一種新的鋁電解質(zhì)初晶溫度實(shí)時(shí)測(cè)量方法

史 冬，高炳亮，王兆文

(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)，110819)

一種新的鋁電解質(zhì)初晶溫度實(shí)時(shí)測(cè)量方法

史 冬，高炳亮，王兆文

(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)，110819)

基于差熱分析原理，提出一種新的鋁電解質(zhì)初晶溫度實(shí)時(shí)測(cè)量方法。本文設(shè)計(jì)的高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀所測(cè)定的鋁電解質(zhì)初晶溫度具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與差熱分析值相差1.5 ℃，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與差熱分析值誤差低于5 ℃，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量最大偏差為1.8 ℃。與現(xiàn)有的初晶溫度實(shí)時(shí)測(cè)量方法相比，該方法不僅有較高的測(cè)量精度，而且簡(jiǎn)化了操作程序，提高了測(cè)量探頭的使用壽命。

鋁電解；電解質(zhì)；初晶溫度；實(shí)時(shí)測(cè)量；測(cè)溫裝置

在鋁電解生產(chǎn)過程中，電解溫度每降低10 ℃，電流效率提高2%～3%[1]。電解溫度由電解質(zhì)的初晶溫度和過熱度控制，故準(zhǔn)確測(cè)量電解質(zhì)初晶溫度是電解溫度和過熱度設(shè)定的基礎(chǔ)，也是有效降低電解溫度從而減少能耗的重要依據(jù)。

Verstreken[2-4]等發(fā)明了用于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量電解質(zhì)初晶溫度的Cry-O-Therm探頭，利用取樣杯現(xiàn)場(chǎng)采集電解槽中電解質(zhì)樣品，通過探頭測(cè)量樣品的溫度，繪制冷卻降溫曲線來確定樣品初晶溫度。該方法在探頭上安裝了一種能有效避免探頭過冷的振動(dòng)裝置，使其測(cè)量的準(zhǔn)確性較高，但每測(cè)量一次需要更換新的取樣杯，成本太高。Bohner等[5]提出了一種改進(jìn)的Cry-O-Therm探頭，采用強(qiáng)耐腐蝕的取樣杯與熱電偶，并添加了相應(yīng)的機(jī)械裝置，從而延長(zhǎng)了探頭的使用壽命，但每次測(cè)量前后需要對(duì)探頭的取樣杯進(jìn)行繁瑣的清理和拋光，加大了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。馮乃祥等[6]發(fā)明了一種手持式測(cè)量探頭，可以在每次測(cè)量后用加熱的探頭使采樣器中的熔鹽熔化后倒出，采樣器可重復(fù)使用，這雖然在一定程度上提高了探頭的使用壽命，但操作程序繁復(fù)。王向文等[7-9]基于差熱分析原理發(fā)明了一種測(cè)量探頭，該測(cè)量探頭由一個(gè)取樣杯和一個(gè)參比塊組成，兩根K型鎧裝熱電偶分別插入到取樣杯和參比塊中，測(cè)量時(shí)，將探頭插入電解質(zhì)中，待達(dá)到電解溫度后拔出探頭，通過設(shè)備記錄下的樣品降溫差熱曲線，便可直接讀出初晶溫度值及電解槽的過熱度。但該方法需要在每次測(cè)量之后將取樣杯中的熔鹽重新熔化后倒出，否則會(huì)影響下一次測(cè)量結(jié)果。干益人等[10]研制了一種球形金屬探頭，測(cè)量時(shí)將探頭插入電解質(zhì)中，通過檢測(cè)探頭上結(jié)殼熔化時(shí)的溫度變化來測(cè)量電解質(zhì)的初晶溫度，這種探頭雖然省去了清理殘留熔鹽的麻煩，但由于受流動(dòng)電解質(zhì)的沖刷，測(cè)量精度受到一定影響。另一類現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量方法是建立一整套包括取樣、加熱、分析的槽前分析系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣分析測(cè)量電解質(zhì)的初晶溫度[11-14]，然而該系統(tǒng)裝置復(fù)雜，不適宜現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。為此，本文基于差熱分析原理，應(yīng)用信號(hào)采集等自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種用于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量鋁電解質(zhì)初晶溫度的高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀。

1 高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀結(jié)構(gòu)及工作原理

Fig.1 Schematic diagram of the superheat tester for high temperature molten salt

2 實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量效果

采用高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀分別在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋁電解質(zhì)初晶溫度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與差熱分析結(jié)果比較如圖2所示，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)4次測(cè)量結(jié)果如圖3所示，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與差熱分析結(jié)果比較如圖4所示。從圖2中可看出，初晶溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與差熱分析值較為接近，僅相差1.5 ℃。從圖3中可看出，高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量，所描繪的初晶溫度曲線均較完整，有較好的重復(fù)性，最大偏差僅為1.8 ℃，反映出較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。從圖4中可看出，高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與差熱分析值誤差在5 ℃以內(nèi)，完全滿足工業(yè)應(yīng)用要求，其誤差可解釋為：實(shí)驗(yàn)條件下的測(cè)量探頭，其升溫速率在接近初晶溫度時(shí)已降至10 ℃/min以下，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電解槽中的測(cè)量探頭，其升溫速率在接近初晶溫度時(shí)仍不低于20 ℃/min，過快的升溫速率會(huì)使吸熱峰的峰值正向偏移，結(jié)果導(dǎo)致工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值較差熱分析值偏大。若對(duì)探頭尺寸及制作工藝作進(jìn)一步改進(jìn)，避免升溫速率過高的問題，則上述測(cè)量誤差會(huì)進(jìn)一步縮小。

Fig.2 Comparison between the experimental and DTA measured values of the liquidus temperature

圖3 初晶溫度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

Fig.3 In-site measured values of the liquidus temperature

Fig.4 Comparison between the DTA and in-site measured values of the liquidus temperature

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高溫熔鹽過熱度測(cè)試儀用于鋁電解質(zhì)初晶溫度的測(cè)量時(shí)，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與差熱分析值差值為1.5 ℃，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與差熱分析值誤差小于5 ℃，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量值間的最大偏差為1.8 ℃，有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。與現(xiàn)有的初晶溫度實(shí)時(shí)測(cè)量方法相比，該方法不僅有較好的測(cè)量精度，而且簡(jiǎn)化了操作程序，提高了測(cè)量探頭的使用壽命。

[1] 邱竹賢．鋁電解[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995：1-7．

[2] Verstreken P.Bath and liquidus temperature sensor for molten salts[C]//TMS,Light Metals. Pennsylvania Warrendale:Minerals,Metal and Materials Soc，1996:437-444.

[3] RolsethS,VerstrekenP,KobbeltvedtO.Liquidustemperature determination in molten salts[C]//TMS,Light Metals.Pennsylvania Warrendale:Minerals,Metal and Materials Soc，1998:359-366.

[4] Verstreken P,Aegten J T.Sensor arrangement for temperature measurment:US,005752772A[P].1998-05-11.

[5] Bohner H O,Arora V，Nasipuri T K.Novel method of messuring the liquidus and bath temperature of HALL-HéROULT cells[C]//TMS,Light Metals.Pennsylvania Warrendale: Minerals,Metal and Materials Soc，2008:315-318.

[6] 馮乃祥，戚喜全，姚恩秀，等．鋁電解質(zhì)熔體溫度、初晶溫度和過熱度的測(cè)量裝置:中國(guó),ZL200420030787.8[P]．2005-05-11.

[7] WangXW,HoslerB,TarcyG.AlcoaSTARprobeTM[C]//TMS,Light Metals. Pennsylvania Warrendale:Minerals,Metal and Materials Soc，2011:483-489.

[8] WangXW,TarcyG,BatistaE,etal.Activepotcontral using Alcoa STARprobeTM[C]//TMS,Light Metals.Pennsylvania Warrendale:Minerals,Metal and Materials Soc，2011:491-496.

[9] Hosler R B,Wang X W,Bruggeman N,et al.Molten cryolite bath probe:US,20050069018A1[P].2005-03-31.

[10]Gan Y R,Gao Z S,Zhang A L.Multifunctional sensor for use in aluminum cells[C]//TMS,Light Metals.Pennsylvania Warrendale:Minerals,Metal and Materials Soc，1995:233-240.

[11]任鳳蓮,李海斌,蔡震峰，等．鋁電解質(zhì)初晶溫度測(cè)定裝置及初晶點(diǎn)數(shù)模的研究[J]．冶金分析，2005,25(3):9-12.

[12]王紫千,劉凱,王耀武,等．鋁電解質(zhì)初晶溫度測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)研究[J]．節(jié)能，2009(10)：24-26.

[13]劉永剛,任鳳蓮，秦文忠，等．鋁電解電解質(zhì)初晶溫度及分子比槽前在線測(cè)定儀: 中國(guó),CN 1546735A[P].2004-11-17.

[14]羅躍輝,項(xiàng)陽(yáng),雷波，等．鋁電解質(zhì)初晶溫度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置:中國(guó),ZL 200620109505.2[P].2008-03-26.

[責(zé)任編輯 彭金旺]

A novel method for in-site measuring liquidus temperature ofaluminum electrolyte

ShiDong,GaoBingliang,WangZhaowen

(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China;)

Based on the rule of differential thermal analysis,a novel method for in-site measuring liquidus temperature of aluminum electrolyte has been suggested.The liquidus temperature data measured by the designed superheat tester for high temperature molten salt have better repeatability and stability,with temperature difference between the experimental and DTA measured values at 1.5 ℃, error between the DTA and in-site measured values less than 5 ℃,and the maximum deviation between the in-site measured liquidus temperatures at 1.8 ℃.Compared with the existing method for determining the liquidus temperature,this method not only has higher measurement accuracy but also can simplify the operation sequence and increase the life of measuring probe.

aluminum electrolysis; electrolyte; liquidus temperature; in-site measurement；temperature measuring device

2014-05-26

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAE08B01).

史 冬(1983-)，男，東北大學(xué)博士生.E-mail：tornya@163.com

高炳亮(1974-)，男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：gaobl@smm.neu.edu.cn

TF821

A

1674-3644(2015)02-0093-03