專利名稱：熔融冰晶石熔池探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔融材料的測試，尤其涉及使用溫差測試結(jié)果來確定如鋁熔煉池的過熱、氧化鋁的濃度以及氟化鈉與氟化鋁比例的方法和設備。
背景技術(shù)：
鋁通常在已建立的Hall-Heroult設計的電解電池中在熔煉操作中生產(chǎn)。在常規(guī)霍爾電池(Hall cell)中，氧化鋁在一般包括鈉冰晶石(Na3AlF6)和氟化鋁(AlF3)及其它添加劑的熔融電解槽中電解還原成鋁。氧化鋁(Al2O3)導入到熔融的電解槽中，溶解并反應形成二氧化碳和聚集成熔融的鋁層的鋁。在鋁熔煉操作期間監(jiān)控的控制參數(shù)包括熔池的溫度和熔融的電解槽的成分。典型地，從霍爾電池中周期性抽取電解液的樣本，并在實驗室分批測試中分析氧化鋁的濃度和氟化鈉的濃度與氟化鋁的濃度比(術(shù)語為熔池液比)。這種實驗室測試通常在取樣之后幾個小時或幾天后完成，幾乎不具有當前工藝操作條件的指示。
在美國專利No.5,752,772中描述了一種對鋁熔煉池的熔池溫度和液相線溫度進行測試的探針，該探針可從Cry-O-Therm的商用設計下的Heraeus Electro-Nite獲得。該探針包括由硬紙管環(huán)繞的銅杯和延伸到該杯中的熱電偶。該探針浸入到熔池中，并讀取熔池溫度讀數(shù)。將杯中的熔池樣本取出，并進行冷卻。全時對冷卻中樣本的溫度進行監(jiān)控。采集樣本的冷卻曲線斜度的突然變化作為熔池的液相線溫度。熔池溫度和液相線溫度之間的差被確定為熔池的過熱。該探針具有幾個缺點，包括其有限的實用性(無法測試熔池液比)和霍爾電池環(huán)境中的脆度。由于探針的銅杯、硬紙管和熱電偶因暴露在熔池的有害環(huán)境下而受到損傷，所以該溫度探針只可以使用一次。另外，在霍爾電池中所產(chǎn)生的熔融鋁層的一部分偶爾上升到熔池中并與溫度探針接觸。這種直接的金屬接觸甚至在讀取溫度讀數(shù)之前就會損壞探針。同樣，當碳灰積聚在熔池的表面上時，探針不能進行準確的溫度測試。
在美國專利6,220,748中公開了一種用于測試熔池液比及鋁熔煉池的過熱的設備，在此通過引用結(jié)合進來。該設備包括測試熔池的樣本的溫度的測試傳感器和測試參照材料的溫度的參照傳感器。該參照材料不進行相變，而測試傳感器隨著熔池的樣本冷卻和固化對其溫度進行探測。對參照傳感器和測試傳感器之間的溫度差進行監(jiān)控和分析，以確定熔池的各個特征。為了控制鋁金屬的熔煉，確定熔池中的氟化鈉和氟化鋁的比例以及氧化鋁的濃度。另外，測試熔池溫度和液相線溫度，以確定熔池中的過熱量。在該專利所公開的設備中，參照傳感器和測試傳感器定位在間隔開的位置上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，間隔開的傳感器的溫度測試的精確度和一致性不足以確定熔池成分。
因此，存在用于準確確定鋁熔煉池中過熱和熔池成分的熔池測試探針的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的熔池測試探針和其使用方法滿足了該需求。熔池測試探針的一個實施例包括單一的(單件式)金屬本體，該本體具有一對整體形成的容器，該容器可浸入到熔融材料的熔池例如電解液中，以獲取熔融材料的兩個樣本。溫度傳感器容納在每個樣本容器中。該探針包括一分析器，該分析器用于在容器浸入到熔池中時確定樣本容器中熔融材料的溫度，和在從熔池中取出本體之后，確定樣本容器中的熔融材料開始固化的溫度變化。熱電偶可以是K型熱電偶。探針的本體用鋼形成，并可以重復用于測試熔池。分析器包括用于確定熔池的過熱的裝置。
本發(fā)明的另一方面是提供一種測試熔池的方法，該方法包括步驟將具有一對整體形成的容器的金屬本體浸入到熔融材料的熔池中；用熔融材料填充樣本容器；將帶有已填充的樣本容器的本體從熔池中取出；用溫度傳感器測試熔融材料的第一溫度；使熔融材料冷卻，同時測試冷卻中的熔融材料的溫度；當熔融材料的冷卻速度改變時測試熔融材料的第二溫度，并確定第一和第二溫度之間的差。當在熔池的液相線溫度處測試第二溫度時，溫度差為熔池的過熱測試結(jié)果。可以將樣本容器中已冷卻的材料重新加熱并取出，從而可以重新使用本體。
本發(fā)明的另一實施例包括具有單一本體的熔池測試探針，該本體包括整體形成的樣本容器和參照構(gòu)件。該樣本容器限定用于浸入到熔融材料的熔池中并保持熔池的樣本的腔室。該參照構(gòu)件包括固體參照材料。樣本溫度傳感器容納在樣本腔室中，并且參照溫度傳感器與參照材料接觸。設有用于確定腔室中熔融材料的溫度和參照材料的溫度之間的差的分析器。在使用中，測試探針浸入到熔池中以填充樣本腔室，并從熔池中取出。在冷卻時，樣本腔室中的熔融材料進行相變和固化。參照材料不進行相變。確定參照材料和熔融材料的溫度之間的差，同時熔融材料和參照材料冷卻。作為熔融材料冷卻的函數(shù)的溫差變化速度是熔池操作的指示。
附圖簡要描述附

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制作的鋁熔池探針的平面圖；附圖2是附圖1中所示探針的一部分的剖視側(cè)視圖；附圖3是附圖1中所示探針本體的透視圖；附圖4是合并有附圖1中所示探針的測試系統(tǒng)的示意圖；附圖5是使用附圖4中所示系統(tǒng)所產(chǎn)生的示意性溫度曲線；附圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施例制作的鋁熔池探針的平面圖；附圖7是附圖6的熔池探針的一部分的示意圖；附圖8是附圖6中所示探針本體的透視圖；附圖9是使用附圖6中所示探針所產(chǎn)生的示意性溫度曲線；附圖10是在恒定氧化鋁濃度下，通過使用如附圖6中所示探針所產(chǎn)生的各種熔池液比的溫度分層剖面；及附圖11是在恒定熔池液比下，通過使用如附圖6中所示探針所產(chǎn)生的各種氧化鋁濃度的溫度分層剖面。
具體實施例方式
當結(jié)合附圖時，從下面的描述中將獲得本發(fā)明的完整理解，其中類似附圖標記表示類似部件。下文中出于描述的目的，詞語“上”、“下”、“右”、“左”“垂直”、“水平”、“頂部”、“底部”及其衍生物指的是本發(fā)明在附圖中的定向。然而，應當理解的是，除了對相反的做出特別說明之外，本發(fā)明可以假設各種可選變化和步驟順序。還應當理解的是，附圖中說明的和下面說明書中描述的具體裝置和過程僅僅是本發(fā)明的示例性實施例。因此，涉及此處所公開的實施例的具體尺寸和其它物理特征不看作是限制性的。
參照測試熔融的熔煉池的溫度對本發(fā)明進行描述。然而，這不意味著對本發(fā)明可以應用于其它測試環(huán)境的限制。
附圖1至4說明了具有單一金屬本體4的熔融材料測試探針2，該本體包括中央部分和位于中央部分6的側(cè)面的一對樣本容器8。該中央部分6限定連接端口10，該連接端口在12處經(jīng)過內(nèi)部螺紋加工，以容納帶外螺紋的導管14。每個樣本容器8都限定用于容納熔池的樣本腔室16。樣本容器8的壁18示出為圓柱形，但是這并不意味著限制使用其它的幾何構(gòu)形。通道20限定在中央部分6和壁18之間。溫度傳感器22的一端延伸穿過導管14和通道20，并容納在樣本腔室16中。溫度傳感器22最好是如K型熱電偶之類的熱電偶。所選擇的熱電偶22的類型由周圍環(huán)境和精確度要求確定。然而也可以使用具有更高精確度的熱電偶，如S型鉑-銠熱電偶型，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)校準的K型熱電偶能夠提供控制鋁熔煉池的足夠的精確度。每個溫度傳感器22的另一端容納在鞘24中，并且?guī)实臒犭娕?2從管14中延伸出并穿過管26。熱電偶22的遠端終止于用于連接到分析器34和可選的打印機36上的電連接器28。管在長度上可以具有任何預期長度，如大約0.5至大約10英尺，以在測試鋁熔煉池中使用。螺母30可以螺接在導管14上，以將導管14緊固和密封在端口10中。螺母32可以螺接在導管14和管26的每一個的一端上以將它們連結(jié)在一起。管26可以直接螺接在中央部分8的螺紋12上，從而取消螺母30和32以及導管14。測試探針2的部件由適合于在鋁熔煉池中使用和重新使用的材料制成。探針本體6的特別適合的材料為不銹鋼，例如合金304L。
在使用中，測試探針2的端部放置到熔融材料的熔池中，從而使得樣本容器8浸入到熔池中，并且樣本腔室16填充熔融材料。當本體6處于熔池中時，溫度傳感器22提供熔融材料的溫度讀數(shù)。在記錄穩(wěn)定的熔池溫度之后，將本體6從熔池中取出，同時，樣本腔室16被填充熔融材料。熔融材料樣本經(jīng)過周圍空氣、對流或其它方法冷卻至例如大約850℃。在熔融材料冷卻的同時，分析器34記錄每個樣本腔室16中的材料溫度。分析器34包括用于全程繪制材料樣本溫度的溫度曲線和計算熔池過熱的軟件。附圖5是在樣本腔室16中全程探測到的溫度的示意性曲線。當測試探針位于熔煉池中時，溫度基本上穩(wěn)定在TB。當測試探針從熔池中取出時，溫度開始隨著熔融材料冷卻而降低。在液相線溫度TLIQ處，熔融材料開始凝固。在這個階段，熔融材料的冷卻速度在一段時間內(nèi)慢下來直到冷卻速度再次增大。分析器34探測冷卻速度變慢的點并計算由于熔池的過熱而在TB和TLIQ之間出現(xiàn)的差。
通過將本體4重新浸入到熔池中直到樣本腔室16中的固化的材料熔融，可以重新使用探針2。對于保持大約2至3毫升材料的樣本腔室16，在大約3至4分鐘之內(nèi)完成重新熔融。測試探針2被傾轉(zhuǎn)，從而樣本腔室16中的重新熔融材料流回到熔池中。然后，測試探針2準備好在另一測試過程中使用。
在附圖6至8中示出了本發(fā)明的另一實施例。附圖6至8中示出的測試探針102類似于附圖1至4中所示的探針2，但是不同之處在于用金屬本體104代替本體4。探針102可以與附圖4的分析器34和打印機36結(jié)合使用。金屬本體104具有由樣本容器108和參照構(gòu)件109的側(cè)面相接的中央部分106。中央部分106限定連接端口110，該連接端口在112處經(jīng)過內(nèi)螺紋加工，以容納帶外螺紋的導管14。樣本容器108限定樣本腔室116。盡管樣本容器108、中央部分106和參照構(gòu)件109中的每一個都示出為具有基本圓柱形形狀，但是它們也可以一起形成為本體104的單一結(jié)構(gòu)，并且并不意味著局限于圓柱形。參照構(gòu)件109包括與本體104整體形成的固體參照材料。以這種方式，該參照材料由與組成中央部分106和樣本容器108相同的材料組成。通道120限定在中央部分106中，該通道在連接端口110和樣本腔室116之間延伸。參照孔121限定在參照構(gòu)件109中，并且向連接端口110打開。支承鞘24的一對溫度傳感器22a和22b延伸穿過導管14。傳感器22a的一端延伸穿過通道120，并容納在樣本腔室116中。以類似方式，傳感器22b的一端延伸到參照孔121中，并鄰接在參照構(gòu)件109的材料上。傳感器22a和22b的另一端穿過導管14和管26延伸出去，并終止于合適的電連接器28處。測試探針102的部件由適合于在鋁熔煉池中使用和重新使用的材料制成。用于探針本體104的特別適合的材料(包括參照構(gòu)件109的材料)為不銹鋼，例如合金304L。
在使用中，測試探針102的端部放置在溶融材料的熔池中，以浸沒本體104，從而將樣本腔室116填充熔融材料，并用熔融材料環(huán)繞參照構(gòu)件109。當探針102處于熔池中時，溫度傳感器22a提供熔融材料的溫度讀數(shù)。溫度傳感器22b不暴露在熔池中，但是檢測參照構(gòu)件109的材料的溫度。在用傳感器22a和22b檢測穩(wěn)定的熔池溫度之后，從熔池中取出測試探針102，同時樣本腔室116被填充熔融材料。測試傳感器22a可以用于確定熔池溫度和過熱溫度，如參照上述探針2的使用那樣。然而，探針102具有額外的功能。
參照附圖9，樣本腔室116中冷卻的材料的溫度曲線用相變期間溫度曲線的斜度變化示意性地表示。參照構(gòu)件109的材料不進行相變，并且冷卻的參照構(gòu)件的溫度曲線斜度是光滑的。在冷卻過程中，樣本和參照材料之間的溫度差記錄為作為溫度和/或時間的函數(shù)的Δ溫度(ΔT)。附圖9中示出了整個ΔT時間中變化的示意圖。由ΔT中增大和減少所表示的熱駐點是隨著測試樣本的冷卻形成不同相的指示。
特別是，在大約400℃和TLIQ之間所發(fā)生的ΔT的幅度與恒定的氧化鋁的濃度下的熔池液比(氟化鈉∶氟化鋁)直接相關(guān)。大約700至900℃處的ΔT與恒定的熔池液比下的氧化鋁的濃度相關(guān)。溫差曲線也示出了熔融材料在冷卻期間利用溫差的第一斜度變化開始凝固的液相線或溫度。在整個溫度范圍內(nèi)發(fā)生的ΔT的峰值和谷值允許確定如氧化鋁的濃度、熔池液比和過熱之類的參數(shù)。
下面的例子說明了本發(fā)明的不同方面。
例1根據(jù)附圖6至8的實施例制作的探針用于測試一系列鋁熔煉池。在每個熔池中，氧化鋁的濃度保持恒定在大約2.6wt.％。在每批的熔池中不同的氟化鈉和氟化鋁(NaF∶AlF3)的比例設定為從1.0至1.3。在測試程序期間，每個熔池都保持在高于預期液相線溫度之上的溫度。提取熔池的樣本用于通過X光衍射和熱滴定法分析氟化鈉和氟化鋁的比。氧化鋁的量由LECO氧分析器確定。在將熔池液比和氧化鋁的濃度調(diào)節(jié)到預期水平之后，將探針浸入到熔池中。探針保持浸入在熔池中，直到探針測試到穩(wěn)定的溫度為止，并且熔池的整個杯都捕獲在樣本腔室中。在測試到穩(wěn)定溫度之后，帶有填充的樣本腔室的探針從熔池中取出，并且空冷至至少400℃。隨著樣本冷卻，記錄ΔT曲線，并對于每個測試批將該ΔT曲線與熔池溫度相比較地在附圖10中示出。隨著氟化鈉與氟化鋁的比從1.0增大至1.3，作為溫差進行測試的液相線溫度增大，并且ΔT峰值在大約850至930℃處增大，同時ΔT峰值在大約650至700℃處下降。以各測試樣本的ΔT變化和熔池液比之間表明的關(guān)系為基礎(chǔ)，可以校準本發(fā)明的探針，以確定和顯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以及氧化鋁的重量濃度在各批中設定為2.6％、3.2％、3.7％、4.7％和5.7％之外，對例子1進行重復。產(chǎn)生每批的ΔT曲線，并在附圖11中顯示。如附圖11中所示，隨著氧化鋁的濃度在2.6％和5.7％之間變化，ΔT曲線中的峰值和谷值的位置和幅度相應地變化。氧化鋁的濃度可以與溫度(例如，800至900℃)之間的ΔT曲線下的面積相關(guān)。因此，ΔT曲線和氧化鋁的濃度之間的關(guān)系可以用于校準本發(fā)明的探針，以確定特殊測試樣本的氧化鋁的濃度。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易認識到，在不脫離前述說明書所公開的概念的情況下，可以對本發(fā)明做出改變。這種改變將認為包括在下面的權(quán)利要求中，除非權(quán)利要求用自身的語句進行特別說明。因此，此處詳細描述的特殊實施例只是說明性的，并不限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求及其所有等效物進行限定。
權(quán)利要求
1.一種熔池測試探針，包括金屬本體，具有一對整體形成的樣本容器，用于浸入到熔融材料的熔池中并用于保持熔融材料的樣本；容納在每個所述樣本容器中的溫度傳感器；及與所述溫度傳感器相連通的分析器，用于確定容器浸入時樣本容器中的熔融材料的溫度和在本體從熔池中取出之后熔融材料開始固化的溫度之間的差。
2.如權(quán)利要求1所述的熔池測試探針，其特征在于，所述本體包括中央部分，所述樣本容器定位在所述中央部分的相對側(cè)上。
3.如權(quán)利要求1所述的熔池測試探針，其特征在于，每個所述溫度傳感器都包括延伸到所述容器內(nèi)部中的熱電偶。
4.如權(quán)利要求3所述的熔池測試探針，其特征在于，每個所述熱電偶都包括校準的K型熱電偶。
5.如權(quán)利要求1所述的熔池測試探針，其特征在于，所述本體可重復使用。
6.如權(quán)利要求5所述的熔池測試探針，其特征在于，熔融材料包括冰晶石電解液。
7.如權(quán)利要求6所述的熔池測試探針，其特征在于，所述分析器包括用于確定熔池的凝固溫度的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的熔池測試探針，其特征在于，所述分析器包括用于確定熔池過熱的裝置。
9.如權(quán)利要求6所述的熔池測試探針，其特征在于，所述本體由鋼制成。
10.一種測試熔融材料的熔池的方法，包括將金屬本體浸入到熔融材料的熔池中，該金屬本體具有一對用于容納溫度傳感器的整體形成的樣本容器；用熔融材料填滿樣本容器；將填滿的樣本容器從熔池中取出；用溫度傳感器測試熔融材料的第一溫度；允許熔融材料冷卻，同時測試冷卻中的熔融材料的溫度，以確定其冷卻速度；當熔融材料的冷卻速度變化時，測試熔融材料的第二溫度；及確定第一溫度和第二溫度之間的差。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在熔融材料的液相線溫度處對第二溫度進行測試。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，熔融材料的熔池為鋁熔池。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，使用相同的本體重復各步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括在將樣本容器重新浸入到熔池中之前，重新加熱冷卻的材料，以及將重新加熱的材料從樣本容器中取出。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括以第一溫度和第二溫度之間的差為基礎(chǔ)，確定熔融材料的熔池是否滿足預定規(guī)格。
16.一種熔融材料測試探針，包括用于浸入到熔融材料的熔池中的單件式本體，包括用于保持熔融材料樣本的樣本容器和包括參照材料的參照構(gòu)件，其特征在于，所述樣本容器和所述參照構(gòu)件用單一材料整體形成在所述本體中；容納在所述樣本容器中的樣本溫度傳感器；與所述參照材料接觸的參照溫度傳感器；及與所述樣本溫度傳感器和所述參照溫度傳感器相連通的分析器，用于確定容器中熔融材料的溫度和參照材料的溫度之間的差。
17.如權(quán)利要求16所述的探針，其特征在于，所述本體由金屬制成。
18.如權(quán)利要求17所述的探針，其特征在于，所述金屬為鋼。
19.如權(quán)利要求18所述的探針，其特征在于，熔融材料包括鋁熔池。
20.如權(quán)利要求16所述的探針，其特征在于，每個所述溫度傳感器都包括熱電偶。
21.如權(quán)利要求20所述的探針，其特征在于，所述熱電偶為校準的K型熱電偶。
22.如權(quán)利要求19所述的探針，其特征在于，所述分析器包括用于確定熔融材料的熔池是否滿足至少一個預定規(guī)格的裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的探針，其特征在于，該預定規(guī)格從包括氧化鋁濃度、氟化鋁的量與氟化鈉的量的比、熔池過熱及其組合的組中選擇。
24.一種測試熔融材料的熔池的方法，包括將單件式探針本體浸入到熔融材料的熔池中，該本體具有用于保持熔融材料的樣本的樣本容器，和包括參照材料的參照構(gòu)件，其中樣本容器和參照構(gòu)件由單一材料整體形成在本體中，該樣本容器容納樣本溫度傳感器，并且參照構(gòu)件容納與參照材料接觸的參照溫度傳感器；將樣本腔室中填滿熔融材料；從熔池中取出探針本體；允許熔融材料和參照材料冷卻，同時測試冷卻中熔融材料的溫度，和冷卻中參照材料的溫度，并確定冷卻中熔融材料的溫度和冷卻中參照材料的溫度之間的差。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，熔融材料的熔池為鋁熔池。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，使用相同本體重復各步驟。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括在將樣本容器重新浸入熔融材料的熔池中之前，重新加熱冷卻的材料，以及將重新加熱的材料從樣本容器中取出。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括以至少一個熔融材料溫度的溫度差為基礎(chǔ)，確定熔融材料的熔池是否滿足預定規(guī)格。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，預定規(guī)格從包括氧化鋁濃度、氟化鋁濃度與氟化鈉濃度的比、熔池過熱及其組合的組中選出。
全文摘要
用于準確測試鋁熔煉池中的過熱、熔池液比和氧化鋁的濃度的方法和設備。在一個實施例中，可重復使用的探針(2)確定熔池溫度和熔池樣本過熱。在另一實施例中，探針(2)也確定包括熔池的冰晶石比和氧化鋁的濃度的熔池成分。
文檔編號G01N1/12GK1926419SQ200480031626
公開日2007年3月7日 申請日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者R·B·霍斯勒, 王象文, J·N·布魯格曼, P·J·奧康納 申請人:美鋁公司