ПОГРУЖНОЙ ДАТЧИК, ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗА ЯЧЕЙКАМИ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к погружному датчику для контроля за ячейками электролиза алюминия с использованием электрода. Кроме того, изобретение относится к измерительному устройству для контроля за ячейками электролиза, содержащими резервуар, а также к способу измерения с использованием измерительного устройства.

При производстве алюминия в ячейках электролиза осуществляется контроль за работой установок, в частности, резервуаров. Указанные резервуары состоят в основном из углерода. Важно обеспечить, чтобы в указанных углеродных резервуарах не было нарушений герметичности, например, чтобы в процессе эксплуатации в них не образовались отверстия, через которые может вытекать расплавленный алюминий. Для контроля за этим процессом в алюминий вводят через криолитовый слой, находящийся сверху алюминиевого расплава, пригодный для этого металлический стержень. Металлический стержень через соединительные провода и вольтметр соединен с электродом, расположенным в дне резервуара, что позволяет измерять электрическое напряжение между металлическим стержнем (или алюминиевым расплавом) и этим электродом. Снижение указанного напряжения свидетельствует о том, что электропроводность между электродами увеличилась. Это, в свою очередь, указывает на то, что расположенная между электродами стенка резервуара дефектна.

Установлено, что при этом способе, как правило, нет повторяемости результатов измерения. Как правило, при проведении следующих друг за другом измерений, например, в различных местах установки для электролиза получают различные значения напряжения. Это объясняется тем, что тепловой баланс в непосредственном окружении металлического стержня при его погружении ощутимо нарушается. Вследствие хорошей теплопроводности металлического стержня и его относительно высокой теплоемкости криолит застывает на стержне. Это ведет к образованию изоляционного слоя на стержне и вследствие этого к плохому контакту с расплавленным алюминием.

В основу настоящего изобретения поставлена задача обеспечения возможности получения повторяемости результатов измерений по сравнению с известными устройствами.

Указанная задача решается согласно изобретению посредством того, что электрод датчика установлен на держателе, имеющем погружной конец. Указанный держатель служит для придания устойчивости электроду. Упомянутый электрод имеет очень незначительную массу, поскольку механическая устойчивость обеспечивается держателем, чтобы сделать возможным проталкивание через криолитовый слой. Сам электрод может иметь очень низкую теплоемкость, так что он не влияет существенно на измеряемую окружающую среду. В частности, предпочтительно, чтобы держатель был выполнен в виде трубки и содержал органический материал. В частности, он может быть выполнен из картона. При погружении органический материал очень быстро сгорает, по меньшей мере, на поверхности, и благодаря газообразным продуктам сгорания создает в непосредственном окружении эффект очистки. Прилипшая соль или криолит откалываются от держателя или электрода, т.е. удаляются. На держателе может быть установлен электрод, выполненный предпочтительно из проволоки диаметром приблизительно от 0,05 мм до 5 мм, в частности, от 0,1 до 2 мм и не имеющий существенной теплоемкости. Соответствующая трубка из картона также не влияет существенно на теплоемкость алюминиевого расплава. Выяснилось, что возможное незначительное количество застывшего криолита за несколько секунд вновь расплавляется, так что могут быть произведены повторные измерения. В частности, с помощью таких датчиков могут быть получены одинаковые результаты измерений в различных местах ячеек для электролиза.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения электрод проходит частично внутри трубки и выводится из ее погружного конца, при этом выведенный участок электрода, по меньшей мере, частично расположен на наружной стенке трубки. При этом желательно, чтобы участок электрода, находящийся вне держателя, был окружен, по меньшей мере, частично защитной оболочкой из горючего материала во избежание повреждений при проталкивании через криолитовый слой. Целесообразно, чтобы держатель (1) содержал на погружном конце, по меньшей мере, с внешней стороны огнеупорный материал.

В предпочтительном варианте выполнения электрод электролизера выполнен из металла, в частности, из молибдена или сплава вольфрама и рения.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения на погружном конце держателя установлена электрохимическая измерительная ячейка и/или термоэлемент, термопара. В упрощенном варианте выполнения изобретения целесообразно соединить электрод с термоэлементом. В частности, термоэлемент может быть закреплен на погружном конце трубки и соединен с двумя контактными выводами соединительной детали для подключения к линии сигнала. При этом в особенно простом варианте выполнения изобретения электрод может быть соединен с одним контактным выводом соединительной детали, т.е., например, конец электрода может быть приварен к контактному выводу соединительной детали.

Поставленная задача решается измерительным устройством для контроля за ячейками электролиза алюминия, имеющими резервуар, с помощью погружного датчика согласно изобретению, причем электрод через линию сигнала и вольтметр соединен с электродом, установленным на внешней стороне резервуара или в стенке. Способ измерения согласно изобретению с использованием указанного измерительного устройства отличается тем, что погружной датчик сначала погружают в криолитовый слой, где производят измерение температуры криолита, а затем погружают датчик в жидкий алюминий и измеряют напряжение между электродом и электродом, установленным в стенке. В частности, может быть выгодным производить измерение напряжения между электродами при тепловом балансе.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вариант выполнения погружного датчика, согласно изобретению;

фиг.2 - другой вариант выполнения погружного датчика, согласно изобретению;

фиг.3 - схематичное изображение измерительного устройства, согласно изобретению.

Изображенный на фиг.1 погружной датчик содержит трубку 1 из картона. На ее погружном конце установлена соединительная деталь 2 и закреплена с помощью огнеупорного материала 3. Соединительная деталь 2 содержит на конце, противолежащем погружному концу, контактные выводы для подключения к линии сигнала, а на погружном конце контактный вывод 5 для подключения к электроду 6. Погружной конец трубки 1 заделан цементом 7, окружающим контактный вывод 5.

Электрод 6 выведен из трубки 1 и прилегает своим внешним концом к внешней стороне трубки 1. До использования внешний участок электрода 6, по меньшей мере, частично предохраняется с помощью оболочки (не показана). Оболочка может быть выполнена, например, из бумажной обмотки. Эта оболочка сгорает во время проталкивания погружного датчика через криолитовый слой и препятствует застыванию криолита на электроде 6.

На фиг. 2 показан другой вариант выполнения погружного датчика согласно изобретению. В указанном варианте выполнения на погружном конце датчика дополнительно установлен термоэлемент 8. Указанный термоэлемент 8 предохраняется от воздействия криолита с помощью защитного колпачка 9. Указанный защитный колпачок 9 выполнен из материала, растворяющегося в криолитовом слое, например, из алюминия. Термоэлемент 8 соединен в местах контактных выводов 5, 5' с соединительным элементом 2, откуда через контактные выводы 4 выходят линии сигнала (не показаны) к измерительным устройствам. Электрод 6 соединен с контактным выводом термоэлемента 8 и соединен с помощью той же линии сигнала через трубку 1 с сигнальным устройством.

На фиг.3 изображено измерительное устройство с использованием погружного датчика, показанного на фиг. 1 или 2. Резервуар содержит стенку 10 из углерода. В указанной стенке 10 установлен электрод 11, который через линии 12 сигнала и вольтметр 13 соединен с электродом 6. Электрод 11 образует одновременно один из катодов для процесса электролиза. Электролитическая ванна 14 содержит в нижней части жидкий алюминий, а в верхней части криолит. В электролитическую ванну 14 выступают сверху вниз аноды 15 из углерода. Они частично покрыты коркой 16 окиси алюминия. Для пробивания корки предусмотрена так называемая дробилка для корки, которая делает возможным проникновение сверху к расплаву алюминия.

Погружной датчик может быть вначале погружен в электролитическую ванну 14 для измерения температуры. Затем его опускают до дна электролитической ванны 14 для того, чтобы измерить напряжение между электродом 6 и электродом 11. При повреждении стенки 10 вследствие разрушения графитового блока, образующего стенку 10, электрическое сопротивление стенки 10 падает. Падение напряжения регистрируется вольтметром 13. Благодаря этому возможно раннее обнаружение повреждения стенки 10. Благодаря низкой теплоемкости электрода 6, выполненного из проволоки, он не оказывает существенного воздействия на электролитическую ванну 14. Составные элементы ванны не “примерзают” к погружному датчику, что делает возможным проведение повторных измерений в различных местах электролитической ванны.

Изобретение может быть использовано при производстве алюминия. Сущность: погружной датчик содержит электрод, установленный на держателе, выполненном в виде трубки, и имеющим погружной конец. Электрод частично проходит внутри трубки. Участок электрода, выведенный из погружного конца, по меньшей мере, частично расположен на наружной стенке трубки. Также предложено измерительное устройство для контроля за ячейками электролиза алюминия, содержащее погружной датчик, выполненный согласно изобретению, и способ измерения с использованием указанного выше измерительного устройства. Технический результат изобретения: обеспечение возможности получения повторяемости измерений. 3 и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Погружной датчик для контроля за ячейками электролиза алюминия, содержащий электрод (6), установленный на держателе (1) в виде трубки, имеющем погружной конец, причем электрод частично проходит внутри трубки, а участок электрода, выведенный из погружного конца трубки, по меньшей мере, частично расположен на наружной стенке трубки.2. Погружной датчик по п.1, отличающийся тем, что держатель (1) содержит органический материал, в частности, картон.3. Погружной датчик по п.1, отличающийся тем, что электрод (6) выполнен из проволоки диаметром приблизительно от 0,05 до 5 мм, в частности, от 0,1 до 2 мм.4. Погружной датчик по п.1, отличающийся тем, что участок электрода (6), находящийся вне держателя (1), окружен, по меньшей мере, частично защитной оболочкой из горючего материала.5. Погружной датчик по п.1, отличающийся тем, что держатель (1) содержит на погружном конце, по меньшей мере, с его внешней стороны огнеупорный материал.6. Погружной датчик по п.1, отличающийся тем, что электрод (6) выполнен из металла, в частности, из молибдена или сплава вольфрама и рения.7. Погружной датчик по п.1, отличающийся тем, что на погружном конце держателя (1) установлена электрохимическая измерительная ячейка и/или термоэлемент (8), в частности, термопара.8. Погружной датчик по п.7, отличающийся тем, что электрод (6) электрически связан с термоэлементом (8).9. Погружной датчик по п.7, отличающийся тем, что термоэлемент (8) и/или электрохимическая измерительная ячейка установлены в погружном конце держателя (1) в виде трубки и соединены двумя контактами (5, 5'') соединительной детали (2) для подключения к линиям сигнала.10. Погружной датчик по п.9, отличающийся тем, что электрод (6) соединен с одним контактом (5) соединительной детали (2).11. Измерительное устройство для контроля за ячейками электролиза алюминия, содержащими резервуар, использующее погружной датчик по любому из пп.1-8, в котором электрод (6) через линию (12) сигнала и вольтметр (13) соединен с электродом (11), установленным на внешней стороне стенки (10) резервуара или в стенке (10).12. Способ измерения с использованием измерительного устройства по п.11, отличающийся тем, что погружной датчик вначале вводят в расплав криолита, где измеряют температуру расплава криолита, а затем погружают датчик в жидкий алюминий и измеряют напряжение между электродом (6) и электродом (11).