一種鋁電解初晶溫度測量方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋁電解初晶溫度測量方法及系統；所述的方法包括以下步驟：步驟1：參數獲取：將多路K型熱電偶同時插入位于爐體內的鋁電解槽內熔體的不同深度處，并采用其中的一路K型熱電偶測量爐體溫度；另外的多路K型熱電偶用于電解質樣溫度的測量，以獲取鋁電解槽中電解質溫度梯度分布參數；步驟2：基于電解質溫度曲線獲取電解質初晶溫度值：根據電解質溫度與時間的關系繪制曲線，即電解質溫度曲線，將電解質溫度曲線的首尾端點連成直線，在該電解質溫度曲線上，位于直線左邊并距離直線最遠點對應的溫度值即為電解質初晶溫度值。該鋁電解初晶溫度測量方法及系統易于實施，且測量數據準確。
【專利說明】—種鋁電解初晶溫度測量方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋁電解初晶溫度測量方法及系統。
【背景技術】
[0002]近年來，我國鋁冶金工業有了飛速發展，現在已經成為世界產鋁大國。全球電解鋁增產動力主要來自中國。鋁電解質初晶溫度是鋁電解生產中重要的工藝研究參數之一。初晶溫度即鋁電解質初始結晶(凝固)時的溫度，在電解過程中電解槽的溫度(電解質溫度)應高于初晶溫度，電解才可以順利地進行。電解質溫度高出初晶溫度的部分稱為過熱度，一般認為最佳過熱度是10°c左右。電解質溫度主要由電解槽的電流效率、熱收入、電解槽內的鋁量決定；初晶溫度由電解質成分決定。物料平衡可由氧化鋁濃度的控制來解決，能量平衡控制則沒有很好控制，能量平衡控制的目標，就是把鋁電解質溫度控制在適當的低溫范圍內。通常電解質溫度介于910°c至980°C之間。當電解質溫度降低時，能極大地減少電能的損耗，鋁的重量損失大為減小，其原因是隨著溫度的降低，金屬的溶解度減小；但溫度過低，將導致電解質結晶嚴重，影響整個電解槽不能運行，造成“病槽”或者“死槽”，因而在電解槽穩定運行與節能降耗之間存在著矛盾。
[0003]測量時，6路K型高精度熱電偶同時插入槽內熔體不同深度處，其中I路用于爐體溫度測量，其余5路K型高精度熱電偶同時插入槽內熔體不同深度處，深度依次相差5cm，用于電解質樣溫度的測量，自動地獲取鋁電解槽中電解質溫度梯度分布情況等參數，但檢測過程存在一些干擾，如生產過程中液面波動等。
[0004]實踐證明，鋁電解質溫度的高低，與電流效率的高低有直接關系。在保持電解槽正常運行的條件下，電解質溫度降低10°c，則電流效率將提高I?1.5%。
[0005]實時準確測量電解質溫度，根據實際情況當過熱度每降低10°C，即可降低電能損耗達2%?3%，對一個年產幾十萬噸原鋁的企業來說，就可節約成本數千萬元。對于電解鋁生產企業而言，可最大程度地降低每噸原鋁的生產成本，獲取顯著的經濟效益；對于社會而言，可減少能源消耗與浪費，獲得顯著的社會效益。
[0006]因此，有必要設計一種鋁電解初晶溫度測量方法及系統。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種鋁電解初晶溫度測量方法及系統，該鋁電解初晶溫度測量方法及系統易于實施，且測量數據準確。
[0008]發明的技術解決方案如下:
[0009]本發明依據的理論如下:當一個冷的物體快速地浸入到高溫熔鹽中時，其表面立即冷凝一層凝固物。由于該過程相當于部分電解質進行“驟冷”，因此凝固物成份與溶鹽相同，在物體溫度不斷升高的過程中，凝固層經歷了加厚、穩定、減薄直至全部熔化這一過程。如果物體的體積足夠小，而且導熱性能又相當好，則在任何時刻可以認為物體的溫度是均勻的，那么在凝固層熔化完這一瞬間，物體的溫度就是熔鹽的初晶點(對于純熔鹽則為熔點)。根據傳熱原理，在凝固物全部熔化完的瞬間，物體的溫度變化率突然上升，出現一個突變點，這一突變點所對應的溫度就是熔鹽的初晶點溫度。依據以上情況，設計多個熱電偶組成的陣列，同時插入槽內熔體不同深度處，自動地獲取鋁電解槽中電解質溫度梯度分布情況等參數，并通過上位機軟件確定電解質溫度與時間的曲線，根據電解質溫度曲線前后兩點形成的直線，判定位于直線左邊并距離直線最遠點為初晶溫度點。有益效果:
[0010]本發明的鋁電解初晶溫度測量方法及系統，通過多個熱電偶組成的陣列在同時插入槽內熔體不同深度處，自動地獲取整槽中電解質溫度梯度分布情況等參數，準確地測量出鋁電解的初晶溫度，當生產過程中電解質溫度降低時，能極大地減少電能的損耗，從而能提聞招電解效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為鋁電解初晶溫度測量系統的結構框圖。
[0012]圖2為6路K型聞精度熱電偶結構不意圖。
[0013]圖3為電解質溫度曲線及電解質初晶溫度的判定示意圖。標號說明:1_爐體裝置，2-K型熱電偶，3-溫度信號處理電路，4-按鍵，5-爐溫控制電路，6-主控制器，7-聲光報警電路，8-上位機；，1-爐體部分，12-控制電路部分，13-上位機部分。
【具體實施方式】
[0014]以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明:
[0015]實施例1:
[0016]如圖1，鋁電解初晶溫度測量系統，主要由爐體部分、控制電路部分和上位機部分三部分構成。每個爐體裝含有6路K型高精度熱電偶，響應時間為30ms?30s，本系統采用了 MAXM公司新近推出的MAX6675，MAX6675是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器，測量溫度范圍在O?1023.5°C，其溫度分辨能力達0.25°C。測量時，6路K型高精度熱電偶同時插入槽內熔體不同深度處，深度依次相差5cm。I路用于爐體溫度測量，5路用于電解質樣溫度的測量，自動地獲取鋁電解槽中電解質溫度梯度分布情況等參數。確定電解質溫度與時間的曲線關系，根據電解質溫度曲線前后兩點形成的直線，判定位于直線左邊并距離直線最遠點為初晶溫度點并加以標注，并存儲數據生成報表。本發明能夠實現爐體溫度在一定范圍內調節，并能準確的檢測和計算出招電解初晶溫度。
[0017]爐體溫度控制在940°C?1010°C的可調范圍，電解質樣的溫度測量范圍為910°C?970°C，電解質的初晶溫度為910°C?940°C。爐溫的控制為從起始溫度加熱至設定爐溫，斷開爐體加熱電源，開始測量電解質樣的溫度，一個周期約12分鐘，進入爐溫下限且新試樣更換完成后，合上爐體加熱電源，進入下一個測量周期；整套測量裝置為半自動設計，爐體溫度的控制和電解質樣溫度的采集為全自動方式工作，電解質樣的運動機械裝置為純手動。
[0018]其中控制電路部分由溫度信號處理電路、爐溫控制電路(為現有成熟技術)及按鍵與聲光報警電路組成，完成鋁電解質溫度采集、爐體溫度自動控制、相關參數顯示、提醒及報警等功能；上位機通過計算機來實現，主要用于接收和處理下位機(即控制電路部分)傳過來的數據，準確計算出初晶溫度值并加以標注，并存儲數據生成報表；爐體裝置主要用于完成鋁電解質加熱。
[0019]整個裝置的工作原理如下:工作人員在上位機的軟件系統界面上輸入爐溫上限、各槽內熔體的樣品編號、樣品溫度上下限后，向下位機發送啟動命令，主控制器接收到上位機的命令后，通過爐溫控制電路對爐體進行加熱，溫度信號處理電路開始采集爐體溫度，當爐體加熱到940°C時候，工作時爐體溫度控制在940°C?1010°C的可調范圍，聲光報警電路產生聲光報警提示工作人將鋁電解質樣品放入爐體裝置并開始采集鋁電解質溫度；繼續對爐體加熱，當加熱到爐體設置溫度上限時維持爐溫不變，直到各鋁電解質溫度達到設置上限，停止加熱，聲光報警電路提示測量開始，每隔3秒鐘左右采集一次鋁電解質溫度并記錄下來，直到鋁電解質溫度下降為設置下限，停止采集數據，將記錄下來的采集數據發送到上位機，聲光報警電路提示測量完成，完成全部的控制電路部分工作。上位機通過網絡端口接收采集到的實時溫度，用通信協議解包，分析是實時爐溫還是樣品溫度，如果是實時爐溫，將傳給計算機界面實時顯示，如果是樣品溫度，將樣品溫度傳給文件數據庫中，程序從數據庫中取出數據，在界面的時間-溫度坐標系上繪制曲線、計算并標識出曲線的拐點，拐點計算出后存到ACCESS數據庫中，此數據庫中的字段有:樣品編號、日期、時間、初晶點(拐點溫度)、分子比(用戶輸入)和幾個其它依靠用戶輸入值的數據字段，此數據庫作用為用戶修改、查找及生成報表。
[0020]系統總電源由220V市電提供，進入系統經過保險絲、空氣開關后將其分成兩路，一路給加熱爐及風扇供電；另一路經過兩個開關電源將電壓降至24V，12V和5V，其中5V給主控板電源模塊供電，12為光耦供電、24V為PID調節器SR92，SCR調節器等裝置供電。
[0021]爐體裝置主要由用于完成鋁電解質加熱的設備，6路K型熱電偶呈梯度陣列排列。
[0022]鋁電解質溫度采集采用6路K型高精度熱電偶。K型熱電偶是工業生產中最常用的溫度傳感器，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測量范圍寬、測量精度高等特點。在以K型熱電偶為測溫元件的工業測溫系統中，熱電偶輸出的熱電勢較小，信號必須經過溫度信號處理電路，才能輸入基于ARM7(LPC2378)的主控制器。溫度信號處理電路包括信號放大、冷端補償、線性化及數字化等幾個部分。本系統采用了 MAX頂公司新近推出的MAX6675，MAX6675是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、Α/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器，測量溫度范圍在O?1023.5°C，其溫度分辨能力達0.25°C，可以滿足該系統對溫度精度的要求。可以直接與主控制器接口相連，大大簡化系統的設計，保證了溫度測量的快速、準確。
[0023]控制電路部分主要是控制鋁電解質初晶溫度采樣的整個工作過程，完成爐溫及鋁電解質溫度采集，爐溫的控制，顯示、告警提示和通信等功能。主控器件是控制電路部分的核心，是協調整個系統的各分模塊工作、數據的存儲及傳輸的控制單元，主控制器選用ARM7 (LPC2378)作為主控芯片，可以快速處理、存儲并轉發大量數據。
[0024]爐溫自動控制電路部分采用熱電偶自動檢定系統來進行爐溫控制，此電路由K型熱電偶、控溫伺服器及檢定爐溫伺服器組成。K型熱電偶用于采集爐體溫度；控溫伺服器的主要功能是執行檢定測控儀器發出的信號并向檢定爐提供加熱電流；檢定爐溫伺服器主要根據提供的加熱電流自動完成對爐溫加熱，從而達到根據設置溫度自動控制對爐溫進行加熱的目的。[0025]控溫伺服器選用日本島電公司生產的PID調節器SR92，SR92系列是0.3級的PID智能調節器，具有雙四位顯示，雙輸出，模擬變送輸出，數字通信，上下限報警設置等功能。自由輸入的量可以為熱電偶(用于爐溫采集)，輸出電流4?20mA DC(用于SCR電熱調整器輸入模擬信號)。
[0026]檢定爐溫伺服器選用航泰電子電力公司生產的SCR電熱調整器，主要是由單相可控硅，加上控制電路板及相關的電氣部分(散熱片，制冷風扇)。在控制方式上屬于線性控制，接收模擬量信號4-20MA等，SCR電熱調整器再根據輸入接收的模擬信號自動調整給爐溫加熱的電流。
[0027]顯示、聲光報警電路包括LED數碼管顯示及LED燈顯示電路和告警提示電路。LED數碼管由四個8段LED組成的，可以顯示O?9999°C，LED燈顯示用于顯示系統當前狀態。告警提示電路由一個揚聲器及LED顯示燈組成，揚聲器用于提醒工作人員，LED顯示需要做的工作狀態，這樣工作人員就可以簡單根據提示完成相關的操作。
[0028]上位機部分的主要包括以下幾個方面:通信協議設計實現、數據圖形設計實現、繪圖設計實現、界面設計實現、數據查詢設計實現、數據庫實施方案6部分。主要用于接收和處理下位機(即控制電路部分)來的數據，準確計算出初晶溫度值并加以標注，并存儲數據生成報表。
[0029]參見圖3，圖3即為電介質溫度-時間曲線，箭頭所指的位置距離直線最遠，此點即為電解質初晶溫度點。將此初晶溫度點存到ACCESS數據庫中，此數據庫中的字段有:樣品編號、日期、時間、初晶點(拐點溫度)、分子比(用戶輸入)和幾個其它依靠用戶輸入值的數據字段，此數據庫作用為用戶修改、查找及生成報表。
【權利要求】
1.一種鋁電解初晶溫度測量方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1:參數獲取:采用其中的一路K型熱電偶測量爐體溫度，并將多路K型熱電偶同時插入位于爐體內的鋁電解槽內熔體的不同深度處，多路K型熱電偶用于電解質樣溫度的測量，以獲取鋁電解槽中電解質溫度梯度分布參數，步驟2:基于電解質溫度曲線獲取電解質初晶溫度值:如果物體的體積足夠小，而且導熱性能又相當好，則在任何時刻可以認為物體的溫度是均勻的，那么在凝固層熔化完這一瞬間，物體的溫度就是熔鹽的初晶點(對于純熔鹽則為熔點)，根據傳熱原理，在凝固物全部熔化完的瞬間，物體的溫度變化率突然上升，出現一個突變點，這一突變點所對應的溫度就是熔鹽的初晶點溫度，根據電解質溫度與時間的關系繪制多條曲線，即電解質溫度曲線，將電解質溫度曲線的首尾端點連成直線，在該電解質溫度曲線上，位于直線左邊并距離直線最遠點對應的溫度值即為多個電解質初晶溫度值。
2.根據權利要求1所述的鋁電解初晶溫度測量方法，其特征在于，爐體溫度控制在940 °C ?1010°C。
3.根據權利要求1或2所述的鋁電解初晶溫度測量方法，其特征在于，K型熱電偶為6路，相鄰的K型熱電偶深度依次相差5cm。
4.一種基于權利要求1或2所述鋁電解初晶溫度測量方法的鋁電解初晶溫度測量系統，其特征在于，包括上位機、主控制器、爐溫控制電路、多路K型熱電偶、溫度信號處理電路；上位機、爐溫控制電路和溫度信號處理電路均與主控制器連接；多路K型熱電偶插入到爐體內的鋁電解槽內熔體的不同深度處；多路K型熱電偶的輸出端接溫度信號處理電路的輸入端。
5.根據權利要求4所述的鋁電解初晶溫度測量系統，其特征在于，K型熱電偶為6路，相鄰的K型熱電偶深度依次相差5cm。
6.根據權利要求5所述的鋁電解初晶溫度測量系統，其特征在于，所述的溫度信號處理電路采用MAX6675芯片。
【文檔編號】G01K7/04GK103926014SQ201310012206
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月14日 優先權日:2013年1月14日
【發明者】夏向陽, 李劼, 鄒忠 申請人:中南大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
