来源——秦颐鸣，庄林忠，蒙志保，等.真空条件下铝液中氢溶解度的计算[J].2020,40 (10): 1131 -1133.
电解铝液中每100 g铝中的H含量一般大于0.35 mL，在铝液凝固过程中析出并形成气泡，在铸锭中形成针孔、气孔、缩松等铸造缺陷，导致铸锭报废或者后续的加工缺陷。据报道，铝液H浓度超标直接或间接造成的铸件废品占40%以上。
铝液H浓度由边界条件和H溶解度协调控制。根据Sievert定律以及相关文献报道，平衡状态下铝液中H溶解度大小与压力、温度、成分有关，降低压力和温度、调整成分可以降低铝液H溶解度，而且有相关的经验公式可以借鉴。但在实际生产过程中，由于受到外界气体H分压等边界条件的作用，铝液中的H浓度往往低于溶解度。研究表明，降低外界气体H分压和温度、调整成分可以降低铝液H浓度。目前生产用除气设备都是通过喷吹低H分压的惰性气体来除气，如美国Almex公司的SNIF装置、法国Novelis公司的Alpur装置等，但是在生产高端铝合金时仍需要混入少量Cl2气来保证每100 g铝中的H含量低于0.12 mL，存在极大的安全隐患和环境污染风险，而通过调整铝液温度和成分的除H效果十分有限。为此，利用真空条件同时降低外界气体H分压和铝液H溶解度，作为一种除H的新方法，但是绝大部分报道的H溶解度都来源于正常大气压下的试验数据，没有考虑真空条件和重力场耦合作用下铝液熔池深度对H溶解度的影响，相关的除气过程机理也很少被报道。本研究模拟计算了重力场和真空条件耦合作用下H溶解度随着铝液熔池深度的变化，提出了合理的真空度、铝液熔池深度控制范围，为真空除气设备的研制提供参考。
1 反应模型
假设铝液熔池与外界空气中水气充分反应并达到平衡状态，由于铝液内部对流，熔池内部H浓度梯度为零，见图1中的实线C[H]。假设温度梯度为零、成分一定的条件下，铝液H溶解度随着熔池深度的增大而增高，见图1中的虚线Seq[H]，此时熔池内部H浓度是C[H]低于溶解度Seq[H]。当铝液置于真空条件下时，熔池内部压力降低，导致H溶解度降低，见图1中的虚线S'eq[H]，可能导致液面至K点处的H溶解度低于浓度，铝液中溶解的H析出生成H2气并上浮去除，溶解度曲线S'eq[H]与浓度C[H]的差值反映了真空除气的动力学条件，计算真空度、温度对铝液H溶解度曲线S'eq[H]影响规律具有重要意义。
图1 真空条件下铝液熔池H溶解度示意图
铝液中H的存在形态一般有两种：一种是以原子形态溶解在铝液中，用 [H]表示；另一种是以气泡形态单独存在或附着在夹杂物表面，用(H2)表示。以纯铝在真空条件下的溶解度作为研究对象，利用包含铝合金数据库的Factsage 7.3热力学软件计算了特定压力、温度条件下H2气和铝液的反应，进而推导出真空度、温度、熔池深度对铝液溶解度的影响，相关文献对该软件的计算原理和数据库进行了介绍。
2 结果与分析
2.1 压力和温度对铝液H溶解度的影响
图2为Factsage计算的铝液中[H]溶解度曲线。可见，铝液中[H]溶解度随着压力、温度的增高而增高，而计算值大概为文献中实测值的75%左右，可能为检测误差导致，原因包括：①由于铝液中中[H]传质不充分，熔池深度方向上[H]含量不均匀；②铝液中存在一定量气泡形态的(H2)，实际检测的H溶解度为[H]和(H2)含量之和。
图2 压力和温度对铝液H溶解度的影响
Anyalebechi和Tiryakioğlu对检测的H溶解度数据进行拟合，其中Tiryakioğlu考虑检测数据为正态分布而取最大值进行拟合，而Anyalebechi对所有溶解度数据进行拟合，图3为本研究计算的750 ℃下溶解度曲线与推荐经验公式的比较。可见，计算的[H]溶解度与Anyalebechi报道的较为接近，差值约为Anyalebechi推荐的经验公式计算值的10%左右，可能是铝液中存在气泡形态的(H2)导致的检测误差。
图3 750℃下压力对铝液H溶解度的影响
2.2 熔池深度对铝液H溶解度的影响
综上所述，通过降低铝液温度和压力可以降低铝液的[H]溶解度，或者根据铝液的[H]溶解度来选取温度和压力的控制范围。例如在实际生产过程中，铝液在铸造前必须保持一定的过热度，大部分铝合金要求铝液铸造前温度低于750 ℃，此时控制压力低于3.5×103 Pa时，100 g铝液最大H溶解度低于0.2 mL，见图4。
图4 压力和温度对铝液H溶解度的影响
图5中灰色区域为铝液[H]溶解度低于0.2 mL时的工艺参数控制范围。可以看出，温度越低对熔池深度和真空度的控制范围越宽，当铝液温度为675 ℃时极限真空条件下的熔池深度应低于0.38 m，但是在实际生产过程中需要考虑铸造工序对过热度的控制要求，铝液温度为750 ℃时极限真空条件下的熔池深度应低于0.14 m，才能保证真空除气效率满足生产要求，但是极限真空难以达到或保持稳定，当真空度小于2×103 Pa，控制熔池深度小于0.07 m，则铝液熔池[H]溶解度小于0.2 mL。应该指出，实际生产过程中铝液熔池[H]溶解度随着深度而变化，反应了真空除气过程的热力学条件，随着除气过程以及内部传质过程的进行，熔池[H]浓度主要受到边界条件的控制。
图5 铝液[H]溶解度低于0.2 mL/100g的控制范围
综上所述，电解铝液中氢含量一般大于0.35 mL/100g，当铝液置于真空环境中后，由于压力较低导致铝液熔池靠近液面区域的[H]溶解度降低，铝液中[H]析出形成气泡(H2)并上浮去除，见图6中熔池K点位置以上区域。随着除气过程的进行，熔池内部形成[H]浓度梯度，熔体中[H]通过扩散传质或对流传质的方式向液面传质并在液面形成气体形式的(H2)，见图6。因此，影响铝液真空除气效率的热力学因素是真空度、熔池深度和形状、温度，同时考虑其他动力学因素的除气过程的影响。
图6 真空条件下铝液除气过程示意图
3 结论
(1) 计算结果表明，铝液[H]溶解度随着压力和温度的降低而降低，当控制铝液温度为750 ℃、压力低于3.5×103 Pa时，100 g铝液最大H溶解度低于0.2 mL，而理论计算值低于文献报道的氢溶解度，可能是因为检测过程中熔池深度方向[H]浓度不均匀或者存在气泡形态的H2气。
(2) 通过控制真空度、熔池深度，可以控制铝液的[H]溶解度至较低范围，本研究计算了不同温度下100 g铝液中[H]溶解度低于0.2 mL时的真空度、熔池深度的控制范围，例如当铝液温度为750 ℃时，应控制熔池深度小于0.07 m、真空度小于2×103 Pa。
