CN102312117B - 吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的方法及设备,所述方法包括如下步骤:原料熔化、加入陶瓷增粘剂、湿润促进剂并搅拌以获得成分均匀的铝熔体,利用吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝设备进行连续发泡,获得泡沫尺寸均匀、密度及生产率可控的铝熔体泡沫,经网带通过弧形过渡结构传输并切割成为泡沫铝板;所述设备利用简单的曲柄连杆机构实现水平出气管的往复运动,利用弧形过渡装置使铝熔体泡沫能够由上升提拉转变为水平传送。本发明的工艺与设备简单,操作控制准确,通过改变出气管的往复运动频率、压缩气体的压力和流量或出气微孔的直径,调节铝熔体中所形成的泡沫尺寸,达到高效率且低成本的精确控制泡沫铝产品孔径和密度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域,尤其涉及一种熔体-气体发泡法连续生产闭孔泡沫铝的方法及设备。
背景技术
闭孔泡沫铝是一种新型结构功能材料,其以独特的结构表现出特殊的物理、化学和力学性能与可回收性等。作为结构材料,它具有轻质和高比强度的特点;作为功能材料,它同时具备吸声、隔声、隔热、阻燃、减震、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能。所以其在冶金、机械、交通运输、航空航天、化工、电子通讯、建筑、军备及汽车等领域均有广泛应用。
常用的制备闭孔泡沫铝的方法主要有粉末冶金法、熔体-固体发泡剂法与熔体-气体发泡法。
粉末冶金法由于成本较高,只适合于铸造加工一些小零件,不适用于大规模工业生产。
熔体-固体发泡剂法的工艺简单、生产成本低于粉末冶金法,但只能够进行批量生产。
熔体-气体发泡法是当前唯一能够进行连续生产闭孔泡沫铝的方法,具有所制备泡沫铝的孔隙范围大,且生产成本低廉的优点。但是,现行的铝熔体-气体发泡方法存在下列明显不足:
(1)在其它发泡工艺条件恒定时,铝熔体泡沫的尺寸只能够随通入气体的压力或流量的提高而增大,不能够人为控制使其减小,导致在制备小孔径的高密度泡沫铝时的生产效率低;
(2)由于无法产生尺寸均匀一致的铝熔体泡沫,所以闭孔泡沫铝的密度均匀性差,导致了同密度泡沫铝的显著性能差异[R.Edwin Raj,B.S.S.Daniel,Structural and compressiveproperty correlation of closed-cell aluminum foam,J,Alloys Comp.,467(2009)1-2,550-556.A.E.Simone,L.J.Gibson,Aluminum foams produced by liquid-state processes.Acta Materialia,46(1998)9,3109-3123.];
(3)不能按预定孔径生产泡沫铝产品。
可见,铝熔体气体发泡法中泡沫尺寸及其均匀性的控制是高效率连续生产高性能闭孔泡沫铝的关键技术。
发明内容
为解决上述铝熔体-气体发泡方法存在的问题,本发明提供了一种高效率且低成本的能够精确控制泡沫铝产品孔径和密度的连续生产闭孔泡沫铝的方法与装置。
本发明的技术解决方案是这样实现的:
一种吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的设备,包括由调速电机驱动的往复运动机构、发泡装置和传送网带系统;
所述往复运动机构包括曲柄连杆机构和微孔排管底吹气装置,所述微孔排管底吹气装置是相连通的斜立的L型通气管和一根以上的水平出气管构成的一体结构,所述通气管的水平下端口与所述水平出气管相连,通气管的上端与曲柄连杆机构相连接,所述水平出气管上分布有出气微孔,所述出气微孔的直径为0.08~0.5mm;
所述发泡装置包括发泡炉和发泡槽,发泡炉包覆于发泡槽的外围,所述发泡槽由隔板分隔成蓄液室和发泡室两部分,所述隔板插嵌于发泡槽壁上沿的槽道中并且可在外力推动下沿所述槽道滑动至一定位置悬空,所述发泡室上沿水平截面的长小于1220mm,宽为15~150mm;
所述传送网带系统包括驱动轮、从动轮、传送网带和弧形过渡结构,所述传送网带在传送过程中经过弧形过渡结构,所述弧形过渡结构设置于所述发泡槽的发泡室侧的槽壁上沿外侧,与所述槽壁的内沿在上沿处相切;所述的弧形过渡机构可以是圆弧板、滚筒、栅板、栅管等结构形式;
所述水平出气管置于所述发泡室底部。
具体的,所述水平出气管是金属或陶瓷材料。
进一步的,所述出气微孔是在所述水平出气管上钻出的孔,或者是在水平出气管上钻孔后用高温胶粘接上空心陶瓷管而形成。
利用上述设备连续生产闭孔泡沫铝的方法,包括如下步骤:
第一步,制备成分均匀的铝熔体:将原料,可以是纯铝或铝硅合金、变形铝合金、废铝熔化,在680~750℃加入金属镁作为湿润促进剂,以提高后续加入的陶瓷颗粒与熔体的湿润性,避免陶瓷颗粒在熔体中的沉降,以维持铝熔体的成分均匀,其加入量为原料质量的0.5~4%,并进行搅拌;待镁完全熔解后,加入粒度小于30μm的碳化硅粉或者粒度小于20μm的氧化铝粉作为陶瓷增粘剂,以调整铝熔体的粘度,其加入量分别为熔体体积8~25%和5~15%,并充分搅拌均匀,形成成分均匀的铝熔体;
第二步,铝熔体发泡和定时补充炉料:将铝熔体倾入发泡槽内;通过微孔排管底吹气装置的通气管吹入压缩气体,压缩气体经由水平出气管的出气微孔射入铝熔体中,同时,调速电机驱动往复运动机构以一定频率作往复运动,使铝熔体在发泡槽的发泡室于600~660℃连续发泡;同时,向发泡槽中定时补充发泡熔体,维持泡沫铝的连续生产;用于发泡的铝熔体也可以是二次熔化的铝熔体,即将一次熔化制备的铝熔体铸造成为铸锭后,再通过二次熔化后进行发泡;经过二次熔化的铝熔体成分更加均匀,更加有利于铝熔体的连续和均匀发泡;
在发泡过程中,通过调节水平出气管的往复运动频率、压缩气体的压力和流量以及出气微孔的直径即可根据需要控制铝熔体泡沫的尺寸,进而达到控制泡沫铝的密度的目的:其中,往复运动频率小于500rpm,压缩气体的压力为0.1~0.5MPa,压缩气体的流量为0.3~10L/min,出气微孔的直径为0.08~0.5mm;由此所获得的铝熔体的孔径范围为2.0~18mm,密度控制范围为0.10~0.55g/cm3;
所述的压缩气体是压缩的空气、氢气、氮气、二氧化碳或水蒸气。
同时,铝熔体泡沫的生产率或连续生产速度,可通过出气微孔的数量及水平出气管的数量来控制,单根出气管的生产率为0.3~10L/min;
另一方面,调整发泡室的上沿水平截面尺寸,可获得宽度小于1220mm,厚度为15~150mm的不同长度的泡沫铝板;
第三步,经传送网带传输并形成泡沫铝平板:连续生成的铝熔体泡沫上升至液面后,在传送网带系统的传送下离开发泡室表面,首先通过弧形过渡结构传送并形成泡沫铝平板,所述弧形过渡结构与发泡室的侧壁在上沿处外切;
泡沫铝板的长度根据需要,在规定的长度方向上截取。
将截取下的泡沫铝板移出传送网带,冷却至室温后,在厚度方向切割成材。
本发明的显著特点是:
(1)利用大量孔径一致的出气微孔,使在所有出气微孔上所生成的铝熔体泡沫尺寸均匀一致;
(2)利用出气微孔在铝熔体底部的往复运动,改变出气微孔上方的静压强,使铝熔体泡沫的尺寸减小,能够在减小铝熔体泡沫尺寸的同时,达到高效率的连续生产目的;
(3)利用在出气微孔上方的铝熔体流动,对处于形成阶段的铝熔体泡沫施加横向推力,促使其早期脱离出气微孔,形成完整泡沫;
(4)利用简单的曲柄连杆机构实现出气管的往复运动,排管式的出气微孔有利于泡沫铝板的制造;
(5)利用传送网带将铝熔体泡沫通过弧形过渡过渡区由上升提拉平缓过渡到水平输送,形成泡沫铝平板;
(6)通过改变出气管的往复运动频率、压缩气体的压力和流量或出气微孔的直径,均可调节铝熔体中所形成的泡沫尺寸,从而达到精密控制泡沫铝密度的目的。
总之,相比现有技术,本发明生产设备简单,资金投入小,工艺合理,泡沫尺寸控制准确可靠,生产的泡沫铝产品孔径均匀一致,密度可控及孔径可控;可以按用户要求生产不同密度、不同孔径的泡沫铝产品;密度的控制范围为0.10~0.55g/cm3;孔径的控制范围为2.0~18mm。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图;
图2为微孔排管底吹气装置示意图,其中(a)为主视图;(b)为左视图;
图3本发明的设备结构示意图。图中,
1-调速电机2-曲柄连杆机构3-发泡炉4-发泡槽5-蓄液室6-通气管8-隔板9-水平出气管10-出气微孔11-发泡室12-网带从动轮I 13-弧形过渡区14-网带从动轮II 15-网带16-网带驱动轮
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述:
本发明所用的吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的设备如图3所示,包括由调速电机1驱动的往复运动机构、发泡装置和传送网带系统;
所述往复运动机构包括曲柄连杆机构2和微孔排管底吹气装置,所述微孔排管底吹气装置,如图2所示,是相连通的斜立的L型通气管6和一根以上的水平出气管9构成的一体结构,所述通气管6的水平下端口与所述水平出气管9相连,通气管6的上端与曲柄连杆机构1相连接,所述水平出气管9上分布有出气微孔11,所述出气微孔11的直径为0.08~0.5mm;
所述发泡装置包括发泡炉3和发泡槽4,发泡炉3包覆于发泡槽4的外围,所述发泡槽4由隔板8分隔成蓄液室5和发泡室11两部分,所述隔板8插嵌于发泡槽4槽壁上沿的槽道中并且可在外力推动下沿所述槽道滑动至一定位置悬空,所述发泡室11上沿水平截面的长小于1220mm,宽在15~150mm可调节;
所述传送网带系统包括驱动轮16、两个从动轮12和14和传送网带15,所述传送网带15在传送过程中经过一段弧形过渡区13,所述弧形过渡区13设置于所述发泡槽的发泡室11侧的槽壁上沿外侧,与所述槽壁的内沿在上沿处相切;
所述水平出气管9置于所述发泡室11底部。
具体的,所述水平出气管9是金属或陶瓷材料。
所述出气微孔10是在所述水平出气管9上钻出的孔,也可以是在水平出气管9上钻出的孔的基础上用高温胶粘接上空心陶瓷管而形成。
本发明所用原料为纯铝或铝硅合金、变形铝合金、废铝;陶瓷增粘剂为碳化硅粉和氧化铝粉,湿润促进剂为金属镁;发泡介质为压缩空气。
实施例1
将铝和铝硅合金在800℃以上熔化,当熔体温度降到680~750℃区间时加入原料质量0.8~3.5%金属镁,并进行搅拌。当镁完全熔解后,加入10Vol.%的碳化硅粉,充分搅拌均匀后,移入在600~660℃保温的发泡炉中进行发泡。在压缩空气的压力和流量分别为0.2MPa和1.5L/min、单排水平出气管、出气微孔直径为0.25mm和出气微孔的往复频率为400rpm的条件下,得到宽度和厚度分别为1000mm和18mm的闭孔泡沫铝板的密度为0.18g/cm3,连续生产速度为220mm/min。
实施例2
金属镁加入量为原料质量1.0~3.0%,碳化硅粉加入量为12Vol.%,改变压缩空气的流量为3.0L/min,双排水平出气管,其它条件与实施例1相同,得到宽度和厚度分别为1000mm和18mm的闭孔泡沫铝板的密度为0.18g/cm3,连续生产速度为450mm/min。
实施例3
金属镁加入量为原料质量1.0~2.5%,碳化硅粉加入量为15Vol.%,改变压缩空气的压力为0.3MPa,其它条件与实施例2相同,得到宽度和厚度分别为1000mm和18mm的闭孔泡沫铝板的密度为0.17g/cm3,连续生产速度为550mm/min。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的设备,包括由调速电机驱动的往复运动机构、发泡装置和传送网带系统,其特征在于:
所述往复运动机构包括曲柄连杆机构和微孔排管底吹气装置,所述微孔排管底吹气装置是相连通的斜立的L型通气管和一根以上的水平出气管构成的一体结构,所述通气管的水平下端口与所述水平出气管相连,通气管的上端与曲柄连杆机构相连接,所述水平出气管上分布有出气微孔,所述出气微孔的直径为0.08~0.5mm;
所述发泡装置包括发泡炉和发泡槽,发泡炉包覆于发泡槽的外围,所述发泡槽由隔板分隔成蓄液室和发泡室两部分,所述隔板插嵌于发泡槽壁上沿的槽道中并且可在外力推动下沿所述槽道滑动至一定位置悬空,所述发泡室上沿水平截面的长小于1220mm,宽为15~150mm;
所述传送网带系统包括驱动轮、从动轮、传送网带和弧形过渡结构,所述传送网带在传送过程中经过所述弧形过渡结构,所述弧形过渡结构设置于所述发泡槽的发泡室侧的槽壁上沿外侧,与所述槽壁的内沿在上沿处相切;
所述水平出气管置于所述发泡室底部。
2.如权利要求1所述的连续生产闭孔泡沫铝的设备,其特征在于:
所述弧形过渡结构是圆弧板、或滚筒、或栅板、或栅管。
3.如权利要求1所述的连续生产闭孔泡沫铝的设备,其特征在于:
水平出气管由金属或陶瓷材料制成。
4.如权利要求3所述的连续生产闭孔泡沫铝的设备,其特征在于:
所述出气微孔是在所述水平出气管上钻出的孔,或者是在水平出气管上钻孔后用高温胶粘接上空心陶瓷管而形成。
5.一种吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的方法,包括如下步骤:
(1)制备成分均匀的铝熔体:将纯铝或铝合金原料熔化,先后加入湿润促进剂和陶瓷增粘剂,并充分搅拌,形成成分均匀的铝熔体;
(2)铝熔体发泡和定时补充炉料:将铝熔体倾入发泡槽内;通过微孔排管底吹气装置的通气管吹入压缩气体,压缩气体经由水平出气管的出气微孔射入铝熔体中,同时,调速电机驱动往复运动机构以一定频率作往复运动,使铝熔体在发泡槽的发泡室于600~660℃连续发泡;同时,向发泡槽中定时补充发泡熔体,维持泡沫铝的连续生产;
(3)经传送网带传输并形成泡沫铝平板:连续生成的铝熔体泡沫上升至液面后,在传送网带系统的传送下离开发泡室表面,首先通过弧形过渡结构并形成泡沫铝平板,所述弧形过渡结构与发泡室的侧壁在上沿处外切;
步骤(1)中,所述湿润促进剂为金属镁,其加入量为纯铝或铝合金原料的质量的0.5~4%,在680~750℃加入原料中,搅拌使之完全熔解;所述陶瓷增粘剂为碳化硅粉或者氧化铝粉,其加入量分别为熔体体积的8~25%和5~15%,其中碳化硅粉的粒度小于30μm,氧化铝粉的粒度小于20μm;
步骤(2)中,往复运动机构的往复运动频率小于500rpm,压缩气体的压力为0.1~0.5MPa,压缩气体的流量为0.3~10L/min,出气微孔的直径为0.08~0.5mm;
步骤(3)中,根据需要的泡沫板宽度和厚度,调整发泡室的上沿水平截面尺寸,所述水平截面的长度小于1220mm,宽为15~150mm。
6.如权利要求5所述的吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的方法,其特征在于:
步骤(2)中,所述的压缩气体是压缩的空气、氢气、氮气、二氧化碳或水蒸气。
7.如权利要求5所述的吹气发泡连续生产闭孔泡沫铝的方法,其特征在于:
步骤(2)中,用于发泡的所述铝熔体是二次熔化所得的铝熔体,所述二次熔化,即将步骤(1)所得铝熔体铸造成铸锭后,再次熔化成铝熔体的过程。
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Effective date of registration: 20200110 Address after: 236502 North Ring Road, Xicheng Industrial Park, Jieshou City, Fuyang City, Anhui Province Patentee after: Anhui Xinzun Automation Technology Co., Ltd. Address before: 116028 No. 794, the Yellow River Road, Shahekou District, Liaoning, Dalian Patentee before: Dalian Jiaotong University |
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