一种连续直通多孔材料的连铸设备与方法技术

本发明专利技术属于多孔材料制备技术领域，特别是提供了一种连续直通多孔材料的连铸设备与方法。连铸设备由坩埚、固体芯材固定装置、固体芯材束、温度控制器、铸型、冷却器、引锭杆和牵引机构组成；被铸材料熔体从坩埚流经固体芯材固定装置，进入铸型中，将固体芯材束完全包裹于其中，对铸型与固体芯材束末端对应位置的铸型温度进行控制，通过冷却器直接对引锭杆表面进行强制冷却，实现固体芯材束末端位置的被铸材料全部凝固，在牵引机构的不断作用下制备连续直通多孔材料。本发明专利技术连铸设备结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能短流程、近终形、高效率批量工业化生产孔洞的分布、数量和形状尺寸易于精确控制以及规格品种较多的高质量连续直通多孔材料。

【技术实现步骤摘要】
一种连续直通多孔材料的连铸设备与方法
本专利技术属于多孔材料制备
，特别是提供一种连续直通多孔材料的连铸设备与方法。
技术介绍
多孔材料是由不少于2个封闭、半封闭、开口或者彼此连通（或不连通）的孔洞构成的材料，通常具有比重小、刚度大、比表面积大、渗透性好等优点，以及吸声、隔音、净化、过滤、导热、散热、减震等功能，是一种新兴的高性能材料，在电子、信息、汽车、船舶、铁路、航空、航天、能源、环保、石油、化工、冶金、机械、建筑、生物、制药、国防军工和日常生活等领域用途广泛[H.P.蒂吉斯切，B.克雷兹特.多孔泡沫金属[M].北京：化学工业出版社，2005]。特别是，随着近年来能源和环保等问题的日益突出，民用高新技术和国防军工的快速发展，热交换和过滤等行业对具有连续直通孔洞的多孔材料提出了迫切的需求，用量不断增加，成为了多孔材料发展的一个重点方向。传统的多孔材料制备方法主要有熔体发泡法、粉末冶金法、挤压法、金属/气体共晶定向凝固法等。熔体发泡法很难实现孔洞结构的精确控制，一般只能制备具有封闭孔洞的材料，且孔洞的长度有限[杨雪娟，刘颖，李梦，等.多孔金属材料的制备及应用[J].材料导报，2007，21（专辑Ⅷ）：380-383]。粉末冶金法难以实现对孔洞的大小和分布的精确控制，生产具有长而直孔洞的多孔材料也比较困难，且由于孔隙不规则，受力时应力集中比较明显，力学性能等较低[刘培生，黄林国.多孔金属材料制备方法[J].功能材料，2002，33（1）：5-8]。挤压法能实现简单连续直通多孔材料的制备，但存在着所需设备复杂且造价高、工艺流程长、成材率低、能源和模具消耗大、生产成本高、产品质量的一致性与稳定性难以保证、不易制备高强度难变形及含复杂孔洞的连续直通多孔材料等问题[刘元文，陈莉，宋宝韫.汽车空调平行流多孔管的连续挤压技术[J].锻压技术，2007，32（1）：53-54，64]。金属/气体共晶定向凝固法是近年来国内外研究的重点与热点，可以制备出结构类似莲藕的藕状多孔材料[谢建新，刘新华，刘雪峰，等.藕状多孔纯铜棒的制备与表征[J].中国有色金属学报，2005，15（11）：223-227]，但是孔洞率、孔洞的大小与分布很难实现精确的控制，通孔率较低，难以制备出沿凝固方向长而直的孔洞，应用范围有限。因此，开发一种能够短流程、近终形、高效率、节能降耗、低成本生产具有连续直通孔洞的多孔材料的设备与方法，满足民用高新技术和国防军工等领域对多孔材料不断提出的高性能、多规格、多品种等新要求，具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术将不少于2根的平直的高熔点固体芯材（如钨、钼或石墨等）按照所需制备连续直通多孔材料的孔洞分布、数量和形状尺寸要求进行并列组装，将其一端采用固体芯材固定装置进行固定（以下简称该端为“固定端”），另一端对齐并处于非约束状态（以下简称此端为“自由端”），构成固体芯材束；然后将组装为一体的固体芯材固定装置和固体芯材束放置于连铸设备的铸型中，固体芯材固定装置安装并固定在铸型入口位置，固体芯材束的自由端位于铸型中部区域，固体芯材长度方向与铸型中心线平行；通过合理控制连铸工艺参数，实现对熔点相对较低且不与固体芯材发生反应的被铸材料（如铜、镁、铝、银、金、硅或上述元素组成的合金等）熔体液固界面的位置与形状的精确控制，保证被铸材料凝固瞬间，固体芯材束的固定端一侧在被铸材料熔体中，自由端一侧在已凝固被铸材料中，同时在牵引机构的作用下，已凝固被铸材料能非常顺利地与固体芯材束马上分离，并及时形成孔洞，紧接着又进行新一轮的凝固、分离动作，不断循环重复这一过程，从而连续地形成直通的孔洞（以下简称“通孔”），最终连铸得到所需长度（理论上可以达到无限长）的连续直通多孔材料，其中孔洞的分布、数量和形状尺寸都与固体芯材束中固体芯材的分布、数量和形状尺寸完全对应。本专利技术的目的在于提供一种连续直通多孔材料的连铸设备与方法（称作“脱芯连铸法”），解决目前制备连续直通多孔材料存在的设备复杂且投资大、生产流程长、能耗大、成材率低、成本高，以及部分急需的连续直通多孔材料无法生产等问题。一种连续直通多孔材料的连铸设备，该设备构成为：由坩埚、固体芯材固定装置、固体芯材束、温度控制器、铸型、冷却器、引锭杆和牵引机构组成。在坩埚下或上、或旁设置一个或几个铸型；将组装为一体的固体芯材固定装置和固体芯材束放置于铸型中，固体芯材固定装置安装并固定在铸型入口位置，固体芯材束的自由端位于铸型中部区域，固体芯材长度方向与铸型中心线平行；沿着连续直通多孔材料拉铸方向安装引锭杆，引锭杆的顶端位于铸型出口位置里面，且不与固体芯材束接触，引锭杆顶端的形状尺寸与所需制备连续直通多孔材料的外形尺寸相同；利用温度控制器或者进入铸型之前的被铸材料熔体传导的热量对铸型进行温度控制；在铸型出口附近设置冷却器，通过冷却器直接对引锭杆或连续直通多孔材料表面进行强制冷却；沿着连续直通多孔材料拉铸方向在引锭杆后面安装牵引机构，牵引机构夹持住引锭杆，通过牵引机构的不断作用实现对连续直通多孔材料的连续拉铸。所述的一种连续直通多孔材料的连铸设备，所述坩埚可用中间包取代，以便于进行连续生产；可以在所述铸型出口附近设置的所述冷却器的基础上实施二次冷却。所述的一种连续直通多孔材料的连铸设备，所述固体芯材固定装置采用石墨制作；所述温度控制器采用外部热源、感应加热器或水冷装置。所述的一种连续直通多孔材料的连铸设备，是将所述坩埚放置于空气或真空或充入氮气或充入惰性气体保护的环境中；整个连铸成形过程可以采用人工控制或计算机控制；连铸方法可以是下拉式、弧形式、水平式或上引式中的任何一种。采用如上所述连铸设备的连续直通多孔材料的连铸方法，，包括如下步骤：步骤1：被铸材料熔体从坩埚中流出，流经固体芯材固定装置，进入铸型中，将固体芯材束完全包裹于其中；步骤2：利用温度控制器或被铸材料熔体导热作用对铸型进行温度控制，使得铸型与固体芯材束末端对应位置的铸型温度达到被铸材料熔点的0.2~1.2倍；步骤3：通过铸型出口附近设置的冷却器直接对引锭杆表面进行强制冷却，利用引锭杆的导热作用，使得在固体芯材束末端位置的被铸材料全部完成凝固，而固体芯材束的固定端一侧仍然在被铸材料熔体中；步骤4：启动牵引机构，带动引锭杆朝着牵引机构方向移动，使得已凝固被铸材料与固体芯材束顺利分离，并及时形成孔洞；步骤5：牵引机构继续作用，使得已凝固被铸材料中连续地形成通孔，同时已凝固被铸材料不断移出铸型；当所制备的连续直通多孔材料进入冷却器后，冷却器直接对连续直通多孔材料表面进行强制冷却，同样使得在固体芯材束末端位置的被铸材料全部完成凝固，而固体芯材束的固定端一侧仍然在被铸材料熔体中；步骤6：牵引机构持续作用，已凝固被铸材料不停地移出铸型，实现连续拉铸内部具有连续直通孔洞的连续直通多孔材料。所述的一种连续直通多孔材料的连铸方法，所述被铸材料为金属材料、无机非金属材料或金属基复合材料中的一种；所述固体芯材为在所述被铸材料熔体中不熔化的材料，且所述固体芯材与所述被铸材料熔体不发生反应。所述的一种连续直通多孔材料的连铸方法，所述被铸材料所需的冷却速度由所述牵引机构的拉铸速度V、所述冷却器的冷却强度以及所述温度控制器来控制。所述的一种连续直通多孔材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续直通多孔材料的连铸设备，其特征在于，连铸设备构成为：由坩埚（2）、固体芯材固定装置（3）、固体芯材束（4）、温度控制器（5）、铸型（6）、冷却器（8）、引锭杆（10）和牵引机构（11）组成；在坩埚（2）下或上、或旁设置一个或几个铸型（6）；将组装为一体的固体芯材固定装置（3）和固体芯材束（4）放置于铸型（6）中，固体芯材固定装置（3）安装并固定在铸型（6）入口位置，固体芯材束（4）的自由端位于铸型（6）中部区域，固体芯材长度方向与铸型（6）中心线平行；沿着连续直通多孔材料（9）拉铸方向安装引锭杆（10），引锭杆（10）的顶端位于铸型（6）出口位置里面，且不与固体芯材束（4）接触，引锭杆（10）顶端的形状尺寸与所需制备连续直通多孔材料（9）的外形尺寸相同；利用温度控制器（5）或者进入铸型（6）之前的被铸材料熔体（1）传导的热量对铸型（6）进行温度控制；在铸型（6）出口处设置冷却器（8），通过冷却器（8）直接对引锭杆（10）或连续直通多孔材料（9）表面进行强制冷却；沿着连续直通多孔材料（9）拉铸方向在引锭杆（10）后面安装牵引机构（11），牵引机构（11）夹持住引锭杆（10），通过牵引机构（11）的不断作用实现对连续直通多孔材料（9）的连续拉铸。...

【技术特征摘要】
1.一种连续直通多孔材料的连铸设备制备连续直通多孔材料的连铸方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：被铸材料熔体(1)从坩埚(2)中流出，流经固体芯材固定装置(3)，进入铸型(6)中，将固体芯材束(4)完全包裹于其中；步骤2：利用温度控制器(5)或被铸材料熔体(1)导热作用对铸型(6)进行温度控制，使得铸型(6)与固体芯材束(4)末端对应位置的铸型温度达到被铸材料熔点的0.2-1.2倍；步骤3：通过铸型(6)出口附近设置的冷却器(8)直接对引锭杆(10)表面进行强制冷却，利用引锭杆(10)的导热作用，使得在固体芯材束(4)末端位置的被铸材料全部完成凝固，而固体芯材束(4)的固定端一侧仍然在被铸材料熔体(1)中；步骤4：启动牵引机构(11)，带动引锭杆(10)朝着牵引机构(11)方向移动，使得已凝固被铸材料与固体芯材束(4)顺利分离，并及时形成孔洞；步骤5：牵引机构(11)继续作用，使得已凝固被铸材料中连续地形成通孔，同时已凝固被铸材料不断移出铸型(6)；当所制备的连续直通多孔材料(9)进入冷却器(8)后，冷却器(8)直接对连续直通多孔材料(9)表面进行强制冷却，同样使得在固体芯材束(4)末端位置的被铸材料全部完成凝固，而固体芯材束(4)的固定端一侧仍然在被铸材料熔体(1)中；步骤6：牵引机构(11)持续作用，已凝固被铸材料不停地移出铸型(6)，实现连续拉铸内部具有连续直通孔洞(7)的连续直通多孔材料(9)；所述连铸设备构成为：由坩埚(2)、固体芯材固定装置(3)、固体芯材束(4)、温度控制器(5)、铸型(6)、冷却器(8)、引锭杆(10)和牵引机构(11)组成；在坩埚(2)下或上或旁设置一个或几个铸型(6)；将组装为一体的固体芯材固定装置(3)和固体芯材束(4)放置于铸型(6)中，固体芯材固定装置(3)安装并固定在铸型(6)入口位置，固体芯材束(4)的自由端位于铸型(6)中部区域，固体芯材长度方向与铸型(6)中心线平行；沿着连续直通多孔材料(9)拉铸方向安装引锭杆(10)，引锭杆(10)的顶端位于铸型(6)出口位置里面，且不与固体芯材束(4)接触，引锭杆(10)顶端的形状尺寸与所需制备连续直通多孔材料(9)的外形尺寸相同；利用温度控制器(5)或者进入铸型(6)之前的被铸材料熔体(1)传导的热量对铸型(6)进行温度控制；在铸型(6)出口处设置冷却器(8)，通过冷却器(8)直接对引锭杆(10)或连续直通多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪峰，张强，谢建新，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11