CN101610863A - 用于输送熔融金属同时为其提供热量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于向通过金属输送设备流动的熔融金属提供热量的方法和设备。该设备包括熔融金属输送通道、用于接收并且循环燃烧气体同时防止气体进入所述通道中的封罩、将通道的至少一个部分与封罩分离的导热材料本体；和用于生成燃烧气体并且将气体传输到封罩的燃烧器件。来自燃烧气体的热量被用于加热在通道中所容纳的熔融金属，同时防止在燃烧气体和熔融金属之间的接触。该材料本体可以是用于形成通道的溜槽、用于输送熔融金属的管子，或者用作封罩的管子等。

Description

用于输送熔融金属同时为其提供热量的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于在铸造操作等期间输送熔融金属的设备。更加具体地，本发明涉及如此设备和方法，向在这种设备中所输送的熔融金属提供热量以防止金属在经过这种设备期间冻结、过度冷却或者类似的效果。
背景技术
在金属铸造操作期间通常的做法是使得熔融金属例如从熔炉到铸造模具通过细长溜槽(trough)(有时被称为流槽(launder))流动。这种溜槽是由能够在合理的时间段内经受被暴露于熔融金属而不发生过度损坏的材料制成的，并且条件应当是这样的，即金属在它达到它的目的地之前并不冷却至它的冻结温度(固相线)以下。当这种溜槽相当短、快速流动(例如比较陡峭地倾斜)或者具有较小的金属容纳能力时，金属冻结的风险极小。然而，近来，尤其地在铝处理技术中，各种新的做法已经使得有必要提供具有更高容量、更大长度和/或更慢流速的溜槽。例如，在1996年6月18日授予Peter D.Waite等人的美国专利No.5,527,381披露了一种当金属流经溜槽或者流槽时利用气体处理熔融金属以移除所被溶解的氢气和其它杂质的方法。如果溜槽具有大的金属容纳能力并且使得金属以缓慢的通过速率流动，则能够使得处理更加彻底。类似地，现在有可能通过直接激冷铸造来共铸不同的熔融金属以形成单个铸块，并且通常以比用于芯层的熔融金属少得多的数量铸造用于这种铸块的包层的熔融金属，从而使得用于包层的金属应该比用于芯层的金属更加缓慢地流动到铸造设备。另外，有时通过陶瓷泡沫过滤器过滤熔融金属以移除固体颗粒，并且使用这种过滤器可以减缓熔融金属通过溜槽的流动。因此，在诸如这些和其它的应用中，在溜槽中发生金属固化(或者过度冷却)的风险增加。
消除金属固化风险的一种方式是加热在溜槽中的金属或者溜槽本身。能够通过当金属流经溜槽时将火焰引导到金属的上表面而加热在溜槽中的金属，但是这具有以下缺点，即，由此加速了金属在表面处的氧化，这种情况特别是当金属为铝或者铝合金时发生。能够通过在溜槽的内表面上或者邻近提供电加热器而执行对溜槽的加热，但是通常这种加热器在将热量传递到金属时是缓慢的并且因此在这种应用中并不总是非常有效的。
两个专利示意了在过去采用的那种方案。在1988年4月28日颁布给John A.Davis的美国专利No.5,744,093披露了提供一种带盖的溜槽以提供有所增强的绝缘。从溜槽发出的气体被抽入压力通风系统(plenum)中，并且可以借助于穿过溜槽盖的燃烧器装置将热量引入金属上方。然后，来自燃烧器的燃烧气体通过被抽入压力通风系统内而离开金属上方的空间。
在1976年3月9日颁布给Charles M.Chodash的美国专利No.3,942,473涉及铜的积聚并且提供一种被封装的溜槽，该溜槽在金属通道上方具有带盖的顶部空间。要么通过在顶部空间中提供辐射加热器、或者通过将气焰引导到溜槽的上和下表面而将金属保持在提升后的温度下。
特别是对于具有大容量和/或缓慢通量的溜槽，以及特别是对于旨在由铝和铝合金使用的设备而言，需要对于金属输送溜槽的加热加以改进。
发明内容
在示例性方面，提供一种方法和设备，用于向通过金属输送设备流动的熔融金属提供热量。由燃烧器等生成的热燃烧气体被用于加热与熔融金属形成接触的导热材料。然而，热燃烧气体被保持不与熔融金属接触并且被用于仅仅利用通过耐熔材料(refractory material)的传导而加热金属。导热材料可以被用于形成一段溜槽、通道元件，或者溜槽或通道的仅仅一个部分，或者被用作与熔融金属接触的插件或者本体。与导热材料形成接触的气体被约束在一个或者更多个封罩内，该一个或更多个封罩允许气体以气流的形式通过设备而流动、同时防止燃烧气体与被隔离的熔融金属(以及优选地还有围绕着该设备的外部大气)相接触。
一个示例性实施例提供一种熔融金属输送设备，包括一个熔融金属输送通道、用于接收并且循环燃烧气体而且同时防止所述气体进入所述通道中的一个封罩、将所述通道的至少一个部分与所述封罩分离的一个导热材料本体，以及，用于生成燃烧气体并且将所述气体传输到所述封罩的一个燃烧器件。在使用中，来自所述燃烧气体的热量通过所述导热材料的本体而被传递到容纳于所述通道中的熔融金属。因此，熔融金属被燃烧气体加热，但是保持气体不与通道中的熔融金属直接接触。
导热性的材料本体可以形成细长元件(具有限定着通道的金属接触表面以及与燃烧气体接触的另一个表面，例如细长元件的外侧表面)。在这种情形中，该细长元件可以是顶部开口的溜槽区段或者被封装的管子或者多个管子。可替代地，导热性的材料本体可与限定着通道的元件分离，例如它可以是延伸到细长元件中所形成的通道内的管状部件。
在另一示例性实施例中，本发明提供一种熔融金属输送溜槽设备。该设备包括熔融金属输送溜槽区段，该溜槽区段具有上端和从该上端围绕着溜槽区段而延伸的外表面。封罩至少局部地封装该溜槽区段的外表面，并且该封罩邻近于该外表面包含至少一个腔室。设置进入该腔室中的入口、或者当存在多于一个腔室时进入每一个腔室中的入口，热燃烧气体通过该入口而被引入该腔室或者每一个腔室中。还设置离开该腔室或者每一个腔室的出口，热燃烧气体在作为气流流经(一个或多个)腔室之后通过该出口而被移除，由此通过溜槽区段的外表面将热量传递到该溜槽区段中。该设备优选地另外包括位于该腔室或者每一个腔室的入口处的至少一个热燃烧气体发生器，诸如燃料燃烧器。
另一示例性实施例提供一种向通过金属输送设备流动的熔融金属提供热量的方法，该金属输送设备设有用于输送所述熔融金属的至少一个通道、用于接收并且循环燃烧气体的封罩和至少部分地将所述通道与所述封罩分离开的导热材料本体，所述方法包括通过该通道输送熔融金属、生成燃烧气体、使得燃烧气体进入该封罩并且通过该封罩循环，而且同时约束所述燃烧气体以防止所述气体进入所述通道。
又一个示例性实施例提供一种对于熔融金属输送溜槽的区段进行加热的方法，该溜槽区段具有上端和从该上端围绕着该溜槽区段而延伸的外表面。该方法包括生成至少一个热燃烧气体气流，并且引导该至少一个气流流经围绕着该熔融金属输送溜槽区段的外表面的至少一部分的封闭式空间。溜槽的该外表面由此被暴露于热燃烧气体气流，由此使得热量通过该外表面而传递到该溜槽区段及其内容物。
优选地，利用形成热气体气流和被引入封罩中的火焰的燃烧器来生成热燃烧气体。燃烧气体通常被直接地使用，即，没有机会冷却至任何显著的程度。理想地，热燃烧气体优选地被限制成在与导热耐熔材料接触时沿循着缠绕式路径，并且，在理想情况下，导热材料的与金属接触表面相对的基本上全部表面均被暴露于热气体。
当以适于提供对于熔融金属和鲁棒性的设备的良好支持的厚度使用时，该导热本体可以由具有充分导热性的任何材料制成以允许以有效速率从热燃烧气体传热到通道中的熔融金属。当然，热道的“有效速率”是足以实现所需效果(例如当熔融金属经过通道时该熔融金属加热、金属温度保持，或者金属的缓慢冷却)的速率。虽然可以使用任何有效的材料厚度，如果保持了足够的强度，则较薄的截面是较好的，这是因为它们的传热阻力较小。选定的厚度通常不大于对于溜槽区段的足够强度和对熔融金属的良好支撑而言所需的厚度。通常，根据所采用的材料类型，所使用的有效材料的厚度范围是从0.25英寸到12英寸或者0.5英寸到6英寸，更加优选地为1到8英寸，并且进而更加优选地为2到6英寸，但是并不排除更薄或者更厚的截面。当然，厚度不必在材料中的所有位置处都是恒定的，并且如材料的组分可以随位置而变动那样，厚度可以根据需要在位置间发生变动。
适当的导热材料包括例如耐熔金属化合物或者固体金属。很多固体金属受到相同或不同种类的流动熔融金属的侵蚀并且因此是不适当的，除非金属接触表面以某种方式受到保护。已经发现，铸铁对熔融金属(例如铝合金)的侵蚀具有良好的抗腐蚀性、并且可以通过涂覆耐熔金属化合物(例如氮化硼)的薄涂层来进一步保护金属接触表面。可以使用耐熔金属化合物以替代金属，如果它们具有良好的导热性或者能够用于薄的截面。这种材料在高温下是基本强固的、耐受热冲击、不与熔融金属反应，并且具有低的膨胀系数。然而，通常被视为绝热体的耐熔金属氧化物例如氧化铝、氧化硅和氧化钙可能是不适当的(除非与更加具有传导性的材料相混合或者用于非常薄的截面中)，这是因为，它们具有低的导热性(例如通常小于大约2瓦/米-开氏度(W/mK)。在另一方面，碳化硅、氮化硼和氮化硅是适当的材料(但是氮化硼是极其昂贵的，并且因此在它的价格保持如此之高时在实践中是不太可能使用的)。
已经发现含有碳化硅的导热耐熔材料是特别地优选的，其有时利用氧化硅层来加以保护以防止在高温下氧化。虽然可以使用纯净形式的碳化硅，它通常在水中以粒状形式与粘合剂和其它耐熔化合物进行混合、铸造、干燥并且固化以形成致密固体。碳化硅的比例越大，则所形成的耐熔材料的导热性越高。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的设备的顶部平面视图；
图2是图1设备的侧视图；
图3是图1设备的端视图；
图4是图1设备沿着图2所示的线IV-IV截取的竖直横截面；
图5是图1设备沿着图2所示的线V-V截取的水平截面；
图6是图1设备沿着图1所示的线VI-VI截取的竖直纵向截面；
图7是图1设备沿着图1所示的线VII-VII截取的中央竖直纵向截面；
图8是本发明的一个可替代实施例的类似于图5的截面；
图9是类似于图7的截面，但是示出一个被修改的实施例，其中溜槽在它的全部长度上具有恒定深度，和在开口顶部之上的绝缘盖；
图10是-一个可替代示例性实施例的截面；并且
图11是又一个可替代实施例的截面。
具体实施方式
在附图的图1到7中示出熔融金属输送设备的第一示例性实施例。这个具体实施例旨在与金属除气器喷嘴一起使用，该金属除气器喷嘴旨在使用熔融铝或者铝合金，由此形成一种紧凑的串列式(in-line)金属除气器单元，该除气器单元可以例如被结合到从金属熔炉通向铸造设备的、常规的溜槽或者流槽中。其它示例性实施例可以旨在由其它熔融金属使用。
该设备大体上由附图标记10示意并且包括金属输送溜槽的区段11，该金属输送溜槽由在结合部14处相互邻接的两个溜槽部件12和13构成。溜槽区段11用作输送熔融金属通过该设备的细长通道形成元件。溜槽入口部件15在上游端部处与溜槽区段11对接，并且溜槽出口部件16在下游端部处与溜槽区段11对接。所有的这些部件都具有基本U形的截面并且由导热耐熔陶瓷材料本体制成，同一材料优选地被用于所有的这些部件。虽然大多数熔融金属输送溜槽由被设计成当熔融金属被输送通过溜槽时防止熔融金属过度冷却的绝缘耐熔材料(例如金属氧化物)制成，但是相反地，溜槽区段11是导热性的。用于这个目的的优选耐熔材料是由碳化硅(SiC)制成或者含有碳化硅的、具有高的导热性的致密铸造陶瓷。这种材料耐受高温以及在它们处于正常铸造温度下受到的铝和大多数铝合金的腐蚀。当SiC的含量增加时，这种陶瓷的导热性增加，并且因此理想的是在组分中使用至少25％，更加优选地为至少50％，并且进而更加优选地为至少65％的SiC。可使用纯净铸造SiC，但是其很昂贵并且略为脆性。一种特别优选的材料具有下面的组分：
SiC 80wt.％
Al2O3 15wt.％
SiO2 3wt.％
剩余部分(Balance)混杂的耐熔成分
这种材料具有大约2.4克每cc的密度和范围在9.4到10.8W/mK的导热率。
以所示方式布置，可能在由弹簧加载端板(未示出)所提供的弹性纵向压缩的作用下，通常不使用任何结合或者密封化合物地将入口部件15、溜槽区段11和出口部件16牢固地保持到一起，以形成连续细长的顶部开口通道17，该通道17用于沿着箭头A的方向从设备一侧向另一侧输送熔融金属。虽然在图中未示出，入口和出口部件在使用中使用标准联结装置而被结合到其它金属输送设备或者溜槽部件。在所示的实施例中，入口部件15和出口部件16结合有从它们的各自相应的外端到它们的内端的略微向下的斜坡，由此使得通道17在溜槽区段11内比在末端入口和出口端部(见图7)处略深。然而，应该指出，在溜槽中这种深的区段可能使得难以在金属输送操作之间移除所有的金属，所以如果优选的话，溜槽区段11和部件15和16可以可替代地按恒定的深度制成。
如最清楚地在图4中所示，溜槽区段11具有上端23、限定着通道17的一个部分的内表面18、以及形成界定着溜槽区段的物理外部尺寸的平坦侧壁20及平坦底壁21的外表面19。因为开口通道17占据上端23的大部分，所以实际上在溜槽上端处没有溜槽外表面。介于内表面18与外表面19之间的通道区段的厚度足以约束并且支撑熔融金属而不发生屈服。能够看到，在溜槽区段11内形成的通道17较为宽且深，从而当被充分地填充时(例如达到在图4中由虚线所示的水平22)，它能够容纳非常大的数量的熔融金属。当然，在其它实施例中，通道区段的形状以及尺寸可以不同以适合具体应用，并且可以例如是矩形的、V形的或者半圆柱形的。如已经述及的那样，这个示例性实施例的设备旨在与金属除气器(例如旋转气体注射器，其中之一25在图4中由虚线代表)一起地使用，并且通道17的深且宽的形状和尺寸允许有充分的空间用于浸没和使用这种除气器、在气体引入点上方的良好金属端头(这改进了金属除气和清洁操作)、以及金属流经通道的的较慢速率，该较慢速率可选地大约为3米/分钟或更低(在其中通道区段主要被用于金属传输的其它应用中，4至9米/分钟的较高流率是较为常见且优选的)。通道17的特定截面形状和尺寸还意味着被暴露于大气的熔融金属表面22相对于所含熔融金属的体积的比率非常小，所以表面氧化不会表现为如同其对于较浅或者较宽溜槽的情形而言那么大的问题。盖(在该实施例中未示出，但是见图9的元件60)可以位于通道17上方以减少来自于熔融金属的热量损失，但是在该实施例中，这种盖(如果使用的话)需要允许气体注射器25穿过的孔。
如能够从附图看到地，除了在通道17的开口顶部26处，溜槽区段11在所有侧面上均被形式为外罩30的封罩所包围，外罩30包括利用绝热耐熔材料32作为衬里的金属侧储罐31，所述材料32例如由并排或重叠堆叠的耐火砖制成，其可选择不采用任何结合或者密封化合物，但是如果需要可以在耐火砖之间使用耐熔灰泥。储罐的开口顶部比溜槽区段11更宽，并且介于储罐的侧面与溜槽区段的上边缘之间的间隙也被例如陶瓷砖这样的耐熔块33桥接和封闭，如在图4中所示，陶瓷砖相对于溜槽区段的长度尺寸横向地铺放，并且陶瓷砖在其内边缘处利用溜槽区段自身在上端23处的凹口角部加以支撑。出于操作人员安全性的考虑，可移除的绝缘盖34位于耐熔衬里材料33之上以提供较冷的上表面。在外罩30内，溜槽区段11由短的竖直壁35以及还由竖直壁36支撑，竖直壁35沿着纵向中心线从储罐的底板向上立起，竖直壁36横向于溜槽区段而延伸(具体地见图5)。溜槽区段的两个部件12和13的结合部14与壁36相对准以防止在部件之间发生滑移。因而利用由壁35和36提供的下面的刚性且有效的支撑件避免了在操作温度下溜槽区段11在金属重量作用下发生下垂或者滑移的任何趋势。
如在图3中所示，溜槽的出口部件16被保持在顶部开口的金属外壳37内，利用被栓接到储罐的端壁39的顶部开口式矩形托架38将金属外壳37保持到位。在该设备的另一端部处为溜槽的入口部件15提供类似的布置。
如能够最好地从图5的水平截面看到地，外罩30的内部合并了形成与外侧大气相隔离的封闭式空间、并且沿着设备纵向方向而彼此紧接地相互对准的两个中空腔室40。腔室40被横向壁36分离，横向壁36紧密地围绕着溜槽区段11的外表面19(见图6)延伸并且由此将该两个腔室内的环境相互隔离。每一个腔室40从中心向下被纵向壁35划分以形成两个中空隔室41，但是由于纵向壁35并没有完全延伸至横向壁36从而在每一个侧上留出间隙43的事实，这些隔室相互连通。
优选的是，基本上溜槽区段11的全部外表面19应该被外罩和腔室包围，即至少该溜槽介于外罩的端壁39与45之间的那些部分。然而，在一些实施例中，有可能的情况是，能够包围溜槽的较少的外表面，即溜槽的上端可以避开外罩，或者溜槽的底壁可以停靠在储罐的底部上并且可以不被暴露于内部腔室40。然而，通常，溜槽区段的至少50％，并且较为优选地至少75％，并且可选地至少95％的外表面被内部隔室和腔室所封装和包围，由此确保了(如将解释的那样)向溜槽区段以及在所述溜槽区段中包含的熔融金属进行良好的并且均匀的热量输送。如果需要，可以利用绝热材料层来覆盖溜槽的未被以此方式封装的任何部分，用以防止从这些部分发生过度热量损失。
如已经指出的那样，在所示意的实施例中，溜槽区段11的基本上全部外表面19，即不仅在侧面20处而且还沿着底部21，均被每一个腔室40的内部隔室41围绕并且被直接地暴露于所述内部隔室41。溜槽区段的未被直接地被暴露于这些中空隔室的仅有部分是被壁35和36支撑的部分，和在顶边缘处与耐熔材料33接触的部分。溜槽区段的这些部分加起来仅占溜槽区段的外壁的一小部分。两个开口46和47在储罐31的端壁39和45的每一个中形成并且穿过邻近的耐熔衬里。开口46旨在作为用于热燃烧气体进入分别的腔室40中的入口，并且开口47旨在作为用于这些气体(并且通常各自被连接到未示出的排气管线)的出口。如在图5中所示，燃料燃烧器50位于入口开口46中或者邻近于入口开口46，用以生成热燃烧气体气流、以及可选地生成火焰51，并且用以将它们引入隔室41中。利用位于与入口和出口的每一个相距一定距离处的间隙43，热气体在每一个腔室40中的隔室41之间循环。利用箭头B代表这种热气体循环。如由箭头C所代表地，气体最终经由出口47离开该设备。如在图6中所示，热气体自由地沿着溜槽区段11的侧面上升，如箭头D所示，从而在燃烧器操作期间，基本上溜槽区段11的整个外表面19均被暴露于并且浸于热循环燃烧气体中。一起地，由箭头B、C和D代表的运动形成通过腔室40流动的热气体的稳态气流。将注意到，除了在入口46和出口47处，腔室被完全地封装在外罩30内并且被密封以防止气体损失，所以热燃烧气体气流受到约束以沿循着缠绕或者蜿蜒或者曲折的路径通过每一个腔室，即经由远侧间隙43从隔室到隔室41，其中气体在每一个隔室中沿着相反方向流动。可以理解，燃烧气体被以如此方式引导和约束，从而防止了它们进入通道17以及与通过该设备输送的熔融金属形成接触。
在实践中，溜槽区段11利用源自火焰51的辐射热量、以及源于与热燃烧气体直接接触的传导/对流而在它的外表面19处被加热。溜槽区段11的材料的较好导热性允许热量穿透过溜槽区段并且进入通道17及其中所容纳的熔融金属内。开口46和47以及燃烧器50优选地被如此定位和倾斜，使得火焰51和热气体气流在最初不被引导到溜槽区段11的外表面19上，也不被引导到耐熔衬里32、33上，由此避免形成热斑以及对耐熔表面的可能损坏。源自燃烧器50的火焰和热气体通常沿着溜槽区段的纵向方向被水平地定向到每一个腔室40的位于溜槽区段底壁水平之下的开放区域内。这种布置还保证了在溜槽区段的整个外表面19上的良好热量分布并且因此防止在金属通道17内形成冷斑。将注意到经过腔室40的热气体仅仅遇到储罐衬里的耐熔材料或者溜槽区段的耐熔材料从而得以适应高温而不引起设备损坏或者过度热量损失。
例如可以是燃气的或者燃油的燃烧器50具有适当的加热能力以快速地升高腔室中的温度并且将充分热量引入溜槽区段11中，用以升高通道17中的熔融金属的温度，以保持熔融金属的温度恒定或者允许熔融金属以受控方式冷却，这取决于对于金属的计划。适当的燃烧器的实例为所谓的预混燃烧器，其在由通过喷嘴移动的气体速率产生的燃烧器喉道以及嘴座(spud)处吸气。燃料和空气的混合可以利用手控阀控制，或者可以例如利用遵照预定程序的计算机而加以自动控制。在North American Combustion Handbook(1978)，North AmericanMfg.Co.，第二版，1978(ISBN：0960159614)，第243页，图6.7(吸入器设计)和6.8(吸出器设计)中披露了这种燃烧器的实例。该手册的公开特别是通过此引用而被并入本文中。作为替代，可以使用压缩空气将燃烧气体喷射到腔室40内，或者可以使用喷嘴混合燃烧器，其中燃烧器将空气与气体混合但是需要吹风机提供空气。在所有情形中，都有必要存在着具备适当的安全性设施的燃料供应，用以控制吹洗、压力、火焰监视等。通常，当被引入设备中时，燃烧气体具有在500至2000℃范围中的、或者更高的温度，并且因此能够快速地并且数量不限地传输热量。
在操作中，如果需要，当设备被首次投入操作中时，溜槽区段的陶瓷材料可以被燃烧器快速地升高至适当的高温，并且在正常金属流动期间能够无限期地维持这种温度。可替代地，可以在使得金属通过溜槽流动之前利用燃烧气体加热该设备，由此当热金属流首次注入设备中时避免金属快速冷却。一旦已经达到稳态温度，燃料燃烧器50的输出便可以被按比例缩减或者循环地开闭，用以在理想地受计算机数控设施监视的热电偶或者类似的温度传感器件的控制下维持均衡的温度。为此目的，提供两个热电偶55、56以控制每个腔室的温度，一个热电偶55用于控制溜槽和/或溜槽内的金属的温度，并且另一个热电偶56用于腔室内的超温控制。经由定位成与溜槽直接接触的热电偶55在靠近燃烧器处在燃烧室外侧获得溜槽温度。可替代地，热电偶可以被设置成与熔融金属相接触并且从开口上端延伸到溜槽中。第二热电偶56在腔室的最冷部分中被定位成与耐熔材料32接触。燃烧器50然后在两个控制点之间循环，即，使得燃烧器循环打开的低金属温度、以及使得燃烧器循环关闭的高腔室温度。在主热电偶失效的情形中还提供备用热电偶57。
热电偶可以仅被设于外罩30的一个长侧上，但是可替代地可以位于两侧上。通常，热电偶被设于腔室的燃烧器侧上，但是每一个腔室的燃烧器在不同安装中可以被不同地定位，这是由于诸如可用空间和排气设施等等这样的考虑。所以明智的是在设备生产期间在每一侧上均设置热电偶。而且，应该记住的是，在图1到7所示种类的两腔室外罩中，与图中所示的同侧布置相反，一个腔室的燃烧器可以位于与另一腔室的燃烧器相对的横向侧上。实际上，对于热量沿着溜槽区段的均匀分布而言，这可能是优选的。
从图可以注意到，在溜槽区段11的外表面19与腔室40的内侧之间不存在任何种类的材料屏障或者层，这是因为任何这种屏障或者层将会在溜槽区段与热燃烧气体之间增加绝缘措施，由此减缓设备的温度响应或者降低可以被赋予熔融金属的最高温度。然而，可以提供诸如金属或者保护性陶瓷层这样的材料的薄盖或者外壳用于支撑和保护溜槽区段的材料，如果认为这是理想情况的话。这种层应该优选地足够薄(或者足够传热)从而提供极小的或者不提供绝热值。
通过常规的油或者气体线路(在图中未示出)为燃烧器50馈送燃料并且可以利用如在图3中所示的软管夹58固定该线路。在图4中，入口46和出口47的位置被以虚线示出以示意它们相对于内部的位置，但是可以理解的是这些元件形成于外壁(在图4中未示出)中。
图1到7代表一个示例性实施例，其中在外罩内存在两个纵向加热腔室40，它们各自被划分成两个侧向隔室41，这是通常优选的一种布置。然而，对于比较短的溜槽区段，可以只有带有两个隔室、一个入口、一个出口和一个燃料燃烧器的单个腔室(该入口和出口位于同一侧壁中，并且该腔室延伸该溜槽区段的全长)。对于较长的溜槽区段，可以设置多于两个腔室。例如，图8是类似于图5的视图，但是示出一种三腔室设备。在此情形中，另外的腔室40′位于两个端部腔室40之间。该另外的腔室具有分隔壁36′，分隔壁36′将腔室划分成两个隔室41′、并且迫使从燃烧器50′通过侧面入口46′进入腔室40′的热燃烧气体在从侧面出口47′处的隔室发出之前如箭头B′所示般围绕着分隔壁的端部而扩散。如果需要，可以设置另外的类似腔室。应该指出，提供更多的燃烧器和腔室使得有可能将更高数量的热量引入设备中并且沿着通道提供更加精确的对温度或者温度廓线的控制。
如较早指出的那样，图1至7(并且还有图8)的设备旨在提供一种适用于由金属除气器喷嘴使用并且因此相当深的溜槽区段。图9示出一种可替代实施例，该实施例具有用于从一个方位到另一方位地输送熔融金属的、旨在更加通用的较浅溜槽区段11。在此情形中，溜槽区段11的底板在它的全部长度上是平坦的并且不象在早期的设备中那样存在任何溜槽入口和出口部件。为了安全起见，溜槽区段11的总高度应该优选地是在金属水平22以上大致100mm。因为在这种形式的设备中并不打算将诸如气体喷嘴这样的器件引入金属中，绝缘盖60(要么是可移除的、或者是固定的)可以位于溜槽区段的开口上端之上从而为熔融金属提供热绝缘。
在图1到7的两腔室设备的情形中，溜槽区段的长度通常是大约6.5ft.并且被组合的两个燃烧器在设备加热期间能够生成至少600,000Btu/hr，或者92,000Btu/hr/ft(即总共为600,000Btu/hr)的最大值。在稳态操作中，燃烧器的输出可以被按比例缩减成大约360,000Btu/hr，或者55,000Btu/hr/ft。当气体被点火时，燃烧器在最大输出下每分钟可以消耗12,000升的气体。被供应到燃烧器的空气数量应该是适用于将气体完全燃烧成二氧化碳的数量(通常超过完全燃烧所需的化学计量数量3％)，例如120,000升每分钟。这种加热程度在理想情况下保持金属处于适当的温度范围中，例如高于液相线(或者最小350℃)20℃最高达到1300℃(对于铝和铝合金)，以及最高达到大约850℃，或者甚至高达大约1000℃。特别优选的范围是650至725℃。应该指出，大量的加热效果可以利用辐射加热以及对流加热产生。
通常以质量流量为单位来表示金属通过溜槽区段的运动。优选速率是86至550lbs/分钟，或者大约2至5cm/秒，但是实际上无任何下限，这是因为金属即便在静止时也可以保持熔融态。通常，流动不应该过于快速以至变成紊流，经常在15至20cm/秒的范围内发生紊流。
如果有必要，当所示意实施例的设备被联结到其它溜槽区段时，那些区段(特别地如果较轻)也可以被加热，但是加热是利用其它装置，例如利用被嵌入溜槽壁中的、或者用于从上方产生辐射热量的电加热器。
虽然前面的示例性实施例结合了由导热耐熔材料制成的顶部开口的溜槽区段，但是可以提供其它的布置。例如，在图10和11中示出本发明的又一可替代示例性实施例。在图10的实施例中，熔融金属22被输送通过由优选地含有碳化硅的导热材料制成的六个并行管子111。该管子具有内部金属接触表面118和保持不与熔融金属接触的外表面119。管子被绝缘耐熔材料制成的封罩132所围绕，绝缘耐熔材料例如是由耐熔金属氧化物制成的材料。在管子111的外部与封罩132的内部之间封装的空间形成一条通道141，该通道141使得热燃烧气体通过它流动和循环(例如燃烧器被设于封罩132的一个纵向端部处的入口处，并且用于气体的通风孔被设于相对的纵向端部处)。利用来自经过管子111的壁的燃烧气体的热量来保持管子111内的金属是热的，而通过由封罩132提供的绝缘将热量保持在设备110内。因为气体被约束成沿循着独立的路径并且在熔融金属离开该设备之前被通气，所以由管子形成的通道中的热燃烧气体并不接触熔融金属。
在图11的实施例中，通过由绝热材料制成的细长溜槽250输送熔融金属22，该绝热材料例如由耐熔金属氧化物制成的材料。在熔融金属22内悬浮的是导热材料制成的本体211，导热材料优选地是由碳化硅制成的、或者是含有碳化硅的耐熔材质。该本体被制造成包围着被封闭式空间240的中空管状元件的形式。本体211具有与溜槽中的熔融金属接触的外表面218，和不与金属接触的内表面219。例如通过在本体211的一个纵向端部处的入口处设置燃烧器并且在相对的纵向端部处设置通风孔，导致热燃烧气体通过封闭式空间240流动。本体211因此限制并且循环热气体且保持气体不与溜槽250中的熔融金属接触。利用来自经过本体211的导热壁的燃烧气体的热量而保持熔融金属是热的。设置可移除盖260以减少源自熔融金属表面的热量损失。
对照信息
在导热性和抗熔融铝腐蚀性方面研究了用于受热溜槽的可能材料。结果在下面的表格1中示出。
表格1
  供应商   产品   组分   密度g/cc   导热率W/mK   抗熔融Al腐蚀性   注
  Pyrotek   O’Sialon   65％SiC   2.6   9   OK
  Andeman   EC70P   70％SiC、Al硅酸盐   2.1   7   OK
  Pyrotek  Pyrocast(派罗卡斯特铁铬耐热合金)SCM2600   77％SiC、Al硅酸盐   2.6   7   OK
  Pyrotek   PyrocastSCM2600   83％SiC氧化铝   2.4   10   OK
  Andeman   EC90P   90％SiC、Al硅酸盐   2.2   25   OK
  Aremco   素烧氧化铝   氧化铝   2.8   4   裂纹   可机加工
  Pyrotek   PyrocastZA   氧化铝-金属   2.7   6   OK   含有增强强度的金属纤维
  St.Gobain   AX05   BN   1.8   78   OK   非常昂贵
  GE   BNC1   BN合成物   2.2   10   OK   可机加工
  Pyrotek   PyrocastZR   熔融SiO、Al硅酸盐   2.3   1-2   OK
  SGLCarbon   EK10   石墨   1.7   10   OK   在空气中燃烧
  Morgan   Frequentit(弗列宽蒂)e1000   Mg硅酸盐   2.8   3   无数据
  Ceradyne   147-1B   Si3N4   22.3   14   OK   在提交(filing)前可机加工
  Ekatherm   Si3N4   3.2   22   OK   在提交(filing)前可机加工
  普通碳钢   7.9   50   溶解
  合金钢   7.8   40   溶解
  不锈钢   7.9   15   溶解
  Hi-Ni延性铁   7.4   13   溶解
  铸铁   80   腐蚀   能利用洗液(例如BN)涂覆以延长服务寿命
对各种形式的SiC的已公开性质的考察揭示出在下面的表格2中所示的信息(来自MatWeb网站)。
表格2
  材料   导热率W/mK
  SiC，烧结α(alpha)   126
  SiC，升华   110
  SiC，99.9995％   200
  SiC，热压   70
  SiC，零孔隙度   100-160
  SiC，反应结合   125
  SiC，烧结   150
  SiC，化学气相沉积99.9995％   115
  SiC，纤维   150
  SiC，合成   90
  SiC，β(beta)   42
看起来所有这些形式的SiC均具有非常高的导热性，并且因此当足够强固和耐用时可以在所示意的实施例中使用。
从这些表格可见导热率的优选范围是至少约2.5W/mK，例如在约2.5至200W/mK范围中，更优选范围为5至80W/mK和7至25W/mK。

Claims (32)

1.一种熔融金属输送设备，其包括：
熔融金属输送通道；
用于接收并且循环燃烧气体同时防止所述气体进入所述通道中的封罩；
将所述通道的至少一部分与所述封罩分离的导热材料本体；和
用于生成燃烧气体并且将所述气体传输至所述封罩的燃烧器件；
由此，在使用中，来自所述燃烧气体的热量通过所述导热材料本体而被传递到容纳于所述通道中的熔融金属。
2.根据权利要求1的设备，其中所述材料具有在2.5到200W/mK的范围中的导热率。
3.根据权利要求1的设备，其中所述材料具有在5到80W/mK的范围中的导热率。
4.根据权利要求1的设备，其中所述材料具有在7到25W/mK的范围中的导热率。
5.根据权利要求1到4中任何一项的设备，其中所述材料包括耐熔金属化合物。
6.根据权利要求5的设备，其中所述耐熔金属化合物选自包括碳化硅、氮化硼和氮化硅的组。
7.根据权利要求5的设备，其中所述材料按照重量计算至少包括65％的碳化硅。
8.根据权利要求1到7中任何一项的设备，其中所述材料是一种金属，至少在该材料制成的金属接触表面上具有物质涂层，该物质耐受所述熔融金属的腐蚀。
9.根据权利要求8的设备，其中所述金属是铸铁。
10.根据权利要求8或者权利要求9的设备，其中所述物质是氮化硼。
11.根据权利要求1到10中任何一项的设备，其中所述通道由顶部开口溜槽区段限定并且所述封罩包围着所述溜槽区段的外表面。
12.根据权利要求1到10中任何一项的设备，其中通道由适于通过其而输送熔融金属的至少一个管子限定，所述材料本体形成所述至少一个管子的壁，并且所述封罩完全地围绕着所述至少一个管子。
13.根据权利要求1到10中任何一项的设备，其中所述材料本体形成悬浮于所述通道中的中空管状元件，并且所述中空管状元件用作在所述元件内限定封闭式空间的所述封罩。
14.一种熔融金属输送溜槽设备，其包括：
熔融金属输送溜槽区段，所述溜槽区段具有上端和从所述上端围绕着所述溜槽区段延伸的外表面；
至少局部地封装所述溜槽区段的所述外表面的封罩，所述封罩邻近于所述外表面包含至少一个被封装的腔室；
进入所述腔室中的入口，或者当存在多于一个腔室时进入每个腔室中的入口，能够通过所述入口将热燃烧气体引入所述腔室或者每个腔室中；和
离开所述腔室或者当存在多于一个腔室时离开每个腔室的出口，在所述热燃烧气体通过所述腔室或者当存在多于一个腔室时的每个腔室流动之后，能够通过所述出口将所述热燃烧气体从所述腔室或者每个腔室移除，由此通过所述外表面将热量传递到溜槽区段。
15.根据权利要求14的设备，其中所述封罩基本上封装所述溜槽区段的全部的所述外表面。
16.根据权利要求14或者权利要求15的设备，其还包括至少一个热燃烧气体气流发生器，一个所述发生器位于所述腔室或者每个腔室的所述入口处。
17.根据权利要求16的设备，其中所述至少一个发生器在所述溜槽区段之下基本水平地将所述热燃烧气体气流引入所述腔室或者每个腔室中。
18.根据权利要求14到17中任何一项的设备，其中所述溜槽区段由导热耐熔材料制成。
19.根据权利要求18的设备，其中导热耐熔材料包括碳化硅。
20.根据权利要求14到19中任何一项的设备，具有沿着所述溜槽区段的纵向方向彼此紧接地布置的至少两个所述腔室。
21.根据权利要求14到19中任何一项的设备，其中所述腔室或者每个腔室包括至少两个隔室，所述两个隔室在距所述入口和所述出口一定距离处被相互连接到一起并且被定位成约束所述热燃烧气体气流沿着邻近于所述溜槽区段的所述外壁的延伸路径而流动。
22.根据权利要求14到19中任何一项的设备，其中所述腔室或者当存在多于一个腔室时每个腔室具有在使用中接收所述热燃烧气体的内部空间，并且所述溜槽区段的所述外表面被直接地暴露于所述内部空间。
23.根据权利要求14到22中任何一项的设备，其还包括至少两个热电偶，一个热电偶被定位成当在所述溜槽区段中存在熔融金属时测量所述熔融金属的温度，且另一个热电偶被定位成测量在所述腔室中的、或者当存在多于一个腔室时所述腔室的至少一个中的温度。
24.根据权利要求14到23中任何一项的设备，其还包括位于所述溜槽区段的所述上端之上的绝热盖。
25.一种向通过金属输送设备流动的熔融金属提供热量的方法，所述金属输送设备设有用于输送所述熔融金属的至少一个通道，用于接收并且循环燃烧气体的封罩和将所述通道的至少一部分与所述封罩分离的导热材料本体，所述方法包括：
通过所述通道输送熔融金属；
生成燃烧气体；
使得所述燃烧气体进入所述封罩并且循环通过所述封罩循环，同时约束所述燃烧气体以防止所述气体进入所述通道。
26.一种加热熔融金属输送溜槽的区段的方法，所述溜槽区段具有上端和从所述上端围绕着所述溜槽区段延伸的外表面，所述方法包括：
生成至少一个热燃烧气体移动气流；和
引导所述至少一个热燃烧气体气流通过围绕着所述熔融金属输送溜槽区段的所述外表面的至少一个部分的至少一个封闭式空间而流动，由此将所述溜槽区段的所述外表面的所述至少一个部分暴露于所述热燃烧气体并且使得热量能够通过所述外表面传递到所述溜槽区段中。
27.根据权利要求26的方法，其中所述至少一个封闭式空间围绕着所述溜槽区段的基本上全部的所述外表面。
28.根据权利要求27的方法，其中所述至少一个气流被引导以在邻近于所述溜槽区段的所述外表面的延伸路径中流动。
29.根据权利要求28的方法，其中所述至少一个气流被引导以在延伸的缠绕式路径中流动。
30.根据权利要求26到29中任何一项的方法，其中通过在燃烧空气气流中燃烧燃料而生成所述热燃烧气体气流。
31.根据权利要求26到30中任何一项的方法，其中所述至少一个气体气流被引导以最初在所述溜槽区段之下流动。
32.根据权利要求26到30中任何一项的方法，其中生成至少两个所述热燃烧气体气流并且各自被引导以通过不同的封闭式空间流动，每个空间沿着所述溜槽区段的纵向方向相继地布置。
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