專利名稱：一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測與試驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種溫度在線測量與試驗方法，尤其是特別涉及一種碳化硅冶煉爐中心 高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測與試驗方法，用以實現(xiàn)碳化硅冶煉爐爐心高溫區(qū)域的間接在線測 量°
背景技術：
碳化硅材料因其諸多的優(yōu)良特性，如高強度、耐高溫、耐磨、寬帶隙等而被廣泛應 用于磨料磨具、耐火材料、化工、航空航天、微電子等領域。工業(yè)化生產(chǎn)碳化硅仍 采用傳統(tǒng)的電阻爐式的Acheson法。電阻爐一般為臥式，兩端為石墨電極，中間為爐心 和爐料。
其反應方程式為
S/02 + 3C — S/C + 2CO個—125.86《cfl/
化學反應式表明，碳化硅生成反應是一個吸熱反應，在高溫(1800 2400 。C)條件 下進行，在此溫度區(qū)間內，溫度越高反應越快。當溫度超過2400'C時，生成的碳化硅會 再度分解。
s/c^&蒸汽t+c:石墨態(tài)
形成石墨粉，分解的Si蒸汽逸出后，再與較低溫度下的C質發(fā)生反應。這樣就降 低了一級品的產(chǎn)量和品質、白白浪費了電能。碳化硅冶煉時其爐內溫度是呈爐心到周邊 遞減的分布，為了使非爐心區(qū)域也能達到生成碳化硅的溫度U80(TC)，應該控制爐心溫 度低于且接近碳化硅再分解臨界溫度(2400°C)。
準確控制碳化硅冶煉爐爐心溫度對提高碳化硅的品質和產(chǎn)量、減少生產(chǎn)周期及節(jié)能 降耗意義重大，爐心溫度的在線實時測量是準確控制爐心溫度的基礎和前提。目前測量170(TC以上的高溫，通常采用非接觸的輻射測溫法，但是這些方法只能測 量對象表面的溫度。而碳化硅生成區(qū)外層有較厚的反應料、乏料、保溫料等，采用非接 觸法難以觀測到碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域。如用標準貴金屬熱電偶接觸式測溫，測溫 上限通常在170(TC以下；而碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度通常在200(TC以上，故難以 直接采用。
接觸式測溫上限大于175(TC時雖然也可以采用非國際標準的鴇錸系列熱電偶。鴇錸 熱電偶的特點是熱電極絲熔點高(可達330(TC)，蒸氣壓低，極易氧化；在非氧化性環(huán) 境中化學穩(wěn)定性好；電動勢大，靈敏度高。在高于230(TC時，數(shù)據(jù)分散，測量準確度下 降。但是鎢錸熱電偶極易氧化，僅適于在惰性或干燥氫氣中使用，或用致密的保護管使 其與氧隔絕才能使用。不能不加保護的使用在含碳環(huán)境下(如在含碳氫化合物的環(huán)境下 使用，溫度超過100(TC即極易受腐蝕)。國內已有商品化的鎢錸熱電偶和保護套管一體的 溫度傳感器組件(采用鉬材料套管，最大可測量溫度為2315'C)，但其也不能連續(xù)工作在 碳化硅冶煉爐這樣的高溫含碳氣氛的空氣里面，如果連續(xù)使用會大大降低其精度和使用 壽命，通常在225(TC連續(xù)工作最多30分鐘，該套管就會變形、損毀(勢必使得鎢錸熱電 偶氧化燒毀，測溫信號終止)，而這種鉬材料套管的使用成本很高，套管長度1000mm左 右的鎢錸熱電偶傳感器組件單價約需人民幣20000元，任何一家碳化硅冶煉企業(yè)均無法 承受碳化硅的冶煉頻繁更換這樣昂貴的鎢錸熱電偶傳感器組件。
由于碳化硅冶煉中心高溫區(qū)域溫度測量的所面對的上述諸多難題，因此國內目前的 碳化硅的冶煉基本上是靠工人經(jīng)驗操作，導致冶煉成品率低下，產(chǎn)品單位(噸)電耗高 企，且波動幅度很大。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術存在的缺陷提供一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在
線監(jiān)測與試驗方法。解決了碳化硅冶煉爐中心2oocrc以上高溫在線連續(xù)測量的問題，從
而為碳化硅冶煉過程的實時科學控制、節(jié)能增效提供了行之有效的方法；可較好地解決
長期以來我國碳化硅冶煉行業(yè)因非接觸輻射測溫方法無法準確探測碳化硅冶煉爐中心區(qū) 域溫度，而接觸式鎢錸系列熱電偶在高溫下極易氧化、使用壽命很短、且損耗極高的問 題。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案
4本發(fā)明提出一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測方法，其特征在于采用一 個B型熱電偶測量距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處的區(qū)域溫度值；當爐心區(qū)域
溫度低于1750'C，采用另一個B型熱電偶以周期T測量爐心區(qū)域溫度值；當爐心區(qū)域溫 度高于1750°C，采用鎢錸熱電偶以周期T從爐頂測量孔插入至冶煉爐爐心測量爐心區(qū)域 溫度值，直至冶煉爐爐心達到冶煉允許的上限溫度；
一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線試驗方法，其特征在于包括如下步驟
(1) 以碳化硅冶煉爐爐心溫度為準，同步采樣距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H 處和碳化硅冶煉爐爐心兩點處的溫度并對應存儲，直到直至冶煉爐爐心溫度達到冶煉允 許的上限溫度；
(2) 以距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處溫度為橫坐標，以碳化硅冶煉爐爐 心溫度為縱坐標，并將步驟(1)存儲的距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處和碳化
硅冶煉爐爐心兩點處的溫度離散點繪制成連續(xù)的比對曲線；
(3) 將步驟(1)至(2)重復i-l次得到i條比對曲線，將所述n條比對曲線經(jīng)過
均值化擬合成一條標準的試驗溫度比對曲線，其中i為自然數(shù)。
本發(fā)明方法可從B點區(qū)域間接測量到碳化硅冶煉爐中心區(qū)域溫度，從而為碳化硅冶 煉過程的科學控制提供了有效的保障，且此種方法大大延長了傳感器及保護套管的使用 時間，制造和運行成本十分低廉，便于推廣，改變我國碳化硅冶煉企業(yè)幾十年來都是憑 事后對冶煉出爐料分析獲得的人工經(jīng)驗人工摸索控制碳化硅冶煉過程的落后狀態(tài)；對碳 化硅冶煉節(jié)能、降耗、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有十分顯著的作用。
圖h本發(fā)明方法示意圖2:碳化硅冶煉爐B點與A點溫度比對示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明
如圖l所示，本發(fā)明提供一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測與試驗方法， 詳述如下。在碳化硅冶煉爐頂部安裝(采用特種耐高溫陶瓷套管)B型熱電偶，用于實時在線測 量距冶煉爐石墨電極中心軸線某一選定距離H (上限溫度小于1750°C，見圖1中B點) 區(qū)域的溫度(上限小于175(TC)值，鎢錸系列熱電偶(采用特種耐高溫陶瓷套管或者鉬 套管)設置于冶煉爐爐心周期性地測量冶煉爐爐心A點高溫區(qū)域，試驗從碳化硅冶煉爐 通電冶煉開始，直至冶煉爐爐心達到冶煉允許的上限溫度238(TC;多次重復試驗，據(jù)此 得到碳化硅冶煉爐B點區(qū)域和爐心區(qū)域對應溫度關系曲線和兩者溫度比對表。
上述碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線對比試驗方法，詳述如下。 (1)由于剛開始的階段是爐料升溫階段，碳化硅冶煉爐溫度是從環(huán)境溫度開始逐步升 高的，故在距冶煉爐石墨電極中心軸線某一選定距離H (見圖1中B點)處和爐心A點同 時采用B型熱電偶連續(xù)直接在線測溫，以A點溫度為準，同步采樣A、 B兩點處的溫度 并一一對應存儲，直到A點爐心處溫度大于或者等于175(TC,將A點處的B型熱電偶及 測溫裝置撤除。
(2) (隨著冶煉過程的進行)當A處溫度大于或者等于175(TC時，鎢錸系列熱電偶 (采用特種耐高溫陶瓷套管或者鉬套管)設置于冶煉爐爐心周期性地測量冶煉爐爐心A
點高溫區(qū)域(B處熱電偶不動)，保持8分鐘(使鎢錸熱電偶與爐心高溫區(qū)完成充分熱交 換)，同步采樣讀入A、 B兩點處的溫度值后拔出A點處的鎢錸熱電偶。20分鐘后再將鎢 錸熱電偶插回爐心A點原來位置并保持8分鐘，……如此循環(huán)直至冶煉爐爐心溫度達到 230(TC以上，本次試驗結束。
(3) 如圖2所示，以B點溫度為橫坐標，以A點溫度為縱坐標，并將離散點繪制成 連續(xù)的B點溫度與A點溫度的比對曲線。照上述實驗方法重復進行試驗4-6次，得到4-6 條B點溫度與A點溫度的對應曲線。最后再對所有曲線作均值化處理，擬合成一條標準 的試驗溫度比對曲線，整個試驗結束。
試驗結束后，根據(jù)上述試驗得出的B點與A點溫度比對曲線圖，生成以B點溫度為自 變量，A點溫度為應變量，步距為5"C的B點與A點溫度關系表。
碳化硅冶煉生產(chǎn)時，在相同條件的冶煉過程中，只需要采用標準B型熱電偶實時在
線測量冶煉爐B點區(qū)域的溫度値Tb (i)，然后依據(jù)上述試驗得出的B點與A點溫度比對曲 線生成的B點與A點溫度關系表，通過線性插值就可間接推算出爐心A點處的溫度值TA
(i)。其推算方法為由監(jiān)控計算機采用順序搜索比較法自行搜索A點與B點溫度關系表， 獲得滿足TB (n)《TB (i)《TB (n+1)關系的兩組溫度數(shù)據(jù)TB (n)、 TA (n)， TB (n+1)、 TA (n+1)，然 后根據(jù)公式(1):
<formula>formula see original document page 7</formula>
通過線性插值，便可間接獲得碳化硅冶煉爐爐心區(qū)域實時溫度值TA (i)。其中i表 示該次生產(chǎn)中的測量次數(shù)，n表示A點與B點溫度表中的對應溫度值的序號。
權利要求
1、一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測方法，其特征在于采用一個B型熱電偶測量距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處的區(qū)域溫度值；當爐心區(qū)域溫度低于1750℃，采用另一個B型熱電偶以周期T測量爐心區(qū)域溫度值；當爐心區(qū)域溫度高于1750℃，采用鎢錸熱電偶以周期T從爐頂測量孔插入至冶煉爐爐心測量爐心區(qū)域溫度值，直至冶煉爐爐心達到冶煉允許的上限溫度。
2、 基于權利要求l所述的一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測方法，其特征在于距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處的區(qū)域溫度值小于1750°C。
3、 一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線試驗方法，其特征在于包括如下步驟(1) 以碳化硅冶煉爐爐心溫度為準，同步采樣距碳化硅冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處和冶煉爐爐心兩點處的溫度并對應存儲，直至冶煉爐爐心溫度達到冶煉允許的上限溫度；(2) 以距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處溫度為橫坐標，以碳化硅冶煉爐爐心溫度為縱坐標，并將步驟(1)存儲的距冶煉爐石墨電極中心軸線選定距離H處和碳化硅冶煉爐爐心兩點處的溫度離散點繪制成連續(xù)的比對曲線；(3) 將步驟(1)至(2)重復i-l次得到i條比對曲線，將所述n條比對曲線經(jīng)過均值化擬合成一條標準的試驗溫度比對曲線，其中i為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種碳化硅冶煉爐中心高溫區(qū)域溫度在線監(jiān)測與試驗方法，在反應爐頂部安裝B型熱電偶，用于實時在線測量距碳化硅冶煉爐石墨電極中心軸線某一選定距離H區(qū)域(B點)的溫度值；使用鎢錸系列熱電偶周期性地從爐頂測量孔插入直至冶煉爐電極中心軸線高溫區(qū)域溫度值，同步采樣測量、存儲A、B兩處對應溫度值，直至冶煉爐爐心溫度達到碳化硅冶煉冶煉允許的上限溫度。重復進行上述試驗多次，分別擬合出多條兩處對應溫度關系曲線后，采用算術平均法據(jù)此得到B點區(qū)域和爐心區(qū)域對應溫度關系曲線和兩者溫度比對表。本發(fā)明為碳化硅冶煉過程的狀態(tài)測量提供了有效的保障，且此種方法延長了傳感器及保護套管的使用時間，制造和運行成本十分低廉。
文檔編號G01K7/04GK101650232SQ20091003517
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權日2009年9月14日
發(fā)明者治 厲, 周杏鵬, 唐樂賓, 朱立起, 陳朝明 申請人:東南大學;江蘇樂園新材料集團