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作者简介:陈广乐(1976~),男,高级工程师
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智能石灰活性度检测仪的研制
陈广乐摘要:本文在总结石灰活性度检测方法和活性度影响因素的基础上,提出了活性度检测中存在的问题,分析了自主研发的自动化石灰活性度检测仪的化学反应原理、功能设计原理和结构原理,结合现行标准的关键问题点给出了相应的解决办法和措施,展望了自动化石灰活性度检测仪的应用及作用。
关键词:石灰活性度检测仪自动化
一、前言
石灰活性度是表征石灰质量的一个重要指标,是冶金行业提高钢材质量、降低生产成本的关键指标。活性度检测国内普遍采用盐酸滴定的方法,现行标准为《YB/T105-2005冶金石灰物理检验方法》活性度是指石灰在熔渣中与其它物质的反应能力,表观现象为石灰在熔渣中的熔化速度。由于直接在钢水中测定较困难,所以一般以测试石灰在水中的反应速度来代替,以石灰的水活性来表示,即在10分钟内,石灰与水发生消化反应生成氢氧化钙的同时,用发生中和反应所需的4mol/L盐酸的体积来衡量。
影响石灰活性度的结构因素有体积密度、气孔率、比表面积、氧化钙矿物的晶粒尺寸、缺陷情况;测量因素包括石灰颗粒大小、试样保存时间、水的初始温度等。这是我们进行石灰活性度检测必须熟悉的基本理论。
二、石灰活性度检测中存在的问题
《YB/T105-2005》是采用手动的方式,通过酚酞指示剂的显色原理来判断中和反应的进行程度,存在较多的人为误差:
作者简介:陈广乐(1976~),男,高级工程师
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1、中和反应后期,悬浮溶液的浑浊度加大,对溶液的颜色判断上有较大误差,即重复性较低;2、不同的实验者对颜色的判断也存在较大不同;3、由于细心程度的不同,手动计时和手动开启、关闭盐酸滴定可能存在人为的错误;4、现行标准中设置的误差范围很大,4%,以活性度为300ml的石灰为例,则相当于12ml的误差都在允许的范围之内。所以,避免人为错误,降低误差是当前石灰活性度检测中面临的一项重要问题。我们将数字化技术应用到石灰活性度检测中,通过采集到的数字信息来控制滴定器的自动滴定,实现了检测试验的自动化操作。
三、自动化石灰活性度检测仪的设计原理
1、化学反应原理
根据石灰与水的反应及中和反应:
CaO+HOTCa(OH)
22
Ca(OH)+2HClTCaCl+2HO
222
当在水中加入石灰时,氧化钙迅速与水发生消化反应,生成呈碱性的氢氧化钙水溶液,导致溶液的ph值逐渐增大,同时向氢氧化钙溶液中滴加盐酸,发生中和反应,消耗了溶液中的氢氧化钙,溶液的ph值减小。所以,可以通过溶液ph值的变化来判断反应的进行程度,当溶液的ph值与消化反应前的ph值ph0相同时,代表此时处于反应的当量点,消耗的盐酸体积即可代表石灰的活性度。
作者简介:陈广乐(1976~),男,高级工程师
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2、功能设计原理
《YB/T105-2005》规定的石灰活性度检测关键点为:1、初始水
温40°C;2、10min的反应限时;3、溶液酸碱度的均匀性;4、中和反应当量点的控制。
自动化石灰活性度检测仪采用温控仪来控制加热器,给初始水进行自动加热,,与水银温度计视觉观察的精度(1C)相比大大提高,从而实现了初始水温的自动控制。检测仪采用电脑时钟来实现数据的采集,完全可以将10分钟内的反应数据进行自动分析处理,从而实现了10min的反应限时问题。可以通过搅拌的作用,保证溶液酸碱度的均匀性问题。
当量点的控制是自动化石灰活性度检测仪的关键部分,采用ph电极来采集溶液中的ph值数据,其检测原理为:溶液的ph值取决于溶液中氢离子的溶度,测量电极(即ph电极)与被测溶液产生电池电动势,其理论意义为在进行电池反应中物质从一相向另一相迁移时所做的功,表达形式符合能斯特方程:
E=E0一xpH
F
其中,E为电极电位,E0为标准电极电位,对某一确定电极来讲为常量,R为摩尔气体常数,-1K-1,T为绝对温度,,F为法拉第常数96487K/mol,pH为溶液的酸碱度。
由能斯特方程得知,只需测量溶液中的电极电位,即可测量溶液的ph值,电极电位的变化也即反应了溶液的ph值的变化情况。25C
作者简介:陈广乐(1976~),男,高级工程师
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时ph电极传感器电压与ph值的一一对应关系如下表1所示。
表1
输入电压/mV
Ph值
输入电压/mV
Ph值
-
14
6
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-
13
5
-
12
4
-
11
3
-
10
2
-
9
1
-
8
0
0
7
根据检测到的ph值变化控制自动滴定器的运行,当溶液中ph值高于ph0时,启动滴定仪,向溶液中滴加盐酸,否则关闭。当ph值变化率较小时,滴定速率较小,变化率较大时,滴定速率较大,,自动滴定器的滴定精度可控制在1ml以内,从而实现了中和反应当量点的自动控制,实现了石灰活性度检测的数字化。
3、结构原理
自动化石灰活性度检测仪的设计结构原理框图如图1所示
作者简介:陈广乐(1976~),男,高级工程师
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四、检测仪作用优势分析
自动化石灰活性度检测仪可以将实验所用盐酸体积的精度控制在1ml以内,实际实验结果表明其重复性可控制在2ml以内,从而大大提高了活性石灰的检测精度,由12ml的误差范围提高到2ml。可以大大减少和避免人为因素造成的误差和错误。自动滴定器的应用避免了人体可能直接接触盐酸造成伤害的风险,减少了劳动强度。自动化石灰活性度检测仪可以将测量数据进行存储,随时进行查阅,在钢材质量控制的原因分析方面,提高了数据的可查阅性和可追溯性。
石灰活性度参数的严格控制,是提高钢材脱硫率、脱磷率,降低吨钢消耗,降低生产成本的有效手段,也是提高钢材整体品质,提高不同批次钢材产品质量一致性的有效手段之一。自动化活性度检测仪的成功研制必将促进冶金行业的生产效率,促进科技创新和技术进步,从而提高企业的经济效益和社会效益。