專利名稱：用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法及其裝置，具體涉及用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁 或鋁合金熔體脫氫的方法及裝置。
背景技術(shù)：
氫是鋁中的有害雜質(zhì)。熔融鋁和鋁合金中的氫在熔體凝固時溶解度急劇下降，以氫分子 形式析出，使鋁材形成氣孔，組織疏松、白點等缺陷，并且使制品的強度、塑性、沖擊韌性 及斷裂韌性降低，造成嚴重后果。為此，對鋁及鋁合金進行脫氫是鋁和鋁合金生產(chǎn)中必須解 決的問題。目前，通用的鋁及鋁合金脫氫技術(shù)是向鋁液中吹入惰性氣體Ar氣，攜帶脫氫后，再用 N2-C12、 Ar-Cl2、 N2-C12-C0或固體氯化物脫氫。這種處理會產(chǎn)生大量有害氣體，造成環(huán)境污 染，損害人體健康。國際上對高質(zhì)量要求的鋁及鋁合金熔體脫氫，主要是采用真空脫氣法，這種方法所需設(shè) 備龐大、復(fù)雜、生產(chǎn)成本高。1981-1988，日本H'Iwahara等相繼報導(dǎo)了，以通式為AB03(A代表Ca、 Sr、 Ba等+2價 陽離子，B代表Ce4、 Z,等+4價陽離子，0代表02—陰離子)的氧化物，經(jīng)過用+3價稀土元 素或In"等+3價陽離子的氧化物摻雜后，產(chǎn)生氧缺陷，可表示為ABi-xMx0^ (X表示摻雜 元素形成氧化物固溶體的范圍，乂=0.05~0.25，&表示復(fù)合氧化物單位晶胞中氧離子的空位數(shù))， 這類化合物在約300 100(TC于含氫或水蒸氣介質(zhì)中產(chǎn)生H+離子，而呈質(zhì)子導(dǎo)電性。這些材 料可應(yīng)用于燃料電池，氫傳感器及氫氣分離等。但尚未見應(yīng)用于金屬熔體中的脫氫報導(dǎo)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔 體脫氫的方法及其裝置，對鋁液進行有效的脫氫，氫含量達到<0.15ml/100gAl，對高強鋁合 金達到氫含量O.12ml/100gAl，本發(fā)明工藝、設(shè)備簡單，操作方便，不污染環(huán)境，投資少，容 易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法，按如下步驟進行(1) 將包括有質(zhì)子導(dǎo)體組成的抽氫裝置與氫傳感器，先置于鋁熔體上方，預(yù)熱后，插入 鋁熔體中； -(2) 控制鋁熔體溫度為750 800'C，攪拌條件下采用短路脫氫或先采用短路脫氫，后結(jié)合氣流攜帶或真空抽出脫氫或采用外加電壓進行脫氫。上面所指的采用先短路脫氫，后結(jié)合氣流攜帶或真空抽出脫氫，是將包括質(zhì)子導(dǎo)體組成的脫氫器，插入鋁熔體或鋁合金熔體后，接通短路開關(guān)，使電極引線和熔體形成短路脫氫，再向質(zhì)子導(dǎo)體管通氧氣或氬氣攜帶脫氫或采用抽真空脫氫。鋁或鋁合金熔體中氫含量變化是用插入熔體中的氫傳感器跟蹤檢測氫含量變化。 采用外加電壓進行脫氫是在鋁或鋁合金熔體中濃度較低時，采用逐漸增加外加電壓0.5-1.5V進行脫氫。本發(fā)明脫氫過程中，攪拌可以采用電磁攪拌或鋁或鋁合金熔體流動方式。 本發(fā)明用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的裝置，其構(gòu)成包括熔鋁槽、加熱爐、溫控熱電偶、測氫傳感器，特征是裝置的構(gòu)成還包括抽氫裝置，它由一個一端有開口的質(zhì)子導(dǎo)體管，在質(zhì)子導(dǎo)體管開口端與一個剛玉管的一端連接，剛玉管的另一端與一個金屬管連接，在以上組裝的管內(nèi)，裝配有一個外套剛玉管的電極引線，與外套剛玉管的另一根電極引線分別與外接電源開關(guān)連接而組成；質(zhì)子導(dǎo)體管至少由一根組成。上述的質(zhì)子導(dǎo)體管與剛玉管、剛玉管與金屬管之間，均采用高溫水泥連接和密封。 上述金屬管上部側(cè)壁上有一個用于抽真空或通氬氣或氧氣的開口，金屬管的上端有一個出氣口。上述的質(zhì)子導(dǎo)體管，選用化學(xué)式為BaCei.xYx03.a或BaCei.xSmx03-a，式中X=0.05~0.25 或CaZro.9ln(n03.a的材料中一種制成。質(zhì)子導(dǎo)體管選用化學(xué)式BaCei-xYx03.a或CaZr^IntnO^ 材料制作后，還要用純度為99%， 400mesh的NiO，加香焦油或其他易分解的有機溶劑，如 乙醇加松油醇調(diào)成糊狀，涂于電解質(zhì)管內(nèi)壁，在氫氣氛下，溫度100(TC下處理2h，還原成 Ni，或用Ni網(wǎng)貼附于管的內(nèi)壁。本發(fā)明質(zhì)子導(dǎo)體管的直徑至少為3mm，長度至少為40mm。 上述的電極引線選用NiCr絲、NiSi絲、鋼絲或金屬陶瓷棒，直徑為1.5~3.0mm。 本發(fā)明顯著的特點是根據(jù)鋁或鋁合金熔體中氫濃度變化情況，當溶體中氫濃度高時，， 利用電解質(zhì)管內(nèi)外氫濃差，直接采用短路法，實現(xiàn)脫氫目的。當熔體中氫濃度變化不大時， 通過外接真空抽氫或用氣體氧或氬氣攜帶方法，提高抽氣速率；另外還可以在鋁或鋁合金熔 體中含氫量較低時，采用外加電壓進行脫氫，而且隨著外加電壓的升高，其脫氫速率不斷增 大。 .本發(fā)明與已有技術(shù)比較，其顯著的效果是實施本發(fā)明對鋁或鋁合金熔體進行脫氫，可 以使氫含量達到O.15ml/100gAl，對高強鋁合金熔體，可使氫含量達到O.12ml/100gAl。本發(fā)明工藝，設(shè)備簡單，操作方便，不污染環(huán)境，投資少，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
圖l是本發(fā)明脫氫裝置示意圖，也是本發(fā)明實施例之一； 圖2固體質(zhì)子導(dǎo)體管的組裝示意圖；圖中1加熱爐，2剛玉墊片，3熔鋁槽，4石墨蓋，5電解質(zhì)管，5a質(zhì)子導(dǎo)體管，5b剛玉 管，5c金屬管，5d側(cè)管，5e出氣口， 6a剛玉管保護套，7a電極引線，7b電極引線，7c電極 引線，7d電極引線，8氫傳感器，9電源開關(guān)，IO數(shù)字電位差計，ll控溫熱電偶，12自動控 溫儀。
具體實施方式
例l:如圖l、 2所示，用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫裝置，其構(gòu)成是由一個加 熱爐選用電阻絲爐，在其內(nèi)的爐底上裝置有剛玉墊片2，用于熔鋁或鋁合金的熔鋁槽3，選用 石墨坩堝置于剛玉墊片2上，在電阻絲爐上，加有一個石墨蓋4，通過石墨蓋4上的孔，.將 固體電解質(zhì)管5和帶有剛玉管保護套6a的龜極引線7a，選用Ni-Cr絲，插入熔鋁槽3中，固 體電解質(zhì)管5內(nèi)的電極引線7b與電極引線7a分別與外接電源開關(guān)9接點連接；氫傳感器8 (是已有技術(shù)，專利申請?zhí)枮?07100117123中已公開)與另一根帶有剛玉管保護套6b的電 極引線7c選用不銹鋼絲，直徑為1.8mm，通過石墨蓋4上的孔，插入熔鋁槽3中。氫傳感器 8中的參比電極引線7d選用NiCr絲，直徑為1.8mm，與電極引線7c分別與數(shù)字電位差計10 接點連接；控溫熱電偶ll (市售產(chǎn)品)也通過石墨蓋4上的孔，插入電阻絲爐內(nèi)與剛玉墊片 2接觸，控溫熱電偶11和電阻絲爐的接線與自動控溫儀12 (市售產(chǎn)品)接點相連，用于控制 鋁熔液溫度。上述的固體電解質(zhì)管5的構(gòu)成是由一個在直徑為8mm，長度為80mm的質(zhì)子導(dǎo)體管5a 其上端開口連接一個直徑為9mm，長度為80mm的剛玉管5b，剛玉管5b上端連接一個直徑 為10mm長度為100mm的金屬管為不銹鋼管5c。其管與管之間均采用高溫水泥密封連接。 金屬管5c上部側(cè)壁上有一個開口，焊接有一個側(cè)管5d，側(cè)管5d與一個三通閥連接，用于充 氬氣或氧氣抽氫或真空抽氫。金屬管上端有一個出氣口5e，管內(nèi)裝配一根帶剛玉管保護套6a 的電極引線7b，固體電解質(zhì)管5選用化學(xué)式為CaZro.9ln(u03-a的材料制作，并用純度為99%， 400mesh的NiO加香焦油調(diào)成糊狀，涂于電解質(zhì)管內(nèi)壁，在H2氣氛下IOOO'C處理2h。選取金屬鋁，置于熔鋁槽中加熱升溫，爐內(nèi)通入凈化后的99.99%的氬氣以保護石墨坩堝 和鋁液面不被氧化，控制溫度為750°C，先將抽氫裝置與測氫傳感器提升于鋁熔體表面以上預(yù)熱溫度達500'C后，再將抽氫裝置與測氫傳感器插入鋁熔體內(nèi)，接通短路開關(guān)，使電極引 線與熔體形成短路脫氫，當鋁熔體中氫濃度從數(shù)字電位差計上顯示出變化不大時，采用充氧 或氬氣攜帶脫氫，最后轉(zhuǎn)換三通閥再采用抽真空脫氫。最終鋁熔體中氫含量0.15ml/100gAl。
例2脫氫裝置的主要結(jié)構(gòu)與例1相同，不同之處是固體電解質(zhì)管5選用化學(xué)式為 BaCec.9Y(u03.a材料制作，在電解質(zhì)管內(nèi)壁貼Ni網(wǎng)，質(zhì)子導(dǎo)體管5a直徑為3mm，長度為60mm， 質(zhì)子導(dǎo)體管上連接的剛玉管5b選用直徑為4mm，長度為70mm，剛玉管上連接的金屬管5c 為銅管，直徑為5mm，長度為120mm，電極引線7c選用NiSi絲，直徑為1.5mm，電極引線 7d選用NiCr絲，直徑為1.5mm。
脫氫方法與例1相同，不同處是鋁熔體溫度控制在780°C，外加電壓配合抽氫，逐漸外 加電壓為0.4V、 1.2V、 1.4V。
最終Al中氫濃度降到0.06~0.08ml/100gAl。
例3脫氫裝置的主要結(jié)構(gòu)同例1，不同之處是固體電解質(zhì)管5選用化學(xué)式為 BaCeo.9Smcn03.a材料制作而成，電解質(zhì)管內(nèi)壁不需要經(jīng)過處理，質(zhì)子導(dǎo)體管5a直徑為10mm， 長度為100mm，剛玉管5b直徑為10mm，長度為100mm，金屬管5c選用不銹鋼管，直徑為 llmm，長度為120mm，電極引線7c選用金屬陶瓷棒.，直徑為3mm，電極引線7d選用金屬 陶瓷棒，直徑為3mm。
脫氫方法與例1相同，不同處是鋁熔體溫度為80(TC，采用短路直接脫氫，最終鋁合金 熔體中氫含量為0.12ml/100gAl。
權(quán)利要求
1、一種用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法，其特征在于按以下步驟進行(1)將包括質(zhì)子導(dǎo)體組成的抽氫裝置與測氫傳感探頭，先置于鋁熔體上方，預(yù)熱后，插入鋁熔體中；(2)控制鋁或鋁合金熔體溫度為750～800℃攪拌條件下，采用短路脫氫，或先采用短路脫氫后結(jié)合氣流攜帶或真空抽出脫氫或采用外加電壓進行脫氫。
2、 按照權(quán)利要求1所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法，其特征在于所 指的采用先短路脫氫，后結(jié)合氣流攜帶或真空抽出脫氫，是將包括質(zhì)子導(dǎo)體組成的抽氫裝置， 插入鋁熔體或鋁合金熔體后，接通短路開關(guān)使電極引線與熔體形成短路，再向質(zhì)子導(dǎo)體管通 氧氣或氬氣攜帶脫氫或采用抽真空脫氫。
3、 按照權(quán)利要求1所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法，其特征在于所 指的采用外加電壓進行脫氫，逐步增加外加電壓0.5 1.5V進行脫氫。
4、 按照權(quán)利要求1所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的裝置，其構(gòu)成包括熔 鋁槽、加熱爐、溫控熱電偶、測氫傳感器，其特征在于抽氫裝置是由一個一端有開口的質(zhì)子 導(dǎo)體管，在質(zhì)子導(dǎo)體管開口端與一個剛玉管一端連接，剛玉管的另一端連接一個金屬管，在 組裝好的管內(nèi)裝配有一根電極引線與另一根帶有剛玉管保護套的電極引線分別與外接電源開 關(guān)連接而組成。
5、 按照權(quán)利要求4所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的裝置，其特征在于金 屬管的上部側(cè)壁上有一個用于抽真空或通氬氣或氧氣的開口 ，金屬管上端有一個出氣口 。
6、 按照權(quán)利要求4所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的裝置，其特征在于質(zhì) 子導(dǎo)體管選用化學(xué)式為BaCeLxYx03-a或BaCe!-xSmx03-a，式中X=0.05~0.25或CaZro.9In(u03-a 的材料中一種制成。
7、 按照權(quán)利要求4或6所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的裝置，其特征在 于所述的質(zhì)子導(dǎo)體管選用化學(xué)式BaCei_xYx03-a或CaZro.9lncu03-a材料制作后，要用純度為 99%，加香焦油或乙醇加松油醇，調(diào)成糊狀涂于電解質(zhì)管內(nèi)壁，在氫氣氛，溫度IOOO'C下處 理2h,或用Ni網(wǎng)貼附于管的內(nèi)壁。
8、 按照權(quán)利要求4所述的用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的裝置，其特征在于所 述的電極引線選用NiCr絲，NiSi絲或鋼絲，或金屬陶瓷棒，直徑為1.5~3.0mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及用固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體對鋁或鋁合金熔體脫氫的方法及其裝置，該裝置包括熔鋁槽、加熱爐、溫控熱電偶、測氫傳感器，要點是抽氫裝置由質(zhì)子導(dǎo)體管、剛玉管和金屬管相互連接，其內(nèi)裝配一根電極引線與另一根帶剛玉管保護套的電極引線分別與外接電源開關(guān)連接組成。質(zhì)子導(dǎo)體管選用化學(xué)式為BaCe<sub>1-X</sub>Y<sub>X</sub>O<sub>3-a</sub>或BaCe<sub>1-X</sub>Sm<sub>x</sub>O<sub>3-a</sub>，式中X＝0.05～0.25或CaZr<sub>0.9</sub>In<sub>0.1</sub>O<sub>3-a</sub>材料制成。脫氫方法是在鋁或鋁合金熔體溫度為750～800℃攪拌條件下，采用短路脫氫，或先采用短路脫氫后結(jié)合氣流攜帶或真空抽出脫氫或采用外加電壓進行脫氫。本發(fā)明脫氫效果氫含量達到＜0.15ml/100gAl，對高強鋁合金熔體，氫含量達到＜0.12ml/100gAl。其工藝、設(shè)備簡單，操作方便，不污染環(huán)境，投資少，易實現(xiàn)工業(yè)化。
文檔編號C22B21/06GK101215644SQ20071015922
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者劉春明, 英 厲, 王常珍 申請人:東北大學(xué)