一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造的系统及连续铸造工艺的制作方法

专利名称:一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造的系统及连续铸造工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属制品制造领域，特别涉及一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统及其连续铸造工艺。
背景技术：
泡沫铝是一种新型的多孔金属材料。它所具有的轻质与高比强度等特点，使得其可作为潜在的结构材料；所具有的吸声、隔音、隔热、阻燃、减震、吸收冲击能及电磁屏蔽等特性，使得其可作为功能材料。因而，在航空、航天、运输、电子、军工、化工、环保、能源、机械、生物等各个高科技领域及一般工业领域，泡沫铝的应用受到了越来越广泛的关注。目前泡沫铝的制备方法主要有渗流铸造法、粉末冶金法和熔体发泡法等。渗流铸造法一般用来制造通孔泡沫铝；粉末冶金法由于生产成本高，不适合于生产一般工业领域用的泡沫铝材。熔体发泡法工艺简单，但现行熔体直接发泡法存在如下的不足(1)操作难度大，如US.pat.3743353所述用TiH2作发泡剂制备泡沫铝时，搅拌发泡时间要求控制在1～2min；(2)只能间断操作，如CN1320710A所述方法改进了国外专利，使得泡沫铝操作难度大为减小，但该方法属于间隙操作；(3)控制不当时，发泡体底部存在一定厚度的实心体，并且泡沫体中泡体分布不均匀；(4)原材料成本高，通常所用的发泡剂为TiH2类粉末；(5)只适宜于制备某些低熔点的铝合金泡沫；正是由于这些不足，导致了泡沫铝的生产成本居高不下，也限制了泡沫铝的大规模商业化应用。为了解决间隙式泡沫铝生产成本高的缺陷，美国专利US.pat6984356B2描述了一种泡沫铝的连续制备方法，但该专利不能根据需要量对熔体进行在线增粘，没有指出如何调整增粘熔体中的气泡量，也没有明确泡沫铝连续铸造部分的设备与操作工艺。

发明内容本发明的目的在于提供一种可获得泡体均匀性良好的，低成本的，有利于工业化连续性操作的，自动化程度高，孔隙率可在线调整的泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统。
本发明的另一目的旨在提供可与上述系统相配合的，可降低制造成本的泡沫铝或泡沫铝合金连续铸造工艺。
本发明的目的是通过下述方式实现的本发明的系统包括熔炼炉、发泡炉及一组或多组铸造装置；所述的发泡炉由隔板隔成增粘室与发泡室，隔板的下部留有增粘室中熔体可流向发泡室的导流孔，增粘室装配有粘度传感器及可负压吸入增粘剂的混合搅拌器，所述发泡室装配有可负压吸入发泡剂或发泡气体的混合搅拌器；所述的铸造装置与发泡室出口连接固定，铸造装置由起凝固作用的结晶器、及将已成形泡沫材料拉出结晶器的牵引部件构成。
发泡室底部留一安全排料孔，以便出现意外情况时，发泡炉内物料可及时排出。
所述的增粘室内混合搅拌器的吸入增粘剂的通道上，设有调整供给阀来调整增粘剂供给量。
所述的发泡室混合搅拌器的吸入发泡剂或发泡气体的通道上，设有调整供给阀来调整发泡剂或发泡气体的吸入量。
所述的熔炼炉可以是感应电炉，也可以是反射炉，其作用是连续地给发泡炉供应合格的铝或铝合金熔体。
结晶器由水冷套与石墨内衬构成，结晶器设置在发泡室出口。不同几何形状石墨内衬保证了可连续生产不同横断面的泡沫铝产品；所述牵引部件的牵引方向有向上与水平两种。
当牵引方向向上时，铸造装置的结晶器设置在发泡室的炉盖上，与发泡室出口连接，铸造装置牵引部件由一对以上、左右对称的轧辊构成，该牵引部件装配在可上下垂直移动的升降装置上，升降装置固定在发泡室的炉盖上；并且，在铸造装置的上方安装了可与牵引部件同步运动的带锯，对产品实施切割。
当牵引方向为水平时，铸造装置的结晶器与发泡室出口连接，由压板与螺栓固定在发泡室侧面的钢板上；发泡室侧面钢板与结晶器相接处装有石墨纸垫，石墨纸垫的作用是阻止熔体从结晶器与钢板结合处渗漏；铸造装置牵引部件由一对以上、上下对称的轧辊构成，牵引部件固定在发泡室侧面的钢板上。另外，在铸造装置的前方安装了可与牵引部件同步运行的带锯，对产品实施切割。
本发明的另一目的是通过下述方式实现的，其工艺为首先在熔炼炉内进行合金熔体的熔制，将熔制合格的熔体转入发泡炉中进行熔体的增粘，及增粘溶体的发泡，最后将气泡分布均匀的熔体通过铸造装置的凝固冷却后导出。
所用增粘剂为铝粉、氧化铝粉、氧化镁粉及粉煤灰中的一种或几种，这些粉末的粒度范围为200-400目。
所用发泡剂为天然石灰石粉、天然白云石粉及天然菱镁矿中的一种或几种。粒度范围为200-400目。发泡用发泡气体为氮气、氩气及空气中的一种或几种。
熔体增粘与发泡采用的可负压吸入增粘剂、发泡剂或发泡气体的混合搅拌器的转速范围为300-3000转/分钟。
所述的熔制熔体温度控制在680-900℃
所述的发泡炉内温度控制在550-750℃，增粘室内熔体的粘度范围为60～120cp。
在工艺开始前，应将截面形状大小与结晶器的石墨内衬相同的引锭部装配在结晶器中。引锭部分的材质可以是铝或铝合金。在工艺过程中，应使安装了引锭部分后的石墨内衬浸没在发泡熔体中，并在550～750℃保温15～30min。
铸造装置的牵引速度为10～500mm/min，结晶器的水冷套对泡沫产品的冷却强度为1～100℃/s。
与公知技术相比，本发明的装置非常有利于工业化连续性操作，且自动化程度高，易于控制；另外，本发明还具备如下的优点及积极效果a.可低成本地连续铸造出泡沫铝产品，产品中的泡体分布均匀性良好；b.可通过改变结晶器中石墨内衬的形状，来获得不同几何形状横断面的泡沫铝产品；c.在同一系统上可实现不同密度、不同牌号铝或铝合金泡沫的低成本连续化生产。
通过本发明的装置及工艺可以很好地低成本地制备出泡体均匀性良好的泡沫铝及不同密度与不同牌号泡沫铝合金。所述铝及铝合金，为1×××系列～7×××系列中的变形铝及铝合金。
图1为连续生产泡沫铝的系统的熔炼炉的结构示意图；图2上引法连续生产泡沫铝的系统示意图；图3水平法连续生产泡沫铝的系统示意图；图4上引法泡沫铝连续系统发泡炉的A向俯视图(带四个圆形铸造口)；图5水平法连续生产系统发泡炉的B向侧视图(带两个方形铸造口)；图6泡沫铝连续铸造工艺流程图；图7上引系统圆形结晶器中各部件及引锭部分的装配示意图(6-a为水冷套示意图，6-b为石墨内衬示意图，6-c为引锭部分装配示意图)；图8水平系统方形结晶器中各部件示意图(7-a为水冷套示意图，7-b为石墨内衬示意图)；具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，但决不是用来限制本发明的范围。
实施例1a.本发明系统由一台以上熔炼炉(1)、发泡炉(2)及一组或多组铸造装置(3)构成。熔炼炉(1)可以是感应电炉，也可以是反射炉，其作用是连续地给发泡炉供应合格的铝或铝合金熔体；发泡炉(2)由耐火材料隔板(200)隔成增粘室(21)与发泡室(22)，隔板的下部留有增粘室中熔体可流向发泡室的导流孔(201)；发泡室(22)底部留一安全排料孔(220)，以便出现意外情况时，发泡炉内物料可及时排出。
b.所述增粘室(21)装配有粘度传感器(210)及可负压吸入增粘剂的混合搅拌器(211)。增粘室熔体的粘度可按控制要求进行调整；当熔体粘度高于控制范围时，可以从熔炼炉引入新的熔体，或调整供给阀(212)来调小增粘剂供给量；当熔体粘度低于控制范围时，可调整供给阀(212)来调大增粘剂供给量。混合搅拌器(211)的负压，由其中高速旋转的转子转动熔体所产生的真空获得；当增粘剂被负压吸入熔体后，搅拌器中的高剪切转定子迅速把增粘剂与熔体充分混合，从而保证了增粘室中熔体粘度的均一性。
c.所述发泡室(22)装配有可负压吸入发泡剂或发泡气体的混合搅拌器(221)，其负压由搅拌器中高速旋转的转子转动熔体所产生的真空获得；当发泡剂或发泡气体负压吸入增粘熔体后，搅拌器中的高剪切转定子迅速把发泡剂或发泡气体与熔体充分混合，从而保证了发泡室中气泡分布的均匀性。
d.发泡熔体中发泡剂或发泡气体的吸入量可通过调整供给阀(222)来控制，从而可得到不同孔隙率的泡沫铝产品。
e.本发明用来负压吸入增粘剂、发泡剂或发泡气体的混合搅拌器的转动主轴的材质为316L不锈钢；转子与定子的材质为石墨。
f.本发明泡沫铝连续铸造系统中可包含一组或多组铸造装置(3)，所述铸造装置由结晶器及牵引部件(30)组成，结晶器由水冷套(31)与石墨内衬(32)构成；不同几何形状石墨内衬保证了可连续生产不同横断面的泡沫铝产品；所述牵引部件的牵引方向有向上与水平两种。
g.当牵引方向向上时，铸造装置装配在可上下垂直移动的升降装置(4)上，该升降装置固定在发泡室的炉盖(223)上；并且，在铸造装置的上方安装了可与牵引部件同步运动的带锯，对产品实施切割。
h.当牵引方向为水平时，铸造装置安装在发泡室侧面的一表面光洁平整的钢板(224)上；铸造装置(3)由压板(51)与螺栓(52)固定，发泡室侧面钢板与结晶器相接处即石墨内衬(32)与钢板(224)之间垫有石墨纸垫(33)，石墨纸垫的作用是阻止熔体从石墨内衬(32)与钢板结合处渗漏。另外，在铸造装置的前方安装了可与牵引部件同步运行的带锯，对产品实施切割。
实施例26063泡沫铝合金棒的上引式连续铸造本实施例同时生产四根直径为50mm的泡沫铝棒，材质成分与6063铝合金的相同，采用氮气发泡，连续铸造工艺流程如图5所示。下面分步骤对铸造工艺进行说明。
第一步结晶器的安装及铝合金熔体的熔制。
(1)结晶器的安装。a，将结晶器安装在图1中所示的发泡炉盖(223)上。本实施例是同时将四组铸造装置安装在炉盖上，这四组铸造装置的四个圆形结晶器分别安装在图3所示的铸造口(2231)、(2232)、(2233)及(2234)处，图3中所示的(2100)、(2110)及(2210)处分别安装粘度传感器(210)及混合搅拌器(211)与(221)。结晶器内各部件的形状如图6所示；图6-a所示水冷套为10mm厚钢板制作，其D1、D2、D3与D4尺寸分别为75mm、73mm、175mm及175mm，L1为320mm；图6-b所示石墨内衬的各尺寸D5、D6、D7与D8尺寸分别为53mm、75mm、73mm及73mm，L2与L3分别为320mm与430mm。b，将引锭部分装入铸造装置中，本实施例的引锭部分为Φ50mm的铝棒，装配时其下端与石墨内衬的下部持平，装配图如6-c所示。c，结晶器安装完成后，开启冷却水，并将发泡炉预热到620-640℃。
(2)合金熔体的熔制。a，配料按0.65wt％Mg及0.4wt％Si称取金属镁、102铝硅合金及铝锭；b，将铝锭与102铝硅合金同时加入熔炼炉中熔化；c，用氮气将市售打渣剂鼓入熔体中；d，将镁锭加入捞渣后的熔体中熔化，并用氮气将市售精炼剂鼓入熔体；e，熔体温度维持在720～730℃，静置10min后的熔体即可转入预热了的发泡炉中。打渣剂与精炼剂加入量为熔体质量的1.5‰。
(3)熔体的增粘。将熔炼炉熔制的合格熔体转入发泡炉中，熔体的转入高度以浸没结晶器中石墨内衬400mm为宜，此时发泡炉内熔体的温度恒定控制在700±5℃。系统第一次启动或停炉后再次启动系统时，应先对由熔炼炉转入发泡炉的增粘室(21)与发泡室(22)的熔体分别进行增粘，本实施例所用增粘剂为400目的氧化铝粉末，氧化铝粉末由图1中所示的混合搅拌器(211)与(221)吸入，混合搅拌器(211)与(221)的转速为1800rpm，待增粘室与发泡室中熔体粘度达到105cp后，停止氧化铝的供给，但搅拌器继续以1800rpm速度旋转。
(4)熔体发泡并启动连续铸造设备。将混合搅拌器(221)与氮气瓶相连接，氮气的供给量由阀(222)控制，本实施例中连续铸造设备启动前，先实施供气30min。
(5)熔体的补充。当连续系统启动一段时间，发泡炉内熔体高度下降350-380mm时，从熔炼炉转入熔体达到初始高度，并打开阀(211)，当熔体粘度达105cp后，停止氧化铝粉末的供给。当熔炼炉内熔体基本转完后，再进入配料、熔炼及熔体转入发泡炉的循环程序。
(6)当连续铸造产品达到要求长度后，用带锯进行切割。本实施例所得泡沫铝棒的密度在0.5-0.6g/cm3。
实施例3纯铝泡沫板的水平连续铸造本实施例同时水平连续铸造截面尺寸宽×厚为300×100mm泡沫铝板，材质成分为纯铝，采用氮气发泡，连续铸造工艺流程如图5所示。下面分步骤对铸造工艺进行说明。
(1)结晶器的安装。a，将两个方形结晶器安装在图2中所示水平连续铸造系统中，具体安装位置见图4，即发泡炉B向侧视图的铸造口(2241)及(2242)处，两个铸造口的中心距为D为600mm，铸造口中心线距发泡炉中心位置高度H为300mm。结晶器内各部件的形状如图7所示。本实施例中，图7-a所示水冷套为10mm厚钢板制作，其H1×W1、H2×W2与H3×W3尺寸分别为183×384mm、186×387mm及286×487mm，L4为400mm；图7-b所示石墨内衬的H4×W4、H5×W5、H6×W6与H7×W7尺寸分别为103×304mm、133×334mm、183×384mm与186×387mm，L5、L6及L7尺寸分别为400mm、55mm及45mm。b，将引锭部分装入铸造装置中，本实施例的引锭部分为截面尺寸宽×厚为300×100mm的铝板，装配时其左端与石墨内衬的图7-b中的C-C截面持平；c，结晶器安装完成后，开启冷却水，并将发泡炉预热到620-640℃。
(2)纯铝熔体的熔制。将纯铝加入熔炼炉中熔化，并将熔体温度维持在680-700℃后即可转入预热了的发泡炉中。
(3)熔体的增粘。将纯铝熔体转入发泡炉中，熔体的转入高度应浸没结晶器中石墨内衬600mm以上，此时发泡炉内熔体的温度恒定控制在680±5℃。系统第一次启动或停炉后再次启动系统时，应先对由熔炼炉转入发泡炉的增粘室(21)与发泡室(22)的熔体分别进行增粘，本实施例所用增粘剂为400目的氧化铝粉末，氧化铝粉末由图2中所示的混合搅拌器(211)与(221)吸入，混合搅拌器(211)与(221)的转速为2200rpm，待增粘室与发泡室中熔体粘度达到105cp后，停止氧化铝粉末的供给。
(4)熔体发泡并启动连续铸造设备。将混合搅拌器(221)与氮气瓶相连接，氮气的供给量由阀(222)控制；连续铸造设备启动前，先实施供气30min。
(5)熔体的补充。当连续系统启动一段时间，发泡炉内熔体高度下降500mm时，从熔炼炉转入熔体达到首先的高度，并打开阀(212)，当熔体粘度达105cp后，停止氧化铝粉末的供给。当熔炼炉内熔体基本转完后，再进行铝液的熔制。
(6)当连续铸造产品达到要求长度后，用带锯进行切割。本实施例所得泡沫铝板的密度在0.5-0.6g/cm3。
权利要求
1.一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，包括熔炼炉(1)，其特征在于还包括发泡炉(2)及一组或多组铸造装置(3)所述的发泡炉(2)由隔板隔成增粘室(21)与发泡室(22)，隔板的下部留有增粘室中熔体可流向发泡室的导流孔(201)，增粘室装(21)配有粘度传感器(210)及可负压吸入增粘剂的混合搅拌器(211)，所述发泡室(22)装配有可负压吸入发泡剂或发泡气体的混合搅拌器(221)；所述铸造装置(3)由起凝固作用的结晶器、及将已成形泡沫材料拉出结晶器的牵引部件(30)构成。
2.根据权利要求
1所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，其特征在于所述增粘室内混合搅拌器(211)的吸入增粘剂的通道上，设有调整增粘剂供给量的调整供给阀(212)。
3.根据权利要求
1所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，其特征在于所述发泡室混合搅拌器(221)的吸入发泡剂或发泡气体的通道上，设有调整发泡剂或发泡气体的吸入量的调整供给阀(222)来。
4.根据权利要求
1所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，其特征在于所述铸造装置中结晶器由水冷套(31)与石墨内衬(32)构成，结晶器与发泡室连接固定。
5.根据权利要求
1所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，其特征在于所述发泡室的底部留一安全排料孔(220)。
6.根据权利要求
1-5任一项所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，其特征在于铸造装置的结晶器与发泡室出口连接、并固定在发泡室的炉盖上；铸造装置牵引部件由一对以上、左右对称的轧辊构成，牵引方向为向上，该牵引部件装配在可上下垂直移动的升降装置(4)上，升降装置固定在发泡室的炉盖(223)上。
7.根据权利要求
1-5任一项所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造系统，其特征在于铸造装置(3)的结晶器与发泡室出口连接，由压板(51)与螺栓(52)固定在发泡室侧面的钢板(224)上；发泡室侧面钢板与结晶器相接处装有石墨纸垫(33)，石墨纸垫的作用是阻止熔体从结晶器与钢板结合处渗漏；铸造装置牵引部件由一对以上、上下对称的轧辊构成，牵引部件固定在发泡室侧面的钢板上，牵引方向为水平。
8.一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造工艺，其特征在于首先在熔炼炉内进行铝或铝合金熔体的熔制，将熔制合格的熔体转入发泡炉中进行熔体的增粘，及增粘溶体的发泡，最后将气泡分布均匀的熔体通过铸造装置的冷却凝固后导出；所述的熔体增粘与发泡采用的可负压吸入增粘剂、发泡剂或发泡气体的混合搅拌器搅拌，转速范围为300-3000转/分钟。
9.根据权利要求
8所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造工艺，其特征在于所用增粘剂为铝粉、氧化铝粉、氧化镁粉及粉煤灰中的一种或几种；所用发泡剂为天然石灰石粉、天然白云石粉及天然菱镁矿中的一种或几种；发泡用发泡气体为氮气、氩气及空气中的一种或几种。
10.根据权利要求
8所述的一种泡沫铝或泡沫铝合金的连续铸造工艺，其特征在于所述的发泡炉内温度控制在550-750℃，增粘室内熔体的粘度范围为60～120cp。
专利摘要
一种泡沫铝或泡沫铝合金连续铸造的系统及其连续铸造工艺。系统由熔炼炉、含增粘室与发泡室的发泡炉及含牵引部件与结晶器的铸造装置组成。连续铸造流程包括铝熔体熔炼、增粘、发泡及连续铸造工序；熔体的增粘，由有真空吸入功能的混合搅拌器连续地吸入增粘剂来实现；增粘熔体的发泡，由有真空吸入功能的混合搅拌器连续地吸入发泡剂或发泡气体来实现。本发明可低成本制造出不同几何形状横断面、不同密度及多种牌号的泡沫铝，且其中泡体分布均匀。
文档编号B22D11/14GK1994620SQ200610032466
公开日2007年7月11日 申请日期2006年10月26日
发明者周向阳, 李劼, 刘宏专, 丁凤其, 刘希泉, 张华 , 尚保卫, 伍上元 申请人:中南大学