铝熔体测氢技术发展前景.doc

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1、铝熔体测氢技术发展前景铝及其合金是受夹杂与氢污染最为严重的金属之一，这主要是由其木身的特性所决定。铝熔体的纯净度主要由溶解的氢和非金属夹杂所决定。氢是唯一大量溶于铝熔体的气体。氢几乎不溶于固态铝，血在液态铝屮的溶解度却很大，并随温度的升高而增大。氢在铝液相及固相屮的溶解度分别为0.65cm3/10OgAI和0.034cm3/100gAI,即氢在液固两相的溶解度相差约19.1倍（见图1）,铝液屮正常的氢含量约为0.10~0.40cm3/100gALo多年的研究和实践已经确认，铝屮的氢主要来源于铝液与水汽的反应。经推算分析得出铝液中气体的

2、分压之比值为:PH2/PH2O=7.3X1014,可见即使PH20很微小，平衡的PH2也可以达到很高值。半铝液温度T=727°C时，极微小的PH20=2.59X10-20Pa仟空气条件）也能与铝液发生反应，说明任何虽经烘干的工具、熔剂等，对铝液均是潮湿舶，还会使之吸氢。铝液屮的夹杂（AL2O3等）除来自炉料外，主要是由于熔化浇注过程屮铝与氧反应所形成的。铝表面氧化膜厚约为2~10nm（20—100Ao）,接近熔点时增至200nm,液面上的氧化膜不仅更厚，血且结构也变了：而向铝液的一侧是致密的，对铝液有保护作用；但外侧则是疏松的，内有5

3、-10nm的小孔，并被氢、空气、水汽所充满，据测含有1%■2%的水汽。如果将液膜搅人铝液内部，使铝液既增杂也增气。由此看出，铝受夹杂与氢污染是严重的，夹杂与氢的存在是不可避免的。自60年代以来，人们发现：铝液屮的含氢量受夹杂含量的影响很大，当夹杂含量为0.002%和0.02%时，相应的氢含量分别为0.2cm3/10OgAI和0.35cm3/100gAL在含氢量相同的条件下，夹杂含量越高，针孔率也越高，即使在低氢浓度吋，针孔率仍很高，而且采用一般方法很难除净。相反，当铝液屮夹杂含量很低时，含氢也低，即使人为地向铝液通人氢，也会自动脱出，

4、很快恢复到原来的含量。例如，在高纯铝屮含氢量高达0.4cm3/10OgAI吋，才会出现气孔；而在工业纯铝屮含氢仅有0.1cm3/100gAI时，就会出现气孔。有人测得：对含Mg<0.1%的铝合金，如果夹杂含量超过0.01%,铸锭不出现针孔的极限含氢量需降低到0・05-0.06cm3/100gAI,而这样低的除气极限，在工业生产条件下是极其困难的；当夹杂含量v0.001%,即使含氢量达到0.3cm3/lOOgAI,也不会出现针孔。由此可见，铝熔体中的氢与夹杂存在着某种共生存的相互作用关系，影响铝屮气孔形成的主导因素是夹杂物，只有排除夹杂

5、物，才能保证铝液质量。弄清铝熔体屮夹杂与氢的行为及其相互关系的实质，对于铝液净化工艺的合理设计极为重要，是改善和提高铝液净化效果的理论基础。迄今为止，各国研制的测氢装置近20余种。这些方法大体上可分为二类：取样法和直接法。取样法是从铝液屮取样进行分析，以确定其氢含量，诸如凝固试样法、第一气泡法，真空萃取法等。前二者的测试精度不够。其受夹杂物的影响较大，且易误判。真空萃取法测试虽然精确，但是取样要求高，测试吋间长（lh-2h）,难以用于现场检测。近年來人们对铝液直接测氢方法研究较多，其大多是在循环气体法的基础上改进，其应用也较广泛，最近

6、国外报道了-•种直接床力法测氢装置，其较法更为简单，而且具有广泛的应用前景。浸人探头法前苏联科学家于1978年发明此法。其假定铝液屮氢的扩散遵循菲克第一•定律。其将AIN制成的探头浸入铝液屮，并抽以真空，测定吸氢速率，即通过计算可得出铝液屮氢的浓度。此法甚为快速，即仅40s-50s便可获得稳定的氢气流。但是铝液屮氧的扩散是非稳态的。此装置对高氧含量的铝液测试准确，而对低氢含量的铝液测试偏差较大。此外该装置较复杂。稳定性较差。电测法Gee与Frey于1975年发明此法。其以CaH2作为参比电极，根据浓差电池的原理测出电位差，从而计算出铝

7、液屮氢的平衡浓度。其浓差电池的组成是：不锈钢，Ca+CaH21CaH21铝液,不锈钢。此法简单、快速，但是存在两个缺点：a）CaH2的热稳性不好，易热分解；b）CaH2易受潮与铝液反应，导致误测，所以此法尚需进一•步研究。循环气体法：30多年前Ransley等人发明此法。其通过向铝液屮提供惰性气泡，并往复循环，经一•段时间后，气泡内的氢分压达到平衡，通过热导析气仪测出铝液小的平衡氢分压，然后按Sievert定律计算铝液小氢的浓度。依此原理，人们研制出多种仪表应用于生产与研究屮。诸如我国研制的SQH-I型炉前测氢气相色谱仪，美国ALSC

8、AX测氢仪，LecoRH-3等。迄今为止，循环气体法是开发与应用得最为成熟的测氢方法。最近Andersen等人将循环气体法进行改进，即调整了测试探头、电桥等而研制出TelegasII型测氢仪。其使测试更加精确、方便。循环