背景
领域
本公开涉及用于熔化批料的方法和设备，更具体而言，涉及用于熔化批料的方法和设备以及在这些设备中使用电极中的温度信息来测定电极长度。
背景技术：
熔融炉可用于熔化多种批料，例如玻璃和金属批料。可将批料置于具有两个或更多个电极的容器中，通过在电极间施加电压来驱使电流通过批料，从而加热和熔化该批料。熔融炉的使用周期可取决于电极损耗。例如，在熔融处理过程中，电极会由于与熔融批料的接触而逐渐损耗。在某些时刻，电极可变得过短，并且可能危害炉子的安全运行。例如，如果在运行过程中电极的损耗超过预定点，则批料可与会污染该批料的炉组件接触。例如在玻璃熔体的情况下，这种接触可能将不希望的污染物和/或颜色引入玻璃熔体或最终玻璃产品中。而且，电极和/或炉中的任何孔洞还可能提供让批料泄漏的路径，这会危害炉子的运行安全。
对熔炉寿命终止时间点的精确预测能够在保持运行安全的同时(通过避免炉子发生过早关停)显著节省成本。然而，在熔化作业过程中，可能无法直接观测或测量容器中的电极长度。此外，在运行过程中，多个变量可影响电极损耗速率，例如批料组成和/或运行温度，这会使对于电极损耗的预测变得复杂或者使得准确预测几乎是不可能的。
因此，如果能够提供用于准确估计熔融炉中电极长度的方法，那将会是有利的，该方法能够延长熔融炉的运行时间，并且降低运行成本。而且，如果能够提供可使用指示电极长度的电极中的温度信息来熔化批料的设备，那将会是有利的。
概述
根据一种实施方式，提供了一种为用于熔化批料的设备指示电极长度的方法。所述方法包括使用第一温度传感器提供第一信号，所述第一信号指示沿着电极定位的第一温度测量点处的温度。使用第二温度传感器提供第二信号，所述第二信号指示沿着电极定位的第二温度测量点处的温度。基于第一信号和第二信号测定到达电极热面的电极长度。
在另一种实施方式中，一种用于熔化批料的设备，所述设备包含容器和电极，所述电极位于容器中，且具有沿着电极热面与电极冷面之间的轴测得的电极长度。一种热长度测量组装件包含第一温度传感器，所述第一温度传感器排列和配置成提供指示沿着电极定位的第一温度测量点处的温度的第一信号。第二温度传感器排列和配置成提供指示沿着电极定位的第二温度测量点处的温度的第二信号。第一信号和第二信号用于测定电极长度。
在另一种实施方式中，一种用于熔化批料的设备的热长度测量组装件包含温度传感器，所述温度传感器排列和配置成提供指示沿着电极定位的温度测量点处的温度的信号。测量模块包含接收指示温度测量点处温度的信号的处理器。测量模块包含可由处理器执行的逻辑，所述逻辑基于指示温度的信号来测定到达电极热面的电极长度。
在以下的详细描述中给出了本文所描述的附加特征和优点，通过所作的描述，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所描述的实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各种实施方式，且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图的简要说明
参考附图阅读本发明的以下详细描述，可以更好地理解本发明的这些方面、特征和优点以及其他的方面、特征和优点，其中：
图1是图示一种熔融炉(本文中也称为“熔化器”)的一种实施方式的垂直剖面的示意图；
图2是图示用于图1熔融炉中的电极组装件和热长度测量组装件的示意图；
图3是图示另一种电极组装件和热长度测量组装件逻辑的示意图；
图4是图示多个电极块的组装体的示意图；以及
图5是测定电极长度中所使用的热导率随温度而变化的示例图。
详细描述
本文提供了用于熔化批料的设备。这些设备包含容器和至少一个电极组装件，所述电极组装件设置在容器中且包含电极。温度传感器组装件包含在电极中提供的温度传感器，以提供已知温度处电极中的温度指示。可利用测量模块由温度指示信号、电极材料的热导率随电极材料而变化的信息以及对电极热面处温度的估计来确定电极热面的位置。
如本文所用，术语“热面”是指熔融炉中最靠近批料或与批料接触的端面。术语“冷面”是指熔融炉中距离熔融材料最远的端面，其由于远离批料而通常具有比热面更低的温度。由于热面与冷面之间的温差，在电极上发生从热面向冷面的传热。
下面参考图1对本公开的实施方式进行讨论，图1图示了一种用于熔化批料105的示例性炉子100。熔融炉100可包含容器110，在一些实施方式中，容器110可包含入口115和出口120。可经由入口115将批料105引入容器110中。随后，可利用任意合适的方法或它们的结合对批料进行加热并使其熔化，例如常规的熔化技术，例如通过与容器110的侧壁125和/或底部130接触来进行，可利用容器中的燃烧器(未图示)和/或通过与电极140接触来进行加热。熔化了的批料135可经由出口120流出容器110以进行进一步处理。
本文所使用的术语“批料”及其变体表示前体组分的混合物，其经过熔化、反应和/或结合来形成最终所需的材料组合物。批料可包含例如玻璃前体材料或金属合金前体材料。可利用任何已知的用于结合前体材料的方法来制备和/或混合批料。例如，在某些非限制性的实施方式中，批料可包含前体颗粒的干燥或基本上干燥的混合物，例如不含任何溶剂或液体。在另一些实施方式中，批料可以是浆料的形式，例如是存在液体或溶剂的前体颗粒的混合物。
根据各种实施方式，批料可包含玻璃前体材料，例如二氧化硅、氧化铝、各种附加的氧化物，例如氧化硼、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化锶、氧化锡或氧化钛。例如，玻璃批料可以是二氧化硅和/或氧化铝以及一种或多种附加的氧化物的混合物。在各种实施方式中，玻璃批料包含约45～约95重量％(总计)的氧化铝和/或二氧化硅、以及约5～约55重量％(总计)的氧化硼、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化锶、氧化锡和/或氧化钛中的至少一种氧化物。
可按照任意合适的方法(例如常规玻璃和/或金属熔化技术)来熔化批料。例如，可将批料加入熔融容器中并加热至约1100℃至约1700℃范围内的温度，例如约1200℃至约1650℃、约1250℃至约1600℃、约1300℃至约1550℃、约1350℃至约1500℃、或约1400℃至约1450℃，包括它们之间的所有范围和子范围。在某些实施方式中，批料可在熔融容器中停留数分钟至数小时乃至数天更久，这取决于各种变量，例如运行温度和批料体积以及批料成分的粒径。例如，停留时间可在以下范围内：约30分钟至约3天、约1小时至约2天、约2小时至约1天、约3小时至约12小时、约4小时至约10小时、或约6小时至约8小时，包括它们之间的所有范围和子范围。
在玻璃加工的情况中，熔融玻璃批料可随后经历各种附加的处理步骤，包括例如澄清以除去气泡、以及搅拌以使玻璃熔体均匀化。接着，可使用任意已知方法(例如熔合拉制、狭缝拉制和浮法技术)来对熔融玻璃进行处理，以例如生产玻璃带。随后，在非限制性的实施方式中，可将玻璃带形成为玻璃板，并且进行切割、抛光和/或其它处理。
容器110可由任意隔热或耐热的适用于所需熔化处理的材料来形成，例如耐火材料，例如锆石、氧化锆、氧化铝、氧化镁、碳化硅、氮化硅和氮氧化硅、诸如铂和铂合金这样的贵金属以及它们的组合。根据各种实施方式，容器110可包含带诸如耐火材料或贵金属这样的耐热材料的内衬的外壁或层。容器110可针对所需应用具有任意合适的形状或尺寸，并且在某些实施方式中具有例如圆形、卵形、正方形或多边形截面。容器的尺寸(包括例如长度、高度、宽度和深度)可根据所需应用而改变。可为了具体制造工艺和系统来适当选择尺寸。
虽然图1图示了附接在侧壁125中的电极140，应当理解的是，电极可以任意取向配置在容器110中，且可附接至容器110的任意壁，例如容器的顶部或底部。而且，虽然图1图示了三个电极140，应当理解的是，可根据具体应用的要求或需要使用任意数量的电极。此外，虽然图1图示了可适用于连续处理的包含入口115和出口120的容器110，应当理解的是，可使用其它容器，其可包含或可不包含入口和/或出口，且可用于间歇或半间歇处理。
电极140可具有适合在熔融炉中运行的任意尺寸和/或形状。例如，在一些实施方式中，可将电极140成形为电极棒或电极块，其具有与炉壁大致齐平的端表面和位于炉壁外侧的相反端表面，在相反的端表面之间在电极140上产生温差。电极140可具有任意合适的截面形状，例如正方形、圆形或任意其它规则或不规则形状。而且，电极140的初始长度可根据应用和/或熔融容器的尺寸而改变。在一些非限制性的实施方式中，电极140的初始长度可在约5cm至约200cm的范围内，例如约20cm至约175cm、约30cm至约150cm、约40cm至约125cm、约50cm至约100cm、或约60cm至约75cm，包括它们之间的所有范围和子范围。此外，电极的宽度和/或高度可大于初始长度，例如约25cm或更大，例如约40cm或更大，例如约50cm或更大。
电极140可包含适合所需熔融应用的任意材料。例如，可对电极材料进行选择，以使电极140在运行过程中的正常损耗或侵蚀几乎不对批料组合物和/或最终产品产生影响，或不产生有害影响。在各种非限制性的实施方式中，例如玻璃熔融操作中，电极可包含一种或更多种氧化物或可存在于最终玻璃组合物中的其它材料。例如，电极可包含已经存在于批料中的氧化物(例如，标称地增加最终产品中氧化物的量)或不存在于批料中的氧化物(例如，向最终组合物中引入少量或痕量的氧化物)。以非限制性例子为例，电极可包含例如氧化锡锡(stannictinoxide)、氧化钼、氧化锆、钨、钼锆氧化物(tungsten,molybdenumzirconiumoxide)、铂以及其它贵金属、石墨、碳化硅以及其它合适的材料及其合金。
根据本公开的各种实施方式，容器110可包含一个或更多个电极组装件，所述电极组装件包含电极140和偶联至电极的温度传感器组装件。如本文所用，术语“温度传感器”“温度探针”及其变体旨在表示能够生成指示温度的可测量信号或输入的任意组件。例如，在非限制性的实施方式中，温度传感器组装件可包含能够在被称为热电效应的过程中当一个温度测量点的温度不同于另一个温度测量点的温度时产生电压的温度传感器。
如本文所用，术语“偶联至”及其变体旨在表示与电极物理接触的温度传感器组装件。温度传感器组装件可具有位于电极中的温度测量点，例如位于钻入或形成于电极中的孔洞或通道中。
参考图2，图2图示了电极组装件200的一种实施方式，其用于按照如上所述的方式加热容器，该电极组装件包含具有热面214的电极212，所述热面与熔融批料m接触，且除了热面214以外的所有侧面都被隔热体215(例如炉壁和/或其它隔热材料)隔热。热长度测量组装件202配置成提供电极212距离预定位置的电极长度le的指示。热长度测量组装件202可包含温度传感器组装件204。可使用任意合适的温度组装件，例如陶瓷包封的热电偶或其它被包封的热电偶，这些热电偶配置成能够承受至少1500℃的温度，例如至少2000℃或更高，还例如至少3000℃或更高。在一些实施方式中，温度传感器组装件204包含分别限定温度测量点a和b的温度传感器208和210，其位于电极组装件200的电极212中。温度测量点a和b沿着电极212的长度le隔开已知的距离。
可将温度传感器208和210设置在电极212中，例如穿过电极212(和隔热体215)的侧面提供，或者在电极212中提供。温度测量点a和b对应于沿着电极212的x轴的位置x1和x2。x轴总体上在热面214和冷面217之间延伸，并且基本上垂直于热面214和冷面217，可沿着x轴测量电极长度le。电极212的热面214对应于位置xg，其位置可由热长度测量组装件202提供。可提供包含限定温度测量点g的温度传感器218的另一个温度传感器组装件216或相同的温度传感器组装件204，以提供熔融浴材料m的温度的指示，其代表热面214处的温度。
温度传感器组装件204、206(和216)各自包含用于将指示位置x1、x2处温度的信号导向测量模块222的通信线路220。可以有线和/或无线的方式在温度传感器组装件204、206和216之间提供通信。此外，可以有线或无限的方式从测量模块222向测量模块222外部的一个或更多个装置提供通信，例如智能电话或计算机，例如通过因特网(广域网)和/或wifi(局域网)、
测量模块222可包含存储器组件224和处理器组件226。存储器组件224可存储预定数据，例如接触位置(例如x1、x2和xg)和/或它们之间的距离，预先决定的温度读数、过去测定的热面测量结果、维护程序等。存储器组件224还可包含可被处理器组件226执行以进行电极长度le测定的逻辑，其细节将在下文描述。
电极长度的测定
假设温度仅取决于一个坐标x，则热通量由以下方程式给出。
在静止情况下，一维系统的状态不随时间而改变。按照能量守恒定律，热通量j是常数，不随坐标x而改变。用dx乘以方程式(1)，并且对x进行积分，从而得到下式。
j·(x-x0)＝i(t(x0))-i(t(x))(2)
其中，i(t)是k(t)的积分函数。
假设两个点处的温度是已知的：t(x1)＝t1和t(x2)＝t2，则方程式(2)变为下式。
可由以下形式的方程式(4)找到具有已知温度tg的位置xg的定位。
方程式(5)对于任何相依性k(t)而言都是有效的。需要注意的是，积分热导率i(t)仅作为差异比包含在方程式(5)中。因此，向i(t)添加任意常数或者将其乘以任何任意常数因子都不会改变热面214的位置(xg)的距离预测。
热导率的测量
为了从实验得到函数i(t)，方程式(2)可重写成以下方程式。
i(t)＝a·x(t)+b(6)
其中，a和b是任意常数，其数值与电极长度预测无关。相加性常数b将会被减除，因为方程式(5)只含有i(t)的热导率反倒数之差。可取消乘性常数a，因为方程式(5)只含有i(t)的线性组合之比。假设a＝1·w/m2且b＝0得到以下方程式。
因此，可使用方程式(7)由电极内多个位置处温度的测量结果对函数i(t)进行内插，作为t(x)的反函数。无需知晓实际的热通量。应当对电极的侧面进行良好的隔热，以近似一维传热。
图3图示了使用温度组装件按照与上述所述相似的方式在离散位置xi处测得的温度的函数i(t)的近似，其中，i＝1、2、……、n。作为温度的函数的内插点x给出函数i(t)的近似，其可被测量模块222(图2)所使用，以进行电极长度le的测定。当如图2中所示的仅在电极212中使用两个温度测量点a和b时，可有益地沿着x轴在位置x1与x2之间提供增加的距离，以通过超出位置x2的外推法帮助提高端点测定的精确度。然而，位置x1与x2之间沿着x轴的距离受限于未知的且减小的位置xg。在一些实施方式中，可使用多于两个温度测量点和相应的温度传感器组装件。电极212的所有侧面的隔热体215可产生多于一维的温度分布。根据系统组件之间的可能的相互作用，可使用任意合适的隔热体215。隔热材料的例子包括非传导性材料，例如陶瓷和玻璃材料(例如玻璃、氧化铝、熔凝硅石等)。
测量模块222(图2)还可对接近预定最小电极长度的电极长度le进行监测。例如，当电极长度le到达一个或更多个预定最小电极长度时，测量模块222可发出警报、提供可视化指示和/或甚至停止作业。在一些实施方式中，当探测到预定最小电极长度时，音频、视频和/或运行警报的状态可以不同或发生在不同的阶段。示例性的最小电极长度可约为100mm或更小，例如约75mm或更小，例如约60mm或更小、例如约50mm或更小、例如约50mm或更小，包括它们之间的所有范围和子范围。
参考图4，虽然图2和图3图示了单一电极块，可提供形成组装体250的多个电极块240，每一个电极块具有如上所述的温度传感器组装件和接触位置。此外，可使用图2的测量模块222或多个测量模块来探测多个电极块的电极长度。
上文讨论了一维温度分布，其中，热量主要轴向地流过电极。然而，在电极相对较长的例子中，例如在开始使用电极时，热流可能不能由一维模型精确表示。通过使用计算机建模数学计算，可使用温度数值和热面温度的估算来测定电极长度le。
实施例
考虑热导率可由函数k(t)＝k0exp(-a*t)来近似的情况，其中，
上述热长度测量组装件以及与其相关联的方法可采用沿着电极长度探测到的温度数值、电极材料的热导率随温度的变化信息以及电极热面温度的估算作为电极长度的指示。有利的是，随着电极长度的减小，本文所述的热长度测量方法的精确度会提升。可对电极长度的在线测量进行监测而不需要倒出熔体材料且停止熔融作业。可将热长度测量组装件改装到目前可用熔化器中所使用的电极上。上述热长度测量组装件以及与其相关联的方法可探测电极长度而无需将可能污染例如所生产的玻璃或改变熔体性质的材料引入熔体中。上述热长度测量组装件以及与其相关联的方法可应用于各种电极和熔体类型。
本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，且这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。