铝合金熔体含氢量快速测量方法及测量仪器

摘要

本发明公开一种普通铸型工艺条件下，通过测量铝合金熔体所浇注的试样在凝固过程中由于氢析出形成针孔而产生的膨胀，测量铝合金熔体含氢量的方法和测量仪器。本方法简便、准确、实用、快速。从熔体液样浇入铸型开始，2分钟内可得出结果。仪器轻便，操作简单，造价低，适应性强。可广泛适用于有色金属冶炼和铸造行业生产现场，科研和教学实验对各种铝合金熔体含氢量的测量、控制、研究。亦可用于铜合金含气量的快速检测。

说明书

本发明涉及铝合金熔体含氢量现场检测技术。具体地说是提出一种铝合金熔体含氢量快速测量方法及测量仪器。

公知的各种测量铝合熔体含氢量的方法及仪器装置在大连理工大学出版社1989年出版《有色金属净化》一书P196～P213中集中作了较详细的介绍。下面列举其中三种主要方法：

(1)减压凝固法：取被测铝合金熔体液样浇注一个在减压条件下凝固的试样。根据该试样凝固过程中其上表而因氢析出所形成凸起的状态和程度，加上观察者的经验定性地判断所测熔体含氢量合格与否；(2)第一气泡法：该法根据铝合金中因含氢量不同，其熔体表而冒出第一个气泡时的温度和压力不同这一原理，通过测定这两个参量并经专用公式换算得出被测铝合金熔体的含氢量。以上两种方法都存在着测量速度慢，掺有人为因素，准确度差的缺点。(3)气体遥测法：该法又称作Telegas法。该法假定铝合金熔体中的氢是均匀分布的、熔体中通以惰性气体气泡用以提供自由表面，熔体中的氢便在该自由表面上以2H→H₂的形式析出，经一定时间，气泡内的氢分压PH2与熔体中含氢量达到平衡。通过导热析气计测定出PH2，同时用热电偶测出熔体温度，经专用公式换算，得出被测熔体的含氢量。该方法的缺点是所用仪器设备庞杂，造价昴贵，操作复杂。此外，测量速度仍偏慢。例如，从测量开始到出结果，一般至少需要5分钟。

本发明的目的在于，提出一种简便、快速、准确、实用的铝合金熔体含氢量测量方法及测量仪器。

本发明的理论依据和技术方案：一般认为、氢是铝合金熔体中唯一的可溶性气体。普通大气压条件下，氢在液态和固态铝合金中的溶解度存在较大差异，并随温度升高而增大，随温度的下降而减小。实际生产条件下，铝合金在熔炼升温过程中，其含氢量不断增加；相反，在凝固过程中其含氢量不断下降。特别是在固相线附近的温度区间，由于铝合金对氢的溶解度骤减，超出其临界含量的氢以原子形式大量析出并形成分子，相对集中地在凝固期间的铝合金中形成针孔，从而导致铝合金在凝固期间产生膨胀现象。相图分析表明，各种铝合金在其凝固阶段并无膨胀相变。因此，由于氢析出所形成的针孔是上述膨胀现象的唯一原因，并已被实验反复验证。

公知的室温固态时铝合金的针孔度与铝合金液态时的含氢量呈一定的对应关系。含氢量越高，其针孔越多越严重，其密度也越小。

综上所述，在一定工艺条件下，采用精确的微位移测量技术，通过准确地测量铝合金熔体液样凝固过程中所产生的膨胀量及对应的电信号，经信号处理，数据处理，得出对应的含氢量，是一种简便，快速、准确可行的测量方法，也已为实验所证实。

本发明可通过下述方法和步骤实现：

其方法是：取被测铝合金熔体液样，浇注预制的铸型中形成一个棒形试样，测量该试样凝固过程中的轴向线膨胀，经转换处理，最后得出被测熔体的含氢量。

其步骤如下：

(1)按普通工艺要求预制铸型；

(2)将预制好的铸型安装在机座上，铸型的直浇口上安放耐高温纤维制成的滤网片，再压上浇口杯；

(3)高纯石英玻璃制成的测杆一端与位移传感器的芯杆用锁紧螺母固联，另一端插入铸型测量工艺孔，插入深度由装在测杆上的卡环限定；

(4)位移传感器、测杆、测量工艺孔保证同轴心安装，测量前，通过调零机构的调节旋钮将位移传感器调至测量零点，即显示器指示为零；

(5)取被测铝合金熔体液样自浇口杯浇人铸型，形成棒形试样，该试样在凝固过程中，因氢析出形成针孔而产生膨胀，并主要表现在试样轴向尺寸的膨胀，通过测杆传递，位移传感器将膨胀量转变为电量，经转换处理器处理后，由显示器显示出被测熔体的含氢量。

实现上述方法的测量仪器包括：

(1)机座上的一端安装固定支座，另一端开有与底板配合的燕尾槽，中部设有安装铸型的定位块；

(2)铸型内为棒形试样型腔，上面留有直浇口，在直浇口上安放滤网片，再压上浇口杯，铸型一端留有出模工艺孔，另一端有测量工艺孔，出模后将出模工艺孔用耐火材料制成的堵头封堵严实后，将铸型安装在定位块上，堵头与固定支座靠实；

(3)箱体固定在底板上，底板安装在机座上的燕尾槽中，为滑动配合；箱体内，位移传感器及其调零机构均安装在支架上，该支架固定在底板上，位移传感器与支架为动配合，与调零机构固联，调零机构的调节旋钮设在箱体外，位移传感器的芯杆穿出箱体，其间为动配合，在箱体外，芯杆通过锁紧螺母与测杆固联，测杆插入测量工艺孔，插入深度由测杆上的卡环限定；

(4)被测铝合金熔体浇入铸型，形成的棒形试样一端被堵头顶住，另一端与测杆接触，试样产生膨胀时，轴向尺寸的线膨胀经测杆传递给位移传感器，将其转变为电量输至转换处理器，最后送至显示器显示结果，转换处理器和显示器安装在上述箱体上面。

本发明与已有技术相比，测量速度快，结果准确、可靠。从浇注液样到显示出结果不超过2分钟。所测含氢量结果与实际针孔度或密度检验结果对应良好。此外，仪器造价低，结构轻巧，操作简便，适应现场使用。

附图是铝合金熔体含氢量快速测量仪器的结构示意图。图中，1为固定支座，2为堵头，3为机座，4为铸型，5为定位块，6为测杆，7为卡环，8为锁紧螺母，9为底板，10为支架，11为位移传感器，12为调零机构，13为转换处理器，14为显示器，15为箱体，16为砂箱，17为滤网片，18为浇口杯。

本发明具体实施方案结合附图叙述如下：

固定支座(1)固定安装在机座(3)左端；

预制铸型(4)，要求原砂为1N100～200，湿压强度3.5～4N/CM²湿透气性85～95，水分3.8～4.2％；型腔尺寸φ20×200mm。铸型(4)上型面留有直浇口，其上安放滤网片(17)后，压上浇口杯(18)。铸型(4)一端有出模工艺孔，另一端有测量工艺孔。出模后，出模工艺孔用堵头(2)封堵严实后，将铸型(4)安装在机座(3)上的四个定位块(5)上，要求堵头(2)与固定支座(1)靠实；

箱体(15)固定安装在底板(9)上，底板(9)装配予机座(3)右端的燕尾槽中，二者为滑动配合；

在箱体(15)内，支架(10)固定在底板(9)上，位移传感器(11)及调零机构(12)均安装在支架(10)上；位移传感器(11)与支架(10)间为动配合，与调零机构(12)固联，其调节旋钮设在箱体(15)外面，位移传感器(11)的芯杆穿出箱体(15)，其间为动配合，在箱体(15)外，芯杆通过锁紧螺母(8)与测杆(6)固联，测杆(6)一端插入铸型(4)φ6×35mm测量工艺孔，其间为动配合关系，插入深度35mm，由测杆(6)上的卡环(7)限定；

位移传感器(11)、铸型(4)的测量工艺孔和测杆(6)应同轴心；浇注前，调节箱体(15)外面的调节旋钮，使位移传感器(11)处于测量零点，即显示器(14)指示为零；

取被测铝合金熔体约300g，自浇口杯(18)浇人铸型(4)，形成φ20×200mm棒形试样。试样在凝固过程中，因氢析出形成针孔而产生膨胀，因堵头(2)的限制，其轴向线膨胀只能单方向进行，经与其接触的测杆(6)传递给位移传感器(11)，将其膨胀量转变为电量输出至转换处理器(13)，进行信号处理和数据处理，最后由显示器(14)显示测量结果。

仪器所显示的测量结果是与被测熔体所浇注铸件或铸锭的针孔度对应的含氢量级别值，因此，更为直观，准确可靠。当测量显示值小于或等于技术要求的针孔度级别时，被测铝合金熔体所浇铸件或铸锭，可保证针孔度检验合格；反之，则须对所测铝合金熔体进行再精炼处理。再取液样，重复上述测量，至显示结果达到技术要求再浇注铸件或铸锭。

本发明所提出的方法和测量仪器适用于生产现场，科研和教学实验中对各种铝合金熔体含氢量的测量，针孔的研究与控制。也可以适用于各种铜合金含气量的测量与控制。