CN103782121B - 装料井、包括装料井的炉以及用于浸没熔融金属系统 - Google Patents

Abstract

根据示例性实施例的一个方面，提供了一种包括装料井的炉。装料井包括开顶室，该开顶室包括耐热材料的侧壁和底壁。在室的侧壁中设置有入口以用于接收熔融金属。在邻近侧壁处提供斜面，并且内壁形成中央腔。斜面设置在内壁与侧壁之间。斜面大致从与底壁的交叉处倾斜至邻近内壁的顶部表面。腔与出口流体连通。内壁内的通道提供入口与腔之间的流体连通。入口和出口每个都接收管道，并且至少一个管道可包括弯管接头。

Description

装料井、包括装料井的炉以及用于浸没熔融金属系统

本申请要求2011年7月7日提交的第61/505,156号美国临时申请和2012年4月17日提交的第61/625,134号美国临时申请的权益，每个美国临时申请的公开均通过引证结合于此。

技术领域

本发明涉及通常在熔融金属加工中所采用的类型的废料浸没系统。例如，该废料浸没系统具有铝的回收利用方面中的应用，但不限于此。在金属的回收利用中，需要熔化废料件以用于处理和加工。由于形成废料件的机械成形作用(诸如削刮、钻孔和冷轧)，大部分废料件为薄壁的。熔化薄壁废料件尤为困难，因为(i)长期暴露至传统熔化炉内的不利气氛导致极高的氧化损失，并且(ii)薄壁废料件漂浮在熔融金属上的事实严重阻碍了在熔融金属中的快速浸没。

背景技术

在典型的熔化操作中，熔化炉设置有封闭的炉膛和所连接的敞开熔化跨(meltingbay)或装料井。泵或其他熔融金属流引导设备使熔融金属从炉膛流至装料井。金属废料件被供应至装料井。泵可为离心叶轮驱动型或电磁的。本公开与两种装置中的任一种兼容，但发现与可在干燥炉膛条件(意指相对较低的熔融金属填充(例如，<4英寸))下利用的电磁泵尤为相关。电磁泵根据线性马达原理(principal)工作，其中导体受到由环绕的线圈所产生的磁场磁排斥。在GB-B-2269889中可找到本设计的其他细节、本设计原理和操作，其内容(特别是关于电磁泵原理和操作的特征以及系统构造)通过引证结合在本文中。

在熔化跨(特别是在装料井中)中已使用各种设备来促进将金属废料浸没到熔融金属熔池的表面以下。存在三种主要类型的系统。第一种类型包括主要由转子构造的机械系统，该转子在顶部表面处产生熔融金属流。这些装置的实例在第3,873,305号；第3,997,336号；第4,128,415号以及第4,930,986号美国专利中示出。第二种类型的系统使用机械装置来物理地将废料推到动熔化表面(象脚/井用步行器)以下。第三种类型的系统依靠室的形状而非转子的旋转来产生在装料井中浸没废料件的金属流。特别地，以这样的方式操纵熔融金属在装料井中的流动，即，获得将碎片从顶部表面抽吸至熔池(bath)的涡流。这些系统包括，例如，第3,955,970号；第3,984,234号；第4,286,985号和第6,217,823号美国专利，每个专利都通过引证结合于此。本公开涉及这样的第三种类型的废料浸没系统。

图1示出与本公开相关的类型的一个现有技术废料浸没系统。设备包括装料井1，固体金属3被引入该装料井中，以使该固体金属与熔融金属5紧密接触。装料井1具有这样的内部轮廓，即，该内部轮廓与快速的熔融金属流相结合在熔融金属表面中引起涡流，这促使固体金属3混合至熔融金属5中。快速的熔融金属流由电磁泵单元7产生。更具体地，熔融金属5通过出口9离开装料井1，并且经过管道11进入炉(未示出)内。熔融金属被泵单元7通过管道12从炉中抽出，然后通过管道13和入口15被引入装料井1内。管道13以基本上正切的方式与装料井1的外壁对齐，以促进涡流形成于装料井1中。图2提供了代表性装料井的俯视平面图。

参照图3，其中废料熔化装置100由一块耐高温材料102构成，该材料可由适于提供与现有装料井的大小相匹配的相对紧公差的尺寸构造，或者其本身可形成新构造的装料井。优选地，装置100由诸如硅铝矾土硅石耐高温材料的固化材料或本领域技术人员已知的其他可浇注耐高温材料构造。块102包括室116，该室具有大致圆柱形的侧壁118、底壁120、斜面121，该斜面设置在内壁122周围以形成通向出口124以及出口管道125的中央腔123。斜面121包括邻近通向室116的入口126的前缘。在实践中，已发现装置100提供优良的废料熔化性能。

如前面所述，本公开不仅适用于回收利用。而且，在熔融金属的熔化、处理、提纯和分配期间的各个阶段，本公开可同样理想地将除金属废料以外的外部材料引入熔融金属内。这些材料可为用于从熔融金属中提取不需要的成分的气体，或用于将需要的成分引入熔融金属内的粉末。本公开还提供一种用于有效地将这种材料引入熔融金属内的设备和方法。该设备和方法作为整体有利地提供了所添加材料与熔融金属之间的更大接触。

本公开还提供了一种具有与现有的各种熔融金属炉构造的改善兼容性的设备和方法。

发明内容

根据示例性实施例的一个方面，提供了一种包括装料井的炉。装料井包括开顶室(opentopchamber，开放顶室)，该开顶室包括耐热材料的侧壁和底壁。在室的侧壁中设置有入口以用于接收熔融金属。在邻近侧壁处设置有斜面，并且内壁形成中央腔。斜面设置在内壁与侧壁之间。斜面总体上从与底壁的交叉处倾斜至邻近内壁的顶部表面。腔与出口流体连通。内壁内的通道提供入口与腔之间的流体连通。

根据第二实施例，提供了一种包括装料井的炉，该装料井具有开顶室，该开顶室包括：耐热材料的侧壁和底壁；入口，位于室的侧壁内以用于接收熔融金属；斜面，邻近室的所述侧壁；以及内壁，形成中央腔。斜面设置在内壁与侧壁之间。斜面从与底壁的交叉处倾斜至邻近内壁的顶部表面。腔与出口流体连通。内壁内的通道提供入口与腔之间的流体连通。还提供了一种可拆除的插入件，该可拆除的插入件由耐热材料构成并且成形为用于在通道内的可拆除的固定。可拆除的插入件至少堵塞通道的一部分并可选地堵塞整个通道。

根据第三实施例，提供了一种用于熔融金属的装料井。装料井包括具有入口和出口的混合罐。入口接收第一管道。出口接收弯管接头。弯管接头接收构造成用于与相关的炉相匹配的第二管道。

根据本公开的第四方面，提供了一种包括用于熔融金属的容器的炉。容器具有用于容器内的熔融金属的最大深度，并且还包括在进口处连接至容器的第一管道以及在出口处连接至容器的弯管。第一管道与流体发生器相关联。弯管提供出口与第二管道之间的流体连通。

根据另一实施例，提供了一种用于浸没熔融金属的系统，该系统包括与管道流体连通的装料井，以用于接收来自炉中的熔融金属。管道通过适配器(adapter，接合器)与所述炉相匹配。适配器包括由耐高温材料构成的细长本体。该本体限定具有第一端和第二大致圆形端的通道，该第一端具有第一尺寸(W)和第二横向尺寸(H)，其中W>H，该第二端具有直径(D)，其中D≤H。

附图说明

图1示出了现有技术废料熔化系统。

图2是第一现有技术装料井的横截面图。

图3是第二现有技术装料井的横截面图。

图4是本发明的装料井的立体图。

图5A提供了图4的装料井的俯视局部横截面图，而图5B提供了沿线C-C的横截面图。

图6提供了包括可调的关-开连通端口的可替代的装料井插入件的顶端立体图。

图7提供了图6的插入件的底端立体图。

图8提供了包括受限制的连通端口的可替代的装料井插入件的顶端立体图。

图9提供了图8的插入件的底端立体图。

图10提供了包括图6至图9中所描绘的类型的装料井插入件的装料井的底端立体图。

图11是根据本公开的第三和/或第四实施例的混合系统的俯视平面图(局部为横截面)。

图12是图11的混合系统的侧视图。

图13是图11的混合装置的放大俯视图(局部为横截面)。

图14是包括与炉相匹配的出口适配器的另一实施例的混合系统的顶部立体图且局部为横截面。

图15A至图15F提供了图14的适配器的详细视图；

其中15A是底部侧视立体图；

15B是左侧视图；

15C是沿15B的线C-C截取的顶部横截面图；

15D是底部侧视横截面图；

15E是左手端视图；以及

15F是右手端视图。

使用局部横截面来示出细节。

具体实施方式

根据本发明的第一方面，提供了一种用于熔融金属的加工设备。该设备包括用于熔融金属的炉室、泵、从炉室通向泵的出口、从泵通向装料井的出口以及从装料井通向炉室的通道。该加工设备可用于熔化金属或包含材料的金属、和/或用于加工熔融金属、和/或用于提纯熔融金属、和/或用于分配熔融金属。泵可以是离心式或电磁式。

参照图3，在冷启动或干燥炉条件下，U.S.6,217,823所述的装置的涡流井在用作图1中所描绘的系统的装料井的情况下，已被证明是存在问题的。此外，在熔融金属加工系统处于低金属液位(干燥炉膛)的情况下，内壁122对于熔融金属的流动形成障碍并且对于到达出口124的熔融金属流形成阻碍。

因此，本领域已采用图2中所展示的可替代版本。该设计允许系统在甚至非常低的熔融金属液位下起作用。在该设计中，废料浸没室204依靠通过基本上共面的入口206和出口208所形成的切向流来形成用于废料浸没的涡流。在入口206与出口208之间不存在限制熔融金属流的干预结构。然而，已发现，通过图2的设计所产生的涡流并非对于所有废料浸没应用来说都一定足够。例如，在铝合金包含相对高水平的硅的情况下，废料浸没变得特别具有挑战性。

现参照图4和图5A至图5B，描绘出适于用在图1(作为一个实例)系统中的改良的装料井插入件，该装料井插入件既提供了强劲的涡流设计的优点又提供了在诸如冷启动和/或干燥炉膛的低熔融金属深度条件下的可操作性的优点。该设计的优点还在于，其允许熔融金属流的方向颠倒。这是电磁泵的独特特性，这有益于阻碍堵塞物在系统的管道中的形成。

装料井300限定涡流室302，斜面304存在于该涡流室内。熔融金属通过入口通道308注入至室302中。进入室302的熔融金属沿设置在外室壁310与内室壁314之间的斜面304向上被驱使。斜面304大致从相对靠近入口通道308的邻近装料井底壁的低点至与搁架316(其还与内壁314合并)合并的点围绕室302延伸约225°。沿斜面304向上流动的熔融金属在室302内形成熔融金属熔池的旋转，并且滚动至与出口通道322连通的腔320内。熔融金属滚动至腔320在熔融金属熔池中形成所希望的折叠作用，这对浸没废料材料非常有效。

连通端口324从邻近的入口通道308穿过内室壁314延伸，以提供与腔320的流体连通。即使在熔融金属液位的高度不足以超过内室壁314时，这仍允许熔融金属在系统的入口分支(leg，支线)与系统的出口分支之间流动。因此，分支11和分支13(图1)即使处于低熔融金属液位仍是熔融金属连通。类似地，在熔融金属流动的方向颠倒的情况下，其中出口通道322变成入口，入口通道308变成出口，连通端口324使这成为可能。设置安全溢流开口326，以在堵塞的情况下允许熔融金属被引导至炉内而不是溢出装料井的顶部。然而，在正确地配备有金属液位探测器的情况下，溢流开口可省去。包括清除端口328，以提供用合适的工具进入入口308和其上游的电磁泵。

在耐高温材料的浇注中，可使用聚苯乙烯形式生产诸如锥体和通道的特征。优选地，面接收管道等将是平滑的，以允许高效的填料。

现参照图6至图10，描绘了可替代的装料井插入件。装料井插入件类似于图4和图5中所阐述的设计。图6至图9中的装料井插入件的略微不同在于，未设置井的外壁以及斜面。相反，所描绘的插入件(600，800)定位在包括这些部件的井内。

此外，特别地参照图10，装料井插入件402位于大致圆柱形的耐高温外壁403内，该外壁被设置在金属护套406内的绝缘层404包围。斜面408被设置在插入件402的内壁410与耐高温壁403之间。斜面408可为耐高温壁、内壁两者中任一的整体组件，或可为这里所示的单独元件。斜面可具有大约在点R处对齐的最低点并且随该斜面环绕耐高温壁403的侧壁412上升以与顶部表面414相接。点R被选择成用于定位朝向通道416的斜面入口的前缘，该通道将熔融金属接收到装料井中。熔融金属沿斜面408向上流动并涌进腔418中，通过出口420离开。还设置有键孔422以促进熔融金属从入口416直接通向出口420，而没有沿斜面408向上流动。这促进了在低金属液位时的操作。

再次参照图6和图7，描绘出一个合适的装料井插入件。插入件600包括这样的插入件600，该插入件可设置有选择性地可拆除的堤坝元件(damelement)609，该堤坝元件堵塞否则存在于耐高温壁601中的端口611。设置如上所述的端口611以用于诸如存在低金属液位的干燥炉膛条件的情形中。就此而言，堤坝元件609可拆除，以允许熔融金属直接从通道605穿过端口611进入腔613并离开出口615。在操作中，随着熔融金属沿邻近插入件600的外表面601的斜面上升并溢出顶部表面603进入腔613并通过出口615流出，该熔融金属在室内形成涡流。

插入件600可包括多个孔617，该孔接收钩或其他元件，以促进插入件600从装料井插入和拆除。类似地，堤坝元件609设置有孔619以接收钩或其他元件，以促进将堤坝元件609从其关于端口611的堵塞位置选择性地插入和/或拆除。堤坝元件609通过形成在侧壁601内的协作的键元件621和键槽元件623而保持在端口611内。

现参照图8和图9，描绘出可替代的熔融金属插入件800，其中仅设置有局部堤坝元件802。局部堤坝元件802局部地堵塞通过位于入口804与腔806之间的通道808的熔融金属的路径，还设置有连续顶部表面810以使涡流的劣化最小化。堤坝元件802可包括键元件816并且插入件800的侧壁可包括协作的键槽元件818，以有助于可拆除的固定。

图1的装置的另一缺点是，在入口管道和出口管道的定向上的限制。此外，为提供正确运转的装料井，对于管道之间的相对角度，存在有限的选择。更特别地，使入口与装料井相切以在罐内实现最佳循环是有益的。出口可为中心出口或可与罐相切。这导致对于管道与炉的必要交叉点(例如)，选择是有限的。总之，直分支管道可能无法提供装料井与炉之间的最佳交叉点。

现参照图11至图13，提供有装料井900。装料井900由形成混合室904的大致圆柱形的本体902构成，所述混合室包括邻近混合室904的外壁907的斜面906以及限定出口腔909的内壁908。设置与电磁泵相联系的入口管道910，该电磁泵本身与炉916的熔融金属熔池914流体连通。入口管道910设置成在混合室904内形成熔融金属流，并且更特别地设置成朝向斜面906的前缘916排放熔融金属。

出口管道918由弯管构件920构成，该弯管构件通过对开法兰922固定至形成于装料井900的外表面上的出口适配器924。弯管构件920通过第二对开法兰926接合至旨在与炉916匹配的直管道928。弯管构件可形成介于15度与90度之间的角度。为了清楚起见，在出口与炉面平行的情况下，出口与混合室成0°，并且90度导致进入炉的管道与炉面垂直。

弯管构件920配备有清除端口930，该清除端口中设置有包带锥(tapingcone)932。密封件934提供清除端口930的接近，允许包带锥932被用力插入出口管道918中以用于清除。有利地，通过设置预定弯曲角度的弯管，可根据需要调整出口管道918与炉916相接的位置。

可设置导轨系统以方便装料井900的移动，其中两个导轨940、942允许如所需要地将装料井900邻近炉放置，并且可设置第三导轨944以在出口管道928和弯管构件920从装料井900分离时支撑该出口管道和弯管构件。

通过包括具有设置在其中的包带锥948的入口清除端口946，同样地接近入口管道910以用于清除。

典型的管道(例如，910和918)将由这样的陶瓷管构成，所述陶瓷管被由钢壳包住的折射材料围绕。弯管构件还可由诸如466碳化硅的浇注耐高温材料构成。

所公开的本实施例是有利的，因为为了生产效率，可将装料井900标准化，同时弯管918的使用允许对每个炉结构和与之相关联的可用地面空间进行定制。此外，通过设置具有合适角度的弯管构件，可利用标准设计的装料井，其中入口和出口有利地定位，然而通过调节弯管角度以与相关联的炉正确地对准使得系统是可调的。应当注意的是，还可设想的是，入口管道可装备有弯管接头，以提供甚至更大的系统设计灵活性。

根据另一实施例并参照图14和图15A至图15F，通过适配器708提供了一种返回分支管道702与炉706的出口704之间的改善的连接体。适配器708是用不锈钢纤维加固的浇注耐高温材料体。

适配器708可具有任何形状，其中矩形棱柱作为一个实例。在某些实施例中，有益地是矩形棱柱的第一端具有成角度的端壁。类似地，对于接触炉的端部从顶部至底部或从底部至顶部成角度是理想的。此外，可从图14中看出，管道702不能以90°角与炉相交。因此，提供这样的适配器是有利的，即，具有与管道进入炉中的角度大致匹配的倾斜端壁。此外，管道不必具有进入炉内的水平定向。同样地，使匹配面的垂直倾斜成角度以匹配管道的倾斜可为有利的。

特别地参照图15A至图15F，适配器708包括顶壁710、底壁712、细长侧壁714和截顶侧壁716。通道717从成角度的端壁718延伸至方形的端壁720。成角度的端壁718具有从侧壁至侧壁及从底部至顶部的复角。通道717包括入口端722，该入口端具有比出口端724的面积大的面积。更特别地，入口端可为具有宽度W和高度H的椭圆形，而出口端可为具有直径D的圆形。第一尺寸W和第二横向尺寸H可具有W>H的关系，并且大致圆形的第二端可具有直径D，且关系为D<H。优选地，在入口端722与出口端724之间设置过渡区726。过渡区726可为渐进的锥形，从而防止破坏性流动模式。

一般说来，只要入口尺寸大于出口尺寸，适配器可具有任何理想的入口形状。例如，具有在水平方向上延伸的矩形、卵形或椭圆形的入口可为理想的。该设计提供了增加的表面区域，即，尽管增加的表面面积在垂直尺寸上被压缩，以允许在最长的时期内暴露至降低的熔融金属液位。

可设置多个孔728，以接收将适配器固定至管道和炉的螺钉、螺栓和支柱(post)等。

已研制出本设计，以确保在电磁泵的进口处充足供应熔融金属，这将使泵的生产量最大化。本设计还将减少在标准入口管进口区域设计中出现的流体动力学的负面影响，并消除颗粒沉积。

本设计包括在将耐高温块安装至主炉耐高温材料期间充分调整该耐高温块的高度和位置的工具。块的长度可制造为超大型，一旦该块被嵌入炉用耐高温材料中时，使块能够被削减成与炉热面平齐。

已参照优选实施例描述了示例性实施例。显然，其他人在阅读和理解上述具体实施例之后将做出修改和变更。旨在使这些示例性实施例被解释为将所有这些修改和变更包括在范围内，只要它们落在所附权利要求或其等效物的范围内。

Claims (23)

1.一种包括装料井的炉，所述装料井包括开顶室，所述开顶室包括：耐热材料的侧壁和底壁；入口，位于所述开顶室的侧壁内以用于接收熔融金属；以及斜面，邻近所述开顶室的所述侧壁；内壁，形成中央腔，所述斜面设置在所述内壁与所述侧壁之间，所述中央腔与出口流体连通，并且所述内壁内的通道提供所述入口与所述中央腔之间的流体连通。

2.根据权利要求1所述的炉，还包括提供所述装料井与所述炉之间的流体连通的管道，所述管道包括弯管接头。

3.根据权利要求1所述的炉，还包括使管道与所述炉相匹配的适配器，所述适配器包括入口，所述适配器的入口具有比所述适配器的出口大的面积。

4.根据权利要求1所述的炉，能够进行双向操作，其中流体选择性地在所述装料井内从所述入口流到所述出口或者在所述装料井内从所述出口流到所述入口。

5.一种包括开顶室和能拆除的插入件的装料井，所述开顶室包括：耐热材料的侧壁和底壁；入口，位于所述开顶室的侧壁内以用于接收熔融金属；斜面，邻近所述开顶室的所述侧壁；内壁，形成中央腔，所述斜面设置在所述内壁与所述侧壁之间，所述斜面从与所述底壁的交叉处倾斜至邻近所述内壁的顶部表面，所述中央腔与出口流体连通，所述内壁内的通道提供所述入口与所述中央腔之间的流体连通，所述能拆除的插入件由耐热材料构成并成形为用于在所述通道内的能拆除的固定，所述能拆除的插入件至少堵塞所述通道的一部分。

6.根据权利要求5所述的装料井，其中，所述能拆除的插入件包括顶部表面，所述能拆除的插入件的顶部表面与所述内壁的顶部表面形成连续的边缘。

7.根据权利要求5所述的装料井，其中，所述能拆除的插入件设置在所述底壁上方。

8.根据权利要求5所述的装料井，其中，所述内壁包括键和键槽中的一者，并且所述能拆除的插入件包括所述键和所述键槽中的另一者。

9.根据权利要求5所述的装料井，其中，所述能拆除的插入件完全堵塞所述通道。

10.一种用于熔融金属的装料井，由具有入口和出口的混合罐构成，其中，所述入口和所述出口中的至少一者接收弯管接头，并且所述弯管接头接收管道。

11.根据权利要求10所述的装料井，其中，所述出口包括所述弯管接头。

12.根据权利要求11所述的装料井，其中，所述弯管接头形成介于15度至90度之间的角度。

13.根据权利要求12所述的装料井，包括介于所述弯管接头与炉之间的另一管道。

14.根据权利要求10所述的装料井，还包括用于支持所述弯管接头的输送的导轨系统。

15.一种用于浸没熔融金属的系统，包括与管道流体连通的装料井以用于接收来自炉中的熔融金属，所述管道通过适配器与所述炉相匹配，所述适配器包括本体，所述本体限定具有第一端和第二端的通道，所述第一端具有宽度(W)和高度(H)，其中所述第一端的宽度(W)大于所述第一端的高度(H)，所述第二端具有直径(D)，并且其中，所述第二端的直径(D)小于或等于所述第一端的高度(H)。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述适配器是矩形棱柱。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述适配器的第一面包括复角。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述通道包括介于所述第一端的宽度(W)与所述第二端的直径(D)之间的锥体。

19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述通道在所述第一端处为具有所述宽度(W)和所述高度(H)的椭圆形。

20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述适配器由金属纤维增强耐高温材料构成。

21.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二端基本上是圆形。

22.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二端的尺寸和形状制造成与相关联的管道的通道连续。

23.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一端是矩形、椭圆形和卵形中的一者。