。钢耐火条的电阻因老化而增加是非常缓慢的：在1400℃的温度下每连续运行1000小时，钢耐火条的电阻以大致为5％–6％的比率增加，而在1,000℃下每连续运行1000小时，钢耐火条的电阻以3％的比率增加。
Claims (7)
1.一种用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，所述系统允许增加对集聚物的处理能力、减少炉渣再处理并有效利用循环元素，所有这些都转变为操作成本的降低，其特征在于，所述系统包括至少四个电极(1)，所述至少四个电极以对准的方式插过熔炼炉的耐火壁(2)，使得所述电极(1)中每个电极的一个端部留在熔炉的外部，并且另一个端部插入于其处发生反应的中部，即插入到熔炼熔池中，其中这些电极(1)连接到信号放大器，所述信号放大器又连接到信号发生器，其中所述功率发生器从所述信号发生器发送复制的信号，从而发送用于电阻低于0.1ohm的载荷的且带宽为3MHz的电流增加信号，其中功率放大器将功率信号发送到端部对准的所述电极(1)，使得一旦信号已被发送，保留在中心的所述电极(1)接收电阻率读数。
2.根据权利要求1所述的用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，其特征在于，所述电极由钢耐火条形成。
3.根据权利要求1所述的用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，其特征在于，所述信号发生器是生成不同信号模式的设备，所述不同信号模式允许根据所测量的信号在幅度、电流、滞后、频率范围、正交、谐振、衰减和/或电压增加方面的随时间的响应来分析熔融材料的行为。
4.根据权利要求1所述的用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，其特征在于，还理解的是这些电极(1)以对准的方式插过熔融转化炉的炉渣头部的壁(3)。
5.根据权利要求1所述的用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，其特征在于，还理解的是这些电极(1)以对准的方式插过熔融转化炉的白金属头部的壁(4)。
6.根据权利要求1、4和5所述的用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，其特征在于，所述电极(1)在转化炉的外部(5)被封闭。
7.根据权利要求1所述的用于在线并实时测量熔融阶段中铜集聚物的百分比的系统，其特征在于，在所述中心保持对准的电极连接到数据处理器，所述数据处理器将由这些电极测量的电阻率读数解读为所述熔融炉中的所述熔炼熔池中存在的铜的百分比。
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