CN107937750A - 一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备领域，公开了一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置及方法，喷粉系统通过吹气管路向狭缝式透气砖输送发泡气体和流态化的添加物颗粒，由狭缝式透气砖将发泡气体和颗粒从发泡室底部吹入铝液中，将传统泡沫铝制备工艺中添加颗粒搅拌和吹气发泡两道工序简化为将气体和颗粒一同吹入铝液，气泡上浮形成泡沫，通过轧制系统收集、冷却、退火和轧制，实现泡沫铝的连续生产；所采用的底吹喷粉法制备泡沫铝的装置包括喷粉系统、吹气管路、狭缝式透气砖、坩埚、搅拌器和轧制系统；本发明利用底吹喷粉的方法，将气体和颗粒同时吹入铝液，使颗粒分散均匀、不易聚团，提高了颗粒分散性，提高了泡沫铝材料性能，同时降低了生产功耗。

Description

一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置及方法

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体公开了一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置及方法。

背景技术

泡沫铝是一种由铝合金金属和气孔组成的新型复合材料，具有密度小、比强度高、冲击吸收能力强、耐高温、抗腐蚀、防火性能强、隔音降噪、电磁屏蔽性高、耐候性强、易加工、易安装、成形精度高等优势，被广泛应用于交通运输、航空航天、环境保护、新型能源、机械化工、电子电工、建筑工程等领域。泡沫铝材料优异的物理、化学性能和力学性能以及可回收性使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景，其制备方法也是材料制备领域的研究热点之一。

目前制备泡沫铝的方法很多，最常见的方法有吹气发泡法、熔体发泡法、粉末压实熔化法和渗流法等；其中吹气法是制备泡沫铝的重要工艺之一，这种工艺直接将气体吹入铝液中，气泡上浮至铝液表面堆积成泡沫，用一定的方式收集即得到泡沫铝材料；吹气法可连续生产板材，具有成本低廉、生产形式灵活等优势，易制得大孔径、高孔隙率的泡沫铝，在泡沫铝生产中被广泛采用。

向通常的铝液中吹入气体，气泡上浮至液体表面即会破裂，为了使气泡上浮到液面后不易破裂进而堆积成泡沫，铝液中需要含有一定量的微米级SiC陶瓷或者Al₂O₃等可以增加泡沫稳定性的颗粒。

泡沫铝吹气发泡所需的最佳颗粒尺寸在0.5～25μm之间，由于添加物颗粒和铝液的浸润性较差，几微米甚至十几微米的颗粒很难加入到铝液中并分散均匀；现阶段添加颗粒并使其均匀分散的常用方式为在进入发泡室前向铝液中直接添加颗粒并加以搅拌，但这种方式需要较强的搅拌才能使颗粒达到均匀分散，且会造成铝液温度下降，不仅耗费了较多的能量，且最终得到的泡沫铝产品中颗粒分散性较差、团聚现象严重。

颗粒的加入会对泡沫铝的力学性能造成一定影响，使泡沫铝脆性增加。传统的添加颗粒的方法因最终得到的泡沫铝中颗粒分散性较差，为满足泡沫稳定性的要求，需要加入的颗粒量较大，一方面导致了泡沫铝的性能下降，另一方面造成了颗粒的浪费。

传统的向铝液中添加颗粒并搅拌分散的方法存在颗粒分散效果差、能耗大的缺点，因此有必要开发一种高效、节能的泡沫铝吹气发泡工艺。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置及方法。通过底吹喷粉技术向铝液中同时喷入发泡气体和添加物颗粒，充分利用底吹喷粉技术中颗粒易于分散的优势，使颗粒得到良好的分散，提高泡沫铝产品性能，同时降低生产功耗。

本发明实现泡沫铝中添加物颗粒良好分散性的原理如下：

气体携带颗粒进入铝液后，恰好处于气—液界面的少量颗粒附着于气泡表面或者进入铝液，其余在气泡内的颗粒有如下三种可能：

(1)动能较大的颗粒能突破气—液界面进入铝液中，在气泡上浮过程中仍可能被气泡捕获；

(2)动能较小的颗粒到达气泡表面后没有能克服表面张力的阻碍作用，附着在气泡上最终凝固；

(3)动能很小的颗粒悬浮在气泡中，最终下落附着在气泡膜的下部并最终凝固。

这三种情况都可以使颗粒进入铝液或者附着在气泡膜上，颗粒不易发生团聚，充分利用了动力功，最终使颗粒得到较好的分散性。

具体技术方案如下：

一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置，包括喷粉系统、吹气管路、狭缝式透气砖、搅拌器、发泡室、轧制系统、铝液和坩埚，所述的喷粉系统通过吹气管路与狭缝式透气砖相连，狭缝式透气砖置于发泡室底部；所述的铝液置于坩埚中，坩埚一侧为发泡室，轧制系统位于发泡室一侧的上方。

利用底吹喷粉法制备泡沫铝的方法，具体包括如下步骤：

通过喷粉系统经吹气管路向狭缝式透气砖输送发泡气体及流态化的添加物颗粒，再由狭缝式透气砖把发泡气体和颗粒从发泡室底部喷入铝液中，携带颗粒的气体在铝液中形成气泡，铝液放置于坩埚内，坩埚一侧为发泡室，狭缝式透气砖置于发泡室底部，在狭缝式透气砖出气孔上部可根据生产需求加以一定的搅拌，从而达到进一步减小气泡直径和均匀分散气泡的效果；气泡携带颗粒在铝液中上升，颗粒由于动能的存在进入铝液或者留最终在气泡表面，气泡上浮至铝液表面堆积成泡沫，通过轧制系统进行冷却、退火、轧制，最终实现泡沫铝的连续生产。

(1)吹气管路中的气流速度U应大于颗粒的临界流化速度U_ij，即：

式中：U—吹气管路中气流速度；

U_ij—临界流化速度；

Ar—阿基米德数，

μ—气体粘度；

ρ_f—气体密度；

ρ_s—添加物颗粒密度；

d_p—添加物颗粒直径；

(2)粉气比满足：

式中：—颗粒的体积分数；

V_p—颗粒的体积；

V—气体和颗粒的总体积；

(3)狭缝宽度满足：

r>5d_p

式中：r—狭缝式透气砖的狭缝宽度；

(4)狭缝厚度

式中，d—狭缝厚度，m；

δ—体表面张力，N/m；

θ—润湿角；

ρ₁—液体密度，kg/m³；

g—重力加速度，m/s²；

h—铝液深度，m。

本方法的优点是：

(1)本发明首次将喷粉系统和狭缝式透气砖应用在泡沫铝生产中。采用底吹喷粉的方法，将传统泡沫铝制备工艺中添加颗粒搅拌和吹气发泡两道工序简化为直接将气体和颗粒吹入铝液，在产生气泡的同时将颗粒加入铝液，由气泡直接携带颗粒，充分利用了动力功，提高了颗粒分散性，使泡沫铝中添加物颗粒具有良好的分散性。

(2)本发明通过底吹喷粉法提高了铝液泡沫中颗粒的分散性，使达到同样的泡沫稳定性所需的颗粒减少，降低了颗粒加入对泡沫铝的力学性能的影响，提高了泡沫铝质量。不需要高强度搅拌实现颗粒分散，同时也避免了搅拌分散过程的中的温度下降，降低了生产能耗。

(3)本发明通过调节狭缝宽度、添加物颗粒的量和搅拌强度等条件可基本满足对不同吹气发泡型泡沫铝材料的制备需求。

(4)本发明严格控制喷吹工艺参数、粉气比、狭缝宽度、狭缝厚度，可以使粉剂颗粒能够顺利通过狭缝，防止堵塞；避免生产过程中出现断电、喷粉系统故障时铝液渗入狭缝，发生漏液。

附图说明

图1为本发明底吹喷粉粉法制备泡沫铝的装置示意图；

图2为本发明发泡室内狭缝砖产生气泡的过程示意图；

图3为本发明中狭缝式透气砖的结构示意图；

图中：1—喷粉系统；2—吹气管路；3—狭缝式透气砖；4—搅拌器；5—发泡室；6—轧制系统；7—铝液；8—坩埚；9—气泡；10—颗粒，11—狭缝，12—颗粒及发泡气体，13—耐火材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1为本发明底吹喷粉粉法制备泡沫铝的装置示意图，图2为本发明发泡室内狭缝砖产生气泡的过程示意图，图3为本发明中狭缝式透气砖的结构示意图。如图所示：

一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置，包括喷粉系统1、吹气管路2、狭缝式透气砖3、搅拌器4、发泡室5、轧制系统6、铝液7和坩埚8。

利用底吹喷粉法制备泡沫铝的实施方法：

实施条件：

添加物颗粒为Al₂O₃颗粒，颗粒直径15μm，铝液密度ρ_s＝2700kg/m³，喷粉系统产生的流态化颗粒的体积分数为满足

发泡气体采用压缩空气，气体压力0.5MPa，吹气管路中气流速度U＝5m/s，满足颗粒流化条件：

狭缝式透气砖，狭缝宽度r＝0.5mm，吹气深度100mm，取铝液表面张力δ＝1N/m，铝液和狭缝式透气砖的浸润角θ＝120°计算，狭缝宽度满足：

r＞5d_p＝5×0.015mm＝0.075mm

实施过程：喷粉系统1产生流态化的添加物颗粒10，通过吹气管路2向狭缝式透气砖3输送发泡气体及流态化的颗粒，再由狭缝式透气砖3把发泡气体和粉剂从发泡室5底部喷入铝液7中，携带颗粒的气体在铝液7中形成气泡9，铝液7放置于坩埚8的发泡室5内，坩埚一侧为发泡室5，狭缝式透气砖3置于发泡室5底部，在狭缝式透气砖3出气孔上部加以搅拌，从而达到进一步减小气泡直径和均匀分散气泡的效果。颗粒及发泡气体12在铝液7中上升，颗粒10由于动能的存在进入铝液7或者最终停留在气泡9表面，气泡9上浮至铝液7表面堆积成泡沫，通过轧制系统6进行冷却、退火、轧制，最终实现泡沫铝的连续生产。

Claims (3)

1.一种利用底吹喷粉法制备泡沫铝的装置，其特征在于：包括喷粉系统、吹气管路、狭缝式透气砖、搅拌器、发泡室、轧制系统、铝液和坩埚，所述的喷粉系统通过吹气管路与狭缝式透气砖相连，狭缝式透气砖置于发泡室底部；所述的铝液置于坩埚中，坩埚一侧为发泡室，轧制系统位于发泡室一侧的上方。

2.根据权利要求1所述利用底吹喷粉法制备泡沫铝的方法，具体包括如下步骤：

通过喷粉系统经吹气管路向狭缝式透气砖输送发泡气体及流态化的添加物颗粒，再由狭缝式透气砖把发泡气体和颗粒从发泡室底部喷入铝液中，携带颗粒的气体在铝液中形成气泡，铝液放置于坩埚内，坩埚一侧为发泡室，狭缝式透气砖置于发泡室底部，在狭缝式透气砖出气孔上部可根据生产需求加以一定的搅拌，从而达到进一步减小气泡直径和均匀分散气泡的效果；气泡携带颗粒在铝液中上升，颗粒由于动能的存在进入铝液或者留最终在气泡表面，气泡上浮至铝液表面堆积成泡沫，通过轧制系统进行冷却、退火、轧制，最终实现泡沫铝的连续生产。

3.根据权利要求2所述利用底吹喷粉法制备泡沫铝的方法，其特征在于：

(1)吹气管路中的气流速度U应大于颗粒的临界流化速度U_ij，即：

<mrow> <mi>U</mi> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.0882</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>Ar</mi> <mn>0.528</mn> </msup> <mfrac> <mi>&amp;mu;</mi> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>f</mi> </msub> <msub> <mi>d</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中：U—吹气管路中气流速度；

U_ij—临界流化速度；

Ar—阿基米德数，

μ—气体粘度；

ρ_f—气体密度；

ρ_s—添加物颗粒密度；

d_p—添加物颗粒直径；

(2)粉气比满足：

式中：—颗粒的体积分数；

V_p—颗粒的体积；

V—气体和颗粒的总体积；

(3)狭缝宽度满足：

r＞5d_p

式中：r—狭缝式透气砖的狭缝宽度；

(4)狭缝厚度

<mrow> <mi>d</mi> <mo>&lt;</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>g</mi> <mi>h</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，d—狭缝厚度，m；

δ—体表面张力，N/m；

θ—润湿角；

ρ₁—液体密度，kg/m³；

g—重力加速度，m/s²；

h—铝液深度，m。