（材料加工工程专业论文）铝合金液氢含量快速测定装置设计研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 铝合金液氢含量快速测定装置设计研究 摘要 目前，随着科技技术的不断进步， 对铝合金铸件质量的要求也越来越高。 炉前快速测氢具有重要意义。 铝合金铸件的需求量逐年增加，人们 由于铝合金熔炼的特殊性，生产现场 本文简述了铝合金铸件针孔产生的原因，对铝液直接测氢方法与装置的 研究与应用进行了详细的评述。分析了铝液直接压力扩散测氢方法的基本原 理，指出该方法具有测试装置简单、测试速度快和准确度高等特点。在此基 础上设计了一种快速测定液态铝合金氢含量的便携式测试仪器。 测试装置主要由探头、真空系统和数据采集与处理单元等部分组成。探 头质量对测试结果具有重要影响，要求其有足够的强度和耐热度，液态铝合 金液不能与探头发生反应，并且要有良好的透气性，即氢气能够进入探头而 铝合金液不能进入。根据实验结果，我们确定了以石英砂为基础材料，硼酸 为造孔剂，彭润土为粘结剂的材料制作探头。采用压制的方法把探头材料做 成毛坯，最后经高温烧结达到所需的强度。真空泵选用罗茨泵，双级泵可快 速将真空室抽至所需真空度。数据采集与处理单元主要由m c s 5 l 单片机扩 展单元、信号调理单元、模数转换单元等构成，完成压力和温度信号的实 时采集。其中模拟数字转换单元采用双积分转换芯片i c l 7 1 3 5 ，以确保转 换精度。本装置所用主程序及子程序均采用汇编语言编制。 经实验室条件下初步调试证明，本文设计的铝合金液氢含量快速测定装 置能顺利运行，为测试液态铝合金液氢含量试验奠定理论基础。 关键词液态铝合金；含氢量；单片机 竺玺鎏翌二銮耋三兰至圭：竺兰兰 r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h ed e v i c e f o rf a s tm e a s u r i n gh y d r o g e n c o n t e n ti nm ol ，r e na l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e d e m a n di n c r e a s eo fa l u m i n u mc a s t i n g s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h e i m p r o v e m e n to fa l u m i n u ma l l o yq u a l i t y i th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et of a s t m e a s m eh y d r o g e nc o n t e n ti nf r o n to ff u r n a c e i nt h i sp a p e r , f a c t o r sr e l a t e dt ot h ep o r o s i t yi na l u m i n u mc a s t i n g sh a v eb e e n a n a l y z e d ，a n dt h em e t h o d sa n dt h ee q u i p m e n to ft e s t i n gh y d r o g e n c o n t e n t d i r e c t l yh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l an e wp o r t a b l ei n s t r u m e n to ff a s tt e s t i n g h y d r o g e nc o n t e n ti na l u m i n u ma l l o yh a sb e e nd e s i g n e db ya u t h o r o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fd i r e c tp r e s s u r ed i f f u s i o nm e t h o d t h a th a st h em e r i t so f s i m p l et e s t i n gd e v i c e ，f a s tm e a s u r e m e n ta n dh i 曲a c c u r a c ya n d5 0o n t h et e s t i n gi n s t r u m e n ti sm a i n l yc o m p o s e do fd e t e c t o r , v a c u u mu n i t ，d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gu n i ta n ds oo n t h eq u a l i t yo f d e t e c t o rh a sg r e a te f f e c t o nt h et e s t i n gr e s u l t s ，c o n s e q u e n t l y , s o m er e q u i r e sm u s tb em e ts t r i c t l yt h a ti th a s h i g hs t r e n g t h ，h i g h h e a tr e s i s t a n c e ，c o n s i d e r a b l ep e r m e a b i l i t y b e s i d e s ，t h e a l u m i n u ma l l o yl i q u i dc a nn o tr e a c tw i t hd e t e c t o ra n dn o tp e r m e a t et h r o u g hi t t h em a t e r i a l so fm a k i n gd e t e c t o rh a v eb e e nd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t s ，n a m e l y , q u a r t zs a n di sb a s i cm a t e r i a l ，b o r a c i ca c i di sp o r ef o r m i n gm a t e r i a la n db e n t o n i t e i sa d h e s i v e n 圮m e t h o da n dc r a f to fm a k i n gd e t e c t o ri sa sf o l l o w s a l lm a t e r i a l s b l e n d e di np r o p o r t i o na r ep r e s s e dt of o r mr o u g ha n dt h er o u g hi ss i n t e r e da th i g h t e m p e r a t u r e r o o tp u m pi su s e dt of a s tv a c u u m i z ei nv a c u u mc h a m b e ra n dt h e d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gu n i ti sm a d eu po ft h ee x p a n d i n gu n i tb a s e do n m c s 51 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , t h ea n a l o gs i g n a l sr e g u l a t i n gu n i t ，a d c o n v e r t i n gu n i ta n ds o no n ，w h i c hc a nc a r r yt h ef u n c t i o no fa c q u i r i n gr e a lt i m e p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e t oi m p r o v et h ec o n v e r t i n gp r e c i s i o nt w o i n t e g r a t o r - 堕尘鋈矍三銮兰：兰璧：兰竺兰兰 c o n v e r s i o nc h i pi c l 7 1 3 5i sa d o p t e da n da l lm a i np r o g r a ma n ds u b r o u t i n e so f t h i s i n s t r u m e n ta r ep r o g r a m m e db yt h ec o m p i l el a n g u a g e a f t e rp r i m a r i l yd e b u g g i n gi nl a b ，t h en e wp o r t a b l ei n s t r u m e n to ff a s tt e s t i n g h y d r o g e n c o n t e n ti na l u m i n u m a l l o yc a n r u n s u c c e s s f u l l y a n dc a r r yo u t s i m u l a t i o nt e s t k c y w o r d s m o l t e na l u m i n u ma l l o y ；h y d r o g e nc o n t e n t ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r - n i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文铝合金液氢含量快速测定装 置设计研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：藿白龟 日期：砷；月沈扫 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 铝合金液氢含量快速铡定装置设计研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：磊币垒一作者签名：乏巾乏一 导师签名彳良参 l 、j 绷 珈 月 月 弓 3 哗丁 期 期 哈尔滨理1 = 大学t 学硕士学位论文 1 1 课题的来源及意义 第1 章绪论 1 1 1 课题的来源 本课题为哈尔滨理工大学材料学院铸造测控技术研究室自拟项目。 1 1 2 课题研究的目的及意义 铝合金铸件极易产生针孔、气孔等缺陷，它导致铸件的力学性能、内部质 量大为降低1 1 叫。尽管铸件产生针孔的因素很多，诸如含氢量、冷却速度、夹 杂物、变质处理等，但其主要原因是氢在铝及其合金中的溶解与析出造成的 】。为此，人们在铝合金铸件的生产过程中采用多种方法对铝合金液进行精 练，以减小铝合金液中的氢含量，从而减少或防止针孔的产生。然而，如何确 定铝合金液中氢的含量，在浇铸前如何能简单、直接、快速、准确的测定铝合 金液中氢的浓度，以确保获得合格的铸件，一直是国内外学者研究热点之一。 迄今为止，各国研制的测氢装置近2 0 余种，这些方法大体上可分为两 类：取样法和直接法。取样法是从铝液中取样进行分析，确定其氢含量，如凝 固试样法、第一气泡法、真空萃取法等。前两者的测试精度不够，受夹杂物的 影响较大，易误判，真空萃取法测试虽然精确，但取样要求高，测试时间长， 难以用于现场检测。 有鉴于此，哈尔滨理工大学铸造测控技术研究室提出研制一种基于“真空 扩散法”的液态铝合金氢含量直接测试装置，使其不仅能独立使用以测得氢含 量等关键参数，而且可以用于构建铝合金质量炉前自动控制系统。“真空扩散 法”是将一特制探头插入铝液，并抽以真空，氢在探头表面析出并扩散到真空 系统中，经一段时问后，真空系统内的氢分压与铝液中的氢达到平衡，根据西 华特定律便能计算铝液中氢的浓度。 本文设计的铝合金液氢含量快速测定装置将为铸造领域提供一种结构紧 凑、操作方便、可用于现场测试的自动化检测仪器，对于指导生产、提高铝铸 件质量和降低生产成本具有重要意义。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 2 铝合金液氢含量检测技术研究 1 2 1 氢的来源 氢是熔炼时熔体从潮湿气氛、未烘干的炉体、原料或工具等处吸收的，主 要来源是水气，其反应式如下式所示： 3 h 2 d + 2 a l = a 1 2 0 3 + 6 h ( 1 - 1 ) 水气与铝合金液反应时产生的原子氢分压比分子氢离解时的原子氢分压大 得多，因此只要空气湿度略微增加，就会导致反应式强烈向右，从而使铝熔体 强烈吸氢 6 - “。与其他金属相比，氢在铝中的溶解度很小，但在熔点附近，氢 在固、液态的溶解度差别却比其在其他金属中的差别大得多，因此，溶于熔体 中的氢在金属凝固时很难完全析出。超过溶解度的这部分气体，或者被析出形 成气孔或缩松，或者以过饱和状态继续留在金属中。这种过饱和状态是不稳定 的，在适当的条件下( 加热或施加压力) ，溶解的原子氢就会被激活。它们要么 逸出金属外，要么移到裂纹前沿或夹杂物及微空洞处析出，并结合成分子氢。 由双原子气体在金属液中溶解的物理化学原理，氢在一定成分的铝合金液中的 溶解度与压力、温度的关系如下式1 “。4 j ： e 品= k ? e 2 r t ( 1 2 ) 式中品氢在铝液中的溶解度( 所，g ) ； ? 铝液温度( k ) ； e 氧在铝液中的溶解热( r d m o l - 1 ) ； p 篇液上的氢分压( 只) ； 置常数 1 2 2 铝合金液氢含量测试装置研究现状 1 2 2 1 国外研究现状分析工业发达国家研究和应用铝合金含气量测控技术已 有多年历史，较有代表性的国家有英、日等国家。 ( 1 ) 英国s e v e r ns c i e n c e 公司制造的h y s c a ni i ( h y d r o g e n i n 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 a l u m i n i u ma n a l y s e r ) 测氢仪。如图1 1 所示。h y s c a ni i 测氢仪的特点是速度 快、精度高、操作简单、孥固耐用，适于现场使用，数掇不仅可屏幕显示，而 且可打印输出。但该仪器不能在线实测，而需要取样测量，因而造成了从取样 到测氢中间过程的吸氢现象，影响结果的准确性。 图1 - 1h y s c a n i i 测氢仪 f i g 1 - 1h y s c a ni id e v i c ef o rt e s t i n gh y d r o g e ne o n t c n t ( 2 ) 住友轻金属工业公司研制的能在熔炼铸造过程中直接连续检测熔体中 的氢含量的测氢仪。该测量仪由测量系统和控制计算系统组成，测量系统由连 接探头的氮气供给装置。导热率和导电率高度稳定及对氢敏感的探头，氮气净 化装置和热电偶组成。控制计算机系统由测量电桥，熔体温度测量电路，数据 输送装置和三个显示装置组成【1 5 1 。 1 2 2 2 国内研究现状分析近年来，国内铸造科技工作者针对铝合金含气量测 控技术开展了多方面的研究工作，有代表性的单位有上海交通大学，华中理工 大学等单位。 ( 1 ) 上海交通大学研制的e l h i i i b 型测氢仪，采用微处理器直接控制，还 具有测温功能，并内存近6 0 种合金修正系数，无需外接电源、气源，可直接 显示氢含量【1 q 。 ( 2 ) 华中理工大学研制的铝液直接压力测氢装覆，它是将一特制探头插入铝 液并抽以真空，经数分钟后，便能测出铝液的平衡氨分压1 1 7 1 。 ( 3 ) h d a 在线式测氢仪。其气路原理图如图1 2 所示。h d a 测氢仪采用封 闭回路循环法来测量循环回路中的氢，待回路中的氢循环达到平衡时，可根据 西华特定理计算出氨含量【i ”。 哈尔滨理t 大学工学硕 ：学位论文 综上分析，铝合金含气量测控技术的研究应用现状可概括为，国内外铸造 科技工作者都开展了大量研究工作，其中一些研究成果在实际生产中已经得到 应用，但不同程度存在测试时间长，操作复杂和精度不高等问题。另一个问题 是国外仪器及配套使用的消耗探头的成本较高，多数国内生产厂商无力承担， 直接影响 熔 图l - 2 h d a 气路原理图 f i g ! - 2 t h e g a sl o o po f h d a 1 2 3 铝合金液氢含量测试方法研究现状 电 机 含气量的测定有许多方法，可根据测定目的分别采用。各种测定方法的测 定原理、测定精度、测定对象、测定时间、恶劣环境的适应性和经济性等都有 差别。下面对常用于炉前分析的主要测定方法进行简要介绍。 1 2 3 1 常压凝固检验法合金在常压下凝固，根据试样液面特征和断口状态判 断含气量。( 1 ) 液面观察法，在常压下，随着铝液温度降低，气体在合金中的溶 解度下降并在凝固过程中析出，会在合金液面冒出许多小气泡。因此，可在炉 前浇注试样，根据合金液面是否冒泡或冒泡多少来大致判断铝合金中的相对含 气量，试样铸型采用干型、耐火砖、石墨型或金属型均可，使用前充分预热以 去除水分，避免合金液吸气。合金精炼处理后即可浇注试样，轻轻刮去试样液 !里尘堡矍三查兰二：璧：三兰竺鎏銮 面浮渣和氧化皮，露出光亮液面后观察试样表面在凝固过程中的变化。当铝液 中的含气量较多时，用肉眼可见有细小气泡冒出，向细小白点，而且越接近凝 固温度气泡越多。采用于砂型浇注试样时，如果没有小气泡冒出，即可认为精 炼合格1 1 2 1 。( 2 ) 断i = 1 分析法，采用砂型浇注t p 3 0 x 1 5 0 m m 圆棒试样，凝固后取出 激冷致室温，在试样长度1 2 处击断，观察和分析断i = i 状态。如果合金中含气 量较多，断口上会出现许多白点。一种白点是孤立的圆点状，实际是针孔的孔 穴，孔穴圆而光滑；另一种成碎片状，与前一种相比面积较大，看不出明显的 孔穴。用显微镜观察，可以看出白点的孔壁由i f , 枝晶所构成，断口上肉眼所看 到的是g 枝晶，呈白色【1 9 - - 2 3 1 。 炉前检验时，可以根据试样断面上的白点数量来判断合金中的含气量。断 面白点越多、越密集，说明含气量越多，反之则说明含气量越小。应该说明的 是，常压凝固检验法制能获得合金相对含气量，而测不出合金液含气量绝对 值。在试样液面没有小气泡或试样断面没有白点的情况下，并不能说明合金不 含气，而只能说明合金含气较少。 1 2 3 2 减压凝固检验法减压凝固检验法比常压凝固检验法灵敏，不受大气湿 度影响，测试装置并不十分复杂，因此在生产中也得到了广泛的应用。减压凝 固检验法测试装置由真空泵，真空室，压力计，和马达等部分组成，如图1 3 所示。 合金经精炼处理后，取l o o g 左右合金液，倒入经过预热的小坩埚内，对 后迅速将其放入测试装置的减压室内，立即启动真空泵，使试样保持一定的真 空度( 6 - - 5 0 r a m 汞柱) ，约1 分钟左右试样开始凝固。由于有大量气体析出，使 试样表面上涨凸起，此时注意观察凝固过程中气泡析出情况和试样表面状态， 即可大致判断出精炼效果。为了获得合金含气量的比较值，可以测量试样在减 压凝固时的上涨高度，试样上涨越高，说明含气量越大，反之说明含气量越 小。此外还可以通过测定试样比重来精确计算合金含气量 2 4 1 。 1 2 3 3r a n s l e y 亚熔法在制铝业中被认为是测氢的标准方法。此法的原理是将 一精确加工给定尺寸的圆柱形试样，在真空下加热至略低于开始的熔融温度， 在此温度下氢通过扩散由试样中抽取出来，收集到一个已知影响此法精度，试 样表面所带来的氢，这可能有两个来源：一是试样表面有玷污的油渍：二是试样 表面吸附的水。第一个来源可以用于切削加工试样，加工后不再与手接触予以 克服：第二个来源的解决办法是将第一次测试完毕的试样取出来，再在表面加 工一次，然后进行第2 次测试，所得结果即表面释出的氢。将第二次测试结果 由第一次所测结果中减去，即得到修正后的含氢量。 堕查堡矍三銮兰：2 土：竺丝兰 压力计 马达 图1 3 减压凝崮测气装置 f i g i - 3d e c o m p z s s i n ga n ds o l i d i f y i n gm e t h o df o rg a sm s u r e m e n t 此法的最大优点是精确口”。 1 2 3 4 第一气泡检验法第一气泡检验法是根据合金液表面冒出第一个气泡时 的压力、温度，利用经验公式计算出合金含气量的一种间接测量方法，主要用 于铝合金含氢量的快速测定 ”- - 3 2 1 。第一气泡检验法测定装置如图1 4 所示。 图1 4 第一气泡检验法测试装置 f i g 1 - 4m e a s u r i n gd e v i c eb a s e d o nt h ef i r s tb u b b l em e l h o d - 6 - 统 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 如果氢在熔体中的扩散未受到阻碍，在这种条件下，着氢在熔液中的扩 散，由于某种原因减缓或完全停止下来，则合金液中的氢量成为恒定的。加果 大气中氢分压降低或溶液温度降低，溶液内部氢的压力等于大气中的氢分压， 此时就会从熔液中开始析出氢气泡。在平衡条件下，在熔液内以及在其周围气 体介质中的气体压力应相同。如果逐步减少铝液上方的氢的分压，那么在铝液 表面有致密的膜( 在铝和铝合金中生成的氧化膜) 时，扩散将受阻，而氢只能呈 气孔状析出。可以观察熔体表面来确定，从熔液中析出第一个气孔的时刻( 当 熔液上的分压等于熔液内部氢气压时) ；熔液中的含气量可按生成气泡的压力 值和温度值进行计算。应用这种力法来测合金中的含氢量的必要条件是合金有 不容许氢扩散的致密膜，铝具有这样的膜。计算总的含氢量的方程如式1 2 。 本方法的特点是气泡发生时能够肉眼观察到，现场操作比较简单等优点， 但也存在每个人确认最初气泡的差异等问题，导致精度不准。 l o g c n = 0 5 l o g p n 一等+ b ，( 1 - 2 ) 式中c h 氢在铝液中的溶解度( 锄3 1 0 0 9 ) , p h 铝液中氢气分压( m p a ) ； r 铝液温度( k ) ； 彳、曰与合金成分有关的常数 1 2 3 5 哈培尔法测氢气探头结构如图1 - 5 所示。 石墨探 图1 - 5 哈培尔探头结构图 f i g 1 - 5t h ec h a p e ld e t e c t o rs t r u c t u r e - 哈尔滨理1 = 大学1 = 学硕士学位论文 欧洲r w t h - a a c h e n 铸造技术研究所发明的哈培尔( c h a p e l ) 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，并迅速抽取探头内的空气。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”中扩散直到“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 p h 。同时，通过热电偶测定铝液温度t ，根据s i e v e r t s ( 西华特) 即可线性换算 出铝液含氢量。 由于哈培尔( c h a p e l ) 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，尽管扩散需要时间，气体的在线测定是 可能的。具有探头寿命长、操作简单等优点，可以做炉前分析p 。蚓。 1 2 3 6 氮气携带法 1 热导池热导池能够检测不同气体导热率之间的差异。热导池由惠斯通 电桥四壁上的两对灯丝电阻组成，参比灯丝保持在恒定气体成分帆) 、恒定气 体流量、恒定温度环境中，而测量灯丝保持在恒定气体流量、恒定温度环境 中，允许气体成分变化。所有灯丝装在一个置于温控炉内的金属体中，热导池 示意图1 - 6 所示。 图1 6 热导池示意图 f g 1 6t h es k e t c hm a po f s p e e i f l ch e a t 当两对灯丝处在完全相同的环境时，电桥在特定电流下平衡。电桥电流受 灯丝的热电特性控制，一旦电桥在适当的条件下平衡并稳定，电桥输出的变化 只能由通过测量灯丝的气体成分变化引起电桥是由测量灯丝室和参比灯丝室的 n 2 气流来平衡的，由于h 2 导热率比n 2 高得多，h 2 的进入将引起测量灯丝温度 的升高，因而电桥变得不平衡1 3 7 - - 4 0 1 。 2 测量原理测量溶解在铝熔体中含氢量的测量仪是三部分氢交换的一个 哈尔滨理1 = 大学1 = 学硕士学位论文 元件：熔体( a 部分) ，体上敞开的大气环境( b 部分) ，测氢仪内部封闭的气体回 路( c 部分) 。其中熔体和大气环境中的氢气交流是主要的。 a 相：水蒸气进入液态铝形成氢：金属被氧化，游离氢离子融入金属中， 溶入的氢含量随着温度和环境湿度的提高而增加。 b 相：随着熔体中含氢的增加，相应地蒸发到大气中的氢的含量也增加。 二相平衡时，熔体中的气体含量达到稳定状态。 其基本原理是：不同的气体有不同的热导率，当试样在感应炉中被加热 时，释放出来的氢被氮载气导入热导池中，利用热导率传感器测量出气体热导 率的变化，根据热导率的变化量同氢含量之间的关系计算出试样的氢含量。让 熔体中的氢离子蒸发进入一密闭的小容器内就是测氢仪所从事的工作。这一密 闭的容器通常就称为仪器的“密闭气体回路”，它只含氢气和一些惰性的不容 的载体气体( 通常是氮气) 。从熔体中出来的氢蒸发进入气体回路中，相反，现 存在气体回路中的氢也溶解进入熔体中。当回路中的氢气达到一平衡值时，蒸 发和溶解就达到平衡1 4 1 1 。 1 3 铝合金液氢含量研究的发展趋势 随着铝合金含气理论和工艺研究逐步深化，随着电子技术、计算机技术、 控制理论的应用与发展，铝合金氢含量在线测控系统乃至人工智能控制系统的 研究均取得了较大的进步，但其质量控制的有效性还有待进一步提高。所以， 一个趋势是就是应该加强铝合金含气量实验检测研究，从而为在线测控技术的 研究提供更有效的方法和手段；另一方面，在加深对铝合金含气量本质研究的 基础上，进一步将快速检测技术，在线检测技术以及人工智能技术更好的结合 起来，这是另一个趋势。这种趋势的后果将直接促进铸造行业研制出更加有效 且更加方便的铝合金含气量智能综合在线测控系统以切实保证铝合金质量，从 而使铸件质量的管理与控制步跨上新的台阶。 1 4 课题的主要研究内容 本课题的任务是从可行性和实用性出发，设计一套基于“真空扩散法”的 铝合金液氢含量测控系统，主要研究内容如下： 1 铝合金液氢含量快速检测原理研究。 2 真空系统的研究与设计。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 3 探头研究与设计。 4 单片机数据采集处理系统设计。 哈尔滨理工大学1 二学硕士学位论文 第2 章铝合金液氢含量快速检测装置基本原理 目前，比较流行的测氢方法主要有第一气泡法、减压凝固法、氮气携带法 和真空扩散法等，其中真空扩散法兼具测试准确和操作简便的共同优点。因此 本文研究的液态铝合金氢含量直接测试装置采用真空扩散法。 2 1 铝合金液氢含量快速检测装置原理 真空扩散法1 4 2 1 是将一探头插入铝液，并抽以真空，氢在探头表面析出并扩 散到真空系统中，经一段时间后，真空系统内的氢分压与铝液中的氢达到平 衡，据西华特定理便能计算铝液中氢的浓度。真空扩散法原理图如图2 1 所 示。 真空室 氢气瓶 图2 - 1 真空扩散法原理图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f v a c u u md i f f u s i o n 真空泵 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 本装置测试过程如下，先将探头插入铝液一定深度，关掉阀2 ，开启真空 机组到预定真空，打开阀3 使测试真空系统到一定真空度，关闭阀3 ，氢通过 探头向真空系统内扩散，真空系统的真空度下降，经一段时间后，真空系统内 的真空度维持在某一值上，若能稳定1 分钟，即认为氢分压达到平衡，初始的 真空度与此时真空度之差即为氢的平衡分压。 由西华特m “1 定理可知，熔体中的氢与气体回路及真空室中的氢分压关系 如下式： s = s o ( 乃。) w c f ( r ) x c f ( a )( 2 - 1 ) 式中s 掖态铝合金中的氢含量； 瓯“溶解度常数”( 液态铝合金中氢的溶解度随着熔体温度和成分的 变化而变化，所以瓯实际上不是一个真正的常数) ； 平衡状态下真空室中氢气的压力： c f ( t ) 描述铝合金液氢含量随着温度的改变而变化的情形， c f ( t ) = 一6 5 3 1 x ( 7 。”) t + 2 7 3 ) ： c f ( a ) 合金校正因素，c f 0 ) 描述溶解度随化学组分变化而变化的情 况 由式2 1 可知，只要准确测得平衡状态下真空室中的氢气压力，和液态 铝合金的温度两个主要参数，即可由西华特定理计算出铝合金液的氢含量。为 了加快氢在气体回路及真空室中的平衡速度，测试过程中要向气体回路及真空 室中充入少量氢气。 2 2 铝合金液氢含量快速检测装置总体构成 基于真空扩散法的液态铝合金含氢量快速检测装置的总体构成如图2 - 2 所 示。主要由真空系统、扩散探头和单片机测控系统组成。 工作时将探头插入被测铝合金液中，氢通过探头扩散到气体回路及真空 室，通过高精度气压传感器测得平衡状态下真空室中的压力，同时测定合金液 温度，通过计算即可求得铝合金液中的氢气含量。 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 图2 - 2 铝合金液氢含量快速检测装置总体构成 f i g 2 - 2t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo f m e a s u r i n gd e v i c eo f h y d r o g e ni nm o l t e na l u m i n u ma l l o y 2 3 本章小结 本章介绍了铝合金液氢含量快速检测装置的检测原理和仪器的总体构成。 本装置采用真空扩散法为检测的基本原理。真空扩散法是将一探头插入铝液， 并抽以真空，氢在探头表面析出并扩散到真空系统中，经一段时间后，真空系 统内的氢分压与铝液中的氢达到平衡，据西华特定律便能计算铝液中氢的浓 度。 基于真空扩散法的液态铝合金含氢量快速检测装置主要由真空系统、探头 和单片机测控系统组成。由于采用以单片机为核心的数据处理系统系统，可对 液态铝合金中的氢含量等参数实时进行采集。液态铝合金中的氢通过探头进入 真空系统，经由高精度气压传感器测得平衡状态下真空系统中的压力，同时测 定合金液温度，将参数送入单片机数据采集处理系统，通过计算可求得氢气含 量。 哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 第3 章真空系统的设计 3 1 真空技术简介 3 1 1 流阻 一个表征导管内气体的量。简单的可以认为流阻是压强降与通过此导管的 流量之比，表达式如下式： 式中z 流阻； 只上流端的压强； 最下流端的压强； q 流量 3 1 2 流导 z = ( 异一昱) q 导管二端维持单位压强差时通过导管输运的气体体积， 也在单位压强下测得，表达式如下式： c ：三：j l z 露一只 式中c 硫导： z l 流阻： 只上流端的压强； 只下流端的压强： q 流量 3 1 3 抽速 ( 3 一1 ) 而该气体体积本身 ( 3 - 2 ) 泵是可以抽气的装置。通过它的入口使压强为p 的气体被压缩，并在泵出 口处压缩气体到高于p 的压强。入口压强为p 的泵的抽速s 是该压强p 下度量 的单位时间抽走的气体体积，表达式如下式： 哈尔滨理1 = 大学丁学硕士学位论文 式中s 由速； q 气体流量： p 泵入口压强 3 2 真空泵的选择 s ：垒 p ( 3 3 ) 每l o o g 铝液中含0 2 m l 氢气被认为是合格的。我们可根据西华特定理估 算一下纯铝7 0 0 c 时的真空度，在式2 1 中，c f ( t ) 描述纯铝中溶解度随着温度 的改变而变化的情形，在7 0 0 c 时为1 。合金校正因素c f ( a ) 描述溶解度随化 学组分的变化而变化，纯铝为l 。溶解度常数s o 在纯铝7 0 0 c 时为 0 9 2 m l 1 0 0 9 将这些数据代入式2 - 1 中可估算得到此时的吃的数量级为1 0 3 m p a ( 7 5 t o r 0 ，处于中真空范围。考虑实用性和经济性，我们选择了罗茨泵 h 删。 3 2 1 罗茨泵 罗茨泵( 也称为罗茨鼓风机) 在真空工艺过程中广泛地被应用。罗茨泵同前 级泵( 滑阀泵、水环泵及其它) 组合，能使工作压强范围进入中真空( 1 托至1 0 3 托) ，如果两级罗茨泵串联，甚至可以进入高真空。罗茨泵的工作原理允许制 成容量很大的抽气设备0 0 0 0 0 m 3 h 以上) 。例如，在相同的工作压力范围内与 水蒸汽喷射泵比较，常常是经济的。罗茨泵( 见图3 1 ) 是属于容积泵，、在泵壳 里两个形状对称的转予以相反方向而旋转。两个转子的截面积近似八字形且由 齿轮驱动而同步回转，因此，经过机壳内壁运动时彼此不接触。转子与机壳及 转子之间的间隙有十分之几毫米。因此，罗茨泵能在没有机械磨损情况下高速 运行。 它们几乎对脏物不敏感。被抽气体可能通过间隙返扩散，但其返扩散量在 压力较低时是不大的，因为雷诺数随着压力增加而正比地增加，所以在低压下 如同高粘性流体一样，雷诺数是小的。转子与泵壳之间的间隙流阻越大，则罗 茨泵的有效压缩比越高。即： 翰= 篝 ( 3 柳 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 式中0 罗茨泵排出压力( 反压力) ； p 罗茨泵吸入压力 依据泵中间隙量大小。排出压力在0 4 - 2 托之间时，压缩比达到最大值； 在较低压力下，因返扩散的影响，使其压缩比减少，在高压力下，最大压缩比 至多达3 ：1 。单级罗茨泵在l 托压力下，压缩比可达5 0 ：1 。甚至更高些。因 此，罗茨泵在操作方法方面与气镇泵以及蒸汽泵有重要区别：气镇泵不受约束 地从吸入压力压缩至大气压力，蒸汽泵可压缩全规定的反压力。此外，罗茨泵 的压缩比在变化的压力范围内不是常数。而是取决于吸入压力和反压力。罗茨 泵不能将低于3 0 0 托的吸入空气压缩至大气压力。因此，前级泵必须相继将气 体压缩至大气压力。 转子 泵壳内壁 图3 - 1 单级罗茨泵的剖面图 f i g 3 - 1t h es e c t i o n a lv i e wo f s i n g l er o o t sp u m p 3 2 2 罗茨泵特性 经过罗茨泵抽除的有效气流量为： = 统一q 式中鲂经过罗茨泵的有效气流量； 瓯当罗茨泵无泄漏时所能达到的理论抽气气量； ( 3 - 5 ) 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 9 由泄漏等其它原因返流到高真空侧的气流量 如果珞是罗茨泵腔体的抽气容积，n 是单位时间的转数，那么这两个量的乘积 便是理论抽气速率，也叫着名义抽速。 瓯= n x k( 3 - 6 ) 通常醣的单位是m 3 h 。如果只是吸入压力，那么罗茨泵的理论抽气量由下式 给出： 绋= 只= 只屹( 3 7 ) 损失的气流量绋的一部分g ，是与经过没有被密封的间隙的返流量有 关，这些间隙指转予间以及转子与泵壳间的间隙。如果l 是这些间隙的通导， 乃是罗茨泵排出侧的压力，于是由下式给出： 9 ，= 三( 昂一只) ( 3 8 ) 当转子非常快速旋转时，不是所有被抽气体分子都被排到高压侧。当转子 迸一步旋转，这些没有被排到高压侧的气体分子又返回到高真空侧。况且因为 转子在高压力侧所携带的气体，当转子转到高真空侧时又解吸出来，这也引起 返扩散。而且，转子上的凹槽也会引起返扩散。所有这些影响被称为“有害返 扩散”g ，g 引起气体损失量的另一部分： g ：= g = s x 昂( 3 - 9 ) 综合方程5 9 ，罗茨崩的有效抽气量为： = 只= 只瓯一l x ( p r 一只) 一母昂 ( 3 - 1 0 ) 由这个方程式引出了仅次于名义抽速的另一个罗茨泵重要特性一最大压缩 比瓦一。当罗茨泵的抽气量为零时，压缩比硒达到最大值一；在实践 中，用盲板将罗茨泵的进气口堵死，这个最大压缩比便可实现。用可调的漏气 阀改变反压力昂的方法来变化压缩比蜀。 当鳓= o 时，3 - 4 式变为下面形式： 哈尔滨理_ t 大学t 学硕士学位论文 k o m = p v = 等 p l 值与& 比较可以忽略，于是这个关系式可简化为： c o 。= 警 ( 3 1 2 ) ) 十l 在较高压力条件下( 昂 1 0 托) ，有害的返扩散以及母，可以忽略，在低压 5 咐( p v 1 ，所以罗茨泵的有效抽速必大于前级泵的抽速。考 虑方程3 1 0 ，有下面关系。 ， = 昂x s , = 只x s , 一l x ( 弓一只) 一昂母 ( 3 - 1 6 ) 式中符号的意义见方程3 1 0 ，根据上式，有效压缩比的倒数由下式给出： 吉= = 南+ 嚣 乃 k 前耳s m + ls m + l 、。 而且，l 与& 比较可以忽略，所以方程3 - 1 7 的第一项表示了理论压缩比的倒 数。 如= 孚 ( 3 1 8 ) ) ， 而第二项表示了最大压缩比k 一。( 抽气量为零时) 的倒数。故： 忐= 百1 + 之 p ， 一十 i 1 v - k * x k 、 罗茨泵机组的有效抽气速率5 刍与罗茨泵的理论抽气速率瓯比值定义为容积效 率t 1 。由方程4 、1 4 、1 8 和1 9 ，1 1 很容易表示为： 节：誓：譬：将(3-20)1r ? k 电k 电+ o 啦强i k 幽 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 为了能够得到罗茨泵机组最好的效率，比值等不应太小。为了选择适 当的匹配方案，对任何实际应用都应逐个做实验。罗茨泵机组常常应用于使其 罗茨泵与前级泵的理论抽速之比大约为5 ：1 的条件下。 3 2 6 罗茨泵抽气速率的确定 等式= 叩瓯表示了罗茨泵的有效抽速，其值等于容积效率t 1 与名义抽 速瓯的乘积。在给出前级泵的抽气速率特性，理论压缩比蚝罗茨泵和前级泵 的抽气速率值以及压缩比k 一( 气流量为零时) 同反压力的关系之后，任何一个 罗茨泵组合的抽气速率特性便可逐点地描绘出来。如咒r a c w a l 0 0 0 罗茨泵的组 合。 a ) 同单级滑阀泵e 2 5 0 ( 无气镇装置) 的组合。 b ) 同单级滑阀泵e 7 5 ( 无气镇装置) 的组合。 3 2 7 泵组合抽气速率的计算 本装置可选择毛c w a l 0 0 0 e 2 5 0 ( 没有气镇) 和咒。w a l 0 0 0 e 7 5 ( 没有气镇) 的泵组合。 罗茨泵置。，w a l 0 0 0 的= 1 0 0 0 m 3 h l 0 0 0 2 5 滑差= 9 7 5 m 3 h 。上述 的大致程序同样也适用于由旋转泵作为前级泵的同几个罗茨泵组合的装置中。 根据相应程序，首先确定前级泵加上第一个罗茨泵的抽气特性，而后把这个组 合作为第二个罗茨泵的前级泵，等等。当然，必须知道组合中的所有罗茨泵的 理论抽速和测得的压缩比如一( 作为反压力的函数) 。如早已叙述那样，最适合 的组合方案应根据真空工艺过程的要求去选择。 3 2 8 特殊连接 不仅压缩比k 和容积效率t 1 取决于入口压力，同样压缩功也取决于入口压 力。在中真空范围，压缩功是小的，但当压力增加超过1 0 托，压缩功却显著 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 地增加，这导至能量消耗多，从而使泵温升高。在反压力与吸入压力之间的最 大压力差0 一只不应超过5 5 托( 在连续工作中) 通常在短时问内，可以超过这个 压力差。 尤其在抽空大容器或处理大载荷的气体或蒸汽时，罗茨泵不可避免地要长 时间运转在粗真空范围。 在这样条件下，一方面要使所选的电机容量大于低压力下工作时所需的电 机容量，此外，由于大压缩功的影响，罗茨泵的转子比泵壳受到强烈地加热。 因热传导不充分，罗茨泵转子的热膨胀大于枫壳的热膨胀而可能卡死。因此， 必须采取下列措施进行保护： 1 只有当达到低的压力时，即大约用一般气镇泵已经将被抽容器抽至几个 托时才能接通罗茨泵。接通罗茨泵的允许压力是这样计算的：在排气侧与吸入 侧之间的压力差( 0 一只) 不应超过5 5 托：罗茨泵与前级泵譬如按1 0 ：1 分段， 现在如果吸入压力大约为l o 托，那么根据己确定的压缩比一有效压缩比 x 。= 昂只= 7 ，便可得到。由此可见：如果泵接通压力是1 0 托，则反压力 为7 0 托而起动罗茨泵是太高了( b 一只= 6 0 托 5 5 托) 。只有反压力为6 4 托时 才不会超过最大压力差。在上述例子中，吸入压力超过1 0 托，所以罗茨泵不 能工作。 2 在罗茨泵的旁通管路上设有压力调节阀。因为这个旁通管路保证压缩比 不能太高，从而保证了罗茨泵的排气侧与吸气侧间的某个临界压力差( 对于我 们的泵，一般为5 5 -