[发明专利]一种测量铝熔体中氢扩散系数的装置及方法

说明书

一种测量铝熔体中氢扩散系数的装置及方法，括质子导体固体电解质管、陶瓷管支撑体、密封塞、陶瓷片和直流电源；方法为：(1)将铝置于质子导体固体电解质管内，将装置置于电阻炉内；(2)向电阻炉内通入H₂，通入质子导体固体电解质管内；(3)H₂充满后，将质子导体固体电解质管升温至测量温度，金属铝熔化，电极引线底端位于铝熔体内；H₂溶于铝熔体；(4)对质子导体固体电解质管内壁和外壁之间施加电压，氢通过质子导体固体电解质管的外壁析出，记录电流数据值；(5)采用记录的电流数据值计算氢扩散系数D_H。本发明的装置及方法测试灵活，测量速度快，一次测量可得到多组温度下铝熔体中氢的扩散系数，测量结果重现性高，结果精确。

技术领域

本发明冶金设备技术领域，具体涉及一种测量铝熔体中氢扩散系数的装置及方法。

背景技术

氢为铝及铝合金中的有害元素，严重降低铝材的力学性能及可靠性，对铝熔体脱氢是生产高品质铝的关键；氢在铝熔体中的扩散是各种脱氢工艺的重要过程，因此，需要根据不同铝熔体中氢的扩散系数，指导铝熔体脱氢工艺参数的确定，生产高品质铝材。

适用于液态金属的扩散系数测量方法却比较少，常用的方法主要包括：毛细管静液面吸收法、转盘法(溶解速度法)。

所述的毛细管静液面吸收法是测定H₂、O₂及N₂气体在液态金属中扩散系数常用的方法；该方法将内径(1.5～3mm)均匀的毛细管(石英或刚玉)的一端与灵敏的压力计及气体微量气管系统连接，另一端插入液态金属3～4cm；液态金属盛于石英坩埚或刚玉坩埚中，炉管内经过抽空处理后，通以高纯氩气；整个实验过程中，保持气体测量系统和炉管内恒压，金属吸收的气体量可由微量气管随时读出并记录；由于金属液面与气体接触，液态金属表面层中的气体达到饱和；最终根据任意时刻被吸收气体的标准体积与时间的关系，计算扩散系数。

所述的转盘法是在液体中建立一个大大超过自然对流而可定量计算的强制对流；根据物理化学和流体力学原理，一定的流体动力学条件下的液态与固体界面上的边界层厚度及扩散层厚度是一定的，扩散层的厚度与扩散系数、扩散介质的运动粘度和扩散物质构成的固体样品在扩散介质中的转动速度有关；转盘试样在液体中进行对流扩散时，对流扩散方程有准确的解，从而可计算出分子扩散系数。

由上述可知，目前铝中氢扩散系数的测量方法具有实验装置较复杂，实验条件难控制，测量流程长等缺点。

铝熔体成分对氢在铝熔体中的扩散系数影响较大；目前，铝合金种类较多，企业根据客户的需求不断的改变合成成分；现有的铝熔体中氢扩散系数的测量方法实验装置复杂，实验条件难控制，测量流程长，无法满足种类繁多的铝熔体中氢扩散系数的测量需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量铝熔体中氢扩散系数的装置及方法，根据质子导体固体电解质具有氢离子选择性通过的特性，应用质子导体测量铝中氢的扩散系数，将难测量的铝熔体中氢扩散的物质流数据转化为易测量的电流数据；控制测量系统中的速度控制步骤为氢在铝熔体中的扩散(控制装置中氢在其他步骤中的速度均快于氢在铝熔体中的扩散)，电子迁移速度(电流)将与氢在铝熔体中的扩散速度相等，测量电流计算铝熔体中氢的扩散系数。

本发明的测量铝熔体中氢扩散系数的装置包括质子导体固体电解质管2、陶瓷管支撑体5、密封塞9、陶瓷片1和直流电源10；质子导体固体电解质管2底部通过高温粘结剂与陶瓷片1粘接固定，质子导体固体电解质管2顶部的外壁通过高温粘结剂与陶瓷支撑体5底部的内壁粘接固定；陶瓷管支撑体5顶部与密封塞9装配在一起，通气管6和电极引线7穿过密封塞9插入陶瓷管支撑体5内部，密封塞9上还设有出气口8；质子导体固体电解质管2的外壁上固定连接有多孔电极3；电源10的正极与电极引线7连接，负极通过导线与多孔电极3连接，导线上串联有电流表。

上述装置位于电阻炉12内，电阻炉的内部设有进气管14与气源连通。