氢捕集装置的制作方法

1.本发明涉及一种通过利用氢捕集器允许减少液态金属熔池中的溶解氢的量的装置。其还公开了一种允许减少液态金属熔池中的溶解氢的量的方法。本发明还涉及这种装置在用于铸造液态金属尤其是铝合金的装置中的用途。


背景技术：

2.氢气是一种可溶于金属尤其是铁、钛和铝的气体。
3.在铝中，氢气是唯一的可溶性气体。液态铝和固态铝的最大溶解氢浓度相差一个数量级。因此，过多的氢溶解在液态铝合金中会导致在凝固过程中形成孔隙。
4.为了减少液态金属中的氢含量，金属铸造通常在保护气氛下进行，例如在氩气下，和/或液态金属在铸造过程中进行在线脱气。
5.这种脱气过程包括将气泡形式的氩气注入液态金属中。由于气相中氢气分子含量不足，液态金属中存在的氢倾向于向氩气泡扩散，从而氩气泡根据西韦特(sievert)定律将氢输送到金属外部。根据西韦特定律，双原子气体在金属中的溶解度与该气体在热力学平衡时分压的平方根成正比。
6.wo9521273公开了一种方法，包括将熔融金属引入罐中，例如设置在熔炉和铸造机之间的罐中，提供至少一个气体注入器并将气体注入液态金属中以在金属中形成气泡，同时以机械方式移动注入器以最小化气泡尺寸和最大化气体在金属中的分布。
7.wo9934024公开了另一种类型的注入器，允许实施相同的过程并将气体注入到熔融金属中。
8.该过程虽然稳健且经过验证，但有几个缺点。首先，它消耗大量氩气，每小时和每次铸造达数十立方米。它还需要庞大且昂贵的设备来维护(液态铝铸桶(poche d’aluminium liquide)、注入转子、加压气体设备等)。最后，氩气的鼓泡会搅动金属，导致熔渣的形成，这些熔渣必须定期清除，否则，就会劣化金属的夹杂物含量。
9.由鼓泡惰性气体进行脱气所带来的这些问题也适用于铁、镁和钛以及铁、镁和钛的合金。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种脱气装置和脱气方法，其允许减少对液态金属进行脱气的气体用量。
11.该问题通过一种液态金属脱气装置解决，该装置包括容纳液态金属熔池的壳体、用于使气体循环穿过净化室的装置。循环气体与所述液态金属熔池接触并形成界面。液态金属熔池可能含有溶解氢。优选地，壳体被配置为避免循环气体与外部大气混合。
12.循环气体与液态金属熔池接触并形成界面。在该界面处，液态金属中存在的氢与循环气体之间会发生交换：溶解在液态金属熔池中的氢穿过界面向循环气体扩散。由于循环气体中氢气分子含量不足，液态金属中存在的氢倾向于穿过界面向气体扩散，该气体中
于是富含氢气分子，从而将氢向金属外部输送到净化室。
13.本质上，净化室包括一种被配置为从循环气体中捕集氢气分子的吸气材料。净化室是一个被配置为允许循环气体进入的封闭空间，能够富集氢气分子，并允许循环气体在与吸气材料相互作用后排出。
14.有利的是，循环装置具有能够允许所述循环气体与液态金属熔池接触的吹气和/或吸气设备。
15.在本发明中，吸气材料使得在正常操作条件下不可逆地捕集氢气分子成为可能。然而，可以再生吸气材料以更新其捕集能力，例如通过加热或通过任何其他合适的方式。
16.吸气材料是这样一种材料，其固有地和/或凭借微米级或纳米级形态，对于气态分子(此处为氢气分子)具有吸收剂和/或吸附剂特性，因此它在被放置于封闭的环境中时能够产生化学气泵(pompe chimique de gaz)。净化室中吸气材料的存在允许降低净化室中所含气体中的氢气分子浓度，从而允许氢气分子贫乏的气体的再循环。
17.有利的是，吸气材料是允许通过物理吸附(一种特定的吸附模式)或通过化学吸附(一种特定的吸收模式)从气体中捕集氢气分子的材料。有利地，吸气材料是一种允许通过氢化捕集氢气分子的材料，这是一种特殊的化学吸附方法。优选地，允许通过物理吸附从气体中捕集氢气分子的材料是ni基材料或其他合适的材料。优选地，允许通过化学吸附从气体中捕集氢气分子的材料是基于锆的金属间化合物，例如fezr2，或基于镁或钇或基于稀土或基于钛的金属间化合物，或其他合适的材料。有利地，允许通过物理吸附或化学吸附从气体中捕集氢气分子的材料与被配置为将气体中的氢气分子分解为氢单体的催化剂相结合；通常，钯、或者铌的氧化物可用作催化剂。
18.优选地，循环气体通过交换器与液态金属熔池接触，该交换器浸入液态金属熔池中并能够在液态金属熔池和循环气体之间形成界面。
19.有利的是，所述交换器是多孔陶瓷。优选具有开孔的陶瓷。这允许循环气体流过孔。在多孔陶瓷的情况下，液态金属熔池和循环气体之间的界面对应于开通孔的区域。
[0020]“孔”表示气体可以流通但金属不能进入的空间。“开孔”表示空隙形成网络并相互连通的孔隙。
[0021]
在另一个实施方案中，循环气体优选地借助于浸入液态金属熔池中并且能够在液态金属熔池与循环中的气体之间形成界面的注入器而与液态金属熔池接触。注入器能够在液态金属熔池中形成气泡。界面的形状优选为球形或准球形。
[0022]
根据本发明的实施方案，循环气体和液态金属熔池之间的界面可以是自由表面或准球形的球形表面或任何多孔表面。自由表面是指液态金属熔池的水平表面。球形或准球形表面是指气体借助于注入器引入液态金属中并以球形或准球形气泡的形式存在的情况。
[0023]
有利的是，循环气体是惰性气体，优选氩气。
[0024]
优选地，壳体被配置为避免循环气体与外部大气接触。这种限制可以通过给壳体安装一个外罩或任何其他能够避免循环气体与外部大气接触的装置来实现。
[0025]
液态金属可以是铝或铝合金、或铁或铁合金、或钛或钛合金、或镁或镁合金、或任何其他可含有溶解氢的金属或合金。
[0026]
本发明还公开了一种对液态金属进行脱气以降低液态金属的氢浓度的方法。该方法包括使用本发明的脱气装置。特别地，对液态金属进行脱气以降低液态金属的氢浓度的
方法包括以下步骤：
[0027]
a)制备液态金属熔池，金属优选为铝合金或铁合金或钛合金或镁合金或任何其他可含有溶解氢的金属或合金，
[0028]
b)将气体在脱气装置中循环，气体优选为惰性气体，优选氩气，以使循环气体与液态金属熔池接触并形成液态金属熔池/循环气体的界面，
[0029]
c)使氢在循环气体与液态金属之间通过液态金属熔池/循环气体界面进行交换，使溶解在液态金属熔池中的氢扩散到循环气体中以及使循环气体富含氢气分子，
[0030]
d)在净化室中净化富含氢气分子的循环气体，该净化室包括被配置为从循环气体中捕集氢气分子的吸气材料。
[0031]
优选地，步骤b中的气体循环通过使用能够使所述循环气体与液态金属熔池接触的吹气和/或吸气装置进行。这产生了液态金属熔池/循环气体界面。
[0032]
在循环气体停留在液态金属熔池表面而未引入液态金属熔池内部的情况下，液态金属熔池/循环气体的界面对应于液态金属熔池的自由表面。
[0033]
根据本发明的另一个实施方案，步骤b中的气体循环通过浸入液态金属熔池(2)中的交换器、优选多孔陶瓷进行。
[0034]
根据本发明的另一个实施方案，步骤b中的气体循环通过注入器进行。
[0035]
本发明还涉及本发明的脱气装置在铸造装置、优选铝合金铸造装置中的用途。优选地，脱气装置安装在脱气罐或进料通道或铸造装置的任何其他包含循环液态金属的部件中。在炉中使用脱气装置也是有利的，通常是静态炉或保温炉或精制炉或铸造装置的任何其他包含待铸造液态金属的部件。“待铸造”是指在固化之前以静态方式包含在熔炉或罐或装置位于炉内的部件中的液态金属；例如，在熔埚中制备的液态金属，在模具中固化之前储存在熔埚中。
附图说明
[0036]
【图1】图1是根据第一实施方案的本发明装置的示意图，其中循环气体与液态金属熔池接触，界面是液态金属的自由表面。
[0037]
【图2】图2是根据第二实施方案的本发明装置的示意图，其中循环气体借助于交换器与液态金属熔池接触。
[0038]
【图3】图3是根据第三实施方案的本发明装置的示意图，其中在液态金属内使用气体注入器。
[0039]
【图4】图4是根据第四实施方案的本发明装置的示意图，其同时包括第一和第二实施方案。
具体实施方式
[0040]
图1揭示了本发明的第一实施方案。它揭示了一种对液态金属进行脱气的装置，其包括容纳液态金属熔池2的壳体1、使气体循环穿过净化室5的装置4。气体，优选惰性气体，例如氩气，通过界面3与液态金属熔池接触。在该实施方案中，该界面3是液态金属的自由表面。该气体可以借助于进气口注入到循环装置4中。阀门装置可以根据需要打开或关闭气体供应。也可以向该装置附加排气系统。同样，如果需要(例如在净化室5维护期间)，阀门系统
可以排出循环气体。
[0041]
可以将吹气装置9添加到循环回路4以确保有足够的气体流量与界面3接触。但是，必须注意该流量不能太高以避免液态金属的过度搅拌。除了吹气装置9之外或代替吹气装置9，可以使用吸气装置9'。
[0042]
根据西韦特定律的原理，在界面3处，液态金属中的溶解氢的量与气体中所含氢气分子的分压处于热力学平衡。因此，氢气分压越低，液态金属中的溶解氢的浓度越低。现有技术的装置使用不断更新的惰性气氛以具有最低的氢气分子分压。本发明的目的是使循环气体在净化室中通过与配置为捕集氢气分子并因此降低循环气体中的氢气分子分压的吸气材料接触来连续处理该气体。优选地，循环气体处于闭合回路中。
[0043]
净化室5包括被配置为从循环气体中捕集氢气分子的吸气材料6。
[0044]
存在能够与氢形成化合物并因此以固体形式捕集这种气体的材料，下文中将其称为“吸气材料”或“吸气剂”。可以通过物理吸附或化学吸附实现氢气分子的捕集。该材料允许通过物理吸附从气体中捕集氢气分子，且优选为ni基材料或任何其他允许物理吸附现象的材料。允许通过化学吸附从气体中捕集氢气分子的材料优选是基于锆的金属间化合物，例如fezr2，或基于镁或钇或稀土或钛的金属间化合物，或任何其他允许化学吸附现象的材料。
[0045]
为了加速捕集，优选将吸气材料与催化剂结合。
[0046]
吸气材料可能对氧气的存在敏感并且可能需要使用惰性循环气体，优选氩气。优选地，壳体被配置为避免循环气体与环境大气接触。这种限制可以通过给壳体1安装一个外罩10或任何其他能够避免循环气体与外部大气11接触的装置来实现。
[0047]
图2揭示了本发明的第二实施方案。与第一实施方案一样，它揭示了一种对液态金属进行脱气的装置，其包括容纳液态金属熔池2的壳体1，使气体循环穿过净化室5的装置4。净化室5的类型与第一实施方案中描述的相同，并且可以使用相同类型的吸气材料。也可以如第一实施方案那样附加进气口和排气系统。可在循环回路4中附加吹气装置9以固定循环气体的流量。
[0048]
在该第二实施方案中，循环装置包括浸入液态金属熔池2中的交换器7。气体借助于交换器7与液态金属熔池接触。气体在交换器内循环。交换器被配置为允许循环气体和液态金属熔池之间接触。优选地，交换器是一种多孔陶瓷，其孔隙几何形状适于防止液态金属渗入陶瓷孔隙内部。优选地，孔径在50μm和1mm之间。
[0049]
优选地，最大化界面3是有利的。这可以通过选择具有最大表观表面积的交换器几何形状来实现。优选地，交换器是sic制成的陶瓷泡沫。
[0050]
图3揭示了第三实施方案。与第一和第二实施方案一样，其揭示了一种对液态金属进行脱气的装置，其包括容纳液态金属熔池2的壳体1、使气体循环穿过净化室5的装置4。净化室5的类型与第一实施方案中描述的相同，并且可以使用相同类型的吸气材料6。也可以附加与第一实施方案相同的进气口和排气系统。与其他两个实施方案一样，可以将吹气装置9和吸气装置9'附加到循环回路4中。
[0051]
在该第三实施方案中，循环装置4包括一个注入器8，其允许循环气体优选惰性气体在液态金属内鼓泡。通常，鼓泡按照与申请wo9521273或wo9934024相同的原理进行。每个气泡限定一个界面；该界面是气泡壁。界面呈球形或准球形。每个气泡都与液态金属接触，
因此限定一个界面。在这种情况下，界面面积类似于液态金属内存在的气泡表面的总和。
[0052]
该界面与循环气体接触。由于鼓泡和西韦特定律原理，金属的溶解氢含量趋于降低。上升到表面的气泡于是可以被吸气装置9'抽吸，以便然后在净化室5中处理。优选地，壳体被配置为避免循环气体与环境大气接触。这种限制可以通过给壳体1安装一个外罩10或任何其他能够避免循环气体与外部大气11接触的装置来实现。
[0053]
在本发明的一个优选方案中，将彼此不同的实施方案两两或全部结合在一起是有利的。
[0054]
图4揭示了将第一和第二实施方案结合的第四实施方案。
[0055]
实施例
[0056]
为了研究液态金属与穿过陶瓷交换器(如图2的配置中使用)的循环气体之间的交换动力学，进行了以下实验。
[0057]
10kg的ag5型铝合金——由5％镁和95％铝和5ppm铍组成——在约700℃的温度下在石墨粘土坩埚中熔化。借助于压力调节器，使工业型氩气以流量变量d
ar
在1.2bar的调节压力下循环穿过浸入液态金属的交换器。
[0058]
交换器为sic陶瓷泡沫制成的多孔材料。测试了两种几何形状；第一个交换器的尺寸为50x50x25mm，表观交换表面积为87.5cm2，而第二个交换器的尺寸为100x100x25mm，表观交换表面积为275cm2。对sic陶瓷泡沫进行钻孔以引入不锈钢管，用于多孔材料内部的氩气循环。不锈钢管用耐火水泥密封在多孔材料中。流量计放置在交换器的入口和出口处，以检测可能的泄漏或可能的堵塞。
[0059]
对通过该过程提取并包含在交换器出口气体中的氢气分子通过ams6420型分析仪进行量化。该测量属于电化学类型，可给出环境压力下气体混合物中氢气分子的体积分数。然后可以根据以下表达式推导出在时间t期间提取的氢气分子的体积量：
[0060]
【数学式1】
[0061][0062]
其中c
h2
为以％计的氢气分子的体积分数，d
ar
为以公升/小时计的氩气流量。
[0063]
提取的氢气分子摩尔量(n
h2
)根据以下公式由理想气体定律推导出：
[0064]
【数学式2】
[0065][0066]
其中p为压力，t为氩气流的温度，即1bar和20℃。r为理想气体通用常数8.31j.mol-1
.k-1
。
[0067]
下表1给出了多孔材料在一小时内的氢气分子排出量随有效交换表面积和吹扫多孔材料内部的氩气流量的变化情况。因此注意到，提取的氢气分子的量随着多孔材料的有效交换表面积和氩气流量而增加。
[0068]
【表1】
[0069][0070]
表1：浸没式陶瓷交换器出口处排出的氢气量(mmol/h)随注入的氩气流量(l/h)和交换器表观表面积变化情况检测结果。