CN1926419A - 熔融冰晶石熔池探针 - Google Patents

Abstract

用于准确测试铝熔炼池中的过热、熔池液比和氧化铝的浓度的方法和设备。在一个实施例中，可重复使用的探针(2)确定熔池温度和熔池样本过热。在另一实施例中，探针(2)也确定包括熔池的冰晶石比和氧化铝的浓度的熔池成分。

Description

熔融冰晶石熔池探针

技术领域

本发明涉及熔融材料的测试，尤其涉及使用温差测试结果来确定如铝熔炼池的过热、氧化铝的浓度以及氟化钠与氟化铝比例的方法和设备。

发明背景

铝通常在已建立的Hall-Heroult设计的电解电池中在熔炼操作中生产。在常规霍尔电池(Hall cell)中，氧化铝在一般包括钠冰晶石(Na₃AlF₆)和氟化铝(AlF₃)及其它添加剂的熔融电解槽中电解还原成铝。氧化铝(Al₂O₃)导入到熔融的电解槽中，溶解并反应形成二氧化碳和聚集成熔融的铝层的铝。在铝熔炼操作期间监控的控制参数包括熔池的温度和熔融的电解槽的成分。典型地，从霍尔电池中周期性抽取电解液的样本，并在实验室分批测试中分析氧化铝的浓度和氟化钠的浓度与氟化铝的浓度比(术语为熔池液比)。这种实验室测试通常在取样之后几个小时或几天后完成，几乎不具有当前工艺操作条件的指示。

在美国专利No.5,752,772中描述了一种对铝熔炼池的熔池温度和液相线温度进行测试的探针，该探针可从Cry-O-Therm的商用设计下的Heraeus Electro-Nite获得。该探针包括由硬纸管环绕的铜杯和延伸到该杯中的热电偶。该探针浸入到熔池中，并读取熔池温度读数。将杯中的熔池样本取出，并进行冷却。全时对冷却中样本的温度进行监控。采集样本的冷却曲线斜度的突然变化作为熔池的液相线温度。熔池温度和液相线温度之间的差被确定为熔池的过热。该探针具有几个缺点，包括其有限的实用性(无法测试熔池液比)和霍尔电池环境中的脆度。由于探针的铜杯、硬纸管和热电偶因暴露在熔池的有害环境下而受到损伤，所以该温度探针只可以使用一次。另外，在霍尔电池中所产生的熔融铝层的一部分偶尔上升到熔池中并与温度探针接触。这种直接的金属接触甚至在读取温度读数之前就会损坏探针。同样，当碳灰积聚在熔池的表面上时，探针不能进行准确的温度测试。

在美国专利6,220,748中公开了一种用于测试熔池液比及铝熔炼池的过热的设备，在此通过引用结合进来。该设备包括测试熔池的样本的温度的测试传感器和测试参照材料的温度的参照传感器。该参照材料不进行相变，而测试传感器随着熔池的样本冷却和固化对其温度进行探测。对参照传感器和测试传感器之间的温度差进行监控和分析，以确定熔池的各个特征。为了控制铝金属的熔炼，确定熔池中的氟化钠和氟化铝的比例以及氧化铝的浓度。另外，测试熔池温度和液相线温度，以确定熔池中的过热量。在该专利所公开的设备中，参照传感器和测试传感器定位在间隔开的位置上。已经发现，间隔开的传感器的温度测试的精确度和一致性不足以确定熔池成分。

因此，存在用于准确确定铝熔炼池中过热和熔池成分的熔池测试探针的需求。

发明内容

本发明的熔池测试探针和其使用方法满足了该需求。熔池测试探针的一个实施例包括单一的(单件式)金属本体，该本体具有一对整体形成的容器，该容器可浸入到熔融材料的熔池例如电解液中，以获取熔融材料的两个样本。温度传感器容纳在每个样本容器中。该探针包括一分析器，该分析器用于在容器浸入到熔池中时确定样本容器中熔融材料的温度，和在从熔池中取出本体之后，确定样本容器中的熔融材料开始固化的温度变化。热电偶可以是K型热电偶。探针的本体用钢形成，并可以重复用于测试熔池。分析器包括用于确定熔池的过热的装置。

本发明的另一方面是提供一种测试熔池的方法，该方法包括步骤：将具有一对整体形成的容器的金属本体浸入到熔融材料的熔池中；用熔融材料填充样本容器；将带有已填充的样本容器的本体从熔池中取出；用温度传感器测试熔融材料的第一温度；使熔融材料冷却，同时测试冷却中的熔融材料的温度；当熔融材料的冷却速度改变时测试熔融材料的第二温度，并确定第一和第二温度之间的差。当在熔池的液相线温度处测试第二温度时，温度差为熔池的过热测试结果。可以将样本容器中已冷却的材料重新加热并取出，从而可以重新使用本体。

本发明的另一实施例包括具有单一本体的熔池测试探针，该本体包括整体形成的样本容器和参照构件。该样本容器限定用于浸入到熔融材料的熔池中并保持熔池的样本的腔室。该参照构件包括固体参照材料。样本温度传感器容纳在样本腔室中，并且参照温度传感器与参照材料接触。设有用于确定腔室中熔融材料的温度和参照材料的温度之间的差的分析器。在使用中，测试探针浸入到熔池中以填充样本腔室，并从熔池中取出。在冷却时，样本腔室中的熔融材料进行相变和固化。参照材料不进行相变。确定参照材料和熔融材料的温度之间的差，同时熔融材料和参照材料冷却。作为熔融材料冷却的函数的温差变化速度是熔池操作的指示。

附图简要描述

附图1是根据本发明的一个实施例制作的铝熔池探针的平面图；

附图2是附图1中所示探针的一部分的剖视侧视图；

附图3是附图1中所示探针本体的透视图；

附图4是合并有附图1中所示探针的测试系统的示意图；

附图5是使用附图4中所示系统所产生的示意性温度曲线；

附图6是根据本发明另一实施例制作的铝熔池探针的平面图；

附图7是附图6的熔池探针的一部分的示意图；

附图8是附图6中所示探针本体的透视图；

附图9是使用附图6中所示探针所产生的示意性温度曲线；

附图10是在恒定氧化铝浓度下，通过使用如附图6中所示探针所产生的各种熔池液比的温度分层剖面；及

附图11是在恒定熔池液比下，通过使用如附图6中所示探针所产生的各种氧化铝浓度的温度分层剖面。

具体实施方式

当结合附图时，从下面的描述中将获得本发明的完整理解，其中类似附图标记表示类似部件。下文中出于描述的目的，词语“上”、“下”、“右”、“左”“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其衍生物指的是本发明在附图中的定向。然而，应当理解的是，除了对相反的做出特别说明之外，本发明可以假设各种可选变化和步骤顺序。还应当理解的是，附图中说明的和下面说明书中描述的具体装置和过程仅仅是本发明的示例性实施例。因此，涉及此处所公开的实施例的具体尺寸和其它物理特征不看作是限制性的。

参照测试熔融的熔炼池的温度对本发明进行描述。然而，这不意味着对本发明可以应用于其它测试环境的限制。

附图1至4说明了具有单一金属本体4的熔融材料测试探针2，该本体包括中央部分和位于中央部分6的侧面的一对样本容器8。该中央部分6限定连接端口10，该连接端口在12处经过内部螺纹加工，以容纳带外螺纹的导管14。每个样本容器8都限定用于容纳熔池的样本腔室16。样本容器8的壁18示出为圆柱形，但是这并不意味着限制使用其它的几何构形。通道20限定在中央部分6和壁18之间。温度传感器22的一端延伸穿过导管14和通道20，并容纳在样本腔室16中。温度传感器22最好是如K型热电偶之类的热电偶。所选择的热电偶22的类型由周围环境和精确度要求确定。然而也可以使用具有更高精确度的热电偶，如S型铂-铑热电偶型，已经发现校准的K型热电偶能够提供控制铝熔炼池的足够的精确度。每个温度传感器22的另一端容纳在鞘24中，并且带鞘的热电偶22从管14中延伸出并穿过管26。热电偶22的远端终止于用于连接到分析器34和可选的打印机36上的电连接器28。管在长度上可以具有任何预期长度，如大约0.5至大约10英尺，以在测试铝熔炼池中使用。螺母30可以螺接在导管14上，以将导管14紧固和密封在端口10中。螺母32可以螺接在导管14和管26的每一个的一端上以将它们连结在一起。管26可以直接螺接在中央部分8的螺纹12上，从而取消螺母30和32以及导管14。测试探针2的部件由适合于在铝熔炼池中使用和重新使用的材料制成。探针本体6的特别适合的材料为不锈钢，例如合金304L。

在使用中，测试探针2的端部放置到熔融材料的熔池中，从而使得样本容器8浸入到熔池中，并且样本腔室16填充熔融材料。当本体6处于熔池中时，温度传感器22提供熔融材料的温度读数。在记录稳定的熔池温度之后，将本体6从熔池中取出，同时，样本腔室16被填充熔融材料。熔融材料样本经过周围空气、对流或其它方法冷却至例如大约850℃。在熔融材料冷却的同时，分析器34记录每个样本腔室16中的材料温度。分析器34包括用于全程绘制材料样本温度的温度曲线和计算熔池过热的软件。附图5是在样本腔室16中全程探测到的温度的示意性曲线。当测试探针位于熔炼池中时，温度基本上稳定在T_B。当测试探针从熔池中取出时，温度开始随着熔融材料冷却而降低。在液相线温度T_LIQ处，熔融材料开始凝固。在这个阶段，熔融材料的冷却速度在一段时间内慢下来直到冷却速度再次增大。分析器34探测冷却速度变慢的点并计算由于熔池的过热而在T_B和T_LIQ之间出现的差。

通过将本体4重新浸入到熔池中直到样本腔室16中的固化的材料熔融，可以重新使用探针2。对于保持大约2至3毫升材料的样本腔室16，在大约3至4分钟之内完成重新熔融。测试探针2被倾转，从而样本腔室16中的重新熔融材料流回到熔池中。然后，测试探针2准备好在另一测试过程中使用。

在附图6至8中示出了本发明的另一实施例。附图6至8中示出的测试探针102类似于附图1至4中所示的探针2，但是不同之处在于用金属本体104代替本体4。探针102可以与附图4的分析器34和打印机36结合使用。金属本体104具有由样本容器108和参照构件109的侧面相接的中央部分106。中央部分106限定连接端口110，该连接端口在112处经过内螺纹加工，以容纳带外螺纹的导管14。样本容器108限定样本腔室116。尽管样本容器108、中央部分106和参照构件109中的每一个都示出为具有基本圆柱形形状，但是它们也可以一起形成为本体104的单一结构，并且并不意味着局限于圆柱形。参照构件109包括与本体104整体形成的固体参照材料。以这种方式，该参照材料由与组成中央部分106和样本容器108相同的材料组成。通道120限定在中央部分106中，该通道在连接端口110和样本腔室116之间延伸。参照孔121限定在参照构件109中，并且向连接端口110打开。支承鞘24的一对温度传感器22a和22b延伸穿过导管14。传感器22a的一端延伸穿过通道120，并容纳在样本腔室116中。以类似方式，传感器22b的一端延伸到参照孔121中，并邻接在参照构件109的材料上。传感器22a和22b的另一端穿过导管14和管26延伸出去，并终止于合适的电连接器28处。测试探针102的部件由适合于在铝熔炼池中使用和重新使用的材料制成。用于探针本体104的特别适合的材料(包括参照构件109的材料)为不锈钢，例如合金304L。

在使用中，测试探针102的端部放置在溶融材料的熔池中，以浸没本体104，从而将样本腔室116填充熔融材料，并用熔融材料环绕参照构件109。当探针102处于熔池中时，温度传感器22a提供熔融材料的温度读数。温度传感器22b不暴露在熔池中，但是检测参照构件109的材料的温度。在用传感器22a和22b检测稳定的熔池温度之后，从熔池中取出测试探针102，同时样本腔室116被填充熔融材料。测试传感器22a可以用于确定熔池温度和过热温度，如参照上述探针2的使用那样。然而，探针102具有额外的功能。

参照附图9，样本腔室116中冷却的材料的温度曲线用相变期间温度曲线的斜度变化示意性地表示。参照构件109的材料不进行相变，并且冷却的参照构件的温度曲线斜度是光滑的。在冷却过程中，样本和参照材料之间的温度差记录为作为温度和/或时间的函数的Δ温度(ΔT)。附图9中示出了整个ΔT时间中变化的示意图。由ΔT中增大和减少所表示的热驻点是随着测试样本的冷却形成不同相的指示。

特别是，在大约400℃和T_LIQ之间所发生的ΔT的幅度与恒定的氧化铝的浓度下的熔池液比(氟化钠∶氟化铝)直接相关。大约700至900℃处的ΔT与恒定的熔池液比下的氧化铝的浓度相关。温差曲线也示出了熔融材料在冷却期间利用温差的第一斜度变化开始凝固的液相线或温度。在整个温度范围内发生的ΔT的峰值和谷值允许确定如氧化铝的浓度、熔池液比和过热之类的参数。

下面的例子说明了本发明的不同方面。

例1

根据附图6至8的实施例制作的探针用于测试一系列铝熔炼池。在每个熔池中，氧化铝的浓度保持恒定在大约2.6wt.％。在每批的熔池中不同的氟化钠和氟化铝(NaF∶AlF₃)的比例设定为从1.0至1.3。在测试程序期间，每个熔池都保持在高于预期液相线温度之上的温度。提取熔池的样本用于通过X光衍射和热滴定法分析氟化钠和氟化铝的比。氧化铝的量由LECO氧分析器确定。在将熔池液比和氧化铝的浓度调节到预期水平之后，将探针浸入到熔池中。探针保持浸入在熔池中，直到探针测试到稳定的温度为止，并且熔池的整个杯都捕获在样本腔室中。在测试到稳定温度之后，带有填充的样本腔室的探针从熔池中取出，并且空冷至至少400℃。随着样本冷却，记录ΔT曲线，并对于每个测试批将该ΔT曲线与熔池温度相比较地在附图10中示出。随着氟化钠与氟化铝的比从1.0增大至1.3，作为温差进行测试的液相线温度增大，并且ΔT峰值在大约850至930℃处增大，同时ΔT峰值在大约650至700℃处下降。以各测试样本的ΔT变化和熔池液比之间表明的关系为基础，可以校准本发明的探针，以确定和显示特殊熔池的熔池液比。

例子2

除了熔池液比保持恒定在1.13以及氧化铝的重量浓度在各批中设定为2.6％、3.2％、3.7％、4.7％和5.7％之外，对例子1进行重复。产生每批的ΔT曲线，并在附图11中显示。如附图11中所示，随着氧化铝的浓度在2.6％和5.7％之间变化，ΔT曲线中的峰值和谷值的位置和幅度相应地变化。氧化铝的浓度可以与温度(例如，800至900℃)之间的ΔT曲线下的面积相关。因此，ΔT曲线和氧化铝的浓度之间的关系可以用于校准本发明的探针，以确定特殊测试样本的氧化铝的浓度。

本领域技术人员将很容易认识到，在不脱离前述说明书所公开的概念的情况下，可以对本发明做出改变。这种改变将认为包括在下面的权利要求中，除非权利要求用自身的语句进行特别说明。因此，此处详细描述的特殊实施例只是说明性的，并不限定本发明的范围，本发明的范围将完全由所附权利要求及其所有等效物进行限定。

Claims (29)

1.一种熔池测试探针，包括：

金属本体，具有一对整体形成的样本容器，用于浸入到熔融材料的熔池中并用于保持熔融材料的样本；

容纳在每个所述样本容器中的温度传感器；及

与所述温度传感器相连通的分析器，用于确定容器浸入时样本容器中的熔融材料的温度和在本体从熔池中取出之后熔融材料开始固化的温度之间的差。

2.如权利要求1所述的熔池测试探针，其特征在于，所述本体包括中央部分，所述样本容器定位在所述中央部分的相对侧上。

3.如权利要求1所述的熔池测试探针，其特征在于，每个所述温度传感器都包括延伸到所述容器内部中的热电偶。

4.如权利要求3所述的熔池测试探针，其特征在于，每个所述热电偶都包括校准的K型热电偶。

5.如权利要求1所述的熔池测试探针，其特征在于，所述本体可重复使用。

6.如权利要求5所述的熔池测试探针，其特征在于，熔融材料包括冰晶石电解液。

7.如权利要求6所述的熔池测试探针，其特征在于，所述分析器包括用于确定熔池的凝固温度的装置。

8.如权利要求7所述的熔池测试探针，其特征在于，所述分析器包括用于确定熔池过热的装置。

9.如权利要求6所述的熔池测试探针，其特征在于，所述本体由钢制成。

10.一种测试熔融材料的熔池的方法，包括：

将金属本体浸入到熔融材料的熔池中，该金属本体具有一对用于容纳温度传感器的整体形成的样本容器；

用熔融材料填满样本容器；

将填满的样本容器从熔池中取出；

用温度传感器测试熔融材料的第一温度；

允许熔融材料冷却，同时测试冷却中的熔融材料的温度，以确定其冷却速度；

当熔融材料的冷却速度变化时，测试熔融材料的第二温度；及

确定第一温度和第二温度之间的差。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在熔融材料的液相线温度处对第二温度进行测试。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，熔融材料的熔池为铝熔池。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使用相同的本体重复各步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在将样本容器重新浸入到熔池中之前，重新加热冷却的材料，以及将重新加热的材料从样本容器中取出。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括以第一温度和第二温度之间的差为基础，确定熔融材料的熔池是否满足预定规格。

16.一种熔融材料测试探针，包括：

用于浸入到熔融材料的熔池中的单件式本体，包括用于保持熔融材料样本的样本容器和包括参照材料的参照构件，其特征在于，所述样本容器和所述参照构件用单一材料整体形成在所述本体中；

容纳在所述样本容器中的样本温度传感器；

与所述参照材料接触的参照温度传感器；及

与所述样本温度传感器和所述参照温度传感器相连通的分析器，用于确定容器中熔融材料的温度和参照材料的温度之间的差。

17.如权利要求16所述的探针，其特征在于，所述本体由金属制成。

18.如权利要求17所述的探针，其特征在于，所述金属为钢。

19.如权利要求18所述的探针，其特征在于，熔融材料包括铝熔池。

20.如权利要求16所述的探针，其特征在于，每个所述温度传感器都包括热电偶。

21.如权利要求20所述的探针，其特征在于，所述热电偶为校准的K型热电偶。

22.如权利要求19所述的探针，其特征在于，所述分析器包括用于确定熔融材料的熔池是否满足至少一个预定规格的装置。

23.如权利要求22所述的探针，其特征在于，该预定规格从包括氧化铝浓度、氟化铝的量与氟化钠的量的比、熔池过热及其组合的组中选择。

24.一种测试熔融材料的熔池的方法，包括：

将单件式探针本体浸入到熔融材料的熔池中，该本体具有用于保持熔融材料的样本的样本容器，和包括参照材料的参照构件，其中样本容器和参照构件由单一材料整体形成在本体中，该样本容器容纳样本温度传感器，并且参照构件容纳与参照材料接触的参照温度传感器；

将样本腔室中填满熔融材料；

从熔池中取出探针本体；

允许熔融材料和参照材料冷却，同时测试冷却中熔融材料的温度，和冷却中参照材料的温度，并确定冷却中熔融材料的温度和冷却中参照材料的温度之间的差。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，熔融材料的熔池为铝熔池。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，使用相同本体重复各步骤。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括在将样本容器重新浸入熔融材料的熔池中之前，重新加热冷却的材料，以及将重新加热的材料从样本容器中取出。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括以至少一个熔融材料温度的温度差为基础，确定熔融材料的熔池是否满足预定规格。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，预定规格从包括氧化铝浓度、氟化铝浓度与氟化钠浓度的比、熔池过热及其组合的组中选出。

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