CN203672496U - 全自动连续性非接触测量铝电解质初晶温度的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，所述系统包括若干个测量单元和用于测量测量单元的加热炉中的铝电解质样品温度的非接触式温度传感器，以及用于控制测量单元中的加热炉内温度的控温子系统、用于控制测量单元传动结构的运动控制子系统和用于温度数据采集和处理的数据采集处理子系统。该系统适用于各种成分的铝电解质初晶温度测量，高灵敏、抗干扰、实现实时变化温度的ms级响应测量，降低了变化温度中热电偶测量的延迟误差，同时避免了热电偶作为耗材更换的浪费性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电解质冶炼技术，特别是涉及一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统及方法。
背景技术
铝电解质电解温度和初晶温度是铝电解生产中重要的工艺参数。电解温度和初晶温度之间的差热（过热度）与电解过程的电解槽热平衡有很密切的关系。如果能够准确得到每个电解槽的初晶温度，就能准确把握电解温度，对每个电解槽的耗电量就能定量控制，对节能降耗有很大帮助。目前国内有厂家生产测量电解质初晶温度的设备，其设备原理是采用自然冷却曲线法，但现有设备测量时采用自然降温，降温速率不可控，因此不可避免的会导致电解质的偏析及过冷现象的发生，并且由于热电偶测温的滞后性等，导致测量结果不准确；同时铝电解质的高温及强腐蚀性，使测温热电偶极易损坏，需要经常更换热电偶，且每次只能测量一个电解质样品，测量设备拆卸也比较麻烦，增加了生产成本、系统维护，效率较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，该系统适用于各种成分的铝电解质初晶温度测量，高灵敏、抗干扰、实现实时变化温度的ms级响应测量，降低了变化温度中热电偶测量的延迟误差，同时避免了热电偶作为耗材更换的浪费性。
为达到上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，所述系统包括若干个测量单元，任一测量单元包括内有空腔10的加热炉5，加热炉5顶端轴心处设置与空腔10相通的小孔11，加热炉5下方设置可放入空腔10的托架7，所述托架7底部设置密封圈12，用于托架7放入空腔10时封闭空腔10，所述托架7设置在高度调节器8上，所述高度调节器8由相连的第一传动结构2和第二传动结构4协同驱动进行高度调节和旋转；
所述任一测量单元还包括第三传动结构6，所述第三传动结构6驱动上料摆臂9，将放置在上料摆臂9运动端的坩埚3放置在托架7上，从而使坩埚进入空腔10进行加热；
所述系统还包括至少一个非接触式温度传感器1，所述非接触式温度传感器1设置在小孔11上方，用于测量坩埚3中铝电解质样品的温度；
所述系统还包括控温子系统14、运动控制子系统和数据采集处理子系统，所述控温子系统控制空腔10内的温度，所述运动控制子系统用于控制传动结构的传动和非接触式温度传感器1的移动，所述数据采集子系统用于电解质温度数据采集和处理。
优选地，所述测量单元的个数为六个，所述非接触式温度传感器1的个数为两个，本领域技术人员可以根据需要选择测量单元和非接触式温度传感器的个数。
优选地，所述非接触式温度传感器1为红外温度仪，本领域技术人员可以根据需要选择其他非接触式温度传感器的种类。
优选地，所述空腔10内设置有保温内胆13。
优选地，所述加热炉5、非接触式温度传感器1和托架7同轴设置。
优选地，所述第一传动结构2、第二传动结构4和第三传动结构6中的任一个传动结构为气动系统驱动的直线运动和旋转运动机构，或电机驱动的滚珠丝杠直线运动和旋转运动机构。
优选地，所述坩埚3为不锈钢坩埚或石墨坩埚，但不限于此。
本实用新型系统的各部件固定在机架上。
本实用新型还提供了一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的方法，所述方法包括以下步骤：
1）系统开始工作时，一个测量单元工作时，铝电解质样品置于坩埚3中，坩埚3置于上料摆臂9工位上，通过运动控制子系统，按下“启动”按钮后，上料摆臂9通过第三传动结构6由“等待上料位”旋转或移动到“上料位”，托架7由第二传动结构4上升至“取料位”后托住坩埚3，上料摆臂9回到“等待上料位”，接下来第一传动结构2将托架7与坩埚3一同传送至加热炉5的空腔10内的“测量位”，“测量位”可通过高度调节器8调节托架7从而进行微调，托架7底部的密封圈12将空腔10封住形成封闭；
2）坩埚3进入加热炉5后，加热炉5由控温子系统14控制开始升温，将电解质样品加热至电解质熔融温度，恒温，然后以5-10℃/min的匀速降温到待机温度，在电解质达到熔融温度及降温到待机温度过程中，非接触式温度传感器1监测电解质温度的变化，并通过数据采集处理子系统建立温度-时间关系曲线，数据采集处理子系统自动识别和判定曲线拐点，曲线拐点处温度即为铝电解质初晶温度；
3）一次测量完成后，托架7将坩埚3传送至卸料位，上料摆臂9实现坩埚3的自动卸料，炉温维持待机温度，准备下次进行测量；
4）多个测量单元工作时，通过运动控制子系统的逻辑控制指令，当一个测量单元完成初晶温度测量时，另一个测量单元内坩埚3电解质正好熔融完成，非接触式温度传感器1自动传送至该另一个测量单元开始测量，其他的测量单元依次类推，从而实现测量工作的连续不间断进行下去。
优选地，步骤2）中的升温过程采用PID控制加热温度的方法实现。
优选地，所述电解质选用CR=2.72的铝电解质，所述电解质熔融温度为980℃，所述待机温度为880℃，所述初晶温度为954.7℃。
本实用新型适用于各种成分的铝电解质初晶温度测量，也适用于除铝电解质以外的其他电解质的初晶温度的测量。本实用新型采用非接触式温度传感器，高灵敏、抗干扰、实现实时变化温度的ms级响应测量，降低了变化温度中热电偶测量的延迟误差，同时避免了热电偶作为耗材更换的浪费性。
本实用新型的按照一定速率匀速降低温度，使降温结晶过程温度全程可控，避免过快降温导致电解质的偏析及过冷现象的发生。整个测量过程全部自动实现，避免人员操作带来的操作失误和安全隐患，提高测量效率。一次测量完成后能快速的进行二次测量，节省时间。
本实用新型的系统具有测量结果准确，结构简单，重复性和再现性稳定，便于操作,从而有效保证铝电解生产的平稳运行，最大限度地发挥其电能效率，最终达到进一步推动铝电解生产的管理水平和技术进步，并能为提高铝电解效率，改进铝电解工艺具有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型系统的整体结构示意图；
图2为本实用新型系统中测量单元的结构示意图；
图3为本实用新型系统中测量单元的工作状态示意图；
图4为实施例2的温度-时间曲线；
附图标记：1、非接触式温度传感器；2、第一传动结构；3、坩埚；4、第二传动结构；5、加热炉；6、第三传动结构；7、托架；8、高度调节器；9、上料摆臂；10、空腔；11、小孔；12、密封圈；13、保温内胆；14、控温子系统；15、测量单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地介绍，但不作为对本实用新型的限定。
实施例1
如图1所示，一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，所述系统包括六个测量单元15，如图2和图3所示，任一测量单元15包括内有空腔10的加热炉5，加热炉5顶端轴心处设置与空腔10相通的小孔11，加热炉5下方设置可放入空腔10的托架7，所述托架7底部设置密封圈12，用于托架7放入空腔10时封闭空腔10，所述托架7设置在高度调节器8上，所述高度调节器8由相连的第一传动结构2和第二传动结构4协同驱动进行高度调节和旋转；
所述任一测量单元还包括第三传动结构6，所述第三传动结构6驱动上料摆臂9，将放置在上料摆臂9运动端的坩埚3放置在托架7上，从而使坩埚进入空腔10进行加热；
所述系统还包括两个非接触式温度传感器1，所述非接触式温度传感器1设置在小孔11上方，用于测量坩埚3中铝电解质样品的温度；
所述系统还包括控温子系统14、运动控制子系统和数据采集处理子系统，所述控温子系统控制空腔10内的温度，所述运动控制子系统用于控制传动结构的传动和非接触式温度传感器1的移动，所述数据采集子系统用于电解质温度数据采集和处理。
所述非接触式温度传感器1为红外温度仪。
所述空腔10内设置有保温内胆13。
所述加热炉5、非接触式温度传感器1和托架7同轴设置。
所述第一传动结构2、第二传动结构4和第三传动结构6中的任一个传动结构为气动系统驱动的直线运动或者旋转运动机构。
所述坩埚3为不锈钢坩埚或石墨坩埚。
本实施例中传动机构与运动控制子系统连接按照控制单元的指令运动；所述的各测量单元与控温子系统、运动控制子系统、数据采集处理子系统协同工作形成一套完整系统。
本实用新型的各测量单元固定在支架上。
实施例2
一种全自动连续性非接触式测量电解质初晶温度的方法，所述方法包括以下步骤：
1）系统开始工作时，一个测量单元工作时，CR=2.72的铝电解质样品置于坩埚3中，坩埚3置于上料摆臂9工位上，通过运动控制子系统，按下“启动”按钮后，上料摆臂9通过第三传动结构6由“等待上料位”旋转或移动到“上料位”，托架7由第二传动结构4上升至“取料位”后托住坩埚3，上料摆臂9回到“等待上料位”，接下来第一传动结构2将托架7与坩埚3一同传送至加热炉5的空腔10内的“测量位”，“测量位”可通过高度调节器8调节托架7从而进行微调，托架7底部的密封圈12将空腔10封住形成封闭；
2）坩埚3进入加热炉5后，加热炉5由PID控制升温，将电解质样品加热至980℃，恒温，然后以5-10℃/min的匀速降温到880℃，在电解质达到980℃及降温到880℃过程中，红外温度仪监测电解质温度的变化，并通过数据采集处理子系统建立温度-时间关系曲线，如图4所示，数据采集处理子系统自动识别和判定曲线拐点，曲线拐点处温度即为电解质初晶温度，由曲线得出电解质的电解温度为972.6℃，初晶温度为954.64℃；
3）一次测量完成后，托架7将坩埚3传送至卸料位，上料摆臂9实现坩埚3的自动卸料，炉温维持880℃，准备下次进行测量；
4）多个测量单元工作时，通过运动控制子系统的逻辑控制指令，当一个测量单元完成初晶温度测量时，另一个测量单元内坩埚3电解质正好熔融完成，红外温度仪自动传送至该另一个测量单元开始测量，其他的测量单元依次类推，从而实现测量工作的连续不间断进行下去。
本实用新型实施例中采用的红外温度仪的测量误差≤1%。
同时采用差热分析法得到的结果，初晶温度为955.3℃。
同时采用传统热电偶测温步冷曲线法测得的结果，初晶温度为954.0℃。
测量结果与其他实验技术获得的结果近似，测量误差在非接触式温度传感器的误差范围内。
实施例3
采用实施例1的系统和实施例2的方法，选取不同的样品，采用单一测量单元进行测定，电解质样品由氟化钠、氟化铝、氟化钙和氧化铝组成，氟化钙占电解质总重量的5%，氧化铝占电解质的总重量5%，其余为氟化钠和氟化铝（分子比为2.4:1），称样量为20g。
测得电解质初晶温度为951.4℃，同时采用热电偶测温步冷曲线法得到的结果为950.6℃。
测量结果与传统实验技术获得的结果近似，测量误差在非接触式温度传感器的误差范围内。
实施例4
采用实施例1的系统和实施例2的方法，随机选取铝电解质样品，不同点在于：共测量6次，并且是在一个测量单元内进行测量，每次称取的电解质质量不一样，分别为10g共2次，20g共2次，30g共2次。测得电解质初晶温度结果如表1所示：
表1同一测量单元同一样品不同重量的测量结果
由表1可以看出本实用新型的系统测量数据的重复性很好，而传统的热电偶测量受到人员操作方式的影响很大，比如热电偶探头每次插入电解质的深度等。
实施例5
采用实施例1的系统和实施例2的方法，随机选取铝电解质样品，不同点在于：同时在每个测量单元内都进行测量，称取相同的电解质10g。测得电解质初晶温度结果如表2所示：
表2不同测量单元同一样品相同重量的测量结果
由表2可以看出本实用新型测量数据结果具有高度的一致性，说明了该系统和方法再现性很可靠。
Claims (7)
1.一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述系统包括若干个测量单元，任一测量单元包括内有空腔（10）的加热炉（5），加热炉（5）顶端轴心处设置与空腔（10）相通的小孔（11），加热炉（5）下方设置可放入空腔（10）的托架（7），所述托架（7）底部设置密封圈（12），用于托架（7）放入空腔（10）时封闭空腔（10），所述托架（7）设置在高度调节器（8）上，所述高度调节器（8）由相连的第一传动结构（2）和第二传动结构（4）协同驱动进行高度调节和旋转；
所述任一测量单元还包括第三传动结构（6），所述第三传动结构（6）驱动上料摆臂（9），将放置在上料摆臂（9）运动端的坩埚（3）放置在托架（7）上，从而使坩埚进入空腔（10）进行加热；
所述系统还包括至少一个非接触式温度传感器（1），所述非接触式温度传感器（1）设置在小孔（11）上方，用于测量坩埚（3）中铝电解质样品的温度；
所述系统还包括控温子系统（14）、运动控制子系统和数据采集处理子系统，所述控温子系统控制空腔（10）内的温度，所述运动控制子系统用于控制传动结构的传动和非接触式温度传感器（1）的移动，所述数据采集子系统用于电解质温度数据采集和处理。
2.根据权利要求1所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述测量单元的个数为六个，所述非接触式温度传感器（1）的个数为两个。
3.根据权利要求1所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述非接触式温度传感器（1）为红外温度仪。
4.根据权利要求1所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述空腔（10）内设置有保温内胆（13）。
5.根据权利要求1所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述加热炉（5）、非接触式温度传感器（1）和托架（7）同轴设置。
6.根据权利要求1所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述第一传动结构（2）、第二传动结构（4）和第三传动结构（6）中的任一个传动结构为气动系统驱动的直线运动和旋转运动机构，或电机驱动的滚珠丝杠直线运动和旋转运动机构。
7.根据权利要求1所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，其特征在于，所述坩埚（3）为不锈钢坩埚或石墨坩埚。
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| CN201420053199.XU CN203672496U (zh) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | 全自动连续性非接触测量铝电解质初晶温度的系统 |
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| CN109828083A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-31 | 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 | 高温熔盐物理化学性质测试系统 |
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