CN111289404B - 铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法 - Google Patents

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CN111289404B CN202010181494.3A CN202010181494A CN111289404B CN 111289404 B CN111289404 B CN 111289404B CN 202010181494 A CN202010181494 A CN 202010181494A CN 111289404 B CN111289404 B CN 111289404B
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Abstract

本发明涉及一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，属于铸造和冶金领域，本发明解决了此前动态呼吸法测氢装置结构复杂、检测时间偏长、应用不方便、制造和使用成本高的问题。本发明构建熔体氢分压检测系统，空载运行以测定变容真空单元特性参数，电动推杆驱动第一气缸和第二气缸增容抽取动态呼吸法测氢所需真空度，比较变容真空室内气体压强与迭代计算理论压强和真空室特性参数之和以判断扩散是否结束并求解熔体氢分压，通过气缸变容即可提供动态呼吸法测氢装置所需负压，在变容真空室增容抽取真空的同时完成铝合金熔体氢分压检测，在免用真空泵和氢气瓶的条件下实现氢分压快速检测。

Description

铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，属于铸造和冶金领域。
背景技术
铝合金熔体含氢量对铝合金铸件质量具有重要影响，在熔炼现场对铝合金熔体含氢量实施快速检测，依据检测结果决定熔体炉前处理方案，严格控制铝合金熔体含氢量，对提高产品质量、降低废品率和降低生产成本具有重要意义。铝合金熔体含氢量检测方法大体可分两大类，一类是通过测定熔体氢分压，利用西华特定律计算含氢量，另一类是通过某些与熔体含氢量相关联的信息参数的测定，间接评价熔体含氢量。迄今为止，检测原理比较成熟、应用比较多的是第一类方法，其中惰性气体循环法是最具代表性的熔体氢分压测定方法。为了克服惰性气体循环法检测时间偏长的缺点，我国铸造工作者发明了铝合金熔体氢含量动态呼吸快速检测方法及装置，该方法利用真空室、真空泵和氢气瓶组合构成变容真空单元，为测氢装置提供超值负压，在真空室减容(气缸活塞回程)过程中检测熔体氢分压，进一步研究发现，超值负压和回程检测在一定程度上制约了动态呼吸法优势的极致发挥，利用真空室、真空泵和氢气瓶组合的变容真空单元结构复杂，安装及维护成本高，且操作不方便。
因此，本发明提出一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，只通过气缸变容即可提供动态呼吸法测氢装置所需负压，在气缸气室增容抽取真空的同时完成铝合金熔体氢分压检测，在免用真空泵和氢气瓶的条件下，使测氢装置结构大为简化，不仅提高了氢分压检测速度，而且降低了装置生产和应用成本。
发明内容
本发明解决了此前动态呼吸法测氢装置结构复杂、检测时间偏长、应用不方便、制造和使用成本高的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，包括以下步骤：
步骤一：构建熔体氢分压检测系统，第一气缸、位移传感器、电动推杆和第二气缸固定在固定底板上，第一气缸的输出端、位移传感器的伸缩端、电动推杆的输出端和第二气缸的输出端的上部固定连接有刚性横梁，第一气缸和第二气缸位于电动推杆和位移传感器的两侧，位移传感器的输出信号和电动推杆输出端动作控制信号均与计算机测控单元相连，第一气缸和第二气缸的气室通过连接管路经扩散气体恒温单元与探头连接，第一气缸和第二气缸的气室通过连接管路与真空室压力传感器连接，真空室压力传感器与计算机测控单元相连，熔体温度传感器放置于被测熔体内，熔体温度传感器与计算机测控单元连接，第一气缸的气室、第二气缸的气室和连接管路组成真空室；
步骤二：空载运行以测定变容真空单元特性参数Δpc，在第一气缸和第二气缸容积为最小的状态下，阻断探头与管路的连接，计算机测控单元发出指令，启动电动推杆，电动推杆的输出端通过刚性横梁驱动第一气缸输出端和第二气缸输出端向上运动，使第一气缸的气室和第二气缸的气室匀速增容，同时以第一气缸输出端和第二气缸输出端位移1mm为步长，同步采集位移传感器和气压传感器的输出数据，直至第一气缸的气室和第二气缸的气室变容至最大容积，重复以上步骤，得出的每组数据计算平均值后，以表格形式存入指定单元，作为该变容真空单元特性参数以备铝合金熔体氢分压检测时调用，重复步骤得出的数据要排除明显与其他数据偏差过大的一组数据再进行数据计算得出平均值；
步骤三：电动推杆驱动第一气缸和第二气缸增容抽取动态呼吸法测氢所需真空度，在第一气缸的气室和第二气缸的气室容积为最小的状态下，将探头浸入被测熔体，计算机测控单元发出指令，启动电动推杆，电动推杆的输出端通过刚性横梁驱动第一气缸输出端和第二气缸输出端向上匀速运动，第一气缸的气室和第二气缸的气室匀速增容，第一气缸的气室和第二气缸的气室内气体压强渐低，实验证明，采用电动推杆驱动使第一气缸的气室和第二气缸的气室变容后，最高可以达到10kPa级真空度，满足动态呼吸法测氢需要；
步骤四：在第一气缸和第二气缸增容进程中同步动态计算第一气缸的气室和第二气缸的气室内气体理论压强和监测实际压强，在第一气缸和第二气缸增容进程中，位移传感器伸缩杆同步伸出，气体压力传感器同步监测真空室内压强变化，随着真空室内压强降低，被测熔体中的氢随即向真空室扩散，第一气缸输出端和第二气缸输出端每伸长一个步长，计算机测控单元将根据上次存储的实测压强值PxcH，位移传感器输出数据Δlx，依据
Figure BDA0002412673290000021
计算P′xcH，同时要检测本次真空室内气体实际压强P″xcH；
步骤五：通过比较本次实测第一气缸的气室和第二气缸的气室内气体压强与迭代计算理论压强和真空室特性参数之和判断扩散是否结束并求解熔体氢分压，计算机测控单元依据P′xcH+Δpc＝P″xcH，将本次实测第一气缸的气室和第二气缸的气室内气体压强P″xcH与本次计算理论压强P′xcH和真空室特性参数Δpc之和进行比较，如果(P′xcH+Δpc)等于或大于P″xcH，则认定本次实测第一气缸的气室和第二气缸的气室内气体压强即为被测熔体氢分压，如果实测压强值仍然高于理论计算压强与真空室特性参数之和，则需继续迭代，将本次实测压强值存为下次迭代计算理论压强初始值，根据式
Figure BDA0002412673290000031
进行新一轮迭代，直至获得P′xcH+Δpc＝P″xcH所示计算结果。
优选的，所述计算机测控单元包括计算机、模拟信号放大器、继电器、输入/输出接口电路。
优选的，所述固定底板和刚性横梁为高强度和高刚度的材料。
优选的，所述第一气缸的输出端与第一气缸的气室活动连接处安装有密封圈，第二气缸的输出端与第二气缸的气室活动连接处安装有密封圈，连接管路与第一气缸和第二气缸的连接处采用密封圈进行密封。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过电动推杆驱动气缸变容获取测氢所需真空度，免用真空泵和氢气瓶，同时省去多处管路接头，使测试装置结构简化，使测试装置便于操作，减少了安装维护的成本，简化后的测试装置连接处减少，泄露点减少，在减少了密封件使用的前提下提升了测试装置的密封性，使其特性参数Δpc更加稳定，检测效率提高，检测的结果更为准确。
2.本发明在第一气缸的气室和第二气缸的气室获取真空度，被测熔体氢气向第一气缸的气室和第二气缸的气室扩散的过程中，同时检测熔体氢气扩散平衡点，可使动态呼吸法测氢速度进一步提高，通过气压传感器将检测数据传送到计算机测控单元，检测智能且直观。
3.本发明采用动态迭代法计算气体状态变化，以第一气缸的气室和第二气缸的气室内实测压强作为下一步迭代计算时的初始理论压强，第一气缸的气室和第二气缸的气室内已存气体和迭代区间内第一气缸的气室和第二气缸的气室漏气及熔体扩散氢气一并参与迭代计算，并以扩散结束时第一气缸的气室和第二气缸的气室内气体实际压强作为被测熔体氢分压，可最大限度消除密封不严和气体温度变化对熔体氢分压检测结果的影响，从而使检测精度进一步提高。
附图说明
图1是一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法的装置构成简图；
图2是一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法的工作原理简图；
图中1-第一气缸，2-位移传感器，3-电动推杆，4-刚性横梁，5-第二气缸，6-固定底板，7-连接管路，8-真空室压力传感器，9-扩散气体恒温单元，10-探头，11-熔体温度传感器，12-计算机测控单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，包括以下步骤：
步骤一：构建铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测系统，第一气缸1、位移传感器2、电动推杆3和第二气缸5固定在固定底板6上，第一气缸1的输出端、位移传感器2的伸缩端、电动推杆3的输出端和第二气缸5的输出端的上部固定连接有刚性横梁4，第一气缸1和第二气缸5位于电动推杆3和位移传感器2的两侧，位移传感器2的输出信号和电动推杆3输出端动作控制信号均与计算机测控单元12相连，第一气缸1和第二气缸5的气室通过连接管路7经扩散气体恒温单元9与探头10连接，第一气缸1和第二气缸5的气室通过连接管路7与真空室压力传感器8连接，真空室压力传感器8与计算机测控单元12相连，熔体温度传感器11放置于被测熔体内，熔体温度传感器11与计算机测控单元12连接，第一气缸1的气室、第二气缸5的气室和连接管路7组成真空室，此装置免去了真空泵和氢气瓶，同时省去多处管路接头，使测试装置结构简化。
步骤二：空载运行以测定变容真空单元特性参数Δpc，在第一气缸1和第二气缸5容积为最小的状态下，阻断探头10与管路7的连接，计算机测控单元12发出指令，启动电动推杆3，电动推杆3的输出端通过刚性横梁4驱动第一气缸1输出端和第二气缸5输出端向上运动，使第一气缸1的气室和第二气缸5的气室匀速增容，同时以第一气缸1输出端和第二气缸5输出端位移1mm为步长，同步采集位移传感器2和气压传感器8的输出数据，直至第一气缸1的气室和第二气缸5的气室变容至最大容积，重复以上步骤，得出的每组数据计算平均值后，以表格形式存入指定单元，作为该变容真空单元特性参数以备铝合金熔体氢分压检测时调用，重复步骤得出的数据要排除明显与其他数据偏差过大的一组数据再进行数据计算得出平均值；
步骤三：电动推杆3驱动第一气缸1和第二气缸5增容抽取动态呼吸法测氢所需真空度，在第一气缸1的气室和第二气缸5的气室容积为最小的状态下，将探头10浸入被测熔体，计算机测控单元12发出指令，启动电动推杆3，电动推杆3的输出端通过刚性横梁4驱动第一气缸1输出端和第二气缸5输出端向上匀速运动，第一气缸1的气室和第二气缸5的气室匀速增容，第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体压强渐低，实验证明，采用电动推杆3驱动使第一气缸1的气室和第二气缸5的气室变容后，最高可以达到10kPa级真空度，满足动态呼吸法测氢需要；
步骤四：在第一气缸1和第二气缸5增容进程中同步动态计算第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体理论压强和监测实际压强，在第一气缸1和第二气缸5增容进程中，位移传感器2伸缩杆同步伸出，气体压力传感器8同步监测真空室内压强变化，随着真空室内压强降低，被测熔体中的氢随即向真空室扩散，第一气缸1输出端和第二气缸5输出端每伸长一个步长，根据实际需要步长可设定为1mm、2mm或3mm，计算机测控单元12将根据上次存储的实测压强值PxcH，位移传感器2输出数据Δlx，Δlx为用于迭代计算的第一气缸1活动端和第二气缸5活动端的位移步长，依据
Figure BDA0002412673290000051
计算P′xcH，同时要检测本次真空室内气体实际压强P″xcH；
测量开始前，第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内压强为1个标准大气压，第一气缸1的输出端和第二气缸5的输出端位移为0，此时真空室的体积为扩散管路的容积，检测开始后，计算机测控单元12依据理想气体状态方程，动态迭代计算第一气缸1的气室和第二气缸5的气室增容过程中第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体理论压强，实时监测第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体实际压强变化，通过计算理论压强与实际压强连续对比求解被测熔体氢分压，其中px为真空室无任何泄露情况下的第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体压强变化，pxc为真空室有漏气，探头入口全封闭的情况下缸内气体压强变化，pxcH为真空室有漏气，探头浸入被测熔体且有氢气被吸入的情况下缸内气体压强变化，pxcH为以上次实测压强为本次迭代计算的初始理论压强，不计新增漏气和扩散氢气的影响，仅考虑第一气缸1的气室和第二气缸5的气室体积变化引起的缸内气体压强变化；Δlx为用于迭代计算的气缸活塞位移步长；
步骤五：通过比较本次实测第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体压强与迭代计算理论压强和真空室特性参数之和判断扩散是否结束并求解熔体氢分压，计算机测控单元12依据P′xcH+Δpc＝P″xcH，将本次实测第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体压强P″xcH与本次计算理论压强P′xcH和真空室特性参数Δpc之和进行比较，如果(P′xcH+Δpc)等于或大于P″xcH，则认定本次实测第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体压强即为被测熔体氢分压，如果实测压强值仍然高于理论计算压强与真空室特性参数之和，则需继续迭代，将本次实测压强值存为下次迭代计算理论压强初始值，根据式
Figure BDA0002412673290000061
进行新一轮迭代，直至获得P′xcH+Δpc＝P″xcH所示计算结果；
为方便迭代计算，将前一次迭代计算时第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体实测压强记为PxcH，前一次迭代计算时气缸气室与管路合并计算的气体总体积记为VxcH，本次迭代计算时活塞运动位移增值记为Δlx，本次迭代计算时第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内实测气体压强记为P″xcH，气缸活塞截面积为恒定值记为S，在不计外来气体(包括真空室和熔体中扩散的氢气)和气体温度变化的影响，根据理想气体状态方程，任意时刻应有PxcHVxcH＝P′xcH(VxcH+SΔlx)成立，首次迭代区间内P′xcH变化为
Figure BDA0002412673290000062
最终求得
Figure BDA0002412673290000063
令
Figure BDA0002412673290000064
代入
Figure BDA0002412673290000065
首次迭代计算
Figure BDA0002412673290000066
将每一步迭代计算时的实测压强作为下一步迭代计算的初始理论压强(如附图2中锯齿形曲线所示)，第n步迭代计算P′xcH的值，，亦为迭代计算过程中P′xcH值的计算通式
Figure BDA0002412673290000067
迭代计算过程中的理论计算值P′xcH、实测压强值P″xcH与活塞漏气引起的压强回升Δpc、熔体氢气扩散引起的压强回升ΔpH，四者之间存在P′xcH+Δpc+ΔpH＝P″xcH所示关系；
式中P′xcH为每次迭代计算不计真空室漏气所得的计算结果，Δpc为由真空室密封特性决定的参数(一般应为常数)，ΔpH是随熔体状态和迭代过程而变化的参数，P″xcH为每次实测压强值，当第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体实际压强与被测熔体氢分压相等时，熔体内氢气不再向第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内扩散，此时有ΔpH＝0，遂P′xcH+Δpc＝P″′xcH成立；
因此，在每一步迭代计算的比较中，只要本次实测压强P″xcH小于或等于理论计算压强PxcH与真空单元特性参数Δpc之和，即可判断熔体氢气扩散已经结束，本次实测压强即为被测熔体氢分压；
上述迭代计算中未考虑检测过程中第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体温度变化，原因是由探头10进入第一气缸1的气室和第二气缸5的气室的气体首先经过恒温单元9降温处理，吸入的气体对第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体温度几乎没有影响，同时因迭代计算中第一气缸1的输出端和第二气缸5的输出端位移变化微小，每一步长时间间隔很短，因此气体体积变化导致的温度变化很微弱，由此导致的气体压强变化可以忽略，此外，本发明最终以第一气缸1的气室和第二气缸5的气室内气体实际压强与熔体氢分压抗衡作为扩散平衡状态，即使有气体温度对压强的影响因素也已经包含在总压强之中。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，所述计算机测控单元12包括计算机、模拟信号放大器、继电器、输入/输出接口电路，方便数据处理，直观显示。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，所述固定底板6和刚性横梁4为高强度和高刚度的材料，提高位移传感器2测量数据的准确性。
具体实施方式四：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，所述第一气缸1的输出端与第一气缸1的气室活动连接处安装有密封圈，第二气缸5的输出端与第二气缸5的气室活动连接处安装有密封圈，连接管路7与第一气缸1和第二气缸5的连接处采用密封圈进行密封，漏点减少，减少了密封件的使用，增加密封性。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建熔体氢分压检测系统，第一气缸(1)、位移传感器(2)、电动推杆(3)和第二气缸(5)固定在固定底板(6)上，第一气缸(1)的输出端、位移传感器(2)的伸缩端、电动推杆(3)的输出端和第二气缸(5)的输出端的上部固定连接有刚性横梁(4)，第一气缸(1)和第二气缸(5)位于电动推杆(3)和位移传感器(2)的两侧，位移传感器(2)的输出信号和电动推杆(3)输出端动作控制信号均与计算机测控单元(12)相连，第一气缸(1)和第二气缸(5)的气室通过连接管路(7)经扩散气体恒温单元(9)与探头(10)连接，第一气缸(1)和第二气缸(5)的气室通过连接管路(7)与真空室压力传感器(8)连接，真空室压力传感器(8)与计算机测控单元(12)相连，熔体温度传感器(11)放置于被测熔体内，熔体温度传感器(11)与计算机测控单元(12)连接，第一气缸(1)的气室、第二气缸(5)的气室和连接管路(7)组成真空室；
步骤二：空载运行以测定变容真空单元特性参数Δpc，在第一气缸(1)和第二气缸(5)容积为最小的状态下，阻断探头(10)与管路(7)的连接，计算机测控单元(12)发出指令，启动电动推杆(3)，电动推杆(3)的输出端通过刚性横梁(4)驱动第一气缸(1)输出端和第二气缸(5)输出端向上运动，使第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室匀速增容，同时以第一气缸(1)输出端和第二气缸(5)输出端位移1mm为步长，同步采集位移传感器(2)和真空室压力传感器(8)的输出数据，直至第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室变容至最大容积，重复以上步骤，得出的每组数据计算平均值后，以表格形式存入指定单元，作为该变容真空单元特性参数以备铝合金熔体氢分压检测时调用，重复步骤得出的数据要排除明显与其他数据偏差过大的一组数据再进行数据计算得出平均值；
步骤三：电动推杆(3)驱动第一气缸(1)和第二气缸(5)增容抽取动态呼吸法测氢所需真空度，在第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室容积为最小的状态下，将探头(10)浸入被测熔体，计算机测控单元(12)发出指令，启动电动推杆(3)，电动推杆(3)的输出端通过刚性横梁(4)驱动第一气缸(1)输出端和第二气缸(5)输出端向上匀速运动，第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室匀速增容，第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室内气体压强渐低，实验证明，采用电动推杆(3)驱动使第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室变容后，最高可以达到10kPa级真空度，满足动态呼吸法测氢需要；
步骤四：在第一气缸(1)和第二气缸(5)增容进程中同步动态计算第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室内气体理论压强和监测实际压强，在第一气缸(1)和第二气缸(5)增容进程中，位移传感器(2)伸缩杆同步伸出，真空室压力 压力传感器(8)同步监测真空室内压强变化，随着真空室内压强降低，被测熔体中的氢随即向真空室扩散，第一气缸(1)输出端和第二气缸(5)输出端每伸长一个步长，计算机测控单元(12)将根据上次存储的实测压强值PxcH，位移传感器(2)输出数据Δlx，依据
Figure FDA0002412673280000021
计算P′xcH，同时要检测本次真空室内气体实际压强P″xcH；
步骤五：通过比较本次实测第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室内气体压强与迭代计算理论压强和真空室特性参数之和判断扩散是否结束并求解熔体氢分压，计算机测控单元(12)依据P′xcH+Δpc＝P″xcH，将本次实测第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室内气体压强P″xcH与本次计算理论压强P″xcH和真空室特性参数Δpc之和进行比较，如果(P′xcH+Δpc)等于或大于P″xcH，则认定本次实测第一气缸(1)的气室和第二气缸(5)的气室内气体压强即为被测熔体氢分压，如果实测压强值仍然高于理论计算压强与真空室特性参数之和，则需继续迭代，将本次实测压强值存为下次迭代计算理论压强初始值，根据式
Figure FDA0002412673280000022
进行新一轮迭代，直至获得P′xcH+Δpc＝P″xcH所示计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，其特征在于：计算机测控单元(12)包括计算机、模拟信号放大器、继电器、输入/输出接口电路。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，其特征在于：固定底板(6)和刚性横梁(4)为高强度和高刚度的材料。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金熔体动态呼吸法测氢装置用氢分压快速检测方法，其特征在于：第一气缸(1)的输出端与第一气缸(1)的气室活动连接处安装有密封圈，第二气缸(5)的输出端与第二气缸(5)的气室活动连接处安装有密封圈，连接管路(7)与第一气缸(1)和第二气缸(5)的连接处采用密封圈进行密封。
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