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哈培尔法 ── 一种新的铝液含氢量的检测方法

浏览次数:2231发布日期:2014-05-17

铝液中氢气的含量的多少是反映铝液冶金质量的一个重要标志,同时也对铸件的内在质量产生重大影响。

铝合金在熔炼过程中铝液会和水汽发生反应产生氢气并会溶入铝液中,铝液凝固时氢气会从铝液中拆出。若铝液中氢气含量过高,铸件中容易形成气孔,铸件机械性能就会下降,严重者致使铸件报废。氢气是铝液中有害气体,铝液含氢量的炉前检测是保证铸件质量的重要工序,尤其在采用大容量熔炉进行大批量生产时,铝液测氢就会变得不可少缺。

目前测氢的方法很多,较普遍的方法有减压凝固试样密度测定法,真空萃取法,光谱分析法等。这些方法都要从铝溶炉中取样,操作技术要求高,并且只能间接地测定铝液含氢量,测量过程不连续,检测时间较长(一般为15分钟)。

下面介绍一种连续式铝液含氢量的检测方法,即哈培尔(CHAPEL)法。它是几年前由欧洲RWTH-Aachen铸造技术研究所发明的一种新的铝液含氢量的检测方法。在测量仪器制造方面有着三十年成功经验的瑞士FMA公司应用此方法研制出了煞星测氢仪,该仪器已应用于欧洲及亚洲各国铸造行业,并由瑞士光华有限公司*代理导入中国市场。

哈培尔(CHAPEL)测量法的原理

熔炼时,铝液和水汽反应的结果,使氢气熔入铝液。氢在铝液中的溶度CH和铝液温度下铝液中氢气的分压PH2有关,并有下列关系:

image22.gif (2068 bytes)公式(1)

式中: Es──氢的克分子溶解热;

 

K──常数;

 

T──铝液温度,°K;

 

R──气体常数;

 

CH──氢在铝液中的溶解度;cm3/100g铝液;

 PH2O──铝液中氢气分压,mPa;
 上式可用下列Sieverts定律表示:

log CH=0.5·logPH2-A/T+B 公式(2)

 式中,A、B为与合金成分有关的常数。

常数A、B值见表1。

表1 常用铝合金的溶解度常数值

合金成分

A

B

纯AL

2550

2.62

AL+2%Si

2800

2.79

AL+4%Si

2950

2.91

AL+8%Si

3050

2.95

AL+16%Si

3150

3.00

AL+2%Cu

2950

2.90

AL+4%Cu

3050

2.94

AL+8%Cu

3150

2.94

AL+3%Mg

2695

1.500

AL+6%Mg

2620

1.500

式(2)中,A、B、T都是容易确定的,唯PH2难以确定。因此要求得含氢量CH,关键在于求得PH2值。

传统的方法是根据铝液表面冒出*个气泡时的温度、压力来测定含氢量,所以也称为“*气泡法”。铝液中析出气泡的条件为:

PH2>Pa+γh+2σ/R≈P外 公式(3)

式中:PH2──气泡中氢的压力,mPa;

Pa──大气压力,mPa;

γ──铝液比重,g/cm3

h──气泡上铝液高度,cm;

σ──铝液的表面张力,达因/cm;

R──气泡半径,cm;

P外──作用在气泡上的外压力,mPa。

可以认为析出*批气泡时,PH2≈P外,而P外是可以测定的,方法是将铝液样品注入一个小的钢池中,再将钢池置入真空罐中,迅速抽出罐内空气,观察析出*批气泡时罐内的压力,同时测量钢池中铝液温度,根据式(2),即可算得含氢量。

根据使用经验,较难判断*批气泡,且铝液中氧化夹杂含量对数据影响相当大。试样需先经过滤,除去其中大部分的AL2O3。

欧洲RWTH-Aachen铸造技术研究所发明的哈培尔(CHAPEL)测氢法是将一个通过气密陶瓷管与压力测定仪连接的圆柱形多孔石墨探头直接浸入被测的铝液, 并迅速抽去探头内的空气。这时,石墨探头就像是一个人造的“气泡”,铝液中的氢气便向这个“气泡”中扩散直至“气泡”中的压力与铝液中氢气分压达到平衡为止。这时只要测得探头中的气压即可知道铝液中氢气分压PH2,同时,通过热电偶测定铝液温度T,根据式(2)即可算出铝液含氢量CH。

探头结构及气路原理见图1及图2: 
image23.gif (4439 bytes)image24.gif (4641 bytes)

图1 探头结构示意图 图2 气路原理图。

二、哈培尔(CHAPEL)测氢法的特点及应用。

image25.gif (4582 bytes)图3是测量过程中探头内气压变化曲线。根据探头内压力的变化,可大致分为三个阶段。

Ⅰ 抽真空阶段,如AB曲线所示,这个阶段持续时间短(约几秒)。

Ⅱ 消除壅压阶段。如CD曲线段所示。这样抽真空系统已停止工作。

Ⅲ 铝液中的氢气向探头中扩散阶段,如DE曲线段所示。当探头内的压力与铝液氢气分压PH达到平衡时(E点),扩散过程中止,测压过程结束。这个阶段持续时间与铝液中氢气分压大小有关。

  
image26.gif (6013 bytes)为了缩短压力达到平衡所需的时间,可以向探头中注入一定量的氢气,此时探头内的压力变化曲线如图4所示。充氢量不足时(如图E1点所示),探头内压力低于铝液中氢气分压PH,

图4 充氢压力曲线 铝液中氢气向探头中扩散,直至压力达到平衡为止;充氢量过多时(如图中E2点所示),探头内的压力高于铝液中氢气的分压PH,探头中的氢气开始向铝液中扩散直至压力达到平衡为止。

当充氢量一定时,测量时间基本恒定,无论压力是否达到平衡,探头内的压力都有显示,因为参数可以设定,测量时间不会因铝液中氢气分压高而延长。可以对测氢仪进行标定,所以哈培尔(CHAPEL)测氢过程是真正连续的,这一特点使得煞星测氢仪可以用于铝熔炼过程的在线检测,同时实现了多点测量,从而改变了以往测氢仪单点间歇测量时间长、数据不连续、难以在线监控的弊端。

由于哈培尔(CHAPEL)测氢法是直接利用铝液中氢气分压和铝液温度的测定值及铝合金的成分确定铝液含氢量(它不同于使用载体或间接的电化学方法),因而测量精度高(重复测量的误差不超过0.01ml/100g),操作简便。

煞星测氢仪尤其适用于铝液含氢量的连续测量,当然,间隔测量更加得心应手。

在实际生产过程中,通常见在预先规定铝液含氢量zui大限度的基础上进行铝熔炼的,采用煞星测氢仪就可以很容易判定铝液中氢气含量是否在允许范围内。

结论

   哈培尔(CHAPEL)测氢法是一种新的铝液含氢量的检测方法;煞星测氢仪是一种zui快速zui的铝液质量控制仪器,可以用于熔炼处理的现生产,也可以作为科研单位进行合金研究辅助仪器。

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