CN104120295A - 一种泡沫铝的半连续真空发泡装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种泡沫铝的半连续真空发泡装置与方法，属于泡沫金属材料领域。本发明泡沫铝的半连续真空发泡装置由中间包、初始气孔产生装置和真空发泡炉三部分组成。中间包和初始气孔产生装置之间无缝连接，初始气孔产生装置和真空发泡炉之间半连续连接。制备泡沫铝时，首先在中间包内引入增粘的铝合金熔体并保持一定的液面高度，然后向具有相同液面高度的初始气孔产生装置内通入空气使增粘的铝合金熔体中产生初始气孔，最后将熔体半连续地流入真空发泡炉内预热的不锈钢坩埚中，熔体泡沫冷却凝固，即得到泡沫铝。采用本发明的泡沫铝半连续真空发泡装置制备泡沫铝，具有高效率、低成本的特点，可实现泡沫铝的半连续化工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫铝的半连续真空发泡装置与方法，属于泡沫金属材料领域。
背景技术
发泡闭孔泡沫铝（以下简称泡沫铝）兼具结构材料和功能材料的双重特性，具有低密度、高比强度、能量吸收、吸音、阻尼减振等优点，在航空航天、交通工具、建筑、机械、噪音控制等领域有广泛的应用前景。
目前制备泡沫铝的方法主要有粉末冶金、直接吹气发泡法及熔体发泡法。粉末冶金法适合小尺寸及小批量泡沫铝生产，不适于大规模工业生产；直接吹气发泡法虽然可以实现泡沫铝的连续制备，但存在孔结构均匀性难以控制及所获得泡沫铝脆性高的不足；熔体发泡法由于采用较为昂贵的TiH2发泡剂、以及采用批处理非连续制作模式而使成本较高。
目前，阻碍泡沫铝获得广泛应用的瓶颈在于其成本过高，致使泡沫铝的结构应用和吸音功能应用难于被市场所接受，而现有的直接吹气连续发泡法制作的泡沫铝其孔结构和性能还达不到市场应用要求，因此，开发新的连续或半连续发泡制备技术，提高制备效率、降低成本，是泡沫铝获得规模工业应用需要解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有泡沫铝制备效率低、成本高的不足，提供了一种泡沫铝的半连续真空发泡制备装置，采用本发明的泡沫铝半连续真空发泡装置制备泡沫铝，具有高效率、低成本的特点，可实现孔结构可控泡沫铝的半连续化工业生产；该装置包括中间包6、初始气孔产生装置11、真空发泡炉19，中间包6和初始气孔产生装置11无缝连接，初始气孔产生装置11和真空发泡炉19半连续连接；
中间包6包括石墨坩埚Ⅰ1、控制阀Ⅰ3、铝合金熔体入口4、液面高度观测器5、加热元件Ⅰ7，石墨坩埚Ⅰ1置于中间包6的内部，加热元件Ⅰ7位于中间包6的侧壁内部，中间包6的顶端设有铝合金熔体入口4和液面高度观测器5，铝合金熔体入口4处设有控制阀Ⅰ3；
初始气孔产生装置11包括通气管10、加热元件Ⅱ12、多孔旋转喷嘴13、石墨坩埚Ⅱ14、控制阀Ⅱ15、流出口16，通气管10位于初始气孔产生装置11的内部，通气管10的出气口处设置有多孔旋转喷嘴13，石墨坩埚Ⅱ14置于初始气孔产生装置11的内部，加热元件Ⅱ12位于初始气孔产生装置11的侧壁内部，初始气孔产生装置11的下端设置有流出口16，流出口16处设有控制阀Ⅱ15；
真空发泡炉19包括移动轮17、加热元件Ⅲ18、抽真空装置20、不锈钢坩埚21，真空发泡炉19的底部设有移动轮17，不锈钢坩埚21位于真空发泡炉19的内部；抽真空装置20位于真空发泡炉19的顶部、和真空发泡炉19的侧壁密封连接。
本发明所述中间包6和初始气孔产生装置11内的熔体液面高度保持一致，液面高度为中间包6和初始气孔产生装置11高度的1/2-2/3。
本发明所述中间包6和初始气孔产生装置11通过连通管8无缝连接。
本发明所述初始气孔产生装置11和真空发泡炉19之间通过流口16和控制阀15半连续连接。
本发明真空发泡炉19底部装有移动轮17。
本发明所述不锈钢坩埚21的外部设有进水口23、出水口24、冷却水管25，真空发泡后可在真空下进行冷却。
本发明所述泡沫铝的半连续真空发泡装置用于制备泡沫铝的方法，具体包括以下步骤：
（1）在中间包6内引入增粘的铝合金熔体2并保持一定的液面高度；
（2）向具有相同液面高度的初始气孔产生装置11内通入空气使增粘熔体中产生初始气孔；
（3）熔体半连续地流入真空发泡炉19内预热后的不锈钢坩埚21中，移开真空发泡炉19、密封并抽真空发泡，熔体泡沫冷却凝固，即得到泡沫铝。
本发明步骤（1）中所述增粘的铝合金，温度为铝合金熔点以上20~50℃，内含有铝合金质量5~10%的增粘剂SiC，增粘剂SiC的粒度为10~30μm；
本发明步骤（2）中通入空气量为铝合金熔体体积的12~25%；
本发明步骤（3）中真空发泡炉19内不锈钢坩埚21的温度与增粘铝合金熔体的温度相同，真空度为1~10Pa，发泡时间为5~25s；发泡后发泡体在真空下冷却；所制备泡沫铝的孔隙率为70~85%，平均孔径为0.5~5mm。
用本发明所述装置制备泡沫铝时，首先在中间包6内引入增粘的铝合金熔体并保持一定的液面高度；然后向具有相同液面高度的初始气孔产生装置11内通入少量空气使增粘熔体中产生孔径小、分布均匀、数量众多的初始气孔；最后将熔体半连续地流入真空发泡炉19内预热的不锈钢坩埚21中，移开真空发泡炉19、密封并抽真空，初始气孔内的气体在真空下膨胀使铝合金熔体发泡，熔体泡沫冷却凝固，即得到泡沫铝。
本发明的有益效果：
利用本发明的装置，通过增粘铝合金熔体连续运转、初始气孔产生、内含初始气孔的增粘铝合金熔体的半连续运转、以及真空发泡，在不采用发泡剂的条件下，通过气体真空膨胀的方法，实现可泡沫化铝合金熔体的半连续运转和发泡，具有高效率、低成本的优点，可实现泡沫铝的半连续化工业生产。
附图说明
图1是泡沫铝半连续真空发泡制备装置；
图2是不锈钢坩埚的外观示意图；
图3是泡沫铝半连续真空发泡制备装置的使用过程图。
图中：1-石墨坩埚，2-增粘的铝合金熔体，3-控制阀，4-铝合金熔体入口，5-液面高度观测器，6-中间包，7-加热元件，8-连通管，9-控制阀，10-通气管，11-初始气孔产生装置，12加热元件，13-多孔旋转喷嘴，14-石墨坩埚，15-控制阀，16-流出口，17-移动轮，18-加热元件，19-真空发泡炉，20-抽真空装置，21-不锈钢坩埚，22-泡沫铝，23-进水口，24-出水口，25-冷却水管。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施所述半连续真空发泡装置包括中间包6、初始气孔产生装置11、真空发泡炉19，中间包6和初始气孔产生装置11无缝连接，初始气孔产生装置11和真空发泡炉19半连续连接（如图1~2所示）；
中间包6包括石墨坩埚Ⅰ1、控制阀Ⅰ3、铝合金熔体入口4、液面高度观测器5、加热元件Ⅰ7，石墨坩埚Ⅰ1置于中间包6的内部，加热元件Ⅰ7位于中间包6的侧壁内部，中间包6的顶端设有铝合金熔体入口4和液面高度观测器5，铝合金熔体入口4处设有控制阀Ⅰ3；
初始气孔产生装置11包括通气管10、加热元件Ⅱ12、多孔旋转喷嘴13、石墨坩埚Ⅱ14、控制阀Ⅱ15、流出口16，通气管10位于初始气孔产生装置11的内部，通气管10的出气口处设置有多孔旋转喷嘴13，石墨坩埚Ⅱ14置于初始气孔产生装置11的内部，加热元件Ⅱ12位于初始气孔产生装置11的侧壁内部，初始气孔产生装置11的下端设置有流出口16，流出口16处设有控制阀Ⅱ15；
真空发泡炉19包括移动轮17、加热元件Ⅲ18、抽真空装置20、不锈钢坩埚21，真空发泡炉19的底部设有移动轮17，不锈钢坩埚21位于真空发泡炉19的内部；抽真空装置20位于真空发泡炉19的顶部、和真空发泡炉19的侧壁密封连接。
本实施所述中间包6和初始气孔产生装置11通过连通管8无缝连接。
用本实施例所述半连续真空发泡装置制备泡沫铝，具体包括以下步骤：
将增粘的ZL102合金熔体熔体温度为620℃，内含粒度10~15μm 、加入量为合金熔体质量10%的SiC颗粒引入中间包6及初始气孔产生装置11，保持液面高度为中间包6及初始气孔产生装置11高度的1/2；向初始气孔产生装置11内的熔体中通入空气通入量为合金熔体体积的25%， 通过多孔旋转喷嘴13在熔体中产生孔径0.08~0.18mm的初始气孔；真空发泡炉19预热到620℃后移动到初始气孔产生装置11流口16处接料，接料后移开并抽真空发泡，真空度为10Pa、发泡时间为25s；真空发泡结束后，熔体泡沫在真空下冷却凝固，得到孔隙率85%，孔径为2.5~5mm的泡沫铝，如图3所示。
实施例2
本实施所述半连续真空发泡装置包括中间包6、初始气孔产生装置11、真空发泡炉19，中间包6和初始气孔产生装置11无缝连接，初始气孔产生装置11和真空发泡炉19半连续连接；
中间包6包括石墨坩埚Ⅰ1、控制阀Ⅰ3、铝合金熔体入口4、液面高度观测器5、加热元件Ⅰ7，石墨坩埚Ⅰ1置于中间包6的内部，加热元件Ⅰ7位于中间包6的侧壁内部，中间包6的顶端设有铝合金熔体入口4和液面高度观测器5，铝合金熔体入口4处设有控制阀Ⅰ3；
初始气孔产生装置11包括通气管10、加热元件Ⅱ12、多孔旋转喷嘴13、石墨坩埚Ⅱ14、控制阀Ⅱ15、流出口16，通气管10位于初始气孔产生装置11的内部，通气管10的出气口处设置有多孔旋转喷嘴13，石墨坩埚Ⅱ14置于初始气孔产生装置11的内部，加热元件Ⅱ12位于初始气孔产生装置11的侧壁内部，初始气孔产生装置11的下端设置有流出口16，流出口16处设有控制阀Ⅱ15；
真空发泡炉19包括移动轮17、加热元件Ⅲ18、抽真空装置20、不锈钢坩埚21，真空发泡炉19的底部设有移动轮17，不锈钢坩埚21位于真空发泡炉19的内部；抽真空装置20位于真空发泡炉19的顶部、和真空发泡炉19的侧壁密封连接。
本实施所述中间包6和初始气孔产生装置11通过连通管8无缝连接。
用本实施例所述半连续真空发泡装置制备泡沫铝，具体包括以下步骤：
将增粘的ZL202合金熔体熔体温度为640℃，内含粒度为15~21μm 、加入量为合金熔体质量8%的SiC颗粒引入中间包6及初始气孔产生装置11，保持液面高度为中间包6及初始气孔产生装置11高度的2/3；向初始气孔产生装置11内的熔体中通入空气通入量为合金熔体体积的12%， 通过多孔旋转喷嘴13在熔体中产生孔径0.03~0.11mm的初始气孔；真空发泡炉19预热到640℃后移动到初始气孔产生装置11流口16处接料，接料后移开并抽真空发泡，真空度为1Pa、发泡时间为5s；真空发泡结束后，熔体泡沫在真空下冷却凝固，得到孔隙率70%，孔径为0.5~2.5mm的泡沫铝。
实施例3
本实施所述半连续真空发泡装置包括中间包6、初始气孔产生装置11、真空发泡炉19，中间包6和初始气孔产生装置11无缝连接，初始气孔产生装置11和真空发泡炉19半连续连接；
中间包6包括石墨坩埚Ⅰ1、控制阀Ⅰ3、铝合金熔体入口4、液面高度观测器5、加热元件Ⅰ7，石墨坩埚Ⅰ1置于中间包6的内部，加热元件Ⅰ7位于中间包6的侧壁内部，中间包6的顶端设有铝合金熔体入口4和液面高度观测器5，铝合金熔体入口4处设有控制阀Ⅰ3；
初始气孔产生装置11包括通气管10、加热元件Ⅱ12、多孔旋转喷嘴13、石墨坩埚Ⅱ14、控制阀Ⅱ15、流出口16，通气管10位于初始气孔产生装置11的内部，通气管10的出气口处设置有多孔旋转喷嘴13，石墨坩埚Ⅱ14置于初始气孔产生装置11的内部，加热元件Ⅱ12位于初始气孔产生装置11的侧壁内部，初始气孔产生装置11的下端设置有流出口16，流出口16处设有控制阀Ⅱ15；
真空发泡炉19包括移动轮17、加热元件Ⅲ18、抽真空装置20、不锈钢坩埚21，真空发泡炉19的底部设有移动轮17，不锈钢坩埚21位于真空发泡炉19的内部；抽真空装置20位于真空发泡炉19的顶部、和真空发泡炉19的侧壁密封连接。
本实施所述中间包6和初始气孔产生装置11通过连通管8无缝连接。
用本实施例所述半连续真空发泡装置制备泡沫铝，具体包括以下步骤：
将增粘的ZL301合金熔体熔体温度为650℃，内含粒度为21~30μm 、加入量为合金熔体质量5%的SiC颗粒引入中间包6及初始气孔产生装置11，保持液面高度为中间包6及初始气孔产生装置11高度的3/5；向初始气孔产生装置11内的熔体中通入空气通入量为合金熔体体积的18%， 通过多孔旋转喷嘴13在熔体中产生孔径0.05~0.13mm的初始气孔；真空发泡炉19预热到650℃后移动到初始气孔产生装置11流口16处接料，接料后移开并抽真空发泡，真空度为5Pa、发泡时间为15s；真空发泡结束后，熔体泡沫在真空下冷却凝固，得到孔隙率80%，孔径为2.0~3.5mm的泡沫铝。
Claims (10)
1.一种泡沫铝的半连续真空发泡装置，其特征在于：该装置包括中间包（6）、初始气孔产生装置（11）、真空发泡炉（19），中间包（6）和初始气孔产生装置（11）无缝连接，初始气孔产生装置（11）和真空发泡炉（19）半连续连接；
中间包（6）包括石墨坩埚Ⅰ（1）、控制阀Ⅰ（3）、铝合金熔体入口（4）、液面高度观测器（5）、加热元件Ⅰ（7），石墨坩埚Ⅰ（1）置于中间包（6）的内部，加热元件Ⅰ（7）位于中间包（6）的侧壁内部，中间包（6）的顶端设有铝合金熔体入口（4）和液面高度观测器（5），铝合金熔体入口（4）处设有控制阀Ⅰ（3）；
初始气孔产生装置（11）包括通气管（10）、加热元件Ⅱ（12）、多孔旋转喷嘴（13）、石墨坩埚Ⅱ（14）、控制阀Ⅱ（15）、流出口（16），通气管（10）位于初始气孔产生装置（11）的内部，通气管（10）的出气口处设置有多孔旋转喷嘴（13），石墨坩埚Ⅱ（14）置于初始气孔产生装置（11）的内部，加热元件Ⅱ（12）位于初始气孔产生装置（11）的侧壁内部，初始气孔产生装置（11）的下端设置有流出口（16），流出口（16）处设有控制阀Ⅱ（15）；
真空发泡炉（19）包括加热元件Ⅲ（18）、抽真空装置（20）、不锈钢坩埚（21），不锈钢坩埚（21）位于真空发泡炉（19）的内部；抽真空装置（20）位于真空发泡炉（19）的顶部、和真空发泡炉（19）的侧壁密封连接。
2.根据权利要求1所述泡沫铝的半连续真空发泡装置，其特征在于：所述中间包（6）和初始气孔产生装置（11）内的熔体液面高度保持一致，液面高度为中间包（6）和初始气孔产生装置（11）高度的1/2-2/3。
3.根据权利要求1所述泡沫铝的半连续真空发泡装置，其特征在于：所述中间包（6）和初始气孔产生装置（11）通过连通管（8）无缝连接。
4.根据权利要求1所述泡沫铝的半连续真空发泡装置，其特征在于：所述初始气孔产生装置（11）和真空发泡炉（19）之间通过流口（16）和控制阀（15）半连续连接。
5.根据权利要求1所述泡沫铝的半连续真空发泡装置，其特征在于：真空发泡炉（19）底部装有移动轮（17）。
6.根据权利要求1所述泡沫铝的半连续真空发泡装置，其特征在于：所述不锈钢坩埚（21）的外部设有进水口（23）、出水口（24）、冷却水管（25）。
7.权利要求1所述泡沫铝的半连续真空发泡装置用于制备泡沫铝的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）在中间包（6）内引入增粘的铝合金熔体（2）并保持一定的液面高度；
（2）向具有相同液面高度的初始气孔产生装置（11）内通入空气使增粘熔体中产生初始气孔；
（3）熔体半连续地流入真空发泡炉（19）内预热后的不锈钢坩埚（21）中，移开真空发泡炉（19）、密封并抽真空发泡，熔体泡沫冷却凝固，即得到泡沫铝。
8.根据权利要求7所述的泡沫铝半连续真空发泡制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述增粘的铝合金，温度为铝合金熔点以上20~50℃，内含有铝合金质量5~10%的增粘剂SiC，增粘剂SiC的粒度为10~30μm。
9.根据权利要求7所述的泡沫铝半连续真空发泡制备方法，其特征在于：步骤（2）中通入空气量为铝合金熔体体积的12~25%。
10.根据权利要求7所述的泡沫铝半连续真空发泡制备方法，其特征在于：步骤（3）中真空发泡炉（19）内不锈钢坩埚（21）的温度与增粘铝合金熔体的温度相同，真空度为1~10Pa，发泡时间为5~25s；发泡后发泡体在真空下冷却；所制备泡沫铝的孔隙率为70~85%，平均孔径为0.5~5mm。
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