本发明涉及泡沫金属制备领域，尤其涉及一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法。
背景技术：
泡沫金属是近年来兴起的一种新型材料，具有轻质（密度仅为木材的三分之一、铝的十分之一、钛的二十分之一、钢的三十分之一）、高比强度、高比刚度、阻尼、减震、吸收冲击能、隔声、吸声、隔热、散热、阻燃、电磁屏蔽等特点，使其既具有功能材料的特点，又具有结构材料的优势。由于其兼有抗蚀、耐热、耐高温、不老化的特点，可以在许多腐蚀、高温、恶劣环境下工作，有望解决许多工程应用方面的难题。包括在航空航天、潜艇舰船、交通运输、电子信息、建筑机械、装饰装潢等众多工业、民用、高技术领域有着广阔的应用前景。
目前，国内外在泡沫金属产品质量和性能、制备工艺、成本控制和工业化生产方面仍然存在许多问题。在产品质量和性能控制方面，主要表现在，能够进行半工业化生产的泡沫金属产品基本都是由金属基、陶瓷颗粒和气孔组成的复合材料，陶瓷颗粒能够增加气泡的稳定性，同时也使泡沫体具有脆性。常用的陶瓷增粘剂为氧化铝、碳化硅以及利用金属钙与铝反应形成金属化合物等，铝液与氧化铝、碳化硅不润湿，在搅拌增粘时，氧化铝、碳化硅易于团聚成片，不利于均匀分散，影响增粘效果。金属钙通过与铝、大气环境中的氧反应，生成尺寸粗大的金属化合物达到增粘的目的，生产每吨泡沫金属需要消耗金属钙10-15kg，由于钙的价格高，大量使用金属钙作为增粘剂，加大泡沫铝的制造成本。钙是活性金属，易于与空气中的氧发生放热反应，严重时甚至引起火灾，需要采用特殊的储运措施，给生产和使用造成不便。使用金属钙作为增粘剂、氢化钛作为发泡剂使用时，因金属钙、钛等对铝液造成的污染，影响和限制泡沫铝的废料再生利用。
发泡法是最有工程化应用前景的泡沫铝制备技术，发泡剂是发泡法制备泡沫铝的关键材料，考虑综合成材率的影响因素，每生产一吨泡沫铝产品约需要消耗高品质氢化钛15-20kg，而氢化钛的采购成本在200-250元/kg。商业化生产所需要的发泡剂-氢化钛，一般在400℃左右分解，增粘后的铝液温度在655℃左右，在发泡过程中，氢化钛分解、大量的氢气溢出造成氢化钛利用效率低下。综上所述，已有的增粘剂使用效果不佳和使用不便，金属钙、钛对铝液造成污染而影响泡沫铝再生资源的二次利用；氢化钛价格极高、利用效率低下，导致泡沫铝生产成本居高不下，限制了泡沫铝应用范围，是制约泡沫铝产业化的重要瓶颈。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法。
上述目的是通过下述方案实现的：
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明所述的装置包括二氧化碳储气罐(1)、定量伺服电机(2)、料仓(3)、输料管(5)、搅拌分散机(6)、搅拌分散机支架(6a)、搅拌分散头(7)、增粘-发泡桶(8)。
根据上述装置，其特征在于，所述的搅拌分散机(6)包括电机、输出动力轴、支架(6a)等部分；搅拌分散头(7)包括搅拌轴(7a)、分散头(7b)，搅拌轴(7a)为中空的钢制厚壁管材加工而成，材质为45#钢或者1cr18ni9ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是向分散头传递动力，并通过中空结构将气体介质、增粘剂、发泡剂输送至分散头(7b)，分散头(7b)材质为耐热铸铁或者1cr18ni9ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是将气体介质、增粘剂、发泡剂均匀分散到铝液中，电机、输出轴、搅拌分散头(7)共同安装在支架(6a)上。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，所述制备泡沫铝低成本增粘剂和发泡剂是由木屑，或者秸秆碎屑，或者碳水化合物，或者受热裂解产物为水、二氧化碳的有机物，上述几种物质中的一种或者几种与工业铝粉组成的混合物。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，在进行铝液增粘、发泡时，由定量伺服电机将增粘剂和发泡剂输送到二氧化碳载气中，利用二氧化碳载气将增粘剂、发泡剂输送至分散头(7b)，由分散头(7b)将二氧化碳、增粘剂、发泡剂均匀分散入铝液中。
根据上述制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，所述低成本增粘剂和发泡剂的质量百分比组分为：
（50%-99.9%）木屑+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）秸秆碎屑+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）碳水化合物+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）木屑与秸秆碎屑的混合物+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑之间为任意比例；
或者（50%-99.9%）木屑、秸秆碎屑与碳水化合物的混合物+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑与碳水化合物之间为任意比例；
或者（50%-99.9%）受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）木屑、秸秆碎屑、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物的混合物+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑、有机物之间为任意比例。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘原理为：利用木屑、秸秆、碳水化合物、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物，上述物质受高温铝液作用而裂解，裂解产物为水、二氧化碳，水、二氧化碳与铝液反应生成氧化铝，利用生成的氧化铝达到增粘的目的。载气二氧化碳与铝液反应，也能增加铝液粘度。
木屑、秸秆、碳水化合物、有机物→h2o+co2+h
h2o+al→al2o3（增粘）+h
co2+al→al2o3（增粘）+co
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的发泡原理为：在载气二氧化碳、裂解产物水和二氧化碳与铝液反应生成氧化铝增粘的基础上，利用载气二氧化碳，增粘反应产物氢、一氧化碳，木屑、秸秆、碳水化合物等受热裂解产物水汽、二氧化碳、氢等，达到发泡的目的。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘剂、发泡剂组分中加入铝粉的目的，利用铝粉改善木屑、秸秆碎屑、碳水化合物等在铝液中的分散性能，便于发泡剂在铝液中搅拌、分散。
本发明采用木屑、秸秆碎屑、碳水化合物、以及裂解产物包含水、二氧化碳的有机物代替传统的氧化铝、碳化硅、金属钙、氢化钛作为制备泡沫铝的增粘剂和发泡剂，与传统的增粘剂、发泡剂材料相比：木屑、秸秆碎屑等具有来源广泛、成本低廉的特点，可以极大地降低泡沫铝的制造成本。木屑、秸秆等有机物通过裂解产生的水、二氧化碳等与高温铝液反应，生成氧化铝实现铝液增粘，利用反应产生的水汽、二氧化碳、一氧化碳、氢等对铝液发泡，解决了外加氧化铝、碳化硅与铝液不润湿，在铝液中分散困难的难题；解决了氢化钛发泡剂因成本高昂而限制泡沫铝应用的难题；解决了金属钙、金属钛对铝液造成一定污染而影响泡沫铝的回收利用等问题。本发明产生的泡沫铝废料、再生料等可以直接回炉利用，采用溶剂、气体精炼等方法脱除铝液中氧化铝夹杂后，铝液可以作为纯铝铝液或者配制其它高品质铝合金的原料使用。
附图说明
图1为利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝装置示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明所述的装置是由二氧化碳储气罐1、定量伺服电机2、料仓3、输料管5、搅拌分散机6、搅拌分散机支架6a、搅拌分散头7、增粘-发泡桶8等部分组成。利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝装置示意图见图1。
根据上述装置，其特征在于，所述的搅拌分散机6包括电机、输出动力轴、支架6a等部分，搅拌分散头7包括搅拌轴7a、分散头7b两部分，搅拌轴7a为中空的钢制厚壁管材加工而成，材质为45#钢或者1cr18ni9ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是向分散头传递动力，并通过中空结构将气体介质、增粘剂、发泡剂输送至分散头7b。分散头7b材质为耐热铸铁或者1cr18ni9ti或者为耐热钢或者为高温钢，其作用是将气体介质、增粘剂、发泡剂均匀分散到铝液中。电机、输出轴、搅拌分散头7共同安装在支架6a上。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，所述制备泡沫铝低成本增粘剂和发泡剂是由木屑，或者秸秆碎屑，或者碳水化合物，或者受热裂解产物为水、二氧化碳的有机物，上述几种物质中的一种或者几种与工业铝粉组成的混合物。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的方法，其特征在于，在进行铝液增粘、发泡时，由定量伺服电机将增粘剂和发泡剂输送到二氧化碳载气中，利用二氧化碳载气将增粘剂、发泡剂输送至分散头7b，由分散头7b将二氧化碳、增粘剂、发泡剂均匀分散入铝液中。
根据上述制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，所述低成本增粘剂和发泡剂的质量百分比组分为：
（50%-99.9%）木屑+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）秸秆碎屑+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）碳水化合物+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）木屑与秸秆碎屑的混合物+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑之间为任意比例；
或者（50%-99.9%）木屑、秸秆碎屑与碳水化合物的混合物+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑与碳水化合物之间为任意比例；
或者（50%-99.9%）受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物+余量工业铝粉；
或者（50%-99.9%）木屑、秸秆碎屑、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物的混合物+余量工业铝粉，其中，木屑、秸秆碎屑、有机物之间为任意比例。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘原理为：利用木屑、秸秆、碳水化合物、受热裂解产物为水与二氧化碳的有机物，上述物质受高温铝液作用而裂解，裂解产物为水、二氧化碳，水、二氧化碳与铝液反应生成氧化铝，利用生成的氧化铝达到增粘的目的。载气二氧化碳与铝液反应，也能增加铝液粘度。
木屑、秸秆、碳水化合物、有机物→h2o+co2+h
h2o+al→al2o3（增粘）+h
co2+al→al2o3（增粘）+co
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的发泡原理为：在载气二氧化碳、裂解产物水和二氧化碳与铝液反应生成氧化铝增粘的基础上，利用载气二氧化碳，增粘反应产物氢、一氧化碳，木屑、秸秆、碳水化合物等受热裂解产物水汽、二氧化碳、氢等，达到发泡的目的。
一种利用低成本增粘剂-发泡剂制备泡沫铝的装置与方法，其特征在于，本发明的增粘剂、发泡剂组分中加入铝粉的目的，利用铝粉改善木屑、秸秆碎屑、碳水化合物等在铝液中的分散性能，便于发泡剂在铝液中搅拌、分散。
本发明采用木屑、秸秆碎屑、碳水化合物、以及裂解产物包含水、二氧化碳的有机物代替传统的氧化铝、碳化硅、金属钙、氢化钛作为制备泡沫铝的增粘剂和发泡剂，与传统的增粘剂、发泡剂材料相比：木屑、秸秆碎屑等具有来源广泛、成本低廉的特点，可以极大地降低泡沫铝的制造成本。木屑、秸秆等有机物通过裂解产生的水、二氧化碳等与高温铝液反应，生成氧化铝实现铝液增粘，利用反应产生的水汽、二氧化碳、一氧化碳、氢等对铝液发泡，解决了外加氧化铝、碳化硅与铝液不润湿，在铝液中分散困难的难题；解决了氢化钛发泡剂因成本高昂而限制泡沫铝应用的难题；解决了金属钙、金属钛对铝液造成一定污染而影响泡沫铝的回收利用等问题。本发明产生的泡沫铝废料、再生料等可以直接回炉利用，采用溶剂、气体精炼等方法脱除铝液中氧化铝夹杂后，铝液可以作为纯铝铝液或者配制其它高品质铝合金的原料使用。
实施例1：以co2为载气，利用99.9%木屑+0.10%铝粉对99.50%的工业纯铝发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.50%的工业纯铝为原料，采用常规熔炼方法熔炼工业纯铝，纯铝熔炼温度720-740℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到662℃，以co2为载气，利用搅拌分散机将组分为99.9%木屑+0.10%铝粉增粘剂均匀加入铝液中。增粘剂的加入量约占铝液质量0.75%。待铝液温度降低到凝固温度范围，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以co2为载气，向铝液中添加占铝液质量0.60%的木屑、铝粉发泡料，确保加入的发泡剂完全浸入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.39g/cm3、泡沫锭胞孔孔径3.4mm。
实施例2：以co2为载气，利用50%木屑+50%铝粉对99.70%的工业纯铝发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝为原料，采用常规熔炼方法熔炼工业纯铝，纯铝熔炼温度720-740℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到662℃，以co2为载气，利用搅拌分散机将组分为50%木屑+50%铝粉增粘剂均匀分散入铝液中，增粘剂的加入量约占铝液质量的2.5%。待铝液温度降低到凝固温度范围，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以co2为载气，向铝液中添加占铝液质量2.2%的木屑、铝粉发泡料，确保加入的发泡剂完全浸入铝液中。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.44g/cm3、泡沫锭胞孔孔径4.4mm。
实施例3：以co2为载气，利用99.9%秸秆碎屑+0.10%铝粉对99.0%的工业纯铝发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.0%的工业纯铝为原料，采用常规熔炼方法熔炼工业纯铝，纯铝熔炼温度720-750℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到658℃，以co2为载气，利用搅拌分散机将组分为99.9%秸秆碎屑+0.10%铝粉增粘剂输送至铝液，增粘剂的加入量占铝液质量0.90%左右，确保加入的增粘剂完全浸入铝液中。待铝液温度降低到凝固温度范围，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以co2为载气，向铝液中添加占铝液质量0.80%的木屑、铝粉发泡料，利用搅拌分散机确保加入的发泡剂完全浸入铝液中。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.42g/cm3、泡沫锭胞孔孔径4.2mm。
实施例4：以co2为载气，利用50%秸秆碎屑+50%铝粉对6063合金进行发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝、工业纯硅、工业纯镁为原料，采用常规熔炼方法熔炼6063合金，合金熔炼温度720-750℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到645℃（6063合金熔化温度范围568-652℃），以二氧化碳为载气，利用搅拌分散装置将组分为50%秸秆碎屑+50%铝粉的混合物，按照铝液质量2.2%的比例，将配制好的木屑、铝粉增粘剂均匀分散入6063铝液中。待铝液温度降低到625℃左右，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次向铝液中添加占铝液质量1.80%的木屑、铝粉发泡料，以二氧化碳为载气，通过伺服电机定量将发泡剂加入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量6063合金泡沫铝密度为0.42g/cm3、泡沫锭胞孔孔径3.3mm。
实施例5：以co2为载气，利用99.9%丙酮+0.10%铝粉对6063合金进行发泡、增粘，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝、工业纯硅、工业纯镁为原料，采用常规熔炼方法熔炼6063合金，合金熔炼温度720-750℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到642℃，以二氧化碳为载气，利用搅拌分散装置，将占铝液质量0.90%的丙酮、铝粉增粘料，均匀加入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。待铝液温度降低到622℃，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次向铝液中添加占铝液质量0.80%的丙酮、铝粉发泡料，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.45g/cm3、泡沫锭胞孔孔径3.6mm。
实施例6：以co2为载气，利用50%丙酮+50%铝粉对6061合金进行增粘、发泡，制备泡沫铝
以99.70%的工业纯铝、工业纯镁、工业纯锰为原料，采用常规熔炼方法熔炼6061合金，合金熔炼温度730-760℃，在增粘、发泡桶上标注高度标识，将铝液转入增粘、发泡桶中，将铝液温度调整到640℃，以co2为载气，利用搅拌分散机将组分为50%丙酮+50%铝粉输送入铝液中，丙酮、铝粉增粘料的加入量约占铝液质量0.90%，在进行搅拌、分散时，确保加入的增粘剂均匀分散入铝液中。待铝液温度降低到610℃左右，铝液粘度达到增粘铝液粘度要求，再次以co2为载气，向铝液中添加占铝液质量0.80%的丙酮、铝粉发泡料，确保加入的发泡剂完全浸入铝液中，并利用搅拌分散机进行充分的搅拌、分散。根据铝液气泡含量测算铝液高度，根据发泡桶上标识的铝液高度确定铝液增粘、发泡情况，当铝液发泡高度达到预期高度，停止添加木屑、铝粉增粘-发泡剂，升起搅拌分散机，对发泡桶进行冷却，待泡沫锭冷却至室温，对泡沫锭进行取样、分析，测量密度为0.35g/cm3、泡沫锭胞孔孔径2.9mm。