СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДА В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
METHOD FOR DETERMINATION OF HYDROGEN CONTENT IN ALUMINUM ALLOYS

Изобретение относится к металлургии, в частности к области анализа и определения водорода в алюминиевых сплавах.
Водород, попадающий в расплав алюминия и его сплавов во время плавки и литья, оказывает отрицательное влияние на свойства и структуру изделий и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Поэтому для повышения качества продукции из алюминиевых сплавов необходимо максимально понизить в нем содержание водорода. Для этого необходимо контролировать фактическое содержание водорода как в расплаве, так и в твердом металле на основных операциях металлургического передела. Все это способствует созданию новых методов и приборов аналитического обеспечения технологического процесса литья алюминиевых сплавов, снижение пределов обнаружения, повышение точности и экспрессности при определении водорода.
Известен способ определения содержания водорода в алюминиевых сплавах, включающий отбор расплава, изготовление цилиндрического образца и определение количества содержащегося в сплаве водорода, при этом отбор расплава осуществляют заливкой порции жидкого металла в металлическую изложницу цилиндрического сечения с дальнейшим охлаждением со скоростью 3÷6°C/сек, а изготовление образца производят из литой пробы посредством круговой механической обработки с удалением со стороны литниковой и донной частей поверхностного слоя металла толщиной не менее 0,12Н, где H - высота литой пробы; и удалением слоя металла на остальных поверхностях толщиной не менее 0,05D, где D - диаметр литой пробы; и получением на всех обработанных поверхностях образца параметра шероховатости Ra<1 мкм, затем определение содержания водорода выполняют после нагрева в вакууме механически обработанного образца до температуры 680÷720°C и его последующего расплавления в момент появления на поверхности расплава первых газовых пузырьков водорода с учетом измеряемых значений температуры расплава и давления над расплавленным металлом (Патент №2435160 РФ, МПК G01N 1/10, G01N 25/38. Способ определения содержания водорода в алюминиевых сплавах / А.Ю. Сухих, Г.А. Суслов, В.П. Ефремов (РФ) - №2010124542/28, заявл. 15.06.2010; опубл. 27.11.2011 Бюл. №33).
3
В основе известного способа лежит известный метод определения содержания водорода в жидком металле по выделению первого пузырька в алюминии и алюминиевых сплавах (метод Дарделла - Гудченко) при содержании водорода от 0,05 до 1,0 см на 100 г металла (ГОСТ 21132.0-75), сущность которого состоит в зависимости количества растворенного водорода в жидком металле от парциального давления водорода в газовой фазе над металлом (Непрерывное литье алюминиевых сплавов. В.И. Напалков и др. М.: Интермет Инжиниринг, 2005, с. 325).
Недостатками известного способа являются его длительность и сложность. Для осуществления данного способа требуется изготовление образца из литой пробы посредством круговой механической обработки, что не позволяет обеспечить необходимую воспроизводимость и точность полученных результатов и требует существенных затрат времени и специального оборудования при определении содержания водорода в алюминиевом расплаве.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков, по технической сущности и достигаемому результату является способ определения содержания водорода в алюминиевых сплавах, включающий отбор расплава и его последующую кристаллизацию сразу в двух подогреваемых тиглях: один под атмосферным давлением, а другой под низким давлением, и измерение разности плотностей полученных слитков методом гидростатического взвешивания (Богданова Т.А. Разработка конкурентоспособной технологии литья автомобильных колес из силумина на основе алюминия А7 / Т.А. Богданова: дисс. канд. техн. наук. - Красноярск, 2014. - 155 с.).
Известный способ позволяет по разности плотности полученных образцов оценить содержание водорода в расплаве. Чем меньше разница, тем чище алюминиевый расплав. Однако во время кристаллизации расплава под низким давлением (обычно менее 80 мБар) происходит недостаточно полная экстракция водорода из образца, а при кристаллизации расплава под атмосферным давлением в образце образуется пористость. Все это отрицательно сказывается на точности полученных результатов (Eskin D.G. Application of a plate sonotrode to ultrasonic degassing of aluminum melt. / D.G. Eskin, K. Al-Helal, I. Tzanakis. // J. Mater. Process. Technol. - 222 (2015). - P. 148-154).
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение точности при определении содержания водорода в алюминиевом расплаве.
Для решения поставленной задачи в способе определения содержания водорода в алюминиевых сплавах, включающем отбор расплава, его последующую кристаллизацию сразу в двух подогреваемых тиглях: один под атмосферным давлением, а другой под низким давлением, и измерение разности плотностей полученных слитков, дополнительно во время кристаллизации расплава в тигле под низким давлением на расплав воздействуют ультразвуком, а образец, полученный в тигле под атмосферным давлением, подвергают прессованию в пруток с вытяжкой не менее 5.
По отношению к прототипу имеющиеся у предлагаемого способа отличительные признаки, позволяют получить следующий положительный эффект:
- во время кристаллизации расплава в тигле под низким давлением на расплав дополнительно воздействуют ультразвуком, что позволяет практически удалить весь водород из расплава;
- в процессе прессования слитка, полученного в тигле под атмосферным давлением, на обрабатываемый металл действует всестороннее неравномерное сжатие и при вытяжке более пяти (вытяжка - это отношение поперечных площадей заготовки к пресс-изделию) наблюдается практически полная проработка литой структуры слитка, исчезновение литейной пористости и усадочных раковин, что повышает плотность отпрессованного металла (Баузер М. Прессование. Справочное руководство / М. Баузер, Г. Заузер, К. Зигерт. - М.: «АЛЮСИЛ МВиТ», Москва, 2009. - 918 с.).
Следует отметить, что одним из важнейших источников погрешности при определении содержания водорода в металле является поверхностный водород, величина которого в значительной степени определяет точностные характеристики способа определения водорода в расплаве. Следовательно, для повышения точности способа первостепенное значение имеет качество поверхности подготовленного образца для проведения исследований. Во время прессования, особенно прямым методом, происходит полное удаление поверхностного водорода с наружной поверхности отпрессованного прутка, а все наружные дефекты и загрязнения остаются в пресс-остатке.
Данные отличительные признаки позволяют учесть дополнительное содержание водорода в расплаве алюминия, что приведет к увеличению разности плотностей полученных образцов и обеспечит повышение точности при определении содержания водорода в алюминиевом расплаве.
Наличие в предлагаемом техническом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих ближайший аналог, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности изобретения «новизна».
В процессе поиска по предмету разработки по патентной документации и по научно-технической литературе не выявлено технических решений очевидных для специалиста, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Путем отбора алюминиевого расплава из металлотракта или из миксера расплав разливают в два подогретых тигля (например, вакуумной установки 3VT, см. http://www.lityo.biz/vcd-137-1-1708/goodsinfo.html?print=1) для изготовления проб. При этом во время кристаллизации расплава в тигле под низким давлением на расплав воздействуют ультразвуком, который подается к расплаву, как только включается вакуумный насос. Сразу после кристаллизации слитка, полученного в тигле под атмосферным давлением, его подвергают прессованию в пруток с вытяжкой не менее 5. После прессования отпрессованный пруток отделяют от пресс-остатка. Затем измеряют плотности полученных образцов (например, методом гидростатического взвешивания с помощью специализированных весов MK 2200 см. http://www.lityo.biz/vcd-137-1-1707/GoodsInfo.html). Далее определяют плотности образцов исследуемого алюминиевого сплава, полученные при атмосферном давлении и при пониженном давлении (вакууме):
B
Ж
где m и m - масса образца на воздухе и в жидкости соответственно;
Ж
γ - плотность жидкости (обычно дистиллированная вода).
Следует отметить, что при отборе пробы из расплава металла основным требованием является сохранение водорода в твердом образце в том же количестве, что и в расплаве. Поэтому для получения достоверных результатов охлаждение расплава в тигле необходимо производить с регламентированной скоростью. Скорость кристаллизации 3÷6°C/сек позволяет исключить процесс выделения водорода из расплава путем диффузии при затвердевании расплава. Полученная разность плотности образцов соответствует содержанию водорода в расплаве.
Пример. Для сравнения точности при определении содержания водорода в алюминиевом расплаве с использованием предлагаемого способа и известного производили отбор на одном из предприятий ОК «РУСАЛ» во время плавки сплава 1XXX серии. Отливался слиток размером 600×1750×4700 мм общей массой 45 тонн. Приготовление и литье слитка производилось с обязательным применением дегазационной установки SNIF; фильтрация осуществлялась через трубчатый металлофильтр PTF (Mitsui) и пенокерамический фильтр ПКФ. Отливка слитка проводилась через распределитель металла Combo-Bag, модифицировали расплав прутковой лигатурой Al-Ti-B после выходного портала PTF (Mitsui) из расчета 1÷2 кг/т. Во время подачи расплава по металлотракту из миксера перед литейной машиной производился отбор проб массой около 80 грамм для анализа содержания водорода в расплаве по предлагаемому и известному способам. Для исследования использовали одну и ту же вакуумную установку 3VT. Алюминиевый расплав разливали сразу в два подогретых тигля вакуумной установки 3VT для изготовления проб для определения разности плотностей образцов. Во всех случаях время кристаллизации расплава в тиглях составляло не менее 4 минут, что соответствовало скорости охлаждения расплава 3÷6°C/сек. Сначала определяли разность плотностей расплава по известному способу, а затем по предлагаемому. Во время кристаллизации расплава в тигле под низким давлением (не более 80 мБар) на расплав воздействовали ультразвуком частотой 20 кГц, который создавался с помощью установки ультразвуковых колебаний (УЗК), состоящей из ультразвукового генератора с воздушным охлаждением, конвертером из пьезокерамических кристаллов цирконата-титаната свинца (ЦТС), усилителя, ресивера, акустического излучателя для передачи ультразвуковых колебаний в расплаве алюминия. Датчик УЗК способен был преобразовывать до 1,5 кВт электрической энергии на резонансной частоте 20 кГц с плавной регулировкой амплитудой УЗК от 30 до 100% максимальной амплитуды, равной 81 мкм. В опытах применяли УЗК с амплитудой 40 мкм.
3
3
3
Сразу после кристаллизации слитка, полученного в тигле под атмосферным давлением, его подвергали прессованию в пруток с вытяжкой, равной λ=5. Затем в обоих способах определяли плотности полученных образцов методом гидростатического взвешивания с помощью специализированных весов МК 2200 для определения плотности образцов алюминия методом гидровзвешивания и рассчитали разности плотностей. В известном способе определили содержание водорода в расплаве, равное 0,12 см/100 г, а в предлагаемом способе - 0,135 см/100 г расплава. Содержание водорода в месте отбора проб также было измерено другим прибором -ALSPEK Н (http://www.wffbundry.ru/3-hydrogen-tester-5.htmn и получено содержание водорода в расплаве, равное 0,125 см/100 г.
Таким образом, предлагаемый способ определения содержания водорода в алюминиевых сплавах по сравнению с известным позволяет повысить точность определения содержания водорода в алюминиевом расплаве.