CN106077655A - 一种脉冲放电铝型材生产装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲放电铝型材生产装置及方法，涉及一种放电等离子体铝型材生产装置及方法，属于金属型材制备技术领域；本发明的目的是为了解决现有铝型材生产技术材料利用率低、生产过程中产生大量废料等问题；本发明包括石墨喷嘴、陶瓷垫圈、石墨套头、石墨套筒、金属外壳、进气口、料斗盖、料斗、电机、阳极、主轴、阴极，本发明是在传统铝型材制造的基础上添加石墨喷嘴、陶瓷垫圈、石墨套头、石墨套筒、阴极和阳极进行脉冲放电，原料采用加工残余的铝屑，将铝屑放入料斗后，推入石墨套筒中，两端施加强脉冲电流使铝屑融化，然后将熔融铝屑挤出喷嘴成型；本发明能够有效利用废旧铝屑，以达到绿色环保的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种放电等离子体铝型材生产装置及方法，属于金属型材制备技术领域。
背景技术
随着科技的发展，人们对材料和能源的需求越来越大，一方面需要我们开发新能源和开采原材料，从可持续发展的角度，更需要从如何节约能源，和如何更充分利用原材料的角度来寻求新的解决办法。试想如果能够将用过的材料，例如铝做的可乐罐，加工后残留的切削屑，能够回收再利用，则能够有效应对以上问题。
传统的金属型材通常是由钢厂或各种型材专业厂家利用专业的冷轧或热轧设备进行制造，如各类型钢、铝型材等，这些型材的形状、规格等都是按照一定的国际标准、国家标准或行业标准进行制造的，对于实际生产需要而言，现有的金属型材制造设备和制造方法存在如下不足：第一，型材轧制方式成本高，薄壁型材加工技术难度大；第二，型材的形状、规格标准化，对于一些有特殊需求的截面形状、规格的金属型材，难以满足要求；第三，型材产品的供货长度一般不超过12m，无法在生产线上连续应用。
脉冲放电过程除具有热压烧结的焦耳热和塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的自发热作用。因而产生了一些脉冲放电过程所特有的有利于加热的现象。第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散。粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化 ；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末的快速熔化 ；第三，On-Off 快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的加热能够均匀化。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有金属型材生产技术材料利用率低、生产过程中产生大量废料，所制备的材料致密度低等问题问题，本发明提供了一种脉冲放电铝型材生产装置及方法。
一种脉冲放电铝型材生产装置，它包括石墨喷嘴(1)、陶瓷垫圈(2)、石墨套头(3)、石墨套筒(4)、金属外壳(5)、进气口(6)、料斗盖(7)、料斗(8)、电机(9)，阳极（10）、主轴（11）、螺栓孔（12）、阴极（13）；所述的料斗盖 （7）与料斗(8) 为轴连接，所述陶瓷垫圈(2)位于金属外壳（5)和石墨喷嘴(1) 之间，金属外壳(5)内部设有主轴（11），该主轴（11）外表面有螺纹，左段为三角形，套在石墨套头(3)内部，根部与电机（9）相连和阳极(10)相接，金属外壳(5)内壁上嵌入固定有圆筒形的石墨套筒(4)，该石墨套筒(4)右端与陶瓷垫圈(2)右端之间的距离为L1，金属外壳(5)的侧壁上固定有料斗(8)，且料斗(8) 的底部与金属外壳(5)的内腔连通，该料斗 (8) 临近陶瓷垫圈(2)的一侧与陶瓷垫圈(2)右端之间的直线距离大于 L1，石墨喷嘴(1)右下端与阴极(13)相连。
所述的主轴（11）外表面螺纹的大径与金属外壳(5)内径相等。
所述陶瓷垫圈(2)位于金属外壳（5)和石墨喷嘴(1) 之间，用于隔离金属外壳（5)和石墨喷嘴(1)。
采用所述的一种脉冲放电铝型材生产装置实现铝型材生产的方法，所述生产铝型材的方法的过程为，首先使所述的阴极(13) 位于石墨喷嘴(1) 右下端，阳极(10)位于主轴（11）根部处，通过进气口(6)通入氩气，氩气气压大于一个大气压，通过料斗 (8) 向金属外壳(5)的内腔添加铝屑，然后将料斗盖 (7) 密闭盖严，开启电机（9），带动主轴（11）旋转，通过主轴（11）上的螺纹使铝屑进入石墨套筒(4)和石墨喷嘴(1)内，在阳极(10)和阴极(13)之间通脉冲电流，加热铝屑，位于石墨喷嘴(1) 、石墨套头(3)和石墨套筒(4)之间的铝屑发生熔化，将处于熔融状态的铝屑通过石墨喷嘴（1）挤出，通过更换不同的石墨喷嘴（1），可以挤出不同形状的铝型材，打开料斗（8）向料斗（8）中加入铝屑，关闭料斗盖 (7)，通过进气口(6)通入氩气，旋转的主轴（11）上的螺纹不断将熔融状态的铝屑连续挤出，同时不断将铝屑传送至石墨套筒（4）内部，则可实现连续无废料的型材压铸生产过程。
所述脉冲电流的脉冲频率是 5 ～ 200Hz，脉冲电流的电流大小是 200 ～ 8000A的直流脉冲电。
本发明是在传统铝型材制造的基础上添加石墨喷嘴（1）、陶瓷垫圈（2）、石墨套头（3）、石墨套筒（4）、阴极（13）和阳极（10）进行脉冲放电，原料采用加工残余的铝屑，将铝屑放入料斗后，推入石墨套筒（4）中，两端施加强脉冲电流使铝屑融化，然后将熔融铝屑挤出喷嘴成型。
本发明实现了铝型材生产节约能耗 15％～ 30％，能制备复杂构件，制备的材料密度提高 2％～ 10％、性能好。
附图说明
图 1 是本发明所述的一种脉冲放电铝型材生产装置的结构示意图 ；
图 2 是具体实施方式四所述的铝型材生产方法进行对铝屑加热的过程中，铝屑加热时的状态示意图 ；
图 3 是具体实施方式六所述的铝型材生产方法进行对铝屑加热后，将铝屑熔化时的状态示意图 ；
图4是本发明所述的一种脉冲放电铝型材生产装置圆形石墨喷嘴(1) 的结构示意图；
图5是本发明所述的一种脉冲放电铝型材生产装置方形石墨喷嘴(1) 的结构示意图；
图6是本发明所述的一种脉冲放电铝型材生产装置凹槽形石墨喷嘴(1) 的结构示意图；
图7是本发明所述的一种脉冲放电铝型材生产装置工字型石墨喷嘴(1) 的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图 1 说明本实施方式，它包括石墨喷嘴(1)、陶瓷垫圈(2)、石墨套头(3)、石墨套筒(4)、金属外壳(5)、进气口(6)、料斗盖(7)、料斗(8)、电机(9)，阳极（10）、主轴（11）、螺栓孔（12）、阴极（13）；所述的料斗盖 （7）与料斗(8) 为轴连接，所述陶瓷垫圈(2)位于金属外壳（5)和石墨喷嘴(1) 之间，金属外壳(5)内部设有主轴（11），该主轴（11）外表面有螺纹，左段为三角形，套在石墨套头(3)内部，根部与电机（9）相连和阳极(10)相接，金属外壳(5)内壁上嵌入固定有圆筒形的石墨套筒(4)，该石墨套筒(4)右端与陶瓷垫圈(2)右端之间的距离为L1，金属外壳(5)的侧壁上固定有料斗(8)，且料斗(8) 的底部与金属外壳(5) 的内腔连通，该料斗 (8) 临近陶瓷垫圈(2)的一侧与陶瓷垫圈(2)右端之间的直线距离大于 L1，石墨喷嘴(1)右下端与阴极(13)相连。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲放电铝型材生产装置的区别在于，所述的主轴（11）外表面螺纹的大径与金属外壳(5)内径相等。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲放电铝型材生产装置的区别在于，所述陶瓷垫圈(2)位于金属外壳（5)和石墨喷嘴(1) 之间，用于隔离金属外壳（5)和石墨喷嘴(1)。
具体实施方式四：参见图 2-图7说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式一所述的一种脉冲放电铝型材生产装置实现铝型材生产的方法，所述铝型材生产的方法的过程为，首先使所述的阴极(13) 位于石墨喷嘴(1) 右下端，阳极(10)位于主轴（11）根部处，通过进气口(6)通入氩气，氩气气压大于一个大气压，通过料斗 (8) 向金属外壳(5)的内腔添加铝屑，然后将料斗盖 (7) 密闭盖严，开启电机（9），带动主轴（11）旋转，通过主轴（11）上的螺纹使铝屑进入石墨套筒(4)和石墨喷嘴(1)内，在阳极(10)和阴极(13)之间通脉冲电流，加热铝屑，位于石墨喷嘴(1) 、石墨套头(3)和石墨套筒(4)之间的铝屑发生熔化，将处于熔融状态的铝屑通过石墨喷嘴（1）挤出，通过更换不同的石墨喷嘴（1），可以挤出不同形状的铝型材，打开料斗（8）向料斗（8）中加入铝屑，关闭料斗盖 (7)，继续通过进气口(6)通入氩气，旋转的主轴（11）上的螺纹不断将熔融状态的铝屑连续挤出，同时不断将铝屑传送至石墨套筒（4）内部，则可实现连续无废料的型材压铸生产过程。
具体实施方式五:所述脉冲电流的脉冲频率是 5 ～ 200Hz，脉冲电流的电流大小是 200 ～ 8000A 的直流脉冲电。
本实施方式中，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，在脉冲电流作用下颗粒间产生放电，激发等离子体，通过有效利用粉体颗粒间放电产生的自发热作用，该装置产生了一些特有的有利于粉末快速熔化的现象。第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化 ；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末快速熔化 ；第三，On-Off 快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的加热能够均匀化。使脉冲集中在晶粒结合处是直流脉冲电施加过程的一个特点。直流脉冲电施加过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至1 万度的局部高温，从而加速颗粒的熔化，综合来看，该装置的实施过程可以看作是颗粒放电、导电加热综合作用的结果。
脉冲放电过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至 1 万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化 ；在颗粒接触点形成颈部，由于热量立即从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于其他部位，加速了致密化过程。
本发明利用脉冲放电烧结技术，使得铝屑快速加热达到熔化或半固态的状态，迅速成型。这样可以实现废物利用，例如加工后剩余的切削屑，使用后的金属，等作为原材料；实现节能减排，由于脉冲放电的效率高，可以降低金属熔化的能耗 ；制备性能优良的材料，由于脉冲放电所制备的材料具有组织均匀，晶粒细小从而使得材料的性能得到提高 ，并实现连续生产；还可以对某些脆性材料进行处理制造，直接从加工后剩余的切削屑制成成品型材，不必进行中间处理，可减少脆性材料由于加工过程造成的损失。
Claims (5)
1.一种脉冲放电铝型材生产装置，其特征在于，它包括石墨喷嘴(1)、陶瓷垫圈(2)、石墨套头(3)、石墨套筒(4)、金属外壳(5)、进气口(6)、料斗盖(7)、料斗(8)、电机(9)，阳极（10）、主轴（11）、螺栓孔（12）、阴极（13）；所述的料斗盖( 7) 与料斗(8) 为轴连接，所述陶瓷垫圈(2)位于金属外壳（5)和石墨喷嘴(1) 之间，金属外壳(5)内部设有主轴（11），该主轴（11）外表面有螺纹，左段为三角形，套在石墨套头(3)内部，根部与电机（9）相连和阳极(10)相接，金属外壳(5)内壁上嵌入固定有圆筒形的石墨套筒(4)，该石墨套筒(4)右端与陶瓷垫圈(2)右端之间的距离为L1，金属外壳(5)的侧壁上固定有料斗(8)，且料斗(8) 的底部与金属外壳(5) 的内腔连通，该料斗 (8) 临近陶瓷垫圈(2)的一侧与陶瓷垫圈(2)右端之间的直线距离大于 L1，石墨喷嘴(1)右下端与阴极(13)相连。
2.根据权利要求 1 所述的一种脉冲放电铝型材生产装置，其特征在于，所述的主轴（11）外表面螺纹的大径与金属外壳(5)内径相等。
3.根据权利要求 1 所述的一种脉冲放电铝型材生产装置，其特征在于，所述陶瓷垫圈(2)位于金属外壳（5)和石墨喷嘴(1) 之间，用于隔离金属外壳（5)和石墨喷嘴(1)。
4.采用权利要求 1 所述的一种脉冲放电铝型材生产装置实现铝型材生产的方法，其特征在于，所述铝型材生产方法的过程为 ：首先使所述的阴极(13) 位于石墨喷嘴(1) 右下端，阳极(10)位于主轴（11）根部处，通过进气口(6)通入氩气，氩气气压大于一个大气压，通过料斗 (8) 向金属外壳(5)的内腔添加铝屑，然后将料斗盖 (7) 密闭盖严，开启电机（9），带动主轴（11）旋转，通过主轴（11）上的螺纹使铝屑进入石墨套筒(4)和石墨喷嘴(1)内，在阳极(10)和阴极(13)之间通脉冲电流，加热铝屑，位于石墨喷嘴(1) 、石墨套头(3)和石墨套筒(4)之间的铝屑发生熔化，将处于熔融状态的铝屑通过石墨喷嘴（1）挤出，通过更换不同的石墨喷嘴（1），可以挤出不同形状的铝型材，打开料斗（8）向料斗（8）中加入铝屑，关闭料斗盖 (7)，继续通过进气口(6)通入氩气，旋转的主轴（11）上的螺纹不断将熔融状态的铝屑连续挤出，同时不断将铝屑传送至石墨套筒（4）内部，则可实现连续无废料的型材压铸生产过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述脉冲电流的脉冲频率是 5 ～ 200Hz，脉冲电流的电流大小是 200 ～ 8000A 的直流脉冲电。
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