泡沫铝是以孔隙为特征的超轻型金属结构材料，实现了结构材料的轻质多功能化，比重小，具有吸声降噪、阻尼减震、能量吸收、电磁屏蔽及多功能兼容等性能，在军用和民用领域均有着广阔的应用前景。 熔体发泡发工艺是由纯度为99.8%的铝锭经高温熔解后，加入适量的增粘剂搅拌增粘，再加入发泡剂分解产生气体，由于气体膨胀形成气泡，经冷却后得泡沫金属[1]。但由于其工艺控制难度大，很难实现连续性生产，国内多数企业采用间歇式的生产方式且自动化程度较低，造成生产成本高、产品质量差，严重制约了对泡沫铝材料的使用。 本文设计开发出一种集预热、搅拌、发泡、冷却过程于一体的泡沫铝生产设备，在吸收借鉴传统井式炉的基础上，增加了提升、推送等结构，优化生产节拍，在保证产品质量的前提下，提高了生产速度，大大降低了泡沫铝的生产成本。 基本工艺参数 在自动化泡沫铝生产线研制过程中，首先进行充分的市场调研，结合建筑材料的技术要求，将泡沫铝板材尺寸定型为1200mm×600mm，并以此作为技术基础，将设备基本参数设计如下： 产能：1800t/a; 生产节拍：25min/炉; 搅拌工位：1个; 预热工位：2个; 冷却工位：1个; 炉内控温精度：±5℃; 铝液控温精度：±5℃; 发泡槽尺寸：1560mm×6500mm×800mm; 搅拌桶尺寸：?500mm×300mm×1000mm; 炉体外形尺寸：4880mm×2610mm×3600mm。 自动化泡沫铝生产线主要結构特点 自动化泡沫铝生产线主要由加热炉、搅拌桶、搅拌器、发泡模具及提升装置、推板式步进输送机、炉外辊道式输送机以及温度控制柜组成。 加热炉 加热炉体主要由Q345及310S型钢制造。炉壳经防锈处理后，喷涂W61系列有机硅耐温漆，炉体底部预留炉内辊道机架及发泡模具提升装置的接口[2]。加热炉设发泡槽预热区域、发泡加热区域，两区域分别控制温度，设有炉内循环风机使得加热单元充分受热，炉衬采用陶瓷纤维模块，锚固在炉壁上及底部，加热元件为0Cr25Al5电阻合金带，电阻带绕成波纹形，波峰及波谷分别采用陶瓷丁锚固在炉墙上。为了避免隔热絮状材料及杂物进入发泡铝模具内，设计过程中在炉膛顶部采用316材质制作的防护套进行有效隔绝。 搅拌装置 发泡搅拌器安装在炉顶部位，搅拌器采用310S空心轴，发泡搅拌器采用三角皮带传动、三片式搅棍棒连续旋转搅拌，以保证受热不引起变形。搅拌器采用变频器无极调速（100～3000rmp），通过力矩传感器精准控制搅拌力矩。按工艺要求，在搅拌过程中的降温阶段，采用风冷装置进行强制降温，搅拌过程中能够控制铝液温度下降速率为10～20℃/min[3]。 搅拌桶采用厚壁无缝钢管制成，以确保在高温状态下不变形。采用快速卡套固定在炉体位，方便快速检修、更换密封件。搅拌桶底部设置机械加工成型的密封槽，搅拌桶顶部设有吊环方便更换石墨密封件。搅拌桶连续使用8炉次无须吊出更换密封，搅拌桶更换密封件时能够达到20min/次。 发泡模具及提升装置 发泡凹槽和支架全部为壳模型，如图1所示，凹槽和支架之间的连接采用bonded的方式，凹槽厚2mm，支架厚3mm，材料为Q345碳钢，凹槽四边通过螺栓固定在支架上。凹槽、支架、轮滑装配成小车，其中倒入90kg的800℃高温铝液。经过5min的保温过程，在凹槽两侧喷洒冷水对凹槽进行冷却，过程约10min。 模具提升采用两台电液拉杆机将发泡模具提升到需要的工位。调整油缸的压力及调整导柱位的弹簧，已达到搅拌桶与发泡模具密封的松紧度。调整油缸的流量，以同步提升发泡模具及平稳提升速度，故障率低于1/5000。电液拉杆机设置在加热炉的侧墙位，方便检修及调整。 推送装置 炉内辊道式输送机采用推板步进式输送，保证精确定位。两侧加被动轮输送定位，防止发泡槽跑偏。炉外入口辊道式输送机无动力，出口辊道输送机采用电机、减速机驱动辊轴，出口辊轴采用310S材质的构件，确保不发生变形和故障，避免发泡模具在运行过程中出现卡涩现象[4]。 温度控制 温度控制的精准与否是决定泡沫铝产品质量好坏至关重要的条件，该设备温控系统技术要求如下： ①电控柜由电压表、电流表、指示灯、温度控制仪表、温度记录仪、功率输出模块、空气开关、交流接触器等组合而成。 ②温控系统采用智能控温仪表，PID自整定，自动升温、保温，调节输出功率，并可实现超温报警。 ③温度记录仪配三通道无纸记录仪一套，最长储存时间可达3年。 ④全套设备的机电动作由电控柜设置的电器元件控制。 自动化泡沫铝生产线運行情况 该设备已投入运行生产，目前具备日产1.5t泡沫铝的能力，达到35min出一个成品，搅拌桶底部的石墨密封材料更换方便，PLC控制器自动控制，温度控制满足工艺要求，产品重复性好。整套系统满负荷运行时，故障率小于2次/月。 长期以来，在泡沫铝材料的生产上，国内生产商基本采用粗放的、人工间歇式的生产模式，产品差异性大、能耗高，而自动化连续生产技术一直被发达国家占有。 随着自动化泡沫铝设备的研制并成功投入使用，使得我国泡沫铝生产技术迈上新台阶，打破了该项技术的壁垒，填补国内空白，这些问题的解决必将推动国内泡沫铝材料的应用范围进一步扩大。 来源： 《中小企业管理与科技·中旬刊》张庆福李昊 周云鹏 李帅 |
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