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废旧泡沫铝回收利用及泡沫铝导热过程模拟研究

作　者: 覃静
导　师: 李劼；周向阳
学　校: 中南大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 泡沫铝重熔回收再生铝发泡导热性能
分类号: TB383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

泡沫铝集结构与功能材料特性于一体的特征,使其在汽车、建筑和航天航空领域有着广泛的应用前景,其所服役器件的更新换代势必会造成泡沫铝的报废；另一方面,泡沫铝在隔热、保温等方面的应用具有传统绝热材料所不可比拟的优势,然而现有的泡沫铝有效导热系数的理论预测模型具有一定的局限性,难以反映出导热过程与泡沫铝内部复杂结构的关联性。因此,研究废旧泡沫铝的回收利用技术以及泡沫铝导热过程,对泡沫铝产业的可持续发展具有重要的应用价值和理论意义。论文围绕废旧泡沫铝覆盖重熔回收的工艺以及再生铝二次发泡的条件控制进行研究,其后采用控制容积法和泡沫铝随机生成、计算机模拟等手段重点考察泡沫铝的导热过程以及影响因素。论文的主要结论如下：(1)废旧泡沫铝重熔过程研究表明,重熔时在泡沫铝上加熔剂覆盖,可防止铝在高温下氧化,有效分离铝液中的氧化物夹杂并消除泡沫铝浮体,提高铝回收率。影响废旧泡沫铝回收效果的主要影响因素有：熔剂组成、熔剂加入量以及重熔温度。熔剂的组成部分及其相对含量(氟盐加入量小于20%)对回收率有一定的影响；回收率随着熔剂加入量的增加呈先增大后减小的趋势；温度对回收效果影响不是很大。当选用以NaCl-KCl为主,一定氟盐添加量(小于20%)组成的熔剂,熔剂加入量选择20%-30%,重熔温度控制在680℃-700℃之间时,回收铝效果最佳,一次性回收率可达80%左右。(2)再生铝中存在氧化物夹杂、气孔和裂纹等缺陷,不合适直接用以制备实体金属零件,用再生铝发泡制备泡沫铝是较经济的利用方式。再生铝中含有增粘剂和发泡剂的钙类残存物,导致再生铝熔体粘度过大,不宜直接用于制备泡沫铝。通过往再生铝中加入一定配比的原铝来实现对熔融的再生铝进行粘度“稀释”处理,可获取适宜制备泡沫铝所需粘度的熔体,原铝的适宜加入比例控制范围在5%-10%。(3)在熔体获得合适的发泡粘度后,加入新型发泡剂NFA再制备泡沫铝时,控制其工艺参数发泡温度720℃左右、发泡剂加入量1.60%-2.20%、搅拌时间3.0-5.0min、搅拌速度1500-2000rpm和保温时间8-10min,可以制备出孔径1-4mm,孔隙率60%-80%,孔隙基本均匀的泡沫铝。(4)采用控制容积法导出了泡沫铝导热过程的离散方程,编制出了有效导热系数的数值算法程序。计算值与实测值对比发现,程序计算值与实测值在83%孔隙率以上较吻合,低于83%以下的计算值大于实测值。低孔隙率泡沫铝基体中含有大量的微孔,开创性的考虑这部分微孔对有效导热系数的影响,用嵌套式算热系数的数值算法程序。计算值与实测值对比发现,程序计算值与实测值在83%孔隙率以上较吻合,低于83%以下的计算值大于实测值。低孔隙率泡沫铝基体中含有大量的微孔,开创性的考虑这部分微孔对有效导热系数的影响,用嵌套式算法修正计算程序,最终使得计算值与实测值相近,说明数值计算方法可靠。此处理方式考虑到了泡沫铝的客观组成,符合热导实际过程,所采用的计算方法和程序适用于分析随机分布的泡沫铝介质导热过程。(5)有效导热系数随着基体比例的增加(孔隙率的降低)基本呈现增大趋势；孔隙率相同时,由于孔隙的分布不一,导致有效导热系数不同,说明孔隙分布对泡沫铝导热性能存在影响。在温度场分析中得知,温度在基体与孔隙的交界处上有突变,温度梯度在孔隙中明显变大。非均匀的泡沫铝中的温度分布是不均匀的,与孔隙的大小、分布有紧密关系。(6)在孔隙率相同的情况下,孔隙的结构和分布对泡沫铝导热性能起主导作用,泡孔沿着垂直热流方向延伸或分布对热流的阻碍能力加大,甚至由于泡孔在垂直于热流方向上的连通,出现“高热阻墙”,导致导热性能的急剧下降。这说明仅依据孔隙率不能唯一确定泡沫铝有效导热系数,前人的研究结果(预测方程中仅包括孔隙率)带有很大的局限性和不确定性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章文献综述  11-27
  1.1 前言  11
  1.2 泡沫铝的性能与工业应用  11-14
    1.2.1 泡沫铝的性能  11-12
    1.2.2 泡沫铝的工业应用  12-14
  1.3 泡沫铝的研究进展  14-16
    1.3.1 国内外泡沫铝研发概况  14-15
    1.3.2 泡沫铝制备方法研究状况  15-16
  1.4 废旧泡沫铝的回收概述  16-22
    1.4.1 废旧泡沫铝回收的必要性  16-18
    1.4.2 废旧泡沫铝回收利用现状  18-19
    1.4.3 覆盖法重熔回收泡沫铝概述  19-22
  1.5 泡沫铝热性能研究现状  22-25
    1.5.1 实际测量法  22-23
    1.5.2 均匀化解析研究  23-25
  1.6 课题研究的背景及研究内容  25-27
    1.6.1 课题研究的背景  25-26
    1.6.2 研究内容  26-27
第二章废旧泡沫铝的回收  27-40
  2.1 引言  27
  2.2 实验条件和方法  27-29
    2.2.1 实验原料及设备  27-28
    2.2.2 检测方法  28
    2.2.3 实验方法  28-29
  2.3 熔剂作用原理分析  29-31
    2.3.1 熔剂排杂热力学条件  29-30
    2.3.2 杂质运输到铝液-熔剂界面的流体力学条件  30-31
  2.4 结果与讨论  31-38
    2.4.1 泡沫铝预处理方式对回收率的影响  31-34
    2.4.2 熔剂加入量对回收率的影响  34-36
    2.4.3 正交优化实验  36-38
  2.5 本章小结  38-40
第三章再生铝发泡的工艺控制  40-54
  3.1 引言  40
  3.2 实验原料与主要实验设备  40-43
    3.2.1 实验原料  40-41
    3.2.2 主要实验设备  41-42
    3.2.3 性能检测分析  42
    3.2.4 二次发泡工艺过程描述  42-43
  3.3 结果与讨论  43-52
    3.3.1 再生铝的组织、成分及性能  43-44
    3.3.2 再生铝与原铝配比探索  44-45
    3.3.3 再生铝发泡控制工艺  45-50
    3.3.4 再生铝泡沫化发泡过程分析  50-52
    3.3.5 废旧泡沫铝再制备与原铝发泡成本对比  52
  3.5 本章小结  52-54
第四章闭孔泡沫铝热性能探索  54-72
  4.1 引言  54
  4.2 实验方法及其原理  54-60
    4.2.1 闭孔泡沫铝试样的制备与样品加工  54-55
    4.2.2 导热仪测量装置及原理  55-56
    4.2.3 泡沫铝导热性能计算  56-60
  4.3 泡沫铝结构建模  60-64
    4.3.1 孔隙率、平均孔径、孔壁厚度的关系推导  60-63
    4.3.2 模拟生成泡沫铝程序  63-64
  4.4 影响泡沫铝导热性能的因素分析  64-71
    4.4.1 有效导热系数计算结果  65-66
    4.4.2 孔隙结构对温度分布的影响  66-68
    4.4.3 孔隙形状和连通性对导热的影响  68-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章结论与展望  72-75
  5.1 结论  72-73
  5.2 本文创新点  73
  5.3 展望  73-75
参考文献  75-81
攻读硕士学位期间主要研究成果  81-82
致谢  82

废旧泡沫铝回收利用及泡沫铝导热过程模拟研究

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