专利名称：电解反应阴极材料质量变化在线监测装置及方法
技术领域：
本发明涉及冶金工程技术领域，尤其涉及一种电解反应阴极材料质量变化在线监测系统及其方法。
背景技术：
目前有很多金属及其合金通常是通过电解法制备，如铝、镁、铜等金属及其合金， 因为相对于热分解法和热还原法而言，电解法能够更加强烈的促进氧化还原反应的进行， 应用范围更广，而且其电解法制备金属的加工流程也更简单，工业废料更少、更加环保，因此在冶金产业中被广泛应用。稀有金属是国家的重要战略资源，稀有金属在工业上许多领域的应用都非常的广泛，而且我国稀有金属资源丰富，因此稀有金属及其合金冶炼工业是我国冶金工业中的重要分支。但目前我国大部分稀有金属及其合金的制备都采用热还原法，不仅加工流程复杂， 稀有金属的还原利用率也比较低，稀有金属资源浪费严重，而且大量的工业废料若处理不当极易污染环境。目前，也有一些通过电解法制备铌、钽、钛等稀有金属及其合金的电解冶金技术，相比于热还原法而言在一定程度上提高了稀有金属的还原利用率，减少了资源浪费；但由于稀有金属通常存在多价态，电解电压大小、反应温度等电解控制参数会直接影响稀有金属的电解反应过程，而现有技术中对电解电压大小、反应温度等电解控制参数还缺乏理论指导，使得现有的电解法制备稀有金属或其合金的电能消耗过高，其还原效率也有待于进一步提升。因此，研究人员正在极力研究能耗更低、效率更高的稀有金属或其合金的电解制备方法。在金属或合金的电解制备方法的研究过程中，了解金属在电解过程中的反应机理是非常重要的理论研究基�。欢牖裰鹗粼诘缃夤讨械姆从恚鹗艋蚱浜辖鹪诘缃夤讨形龀龅闹柿勘浠榭鲈蚴遣豢苫蛉钡闹匾芯坎问�。由于电解反应中，金属或合金经电解还原析出后附着在负极材料上，因此可以通过了解电解反应中阴极材料的质量变化情况获知金属或合金在电解过程中析出的质量变化情况。现有的方法通常是每经历单位时间的电解反应后取出阴极材料，经过去杂、清洗、干燥后，称量阴极材料的质量变化，记录每单位时间的电解反应后阴极材料的总质量数据，得到多个数据点后通过描点法得到电解反应中阴极材料的质量变化曲线，借以分析金属或合金在电解过程中析出的质量变化情况。但是由于每次称量前的去杂、清洗、干燥处理的技术细节比较繁杂，不仅操作繁琐，而且繁杂细节处理中的不确定因素很容易导致阴极材料的质量测量不准确，影响金属在电解过程中反应机理的研究结论；此外，由于电解反应中阴极材料的质量变化较为微弱，想要准确的测量出阴极材料的质量变化，就需要借助价格昂贵的高精度质量测量仪器，这无疑增加了研究成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种电解反应阴极材料质量变化在线监测系统及其方法，借以简化电解反应中阴极材料的质量变化数据的测量操作流程，并且提高其检测准确度，为金属在电解过程中的反应机理研究提供有利的技术保证。为实现上述目的，本发明采用了如下技术手段
一种电解反应阴极材料质量变化在线监测系统，包括杠杆、电子称和计算机；所述杠杆可绕其一端设置的支点转动，杠杆远离支点的一端固定设有相互导通的第一导线段和第二导线段，所述第一导线段和第二导线段分别用于连接电解电源负极和参与电解反应的阴极材料；所述电子称的称重台上放置有一支撑件，并通过支撑件与杠杆的两端之间接触对杠杆形成支撑；所述电子称的数据输出端通过数据线与计算机的数据输入端连接，能够将电子称测量的质量数据实时的传输给计算机；所述计算机能够根据电子称测量的质量数据换算出阴极材料的质量变化结果。作为进一步改进，上述的电解反应阴极材料质量变化在线监测系统中，所述支撑件的顶部具有一水平棱边，支撑件通过该水平棱边与杠杆的两端之间接触。一种电解阴极材料质量变化在线监测方法，采用上述的电解反应阴极材料质量变化在线监测系统进行检测，包括如下步骤
1)电解反应前，测量阴极材料的质量Hltl；
2)将第一导线段连接在电解电源负极并保持松弛；将第二导线段与阴极材料连接，使得阴极材料通过第二导线段悬挂在杠杆远离支点的一端，并将阴极材料浸没在电解液中； 计算机记录此时电子称测量的质量数据M0 ；
3)设置好电解反应的其它条件后开始电解反应，计算机根据随时间t变化的电子称随测量的质量数据M(t)换算出随时间t变化的阴极材料质量m(t)
m(t) = m0+La/L [Μ (t)-M0]；
其中，L表示杠杆远离支点的一端所受到的竖直向下的拉力到支点的力臂长度；La表示杠杆在与支撑件的接触点所受到的竖直向上的支撑力到所述支点的力臂长度。相比于现有技术，本发明具有如下有益效果
1、本发明的电解阴极材料质量变化在线监测系统结构简单，不必借助价格高昂的高精度仪器，有助于降低系统硬件成本。2、本发明的电解阴极材料质量变化在线监测系统中，电子称、计算机等重要检测设备都独立于电解反应装置设置，并可以放置于电解反应装置的远处，能够避免电解反应生成气体对检测设备的腐蚀而影响检测设备的检测精度和使用寿命。3、借助本发明的电解阴极材料质量变化在线监测方法，可以简单、准确的得到电解反应过程中阴极材料质量随时间的实时变化情况，能够为金属在电解过程中的反应机理研究提供有利的技术保证。
图1为实施例中电解设备结合电解反应阴极材料质量变化在线监测系统的结构图2为实施例所得到的阴极材料质量随时间的变化曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。实施例
本实施例通过熔盐电解制备钛铁合金为例，说明本发明的电解反应阴极材料质量变化在线监测系统及方法。熔盐电解制备钛铁合金的材料、电解设备结合本发明电解反应阴极材料质量变化在线监测系统的结构图如图1所示。本实施例采用钛精矿经压制、焙烧制的的柱体材料作为阴极材料5，熔盐电解液装在内衬有石墨的不锈钢坩埚6内，以石墨为阳极材料；阴极材料5和阳极材料放置于反应炉内7，由电解电源8供电，反应炉7内由氩气储气罐9充入氩气使得电解反应在氩气保护环境中进行，通过电热丝10加热达到电解反应需要的温度，电热丝10由加热控制装置11供电并控制加热温度。为了使得电解设备的内部可见，图1中反应炉7和不锈钢坩埚6均以部分剖开的形式加以展示。电解反应阴极材料质量变化在线监测系统主要由杠杆1、电子称2和计算机3构成；杠杆1可绕其一端设置的支点Ia转动， 杠杆1远离支点的一端固定设有相互导通的第一导线段和第二导线段，第一导线段和第二导线段可以是捆绑在杠杆远离支点一端的一条导线上的两段，也可以是两段不同的导线， 第一导线段和第二导线段分别用于连接电解电源8的负极和参与电解反应的阴极材料5 ； 电子称2的称重台上放置有一支撑件4，并通过支撑件4与杠杆1的两端之间接触从而对杠杆1形成支撑，支撑件4最好采用其顶部具有一水平棱边的结构，让支撑件通过该水平棱边与杠杆的两端之间接触，减小二者之间的接触面积，有利于更加准确的测取杠杆与支撑件的接触点进而准确的求取杠杆所受支撑力的力臂长度，例如本实施例中采用三棱柱形的支撑件；电子称2的数据输出端通过数据线与计算机3的数据输入端连接，能够将电子称测量的质量数据实时的传输给计算机3 ；计算机3能够根据电子称2测量的质量数据换算出阴极材料5的质量变化结果，该功能通过计算机软件实现。本发明电解反应阴极材料质量变化在线监测系统通过杠杆将阴极材料质量放大， 通过电子称测量放大后的质量数据并实时的传输给计算机，由计算机根据该质量数据换算出阴极材料的质量变化结果。由系统的结构可见，本发明电解反应阴极材料质量变化在线监测系统结构简单，容易操作和使用，系统中并未采用价格昂贵的高精密仪器，而是利用杠杆原理将阴极材料的质量变化情况放大后由电子称加以测量，通过调节杠杆与支撑件的接触点所在位置可任意调整杠杆放大倍数，达到提高检测精度的目的；并且在系统中，电子称、计算机等重要检测设备都独立于电解反应装置设置，并可以放置于电解反应装置的远处，能够避免电解反应生成气体对检测设备的腐蚀而影响检测设备的检测精度和使用寿命。采用电解反应阴极材料质量变化在线监测系统进行电解反应阴极材料质量变化在线监测的方法如下
1)电解反应前，测量阴极材料的质量Hltl；
2)将第一导线段连接在电解电源负极并保持松弛；将第二导线段与阴极材料连接，使得阴极材料通过第二导线段悬挂在杠杆远离支点的一端，并将阴极材料浸没在电解液中； 计算机记录此时电子称测量的质量数据M0 ；
3)设置好电解电压大小、电解温度等电解反应的其它条件后，开始电解反应，计算机根据随时间t变化的电子称随测量的质量数据M(t)换算出随时间t变化的阴极材料质量 m(t)
m(t) = mo+La/L [Μ (t)-M0]；
其中，L表示杠杆远离支点的一端所受到的竖直向下的拉力到支点的力臂长度；La表示杠杆在与支撑件的接触点所受到的竖直向上的支撑力到所述支点的力臂长度。下面通过分析说明本发明方法测量的准确性。电子称是根据其称重台所受到的法向压力测量质量数据的，称重台所受到的法向压力F与测量质量数据M的关系为M=F/g，g 表示重力加速度。在本发明方法步骤2)和步骤3)的测量过程中，电子称的称重台所受到的法向压力是受到多方面因素影响的，包括支撑件的重力G^f、杠杆的重力对称重台的压力F杆、第二导线段的重力G112、阴极材料的重力Gsw以及阴极材料所受到的电解液的浮力F ff。其中，支撑件的重力G^f和杠杆的重力对称重台的压力Fff是直接作用在电子称的称重台上，而第二导线段的重力Ga2、阴极材料的重力Gsw和阴极材料所受到的电解液的浮力F
这三者的合力施加在杠杆远离支点的一端，根据杠杆原理，这三者对称重台的法向压力为 L/La^M+G阴极-Fff)。在步骤2)和步骤3)中，支撑件的重力G支撑和第二导线段的重力G线 2始终保持不变；杠杆的重力对称重台的压力Fff与杠杆的重力以及杠杆与支撑件的接触点所在位置相关，若两个条件都未发生改变，不会发生变化；阴极材料的体积在电解反应过程中的变化比较�。虼说缃庖憾砸跫牧系母×Ρ浠梢院雎圆患疲山迫衔跫牧纤艿降牡缃庖旱母×ff也保持不变；只有阴极材料的重力(^ 会变化，在步骤2) 中G阴极=m0g ；在步骤3)中G阴极=m(t)g。终上所述，在步骤2)中电子称测量的质量数据M0为 M0= [G 支撑+Fff+ L/La(G 线 2+ m0g-F浮)]/g
=[G 支撑 +F 杆 + L/La (G 线 2~F 浮)]/g+m0L/La ；
在步骤3)中电子称测量的质量数据M(t)为 M(t) = [G 支撑+F 杆 + L/La (Ga 2+ m(t)g-Fff)]/g
=[G支撑+F杆 + L/La(Gll2-Fff)Vg+ m(t)L/La ； 由以上两式可见M(t)_ M0= m(t)L/La-m0L/La ；
因此，步骤3)中计算随时间t变化的阴极材料质量m(t)的公式可以演化为 m(t) = m0+La/L [Μ (t)-M0]
=m0+La/L [m (t) L/La_m0L/La] =m0+ m (t) - m0 =m(t)；
由此可见，在忽略电解液对阴极材料浮力变化的情况下，计算机的换算能够真实反映出的随时间t变化的阴极材料质量m(t)；而电解过程中电解液对阴极材料的浮力变化本来就非常�。愿酶×Ρ浠暮雎圆⒉换嵊跋煲跫牧现实募扑憔龋幢砻鞅痉⒚鞣椒芄蛔既返牡玫降缃夥从讨幸跫牧现柿克媸奔涞氖凳北浠榭�。本实施例最终得到的阴极材料质量随时间的变化曲线图如图2所示。从图2中看到，钛精矿制成的阴极材料质量先减小、后增大，其原因在于在熔盐电解过程中，阴极钛精矿首先得到外界提供的电子而发生还原反应，钛精矿中电解电位较低的铁的氧化物先还原失氧得到单质铁，这个失氧阶段时间较短；而随着反应的进行，熔盐不断进入阴极孔隙中，并随着阴极脱氧的进行，熔盐中的Ca2+离子参与到阴极反应形成结构致密难电解的钙钛矿，导致阴极增加重量大于脱氧减轻的重量，因此曲线表现为上升趋势。经验证，图2所示阴极材料质量随时间的变化曲线图与实际情况相符。利用该曲线图，结合物相检测结果及失重曲线变化趋势，经进一步研究得到钛精矿电解制备钛铁合金过程的脱氧机理虽然电解电压低于熔盐的分解电压，但熔盐会参与阴极脱氧反应；阴极脱氧过程较短，而与钛结合的氧由于熔盐参与反应而导致其脱除难度增加；钛氧化物形成的中间产物钙钛矿的脱氧过程是限制钛精矿脱氧的主要原因。 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种电解反应阴极材料质量变化在线监测系统，其特征在于，包括杠杆、电子称和计算机；所述杠杆可绕其一端设置的支点转动，杠杆远离支点的一端固定设有相互导通的第一导线段和第二导线段，所述第一导线段和第二导线段分别用于连接电解电源负极和参与电解反应的阴极材料；所述电子称的称重台上放置有一支撑件，并通过支撑件与杠杆的两端之间接触对杠杆形成支撑；所述电子称的数据输出端通过数据线与计算机的数据输入端连接，能够将电子称测量的质量数据实时的传输给计算机；所述计算机能够根据电子称测量的质量数据换算出阴极材料的质量变化结果。
2.根据权利要求1所述的电解反应阴极材料质量变化在线监测系统，其特征在于，所述支撑件的顶部具有一水平棱边，支撑件通过该水平棱边与杠杆的两端之间接触。
3.一种电解阴极材料质量变化在线监测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的电解反应阴极材料质量变化在线监测系统进行检测，包括如下步骤1)电解反应前，测量阴极材料的质量Hltl；2)将第一导线段连接在电解电源负极并保持松弛；将第二导线段与阴极材料连接，使得阴极材料通过第二导线段悬挂在杠杆远离支点的一端，并将阴极材料浸没在电解液中； 计算机记录此时电子称测量的质量数据M0 ；3)设置好电解反应的其它条件后开始电解反应，计算机根据随时间t变化的电子称随测量的质量数据M(t)换算出随时间t变化的阴极材料质量m(t)m(t) = m0+La/L [Μ (t)-M0]；其中，L表示杠杆远离支点的一端所受到的竖直向下的拉力到支点的力臂长度；La表示杠杆在与支撑件的接触点所受到的竖直向上的支撑力到所述支点的力臂长度。
全文摘要
本发明提供了一种电解反应阴极材料质量变化在线监测系统及方法，该系统通过杠杆将阴极材料质量放大，通过电子称测量放大后的质量数据并实时的传输给计算机，由计算机根据该质量数据换算出阴极材料的质量变化结果，其系统结构简单，不必借助价格高昂的高精度仪器，有助于降低系统硬件成本，并且重要检测设备都独立于电解反应装置设置，并可以放置于电解反应装置的远处，能够避免电解反应生成气体对检测设备的腐蚀而影响检测设备的检测精度和使用寿命；同时，该在线监测方法可以简单、准确的得到电解反应过程中阴极材料质量随时间的实时变化情况，能够为金属在电解过程中的反应机理研究提供有利的技术保证。
文档编号G01G19/00GK102359811SQ201110181838
公开日2012年2月22日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者刘许旸, 吕学伟, 扈玫珑, 施瑞盟, 白晨光, 邓青宇 申请人:重庆大学
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