CN102212703B - 用于使气体散布到熔融金属中的推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器，本推进器包括具有顶面和底面以及四个侧壁的长方形棱柱体本体，本体具有穿过顶面和底面延伸的开口，并且本体围绕顶面上的开口限定出轮毂，本推进器还包含从轮毂径向向外延伸的多个细长凹槽，每个凹槽都具有平行于该凹槽的最大尺寸的纵向轴线，并且纵向轴线与开口的半径共线。

Description

用于使气体散布到熔融金属中的推进器

本申请是分案申请，其母案申请的申请号为200780026607.5(国际申请号为PCT/US2007/073465)，申请日为2007年7月13日，发明名称为“用于使气体散步到熔融金属中的推进器”。

本申请要求2006年7月13日提交的第60/830,647号临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及使气体散布到熔融金属中，更具体地，涉及用于使细碎的气泡均匀地散布到熔融金属中的技术设备。

背景技术

在处理熔融金属的过程中，有时需要用气体来处理金属。例如，为了去除诸如氢气、非金属掺杂物、以及碱金属的不需要的组分，通常将诸如氮和氩的生产气体(process gas)导入到熔融铝和熔融铝合金中。加入熔融金属中的生产气体与不需要的组分发生化学反应，以将这些不需要的组分转化成能够容易地与剩余的熔融金属区分开的形式(诸如沉淀物或渣滓)。为了达到最佳效果，有必要使生产气体与不需要的组分有效化合。这种效果要求气体散布在尽可能小的气泡中，并且要求气泡均匀地分布在熔融金属中。当需要去除氢气时，生产气体气泡允许氢原子扩散到气泡中并且形成氢分子。然后气泡上升至氢能够被释放到大气或渣滓相(dross phase)或熔剂覆盖层中的表面。

如本文中所使用的，所提及的“熔融金属”应被理解成表示受气体净化作用的任何金属，诸如铝、铜、铁及其合金。而且，术语“气体”应被理解成表示对与其相混合的熔融金属有净化作用的任何气体或气体的混合物，包括氩、氮、氯、氟里昂等。

迄今为止，都是由诸如喷头的固定件或者由多孔扩散消声器通过喷射使气体与熔融金属相混合。这种技术存在可能出现气体没有充分地散布到熔融金属中的缺陷。为了使气体充分地散步到熔融金属中，通常使用旋转式喷射器，该旋转式喷射器提供了对气泡的剪切作用并且表示搅动/混合生产气体与液态金属。

尽管存在组合旋转式/喷射式的装置，但仍然存在一定问题。组合式装置通常表现出较弱的混合作用。有时出现气穴现象或者引起围绕其中装有熔融金属的容器的内部运动的涡流。通常，这些装置散布得气泡太大或者气泡没有均匀地分布在熔融金属中。一种已知现有装置的一个问题是其使用具有可能被渣滓或异物堵塞的通道的推进器。大多数现有装置都是很昂贵的、复杂的，并且仅可用于一类熔融金属精炼系统。经常遇到的其他问题是由于氧化、腐蚀、或者机械强度不够而导致装置的使用寿命较短。后面这些利害关系在铝的情况下尤其麻烦，因为旋转式/喷射式装置通常由石墨制成，而石墨经受正在进行的氧化并且被熔融铝腐蚀掉。因此，起初执行得很好的装置通常很快被氧化并腐蚀掉，从而使它们的混合效率及气体散布效率迅速降低；在严重的情况下，可能出现完全的机械故障。

本文中所公开的特殊推进器被证实是非常有效的。该推进器呈具有锋利的角及多个凹槽的长方形棱柱体的形式，其提供了特别有效的混合作用。

发明内容

在第一实施例中，一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器包括具有顶面和底面以及四个侧壁的长方形棱柱体本体。该本体具有穿过顶面和底面延伸的开口，并且围绕顶面上的开口限定出轮毂。推进器还包括从轮毂径向向外延伸的多个细长凹槽。每个凹槽都具有与凹槽的最大尺寸平行的纵向轴线。每个凹槽都设置在顶面上，并且纵向轴线与开口的半径共线。

根据另一个实施例，一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器包括推进器本体，该推进器本体包括：第一面；与第一面隔开的第二面；在第一面与第二面之间延伸的侧壁；以及在第一面与第二面之间延伸穿过本体的开口。推进器还包括从第一面朝向第二面延伸到本体内且终止于第二面上方的多个凹槽。每个凹槽都从推进器本体的中心部分延伸至侧壁。每个侧壁都与至少两个凹槽相交。

根据另一个实施例，一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器包括：第一面；与第一面隔开的第二面；在第一面和第二面之间延伸的侧壁；以及在第一面与第二面之间延伸穿过本体的开口。推进器还包括从第一面朝向第二面延伸到本体内且终止于第二面上方的多个凹槽，并且沿着每个凹槽的最长尺寸限定出对称轴。每个凹槽的横截面面积沿着对称轴线的大部分基本不变。

附图说明

图1是装有熔融金属的容器的横截面图，气体散布装置已浸入其中；

图2是图1的散布装置的放大图，所示推进器和轴是分开的关系；

图3是图2的推进器的透视图；

图4-图14是测试的其他推进器的视图(图4和图6是平面图，剩余的是透视图)；

图15是描绘了对于90标准立方英尺/小时图3-图14中所示推进器所需的最小速度(RPM)的图表；以及

图16是描绘了图3-图14中所示推进器的氧去除的相关等级的图表；

具体实施方式

本申请结合参考第4,898,367号美国专利和第5,143,357号美国专利。

本发明涉及一种更有效的推进器。装置10能够用在各种环境中，在此将描述一个典型的装置。参考图1-图3，一种根据本发明的喷气装置大体上由参考标号10表示。装置10适于浸入到装有熔融金属12的容器14中。容器14设有可拆装的盖16，以防止过多的热量从熔融金属12的上表面损失。容器14能够被设置成各种形状，诸如立方形或圆柱形。为了本描述，容器14将被描述为圆柱形，其内径由图1中的字母D表示。对于非圆柱形的应用，字母D将标识出限定容器14的平均内径的尺寸。

装置10包括推进器20和轴40。推进器20和轴40通常由石墨制成，尤其是如果被处理的熔融金属是铝。如果使用石墨，则优选地应该被镀层或者通过其他处理来抗氧化和抗腐蚀。对石墨部分的氧化和腐蚀处理在商业上已实践过，并且能够从诸如俄亥俄州、梭伦市、极光路31935、邮编44139的Metaullics Systems的来源处得到。

如图1中所示，轴40是一细长件，其刚性地连接至推进器20并且通过设置在盖16中的开口22延伸到容器14外。如图3中所示，推进器20呈具有顶面24、底面26、以及侧壁28、30、32、34的长方形棱柱体的形式。推进器20包括穿过底面26开口的排气口(gasdischarge outlet)36。在优选实施例中，排气口36(图1)组成螺纹开口38的一部分，该螺纹开口穿过推进器20延伸，并且其穿过顶面24和底面26开口。如同侧壁28、32和侧壁30、34，面24、26近似地彼此平行。面24、26以及侧壁28、30、32、34都是平面，这些平面限定出锋利的、成直角的角39。

如图2和图3中所示，侧壁30、34具有由字母A标识出的宽度，而侧壁28、32具有由字母B标识出的深度。推进器20的高度，即，顶面24与底面26之间的距离由字母C表示。优选地，尺寸A近似地等于尺寸B，并且尺寸C近似地等于尺寸A的三分之一。与上述尺寸存在偏差也是可行的，但是当尺寸A与尺寸B彼此近似相等(推进器20在平面图中是正方形的)时，并且当角39是锋利的且近似成直角时，将获得最佳性能。而且，角39应该在底面26上方近似垂直于底面26延伸至少一段较短距离。

如所示的，角39近似垂直于底面26直至它们与顶面24相交。尽管不希望，但是有可能顶面24会大于或小于底面26，或者顶面24相对于底面26会歪斜；在任何一种情况下，角39都不会近似垂直于底面26。当角39严格垂直于底面26时获得最佳性能。还有可能推进器20在平面图中是三角形的、五边形的、或者多边形的，但是认为除长方形、正方形棱柱体以外的任何形状都表现出降低了剪切气泡和混合气泡的性能。

如果有可能，尺寸A、B、和C还应当与容器14的尺寸有关。具体地，已经发现，当推进器20位于容器14内的中心并且尺寸A与D之比在1∶6至1∶8的范围内时，推进器20执行得最好。尽管推进器20会在几乎任何尺寸或形状的容器14中充分运作，但是前述关系是优选的。

推进器20还具有延伸穿过推进器20的顶面24及底面26的中心延伸的螺纹开口38。推进器20还包含中心部分或轮毂50，其在顶面的中心构成顶面24的一部分。从轮毂50径向向外地延伸有多个凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74。凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74设置在顶面24上。凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74中的每个都包括一对相对的平行侧壁76。每个凹槽都从轮毂延伸至相应的侧壁，并且相应的凹槽在侧壁上开口。在所述实施例中，每个侧壁都与三个凹槽相交。

如从对图3的分析中显而易见的，凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74从顶面24延伸至推进器20的本体内，并且这些凹槽具有与顶面和底面26隔开且大致与之平行的下表面。凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74相对于彼此以大致相等的角度设置，即，任何给定凹槽都等距离地设置在相邻凹槽之间。此外，凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74包括纵向轴线L(其也是对称轴线)，这些纵向轴线彼此成一条直线并且从一侧延伸至相对一侧(两个凹槽一条轴线，每个凹槽位于螺纹开口38的相对一侧)。纵向轴线L平行于每个凹槽的最大尺寸并且与螺纹开口38的半径共线(即，穿过螺纹开口的中心延伸)。每个凹槽的最外端(远端)的垂直于纵向轴线的横截面都大致是正方形或长方形的。每个凹槽在其最内端(近端)都被倒圆。垂直于纵向轴线的横截面面积从凹槽的远端至倒圆的近端起始处保持不变。横截面面积在大于纵向轴线长度的大部分上保持不变。

回过来参考图2，轴40包含细长的圆柱形中心部分42，螺纹上端44和下端46从该中心部分伸出。轴40包含纵向延伸的孔48，其穿过螺纹部分44、46的端部开口。轴40可以由石墨线材坯(rodstock)加工成，或者由商业上可获得的熔剂管或喷气管、仅通过在管的每端加工出螺纹而制成。一种典型的适用于本发明的熔剂管具有2.875英寸的外径、0.75英寸的孔径、以及取决于容器的深度的长度。

如图中所示，下端46被旋拧到形成在轮毂50的开口38中，直到圆柱形部分42所限定的台肩接合顶面24。使用粗牙螺纹(2.5-4英寸螺距，通用命名标准)便于制造和组装。如果需要，轴40可通过不同于螺纹连接的技术刚性地连接至推进器，诸如，如果需要，强化连接的胶合或钉住。

螺纹端44连接至旋转驱动机构(未示出)，并且孔48连接至气体源(未示出)。当将推进器20浸入到熔融金属中并且通过孔48抽吸气体时，气体将通过开口36以大气泡的形式排出，这些大气泡沿着底面26向外流动。当轴40旋转时，将使推进器20旋转。假设气体具有比熔融金属低的比重，随着气泡离开侧壁28、30、32、34的下边缘，它们将上升。最后，气泡将接触锋利的角39。气泡将被剪切成细碎的气泡，这些气泡将被向外抛出并且完全与在容器14中搅拌的熔融金属12混合。在熔融金属12是铝并且处理气体是氮或氩的特定情况下，轴40应该在每分钟200-400转的范围内旋转。因为有四个角39，故每分钟剪切边缘将有800-1600转。

通过使用根据本发明的装置，大量细碎气泡形式的气体能够被抽吸到熔融金属12中，并且如此抽吸的气体借助于本发明的推进器将具有较长的气泡停留时间。装置10能够以1至2立方英尺/分(cfm)的标称流速流畅地抽吸气体而不会堵塞。装置10在散步气体以及使气体与熔融金属12混合方面是非常有效的。本发明是非常廉价且易于制造的，并适用于所有类型的熔融金属旋转精炼系统。装置10不需要精确加工、复杂的零件，因此它具有更好的抗氧化性和抗腐蚀性、以及提高的机械强度，所有这些都提供了更长的使用寿命。因为推进器20和轴40对于熔融金属12呈现固体表面，所以没有可以被渣滓或异物阻塞的孔或者通道。

当装置10被用作气体散布器的时候，希望将推进器20放置得相对靠近其中设置有装置10的容器的底部。

尽管以具有一定程度特殊性的优选形式描述了本发明，但应该理解的是，对优选实施例的公开仅仅是通过实例的方式，并且在不背离如下文中所要求的本发明的实质精神和范围的情况下可以做出各种改变。旨在使本专利被所附权利要求中的恰当表述所覆盖，而无论与专利新颖性相关的特征是否存在于本发明所公开的内容中。

实例部分

执行下列测试条件：

水箱48″×48″×31″

转子与地面保持4″

氧传感器用于测量损耗

每次测试后抽回空气，以使氧含量具有相同的起始点

氮用于在除气(degas)期间取代氧

标准条件：

RPM：250、325、400

流速(scfh)：30、60、90

上述结果表明已知的“改进之星”转子的卓越性能。转子如图3所示。因为水与铝流体之间的“动态相似性”，即，它们具有相似的运动粘度，故熔融铝的除气效率趋势将遵循水模型中氧损耗所显示的结果，即，期望转子按照同一关于彼此的比较结果运作。已经参照优选实施例描述了示例性实施例。显然，在阅读和理解了前面的详细描述后，其他人可以做出修改和改动。旨在当这些修改和改动落入所附权利要求或其等同物的范围内时，这些示例性实施例被认为是包括所有这些修改和改动。

Claims (18)

1.一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器，所述推进器包括具有顶面和底面以及四个侧壁的长方形棱柱体本体，所述本体具有穿过所述顶面和底面延伸的开口，并且所述本体围绕所述顶面上的开口限定出轮毂，所述推进器还包含从所述轮毂径向向外延伸的多个细长凹槽，每个凹槽都具有与所述凹槽的最大尺寸相平行的纵向轴线，并且所述纵向轴线与所述开口的半径共线。

2.根据权利要求1所述的推进器，其中，至少两个凹槽的纵向轴线与所述开口的直径成一直线。

3.根据权利要求1所述的推进器，其中，每个凹槽都等角度地间隔设置在相邻凹槽之间。

4.根据权利要求1所述的推进器，其中，所述推进器本体包括至少五个凹槽。

5.根据权利要求4所述的推进器，其中，所述推进器本体包括至少12个凹槽。

6.根据权利要求1所述的推进器，其中，每个凹槽的纵向轴线与所述开口的半径成一直线。

7.根据权利要求1所述的推进器，其中，所述开口是带螺纹的。

8.根据权利要求1所述的推进器，其中，每个凹槽的垂直于所述纵向轴线的横截面面积沿着所述纵向轴线的大部分基本不变。

9.根据权利要求1所述的推进器，其中，在组合时，细长的可旋转轴连接至所述推进器，所述轴从所述推进器的一个面伸出并且具有第一端和第二端，所述第一端被构造成连接至相关的气体源，而所述第二端被接收在所述推进器中的开口内，所述轴具有纵向延伸的孔，以便与所述推进器中的开口流体连通，从而使待散布到熔融金属中的气体能够通过所述轴传送，并且沿着所述推进器的底面传送到所述推进器外。

10.一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器，所述推进器包括推进器本体，所述本体包括：第一面；与所述第一面隔开的第二面；在所述第一面与所述第二面之间延伸的侧壁；以及在所述第一面与所述第二面之间延伸穿过所述本体的开口，所述推进器还包含从所述第一面朝向所述第二面延伸到所述本体内且终止于所述第二面上方的多个细长凹槽，每个细长凹槽都从所述推进器本体的中心部分延伸到侧壁，其中每个侧壁都与至少两个细长凹槽相交，在组合时，细长的可旋转轴连接至所述推进器，所述轴从所述推进器的一个面伸出并且具有第一端和第二端，所述第一端被构造成连接至相关的气体源，而所述第二端被接收在所述推进器中的开口内，所述轴具有纵向延伸的孔，以便与所述推进器中的开口流体连通，从而使待散布到熔融金属中的气体能够通过所述轴传送，并且沿着所述推进器的底面传送到所述推进器外。

11.根据权利要求10所述的推进器，其中，所述本体具有长方形棱柱体的构造。

12.根据权利要求10所述的推进器，其中，每个侧壁都与至少三个细长凹槽相交。

13.根据权利要求10所述的推进器，其中，每个侧壁都与具有垂直于所述侧壁的对称轴线的细长凹槽相交。

14.根据权利要求10所述的推进器，其中，所述第一面平行于所述第二面。

15.根据权利要求10所述的推进器，其中，每个细长凹槽都包括对称轴线以及沿着所述对称轴线的大部分基本不变的横截面面积。

16.一种用于使气体散布到熔融金属中的推进器，所述推进器包括推进器本体，所述本体包括：第一面；与所述第一面隔开的第二面；在所述第一面与所述第二面之间延伸的侧壁；以及在所述第一面与所述第二面之间延伸穿过所述本体的开口，所述推进器还包含从所述第一面朝向所述第二面延伸到所述本体内且终止于所述第二面上方的多个细长凹槽，每个细长凹槽都从所述推进器本体的中心部分延伸到侧壁，并沿着每个细长凹槽的最大尺寸限定对称轴线，每个细长凹槽的横截面面积沿着所述对称轴线的大部分基本不变，在组合时，细长的可旋转轴连接至所述的推进器，所述轴从所述推进器的一个面伸出并且具有第一端和第二端，所述第一端被构造成连接至相关的气体源，而所述第二端被接收在所述推进器中的开口内，所述轴具有纵向延伸的孔，以便与所述推进器中的开口流体连通，从而使待散布到熔融金属中的气体能够通过所述轴传送，并且沿着所述推进器的底面传送到所述推进器外。

17.根据权利要求16所述的推进器，其中，每个细长凹槽都具有封闭的近端和敞开的远端，所述近端呈弧形。

18.根据权利要求16所述的推进器，其中，每个侧壁与至少两个细长凹槽相交。

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