اندازه‌گیری دقیق دمای مذاب مس یکی از مهم‌ترین پارامترهای کنترل کیفیت در فرایندهای ذوب، ریخته‌گری و عملیات حرارتی است. مس در دمای حدود ۱۰۸۵°C (ماکزیمم ۱۰۸۴.۸۷°C در شرایط استاندارد) ذوب می‌شود، اما در کاربردهای صنعتی معمولاً مذاب به محدوده ۱۱۵۰–۱۲۵۰°C برای بهبود سیالیت و کنترل ناخالصی‌ها حرارت داده می‌شود.
با توجه به دمای بالا، واکنش‌پذیری مذاب و محیط‌های خورنده، انتخاب ابزار و روش صحیح برای اندازه‌گیری دما اهمیت حیاتی دارد.
چالش‌های اندازه‌گیری دمای مذاب مس
- اکسیداسیون شدید: مس مذاب به سرعت اکسید می‌شود و پوسته اکسیدی ایجاد می‌کند که مانع انتقال گرما به حسگر می‌شود.
- خورندگی و سایش حرارتی: اغلب حسگرها در تماس مستقیم با مذاب آسیب می‌بینند.
- ناپایداری الکتریکی: به دلیل یونیزاسیون، سطوح رسانا و امواج الکترومغناطیس در کوره‌ها، سیگنال‌های اندازه‌گیری ممکن است نویز بگیرند.
- اختلاف دمای سطح و مغز مذاب: اندازه‌گیری سطحی همیشه دقیق نیست و باید روشی استفاده شود که دمای حجم واقعی مذاب را نشان دهد.
روش‌های اندازه‌گیری دمای ذوب و مذاب مس
استفاده از ترموکوپل
رایج‌ترین روش برای پایش لحظه‌ای و کنترل فرایند، ترموکوپل‌های غلاف‌دار مقاوم به دما و خوردگی هستند. ترموکوپل‌ها به دلیل هزینه مناسب، پاسخ سریع و سازگاری با اتوماسیون صنعتی در ریخته‌گری مس کاربرد دارند.
مزایا:
- امکان اندازه‌گیری پیوسته
- نصب آسان در کوره‌ها و پاتیل‌ها
- خروجی الکتریکی سازگار با PLC، سیستم‌های صنعتی و PID کنترلر
معایب:
- عمر محدود در تماس مستقیم با مذاب
- نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای
- حساسیت به شکست مکانیکی و شوک حرارتی
- پیرومتر نوری (Pyrometer)
پیرومترهای مادون‌قرمز یا نوری بدون تماس، با اندازه‌گیری تابش حرارتی سطح مذاب دما را مشخص می‌کنند.
مزایا:
- عدم تماس با مذاب → عدم خورندگی
- سرعت پاسخ بسیار بالا
- مناسب محیط‌های با لرزش و خطر مکانیکی
محدودیت‌ها:
- حساسیت به گردوغبار، بخار و پوسته اکسیدی
- نیاز به تنظیم ضریب گسیلندگی Emissivity برای مس (معمولاً ۰.۱۸–۰.۳۰)
- مناسب برای اندازه‌گیری سطحی، نه حجم مذاب
در صنعت، ترکیب ترموکوپل و پیرومتر برای صحت‌سنجی متقابل توصیه می‌شود.
ترموکوپل مناسب برای اندازه‌گیری دمای ذوب مس
انتخاب نوع ترموکوپل
برای دماهای بالای ۱۰۰۰°C، همه ترموکوپل‌ها مناسب نیستند. در محیط مذاب مس، ترموکوپل‌های Type S، R و B بهترین گزینه هستند.
- ترموکوپل نوع S (Pt–۱۰%Rh / Pt)
- محدوده عملکرد: تا ۱۶۰۰°C
- پایداری حرارتی عالی
- دقت بالا و قابلیت کار در محیط‌های اکسیدکننده
کاربرد: ریخته‌گری قالب‌های دائمی، کوره‌های القایی و عملیات تحت کنترل دقیق دما.
- ترموکوپل نوع R (Pt–۱۳%Rh / Pt)
- مشابه Type S ولی مقاوم‌تر در دماهای بالا
- مناسب اندازه‌گیری مداوم و بلندمدت
- دقت پایدار در تماس با مذاب
کاربرد: ذوب‌های طولانی، کوره‌های تونلی و پاتیل‌های بزرگ.
- ترموکوپل نوع B (Pt–۳۰%Rh / Pt–۶%Rh)
- محدوده عملکرد تا ۱۸۰۰°C
- ایمن برای کاربردهای بسیار دما بالا
- مناسب محیط‌های فوق خورنده و اتمسفرهای گازی سنگین
نکته: سیگنال خروجی در دماهای پایین ضعیف است؛ برای بازه زیر ۶۰۰°C توصیه نمی‌شود.
انتخاب غلاف ترموکوپل
غلاف مناسب یکی از عوامل حیاتی طول عمر سنسور است:
برای مذاب مس، غلاف آلومینایی یا سیلیکون‌نیترید بیشترین دوام را دارند.
نصب ترموکوپل در محیط مذاب مس
نکات مهندسی:
- زاویه ورود: ترجیحاً عمودی، برای کاهش تماس با پوسته اکسیدی
- عمق نفوذ: حداقل ۳–۵ سانتی‌متر زیر سطح مذاب
- محافظت مکانیکی: استفاده از سپر حرارتی و نگهدارنده سرامیکی
- کالیبراسیون: دوره‌ای با نقطه ذوب مرجع (قالب فلزی استاندارد)
اگر سیگنال دما نوسان دارد، احتمال وجود نویز القایی از سیستم‌های القاگر کوره زیاد است و باید از کابل‌های شیلددار و اتصال ارت مناسب استفاده شود.
پیرومتر در اندازه‌گیری دمای ذوب مس
برای پایش سریع، پیرومترهای لیزری تک‌طول‌موج یا دو طول‌موج مناسب هستند.
تنظیم Emissivity
مس صیقلی ضریب بسیار پایینی دارد، بنابراین:
- قبل از اندازه‌گیری، سطح مذاب را هم بزنید تا پوسته اکسیدی کنار زده شود.
- به صورت تجربی ضریب ۰.۲۲–۰.۲۵ برای مذاب در دمای ۱۱۰۰–۱۲۰۰°C مناسب است.
مکان نصب پیرومتر
- زاویه ۳۰ تا ۴۵ درجه نسبت به سطح مذاب
- حداقل فاصله از شعله کوره
- مسیر باز از بخار و دود
روش‌های کنترل خطای اندازه‌گیری
- روش دو حسگر
- ترموکوپل برای اندازه‌گیری عمقی
- پیرومتر برای اندازه‌گیری سطحی
- اختلاف دما در محدوده ۲۰–۷۰°C طبیعی است
- استانداردسازی فرایند
- ثبت روزانه دما
- مقایسه با منحنی ویسکوزیته مذاب
- کنترل اکسیژن با گاز محافظ (N₂ یا Ar)
- طراحی سیکل حرارتی
- Heat Soak: زمان نگهداری مذاب در دمای ثابت برای هم‌دما شدن کل حجم
نکات حرفه‌ای برای صنایع
■ ریخته‌گری دقیق
- ترموکوپل Type S با غلاف آلومینایی
- محل نصب در مرکز پاتیل
- دقت ±۳°C
■ کوره‌های القایی
- پیرومتر دو طول موج برای سطح
- ترموکوپل غلاف‌دار در نقطه خوراک
■ فرایندهای پیوسته
- سنسورهای ضد شوک حرارتی
- استفاده از محافظ گرافیتی یکبارمصرف
جمع‌بندی
اندازه‌گیری دمای مذاب مس یک موضوع صرفاً تئوریک نیست؛ یک چالش عملیاتی واقعی است که مستقیماً بر کیفیت محصول، سیالیت، عیوب ریخته‌گری و هزینه‌های صنعتی اثر می‌گذارد.
انتخاب ترموکوپل مناسب (S، R یا B) + غلاف مقاوم (Al₂O₃ یا Si₃N₄) + روش نصب صحیح در کنار پیرومتر مناسب شما را به بالاترین دقت و کمترین خطا می‌رساند.
