Hydrogen-Analyser


System zur schnellen und exakten Bestimmung und Analyse des aktuellen Wasserstoffgehaltes in Al-Legierungen

Die Kontrolle von gelöstem Wasserstoff in flüssigen Aluminiumlegierungen ist eine kritische Anforderung für die Aluminiumindustrie.

Aluminiumproduzenten und Gießereien investieren weltweit erheblich, um sicherzustellen, dass der gelöste Wasserstoffgehalt innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt. Wenn der Wasserstoffgehalt während der Erstarrung zu hoch ist, besteht die Möglichkeit zur Bildung von Hohlräumen / Poren.

Umgekehrt kann ein moderater Wasserstoffgehalt unter bestimmten Bedingungen wünschenswert sein, um die gießtechnisch relevanten Eigenschaften Fließ- bzw.
Formfüllungsvermögen sowie Speisungsvermögen bzw. Lunkerneigung positiv zu beeinflussen. Daher gibt es einen optimalen Wasserstoffgehalt, der idealerweise während des Gießens kontrolliert verarbeitet werden sollte.


Die Wasserstoffmessung kann mittels Probennahme oder als In Situ Messung in der Schmelze erfolgen. IDECO bietet daher 2 verschiedene Messverfahren an.

Die In Situ Messung mittels eines HYCAL Wasserstoffmessgerätes vom Hersteller EMC basiert auf einem keramischen Material (CaZrO3-In), das bei erhöhter Temperatur Wasserstoffionen leiten kann. Es wird eine Wasserstoffkonzentrationszelle verwendet, bei der die Referenzwasserstoffkonzentration bekannt ist.

Der Sensor enthält eine patentierte Festkörperreferenz, die für eine gegebene Temperatur einen bekannten pH2-Wert liefert. Abhängig von der pH2-Differenz zwischen der externen und internen Kammer des Sensors wird eine Spannung erzeugt, die in Verbindung mit der Temperatur und der Wasserstofflöslichkeit der jeweiligen Legierung eine genaue Messung des zu bestimmenden Wasserstoffs ermöglicht.

Die folgende schematische Darstellung zeigt, wie eine Spannung an der Wand des Calciumzirkonatmaterials erzeugt wird, die einem pH2-Unterschied ausgesetzt ist.

hdrogen-sketch

Der IDECO® Hydrogen-Analyser ist ein System zur schnellen und exakten Bestimmung und Analyse des aktuellen Wasserstoffgehaltes in Al-Legierungen per Probennahme.

Die angewandte Messtechnik basiert auf dem Prinzip der "ersten Gasblase" nach Y. Dardel.

Die Schmelzeprobe wird dazu in einen entsprechend temperierten, evakuierbaren Tiegel gefüllt. Sobald der Umgebungsdruck kleiner oder gleich dem Partialdruck des in der Schmelze gelösten Gases ist, tritt das gelöste Gas aus der Schmelze aus. Dies wird durch das Austreten von Blasen an der Metalloberfläche sichtbar.

Da Wasserstoff das einzige gelöste Gas in Aluminium ist, wird auf diese Weise der Wasserstoffpartialdruck ermittelt. Eine "echte" Blase ist eine solche, auf die weitere Blasen in kurzer Reihenfolge austreten.

Aus dem so ermittelten Wasserstoffpartialdruck, der simultanen Schmelzetemperatur, dem Zeitverlauf der Erstarrung und den Konstanten wird der Wasserstoffanteil berechnet. Die Wasserstoffkonzentration in der Schmelze lässt sich mit Hilfe des Sieverts´schen Gesetzes berechnen.

Die Berechnung sieht wie folgt aus:

log CH = 0,5 * log pH - A / T + B

mit
CH   Konzentration des im Aluminium gelösten Wasserstoffs in cm³/100g
pH   Partialdruck des Wasserstoffs in mbar
T      Temperatur der Schmelze in K
A,B   Konstanten für die Berücksichtigung der zu prüfenden Legierung

Die Konstanten berücksichtigen u.a. Löslichkeit der Elemente wie Silizium, Magnesium, Kupfer und Mangan.