CN107058780B - 一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法 - Google Patents

一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用低成本增粘剂‑发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，该装置包括二氧化碳储气罐、定量伺服电机、料仓、输料管、搅拌分散机、搅拌分散机支架、搅拌分散头、增粘‑发泡桶等部分；该装置所述方法为采用低成本的增粘剂‑发泡剂，运用所述装置由定量伺服电机将增粘剂和发泡剂输送到二氧化碳载气中，利用二氧化碳载气将增粘剂、发泡剂输送至分散头，由分散头将二氧化碳、增粘剂、发泡剂均匀分散入铝液中；该发明解决了外加氧化铝、碳化硅与铝液不润湿，在铝液中分散困难的难题、解决了氢化钛发泡剂因成本高昂而限制泡沫铝应用的难题、解决了金属钙、金属钛对铝液造成一定污染而影响泡沫铝的回收利用等问题。

Description

一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法
技术领域
本发明涉及泡沫金属制备领域，尤其涉及一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法。
背景技术
泡沫金属是近年来兴起的一种新型材料，具有轻质（密度仅为木材的三分之一、铝的十分之一、钛的二十分之一、钢的三十分之一）、高比强度、高比刚度、阻尼、减震、吸收冲击能、隔声、吸声、隔热、散热、阻燃、电磁屏蔽等特点，使其既具有功能材料的特点，又具有结构材料的优势。由于其兼有抗蚀、耐热、耐高温、不老化的特点，可以在许多腐蚀、高温、恶劣环境下工作，有望解决许多工程应用方面的难题。包括在航空航天、潜艇舰船、交通运输、电子信息、建筑机械、装饰装潢等众多工业、民用、高技术领域有着广阔的应用前景。
目前，国内外在泡沫金属产品质量和性能、制备工艺、成本控制和工业化生产方面仍然存在许多问题。在产品质量和性能控制方面，主要表现在，能够进行半工业化生产的泡沫金属产品基本都是由金属基、陶瓷颗粒和气孔组成的复合材料，陶瓷颗粒能够增加气泡的稳定性，同时也使泡沫体具有脆性。常用的陶瓷增粘剂为氧化铝、碳化硅以及利用金属钙与铝反应形成金属化合物等，铝液与氧化铝、碳化硅不润湿，在搅拌增粘时，氧化铝、碳化硅易于团聚成片，不利于均匀分散，影响增粘效果。金属钙通过与铝、大气环境中的氧反应，生成尺寸粗大的金属化合物达到增粘的目的，生产每吨泡沫金属需要消耗金属钙10-15kg，由于钙的价格高，大量使用金属钙作为增粘剂，加大泡沫铝的制造成本。钙是活性金属，易于与空气中的氧发生放热反应，严重时甚至引起火灾，需要采用特殊的储运措施，给生产和使用造成不便。使用金属钙作为增粘剂、氢化钛作为发泡剂使用时，因金属钙、钛等对铝液造成的污染，影响和限制泡沫铝的废料再生利用。
发泡法是最有工程化应用前景的泡沫铝制备技术，发泡剂是发泡法制备泡沫铝的关键材料，考虑综合成材率的影响因素，每生产一吨泡沫铝产品约需要消耗高品质氢化钛15-20kg，而氢化钛的采购成本在200-250元/kg。商业化生产所需要的发泡剂-氢化钛，一般在400℃左右分解，增粘后的铝液温度在655℃左右，在发泡过程中，氢化钛分解、大量的氢气溢出造成氢化钛利用效率低下。综上所述，已有的增粘剂使用效果不佳和使用不便，金属钙、钛对铝液造成污染而影响泡沫铝再生资源的二次利用；氢化钛价格极高、利用效率低下，导致泡沫铝生产成本居高不下，限制了泡沫铝应用范围，是制约泡沫铝产业化的重要瓶颈。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法。
上述目的是通过下述方案实现的：
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明所述的装置包括二氧化碳储气罐(1)、定量伺服电机(2)、料仓(3)、输料管(5)、搅拌分散机(6)、搅拌分散机支架(6a)、搅拌分散头(7)、增粘-发泡桶(8)。
根据上述装置，其特征在于，所述的搅拌分散机(6)包括电机、输出动力轴、搅拌分散机支架(6a)等部分；搅拌分散头(7)包括搅拌轴(7a)、分散头(7b)，搅拌轴(7a)为中空的钢制厚壁管材加工而成，材质为45#钢或者1Cr18Ni9Ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是向分散头传递动力，并通过中空结构将气体介质、增粘剂、发泡剂输送至分散头(7b)，分散头(7b)材质为耐热铸铁或者1Cr18Ni9Ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是将气体介质、增粘剂、发泡剂均匀分散到铝液中，电机、输出轴、搅拌分散头(7)共同安装在搅拌分散机支架(6a)上。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，所述制备泡沫铝低成本增粘剂和发泡剂是由木屑，或者秸秆碎屑，或者碳水化合物，或者受热裂解产物为水、二氧化碳的有机物，上述几种物质中的一种或者几种与工业铝粉组成的混合物。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，在进行铝液增粘、发泡时，由定量伺服电机将增粘剂和发泡剂输送到二氧化碳载气中，利用二氧化碳载气将增粘剂、发泡剂输送至分散头(7b)，由分散头(7b)将二氧化碳、增粘剂、发泡剂均匀分散入铝液中。
根据上述制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，所述低成本增粘剂和发泡剂的质量百分比组分为：
木屑50%-99.9%+余量工业铝粉；
或者秸秆碎屑50%-99.9%+余量工业铝粉；
或者木屑与秸秆碎屑的混合物50%-99.9%+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑之间为任意比例；
或者受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物50%-99.9%+ 余量工业铝粉；
或者木屑、秸秆碎屑、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物的混合物50%-99.9%+ 余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑、二氧化碳的有机物之间为任意比例。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘原理为：利用木屑、秸秆、碳水化合物、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物，上述物质受高温铝液作用而裂解，裂解产物为水、二氧化碳，水、二氧化碳与铝液反应生成氧化铝，利用生成的氧化铝达到增粘的目的。载气二氧化碳与铝液反应，也能增加铝液粘度。
木屑、秸秆、碳水化合物、有机物→H2O+CO2+H
H2O+Al→Al2O3（增粘）+H
CO2+Al→Al2O3（增粘）+CO
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的发泡原理为：在载气二氧化碳、裂解产物水和二氧化碳与铝液反应生成氧化铝增粘的基础上，利用载气二氧化碳，增粘反应产物氢、一氧化碳，木屑、秸秆、碳水化合物等受热裂解产物水汽、二氧化碳、氢等，达到发泡的目的。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘剂、发泡剂组分中加入铝粉的目的，利用铝粉改善木屑、秸秆碎屑、碳水化合物等在铝液中的分散性能，便于发泡剂在铝液中搅拌、分散。
本发明采用木屑、秸秆碎屑、碳水化合物、以及裂解产物包含水、二氧化碳的有机物代替传统的氧化铝、碳化硅、金属钙、氢化钛作为制备泡沫铝的增粘剂和发泡剂，与传统的增粘剂、发泡剂材料相比：木屑、秸秆碎屑等具有来源广泛、成本低廉的特点，可以极大地降低泡沫铝的制造成本。木屑、秸秆等有机物通过裂解产生的水、二氧化碳等与高温铝液反应，生成氧化铝实现铝液增粘，利用反应产生的水汽、二氧化碳、一氧化碳、氢等对铝液发泡，解决了外加氧化铝、碳化硅与铝液不润湿，在铝液中分散困难的难题；解决了氢化钛发泡剂因成本高昂而限制泡沫铝应用的难题；解决了金属钙、金属钛对铝液造成一定污染而影响泡沫铝的回收利用等问题。本发明产生的泡沫铝废料、再生料等可以直接回炉利用，采用溶剂、气体精炼等方法脱除铝液中氧化铝夹杂后，铝液可以作为纯铝铝液或者配制其它高品质铝合金的原料使用。
附图说明
图1为利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝装置示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明所述的装置是由二氧化碳储气罐1、定量伺服电机2、料仓3、输料管5、搅拌分散机6、搅拌分散机支架6a、搅拌分散头7、增粘-发泡桶8等部分组成。利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝装置示意图见图1。
根据上述装置，其特征在于，所述的搅拌分散机6包括电机、输出动力轴、搅拌分散机支架6a等部分，搅拌分散头7包括搅拌轴7a、分散头7b两部分，搅拌轴7a为中空的钢制厚壁管材加工而成，材质为45#钢或者1Cr18Ni9Ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是向分散头传递动力，并通过中空结构将气体介质、增粘剂、发泡剂输送至分散头7b。分散头7b材质为耐热铸铁或者1Cr18Ni9Ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是将气体介质、增粘剂、发泡剂均匀分散到铝液中。电机、输出轴、搅拌分散头7共同安装在搅拌分散机支架6a上。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，所述制备泡沫铝低成本增粘剂和发泡剂是由木屑，或者秸秆碎屑，或者碳水化合物，或者受热裂解产物为水、二氧化碳的有机物，上述几种物质中的一种或者几种与工业铝粉组成的混合物。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，在进行铝液增粘、发泡时，由定量伺服电机将增粘剂和发泡剂输送到二氧化碳载气中，利用二氧化碳载气将增粘剂、发泡剂输送至分散头7b，由分散头7b将二氧化碳、增粘剂、发泡剂均匀分散入铝液中。
根据上述制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，所述低成本增粘剂和发泡剂的质量百分比组分为：
木屑50%-99.9%+ 余量工业铝粉；
木屑50%-99.9%+余量工业铝粉；
或者秸秆碎屑50%-99.9%+余量工业铝粉；
或者木屑与秸秆碎屑的混合物50%-99.9%+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑之间为任意比例；
或者受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物50%-99.9%+ 余量工业铝粉；
或者木屑、秸秆碎屑、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物的混合物50%-99.9%+ 余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑、二氧化碳的有机物之间为任意比例。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘原理为：利用木屑、秸秆、碳水化合物、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物，上述物质受高温铝液作用而裂解，裂解产物为水、二氧化碳，水、二氧化碳与铝液反应生成氧化铝，利用生成的氧化铝达到增粘的目的。载气二氧化碳与铝液反应，也能增加铝液粘度。
木屑、秸秆、碳水化合物、有机物→H2O+CO2+H
H2O+Al→Al2O3（增粘）+H
CO2+Al→Al2O3（增粘）+CO
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的发泡原理为：在载气二氧化碳、裂解产物水和二氧化碳与铝液反应生成氧化铝增粘的基础上，利用载气二氧化碳，增粘反应产物氢、一氧化碳，木屑、秸秆、碳水化合物等受热裂解产物水汽、二氧化碳、氢等，达到发泡的目的。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘剂、发泡剂组分中加入铝粉的目的，利用铝粉改善木屑、秸秆碎屑、碳水化合物等在铝液中的分散性能，便于发泡剂在铝液中搅拌、分散。
本发明采用木屑、秸秆碎屑、碳水化合物、以及裂解产物包含水、二氧化碳的有机物代替传统的氧化铝、碳化硅、金属钙、氢化钛作为制备泡沫铝的增粘剂和发泡剂，与传统的增粘剂、发泡剂材料相比：木屑、秸秆碎屑等具有来源广泛、成本低廉的特点，可以极大地降低泡沫铝的制造成本。木屑、秸秆等有机物通过裂解产生的水、二氧化碳等与高温铝液反应，生成氧化铝实现铝液增粘，利用反应产生的水汽、二氧化碳、一氧化碳、氢等对铝液发泡，解决了外加氧化铝、碳化硅与铝液不润湿，在铝液中分散困难的难题；解决了氢化钛发泡剂因成本高昂而限制泡沫铝应用的难题；解决了金属钙、金属钛对铝液造成一定污染而影响泡沫铝的回收利用等问题。本发明产生的泡沫铝废料、再生料等可以直接回炉利用，采用溶剂、气体精炼等方法脱除铝液中氧化铝夹杂后，铝液可以作为纯铝铝液或者配制其它高品质铝合金的原料使用。
实施例1：以CO2为载气，利用99.9%木屑+0.10%铝粉对99.50%的工业纯铝发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.50%的工业纯铝为原料，采用常规熔炼方法熔炼工业纯铝，纯铝熔炼温度720-740℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到662℃，以CO2为载气，利用搅拌分散机将组分为99.9%木屑+0.10%铝粉增粘剂均匀加入铝液中。增粘剂的加入量约占铝液质量0.75%。待铝液温度降低到凝固温度范围，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以CO2为载气，向铝液中添加占铝液质量0.60%的木屑、铝粉发泡料，确保加入的发泡剂完全浸入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.39g/cm3、泡沫锭胞孔孔径3.4mm。
实施例2：以CO2为载气，利用50%木屑+50%铝粉对99.70%的工业纯铝发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝为原料，采用常规熔炼方法熔炼工业纯铝，纯铝熔炼温度720-740℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到662℃，以CO2为载气，利用搅拌分散机将组分为50%木屑+50%铝粉增粘剂均匀分散入铝液中，增粘剂的加入量约占铝液质量的2.5%。待铝液温度降低到凝固温度范围，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以CO2为载气，向铝液中添加占铝液质量2.2%的木屑、铝粉发泡料，确保加入的发泡剂完全浸入铝液中。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.44g/cm3、泡沫锭胞孔孔径4.4mm。
实施例3：以CO2为载气，利用99.9%秸秆碎屑+0.10%铝粉对99.0%的工业纯铝发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.0%的工业纯铝为原料，采用常规熔炼方法熔炼工业纯铝，纯铝熔炼温度720-750℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到658℃，以CO2为载气，利用搅拌分散机将组分为99.9%秸秆碎屑+0.10%铝粉增粘剂输送至铝液，增粘剂的加入量占铝液质量0.90%左右，确保加入的增粘剂完全浸入铝液中。待铝液温度降低到凝固温度范围，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以CO2为载气，向铝液中添加占铝液质量0.80%的木屑、铝粉发泡料，利用搅拌分散机确保加入的发泡剂完全浸入铝液中。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.42g/cm3、泡沫锭胞孔孔径4.2mm。
实施例4：以CO2为载气，利用50%秸秆碎屑+50%铝粉对6063合金进行发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝、工业纯硅、工业纯镁为原料，采用常规熔炼方法熔炼6063合金，合金熔炼温度720-750℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到645℃（6063合金熔化温度范围568-652℃），以二氧化碳为载气，利用搅拌分散装置将组分为50%秸秆碎屑+50%铝粉的混合物，按照铝液质量2.2%的比例，将配制好的木屑、铝粉增粘剂均匀分散入6063铝液中。待铝液温度降低到625℃左右，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次向铝液中添加占铝液质量1.80%的木屑、铝粉发泡料，以二氧化碳为载气，通过伺服电机定量将发泡剂加入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量6063合金泡沫铝密度为0.42g/cm3、泡沫锭胞孔孔径3.3mm。
实施例5：以CO2为载气，利用99.9%丙酮+0.10%铝粉对6063合金进行发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝、工业纯硅、工业纯镁为原料，采用常规熔炼方法熔炼6063合金，合金熔炼温度720-750℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到642℃，以二氧化碳为载气，利用搅拌分散装置，将占铝液质量0.90%的丙酮、铝粉增粘料，均匀加入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。待铝液温度降低到622℃，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次向铝液中添加占铝液质量0.80%的丙酮、铝粉发泡料，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.45g/cm3、泡沫锭胞孔孔径3.6mm。
实施例6：以CO2为载气，利用50%丙酮+50%铝粉对6061合金进行增粘、发泡，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝、工业纯镁、工业纯锰为原料，采用常规熔炼方法熔炼6061合金，合金熔炼温度730-760℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到640℃，以CO2为载气，利用搅拌分散机将组分为50%丙酮+50%铝粉输送入铝液中，丙酮、铝粉增粘料的加入量约占铝液质量0.90%，在进行搅拌、分散时，确保加入的增粘剂均匀分散入铝液中。待铝液温度降低到610℃左右，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以CO2为载气，向铝液中添加占铝液质量0.80%的丙酮、铝粉发泡料，确保加入的发泡剂完全浸入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.35g/cm3、泡沫锭胞孔孔径2.9mm。

Claims (2)

1.一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，使用如下结构的装置，其结构由二氧化碳储气罐、定量伺服电机、料仓、输料管、搅拌分散机、搅拌分散机支架、搅拌分散头、增粘-发泡桶组成；所述搅拌分散机由电机、输出动力轴、搅拌分散机支架组成；所述搅拌分散头包括搅拌轴、分散头，所述搅拌轴为中空的钢制厚壁管材，材质为45#钢或者1Cr18Ni9Ti；所述分散头材质为耐热铸铁或者1Cr18Ni9Ti；所述低成本增粘剂-发泡剂是木屑，或者秸秆碎屑，或者受热裂解产物为水、二氧化碳的有机物中的一种或者几种与工业铝粉组成的混合物，在进行铝液增粘、发泡时，由定量伺服电机将增粘剂-发泡剂输送到二氧化碳载气中，利用二氧化碳载气将增粘剂-发泡剂输送至分散头，由分散头将二氧化碳、增粘剂-发泡剂均匀分散入铝液中。
2.根据权利要求1所述的制备泡沫铝的方法，其特征在于，低成本增粘剂-发泡剂的质量百分比组分为：木屑50%-99.9%+余量工业铝粉； 或者秸秆碎屑50%-99.9%+余量工业铝粉； 或者木屑与秸秆碎屑的混合物50%-99.9%+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑之间为任意比例； 或者受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物50%-99.9%+ 余量工业铝粉；或者木屑、秸秆碎屑、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物的混合物50%-99.9%+ 余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物之间为任意比例。
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