專利名稱：吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料加工領域，尤其涉及一種熔體-氣體發泡法連續生產閉孔泡沫鋁的方法及設備。
背景技術：
閉孔泡沫鋁是一種新型結構功能材料，其以獨特的結構表現出特殊的物理、化學和力學性能與可回收性等。作為結構材料，它具有輕質和高比強度的特點；作為功能材料， 它同時具備吸聲、隔聲、隔熱、阻燃、減震、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能。所以其在冶金、機械、交通運輸、航空航天、化工、電子通訊、建筑、軍備及汽車等領域均有廣泛應用。常用的制備閉孔泡沫鋁的方法主要有粉末冶金法、熔體-固體發泡劑法與熔體-氣體發泡法。粉末冶金法由于成本較高，只適合于鑄造加工一些小零件，不適用于大規模工業生產。熔體_固體發泡劑法的工藝簡單、生產成本低于粉末冶金法，但只能夠進行批量生產。熔體-氣體發泡法是當前唯一能夠進行連續生產閉孔泡沫鋁的方法，具有所制備泡沫鋁的孔隙范圍大，且生產成本低廉的優點。但是，現行的鋁熔體_氣體發泡方法存在下列明顯不足(1)在其它發泡工藝條件恒定時，鋁熔體泡沫的尺寸只能夠隨通入氣體的壓力或流量的提高而增大，不能夠人為控制使其減小，導致在制備小孔徑的高密度泡沫鋁時的生產效率低；(2)由于無法產生尺寸均勻一致的鋁熔體泡沫，所以閉孔泡沫鋁的密度均勻性差，導致了同密度泡沫鋁的顯著性能差異[R-Edwin Raj, B. S. S. Daniel, Structural and compressive property 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)不能按預定孔徑生產泡沫鋁產品。可見，鋁熔體氣體發泡法中泡沫尺寸及其均勻性的控制是高效率連續生產高性能閉孔泡沫鋁的關鍵技術。
發明內容
為解決上述鋁熔體-氣體發泡方法存在的問題，本發明提供了一種高效率且低成本的能夠精確控制泡沫鋁產品孔徑和密度的連續生產閉孔泡沫鋁的方法與裝置。本發明的技術解決方案是這樣實現的一種吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的設備，包括由調速電機驅動的往復運動機構、發泡裝置和傳送網帶系統；所述往復運動機構包括曲柄連桿機構和微孔排管底吹氣裝置，所述微孔排管底吹氣裝置是相連通的斜立的L型通氣管和一根以上的水平出氣管構成的一體結構，所述通氣管的水平下端口與所述水平出氣管相連，通氣管的上端與曲柄連桿機構相連接，所述水平出氣管上分布有出氣微孔，所述出氣微孔的直徑為0. 08 0. 5mm ；所述發泡裝置包括發泡爐和發泡槽，發泡爐包覆于發泡槽的外圍，所述發泡槽由隔板分隔成蓄液室和發泡室兩部分，所述隔板插嵌于發泡槽壁上沿的槽道中并且可在外力推動下沿所述槽道滑動至一定位置懸空，所述發泡室上沿水平截面的長小于1220mm，寬為 15 150mm ；所述傳送網帶系統包括驅動輪、從動輪、傳送網帶和弧形過渡結構，所述傳送網帶在傳送過程中經過弧形過渡結構，所述弧形過渡結構設置于所述發泡槽的發泡室側的槽壁上沿外側，與所述槽壁的內沿在上沿處相切；所述的弧形過渡機構可以是圓弧板、滾筒、柵板、柵管等結構形式；所述水平出氣管置于所述發泡室底部。具體的，所述水平出氣管是金屬或陶瓷材料。進一步的，所述出氣微孔是在所述水平出氣管上鉆出的孔，或者是在水平出氣管上鉆孔后用高溫膠粘接上空心陶瓷管而形成。利用上述設備連續生產閉孔泡沫鋁的方法，包括如下步驟第一步，制備成分均勻的鋁熔體將原料，可以是純鋁或鋁硅合金、變形鋁合金、廢鋁熔化，在680 750°C加入金屬鎂作為濕潤促進劑，以提高后續加入的陶瓷顆粒與熔體的濕潤性，避免陶瓷顆粒在熔體中的沉降，以維持鋁熔體的成分均勻，其加入量為原料質量的0. 5 4%，并進行攪拌；待鎂完全熔解后，加入粒度小于30 μ m的碳化硅粉或者粒度小于20 μ m的氧化鋁粉作為陶瓷增粘劑，以調整鋁熔體的粘度，其加入量分別為熔體體積8 25%和5 15%，并充分攪拌均勻，形成成分均勻的鋁熔體；第二步，鋁熔體發泡和定時補充爐料將鋁熔體傾入發泡槽內；通過微孔排管底吹氣裝置的通氣管吹入壓縮氣體，壓縮氣體經由水平出氣管的出氣微孔射入鋁熔體中，同時，調速電機驅動往復運動機構以一定頻率作往復運動，使鋁熔體在發泡槽的發泡室于 600 660°C連續發泡；同時，向發泡槽中定時補充發泡熔體，維持泡沫鋁的連續生產；用于發泡的鋁熔體也可以是二次熔化的鋁熔體，即將一次熔化制備的鋁熔體鑄造成為鑄錠后， 再通過二次熔化后進行發泡；經過二次熔化的鋁熔體成分更加均勻，更加有利于鋁熔體的連續和均勻發泡；在發泡過程中，通過調節水平出氣管的往復運動頻率、壓縮氣體的壓力和流量以及出氣微孔的直徑即可根據需要控制鋁熔體泡沫的尺寸，進而達到控制泡沫鋁的密度的目的其中，往復運動頻率小于500rpm，壓縮氣體的壓力為0. 1 0. 5MPa，壓縮氣體的流量為0. 3 lOL/min，出氣微孔的直徑為0. 08 0. 5mm ；由此所獲得的鋁熔體的孔徑范圍為 2. O 18mm，密度控制范圍為0. 10 0. 55g/cm3 ；所述的壓縮氣體是壓縮的空氣、氫氣、氮氣、二氧化碳或水蒸氣。同時，鋁熔體泡沫的生產率或連續生產速度，可通過出氣微孔的數量及水平出氣管的數量來控制，單根出氣管的生產率為0. 3 lOL/min ；
另一方面，調整發泡室的上沿水平截面尺寸，可獲得寬度小于1220mm，厚度為 15 150mm的不同長度的泡沫鋁板；第三步，經傳送網帶傳輸并形成泡沫鋁平板連續生成的鋁熔體泡沫上升至液面后，在傳送網帶系統的傳送下離開發泡室表面，首先通過弧形過渡結構傳送并形成泡沫鋁平板，所述弧形過渡結構與發泡室的側壁在上沿處外切；泡沫鋁板的長度根據需要，在規定的長度方向上截取。將截取下的泡沫鋁板移出傳送網帶，冷卻至室溫后，在厚度方向切割成材。本發明的顯著特點是(1)利用大量孔徑一致的出氣微孔，使在所有出氣微孔上所生成的鋁熔體泡沫尺寸均勻一致；(2)利用出氣微孔在鋁熔體底部的往復運動，改變出氣微孔上方的靜壓強，使鋁熔體泡沫的尺寸減小，能夠在減小鋁熔體泡沫尺寸的同時，達到高效率的連續生產目的；(3)利用在出氣微孔上方的鋁熔體流動，對處于形成階段的鋁熔體泡沫施加橫向推力，促使其早期脫離出氣微孔，形成完整泡沫；(4)利用簡單的曲柄連桿機構實現出氣管的往復運動，排管式的出氣微孔有利于泡沫鋁板的制造；(5)利用傳送網帶將鋁熔體泡沫通過弧形過渡過渡區由上升提拉平緩過渡到水平輸送，形成泡沫鋁平板；(6)通過改變出氣管的往復運動頻率、壓縮氣體的壓力和流量或出氣微孔的直徑， 均可調節鋁熔體中所形成的泡沫尺寸，從而達到精密控制泡沫鋁密度的目的。總之，相比現有技術，本發明生產設備簡單，資金投入小，工藝合理，泡沫尺寸控制準確可靠，生產的泡沫鋁產品孔徑均勻一致，密度可控及孔徑可控；可以按用戶要求生產不同密度、不同孔徑的泡沫鋁產品；密度的控制范圍為0. 10 0. 55g/cm3 ；孔徑的控制范圍為 2. 0 18mm。
圖1為本發明的工藝流程圖；圖2為微孔排管底吹氣裝置示意圖，其中(a)為主視圖；(b)為左視圖；圖3本發明的設備結構示意圖。圖中，1-調速電機2-曲柄連桿機構3-發泡爐4-發泡槽5-蓄液室6_通氣管8_隔板 9_水平出氣管10-出氣微孔11-發泡室12-網帶從動輪I 13-弧形過渡區14-網帶從動輪 II 15-網帶16-網帶驅動輪
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述本發明所用的吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的設備如圖3所示，包括由調速電機 1驅動的往復運動機構、發泡裝置和傳送網帶系統；所述往復運動機構包括曲柄連桿機構2和微孔排管底吹氣裝置，所述微孔排管底吹氣裝置，如圖2所示，是相連通的斜立的L型通氣管6和一根以上的水平出氣管9構成的一體結構，所述通氣管6的水平下端口與所述水平出氣管9相連，通氣管6的上端與曲柄連桿機構1相連接，所述水平出氣管9上分布有出氣微孔11，所述出氣微孔11的直徑為 0. 08 0. 5mm ；所述發泡裝置包括發泡爐3和發泡槽4，發泡爐3包覆于發泡槽4的外圍，所述發泡槽4由隔板8分隔成蓄液室5和發泡室11兩部分，所述隔板8插嵌于發泡槽4槽壁上沿的槽道中并且可在外力推動下沿所述槽道滑動至一定位置懸空，所述發泡室11上沿水平截面的長小于1220mm，寬在15 150mm可調節；所述傳送網帶系統包括驅動輪16、兩個從動輪12和14和傳送網帶15，所述傳送網帶15在傳送過程中經過一段弧形過渡區13，所述弧形過渡區13設置于所述發泡槽的發泡室11側的槽壁上沿外側，與所述槽壁的內沿在上沿處相切；所述水平出氣管9置于所述發泡室11底部。具體的，所述水平出氣管9是金屬或陶瓷材料。所述出氣微孔10是在所述水平出氣管9上鉆出的孔，也可以是在水平出氣管9上鉆出的孔的基礎上用高溫膠粘接上空心陶瓷管而形成。本發明所用原料為純鋁或鋁硅合金、變形鋁合金、廢鋁；陶瓷增粘劑為碳化硅粉和氧化鋁粉，濕潤促進劑為金屬鎂；發泡介質為壓縮空氣。實施例1將鋁和鋁硅合金在800°C以上熔化，當熔體溫度降到680 750°C區間時加入原料質量0.8 3. 5%金屬鎂，并進行攪拌。當鎂完全熔解后，加入IOVol. %的碳化硅粉，充分攪拌均勻后，移入在600 660°C保溫的發泡爐中進行發泡。在壓縮空氣的壓力和流量分別為0. 2ΜΙ^和1. 5L/min、單排水平出氣管、出氣微孔直徑為0. 25mm和出氣微孔的往復頻率為 400rpm的條件下，得到寬度和厚度分別為IOOOmm和18mm的閉孔泡沫鋁板的密度為0. 18g/ cm3，連續生產速度為220mm/min。實施例2金屬鎂加入量為原料質量1. 0 3. 0%，碳化硅粉加入量為12Vol. %，改變壓縮空氣的流量為3. OL/min，雙排水平出氣管，其它條件與實施例1相同，得到寬度和厚度分別為 IOOOmm和18mm的閉孔泡沫鋁板的密度為0. 18g/cm3，連續生產速度為450mm/min。實施例3金屬鎂加入量為原料質量1.0 2.5%，碳化硅粉加入量為15Vol. %，改變壓縮空氣的壓力為0. 3MPa，其它條件與實施例2相同，得到寬度和厚度分別為IOOOmm和18mm的閉孔泡沫鋁板的密度為0. 17g/cm3，連續生產速度為550mm/min。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的設備，包括由調速電機驅動的往復運動機構、 發泡裝置和傳送網帶系統，其特征在于所述往復運動機構包括曲柄連桿機構和微孔排管底吹氣裝置，所述微孔排管底吹氣裝置是相連通的斜立的L型通氣管和一根以上的水平出氣管構成的一體結構，所述通氣管的水平下端口與所述水平出氣管相連，通氣管的上端與曲柄連桿機構相連接，所述水平出氣管上分布有出氣微孔，所述出氣微孔的直徑為0. 08 0. 5mm ；所述發泡裝置包括發泡爐和發泡槽，發泡爐包覆于發泡槽的外圍，所述發泡槽由隔板分隔成蓄液室和發泡室兩部分，所述隔板插嵌于發泡槽壁上沿的槽道中并且可在外力推動下沿所述槽道滑動至一定位置懸空，所述發泡室上沿水平截面的長小于1220mm，寬為15 150mm ；所述傳送網帶系統包括驅動輪、從動輪、傳送網帶和弧形過渡結構，所述傳送網帶在傳送過程中經過所述弧形過渡結構，所述弧形過渡結構設置于所述發泡槽的發泡室側的槽壁上沿外側，與所述槽壁的內沿在上沿處相切；所述水平出氣管置于所述發泡室底部。
2.如權利要求1所述的連續生產閉孔泡沫鋁的設備，其特征在于所述弧形過渡結構是圓弧板、或滾筒、或柵板、或柵管。
3.如權利要求1所述的連續生產閉孔泡沫鋁的設備，其特征在于所述水平出氣管是金屬或陶瓷材料。
4.如權利要求3所述的連續生產閉孔泡沫鋁的設備，其特征在于所述出氣微孔是在所述水平出氣管上鉆出的孔，或者是在水平出氣管上鉆孔后用高溫膠粘接上空心陶瓷管而形成。
5.一種吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的方法，包括如下步驟(1)制備成分均勻的鋁熔體將純鋁或鋁合金原料熔化，先后加入濕潤促進劑和陶瓷增粘劑，并充分攪拌，形成成分均勻的鋁熔體；(2)鋁熔體發泡和定時補充爐料將鋁熔體傾入發泡槽內；通過微孔排管底吹氣裝置的通氣管吹入壓縮氣體，壓縮氣體經由水平出氣管的出氣微孔射入鋁熔體中，同時，調速電機驅動往復運動機構以一定頻率作往復運動，使鋁熔體在發泡槽的發泡室于600 660°C 連續發泡；同時，向發泡槽中定時補充發泡熔體，維持泡沫鋁的連續生產；(3)經傳送網帶傳輸并形成泡沫鋁平板連續生成的鋁熔體泡沫上升至液面后，在傳送網帶系統的傳送下離開發泡室表面，首先通過弧形過渡結構并形成泡沫鋁平板，所述弧形過渡結構與發泡室的側壁在上沿處外切；步驟(1)中，所述濕潤促進劑為金屬鎂，其加入量為純鋁或鋁合金原料的質量的0.5 4%，在680 750°C加入原料中，攪拌使之完全熔解；所述陶瓷增粘劑為碳化硅粉或者氧化鋁粉，其加入量分別為熔體體積的8 25%和5 15%，其中碳化硅粉的粒度小于30 μ m， 氧化鋁粉的粒度小于20μπι;步驟O)中，往復運動機構的往復運動頻率小于500rpm，壓縮氣體的壓力為0.1 0. 5MPa，壓縮氣體的流量為0. 3 10L/min，出氣微孔的直徑為0. 08 0. 5mm ；步驟O)中，根據需要的泡沫板寬度和厚度，調整發泡室的上沿水平截面尺寸，所述水平截面的長度小于1220mm，寬為15 150mm。
6.如權利要求5所述的吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的方法，其特征在于 步驟(2)中，所述的壓縮氣體是壓縮的空氣、氫氣、氮氣、二氧化碳或水蒸氣。
7.如權利要求5所述的吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的方法，其特征在于步驟(2)中，用于發泡的所述鋁熔體是二次熔化所得的鋁熔體，所述二次熔化，即將步驟(1)所得鋁熔體鑄造成鑄錠后，再次熔化成鋁熔體的過程。
全文摘要
本發明涉及一種吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁的方法及設備，所述方法包括如下步驟原料熔化、加入陶瓷增粘劑、濕潤促進劑并攪拌以獲得成分均勻的鋁熔體，利用吹氣發泡連續生產閉孔泡沫鋁設備進行連續發泡，獲得泡沫尺寸均勻、密度及生產率可控的鋁熔體泡沫，經網帶通過弧形過渡結構傳輸并切割成為泡沫鋁板；所述設備利用簡單的曲柄連桿機構實現水平出氣管的往復運動，利用弧形過渡裝置使鋁熔體泡沫能夠由上升提拉轉變為水平傳送。本發明的工藝與設備簡單，操作控制準確，通過改變出氣管的往復運動頻率、壓縮氣體的壓力和流量或出氣微孔的直徑，調節鋁熔體中所形成的泡沫尺寸，達到高效率且低成本的精確控制泡沫鋁產品孔徑和密度的目的。
文檔編號C22C21/00GK102312117SQ20111031037
公開日2012年1月11日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月11日
發明者王德慶 申請人:大連交通大學