CN101813595A - 铝合金熔体含氢量快速测定装置 - Google Patents

Abstract

铝合金熔体含氢量快速测定装置，目前用于测定铝合金熔体含氢量的方法大多要通过测定铝合金熔体氢分压，利用公式计算熔体含氢量。为了准确测得氢分压，必须有足够的测试时间以确保熔体中的氢向外充分扩散，随着氢分压梯度不断下降，其扩散动力越来越弱，直接影响测试速度。本发明的组成包括：真空系统(11)、变容驱动单元和对两者进行控制的数据采集处理系统，所述的真空系统中真空泵通过管路连接氢气瓶(8)，真空管路上连接有可变容真空室(2)，所述的可变容真空室连接有微压差传感器(1)。本发明用于铝合金熔体含氢量的快速测定。

Description

铝合金熔体含氢量快速测定装置

技术领域：

本发明涉及的是冶金和铸造领域，具体的是根据铝合金熔体氢分压的快速测定方法，相应的提出一种新的铝合金熔体含氢量快速测定装置。

背景技术：

含氢量是评价铝合金熔体质量的重要参数之一，熔体中的氢对凝固后铝件的塑性、韧性、疲劳寿命、应力腐蚀抗力等力学性能具有显著的破坏力。因此，准确测定铝合金熔体中的氢含量，可为后续除气工艺的选取提供重要的依据。

由于氢分压与含氢量间存在着最便捷可靠的转化关系，所以目前用于测定铝合金熔体含氢量的方法大多要通过测定铝合金熔体氢分压和利用公式计算来实现。为了准确测得氢分压，必须有足够的测试时间以确保熔体中的氢向外充分扩散，随着氢分压梯度不断下降，其扩散动力越来越弱，直接影响测试速度。这也是这类方法难以克服的不足。

发明内容：

本发明的目的是提供一种铝合金熔体含氢量快速测定装置，本测氢装置以“动态测定氢分压”为理论依据，突破以往测试装置的静态平衡测量方式，实现了动态中捕捉静态指标。开发一种新型的铝合金熔体炉前快速测氢装置，使铝合金熔体含氢量在线快速检测成为现实。

上述目的通过以下技术方案实现：

铝合金熔体含氢量快速测定装置，其组成包括：真空系统、变容驱动单元和对两者进行控制的数据采集处理系统，所述的真空系统中真空泵通过管路连接氢气瓶，真空管路上连接有可变容真空室，所述的可变容真空室连接有微压差传感器。

所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，所述的变容驱动单元，包括电动机及低传动比的减速传动机构。

所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，所述的数据采集处理系统，包括所述的微压传感器、热电偶和PC机，所述的热电偶通过导线连接PC机，测试时热电偶插入被测熔体中，所述的PC机通过导线连接所述的微压差传感器。

所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，所述的真空系统，还包括真空阀门组、恒温槽、隔离单元、探头及连接管路，所述的真空泵与所述的探头之间的连接管路经过恒温槽，在所述的恒温槽与所述的探头之间的管路段有隔离单元，所述的探头为高灵敏度探头，测试时该探头插入被测熔体中。所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，所述的电动机功率为370瓦、转速为1400转/分，所述的低传动比的减速传动机构减速比为5∶2。

本发明的有益效果：

1.现有测氢仪实测时间多为10到30分钟，由于采用动态测定氢分压原理，本发明获取熔体氢分压的测试时间仅为0.3分钟到0.7分钟之间，符合现场快速测量的实际要求。

2.本发明可重复性好，最终的实验结果与日本KZCH-1型快速自动测氢仪同步测量的检测结果相差小于0.03ml/100g，符合仪器测量精度要求，测量结果稳定。

3.本发明自动化程度高，操作方便。

4.简捷的机构设计可降低仪器制造成本。

上述结果和同期所做大量实验证明，系统不仅可以精确测定液态合金含氢量，还可为研究液态合金吸气特性提供大量有用信息，而且具有较好的后续功能可扩展性。

5.本发明要求密封良好的可变容真空室，因为漏气现象可使测量值相对真实值偏高，甚至无法获得；本发明特选大功率电机，功率过小无法驱动可变容真空室进行连续稳定的变容动作；本发明指定低传动比减速传动机构，足以减小电机震动及转子单周期内转速不均对真空系统产生的干扰；本发明采用高灵敏的气路控制元件，避免阀门控制延时对动态测量产生影响。这样设计的优点是，可以产生连续、稳定、可重复的气压变化场，以保证真空系统内存在某一确定的气压“主动”变化规律。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明气路控制单元的示意图。

具体实施方式：

实施例1：

铝合金熔体含氢量快速测定装置，其组成包括：真空系统、变容驱动单元和对两者进行控制的数据采集处理系统，所述的真空系统中真空泵11通过管路连接氢气瓶8，真空管路上连接有可变容真空室2，所述的可变容真空室连接有微压差传感器1。

所述的变容驱动单元，包括电动机及低传动比的减速传动机构。所述的电动机功率为370瓦、转速为1400转/分，所述的低传动比的减速传动机构减速比为5∶2。

所述的数据采集处理系统，包括所述的微压传感器、热电偶12和PC机7，所述的热电偶通过导线连接PC机7，测试时热电偶插入被测熔体15中，所述的PC机通过导线连接所述的微压差传感器。

所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，所述的真空系统，还包括真空阀门组、恒温槽10、隔离单元8、探头及连接管路，所述的真空泵与所述的探头之间的连接管路经过恒温槽，在所述的恒温槽与所述的探头之间的管路段有隔离单元，所述的探头为高灵敏度探头，测试时该探头插入被测熔体15中。

所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，所述的变容驱动单元还包括行程开关4、6.

工作原理：

在一个恒温密闭容器中的气体，其压强和体积之间的关系遵从克拉柏龙方程。如果在气体容积变化过程中，容器不再密闭(充气或放气)，则容器内压强与体积之间的关系将遭到破坏。在某一时刻对应某一体积的实际气体压强将偏离此时的理论压强值，偏离程度用ΔP来表示。对于铝合金熔体氢含量测定系统而言，如果将变容真空室通过探头与熔体连通，相当于变容真空室的密闭条件被破坏。利用ΔP作判据，ΔP大于零，说明熔体中的氢向真空室扩散，ΔP小于零，说明真空室中的氢向熔体中扩散，ΔP等于零说明双向扩散达到动态平衡，此时真空室内压强即为熔体氢分压。将快速测得的氢分压代入经验公式即可立即获得熔体氢含量。

元件选择：

可变容真空室：(1)确定真空室具体容积。实验发现，当容积过小时环境对系统的影响成指数增加；容积过大时系统灵敏度降低。(2)合理的变容速度。当可变容真空室选定后，微压差传感器的灵敏性对测量起决定性作用，变容速度存在最大值，过快则无法实现测量。(3)调节真空室内初始压强达到最佳。本发明采用容积为40＊200的活塞式气缸作为变容气室，结合减速传动机械机构建立密闭的可变容真空系统，二者配合实现真空室容积的连续平缓调节。根据实际变容耗能及力矩要求，电机3选用功率为370瓦、转速为1400转/分；设计减速传动机构5选用减速比为5∶2的齿轮链条结构，主从齿轮共面。其中主动齿轮为小齿轮，轴与电动机刚性连接。从动齿轮为大齿轮，轴心位置被机架上下夹紧。气缸导杆末端的丝杠穿过大齿轮，且与齿轮内孔螺纹配合。当电动机工作时，可通过减速传动机构驱动导杆上下运动，进而带动气缸改变容积；压力变送器1与真空室2直接相连，用于实时监测真空室内压力变化，微压差传感器选用量程为0-105Pa，精度为0.05％，输出电流范围为4-20mA；温度传感器12与探头13同时放入待测熔体内，用于实时监测熔体温度；本装置还配置真空泵及氢气瓶；真空室与探头、氢气瓶、真空泵之间分别装有高灵敏度的真空阀门，以控制其气路通断。

气路控制设计如图2所示，阀门A控制氢气瓶8对可变容真空室2的充气动作。阀门B控制真空泵11对可变容真空室2的抽气动作。阀门C控制真空泵11对探头13及其管路抽真空。阀门D控制探头及真空室间的通路开关。当阀门A、B、D均关闭时，只有真空泵及阀门C开启，可单独对探头及其管路部分抽真空。这样设计可使阀门D打开后真空系统内仍旧保持较高的气体介质纯净度；设计安置全套电气控制电路系统，配合精密传感器及真空阀门组等，控制真空系统的各部件间气路开关，压力传感器与温度传感器输出的信号均送入数据采集与处理单元。数据采集与处理单元包括信号调理电路、模/数转换模块、串行通讯接口和工业控制计算机等。信号调理电路的作用是将热电偶的输出信号作初步放大处理，以满足数据采集模块的入口要求。数据采集模块将温度、压力信号以串行总线方式经通信接口模块传至计算机，由计算机完成各种计算和判别，实现全过程各部分连动动作的自动控制及数据实时采集处理运算；在系统中，设置了隔离单元，隔离单元9位于探头13及恒温槽10之间，采用透气、耐高温材质制成，对系统管路起保护作用，防止探头产生裂纹时铝液被吸入真空系统内；设置恒温槽的目的是保证真空室内气体介质在恒温下变容，以提高测试精度。

通过以上装置，减小真空室的容积使系统内的真空度逐渐降低，促使真空室内压强尽快接近熔体氢分压。在真空室内压强逐渐升高的过程中动态监测室内实际压强值和计算理论压强值与实际压强值的差值，时时将计算得出的氢分压值代入相应Sieverts定律公式计算出含气量，最终使得“铝合金熔体氢分压快速测定新方法”在实际生产中得以应用。

二、需要对仪器压力传感及探头设计作如下要求。1)选用的微压差传感器精度要求为：a)能精确测试出真空系统内压力的微小变化，偏差小于10Pa；b)线性度好，漂移量小；c)工作稳定性高，抗干扰能力强，工作环境允许温度范围宽。2)探头是构成真空室和铝熔体之间的“吸氢”和“呼氢”通道的要塞，要求其具有足够的热稳定性、高温机械强度和适中的透气率，以确保插入熔体中不分解、不产生气体和透气不透液。这样设计的优点是，具有抗干扰、高灵敏、高精度的微压差捕捉手段，以保证任何细微的“外界干扰”都能被一一捕捉。以上两点是为了满足动态测量理论的两大核心前提条件，无论忽略了那一点都会直接影响到最终的准确测量结果。

Claims (5)

1.一种铝合金熔体含氢量快速测定装置，其组成包括：真空系统、变容驱动单元和对两者进行控制的数据采集处理系统，其特征是：所述的真空系统中真空泵通过管路连接氢气瓶，真空管路上连接有可变容真空室，所述的可变容真空室连接有微压差传感器。

2.根据权利要求1所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，其特征是：所述的变容驱动单元，包括电动机及低传动比的减速传动机构。

3.根据权利要求1所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，其特征是：所述的数据采集处理系统，包括所述的微压传感器、热电偶和PC机，所述的热电偶通过导线连接PC机，测试时热电偶插入被测熔体中，所述的PC机通过导线连接所述的微压差传感器。

4.根据权利要求1或2或3所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，其特征是：所述的真空系统，还包括真空阀门组、恒温槽、隔离单元、探头及连接管路，所述的真空泵与所述的探头之间的连接管路经过恒温槽，在所述的恒温槽与所述的探头之间的管路段有隔离单元，所述的探头为高灵敏度探头，测试时该探头插入被测熔体中。

5.根据权利要求2所述的铝合金熔体含氢量快速测定装置，其特征是：所述的电动机功率为370瓦、转速为1400转/分，所述的低传动比的减速传动机构减速比为5∶2。

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