CN110157853B - 一种高致密度复合材料的短流程制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料的短流程制备装置，具体是一种高致密度复合材料的短流程制备装置和方法，本发明所公开的一种高致密复合材料制备装置包含中间钢水包、电磁搅拌器、中频感应装置、粉末供应装置和雾化喷嘴；本发明所公开的一种高致密复合材料的制备装置采用气流雾化合液体金融入金属粉末颗粒形成弥散颗粒增强的特种复合金属材料，高速喷涂沉积在传送带上的沉积板或型腔模具上，形成连续片状复合材料或具有一定形状及厚度的合金锭块；本发明具有流程短、节能减耗、成型快速等特点，适于推广使用。

Description

一种高致密度复合材料的短流程制备装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料的短流程制备装置，具体是一种高致密度复合材料的短流程制备装置和方法。

背景技术

金属复合材料，是指利用复合技术或多种化学、力学性能不同的金属在界面上实现冶金结合而形成的复合材料，其极大地改善单一金属材料的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨损性、电性能、磁性能等诸多性能，因而被广泛应用到产品广泛应用于石油、化工、船舶、冶金、矿山、机械制造、电力、水利、交通、环保、压力容器制造、食品、酿造、制药等工业领域。

在研究金属复合材料的各项性能时需要进行该金属复合材料的制备，但是一般的金属材料制备均需要较多的设备，多为大型设备，运行时成本高，能耗大，且操作不易。

在制备复合材料时针对熔点接近的复合材料可使用粉末热压，也可以使用熔融混合，但是对于增强材料比集体材料熔点高很多或这低很多的不同材料的复合则无法使用这种方法。

发明内容

本发明提供了一种高致密度复合材料的短流程制备装置和方法，目的是减小复合材料设备体积，降低能耗，并且消除了不同复合材料熔点对材料复合的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高致密度复合材料短流程制备装置，包含中间钢水包，所述的中间钢水包包含钢水包本体和封盖，所述的钢水包本体为无盖的梯形槽体，钢水包本体由内向外分别是工作层、永久层和外壳，钢水包本体底部水平设置有竖直状的防冲块，所述的防冲块为长方体，防冲块顶面具有向下凹陷的弧形槽；防冲块右侧设置有挡坝，挡坝为竖直状的长方体，挡坝与钢水包本体内部的底面和侧壁固定连接，挡坝的高度与钢水包本体内壁高度一致，挡坝将钢水包本体内的空间分隔开，挡坝上阵列设置通孔，所述的通孔由挡坝左侧到右侧向上倾斜，通孔连通挡坝两侧的空间；钢水包本体右侧底部设置有滑动水口，滑动水口的控制组件固定在外壳的侧面上，控制组件为液压油缸连接的行程销，用于控制滑动水口的止通，滑动水口下方设置有喷嘴，所述的喷嘴与钢水包本体固定连接，喷嘴为双层管状，外层为壳体，所述壳体为圆锥管、圆锥管上端截面大于下端截面，内层为导流管，导流管内径与滑动水口内径一致，导流管与滑动水口同轴设置，壳体的长度大于导流管的长度，壳体与导流管（16）之间构成环状空腔；壳体上设置有气管，气管与壳体内部的环状空腔贯通，所述的气管连接至粉末供应装置，所述粉末供应装置连接到氦气供应管路上；钢水包本体下方设置有带伴热功能的电磁搅拌器；钢水包本体顶部固定连接封盖，所述的封盖为长方形板体，封盖的左侧面与挡坝的最左侧对齐，封盖与钢水包本体固定连接，封盖由下到上分别为工作层、永久层和外壳，封盖的下表面一侧设置有多个竖直状的档杆，档杆位于滑动水口上方。

进一步地，所述的挡坝数量为至少为两个。

进一步地，所述的挡坝顶部设置有平衡孔，所述的平衡孔为水平状的通孔。

进一步地，所述的档杆是截面为圆形或方形的杆体，档杆的长度为钢水包本体内部高度的二分之一到三分之二，多个档杆在封盖下表面等间距阵列排布。

进一步地，所述的粉末供应装置包含储料筒、螺旋输送器和落料筒，所述的储料筒为无顶盖的圆锥状筒体，所述的圆锥状筒体顶部的截面大于底部的截面，储料筒的底端贯穿螺旋输送器的壳体与螺旋输送器右端固定连接；所述的落料筒为圆管状，落料筒的顶端贯穿螺旋输送器的左端的侧面并与螺旋输送器固定连接；落料筒的底部与气管连通。

一种高致密度复合材料的短流程制备方法，包含以下步骤：

①中间钢水包内添加钢水，且开启电磁搅拌器提供伴热和搅拌，保持中间钢水包内的钢水保持过热10～15℃；

②向储料筒内添加磨好的金属粉末，并启动氦气供气；

③根据需要添加的金属粉末的质量百分比确定螺旋输送器的旋转速度以及雾化气流和输送气流的流量，气管内的氦气通过落料筒，带动落料筒内的金属粉末，并使其在气流内部分散，带有金属粉末的氦气经过气管进入喷嘴的混合管和壳体之间的环状空腔内。

④控制滑动水口开启，钢水经过滑动水口向下流动进入导流管，在导流管出口处被气管内输出的带有金属粉末的高强度氦气吹散雾化，并与金属粉末混合。

⑤雾化后的金属液滴被气流携带着落在预定的表面进行沉积堆积形成所需要的复合材料。

进一步地，所述的金属粉末材料为与钢水较难融合的金属粉末或熔点与钢水相差较大的金属粉末。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

①本发明采用挡坝以使钢水包本体和封盖之间形成多个封闭的空间，减少新加入钢水时的冲击和波动，挡坝上设置平衡孔和通孔，通孔作为钢水流通的通道，并对钢水具有引导作用，使钢水倾斜向上流动，促进夹渣上浮，平衡孔可以连通钢水包本体内部的各个部分，平衡气压。

②本发明的封盖下表面设置有档杆，所述的档杆在封盖下表面阵列排布，档杆位于滑动水口上方，钢水流出滑动水口可能会出现漩涡，如果任由漩涡发展，在滑动水口流出的钢水中容易出现夹渣现象，导致材料制备失败，阵列排布的档杆可以扰乱漩涡，避免钢水夹渣。

③本发明的喷嘴为双层圆锥形喷嘴，内部的导流管将钢水从滑动水口引出，壳体与导流管之间的环形空腔连通气管，气管贯穿粉末供应装置连接到氦气供应管路，高压气流穿过粉末供应装置携带并分散增强材料粉末，到达环状空腔，在钢水流出导流管时对钢水进行吹散雾化，促进氦气内携带的增强材料粉末与钢水充分混合并沉积在型腔内部，达到了熔点相差较大或难相容的不同复合材料的混合增强，并且增强材料分布均匀，无分层现象。

④本发明使用氦气对钢水进行雾化，在雾化过程中氦气对钢水液滴产生保护作用，避免钢水在沉积过程中氧化。

附图说明

图1是本发明一种高致密度复合材料短流程制备装置主视图；

图2是本发明一种高致密度复合材料短流程制备装置俯视图；

图3是本发明一种高致密度复合材料短流程制备装置结构示意图；

图4是本发明的喷嘴结构示意图；

图5是本发明的粉末供应装置结构示意图；

图6是本发明的封盖的层结构示意图。

附图中标号为：1为电磁搅拌器，2为滑动水口，3为钢水包本体，4为封盖，5为控制组件，6为粉末供应装置，7为气管，8为喷嘴，9为中间钢水包，10为挡坝，11为防冲块，12为通孔，13为平衡孔，14为档杆，15为壳体，16为导流管，17为螺旋输送器，18为落料筒，19为储料筒，20为工作层，21为永久层，22为外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1～图6所示，一种高致密度复合材料短流程制备装置，包含中间钢水包9，所述的中间钢水包9包含钢水包本体3和封盖4，所述的钢水包本体3为无盖的梯形槽体，钢水包本体3由内向外分别是工作层20、永久层21和外壳22，钢水包本体3底部水平设置有竖直状的防冲块11，所述的防冲块11为长方体，防冲块11顶面具有向下凹陷的弧形槽；防冲块11右侧设置有挡坝10，挡坝10为竖直状的长方体，挡坝10与钢水包本体3内部的底面和侧壁固定连接，挡坝10的高度与钢水包本体3内壁高度一致，挡坝10将钢水包本体3内的空间分隔开，挡坝10上阵列设置通孔12，所述的通孔12由挡坝10左侧到右侧向上倾斜，通孔12连通挡坝10两侧的空间；钢水包本体3右侧底部设置有滑动水口2，滑动水口2的控制组件5固定在外壳22的侧面上，控制组件5为液压油缸连接的行程销，用于控制滑动水口2的止通，滑动水口2下方设置有喷嘴8，所述的喷嘴8与钢水包本体3固定连接，喷嘴8为双层管状，外层为壳体15，所述壳体15为圆锥管、圆锥管上端截面大于下端截面，内层为导流管16，导流管16内径与滑动水口2内径一致，导流管16与滑动水口2同轴设置，壳体15的长度大于导流管16的长度，壳体15与导流管16之间构成环状空腔；壳体15上设置有气管7，气管7与壳体15内部的环状空腔贯通，所述的气管7连接至粉末供应装置6，所述粉末供应装置6连接到氦气供应管路上，高压气流穿过粉末供应装置6携带并分散增强材料粉末，到达环状空腔，在钢水流出导流管16时对钢水进行吹散雾化，促进氦气内携带的增强材料粉末与钢水充分混合，可以达到即使与钢水熔点相差比较大的粉末也可以均匀的分散在钢水内部；钢水包本体3下方设置有带伴热功能的电磁搅拌器1，搅拌器为石家庄爱迪尔电器有限公司生产的ems-1型电磁搅拌器,电磁搅拌器自带可升降组件，可以实现电磁搅拌部位的升降；钢水包本体3顶部固定连接封盖4，所述的封盖4为长方形板体，封盖4的左侧面与挡坝10的最左侧对齐，封盖4与钢水包本体3固定连接，封盖4由下到上分别为工作层20、永久层21和外壳22，封盖4的下表面一侧设置有多个竖直状的档杆14，档杆14位于滑动水口2上方，钢水流出滑动水口2是可能会出现漩涡，如果任由漩涡发展在滑动水口2流出的钢水中容易出现夹渣现象，导致材料制备失败，档杆14可以扰乱漩涡，避免钢水夹渣。

所述的挡坝10数量为至少为两个。

所述的挡坝10顶部设置有平衡孔13，所述的平衡孔13为水平状的通孔，平衡孔13可以连通钢水包本体3内部的各个部分，平衡气压。

所述的档杆14是截面为圆形或方形的杆体，档杆14的长度为钢水包本体3内部高度的二分之一到三分之二，多个档杆14在封盖4下表面等间距阵列排布。

所述的粉末供应装置6包含储料筒19、螺旋输送器17和落料筒18，所述的储料筒19为无顶盖的圆锥状筒体，所述的圆锥状筒体顶部的截面大于底部的截面，储料筒19的底端贯穿螺旋输送器17的壳体15与螺旋输送器17右端固定连接；所述的落料筒18为圆管状，落料筒18的顶端贯穿螺旋输送器17的左端的侧面并与螺旋输送器17固定连接；落料筒18的底部与气管7连通。

一种高致密度复合材料的短流程制备方法，包含以下步骤：

①中间钢水包9内添加钢水，且开启电磁搅拌器1提供伴热和搅拌，保持中间钢水包（9）内的钢水保持过热10～15℃；

②向储料筒19内添加磨好的金属粉末，并启动氦气供气；

③根据需要添加的金属粉末的质量百分比确定螺旋输送器17的旋转速度以及雾化气流和输送气流的流量，气管7内的氦气通过落料筒18，带动落料筒18内的金属粉末，并使其在气流内部分散，带有金属粉末的氦气经过气管7进入喷嘴8的混合管和壳体15之间的环状空腔内。

④控制滑动水口2开启，钢水经过滑动水口2向下流动进入导流管16，在导流管16出口处被气管7内输出的带有金属粉末的高强度氦气吹散雾化，并与金属粉末混合。

⑤雾化后的金属液滴被气流携带着在预定的表面进行沉积堆积形成所需要的复合材料。

根据所需要的合金种类不同，所述的钢水包本体3内的钢水可以是纯金属液亦可以是某种合金金属液体。

所述的金属粉末材料为与钢水较难融合的金属粉末如Al₂O₃等或熔点与钢水相差较大的金属粉末如TiC等，可以将本身不容易混合的金属复合在一起，为金属型材提供新的性能。

钢水在携带有金属粉末的氦气下被吹散分散，形成细微球状金属液滴，并与氦气中的金属粉末混合，细微球状金属液滴在氦气流的带动下快速的远离喷嘴落向预定好的表面上（如型腔磨具、沉积板等），并且在表面上快速沉积冷却凝固，将金属粉末均匀地包裹在钢水内部。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施例，在不违背本发明的精神即公开范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变形。

Claims (5)

1.一种高致密度复合材料短流程制备装置，包含中间钢水包（9），其特征在于，所述的中间钢水包（9）包含钢水包本体（3）和封盖（4），所述的钢水包本体（3）为无盖的梯形槽体，钢水包本体（3）由内向外分别是工作层（20）、永久层（21）和外壳（22），钢水包本体（3）底部水平设置有竖直状的防冲块（11），所述的防冲块（11）为长方体，防冲块（11）顶面具有向下凹陷的弧形槽；防冲块（11）右侧设置有挡坝（10），挡坝（10）为竖直状的长方体，挡坝（10）与钢水包本体（3）内部的底面和侧壁固定连接，挡坝（10）的高度与钢水包本体（3）内壁高度一致，挡坝（10）将钢水包本体（3）内的空间分隔开，挡坝（10）上阵列设置通孔（12），所述的通孔（12）由挡坝（10）左侧到右侧向上倾斜，通孔（12）连通挡坝（10）两侧的空间；钢水包本体（3）右侧底部设置有滑动水口（2），滑动水口（2）的控制组件（5）固定在外壳（22）的侧面上，控制组件（5）为液压油缸连接的行程销，用于控制滑动水口（2）的止通，滑动水口（2）下方设置有喷嘴（8），所述的喷嘴（8）与钢水包本体（3）固定连接，喷嘴（8）为双层管状，外层为壳体（15），所述壳体（15）为圆锥管、圆锥管上端截面大于下端截面，内层为导流管（16），导流管（16）内径与滑动水口（2）内径一致，导流管（16）与滑动水口（2）同轴设置，壳体（15）的长度大于导流管（16）的长度，壳体（15）与导流管（16）之间构成环状空腔；壳体（15）上设置有气管（7），气管（7）与壳体（15）内部的环状空腔贯通，所述的气管（7）连接至粉末供应装置（6），所述粉末供应装置（6）连接到氦气供应管路上；钢水包本体（3）下方设置有带伴热功能的电磁搅拌器（1）；钢水包本体（3）顶部固定连接封盖（4），所述的封盖（4）为长方形板体，封盖（4）的左侧面与挡坝（10）的最左侧对齐，封盖（4）与钢水包本体（3）固定连接，封盖（4）由下到上分别为工作层（20）、永久层（21）和外壳（22），封盖（4）的下表面一侧设置有多个竖直状的档杆（14），档杆（14）位于滑动水口（2）上方，所述的挡坝（10）顶部设置有平衡孔（13），所述的平衡孔（13）为水平状的通孔，所述的档杆（14）是截面为圆形或方形的杆体，档杆（14）的长度为钢水包本体（3）内部高度的二分之一到三分之二，多个档杆（14）在封盖（4）下表面等间距阵列排布。

2.根据权利要求1所述的一种高致密度复合材料短流程制备装置，其特征在于，所述的挡坝（10）数量至少为两个。

3.根据权利要求1所述的一种高致密度复合材料短流程制备装置，其特征在于，所述的粉末供应装置（6）包含储料筒（19）、螺旋输送器（17）和落料筒（18），所述的储料筒（19）为无顶盖的圆锥状筒体，所述的圆锥状筒体顶部的截面大于底部的截面，储料筒（19）的底端贯穿螺旋输送器（17）的壳体（15）与螺旋输送器（17）右端固定连接；所述的落料筒（18）为圆管状，落料筒（18）的顶端贯穿螺旋输送器（17）的左端的侧面并与螺旋输送器（17）固定连接；落料筒（18）的底部与气管（7）连通。

4.一种高致密度复合材料的短流程制备方法，使用权利要求1-3所述的任意一种高致密度复合材料短流程制备装置，其特征在于，包含以下步骤：

①中间钢水包（9）内添加钢水，且开启电磁搅拌器（1）提供伴热和搅拌，保持中间钢水包（9）内的钢水保持过热10～15℃；

②向储料筒（19）内添加磨好的金属粉末，并启动氦气供气；

③根据需要添加的金属粉末的质量百分比确定螺旋输送器（17）的旋转速度以及雾化气流和输送气流的流量，气管（7）内的氦气通过落料筒（18），带动落料筒（18）内的金属粉末，并使其在气流内部分散，带有金属粉末的氦气经过气管（7）进入喷嘴（8）的混合管和壳体（15）之间的环状空腔内；

④控制滑动水口（2）开启，钢水经过滑动水口（2）向下流动进入导流管（16），在导流管（16）出口处被气管（7）内输出的带有金属粉末的高强度氦气吹散雾化，并与金属粉末混合；

⑤雾化后的金属液滴被气流携带着落在预定的表面进行沉积堆积形成所需要的复合材料。

5.根据权利要求4所述的一种高致密度复合材料的短流程制备方法，其特征在于，所述的金属粉末材料为与钢水较难融合的金属粉末或熔点与钢水相差较大的金属粉末。

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