导读：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。结果表明，铝液H溶解度随着熔池深度和温度的降低而降低，随着真空度的提高而降低，而理论计算值均低于报道的H溶解度，可能是因为熔池深度方向H浓度不均匀或者存在气泡形式的H2气。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，推荐了铝液H溶解度低于0.2 mL/100g时的真空度、熔池深度的理论控制范围。
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，一旦被凝固前沿捕捉就会在铸锭中形成针孔、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。根据西韦特(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。
