CN102812319A - 具有流通通风的熔融金属容纳结构 - Google Patents

Abstract

本发明的示范性实施方式提供了一种熔融金属容纳结构，其包括：耐熔的熔融金属容纳容器，其具有外表面；以及用于该容器的金属铸件，其具有以一定距离至少部分地环绕该容器外表面的内表面，由此在该容器和铸件之间形成间隔。该间隔包括未阻塞的向上延伸的间隙，该间隙通过铸件中的上开口和下开口通向结构的外部。绝缘材料层被优选地定位在铸件内表面和容器外表面之间的间隔中，至少在铸件的向上延伸的侧面处所述绝缘材料层比所述间隔窄，因此形成所述未阻塞的间隙。该容器可以是金属传送沟槽、用于金属过滤器的壳体、用于金属脱气单元的贮存器、熔炉等。

Description

具有流通通风的熔融金属容纳结构

技术领域

本发明涉及熔融金属容纳(containment)系统以及用于例如将熔融金属从一个位置传送至另一个位置(例如从金属熔炼炉传送至金属铸模或浇铸台)的结构。更具体地，本发明涉及这样的结构，其容纳例如金属分配沟槽(trough)、熔炉等耐熔(通常是陶瓷)的容器，该容器被容纳在用于支撑、保护及定位所述耐熔的容器的外金属铸件内。 

背景技术

这类金属容纳结构遭受着不利：在使用期间由于与熔融金属接触，耐熔容器可能变得极热(例如当传送熔融铝或铝合金时为680℃至750℃)。如果将该热量输送至该结构的外金属铸件，该金属铸件可能经受膨胀、弯曲或扭曲，这转而可能引起在容器中形成裂缝，或者如果耐熔容器是以多个区段制成，可能引起在这些区段之间形成间隙，从而允许熔融金属从容器渗漏至铸件中。另外，铸件的外表面可以呈现一个对于设备的操作者来说不安全的操作温度。如果将附加的加热设备应用于铸件内的容器外部以便在所期望的高温下维持熔融金属，这些不利将变得更糟。例如，当安置了这类另外的加热设备时，容器外侧上的温度可以达到高达900℃。可以将绝缘材料层设置在容器和铸件的内部之间，但是在没有过度增加金属容纳结构的壁宽的情况下，这样的层可能不足以在铸件的外表面处维持可接受的温度。

在铸件内形成空气间隙来提供对容器的进一步热绝缘也是可能的。例如，在1994年5月31日颁发给Skinner等人的美国专利5,316,071公开了一种熔融金属分配流槽(launder)，其在绝缘层与外金属铸件或壳之间具有空气间隙或多个空气间隙。一种风箱被安置来使得空气沿着侧壁腔体纵向移动，以便冷却支撑结构。然而，提供这样一种风箱布置是复杂且昂贵的，并且因此是不合需要的。

因此，为金属容纳结构的金属铸件内的耐熔金属容纳容器(诸如沟槽)提供支撑、同时避免外铸件表面处的过度升温的改进手段是需要的。

发明内容

本发明的一个示范性实施方式提供了一种熔融金属容纳(例如保持或分配)结构，其包括：耐熔的熔融金属容纳容器，其具有外表面；以及用于所述容器的金属铸件，其具有内表面，该内表面以一定距离至少部分地环绕所述容器的外表面，由此在所述容器和铸件之间形成间隔。该间隔包括未阻塞的向上延伸的间隙，该间隙通过铸件中的上开口和下开口通向所述结构的外部。优选地，将绝缘材料层定位在所述铸件的内表面和所述容器的外表面之间的间隔中，至少在所述铸件的向上延伸的侧面处该绝缘材料层比所述间隔窄，因此形成了未阻塞的间隙。

未阻塞的间隙优选地是在绝缘材料层与金属铸件的内表面之间形成，但是可替代地或附加地，可以在绝缘材料层与耐熔容器的外表面之间形成。附加地，第二间隙(通风的或不通风的)可以在未阻塞间隙对面的绝缘材料层的侧面上形成。

如果需要，可以将未阻塞的间隙制成延伸横穿金属铸件的底部，并且在向上延伸的侧面处延伸。

铸件优选地具有底壁、侧壁和顶部，上开口和下开口被定位在铸件的顶部和底壁中、或者邻近于铸件的顶部和底壁。优选地，下开口是在用于铸件的底壁和侧壁的多个板之间形成的通道，并且上开口是铸件上壁中的孔或槽(slot)。

最优选地，将未阻塞的间隙和这些开口的尺寸制成引起空气层流通过该间隙。

例如，该容器可以是一种具有伸长通道的伸长熔融金属传送沟槽(该伸长通道从沟槽的一个纵向端部延伸至对面的纵向端部)、一种具有用于传送熔融金属的通道的容器(该通道设置有金属过滤器)、一种具有用于容纳熔融金属的内部容积的容器(其具有至少一个延伸进内部容积中的金属脱气叶轮)、或者一种具有适用于容纳熔融金属的内部容积的熔炉。

一个优选实施方式提供了一种熔融金属分配结构，其具有：陶瓷沟槽，其具有侧面和底部以及外表面；以及用于所述陶瓷沟槽的金属铸件，其具有内表面，所述内表面以一定距离至少部分地环绕所述陶瓷沟槽的外表面，由此在所述沟槽和铸件之间形成间隔。热绝缘材料层被定位在所述陶瓷沟槽和铸件之间的间隔中。将邻近于所述陶瓷沟槽侧面的绝缘材料层制成比在这些位置处的间隔窄，以便在其侧面处的结构内形成向上延伸的连续的未填充间隙。该间隙与铸件中的下开口和上开口相连通，这些下开口和上开口被定位成允许外部空气进入并向上流动通过该间隙。该间隙产生并且空气流动通过铸件，这降低了铸件的温度。

所有示范性实施方式的容器主要是旨在用来容纳或传送熔融铝或铝合金，但是可以应用于容纳或传送其它的熔融金属和合金，尤其是那些具有与熔融铝相似熔点的金属，例如镁、铅、锡和锌(它们具有比铝的熔点更低的熔点)以及铜和金(它们具有更高的熔点)。铁和钢具有高得多的熔点，但是如果需要，也可以将本发明的结构设计成用于这样的金属。保持在未加热容器中的熔融铝通常是保持在680至720℃范围中的温度下。在这样的条件下，绝缘层的外表面温度将通常在约250至300℃，并且本示范性实施方式可以将外部金属铸件的温度降低至100℃或更小。

所述容器优选地由耐熔材料制成。如本文中所用涉及金属容纳容器的术语“耐熔材料”是旨在包括相对耐熔融金属的冲击、并且在考虑到容器的高温下能够保持它们强度的所有材料。这样的材料包括但不限于陶瓷材料(无机非金属固体和耐热玻璃)和非金属。一份合适材料的非限制性名单包括下列材料：铝的氧化物(氧化铝)、硅的氧化物(二氧化硅，尤其是熔融石英)、镁的氧化物(氧化镁)、钙的氧化物(石灰)、锆的氧化物(氧化锆)、硼的氧化物(氧化硼)；金属碳化物、硼化物、氮化物、硅化物，诸如碳化硅、氮化物粘结的碳化硅(SiC/Si3N4)、碳化硼、氮化硼；铝硅酸盐，例如铝硅酸钙；合成材料(例如氧化物和非氧化物的合成物)；玻璃，包括可加工的玻璃；由纤维制成的矿物棉或其混合物；碳或石墨；诸如此类。

术语“金属容纳容器”包括而不限于旨在并且被设计成将熔融金属保持一段时间的容器、以及旨在并且被设计成将熔融金属连续地或间歇地从一个位置传送至另一个位置的容器。

附图说明

参考附图，在下文中描述本发明的示范性实施方式，在附图中：

附图中的图1为根据本发明的一个示范性实施方式的熔融金属容纳结构或流槽的透视图；

图2为图1中结构的横向截面；以及

图3为图1和图2中部分结构的侧视图。

具体实施方式

图1至图3图示了根据本发明一个示范性实施方式的熔融金属分配结构10(例如流槽)。该结构具有起到金属容纳容器作用的耐熔沟槽12。该沟槽由两个沟槽区段12A和12B组成，其可以由耐高温且耐通过该沟槽传送的熔融金属冲击的任何合适的陶瓷材料制成。合适的实例包括氧化铝以及诸如碳化硅等金属碳化物。该沟槽具有U形通道13，用于将熔融金属从该结构的一端部传送至另一端部。在使用中，该结构将在每一端部处连接至其它设备，例如来自金属熔炼炉的流槽以及引向铸模或浇铸台的流槽(未示出)。该沟槽具有纵向侧面14、底部15以及沿着通道13的每一侧伸展的狭窄顶部边缘16。

沟槽12被定位在金属铸件17内，并且部分地由金属铸件17环绕。金属铸件17用于定位该沟槽以便使沟槽区段互相对齐并保持接触，并且用于保护该沟槽。铸件17具有侧面18、底部19(见图2)以及顶板20，顶板20在该沟槽的U形通道13的每一个侧面上延伸。铸件17可以由钢或者在升高的温度下展示良好强度的其它金属制成。

如所图示的，本示范性实施方式的铸件由多个部分制成。该铸件的侧面和底部分别由伸长的金属板22和23制成。这些板通过许多U形金属肋25被保持在一起，这些肋25沿着该结构在其纵向端部之间被间隔开。这些肋25依次由在肋部之间延伸的金属侧面托架27和底部托架28保持，并且这些肋部被连接至这些托架的外边缘。该铸件在每一个纵向端部处还具有端部压缩凸缘30，端部压缩凸缘30使该沟槽处于纵向压缩下以使裂缝最少化。

沟槽12通过竖直的压缩支撑件32以及水平的压缩支撑件34被刚性支撑在该铸件内。这些支撑件均采用金属杆35(例如由不锈钢制成)的形式，金属杆35延伸经过底部托架28和侧面托架27、经过在板23和22中的孔以及热绝缘材料46和47，以便在底部15和侧面14的下端部处接触该沟槽。杆35的内端部设置有增大的金属接触垫片36，金属接触垫片36将由这些杆施加的载荷传至沟槽12以避免对沟槽的破坏。竖直的压缩支撑件32不仅支撑该沟槽而且施加压缩力，这是可能的，因为该沟槽的顶部边缘16在铸件的顶板20下方受到限制，顶板20是由螺栓37牢固地压住。水平的压缩支撑件34也邻近于该沟槽的底部施加压缩力，这些支撑件被定位成彼此相对以平衡所施加的力。因此，压缩支撑件使沟槽悬置在铸件内，同时留下空间40和42，空间40和42分别在沟槽的侧面和底部处将沟槽的外表面从铸件分离。借助于位于经过压缩支撑件32和34的螺栓的头部45下方的压缩垫圈44，压缩支撑件适应于由热循环引起的沟槽与铸件的任何膨胀和收缩。 

定位在空间40和42内的是由热绝缘材料制成的层46和47。这些层可以由任何合适的耐热的热绝缘体制成，例如由诸如氧化铝等耐熔陶瓷制成的板。层46和47至少在沟槽的侧面处比空间40和42窄，并且由此在铸件的绝缘层和内表面之间产生未充填的连续间隙49和50。这些间隙是通过使绝缘层保持远离侧板22内表面的间隔螺栓(spacing bolt)48来维持的。间隙51和52也形成在绝缘层46和47与沟槽12的外表面之间。然而，在铸件侧面处的外间隙49完全地通向外部大气，这是由于它们与上开口54和下开口55相连通。下开口55实际上是沿形成在铸件的侧板22和底板23之间结构的长度伸展的开放通道，这是由于这些板是以它们的边缘不接触的方式来被保持的。上开口54是形成在顶板20中的槽，如从图1最佳地看到。在沟槽的每一个侧面上有若干个这样的槽沿着顶板20纵向布置。如由图2中示出的箭头所指示的，上开口54和下开口55允许外部空气进入间隙49、由于空气的加热所引起的对流而向上经过这些间隙、并且通过上开口54离开这些间隙和铸件。因此，这些间隙和开口提供了一种被动型冷却：从邻近于铸件内表面的结构内部移除热量，并且因此有助于降低铸件壁的温度，由此减少了弯曲、扭曲和损坏的可能性，并且减少了烧到操作者的风险。

如所示出的，铸件底部处的间隙50借助于该间隙与侧面间隙49的连通也通向外部。由于该通风(venting)，铸件的底部也由此降低了温度。

侧面间隙49的宽度以及开口54和55的大小是优选地使得相对慢的空气层流在没有引起湍流的情况下经过间隙49，因为湍流可以增加横穿该间隙的热传递。间隙的最佳宽度随着沟槽的高度、绝缘层46和47的表面特征、顶板20的设计以及压力、湿量和空气温度的变化而变化，因此最佳宽度可以根据这样的参数进行变化。然而，由于切削及焊接公差，在结构的长度上难以维持小于0.06英寸(2毫米)的间隙。另一方面，由于间隙被制成更宽，顶板20的宽度必须增加，并且这要求板由更厚的工具钢制成或者提供支撑肋，以便承受由耐熔沟槽的竖直压力所引起的弯矩。出于这些原因，具有大于约2英寸(5.1厘米)、或者甚至1英寸(2.5厘米)的宽度的间隙是成问题的，并且比约0.375英寸(1厘米) 、或者甚至0.25英寸(6毫米)更宽的间隙可以要求用于顶板的额外的结构支撑件。通常，开口54和55在尺寸上且可能在形状上被制成合适的以便促使空气的光滑层流通过这些间隙，并且开口54对于控制气流确实可能是最重要的。通过试验和实验或者通过计算机模型技术，可以选择开口尺寸对间隙尺寸的合适比率。

在图示的示范性实施方式中，形成在绝缘层46和47的沟槽侧上的间隙51和52没有通向外部，所以它们起到不通风的热障(thermal break)或空气间隙的作用，但是通过提供适宜的开口(例如，提供与间隙49和50连通的绝缘层46和47中的小的上、下开口)可以替代地使它们通风，以便产生该结构的其它通风冷却。然而，即使没有设置这样的附加通风，间隙51和52从铸件提供了沟槽的附加热绝缘。

图3图示了如何将端部压缩凸缘30在压缩情况下进行放置以便作用在沟槽12的端部上。因此，凸缘30相对于铸件的余下部分是可移动的，并且附接到经过邻近肋25的螺栓60上。螺栓头部61的旋转将凸缘20轴向向内拉动，并且使凸缘转而地压在沟槽12的纵向端部上(图2)。由于热循环所引起的收缩和膨胀，定位在螺栓头部61和肋25之间的压缩垫圈62允许沟槽的轻微移动。

尽管以上图示的示范性实施方式是优选的，如有需要，可以做出各种修改和改动。例如，在该结构中可以完全没有绝缘层46和47，从而仅依赖于被动空气通风来保护外金属铸件免于暴露于高温。而且，当存在这样的绝缘层时，可以将通风的间隙设置在绝缘层的容器侧上而不是如所示出的在铸件侧上，尽管这可具有从沟槽收回大量热量的效果。通过在绝缘体的底层47中以及在靠近顶部的绝缘体的侧面层46中设置孔或槽，绝缘体的沟槽侧上的间隙可以被动地通风。外部空气于是仍将可以通过下开口55进入，并且经由上开口54离开，或者能将上开口54移至在绝缘体的沟槽侧上的间隙之上的位置。

图1至3的结构没有包括用于铸件内的沟槽的加热装置，但是使用这样的加热装置是可能的。例如，可以将电加热元件设置在沟槽12的每一侧处的间隙51中。在2005年12月13日颁发给Tingey等人的美国专利No.6,973,955(其公开内容通过引用被具体地并入本文)中公开了具有加热装置的沟槽结构的其它实例。如果安置了这样的加热装置，可取的是使竖直和水平压缩支撑件的杆35部分地或完全地由耐熔陶瓷材料(例如氧化铝)而不是由金属来制造。这是因为当将加热装置设置在铸件内时，这些杆将经受更高的温度，并且这样的温度可引起金属杆变形或失去压缩强度。

在以上实施方式中，沟槽12是用于熔融金属分配系统中的此类伸长的熔融金属沟槽，该熔融金属分配系统用于将熔融金属从一个位置(例如金属熔炼炉)传送至另一个位置(例如铸模)。然而，根据其它的示范性实施方式，可以安置其它类型的金属容纳及分配容器，例如作为嵌入式陶瓷过滤器(例如陶瓷泡沫过滤器)，其用于当熔融金属流通过时(例如从金属熔炼炉至浇铸台)将颗粒从熔融金属流中过滤出来。在这样的情形中，该容器包括用于传送熔融金属的通道，其具有定位在通道中的过滤器。在1997年10月7日颁发给Aubrey等人的美国专利No.5,673,902以及公布于2006年10月26日的PCT公开号WO2006/110974 A1中公开了这样的容器和熔融金属容纳系统的实例。

在另一个示范性实施方式中，该容器用作一种熔融金属在其中脱气的贮存器，例如如在所谓的“Alcan紧凑金属脱气器(Alcan compact metal degasser)”中如公布于1995年8月10日的PCT专利公开号WO95/21273中所公开的。当熔融金属流从炉行进至浇铸台时，脱气操作从熔融金属流中移除氢和其它杂质。这样的容器包括用于容纳熔融金属的内部容积，可旋转的脱气叶轮从上方伸入其中。该容器可用于批量加工，或者它可以是附连到金属传送容器上的金属分配系统的部分。总体上，该容器可以是定位在金属铸件内的任何耐熔金属容纳容器。也可以将该容器设计成用于容纳熔融金属的大主体以从一个位置输送到另一个位置的耐熔陶瓷熔炉。所有这样可替换的实施方式具有定位在外金属铸件内的耐熔容器，并且由此进行修改来并入本文中公开的发明特征。

Claims (16)

1. 一种熔融金属容纳结构，其包括：

耐熔的熔融金属容纳容器，其具有外表面；以及

用于所述容器的金属铸件，其具有内表面，所述内表面以一定距离至少部分地环绕所述容器的所述外表面，由此在所述容器和所述铸件之间形成间隔；

其中所述间隔包括未阻塞的向上延伸的间隙，所述间隙通过所述铸件中的上开口和下开口通向所述结构的外部。

2. 根据权利要求1所述的结构，其中绝缘材料层被定位在所述铸件的所述内表面与所述容器的所述外表面之间的间隔中，至少在所述铸件的向上延伸的侧面处所述绝缘材料层比所述间隔窄，因此在所述间隔中形成所述未阻塞的间隙。

3. 根据权利要求2所述的结构，其中所述未阻塞的间隙在所述绝缘材料层和所述金属铸件的所述内表面之间形成。

4. 根据权利要求2所述的结构，其中所述未阻塞的间隙在所述绝缘材料层和所述耐熔的容器的所述外表面之间形成。

5. 根据权利要求2所述的结构，其中所述未阻塞的间隙在所述绝缘材料层的一个侧面上形成，并且第二间隙在所述绝缘材料层的另一个侧面上形成。

6. 根据权利要求5所述的结构，其中所述第二未阻塞的间隙与所述铸件中的下开口和上开口相连通，所述下开口和上开口被定位成允许外部空气进入并向上流动通过所述第二未阻塞的间隙。

7. 根据权利要求2所述的结构，其中与所述铸件的底部相邻近的所述绝缘材料层比所述间隔窄，所述未阻塞的间隙因此延伸横穿所述铸件的所述底部，并且在所述铸件的所述向上延伸的侧面处延伸。

8. 根据权利要求1所述的结构，其中所述铸件具有底壁、侧壁和顶部，并且其中所述铸件中的所述上开口和下开口在所述铸件的所述顶部和所述底壁中形成、或者邻近于所述铸件的所述顶部和所述底壁形成。

9. 根据权利要求8所述的结构，其中所述金属铸件包括形成了所述铸件的所述侧面和所述底部的独立的金属板，所述板被定位成在所述底壁和每一个所述侧面之间产生通道，所述通道形成所述下开口。

10. 根据权利要求8或权利要求9所述的结构，其中所述铸件的所述顶部在其中具有槽，所述槽形成所述上开口。

11. 根据权利要求1至10中任意一项所述的结构，其中所述未阻塞的间隙和所述开口的尺寸被制成引起空气层流通过所述间隙。

12. 根据权利要求1至11中任意一项所述的结构，其中所述容器由陶瓷材料制成。

13. 根据权利要求1至12中任意一项所述的结构，其中所述耐熔的容器是伸长的熔融金属传送沟槽，所述熔融金属传送沟槽具有从所述沟槽的一个纵向端部延伸至对面的纵向端部的伸长通道。

14. 根据权利要求1至12中任意一项所述的结构，其中所述容器具有用于传送熔融金属的通道，所述通道容纳金属过滤器。

15. 根据权利要求1至12中任意一项所述的结构，其中所述容器具有用于容纳熔融金属的内部容积、以及至少一个延伸进所述内部容积中的金属脱气叶轮。

16. 根据权利要求1至12中任意一项所述的结构，其中所述容器是熔炉，所述熔炉具有适用于容纳熔融金属的内部容积。

Images