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哈培爾法 ── 一種新的鋁液含氫量的檢測方法
鋁液中氫氣的含量的多少是反映鋁液冶金質(zhì)量的一個重要標志，同時也對鑄件的內(nèi)在質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。
鋁合金在熔煉過程中鋁液會和水汽發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣并會溶入鋁液中，鋁液凝固時氫氣會從鋁液中拆出。若鋁液中氫氣含量過高，鑄件中容易形成氣孔，鑄件機械性能就會下降，嚴重者致使鑄件報廢。氫氣是鋁液中有害氣體，鋁液含氫量的爐前檢測是保證鑄件質(zhì)量的重要工序，尤其在采用大容量熔爐進行大批量生產(chǎn)時，鋁液測氫就會變得不可少缺。
目前測氫的方法很多，較普遍的方法有減壓凝固試樣密度測定法，真空萃取法，光譜分析法等。這些方法都要從鋁溶爐中取樣，操作技術(shù)要求高，并且只能間接地測定鋁液含氫量，測量過程不連續(xù)，檢測時間較長（一般為15分鐘）。
下面介紹一種連續(xù)式鋁液含氫量的檢測方法，即哈培爾（CHAPEL）法。它是幾年前由歐洲RWTH-Aachen鑄造技術(shù)研究所發(fā)明的一種新的鋁液含氫量的檢測方法。在測量儀器制造方面有著三十年成功經(jīng)驗的瑞士FMA公司應(yīng)用此方法研制出了煞星測氫儀，該儀器已應(yīng)用于歐洲及亞洲各國鑄造行業(yè)。
哈培爾（CHAPEL）測量法的原理
熔煉時，鋁液和水汽反應(yīng)的結(jié)果，使氫氣熔入鋁液。氫在鋁液中的溶度CH和鋁液溫度下鋁液中氫氣的分壓PH2有關(guān)，并有下列關(guān)系：
 | 公式（1） 式中： Es──氫的克分子溶解熱； |
K──常數(shù)； | |
T──鋁液溫度，°K； | |
R──氣體常數(shù)； | |
CH──氫在鋁液中的溶解度；cm3/100g鋁液； | |
| PH2O──鋁液中氫氣分壓，mPa； | |
| 上式可用下列Sieverts定律表示： log CH=0.5·logPH2－A/T+B 公式（2） | |
| 式中，A、B為與合金成分有關(guān)的常數(shù)。 |
常數(shù)A、B值見表1。
表1 常用鋁合金的溶解度常數(shù)值
合金成分 | A | B |
純AL | 2550 | 2.62 |
AL+2%Si | 2800 | 2.79 |
AL+4%Si | 2950 | 2.91 |
AL+8%Si | 3050 | 2.95 |
AL+16%Si | 3150 | 3.00 |
AL+2%Cu | 2950 | 2.90 |
AL+4%Cu | 3050 | 2.94 |
AL+8%Cu | 3150 | 2.94 |
AL+3%Mg | 2695 | 1.500 |
AL+6%Mg | 2620 | 1.500 |
式（2）中，A、B、T都是容易確定的，唯PH2難以確定。因此要求得含氫量CH，關(guān)鍵在于求得PH2值。
傳統(tǒng)的方法是根據(jù)鋁液表面冒出*個氣泡時的溫度、壓力來測定含氫量，所以也稱為“*氣泡法”。鋁液中析出氣泡的條件為：
PH2＞Pa+γh+2σ/R≈P外 公式（3）
式中：PH2──氣泡中氫的壓力，mPa；
Pa──大氣壓力，mPa；
γ──鋁液比重，g/cm3
h──氣泡上鋁液高度，cm；
σ──鋁液的表面張力，達因/cm；
R──氣泡半徑，cm；
P外──作用在氣泡上的外壓力，mPa。
可以認為析出*批氣泡時，PH2≈P外，而P外是可以測定的，方法是將鋁液樣品注入一個小的鋼池中，再將鋼池置入真空罐中，迅速抽出罐內(nèi)空氣，觀察析出*批氣泡時罐內(nèi)的壓力，同時測量鋼池中鋁液溫度，根據(jù)式（2），即可算得含氫量。
根據(jù)使用經(jīng)驗，較難判斷*批氣泡，且鋁液中氧化夾雜含量對數(shù)據(jù)影響相當大。試樣需先經(jīng)過濾，除去其中大部分的AL2O3。
歐洲RWTH-Aachen鑄造技術(shù)研究所發(fā)明的哈培爾（CHAPEL）測氫法是將一個通過氣密陶瓷管與壓力測定儀連接的圓柱形多孔石墨探頭直接浸入被測的鋁液， 并迅速抽去探頭內(nèi)的空氣。這時，石墨探頭就像是一個人造的“氣泡”，鋁液中的氫氣便向這個“氣泡”中擴散直至“氣泡”中的壓力與鋁液中氫氣分壓達到平衡為止。這時只要測得探頭中的氣壓即可知道鋁液中氫氣分壓PH2，同時，通過熱電偶測定鋁液溫度T，根據(jù)式（2）即可算出鋁液含氫量CH。
| 探頭結(jié)構(gòu)及氣路原理見圖1及圖2： | |
 |  |
圖1 探頭結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 氣路原理圖。
二、哈培爾（CHAPEL）測氫法的特點及應(yīng)用。
 | 圖3是測量過程中探頭內(nèi)氣壓變化曲線。根據(jù)探頭內(nèi)壓力的變化，可大致分為三個階段。 Ⅰ 抽真空階段，如AB曲線所示，這個階段持續(xù)時間短（約幾秒）。 Ⅱ 消除壅壓階段。如CD曲線段所示。這樣抽真空系統(tǒng)已停止工作。 Ⅲ 鋁液中的氫氣向探頭中擴散階段，如DE曲線段所示。當探頭內(nèi)的壓力與鋁液氫氣分壓PH達到平衡時（E點），擴散過程中止，測壓過程結(jié)束。這個階段持續(xù)時間與鋁液中氫氣分壓大小有關(guān)。 |
 | 為了縮短壓力達到平衡所需的時間，可以向探頭中注入一定量的氫氣，此時探頭內(nèi)的壓力變化曲線如圖4所示。充氫量不足時（如圖E1點所示），探頭內(nèi)壓力低于鋁液中氫氣分壓PH， 圖4 充氫壓力曲線 鋁液中氫氣向探頭中擴散，直至壓力達到平衡為止；充氫量過多時（如圖中E2點所示），探頭內(nèi)的壓力高于鋁液中氫氣的分壓PH，探頭中的氫氣開始向鋁液中擴散直至壓力達到平衡為止。 |
當充氫量一定時，測量時間基本恒定，無論壓力是否達到平衡，探頭內(nèi)的壓力都有顯示，因為參數(shù)可以設(shè)定，測量時間不會因鋁液中氫氣分壓高而延長?？梢詫y氫儀進行標定，所以哈培爾（CHAPEL）測氫過程是真正連續(xù)的，這一特點使得煞星測氫儀可以用于鋁熔煉過程的在線檢測，同時實現(xiàn)了多點測量，從而改變了以往測氫儀單點間歇測量時間長、數(shù)據(jù)不連續(xù)、難以在線監(jiān)控的弊端。
由于哈培爾（CHAPEL）測氫法是直接利用鋁液中氫氣分壓和鋁液溫度的測定值及鋁合金的成分確定鋁液含氫量（它不同于使用載體或間接的電化學方法），因而測量精度高（重復測量的誤差不超過0.01ml/100g），操作簡便。
煞星測氫儀尤其適用于鋁液含氫量的連續(xù)測量，當然，間隔測量更加得心應(yīng)手。
在實際生產(chǎn)過程中，通常見在預先規(guī)定鋁液含氫量zui大限度的基礎(chǔ)上進行鋁熔煉的，采用煞星測氫儀就可以很容易判定鋁液中氫氣含量是否在允許范圍內(nèi)。
結(jié)論
哈培爾（CHAPEL）測氫法是一種新的鋁液含氫量的檢測方法；煞星測氫儀是一種zui快速zui的鋁液質(zhì)量控制儀器，可以用于熔煉處理的現(xiàn)生產(chǎn)，也可以作為科研單位進行合金研究輔助儀器。