铝液中夹杂物的检测方法综述

李良钰 刘民章

(青海桥头铝电股份有限公司， 青海 西宁 810100)

0 前言

监控液态金属清洁度是产品质量控制过程中必不可少的一部分，而夹杂物的测量与控制则是保持熔体清洁度的重要部分。铝熔体中最常见的夹杂物有氧化铝、氧化镁、尖晶石、碳化物、耐火材料颗粒和二氧化硅颗粒[1-2]。在凝固之前，液态金属中的这些夹杂物对铸造产品的物理和表面特性有害，造成各种缺陷，包括铝箔中的针孔、条纹、深冲形式的撕裂、板材产品的表面缺陷等，这些缺陷为导致起泡、增加孔隙率、增加拉丝时破损率的氢气提供成核位置和不良加工性能。因此，行业需要找到合适的方法检测并去除这些夹杂物。

在铝液中运转传感器有一些挑战，因为铝熔体的腐蚀性和高温对任何设备的运转环境都是有害的。熔体的不透明性和低夹杂物含量(<30×10-6)要求对夹杂物的检测与去除提出了挑战。限制当前夹杂物检测系统实用性的关键因素是检测系统的成本、结果可用之前所需要的时间、系统的灵敏度、可检测到的夹杂物尺寸范围、所报告的信息水平和试样的大小。本文旨在讨论铝液中固体夹杂物的检测方法，比较每一种方法的优缺点，各铝加工厂要根据自身产品质量的要求来选择合适的夹杂物检测方法。

1 夹杂物检测方法

1.1 金相分析法

经典的金相学包括确定夹杂物存在和类型的铸锭切片的物理检查，切割并抛光铸锭，检查铸锭表面以捕获夹杂物。金相分析可以很好地了解试样中夹杂物的确切性质，但这是离线测试。试样需要取自熔体且分析每个试样需要时间，这种方法仅仅允许很小的试样尺寸；同时，要进行该分析非常辛苦，且需要有经验的技师，虽然分析工具如自动图像分析仪可以使分析更容易，但是，在取样与获得结果之间仍然有延误。

1.2 K-模具法

K-模具法是一种用于夹杂物检测的简单金相检验方法。K-模具法是生产一个小铸件，该铸件由具有四个缺口的平板组成，这些缺口用作断裂点。该测试包括：铸造一个或多个平板，在缺口处断裂，以提供许多断裂表面；用肉眼或显微镜对断裂表面进行夹杂物检查，夹杂物含量以百分比表示，代表夹杂物在断面上所占比例。由于铸造过程中的涡流，夹杂物倾向于在缺口附近聚集，从而改善了夹杂物检测。

K-模具法为检测60～80 μm宏观夹杂物提供了简单的车间试验方法。操作人员在数天内就可以获得使用此系统的足够经验。使用特殊照明或CCD摄像机可以使分析更容易进行，因此更加可靠。K-模具法检测的优点是成本低、操作人员技能水平要求低、取样灵活以及试样保留率高；缺点是依然属于离线测试，获得结果有延误。

1.3 压力过滤法

压力过滤是通过细过滤器迫使铝试样在压力下进行过滤，从而在过滤器表面上诱捕夹杂物。夹杂物在过滤器表面上浓缩了5 000～10 000倍以后可用于金相分析。使用此原理的夹杂物检测工具有加拿大铝业公司的多孔圆盘过滤分析仪(PoDFA)、联合碳化物液态铝夹杂物取样器(LAIS)和N-Tec公司的 Profil Footprinter。

1.3.1 PoDFA装置和LAIS装置

1)PoDFA装置。用PoDFA装置将金属由溜槽中舀入预热的坩埚，然后使用真空(负压)将试样吸到小过滤器圆盘上，按照过滤器表面夹杂物捕获的内部刻度对金属进行测量和后期分析。

2)LAIS装置。LAIS系统利用真空通过浓缩夹杂物的氧化铝盘吸取大约500 g金属。在去除塞子收集试样之前，将坩埚直接放置在溜槽中预热；取样完成后，将坩埚提升至熔体表面上方并使其冷却，测量取样时间和储存器中所收集金属的质量；最后，对试样进行切割、安装和抛光，以测定夹杂物含量。

这两种夹杂物含量检测方法的优点是安装使用方便;其缺点是取样非常耗时，结果至少24 h不可用，并且通常需要5天，同时分析非常昂贵。

1.3.2 Profil Footprinter装置

Profil Footprinter装置是通过测量金属流经过滤器的速率，在简单的压力过滤试验上进行扩展。由于夹杂物被捕获，它们在过滤器表面上逐步形成了一个限制金属流动的渣饼。在Profil Footprinter中，金属在严格控制的条件下被迫通过过滤器，并收集在坩埚下方的一个器皿中。对坩埚进行连续称量，以获得金属流动速率，可以将金属流动速率标绘为过滤曲线，并与参考曲线进行比较，可以给出熔体中总夹杂物含量的指标。稍后可以检查过滤器中的残留物，以确定结果并给出所发现夹杂物的更多信息。

1.4 流动性试验法

金属流动性，是模具填充程度的一个重要因素，也高度依赖于熔体的清洁度。N-Tec公司销售的金属卫生系统对于不同的金属性能有许多不同的测试，包括通过指叉树测量金属流动性。在精确的温度下将液态金属浇入一个具有5个长度相等、深度不同的通道的预热模具中。因为该模具和液态金属都保持在恒定的温度，所以不会发生凝固，因此，流体流动的唯一障碍是取决于合金成分和影响金属清洁度的金属黏度。当与过去的结果进行比较时，此项测试是熔体相对纯净度的一个指标。

1.5 电敏感区

电敏感区(ESZ)涉及到电流通路，该电流通路由导电液提供，而导电液携带了通过孔径流动的电流。监控穿过孔径的阻抗，当非导电颗粒穿过孔径时，可以检测到电阻变化与颗粒的体积成正比。电敏感区技术可用于检测铝液中的夹杂物，在大直流电存在的情况下，通过小孔吸入铝液，检测到了金属中的非导电夹杂物。颗粒取代其导电流体的体积，引起电阻的微欧变化，该电阻可以被检测为穿过小孔的电压脉冲。 LiMCA 和 LiMCA Ⅱ分析仪利用上述原理运行，前者的分辨率受背景噪声的限制，后者在降低噪音和提高仪器灵敏度的方面有许多改进。

LiMCA和LiMCA Ⅱ分析仪中的检测器由两个被绝缘硼硅酸盐管子隔开的电极组成[3-4]。管子中有一个直径约为300 μm的小孔，通过该小孔在两个电极之间提供电流传递，电流量很大，可达60安培数量级。在负压作用下，铝液通过小孔吸入管子，把熔体中的夹杂物通过小孔吸出来，使导电流体产生位移，导致电流通路的电阻升高。电阻的变化可以被检测为0.02～10 mV电极间电压的变化，从而提供熔体中夹杂物含量的实时测量。电压脉冲的振幅与通过小孔的夹杂物体积成正比，并且脉冲的长度给出了通过小孔的夹杂物通过时间指示。1 min大约可以取1个试样，每个试样17.5 g，其结果可以显示在计算机屏幕上，该计算机屏幕给出了作为时间函数的夹杂物含量曲线，或显示夹杂物含量分布的图形。

LiMCA系统的主要优点是可以在熔体持续时间内提供连续采样，可以测量小于20 μm的夹杂物。其缺点是系统的成本很高，限制了其在研究或铸造行业内的应用，并且由于300 μm的窄孔，试样尺寸很小。由于该小孔很窄，通过它液态金属被吸入探针，探针有被较大颗粒堵塞的倾向。因为高电流密度导致非导电颗粒上的洛伦次电磁力，增加了迫使一些颗粒向小孔的一侧移动的倾向。一个方案是将圆柱形伸缩管放置在该小孔的外面，通过捕获颗粒来帮助预防这个问题。洛伦次电磁力对较大颗粒具有较强的影响，所以伸缩管倾向于捕获更大的颗粒，同时可使较小的颗粒通过传感器流动。虽然没有检测到这些较大的颗粒，然而，这将有助于预防传感器堵塞。

1.6 超声波法

超声波法已广泛用于探测物质，从声纳到声学显微镜进行材料检查和生物医学分析。由于其具有无损探测材料内部的能力和每秒提供100个试样的高采样速度和大采样量[5]，超声对于铝液中的夹杂物检测是一种极具吸引力的选择。

1.6.1 超声波探针设计

超声波探针设计中关键参数是探针的信噪比(SNR)，这是影响仪器检测灵敏度的主要参数之一，决定可检测到最小颗粒尺寸的传感器分辨率、总体试样尺寸的检查体积大小和用来建造探针的材料的有效性与寿命。用来检测熔体中夹杂物回波的探针主要有脉冲回波配置和高音捕获配置。

1)脉冲回波配置。是用单个探针充当发射器和接收器，其优点是只需要一个传感器，并且其安装简便，也更便宜；其缺点是，受到缓冲杆中更多假回波的影响，并对信噪比有负面影响。

2)高音捕获配置。其使用两个探针，一个充当发射器，另一个充当接收器。其具有更好的信噪比，可以通过调整缓冲杆的相对位置控制有效检测区域，但需要对缓冲杆进行仔细的对准和调整，并且系统更加昂贵，安装复杂。

1.6.2 超声波缓冲杆设计

用超声波检测夹杂物的主要技术问题之一是电流互感器不能在铝液的高温下运行，所以，长度通常为200 mm和300 mm的缓冲杆用作由互感器向熔体传输信号的集中波导。缓冲杆通常是空冷的，没有冷却，缓冲杆的互感器端温度可以达到160℃，这个温度超出了大多数互感器的工作温度；空气冷却后，该温度可以保持在40℃。缓冲杆的使用导致了由缓冲杆内假回波引起的问题，干涉了所需要的信号，并降低了信噪比。同时，缓冲杆所使用材料的选择，对于探针的有效性和寿命也很重要，理想的材料应该与熔体具有良好的声耦合和高耐蚀性，用于缓冲杆的可能材料包括钢、二氧化硅、锡、氧化铝或铝合金。改善缓冲杆性能的方法如下：

1)使用锥形缓冲杆。超过1.5°的锥度可以减少假回波、提高信噪比和探针的总体灵敏度。双锥度允许使用较长的缓冲杆，且不会导致缓冲杆端部变得太宽。

2)在缓冲杆周围使用包覆层。缓冲杆通常由带热喷涂不锈钢包覆层的软钢芯组成。实践证明，包覆层可以提高探针的抗热冲击性能，有助于减少不必要的回波并改善缓冲杆的波导，从而具有更好的信噪比。

3)缓冲杆端部加工成球面凹声透镜。这可以聚焦超声信号，提高探针的空间分辨率，可以检测比平端探针更小的夹杂物。但是，空间分辨率改进的代价是聚焦探针比未聚焦探针检查的熔体体积更小。

尽管过去超声系统没有能够以足够的灵敏度检测到夹杂物，然而其系统有许多可以改进的方面。最新研究主要集中在提高缓冲杆的性能，开发具有提高信噪比和更好耐腐蚀性的缓冲杆。

1.7 光学发射光谱法

用光谱仪分析所得到的等离子体，如果夹杂物出现在试样蒸发的表面上，不同的发射光谱将会显示出夹杂物的存在和类型。火花光学发射光谱(Spark OES)和激光感应击穿光谱(LIBS)是金属中夹杂物检测的可能手段。

二者使用相同的原理工作。在火花光学发射光谱情况下，通过火花放电使小金属试样汽化；而在激光感应背景光谱情况下，则通过脉冲激光使小金属试样汽化。这些都是破坏性试验，因为试样蒸发了。这两种方法的试样尺寸都非常小，用激光感应击穿光谱法的采样量大约为10-8～10-5cm3；而火花形成了直径约为10～30 μm的一个坑，这导致非常小的试样尺寸，即使采集数千个试样。

1.8 多电压探针传感器法

多电压探针传感器可用来检测导电介质中的非导电颗粒，由位于平坦表面上方的电压电极阵列组成。多电压探测对于铝液中夹杂物的检测是很理想的，因为其具有良好的电极接触、高电学均匀性、低夹杂物浓度，并且金属充当了法拉第屏蔽，将背景噪声降低至大约5 μV左右。虽然多电压探针传感器可能无法获得与LiMCA系统相同的灵敏度，但是，它可以扫描更大的熔体体积，并且不需要人工孔或者真空泵来通过小孔吸出液态金属，所以，实施起来应该便宜得多。

1.9 电磁探测与可视化

Makarov等[6]基于洛伦磁力(阿基米德电磁力)提出了一种浓缩和检测夹杂物的方法。可以通过两个电极将直流电施加于熔体，这种电流将会在金属中感应出洛伦磁力的磁场，在非导电夹杂物中不会出现洛伦磁力，这将导致夹杂物在与洛伦磁力相反的方向上移动。通过排列产生向下的洛伦磁力的电极，这种影响可以用来迫使夹杂物到可以视觉检查的熔体表面。

此方法是夹杂物检测方法而不是去除方法。夹杂物检测时，只有小部分的熔体需要处理，因此可以获得更大的力密度。同时，此方法可以为铝熔体提供持续监控，每分钟最多采集200个试样，采样体积可达2 cm3，并检测下至10 μm的颗粒。

2 结束语

铝液中的夹杂物对最终铸造产品是有害的，夹杂物的去除对于保持产品质量的一致性至关重要。铝液的腐蚀性和高温对用来测量夹杂物含量的任何装置都提供了恶劣的环境，而且许多由铝制造的产品要求很低的夹杂物含量，这使得许多用钢或铝制造的传感器很难在铝熔体夹杂物检测中广泛应用。作者列举了全面金相分析、LiMCA和超声波自动检测等一系列夹杂物检测技术，然而，这些方法没有一个是完全令人满意的，行业需要合理定价的在线传感器。值得进一步研究的方法是多电压探针传感器，这种方法在大电流情况下使用了电压电极阵列，通过跨越电极阵列所测量的电压变化检测非导电夹杂物。