CN101906558A - 晶须增强型铝合金抑爆材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶须增强型铝合金抑爆材料，由切缝并扩展后的铝合金箔网制成，具有网状或蜂窝状的多孔结构，其特征在于：所述铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成，且所述晶须质量占所述铝合金基体质量的5～20％。同时，本发明还公开了该抑爆材料的制造方法。本发明所得的材料将晶须的超高强度、刚度与金属基体的高韧性、高延展性结合起来，不仅具有普通抑爆金属材料导电、导热性能好，比表面积大的优点，同时具有抗腐蚀、高强度的特点，该材料作为抑爆材料时不产生碎屑，不变形，并且不产生塌陷现象。该材料尤其适用于腐蚀性较大的易燃易爆液体盛装容器以及撬装式加油加气站储罐的安全防护。
Description
技术领域
本发明涉及抑爆材料，尤其涉及一种晶须增强型铝合金抑爆材料及其制造方法。
背景技术
BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion)，即当高压储罐遇火时，罐内迎火面的罐壁形成滞留气泡阻碍热量传递，液面之上的干壁也会因为被过度加热而金属强度下降，由此出现内部压力升高，外部金属受高温，发生蠕变，强度下降的恶性局面，从而造成容器断裂，形成爆炸。
美国在上世纪七十年代(1970’)开始在军事设施设备上率先使用聚氨酯泡沫抑爆填料，后逐渐开发和应用了金属泡沫抑爆填料。通过不断地革新和完善，现在全世界对铝合金抑爆材料不论是理论上还是实践中都有了广泛的认识和应用。国外开发的著名产品有Explosafe、Deto-stop、Ex-Co、ExploControl、No-Ex、eXess、EM2等，国内开发和应用的产品有HAN、LF21、JFJ、HFJ等。这些材料的化学组成和成分各不相同，但都以金属铝为基，通过添加不同的金属元素以及不同的加工工艺形成铝合金，用来加工成铝合金抑爆材料。
在盛装有汽油、丙烷、乙炔等液体的容器中，由于存在这些易挥发物质的蒸汽与空气混合气，极易发生燃烧和爆炸。铝合金填料具有导热性能好，导电性能强，比表面积大等特点，在充分分布于油箱后，其蜂窝状的网状结构，将油箱内腔分为若干个“小室”或“腔体”，这些“小室”或“腔体”可以有效地遏制火焰的传播，使燃爆压力波急剧衰减；同时这种蜂窝结构的材料在单位容积内具有较高的表面效能，从而具有良好的吸热性，可以迅速地将燃烧释放出来的热量吸收，使燃烧反应后的温度降低，反应气体的膨胀程度缩小，容器内的压力值增高不大，使燃烧速度达不到爆炸的极限速度，从而达到抑爆的目的。
随着社会经济和科学技术的发展，易燃易爆类液体在各领域的应用越来越多、越来越广。这些易燃易爆类液体的性质各异，有些具有强腐蚀性。比如，近年来开发的甲醇、乙醇汽油在生活中得到广泛应用，但甲醇在生产和储运中可能会产生反应(CH3OH+O2→HCO0H+H2O)，氧化生成的甲酸等有机酸对长期浸泡在液体中的金属抑爆材料表面造成腐蚀。而表面被腐蚀后的抑爆材料，其导热、导电性能都将大大降低，会产生碎屑和铝锈，从而导致堵塞油路管道。因此，如何增强抑爆材料的抗腐蚀性十分必要。
AQ3001-2005《汽车加油(气)站、轻质燃油和液化石油气汽车罐车用阻隔防爆储罐技术要求》中指出：汽车加油(气)站、轻质燃油和液化石油气汽车罐车用储罐内不应出现碎屑，否则会影响储罐自身和储罐下一工序的正常工作。如果阻隔防爆装置产生碎屑，加油站的储油罐底阀、潜油泵会被堵塞或影响止回阀的密封效果。碎屑一旦进入到加油机，还会影响加油机的正常工作，后果不堪设想。加气站的储气罐中如果产生碎屑，除了会影响储罐自身的一些功能(如出液、排污、压力表、液位仪、泄压和放空等功能)外，还会影响后续的液化石油气输送泵的正常工作。轻质燃油、液化石油气汽车罐车用储罐内如果产生碎屑，会影响到罐体上的出液阀门、流体输送泵、液体流量计的正常工作。因此，安装储罐内的阻隔防爆装置时，应保证储罐在运行过程中，阻隔防爆装置不会产生碎屑。
晶须做为一种新型的增强材料，具有高强、耐磨、耐热、防腐、导电、减振、阻燃、吸波等特殊性能，在各种复合材料中广泛应用，取得许多优异的力学性能。而晶须增强金属基复合材料是将晶须的超高强度、刚度与金属基体的高韧性、高延展性结合起来，从而可以得到许多优异性能的金属复合材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种强度高、耐腐蚀、不产生碎屑、不变形的晶须增强型铝合金抑爆材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种简便、易行的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种晶须增强型铝合金抑爆材料，由切缝并扩展后的铝合金箔网制成，具有网状或蜂窝状的多孔结构，其特征在于：所述铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成，且所述晶须质量占所述铝合金基体质量的5～20％。
所述铝合金为按常规方法生产、含多种金属元素的普通铝合金。
所述晶须材料的长径比大于10且小于2000，其截面积小于52×10cm2。
一种如上所述的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金在720～750℃下加热熔融，得到铝合金熔体；
(2)在Ar气或CO2/SF6气氛保护下的所述铝合金熔体中，加入晶须材料，经结晶器电磁搅拌铸锭形成坯料；
(3)将所述坯料铣面；
(4)在380～400℃下，将坯料轧制成厚度为6～6.5mm、宽度为40～900mm的晶须铝合金坯料；
(5)将所述步骤(4)所得到的晶须铝合金坯料轧制成铝合金箔；
(6)将所述步骤(5)所得的铝合金箔切缝整形后，拉网扩展为铝箔网；将该铝箔网叠制成型，得到网状抑爆材料。
所述步骤(5)中的铝合金箔的厚度为0.03～0.08mm、宽度为40～900mm。
所述步骤(6)中的切缝长度为10～15mm，相邻切缝间距为1～3mm和2～6mm。
将所述步骤(6)所得的网状抑爆材料分切整形，卷绕制成柱形、矩形或球状抑爆材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、由于本发明产品采用晶须/铝合金复合材料为原料，将晶须的超高强度、刚度与金属基体的高韧性、高延展性结合起来，因此，不仅具有普通抑爆金属材料导电、导热性能好，比表面积大的优点，而且具有抗腐蚀、高强度的特点。
2、由于本发明产品具有抗腐蚀、高强度的特点，因此，该产品作为抑爆材料时不产生碎屑，不变形，并且不产生塌陷现象，尤其适用于腐蚀性较大的易燃易爆液体盛装容器以及撬装式加油加气站储罐的安全防护。
3、由于本发明产品在制造时采用结晶器电磁搅拌铸造法添加晶须材料，因此，晶须材料可均匀地分散在铝合金基体中，从而减少了晶须团聚，使得铝基复合材料的性能较好。
具体实施方式
实施例1一种晶须增强型铝合金抑爆材料，其铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将硅0.05～0.15％，铜1.0～1.6％，锰0.2～0.5％，镁1.0～3.0％，锌3.0～6.0％，钛0.02～0.06％，锆0.05～0.15％，钪0.1～0.3％，其余为铝(重量百分比)的合金置于熔融炉，在720℃下加热熔融，得到铝合金熔体。
(2)向熔融炉中通入Ar气或CO2/SF6，使铝合金熔体处于Ar气或CO2/SF6气氛保护中，然后加入加入铝合金基体质量5％的直径为0.1～1.0μm、长度为50～200μm、截面积小于52×10cm2的α-SiC晶须粉末，用结晶器电磁搅拌装置(In-Mold Electro-Magnetic Stirrer简称M-EMS；其主要规格和设备技术参数为：连铸坯厚150～400mm、宽600～1600/900～2360mm；铸速0.5～2.5m/min；线圈类型为线性感应电动机型，线圈长度为极距420～972m、极数2/4、容量300～600kVA；线圈电磁力形成推力约7～9×103kN/m2；线圈重量约2500kg×2/st；线圈采用内冷水进行冷却，接头盒密材采用N2或干燥空气填充；结晶器长度800～1090mm)进行搅拌，并控制熔体流动，使晶须颗粒均匀分散于铝合金中；然后铸锭形成坯料。
(3)将坯料用铣面机铣面。
(4)在380℃下，用热轧机将坯料轧制成厚度为6mm、宽度为40mm的晶须铝合金坯料；采用电子万能拉伸机、拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试，该合金屈服强度为580MPa，抗拉强度为780MPa，延伸率为8％，合金导电率为30％IACS。
(5)将步骤(4)所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为0.03mm、宽度为40mm的铝合金箔；
(6)将步骤(5)所得的铝合金箔经切缝机切缝整形，切缝长度为10mm，相邻切缝间距为1mm和2mm；然后，用拉网机展开，扩展为铝箔网；将该铝箔网叠制成型，得到网状阻隔防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形，根据需填容器卷绕成柱形、矩形或通过制球机制成球状抑爆材料。
实施例2一种晶须增强型铝合金抑爆材料，其铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将硅0.2％，铁0.3％，铜0.05％，锰0.18％，镁1.5％，锌0.2％，钛0.08％，镍0.1％，其余为铝(重量百分比)的合金置于熔融炉，在750℃下加热熔融，得到铝合金熔体。
(2)向熔融炉中通入Ar气或CO2/SF6，使铝合金熔体处于Ar气或CO2/SF6气氛保护中，然后加入加入铝合金基体质量20％的直径为0.2～2.0μm、长度为100～500μm、截面积小于52×10cm2的硼酸镁(Mg2B2O5)晶须粉末，用结晶器电磁搅拌装置进行搅拌，然后铸锭形成坯料。
(3)将坯料用铣面机铣面。
(4)在400℃下，用热轧机将坯料轧制成厚度为6.5mm、宽度为900mm的晶须铝合金坯料；采用电子万能拉伸机、拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试，该合金屈服强度为650MPa，抗拉强度为850MPa，延伸率为5％，合金导电率为25％IACS。
(5)将步骤(4)所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为0.08mm、宽度为900mm的铝合金箔；
(6)将步骤(5)所得的铝合金箔经切缝机切缝整形，切缝长度为15mm，相邻切缝间距为3mm和6mm；然后，用拉网机展开，扩展为铝箔网；将该铝箔网叠制成型，得到网状阻隔防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形，根据需填容器卷绕成柱形、矩形或通过制球机制成球状抑爆材料。
实施例3一种晶须增强型铝合金抑爆材料，其铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将硅0.5％，铁0.5％，铜0.1％，锰0.1％，镁0.05％，其余为铝(重量百分比)的合金置于熔融炉，在740℃下加热熔融，得到铝合金熔体。
(2)向熔融炉中通入Ar气或CO2/SF6，使铝合金熔体处于Ar气或CO2/SF6气氛保护中，然后加入加入铝合金基体质量10％的直径为0.3～2.0μm、长度为30～70μm、截面积小于52×10cm2的氧化锌(ZnO)晶须粉末，用结晶器电磁搅拌装置进行搅拌，然后铸锭形成坯料。
(3)将坯料用铣面机铣面。
(4)在390℃下，用热轧机将坯料轧制成厚度为6.2mm、宽度为500mm的晶须铝合金坯料；采用电子万能拉伸机、拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试，该合金屈服强度为680MPa，抗拉强度为880MPa，延伸率为5％，合金导电率为26％IACS。
(5)将步骤(4)所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为0.05mm、宽度为500mm的铝合金箔；
(6)将步骤(5)所得的铝合金箔经切缝机切缝整形，切缝长度为13mm，相邻切缝间距为2mm和4mm；然后，用拉网机展开，扩展为铝箔网；将该铝箔网叠制成型，得到网状阻隔防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形，根据需填容器卷绕成柱形、矩形或通过制球机制成球状抑爆材料。
实施例4一种晶须增强型铝合金抑爆材料，其铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将硅0.4％，铁0.3％，铜0.2％，锰0.05％，镁0.15％，其余为铝(重量百分比)的合金置于熔融炉，在730℃下加热熔融，得到铝合金熔体。
(2)向熔融炉中通入Ar气或CO2/SF6，使铝合金熔体处于Ar气或CO2/SF6气氛保护中，然后加入加入铝合金基体质量15％的直径为0.1～0.5μm、长度为5～50μm、截面积小于52×10cm2的β-Si3N4晶须粉末晶须材料，用结晶器电磁搅拌装置进行搅拌，然后铸锭形成坯料。
(3)将坯料用铣面机铣面。
(4)在380℃下，用热轧机将坯料轧制成厚度为6mm、宽度为200mm的晶须铝合金坯料；采用电子万能拉伸机、拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试，该合金屈服强度为720MPa，抗拉强度为990MPa，延伸率为5％，合金导电率为20％IACS。
(5)将步骤(4)所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为0.06mm、宽度为200mm的铝合金箔；
(6)将步骤(5)所得的铝合金箔经切缝机切缝整形，切缝长度为12mm，相邻切缝间距为1mm和5mm；然后，用拉网机展开，扩展为铝箔网；将该铝箔网叠制成型，得到网状阻隔防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形，根据需填容器卷绕成柱形、矩形或通过制球机制成球状抑爆材料。
上述铝合金为按常规方法生产、含多种金属元素的普通铝合金；晶须材料可为金属、碳化物、氮化物、硼酸盐、氧化物等。
Claims (7)
1.一种晶须增强型铝合金抑爆材料，由切缝并扩展后的铝合金箔网制成，具有网状或蜂窝状的多孔结构，其特征在于：所述铝合金箔由晶须/铝合金复合材料组成，且所述晶须质量占所述铝合金基体质量的5～20％。
2.如权利要求1所述的晶须增强型铝合金抑爆材料，其特征在于：所述铝合金为按常规方法生产、含多种金属元素的普通铝合金。
3.如权利要求1所述的晶须增强型铝合金抑爆材料，其特征在于：所述晶须材料的长径比大于10且小于2000，其截面积小于52×10cm2。
4.一种如权利要求1所述的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金在720～750℃下加热熔融，得到铝合金熔体；
(2)在Ar气或CO2/SF6气氛保护下的所述铝合金熔体中，加入晶须材料，经结晶器电磁搅拌铸锭形成坯料；
(3)将所述坯料铣面；
(4)在380～400℃下，将坯料轧制成厚度为6～6.5mm、宽度为40～900mm的晶须铝合金坯料；
(5)将所述步骤(4)所得到的晶须铝合金坯料轧制成铝合金箔；
(6)将所述步骤(5)所得的铝合金箔切缝整形后，拉网扩展为铝箔网；将该铝箔网叠制成型，得到网状抑爆材料。
5.如权利要求4所述的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中的铝合金箔的厚度为0.03～0.08mm、宽度为40～900mm。
6.如权利要求4所述的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(6)中的切缝长度为10～15mm，相邻切缝间距为1～3mm和2～6mm。
7.如权利要求4所述的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法，其特征在于：将所述步骤(6)所得的网状抑爆材料分切整形，卷绕制成柱形、矩形或球状抑爆材料。
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