Новый метод контроля содержания водорода в алюминиевых сплавах

Вступление

Растворенный водород и, как следствие, пористость в отливках являются большой проблемой для алюминия и его сплавов. Причина этой проблемы - склонность жидкого алюминия к взаимодействию с влагой:

2 Al + 3 H₂O = Al₂O₃ + 3 H₂

Растворимость водорода в жидком алюминии значительно выше чем в твердом, соответственно, водород выделяется в процессе кристаллизации и формирует в отливках газовую пористость.

Заказчики литья (в частности автомобильная промышленность) постоянно повышают требования по качеству литых компонентов, поэтому литейным предприятиям приходится повышать и более точно контролировать качество подготовки расплава.
На практике, для снижения уровня водорода в сплаве ниже допустимого предела большинство коммерческих предприятий выпускающих литые заготовки из алюминиевых сплавов, применяют дегазацию. Обычно для каждой типовой отливки и технологического процесса существует собственный оптимальный уровень водорода в расплаве, и для достижения постоянства качества изделий особенно важным является непрерывный контроль содержания растворенного газа.

Для определения содержания водорода разработано множество методов, тем не менее, ни один из них не позволяет оперативно и точно определять содержание водорода в расплаве до, во время и после операции дегазации. Безусловно существуют методы способные точно измерить содержание водорода, но эти традиционные методы или занимают слишком много времени, или проведение анализа в реальном производстве затруднено технически.

Alspek H

Новый прибор состоит из трех основных компонентов: электромеханический датчик, который может определять содержание водорода в газообразной форме; щуп для погружения датчика в расплав; и анализатор, который обрабатывает сигнал поступающий от датчика и рассчитывает содержание растворенного водорода в расплаве.

Датчик

Датчик представляет собой электромеханическое устройство, содержащее твердый электролит цирконата кальция. В определенных условиях, цирконат кальция становится проводником для протонов, что позволяет его использовать в качестве анализатора водорода. Для того, чтобы цирконал кальция работал как датчик, он помещается в оболочку из эталонного материала с известным парциальным давлением водорода. Как только внешняя сторона датчика соприкасается со средой с неизвестным парциальным давлением водорода на контактах датчика возникает разница потенциалов, позволяющая рассчитать это измеряемое парциальное давление.
Основным отличием данного датчика от других подобных устройств является именно то, что он сам содержит твердый эталонный материал и соответственно не требует подключения к внешнему эталонному источнику водорода. Благодаря этому свойству датчика, анализатор на его основе является мобильным и практичным для применения в условиях реального производства.

Щуп

Датчик не может работать в непосредственном контакте с расплавом алюминия, поэтому используется щуп, который защищает датчик и позволяет погружать его в расплав на необходимую глубину. Специальная конструкция щупа предусматривает полость для размещения датчика и пористый экран, который удерживает расплав, но обеспечивает диффузию растворенного водорода к датчику. Схематическое изображения секции щупа с датчиком показано на рисунке 1.

Таким образом, датчик находится в газообразной среде и определяет парциальное давление водорода в полости щупа, находящегося в равновесии с водородом растворенным в расплаве. Расчет содержания растворенного водорода в расплаве производится анализатором по формулам изложенным в законе Сивертса с учетом измеренного пробой парциального давления водорода в полости щупа.

Анализатор

Третьим компонентом, позволяющим использовать прибор Alspek H на практике является анализатор, преобразующий электрический сигнал датчика в числовое значение содержания водорода в расплаве. Сначала анализатор обрабатывает разницу потенциалов датчика и рассчитывает величину парциального давления в контрольной полости щупа. Затем, используя базу данных по величине растворимости водорода в конкретном сплаве, анализатор пересчитывает уровень растворенного водорода и выводит на экран полученное значение в мл/100 г (рис.2). Оба расчета, которые производит анализатор зависят от температуры расплава, поэтому рядом с датчиком на щупе размещена контрольная термопара.

Дополнительно к расчету текущего содержания водорода в сплаве, анализатор также производит запись поступающих данных в журнал, который может экспортироваться на любой ПК для последующей обработки. При проведении непрерывного анализа, журнал может быть распечатан в виде графика, показывающего кривые изменения содержания водорода в реальном времени.
На рисунке 3 показан стандартный комплект Alspek H, включающий щуп со сменным датчиком и анализатор.

Коммерческое оборудование

Для использования в условиях реального производства, прибор-анализатор водорода должен отвечать ряду практических требований:

• минимальное время анализа
• точность измерения
• воспроизводимость результатов замера
• долговечность в среде реального производства
• мобильность

Прибор Alspek H отвечает всем этим требованиям и позволяет проводить контроль содержания водорода до, во время и после дегазации расплава.

Точность датчика

Качество и достоверность каждого измерительного процесса определяется его точностью. Для определения точности прибора Alspek H, контрольный сплав насыщался до определенного парциального давления водорода путем продувки расплава смешанным газом (30% H₂ + 70% N₂). Содержание водорода рассчитывалось по известным данным растворимости водорода в контрольном сплаве. На рисунке 4 представлена типовая кривая данных регистрируемых датчиком.

Воспроизводимость результатов замеров

В литейном производстве важно, чтобы результаты были воспроизводимыми при каждом новом погружении датчика. На рисунке 5 показаны кривые измерения снятые при помощи Alspek H при извлечении и повторном погружении датчика в контрольный расплав.

Сравнение с другими методами контроля водорода

За последние годы разработаны различные методы контроля содержания водорода в расплаве. Поэтому, каждый новый прибор, как Alspek H, должен проходить сравнительную оценку его характеристик по отношению к уже существующим методам.

Наиболее известными приборами для прямого определения содержания водорода в алюминиевых сплавах являются AlScan, Chapel и TYK Notorp. В таблице 1 сведены основные показатели данных приборов и прибора Alspek H.

Из сравнительной таблицы видно, что ввиду более длительного время замера характерного для таких приборов как Chapel, AlScan и TYK, их повседневное использование в литейном производстве не возможно.

Заключение

Благодаря прибору Alspek H, впервые стал возможным экспресс анализ содержания водорода в расплаве в любой момент его подготовки, что чрезвычайно важно для многих отливок, где уровень водорода должен поддерживаться на определенном уровне. Особым преимуществом прибора Alspek H является то, что он может проводить непрерывные измерения даже в процессе дегазации сплава. Показания прибора зависят только от содержания водорода в сплаве. Присутствие других газов как азот или аргон, использующихся при дегазации, не влияет на точность измерения.

Стойкость датчика используемого в Alspek H в 10-20 раз больше чем у традиционных приборов. Это позволяет реже прерывать процесс измерения для замены датчика.

Прибор Alspek H относительно небольшой и портативный, его легко и свободно можно переносить по производственному участку. Длина кабеля соединяющего щуп и анализатор может быть подобрана таким образом, чтобы датчик был непрерывно погружен в расплав раздаточной печи, а анализатор установлен в удобном для контролера месте.

Данная статья демонстрирует, что новый прибор Alspek H является полезным инструментом контроля водорода в условиях возрастающих требований к отливкам. Минимальное время отклика, промышленный дизайн и высокая точность делает Alspek H очень привлекательным устройством для большинства литейных производств выпускающих ответственные отливки из алюминиевых сплавов.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №03 (151) 2013 г.