CN112375925A - 一种工业硅铝碳合金的加工制造方法 - Google Patents

一种工业硅铝碳合金的加工制造方法 Download PDF

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CN112375925A CN202011244713.4A CN202011244713A CN112375925A CN 112375925 A CN112375925 A CN 112375925A CN 202011244713 A CN202011244713 A CN 202011244713A CN 112375925 A CN112375925 A CN 112375925A
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戴文伟
胡满根
林霞
段启进
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Abstract

本发明公开一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，包括：对普通冶炼硅进行提纯、研磨，得到硅粉；将质量比为(ma∶mb∶mc)的硅粉、铝粉、碳粉同时喷洒进第一搅拌釜中并搅拌，实时监测第一混合物在第一搅拌釜的内腔的第一高度h1，待第一高度h1达到预设高度区间时，得到混合均匀的第一粉末混合物；通过第一搅拌釜对第一粉末混合物进行搅拌熔炼，同时，通过电磁式流速仪实时监测第一搅拌釜内第二混合物的第一流速v，待第一流速v达到预设流速区间，得到混合均匀的合金物料；利用物件模具，制成所需物件的毛坯。在本发明中，有效提高物料的混合均匀度，生产出来的硅铝钛合金具有良好的力学性能和物理性能，具有密度低、耐腐蚀、高硬度、高耐磨、低膨胀等特点。

Description

一种工业硅铝碳合金的加工制造方法
技术领域
本发明涉及合金加工技术领域，特别涉及一种工业硅铝碳合金的加工制造方法。
背景技术
工业硅铝碳合金能够保持硅、铝、碳各自的优异性能，并且硅、铝、碳的含量相当丰富，硅粉、铝粉、碳粉的制备技术成熟，成本低廉，同时这种材料对环境没有污染，对人体无害。
硅铝碳合金复合材料制备主要有：熔炼铸造、浸渗法、粉末冶金、真空热压法、急速冷却/喷射沉积法；传统的制备工艺都比较单一，或多或少都会存在一定的缺陷，常见的就是混合料混合不均匀，导致生产出来的硅铝碳合金的性能不佳。
发明内容
有鉴于现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是，提供一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，旨在改善硅铝碳合金的生产工艺，提高硅铝碳合金的性能。
为实现上述目的，本发明提供一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对所述原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；所述硅粉的第一粒度为da；
步骤S2、通过第一物料喷枪、第二物料喷枪、第三物料喷枪将质量比为(ma∶mb∶mc)的所述硅粉、铝粉、碳粉同时喷洒进第一搅拌釜中，得到第一混合物，并通过第一搅拌器以第一转速对所述第一混合物进行搅拌，实时监测所述第一混合物在所述第一搅拌釜的内腔的第一高度h1，待所述第一高度h1达到预设高度区间时，得到混合均匀的第一粉末混合物；其中，所述第一物料喷枪、所述第二物料喷枪、所述第三物料喷枪的喷洒时间相同，均为t，所述
Figure BDA0002769586620000021
，所述La为所述第一物料喷枪的输送速率，所述Lb为所述第二物料喷枪的输送速率，所述Lc为所述第三物料喷枪的输送速率，所述ρa为所述硅粉的密度，所述ρb为所述铝粉的密度，所述ρc为所述碳粉的密度；所述第一搅拌釜的内腔的底面积为S，所述铝粉的第二粒度为db，所述碳粉的第三粒度为dc；
步骤S3、通过加热装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行加热升温，以第一升温速率升温至第一温度区间，同时控制所述第一搅拌器以第二转速运转，制得第二混合物；通过热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，当所述内腔内的所述第二混合物的温度到达第二温度区间时，控制所述第一搅拌器以第三转速运转，通过电磁式流速仪实时监测所述第一搅拌釜内所述第二混合物的第一流速v，待所述第一流速v达到预设流速区间，则关闭所述第一搅拌器，得到混合均匀的半固态的合金物料；
步骤S4、将处于半固态形态的所述合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将所述合金物料挤入所述物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯；对所述毛坯进行细加工即可得所需的物件。
在该技术方案中，通过实时监测所述第一流速v，待所述第一流速v达到所述预设流速区间，得到混合均匀的半固态的所述合金物料，反之，搅拌不均匀；其原理在于，在所述第一搅拌器的转速一定的情况下，所述第二混合物的流速随所述第二混合物的密度改变而改变，所述第二混合物搅拌不均匀的情况下，所述第二混合物的密度大小不同，导致所述第二混合物对所述第一搅拌器的阻力不同，从而导致所述第一搅拌器对所述第二混合物的推力不同，所述第二混合物的流速不同，故而，通过采集所述第一流速v能够得到混合均匀的所述合金物料；在硅铝碳合金生产的所述硅粉、所述铝粉、所述碳粉等投料混料过程中，对所述第一混合物在所述第一搅拌釜的内腔的所述第一高度h1进行实时监测，待所述第一高度h1达到预设高度区间时，得到混合均匀的所述第一粉末混合物，反之，搅拌不均匀；其原理在于，所述硅粉的第一粒度、所述铝粉的第二粒度、所述碳粉的第三粒度三者大小各不相同，物料混合物搅拌不均匀的情况下，物料混合物的密度大小不同，在物料混合物质量不变的情况下，造成物料混合物的体积不同，在所述第一搅拌釜的底面积不变的情况下，所述第一高度h1不同，故而，通过所述第一高度h1的采集能够有效获得混合均匀的物料；生产出来的硅铝碳合金具有良好的力学性能和物理性能，通过本技术方案生产的硅铝碳合金具有密度低、耐腐蚀、高硬度、高耐磨、低膨胀等特点。
在一具体实施方式中，在所述步骤S3中：
以第一采样周期来检测所述第二混合物在所述第一搅拌釜的所述内腔的实时流速vi，所述实时流速vi用于评估所述第二混合物在搅拌过程中的密度；所述i为所述实时流速的编号，所述i为正整数，以最新检测的所述实时流速为v0且越早检测到的流速数据编号越大；所述实时流速vi为所述第一流速；
判断最近N个所述实时流速vi的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时流速vi的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时流速vi的第一波动性；其中，所述预设区间为：与所述第一流速相对应的所述预设流速区间；
响应于所述第一波动性小于预设波动，则得到混合均匀的所述第一粉末混合物。
在另一具体实施方式中，所述第一采样周期小于所述第一搅拌器以所述第三转速运转的周期的一半。
在另一具体实施方式中，判断所述实时流速vi的所述第一波动性的方法为：
求解最近N个数据的所述实时流速vi的波动值E；其中，所述波动值
Figure BDA0002769586620000041
，所述λ为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤λ＜1；所述i为所述Ei的编号，i≥0；
响应于所述波动值E小于波动阈值Eth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Eth为预设值；所述波动值E为：与所述第一流速相对应的波动值；所述波动阈值Eth为：与所述第一流速相对应的波动阈值。
在一具体实施方式中，在所述步骤S2中：
以第一采样周期来检测所述第一混合物在所述第一搅拌釜的所述内腔的实时高度hm，所述实时高度hm用于评估所述第一混合物在搅拌过程中的密度；所述m为所述实时高度的编号，所述m为正整数，以最新检测的所述实时高度为h0且越早检测到的高度数据编号越大；所述实时高度hm为所述第一高度；
判断最近N个所述实时高度hm的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时高度hm的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时高度hm的第一波动性；其中，所述预设区间为：与所述第一高度相对应的所述预设高度区间；所述第一采样周期小于所述第一搅拌器以所述第一转速运转的周期的一半；求解最近N个数据的所述实时高度hm的波动值F；其中，所述波动值
Figure BDA0002769586620000051
Figure BDA0002769586620000052
，所述η为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤η＜1；所述n为所述Fn的编号，n≥0；
响应于所述波动值F小于波动阈值Fth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Fth为预设值；所述波动值F为：与所述第一高度相对应的波动值；所述波动阈值Fth为：与所述第一高度相对应的波动阈值。
在一具体实施方式中，所述硅粉的所述第一粒度da、所述铝粉的所述第二粒度db、所述碳粉的所述第三粒度dc三者之间满足：da≠db≠dc。
在一具体实施方式中，所述第一升温速率为60～70℃/min；所述第一温度区间为1450～1550℃；所述第二温度区间为1500～1650℃。
本发明的有益效果是：在本发明中，通过实时监测所述第一流速v，待所述第一流速v达到所述预设流速区间，得到混合均匀的半固态的所述合金物料，反之，搅拌不均匀；其原理在于，在所述第一搅拌器的转速一定的情况下，所述第二混合物的流速随所述第二混合物的密度改变而改变，所述第二混合物搅拌不均匀的情况下，所述第二混合物的密度大小不同，导致所述第二混合物对所述第一搅拌器的阻力不同，从而导致所述第一搅拌器对所述第二混合物的推力不同，所述第二混合物的流速不同，故而，通过采集所述第一流速v能够得到混合均匀的所述合金物料；在硅铝碳合金生产的所述硅粉、所述铝粉、所述碳粉等投料混料过程中，对所述第一混合物在所述第一搅拌釜的内腔的所述第一高度h1进行实时监测，待所述第一高度h1达到预设高度区间时，得到混合均匀的所述第一粉末混合物，反之，搅拌不均匀；其原理在于，所述硅粉的第一粒度、所述铝粉的第二粒度、所述碳粉的第三粒度三者大小各不相同，物料混合物搅拌不均匀的情况下，物料混合物的密度大小不同，在物料混合物质量不变的情况下，造成物料混合物的体积不同，在所述第一搅拌釜的底面积不变的情况下，所述第一高度h1不同，故而，通过所述第一高度h1的采集能够有效获得混合均匀的物料；生产出来的硅铝碳合金具有良好的力学性能和物理性能，通过本技术方案生产的硅铝碳合金具有密度低、耐腐蚀、高硬度、高耐磨、低膨胀等特点。
附图说明
如图1所示为本发明一具体实施方式中一种工业硅铝碳合金的加工制造方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，在本发明的具体实施例中，提供一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对所述原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；所述硅粉的第一粒度为da；
步骤S2、通过第一物料喷枪、第二物料喷枪、第三物料喷枪将质量比为(ma∶mb∶mc)的所述硅粉、铝粉、碳粉同时喷洒进第一搅拌釜中，得到第一混合物，并通过第一搅拌器以第一转速对所述第一混合物进行搅拌，实时监测所述第一混合物在所述第一搅拌釜的内腔的第一高度h1，待所述第一高度h1达到预设高度区间时，得到混合均匀的第一粉末混合物；其中，所述第一物料喷枪、所述第二物料喷枪、所述第三物料喷枪的喷洒时间相同，均为t，所述
Figure BDA0002769586620000071
，所述La为所述第一物料喷枪的输送速率，所述Lb为所述第二物料喷枪的输送速率，所述Lc为所述第三物料喷枪的输送速率，所述ρa为所述硅粉的密度，所述ρb为所述铝粉的密度，所述ρc为所述碳粉的密度；所述第一搅拌釜的内腔的底面积为S，所述铝粉的第二粒度为db，所述碳粉的第三粒度为dc；
步骤S3、通过加热装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行加热升温，以第一升温速率升温至第一温度区间，同时控制所述第一搅拌器以第二转速运转，制得第二混合物；通过热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，当所述内腔内的所述第二混合物的温度到达第二温度区间时，控制所述第一搅拌器以第三转速运转，通过电磁式流速仪实时监测所述第一搅拌釜内所述第二混合物的第一流速v，待所述第一流速v达到预设流速区间，则关闭所述第一搅拌器，得到混合均匀的半固态的合金物料；
步骤S4、将处于半固态形态的所述合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将所述合金物料挤入所述物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯；对所述毛坯进行细加工即可得所需的物件。
值得一提的是，所述第一搅拌釜的内腔壁上安设有第一安装臂，所述电磁式流速仪固定安设于所述第一安装臂上，所述第一安装臂位于所述合金物料的液面之下。
在本实施例中，在所述步骤S3中：
以第一采样周期来检测所述第二混合物在所述第一搅拌釜的所述内腔的实时流速vi，所述实时流速vi用于评估所述第二混合物在搅拌过程中的密度；所述i为所述实时流速的编号，所述i为正整数，以最新检测的所述实时流速为v0且越早检测到的流速数据编号越大；所述实时流速vi为所述第一流速；
判断最近N个所述实时流速vi的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时流速vi的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时流速vi的第一波动性；其中，所述预设区间为：与所述第一流速相对应的所述预设流速区间；
响应于所述第一波动性小于预设波动，则得到混合均匀的所述第一粉末混合物。
在另一实施例中，所述第一采样周期小于所述第一搅拌器以所述第三转速运转的周期的一半。
在另一实施例中，判断所述实时流速vi的所述第一波动性的方法为：
求解最近N个数据的所述实时流速vi的波动值E；其中，所述波动值
Figure BDA0002769586620000081
，所述λ为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤λ＜1；所述i为所述Ei的编号，i≥0；
响应于所述波动值E小于波动阈值Eth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Eth为预设值；所述波动值E为：与所述第一流速相对应的波动值；所述波动阈值Eth为：与所述第一流速相对应的波动阈值。
在本实施例中，在所述步骤S2中：
以第一采样周期来检测所述第一混合物在所述第一搅拌釜的所述内腔的实时高度hm，所述实时高度hm用于评估所述第一混合物在搅拌过程中的密度；所述m为所述实时高度的编号，所述m为正整数，以最新检测的所述实时高度为h0且越早检测到的高度数据编号越大；所述实时高度hm为所述第一高度；
判断最近N个所述实时高度hm的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时高度hm的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时高度hm的第一波动性；其中，所述预设区间为：与所述第一高度相对应的所述预设高度区间；所述第一采样周期小于所述第一搅拌器以所述第一转速运转的周期的一半；求解最近N个数据的所述实时高度hm的波动值F；其中，所述波动值
Figure BDA0002769586620000091
Figure BDA0002769586620000092
，所述η为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤η＜1；所述n为所述Fn的编号，n≥0；
响应于所述波动值F小于波动阈值Fth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Fth为预设值；所述波动值F为：与所述第一高度相对应的波动值；所述波动阈值Fth为：与所述第一高度相对应的波动阈值。
在本实施例中，所述硅粉的所述第一粒度da、所述铝粉的所述第二粒度db、所述碳粉的所述第三粒度dc三者之间满足：da≠db≠dc。
在本实施例中，所述第一升温速率为60～70℃/min；所述第一温度区间为1450～1550℃；所述第二温度区间为1500～1650℃。
以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本发明的具体实施例并不唯一，本领域的普通技术人员可以在权利要求的范围内根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本领域中的技术人员根据本发明的具体实施例在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对所述原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；所述硅粉的第一粒度为da；
步骤S2、通过第一物料喷枪、第二物料喷枪、第三物料喷枪将质量比为(ma∶mb∶mc)的所述硅粉、铝粉、碳粉同时喷洒进第一搅拌釜中，得到第一混合物，并通过第一搅拌器以第一转速对所述第一混合物进行搅拌，实时监测所述第一混合物在所述第一搅拌釜的内腔的第一高度h1，待所述第一高度h1达到预设高度区间时，得到混合均匀的第一粉末混合物；其中，所述第一物料喷枪、所述第二物料喷枪、所述第三物料喷枪的喷洒时间相同，均为t，所述
Figure FDA0002769586610000011
所述La为所述第一物料喷枪的输送速率，所述Lb为所述第二物料喷枪的输送速率，所述Lc为所述第三物料喷枪的输送速率，所述ρa为所述硅粉的密度，所述ρb为所述铝粉的密度，所述ρc为所述碳粉的密度；所述第一搅拌釜的内腔的底面积为S，所述铝粉的第二粒度为db，所述碳粉的第三粒度为dc；
步骤S3、通过加热装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行加热升温，以第一升温速率升温至第一温度区间，同时控制所述第一搅拌器以第二转速运转，制得第二混合物；通过热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，当所述内腔内的所述第二混合物的温度到达第二温度区间时，控制所述第一搅拌器以第三转速运转，通过电磁式流速仪实时监测所述第一搅拌釜内所述第二混合物的第一流速v，待所述第一流速v达到预设流速区间，则关闭所述第一搅拌器，得到混合均匀的半固态的合金物料；
步骤S4、将处于半固态形态的所述合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将所述合金物料挤入所述物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯；对所述毛坯进行细加工即可得所需的物件。
2.如权利要求1所述的一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
以第一采样周期来检测所述第二混合物在所述第一搅拌釜的所述内腔的实时流速vi，所述实时流速vi用于评估所述第二混合物在搅拌过程中的密度；所述i为所述实时流速的编号，所述i为正整数，以最新检测的所述实时流速为v0且越早检测到的流速数据编号越大；所述实时流速vi为所述第一流速；
判断最近N个所述实时流速vi的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时流速vi的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时流速vi的第一波动性；其中，所述预设区间为：与所述第一流速相对应的所述预设流速区间；
响应于所述第一波动性小于预设波动，则得到混合均匀的所述第一粉末混合物。
3.如权利要求2所述的一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，所述第一采样周期小于所述第一搅拌器以所述第三转速运转的周期的一半。
4.如权利要求3所述的一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，判断所述实时流速vi的所述第一波动性的方法为：
求解最近N个数据的所述实时流速vi的波动值E；其中，所述波动值
Figure FDA0002769586610000031
所述λ为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤λ＜1；所述i为所述Ei的编号，i≥0；
响应于所述波动值E小于波动阈值Eth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Eth为预设值；所述波动值E为：与所述第一流速相对应的波动值；所述波动阈值Eth为：与所述第一流速相对应的波动阈值。
5.如权利要求1所述的一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
以第一采样周期来检测所述第一混合物在所述第一搅拌釜的所述内腔的实时高度hm，所述实时高度hm用于评估所述第一混合物在搅拌过程中的密度；所述m为所述实时高度的编号，所述m为正整数，以最新检测的所述实时高度为h0且越早检测到的高度数据编号越大；所述实时高度hm为所述第一高度；
判断最近N个所述实时高度hm的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时高度hm的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时高度hm的第一波动性；其中，所述预设区间为：与所述第一高度相对应的所述预设高度区间；所述第一采样周期小于所述第一搅拌器以所述第一转速运转的周期的一半；求解最近N个数据的所述实时高度hm的波动值F；其中，所述波动值
Figure FDA0002769586610000032
Figure FDA0002769586610000033
所述η为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤η＜1；所述n为所述Fn的编号，n≥0；
响应于所述波动值F小于波动阈值Fth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Fth为预设值；所述波动值F为：与所述第一高度相对应的波动值；所述波动阈值Fth为：与所述第一高度相对应的波动阈值。
6.如权利要求1所述的一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，所述硅粉的所述第一粒度da、所述铝粉的所述第二粒度db、所述碳粉的所述第三粒度dc三者之间满足：da≠db≠dc。
7.如权利要求1所述的一种工业硅铝碳合金的加工制造方法，其特征在于，所述第一升温速率为60～70℃/min；所述第一温度区间为1450～1550℃；所述第二温度区间为1500～1650℃。
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