[發明專利]大氣環境下連續制備長尺寸泡沫金屬的方法及其裝置

有效

• 申請號: 202011175109.0
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112553493B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 鐘云波;沈喆;朱家樂;林中澤;任朗
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C22C1/08
• 分類號: C22C1/08;B22D11/055;B22D11/059;B22D11/11
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

1.一種大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：將待熔鑄金屬放入上部石墨坩堝(2)中，在上部石墨坩堝(2)外部設有上部感應線圈(3)，在上部感應線圈(3)中通入交流電，通過感應加熱方法，加熱并熔化在上部石墨坩堝(2)中的金屬原料，形成金屬熔體(1)；在上部石墨坩堝(2)下方連接設置下部石墨坩堝(4)，下部石墨坩堝(4)作為石墨結晶器，在下部石墨坩堝(4)外部設有下部感應線圈(5)，在下部石墨坩堝(4)的下部連接設置水冷結晶器(6)，在水冷結晶器(6)的連鑄坯(9)的拉出位置設置二冷水(7)，在水冷結晶器(6)中通入冷卻水；

步驟2：待熔化后的金屬熔體(1)從上部石墨坩堝(2)流入下部石墨坩堝(4)中時，在下部感應線圈(5)中通入交流電，進一步進入加熱下部石墨坩堝(4)中的熔體；與此同時，開啟二冷水(7)；

步驟3：開啟抽拉連鑄設備(8)，利用抽拉連鑄設備(8)將連鑄坯(9)從水冷結晶器(6)中拉出，通過水冷結晶器(6)和二冷水(7)對連鑄坯(9)進行強制冷卻，二冷水(7)在冷卻連鑄坯(9)的過程中遇熱變成水蒸氣(12)；

步驟4：在所述步驟3中生成的水蒸氣(12)穿過連鑄坯(9)與下部石墨坩堝(4)壁內表面之間的間隙中上升，并最終到達在下部石墨坩堝(4)中的金屬熔體進行凝固的固液界面(11)處，在下部感應線圈(5)加熱的升溫作用下，使水蒸氣(12)會與固液界面(11)處的高溫的下部石墨坩堝(4)壁面的石墨材料發生如下化學反應：

步驟5：在所述步驟4中進行的化學反應生成的一氧化碳在金屬熔體中溶解度極低，會立刻上浮；但反應生成的氫氣(10)在金屬熔體中具有較高的溶解度，由于抽拉連鑄設備(8)開啟，連鑄坯(9)不斷成型，一部分溶于金屬熔體(1)中的氫氣(10)將進入連鑄坯(9)中，并使連鑄坯(9)的坯體形成氣孔，并最終通過連鑄工藝得到長尺寸泡沫金屬材料。

2.根據權利要求1所述大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于：所述該方法在大氣環境下進行，無需密閉容器，亦無需對設備中通入各種氣體。

3.根據權利要求1所述大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于：下部石墨坩堝(4)的材質為石墨，且在下部石墨坩堝(4)外部加設一道感應加熱線圈，調控下部石墨坩堝(4)壁面形成的高溫條件，促進下部石墨坩堝(4)上的碳與水蒸氣(12)反應，并生成一氧化碳和氫氣。

4.根據權利要求1所述大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于：在下部石墨坩堝(4)外部加設一道感應加熱線圈，加熱金屬熔體(1)，由于水蒸氣(12)在金屬熔體(1)中的溶解度與熔體溫度相關，且金屬熔體(1)溫度越高，水蒸氣(12)溶解度越大；通過進一步加熱金屬熔體(1)來提高水蒸氣(12)的溶解度，為下部石墨坩堝(4)的壁面與水蒸氣(12)的化學反應提供更多的原料。

5.根據權利要求1所述大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于：在下部石墨坩堝(4)外部加設一道感應加熱線圈，加熱金屬熔體(1)，由于氫氣(10)在金屬熔體(1)中的溶解度與熔體溫度相關，且金屬熔體(1)溫度越高，氫氣(10)的溶解度越大；利用加設的下部感應線圈(5)對于金屬熔體(1)的進一步加熱，調控并提高反應生成的氫氣(10)在金屬熔體(1)中的含量。

6.根據權利要求1所述大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于：利用下部感應線圈(5)進一步加熱金屬熔體(1)的方法，來提高氫氣(10)在金屬熔體(1)中的含量；在連鑄過程中，固液界面(11)前沿發生液態到固態的相變過程，液態的金屬熔體(1)中來不及排出的氫氣(10)將會隨著相變過程固定在固相連鑄坯中，并最終形成連鑄坯中的孔洞；通過控制氫氣(10)在金屬熔體(1)的含量，調控形成長尺寸的多孔泡沫金屬材料。

7.根據權利要求1所述大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于：下部石墨坩堝(4)與連鑄坯(9)之間存在間隙，該間隙主要是由于下部石墨坩堝(4)具有一定的拔模斜度，且該拔模斜度設定為0.01-10度。