一种生产小孔径泡沫铝的装置及方法，装置包括熔体储存系统、流通管道、混合系统、冷却室系统和轧制系统；混合系统的缩扩管上设有气体通入口，缩扩管的后端与送粉设备装配在一起；缩扩管从前到后依次为缩扩管入口段、收缩段、喉部水平段、扩张段和缩扩管出口段，气体通入口位于喉部水平段；方法为：将铝熔体导入储存室；调节储存室内的压力；开启阀门使铝熔体流向缩扩管；再进入混料管内使铝熔体和增粘剂混合，流入冷却室；向缩扩管内通入惰性气体；含有气泡的铝熔体在液面顶部逐渐成形，启动轧制滚轮进行轧制。本发明的装置积分法减少了对吹气管的磨损，减少了对铝液的二次污染，简化了装置；实现了小孔径闭孔泡沫铝的工业化快速生产。
1.一种生产小孔径泡沫铝的装置，其特征在于包括熔体储存系统、流通管道、混合系统、冷却室系统和轧制系统；熔体储存系统的储存室的顶板上设有带有阀门的进气管、带有阀门的出气管和压力表，储存室的侧壁设有加热保温装置，并且侧壁上设有进料管，进料管上设有进料阀和止回阀；流通管道上装配有管道阀门，流通管道的前端与储存室底部连通，后端与混合系统连通；混合系统由缩扩管和送粉设备组成，其中缩扩管上设有一个以上的气体通入口，缩扩管后端与送粉设备装配在一起；其中缩扩管从前到后依次为缩扩管入口段、收缩段、喉部水平段、扩张段和缩扩管出口段，缩扩管入口段与流通管道的后端连通，缩扩管出口段与送粉设备的混料管的前端连通；气体通入口通过带阀门的管道将喉部水平段与气源连通，当气体通入口超过一个时，各气体通入口均匀分布在喉部水平段的同一个垂直截面上；送粉设备包括混料管及与其连通的增粘剂加料管，增粘剂加料管上设有加料阀，加料阀和混料管之间设有止回阀，混料管内部设有搅拌桨，混料管的后端与冷却系统的冷却室的进料口连通；冷却系统的冷却室为箱体，其底部设有带有阀门的排液管，上方的侧壁上设有出料口，出料口外部与轧制系统的轧制通道连通，出料口与轧制通道之间设有挡板，且出料口顶端位于冷却室顶部，出料口的高度与轧制通道的高度相配合；轧制系统由上下两组轧制滚轮组成，两组轧制滚轮之间的空间为轧制通道；所述的缩扩管中，收缩段的内部空间为侧放的圆台状，该圆台状的顶面直径为D1，底面的直径为D2，水平方向的长度L1；喉部水平段的内部空间为圆筒状，直径为D1，水平方向的长度L2；扩张段的内部空间为侧放的圆台状，该圆台状的顶面直径为D1，底面的直径为D2，水平方向的长度为L3；其中D2:D1=1.5
2.5，L1:L3=0.35 0.8，L1:L2=0.4 0.9。
2.根据权利要求1所述的一种生产小孔径泡沫铝的装置，其特征在于所述的气体通入口的数量为1 10个，孔径1 2mm。
3.一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：（1）将铝或铝合金加热至850 900℃形成铝熔体；将铝熔体通过进料口导入储存室内，~通过加热保温装置将储存室内的铝熔体温度维持在850 900℃；
（2）开启出气管，通过进气管向储存室内通入惰性气体将空气排出，然后关闭出气管，并控制储存室内的惰性气体的压力在0 2MPa；
（3）开启流通管道上的管道阀门，使铝熔体经流通管道流向缩扩管，且控制铝熔体在缩扩管入口段处的流速为2 15m/s；
（4）开启进料管上的加料阀，向增粘剂加料管加入增粘剂，增粘剂经过止回阀进入混料管，开启搅拌桨使增粘剂与铝熔体混合，形成的混合物料流入冷却室；
（5）当冷却室内的混合物料的液面高于冷却室的进料口时，判断铝熔体已经充满流通管道；开启气体通入口，通过气源向缩扩管内通入惰性气体，惰性气体在混合物料内形成气泡，并随混合物料一同进入冷却室；
（6）当冷却室内的混合物料的液面位于出料口底端时，通过开闭排液管上的阀门，维持液面高度在出料口底端；
（7）含有气泡的混合物料在液面顶部逐渐成形，形成的泡沫铝中间体堆积在液面上方；
（8）当泡沫铝中间体充满液面上方时，打开挡板，启动两组轧制滚轮，泡沫铝从冷却室进入轧制通道，被轧制成泡沫铝材料。
4.根据权利要求3所述的一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于步骤（4）中，增粘剂为粒径为1 10μm的SiC陶瓷颗粒；增粘剂的通入量按单位时间内进入混料管内部的增粘~剂和铝熔体的质量比为0.015 0.03。
5.根据权利要求3所述的一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于步骤（5）中，惰性气体为氮气；惰性气体的通入量按单位时间内进入缩扩管的惰性气体和铝熔体的体积比为
0.003 0.2，惰性气体在气体通入口内的流速为2 6m/s。
6.根据权利要求3所述的一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于步骤（3）中，铝熔体在缩扩管入口处的流速，通过储存室和冷却室内物料的高度差以及压力差控制。
7.根据权利要求3所述的一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于所述的泡沫铝材料内的孔洞的孔径0.5 5mm，孔隙率65 90%。
8.根据权利要求3所述的一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于步骤（5）中，混合物料的液面高于冷却室的进料口，保持至少10s，然后开启气体通入口。
9.根据权利要求3所述的一种生产小孔径泡沫铝的方法，其特征在于步骤（2）中，惰性气体为氮气。
一种生产小孔径泡沫铝的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于多孔金属泡沫材料技术领域，具体涉及一种生产小孔径泡沫铝的装置及方法。
背景技术
[0002] 泡沫铝作为多孔介质，拥有较大的比表面积，具有良好的性能，如能量吸收性能好、电磁屏蔽性能好、在航空工业及建筑领域应用广泛；常见泡沫铝分为开孔和闭孔两种，闭孔泡沫铝因隔热保温性能好，应用更为广泛；闭孔泡沫铝制备方法主要为吹气发泡法、粉末冶金法和熔体发泡法；其中吹气发泡法具备工艺简单、成本低、可连续生产等优点。
[0003] 泡沫铝中泡孔的尺寸直接影响泡沫铝材料的性能，泡沫铝孔径越小，泡沫铝的能量吸收性能越好，阻尼减震性能越好，机械强度越高；由现有吹气工艺制备的泡沫铝，孔径一般大于5mm；然而，作为结构材料，孔径小于5mm的泡沫铝材料具有以下优点：1、具有更好的机械性能；2、小孔径泡沫铝空腔形状会更接近于球形，导热更加均匀；3、在冷却过程中小孔径泡沫铝泡孔坍塌现象会有所改善，有利于大尺寸化生产；4、小孔径泡沫铝热处理后更易流动和形变，有利于二次加工；由于吹气发泡法连续生产成本低，因此采用吹气法制备性能优良的小孔径泡沫铝是泡沫铝生产的一个重要方向。
[0004] 泡沫铝孔径大小与制备过程中的气泡尺寸直接相关；现有泡沫铝制备工艺中，常采用振动式或旋转式的吹气管向容器中注入气体，生成尺寸小于5mm的气泡，但该制备方法也存在一些不足：1、动态注入气体会造成吹气管道的磨损损耗，相应减短吹气管使用寿命；2、吹气管的运动有可能导致铝液的二次污染；3、该方法增加了吹气管运动控制装置，设备会更加复杂；4、在制备过程中气泡依次吹入，气泡生成速率相对较低，泡沫铝生产效率难以提高。
发明内容
[0005] 针对以上问题，本发明提供一种生产小孔径泡沫铝的装置及方法，通过在铝液流动管道水平段加入一段缩扩管，利用流体高速流动剪切作用破碎气流，短时间生成大量小尺寸气泡用于泡沫铝冷却成型，避免对吹气设备或装置磨损损耗的同时，加快气泡的生成速率，减少对铝液的二次污染，提升泡沫铝生产效率，实现小孔径泡沫铝材料的快速连续化生产。
[0006] 本发明的生产小孔径泡沫铝的装置包括熔体储存系统、流通管道、混合系统、冷却室系统和轧制系统；熔体储存系统的储存室的顶板上设有带有阀门的进气管、带有阀门的出气管和压力表，储存室的侧壁设有加热保温装置，并且侧壁上设有进料管，进料管上设有进料阀和止回阀；流通管道上装配有管道阀门，流通管道的前端与储存室底部连通，后端与混合系统连通；混合系统由缩扩管和送粉设备组成，其中缩扩管上设有一个以上的气体通入口，缩扩管后端与送粉设备装配在一起；其中缩扩管从前到后依次为缩扩管入口段、收缩段、喉部水平段、扩张段和缩扩管出口段，缩扩管入口段与流通管道的后端连通，缩扩管出口段与送粉设备的混料管的前端连通；气体通入口通过带阀门的管道将喉部水平段与气源连通，当气体通入口超过一个时，各气体通入口均匀分布在喉部水平段的同一个垂直截面上；送粉设备包括混料管及与其连通的增粘剂加料管，增粘剂加料管上设有加料阀，加料阀和混料管之间设有止回阀，混料管内部设有搅拌桨，混料管的后端与冷却系统的冷却室的进料口连通；冷却系统的冷却室为箱体，其底部设有带有阀门的排液管，上方的侧壁上设有出料口，出料口外部与轧制系统的轧制通道连通，出料口与轧制通道之间设有挡板，且出料口顶端位于冷却室顶部，出料口的高度与轧制通道的高度相配合；轧制系统由上下两组轧制滚轮组成，两组轧制滚轮之间的空间为轧制通道。
[0007] 上述的缩扩管中，收缩段的内部空间为侧放的圆台状，该圆台状的顶面直径为D1，底面的直径为D2，水平方向的长度L1；喉部水平段的内部空间为圆筒状，直径为D1，水平方向的长度L2；扩张段的内部空间为侧放的圆台状，该圆台状的顶面直径为D1，底面的直径为D2，水平方向的长度为L3；其中D2:D1＝1.5～2.5，L1:L3＝0.35～0.8，L1:L2＝0.4～0.9。
[0008] 上述的流通管道包括水平段部分，水平段部分的后端与混合系统连通。
[0009] 上述装置中，储存室底部高于冷却室顶部。
[0010] 上述装置中，冷却室的进料口位于冷却室下部。
[0011] 上述装置中，储存室和/或冷却室的内壁上铺设有石棉内衬，用于保护铝熔体。
[0012] 上述装置中，气体通入口的数量为1～10个，孔径1～2mm。
[0013] 本发明的生产小孔径泡沫铝的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：
[0014] 1、将铝或铝合金加热至850～900℃形成铝熔体；将铝熔体通过进料口导入储存室内，通过加热保温装置将储存室内的铝熔体温度维持在850～900℃；
[0015] 2、开启出气管，通过进气管向储存室内通入惰性气体将空气排出，然后关闭出气管，并控制储存室内的惰性气体的压力在0～2MPa；
[0016] 3、开启流通管道上的管道阀门，使铝熔体经流通管道流向缩扩管，且控制铝熔体在缩扩管入口段处的流速为2～15m/s；
[0017] 4、开启进料管上的加料阀，向增粘剂加料管加入增粘剂，增粘剂经过止回阀进入混料管，开启搅拌桨使增粘剂与铝熔体混合，形成的混合物料流入冷却室；
[0018] 5、当冷却室内的混合物料的液面高于冷却室的进料口时，判断铝熔体已经充满流通管道；开启气体通入口，通过气源向缩扩管内通入惰性气体，惰性气体在混合物料内形成气泡，并随混合物料一同进入冷却室；
[0019] 6、当冷却室内的混合物料的液面位于出料口底端时，通过开闭排液管上的阀门，维持液面高度在出料口底端；
[0020] 7、含有气泡的混合物料在液面顶部逐渐成形，形成的泡沫铝中间体堆积在液面上方；
[0021] 8、当泡沫铝中间体充满液面上方时，打开挡板，启动两组轧制滚轮，泡沫铝从冷却室进入轧制通道，被轧制成泡沫铝材料。
[0022] 上述的步骤5中，混合物料的液面高于冷却室的进料口，保持至少10s，然后开启气体通入口。
[0023] 上述的步骤4中，增粘剂为粒径为1～10μm的SiC陶瓷颗粒；增粘剂的通入量按单位时间内进入混料管内部的增粘剂和铝熔体的质量比为0.015～0.03。
[0024] 上述的步骤2中，惰性气体为氮气。
[0025] 上述的步骤5中，惰性气体为氮气；惰性气体的通入量按单位时间内进入缩扩管的惰性气体和铝熔体的体积比为0.003～0.2，惰性气体在气体通入口内的流速为2～6m/s。
[0026] 上述方法中，通过加热保温装置控制铝熔体在储存室内的温度浮动范围≤20℃。
[0027] 上述的步骤3中，在铝熔体排出的同时，通过进气管向储存室内通入惰性气体，使储存室内的压力浮动≤0.03MPa。
[0028] 上述方法中，铝熔体在缩扩管入口处的流速，通过储存室和冷却室内物料的高度差以及压力差协调控制。
[0029] 上述的泡沫铝材料内的孔洞的孔径0.5～5mm，孔隙率65～90％。
[0030] 上述方法中，将纯铝或铝合金放入模具中，加热模具使纯铝或铝合金熔化得到铝熔体，再由加料口导入储存室，
[0031] 本发明的工作原理为：纯铝或铝合金经熔融后存放于熔体储存室，经流通管道向下流动，在储存室加压条件下，形成一定的流速流入缩扩管，惰性气体从喉部水平段的多个气孔通入缩扩管；铝熔体在收缩处压力减小、流速增大，气体直接被破碎成小孔径气泡，形成夹杂小气泡的两相流体共同流出缩扩管，进入送粉设备；在送粉设备通入增粘剂条件下，两相流体的粘度增高，使泡沫更加稳定；经搅拌使气泡进一步破碎，气泡尺寸和分布也更加均匀，最终在冷却室冷却逐渐成型，最终获得性能优良的小孔径泡沫铝产品。
[0032] 与现有发明相比，本发明提出了生产小孔径泡沫铝的新方法，并且首次在吹气法制备泡沫铝中使用缩扩管方法生成小尺寸气泡；与动态注入气体制备小孔径泡沫铝相比，减少了对吹气管的磨损，减少了对铝液的二次污染，简化了装置；现有吹气法制备小孔径泡沫铝的生产过程中，单个气泡依次注入，本发明利用强流场破碎气流可同时产生大量小气泡，加快了气泡产生速率，实现了小孔径闭孔泡沫铝的工业化快速生产；在缩扩管出口设置送粉设备，气液混合物流经送粉设备，搅拌器搅拌增粘剂的同时进一步破碎气泡，使得气泡尺寸减小，气泡的孔径误差减小，同时也有利于气泡在铝液中均匀分布。
附图说明
[0033] 图1为本发明实施例中的生产小孔径泡沫铝的装置结构示意图；
[0034] 图2为图1中的缩扩管剖面结构示意图；
[0035] 图中，1-1、储存室，1-2、带有阀门的进气管(相邻处为带有阀门的出气管)，1-3、压力表，1-4、加热保温装置，1-5、进料管，2-1、管道阀门，2-2、流通管道，3-1、缩扩管，3-1-1、缩扩管入口段，3-1-2、收缩段，3-1-3、喉部水平段，3-1-4、扩张段，3-1-5、缩扩管出口段，3-2、气体通入口，3-3、送粉设备，4-1、冷却室，4-2、排液管，5-1、挡板，5-2、轧制辊轮。
具体实施方式
[0036] 本发明实施例中采用的铝合金为A357铝合金，其液相线温度为615°。
[0037] 本发明实施例中的D1＝80～100mm。
[0038] 本发明实施例中的L1＝80～100mm。
[0039] 本发明实施例中，通过加热保温装置控制铝熔体在储存室内的温度浮动范围≤20℃。
[0040] 本发明实施例中，在铝熔体排出的同时，通过进气管向储存室内通入惰性气体，使储存室内的压力浮动≤0.03MPa。
[0041] 本发明实施例中，铝熔体在缩扩管入口处的流速，通过储存室和冷却室内物料的高度差以及压力差控制。
[0042] 本发明实施例中，将纯铝或铝合金放入模具中，加热模具使纯铝或铝合金熔化得到铝熔体，再由加料口导入储存室，
[0043] 本发明实施例中的泡沫铝材料内的孔洞的孔径0.5～5mm，孔隙率65～90％。
[0044] 本发明实施例中搅拌桨通过混料管外的电机驱动。
[0045] 本发明实施例中搅拌速度80～2500rpm。
[0046] 实施例1
[0047] 生产小孔径泡沫铝的装置结构如图1所示，包括熔体储存系统、流通管道2-2、混合系统、冷却室系统和轧制系统；
[0048] 熔体储存系统的储存室1-1的顶板上设有带有阀门的进气管1-2、带有阀门的出气管和压力表1-3，储存室1-1的侧壁设有加热保温装置1-4，并且侧壁上设有进料管1-5，进料管1-5上设有进料阀和止回阀；
[0049] 流通管道2-2上装配有管道阀门2-1，流通管道2-2的前端与储存室1-2底部连通，后端与混合系统连通；
[0050] 混合系统由缩扩管3-1和送粉设备3-3组成，缩扩管3-1上设有一个以上的气体通入口3-2，缩扩管3-1的后端与送粉设备3-3装配在一起；
[0051] 缩扩管结构如图2所示，从前到后依次为缩扩管入口段3-1-1、收缩段3-1-2、喉部水平段3-1-3、扩张段3-1-4和缩扩管出口段3-1-5，缩扩管入口段3-1-1与流通管道2-2的后端连通，缩扩管出口段3-1-5与送粉设备3-3的混料管的的前端连通；各气体通入口3-2通过带阀门的管道将喉部水平段3-1-3与气源连通，气体通入口3-2的数量为5个，孔径1.5mm，各气体通入口3-2均匀分布在喉部水平段3-1-3的同一个垂直截面上；
[0052] 送粉设备3-3包括混料管及与其连通的增粘剂加料管，增粘剂加料管上设有加料阀，加料阀和混料管之间设有止回阀，混料管内部设有搅拌桨，混料管的后端与冷却系统的冷却室4-1的进料口连通；
[0053] 冷却系统的冷却室4-1为箱体，其底部设有带有阀门的排液管4-2，上方的侧壁上设有出料口，出料口外部与轧制系统的轧制通道连通，出料口与轧制通道之间设有挡板5-1，且出料口顶端位于冷却室4-1顶部，出料口的高度与轧制通道的高度相配合；
[0054] 轧制系统由上下两组轧制滚轮5-2组成，两组轧制滚轮5-2之间的空间为轧制通道；
[0055] 收缩段3-1-2的内部空间为侧放的圆台状，该圆台状的顶面直径为D1，底面的直径为D2，水平方向的长度L1；喉部水平段3-1-3的内部空间为圆筒状，直径为D1，水平方向的长度L2；扩张段3-1-4的内部空间为侧放的圆台状，该圆台状的顶面直径为D1，底面的直径为D2，水平方向的长度为L3；其中D2:D1＝1.5，L1:L3＝0.35，L1:L2＝0.4；
[0056] 流通管道2-2包括水平段部分，水平段部分的后端与混合系统连通；
[0057] 储存室底部高于冷却室顶部；
[0058] 冷却室的进料口位于冷却室下部；
[0059] 储存室和却室的内壁上铺设有石棉内衬，用于保护铝熔体；
[0060] 方法按以下步骤进行：
[0061] 将铝或铝合金加热至850℃形成铝熔体；将铝熔体通过进料口导入储存室内，通过加热保温装置将储存室内的铝熔体温度维持在850℃；
[0062] 开启出气管，通过进气管向储存室内通入氮气将空气排出，然后关闭出气管，并控制储存室内的氮气的压力相对于大气压0～2MPa；
[0063] 开启流通管道上的管道阀门，使铝熔体经流通管道流向缩扩管，且控制铝熔体在缩扩管入口段处的流速为2m/s；
[0064] 开启进料管上的加料阀，向增粘剂加料管加入增粘剂，增粘剂经过止回阀进入混料管，开启搅拌桨使增粘剂与铝熔体混合，形成的混合物料流入冷却室；增粘剂为粒径为1～10μm的SiC陶瓷颗粒；增粘剂的通入量按单位时间内进入混料管内部的增粘剂和铝熔体的质量比为0.015；
[0065] 当冷却室内的混合物料的液面高于冷却室的进料口时，判断铝熔体已经充满流通管道；保持10s之后，开启气体通入口，通过气源向缩扩管内通入惰性气体，惰性气体在混合物料内形成气泡，并随混合物料一同进入冷却室；惰性气体为氮气；惰性气体的通入量按单位时间内进入缩扩管的惰性气体和铝熔体的体积比为0.1，惰性气体在气体通入口内的流速为2m/s；
[0066] 当冷却室内的混合物料的液面位于出料口底端时，通过开闭排液管上的阀门，维持液面高度在出料口底端；
[0067] 含有气泡的铝熔体在液面顶部逐渐成形，形成泡沫铝中间体堆积在液面上方；
[0068] 当泡沫铝中间体充满液面上方时，打开挡板，启动两组轧制滚轮，泡沫铝从冷却室进入轧制通道，被轧制成泡沫铝材料。
[0069] 实施例2
[0070] 装置同实施例1，不同点在于：
[0071] (1)气体通入口3-2的数量为10个，孔径1mm；
[0072] (2)D2:D1＝2，L1:L3＝0.5，L1:L2＝0.6；
[0073] 方法同实施例1，不同点在于：
[0074] (1)铝熔体温度维持在860℃；
[0075] (2)铝熔体在缩扩管入口段处的流速为5m/s；
[0076] (3)单位时间内进入混料管内部的增粘剂和铝熔体的质量比为0.02；
[0077] (4)单位时间内进入缩扩管的惰性气体和铝熔体的体积比为0.003，惰性气体在气体通入口内的流速为3m/s。
[0078] 实施例3
[0079] 装置同实施例1，不同点在于：
[0080] (1)气体通入口3-2的数量为1个，孔径2mm；
[0081] (2)D2:D1＝2，L1:L3＝0.6，L1:L2＝0.8；
[0082] 方法同实施例1，不同点在于：
[0083] (1)铝熔体温度维持在880℃；
[0084] (2)铝熔体在缩扩管入口段处的流速为10m/s；
[0085] (3)单位时间内进入混料管内部的增粘剂和铝熔体的质量比为0.025；
[0086] (4)单位时间内进入缩扩管的惰性气体和铝熔体的体积比为0.05，惰性气体在气体通入口内的流速为4m/s。
[0087] 实施例4
[0088] 装置同实施例1，不同点在于：
[0089] (1)气体通入口3-2的数量为8个，孔径1.5mm；
[0090] (2)D2:D1＝2.5，L1:L3＝0.8，L1:L2＝0.9；
[0091] 方法同实施例1，不同点在于：
[0092] (1)铝熔体温度维持在900℃；
[0093] (2)铝熔体在缩扩管入口段处的流速为15m/s；
[0094] (3)单位时间内进入混料管内部的增粘剂和铝熔体的质量比为0.03；
[0095] (4)单位时间内进入缩扩管的惰性气体和铝熔体的体积比为0.2，惰性气体在气体通入口内的流速为6m/s。
[0096] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，以上实施方式可多种更改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅有权利要求书限定。
