CN1039106A - 搅拌金属液的装置 - Google Patents

Abstract

一种搅拌炉内金属液的装置，具有一个与炉子分开的有较大水平横截面积和容积的蓄液室，可抽真空或加压经喷嘴把金属液从熔炉中抽出或喷入熔炉中。蓄液室包括下部的静止部分(其中喷嘴以切向导入熔炉中)和易拆卸的顶盖，顶盖装有为减少蓄热室内的积渣而设置的加热元件，还有液面控制电极、观察孔、入口等。与蓄液室内部连接的压力扰动监控器用来监控下液面位置及压力转换。

本装置的搅拌效果好，且减少了对维修的要求。

Description

本发明涉及一种改进的搅拌在熔炉中熔化及合金化的金属（例如铝）液的装置。

快速而有效地搅拌金属熔池内的金属液的工序十分重要，以致于人们一直在竭力设计出达到此目的新型方法和装置。通过搅拌，促进金金属的初始熔化和在熔化的熔料中添加的固体金属的熔化，并促进为合金化或晶粒化而加入的其他金属添加剂的混合，或者改善温度控制促使金属熔体保持其均匀温度和成分。在实践中发现，进行搅拌还可以节约熔化金属和保持其熔融状态所需要的能量。

随着各种合金，特别是铝合金的发展，有效地搅拌愈加重要。为了使合金在浇注前有均匀的成分和温度，必须进行搅拌。一种广泛用于铝熔化炉的机构是用一种连接到一根安装在起重车上的吊杆之一端的工具，在熔池中来回地移动这种工具，达到搅拌的目的。但是，这种机构有缺点，即对耐火炉衬有机械冲击作用，更重要的是，金属液面受到扰动，使浮渣增多。另外，在操作时要打开炉门让搅拌工具进入，这就造成额外的热量损失。

被用过的另一种搅拌方法是用一个或多个喷管将气体在压力下喷入金属熔池，但这也会引起浮渣增多和炉衬侵蚀。对于常用的宽而浅的铝熔化炉来说，这种方法的效率比机械搅拌低得多，因为喷管的作用范围是有限的，这就要求增加喷管数目，或要求一个喷管或几个喷管围绕着熔池移动。

还有两种不同类型的电动搅拌机构，即电磁搅拌器和机械的或电磁的浸没式泵。电磁搅拌器有一个位于熔炉下方并在金属中发出电磁搅拌力的大感应圈。这种搅拌器可用于任何形式的熔炉，它的优点，除了搅拌效率高以外，另外，没有同熔融金属直接接触的部分。但是，相对来说，其成本较高，1988年，为60吨熔炉安装的这种设备，在加拿大的报价大约为600，000～850，000美元浸没式式泵是浸入置于炉缸中的金属液内的小型装置，仅限于带有这种炉缸的熔炉应用。虽然这种装置的设备成本低得多，但就在浸渍于熔融金属中工作的苛刻条件下而言，它要求进行经常性的维修。

另一种已被广泛研究的机械装置就是一般所谓的喷射泵，它有一根构成一个与熔炉连接的管状蓄液器的管子，依靠真空将一部分熔融金属抽入管内，然后通过气压和/或重力将它排回熔池。通过适当选择参数（喷嘴直径、初始金属流速等），这样间歇地喷射运行着的金属液可输送多倍于金属本身体积的量，并能在操作开始的几分钟内可搅动整个炉子内的金属液。

例如，Fitzpatrick等人发明并转让给Alcan研究与发展公司的美国专利NO.4，008，884，公开过这种间歇式喷射搅拌装置，具有一根铸铁管，由熔炉的一侧壁以大致与垂直线成40°～50°的角度向下延伸，管子一端连接一个靠近炉底板的喷嘴，喷嘴在水平的和纵向的方向朝着熔炉的另一侧壁。管子的上端连接一个气动喷射器，喷射器作定时的有规律的动作，产生真空，将熔融金属抽入管内，直到其液面高于熔池液面为止。当液面达到上限时，通入压缩空气取代真空，通过喷嘴将熔融金属以高速喷射的方式排回熔池Fitzpatrick等人提出，对于一个大约40～50吨的熔炉，所用管子的内横截面积约为738cm²（45英寸²），长度3m（9英尺），就能在每次循环容纳和排出金属液的90～115Kg（200～250磅）。金属液是用直径3.8cm（1.5英寸）的喷嘴以大约32Km/h（20英里/小时）的速度排出的。每个循环的抽吸时间约6～7秒，而加压时间仅约0.5-1秒，这就要求压缩空气的压力为1.4～2.8Kg/cm²（20～60磅/英寸²）。

一些专利还公开过类似形式的使用一根侧入式向上倾斜的管子的装置，例如，美国专利No.3，599，831;4，235，626    4，236，917;4，355，789;4，463，935;英国专利申请公开说明书No.2，039，761A和2，039，765A;日本专利申请No.1983-136982和1984-70200。

美国专利3，424，186公开一种叫做循环装置的搅拌机构它有一个置于熔炉的侧炉缸内的空腔室，用一扇竖直的壁将该腔室隔开为两部分。腔室顶部的真空系统，通过各自的孔口将金属液从熔炉和炉缸同时抽出，直到金属液流超过竖壁的顶部为止。通向炉子的孔口比通向炉缸的孔口大得多，故金属流入较快，但是被竖壁相隔的腔室中从炉缸入口的那一部分的体积较大，这就引起金属液从炉子方面向炉缸方面流动。金属液又通过与炉子连接的正常孔口从炉缸流回炉内。

又例如，美国专利4，427，444和4，452，634公开的另一种类型的搅拌器有一根置于熔池上方的垂直延伸管，管子之下端伸入金属液内，靠真空将金属抽入管内，并靠重力流回去。

上述这些装置都可提供有效的搅拌，但在使用中都有一些问题。例如，所用管子的下部分直接与金属液接触，因此，很快受到侵蚀。管子的中间部分在金属液上方，也仍然在炉子内部，经受着炉内高温（例如1000～1100℃），这也使管子材料（例如：铸铁）受到损害，并使搅拌机构变得无法使用，或提高成本。而且，使用直径较小的管子时，难以形成一层厚的隔热保温层，因此，除非管子装有内加热元件（例如，系美国专利4，463，935公开的那样，在管壁内嵌进加热元件），否则，在管子内壁会很快沉积出冷凝的金属和象渣圈或渣环那样的氧化物。在极端情况下，如果金属液温度降到接近熔点的话，进入管中的金属液可能发生凝固，或者，至少变得粘稠。如果管内装有加热元件，由于管壁受到侵蚀，而且金属液渗入管衬中的裂纹，就使加热元件很快损坏，当然，更换这种管子也比更换普通管子困难得多，耗费也大得多。

在使用中还发现，这些搅拌机构很难控制管内金属液面的最高位置和最低位置，实际上不可能防止渣圈或渣环的形成，特别是对于含镁量高的铝合金，它与搅拌器内腔中的氧很快发生反应。美国专利4，463，935提出：用来自炉中的燃烧气体作为驱动气体，可使管内氧化物减到最少，因为这种气体的氧含量低。但这种气体确含较多的H₂O，却又使得金属液在这样的高温下容易氧化。

由于管子直径小，很小的渣圈就足够大到能与控制上液面位置的电极作短路接触，并将使控制失效。当上液面位置失控时，金属液就容易充满管子的上部分，并在拨动零件中冷凝，因而导致整个机构关闭，以致难于修复。而且由于小渣圈很快形成，管子内部必须常常清理，对小直径的管子，这是困难的，也提高了维修成本。上液面控制得差甚至也可导致下液面控制的失控，其结果是，当金属液面低于炉子与管子之间的连接孔口时，一些驱动气体就会通过该孔口进入金属液内。使用只靠重力输送金属的机构，可以避免这个缺点，但这些机构难于产生足够高速的金属喷射流，而这种高速喷射对于吸入更多的金属液和保证搅拌达到整个熔池所需要的。上述气体喷入熔池的现象叫“起泡”，在极端情况下，每一个工作循环中都可能发生这种现象，这种现象扰动了金属液的表面，使炉渣和氧化铝增多，这也带有额外的金属损失。

在美国专利4，008，884（Fitzpatrick等人）公开的搅拌装置中，金属液喷嘴置于一扇壁内，并直接朝向对面的壁。在其他的装置，例如美国专利4，235，626和4，236，917所公开的装置中，进入的喷嘴直接对着炉底，这就降低了搅拌效率，也使耐火炉衬的侵蚀更严重。

上面所述的现有技术的搅拌机构中，大多数都在管子和炉子之间有一个尺寸大致与管子的内径相同的孔口，出口流速必须要比用直径较小的管子能够达到的流速低得多，因此，移动的金属量和搅拌强度要降低。为了补偿这一不足，美国专利4，235，626公开的搅拌机构提出在操作时移动管子来获得较大的搅拌面积，但是，这也增加了机构的复杂性，并且在炉子的苛刻环境下难以维修，也要求有较高的移动速度。

从上面的评述可以看出，搅拌应当使熔池的成分完全地和快速地混合，而不扰动金属液表面，且不要求打开装料门或关闭熔炉的燃烧室，和在搅拌过程开始时不要求任何安装工序。这样的机构将使浮渣减到最少，因为搅拌是在液面下进行的。熔池中温度梯度的必然消除会得到更好的温度控制，并减少由于表面温度降低所引起的表面氧化。另外，通过搅拌，应更有效地溶解合金化元素和提高重熔连度，并由于较好的热交换而降低能量消耗。所有这些特点最好还要与初始设备安装成本和随后的维修成本都要尽可能低的特点结合一起。

因此，本发明的主要目的是提供一种新型的搅拌金属液的装置。

本发明更具体的目的是提供一种既具有良好的搅拌效率，而且能满足低的初始设备成本和随后维修成本的要求的搅拌金属液的系统和装置。

根据本发明，提供了一种搅拌熔炉室内的金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室：

一个连接蓄液室内部与炉室内部的喷嘴部分，通过该喷咀，金属液在它们之间流动;

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的装置，用来交替地和连续地产生真空和正压力，真空用来将金属液从炉室抽到蓄液室内部，正压力则用来将金属液以搅拌喷射的方式排回炉内。

在这种装置中，喷嘴的横截面积与蓄液室的水平横截面积之比为1∶50到1∶250，最好为1∶60到1∶150。

蓄液室内部的水平横截面积与所述的上液面和下液面之间的垂直距离之比不小于25cm²/cm（10英寸²/英寸）。

蓄液室内部的水平横截面的直径与上下液面间垂直距离之比可以是大约1.0∶1到大约2.0∶1。

另外，蓄液室可以有一个可拆卸式的顶盖部分，给蓄热室提供了了一个通向内部的入口，顶盖部分装有加热装置。用来加热蓄液室内部及其熔融金属。

蓄液室内部水平横截面最好大致为圆形的。并且，上述喷咀部分的设置要使通过它的金属液流基本上是水平地并与上述圆形水平横截面成切线方向进入蓄液室内部。

上述的可拆卸式顶部分最好也带有一个探测器，探测从蓄液室内部进入炉内的加压气体的起泡情况。

最好要测量金属液抽入蓄液室和从这里排出的时间，调节抽入和排出时间来维持蓄液室内部金属液的上、下液面位置。

蓄液室可以安装在一种称重装置上，用这种装置称出蓄液室的重量，以确定它内部的金属液面位置，并且/或者，用这种装置可以探测从蓄液室内部进到炉内的加压气体的起泡情况。

蓄液室最好布置成让金属液水平地排入炉室内，其方法是，在邻近一端壁的一侧壁，或者在邻近一侧壁的一端壁，以同上述一端壁的平面成10°～45°间的一个角度对着另一侧壁。

下面通过实例并参考附图来说明本发明搅拌装置的最佳实施例。

附图中：

图1是一个矩形截面的熔炼与铸造炉的水平横截面图，示出搅拌装置相对于熔炉内部的典型位置：

图2是沿图1箭头2方向所示的搅拌装置的侧视图：

图3是沿图2箭头3方向所示的平面图：

图4是沿图3的线4－4截取的搅拌装置的垂直截面图，图中也包括邻近的熔炉部分：

图5是沿图4的线5－5截取的水平横截面图，图中示出了加热元件等的可能配置：

图6是沿图4的线6－6截取的水平横截面图，图中也包括邻近的炉壁部分，示出了出口喷嘴的位置：

图7是沿图6的线7－7截取的横截面图：

图8A是蓄液室内部压力与时间的关系曲线图：

图8B是相应的蓄液室内金属液面与时间的关系图：

图9是搅拌装置的电器布置示意图：

图10是搅拌装置的气动回路的示意图：

图11是本发明装置用的控制上、下液面位置的新方法的示意图：

图12是用于探测起泡情况和蓄液室内压力变换的压力扰动监控器的示意图：

图13是本发明装置用的真空/压力交替供给的机构的示意图。

这里描述的实施例与一种浅的铝熔化炉或铸造炉相连用，这种熔炉在平面图上是矩形的，其用标号10表示。它有炉底板12、端壁14和16、侧壁18和20、装在各处位置的观察门22和装在侧壁20的主装料门24。搅拌装置一般用标号26表示，安装在侧壁20旁边，靠近侧壁20与端壁14连接处的位置，并有一个喷嘴部分28，金属液通过它以倾斜角A被抽出或流回炉内，该倾斜角A大致为与平行于端壁14的平面成10°～45°，所以进入熔池的金属喷射流也以相应的角度对着另一侧壁18，但也有一部分对着另一端壁16。如果喷射流以一较小角度A对着侧壁18，那么，搅拌效果较差，并且对耐火炉衬的侵蚀可能要严重得多。也可以将搅拌装置安装在其他合适的位置，图1是用虚线画出了两个位置，最后选用那一个位置常常主要根据炉子周围的空间对搅拌装置合适与否来确定。

下面参考图2-6来说明。本发明的搅拌装置的蓄液室是与炉子完全分开的（虽然两者一起使用），但是，如图1、4和6所示，其喷嘴部分必定置于炉壁之内，以便金属液在炉底板上方的一个短距离（一般约为15～40cm）水平地进入炉内，并且得到紊流。喷嘴输送外加的金属液，结果是，在炉子的一个主要口内强烈地搅拌金属液，而不引起表面波动，并且不致夹带金属表面的浮渣。

在它个实施例中，蓄液室在靠近其下端部分有一个钢板制的圆柱形下壳体28，壳体之上端是开口的，壳体支撑在一个适宜的支架上。从图上看，该壳体支撑在一个测力传感器30上，这种传感器的作用将在下面叙述。壳体上端的开口用用拱形的顶盖32盖住，该顶盖有水平直径相同的圆柱形上壳体，上下两个壳体分别装有相匹配的圆形法兰36和34，它们被容易拆卸的枢轴螺栓38或其他的相当的夹紧装置夹紧在一起，在法兰之间常有气密封垫（图中未示出）。

上述顶盖用托架40固定到直杆42上，直杆42安装在由下壳体28支承的垂直相隔一定距离的两个套筒44中，以便使顶盖能垂直地移动（如箭头46所示），并能绕其纵轴旋转（如箭头48所示）。直杆由其下端的传动装置50驱动作垂直移动，该传动装置则由电动马达51操作，通过这种操作，将顶盖向上移动到图2虚线所示的上部位置。另外，也可用液压传动机构和有关的操作系统来操纵。在这个上部位置，悬挂在顶盖上的液面测定器零件被提升到足于看清壳体法兰34，就象顶盖从它在蓄液室上方的上部位置直接转到除去顶盖的位置（如图3点划线所示）那样。在这个移开顶盖的位置，操作人员可以对顶盖下面和蓄液室里面进行必要的操作。可以通过一种适宜的驱动装置（图中未示出）使垂直移动的顶端自动地进行顶盖的旋转。

下面给出图解所述的具体实施例的一些尺寸，但应明白，给出这些尺寸和其他尺寸仅对所举实例而言的，不应作为一种局限，（除非特别指出了局限性）。在这个实施例中，圆柱形下壳体28和顶盖的外壳是用10mm（0.375英寸）厚的钢板制的，蓄液室的衬里（能够与金属液反复循环地接触）有绝垫材料做成的第一外衬层52，其合适的厚度为100mm（4英寸）（所用的绝热材料，例如，可用Plibrico公司的“PLIVAFORM”的产品），然后是第二中间衬层54，用耐火材料（例如，可用Plibvico公司的“LMI-28”的产品）制成，厚度为125mm（5英寸）。与金属液接触的第三内衬层用碳化硅耐火材料制成，合适的厚度为50mm（2英寸），所用耐火材料，例如，可用Carborundun公司的“REFRAX”的产品。这些较厚的隔热衬层可使蓄液室内金属的热损失减至最小，而较厚的第三耐火衬层提供了一种长寿命的内衬（（尽管还有运动着的金属液造成的潜在磨损）。熔化炉装有相当的但通常更厚的耐火材料衬层。

在蓄液室的侧壁和衬层设有一开口，并在炉子衬层和侧壁设置一个探测口。壳体28和炉壁20分别带有相匹配的环形法兰58和60，这两个法兰装在炉子外壁20上，用螺栓62连结，因此，当蓄液室需要修理、换衬或其他操作时，很容易从炉子拆卸下来。用碳化硅或其他耐火材料制的成形砖64，装在炉子的侧壁内，并由其相应的耐火材料衬和绝热材料衬包围，这就形成一种特定形状的通道，金属液通过这个通道在炉子与蓄液室内部之间流动。这个通道在蓄液室一侧的孔口66，其横截面与蓄液室侧壁内的开口一样大，而中间孔口68则小得多，以构成一个喷咀，当金属液在进入和流出蓄液室的两个方向流动时，产生一个金属喷射流。在炉子一侧的孔口70成向外锥形对着炉子内部，因此，射出的金属流向外散开，如图6中箭头72所示，导致尽可能多地包围熔池，提高搅拌效率。在这个实施例中，成形砖64的长度约为46cm（18英寸），它有一个图7所示的横截面的孔口，并有直径为6.5cm（2.5英寸）、横截面积约为35cm²（5.0英寸²）的圆形喷嘴口68。

壳体28内蓄液室下部的所有零件都可看作是“静止的”零件，通常仅在较长的时间间隔内要求更换。除了位于蓄液室下部侧壁内的自动调温器74以外，搅拌器的全部“活动的”零件都装在活动的顶盖里。自动调温器74的探测零件仅穿过衬层52和54，并且由内衬56屏蔽起来，不与金属液接触。调节它的控制线路可补偿所测出的较低的温度。

顶盖的内拱顶衬以绝热耐火材料层75，留下一个中央空间76（从图4和图5可清楚看到）。在这个实施例中，加热装置是三根横向隔开并水平延伸的碳化硅条棒状电热元件78，安装在顶盖内，以便直接地或通过反射将它产生的热量辐射到蓄液室内部，加热元件要牢固地安装在两端，以防因振动而破裂，并且在其每一端加一个外套80，两端都方便于单独更换加热元件，每个外套80有一个端盖82。如果有必须，可用各自的水平屏蔽84将加热元件保护起来，防止金属液直接溅到它们。

这些加热元件的重要作用是：

1）在开始搅拌或再次开始搅拌前预热蓄液室内部，以防止进入的金属液冷凝;

2）停止搅拌时，使存留在蓄液室内的金属液保持熔融状态;

3）使蓄液室内壁保持足够的热（对于铝，大约高于700℃），以便使炉渣的粘附减至最少，并利于除渣;

4）保持内壁上的炉渣有足够高的温度，以利定期除渣。

这些加热元件有足够的功率额定值来达到上述目的，并在合适的控制系统的自动调温器74的控制下操作的。

蓄液室的顶盖也装有三根电极86、88和90，用来控制其内部的上液面位置。用金属棒制的电极86和88构成了一个上液面测定器，当金属液达到图4中虚线92所示的正常上液面位置时，该两电极象电路似地连接，而相应的正常下液面位置则由虚线94表示。电极90较短，与电极86构成紧急液面测定器，当金属液达到液面96时，它发生动作，完全关闭气动回路（关闭方式将在下面详述）保证了蓄液室内部与大气相通，从而使液面退到与炉内液面平衡的位置（虚线98所示）。蓄液室盖子上还有：一个观察孔100，使操作人员可检查内部;一个压力控制连接件102，用来将通过孔口104来的蓄液室内部的压力与气动控制系统连通（下面将叙述其目的）;还有进、排气管106，气体通过这些管道被泵入蓄液室和从蓄液室排出。管106的下端封闭，并设有径向排列孔108，所以，进入内部的气体不是对着金属液，这就减少金属喷溅和形成炉渣并保护加热元件。

下面详述操作和控制本系统的专用气动回路，它的作用是连续而交替地在蓄液室内部和炉子内部之间产生正压和负压差，从而将金属液抽入或排出蓄液室。图8A的虚线示出在工作大约2 1/2 循环过程中蓄液室内压力随时间变化的“理想的”特性，而实线表示得到的较常见的特性。图8B示出相应的金属液面的变化。一般来说，所用的正压为0.35～1.0Kg/cm²（5～14磅/英寸²），常用约为0.70Kg/cm²（10磅/英寸²），而负压在-0.35到-0.70Kg/cm²（-5到-10磅/英寸²）范围内，通常为约-0.50Kg/cm²（-7磅/英寸²）。

工作循环的吸入（真空）部分的时间一般为10～15秒，而排出（压力）部分的时间一般也为10～15秒，所以，一个整循环通常要用约20到约30秒。由于蓄液室的尺寸大，所以搅拌机构的性能不受设计约束条件所限制，而主要是受压缩空气的量的限制，但是这又要由提供压缩空气的装置的大小来放定，因此这些就决定了一个循环的总时间，从而决定了金属流动速度和金属喷射速度。

上面已给出了这个具体实施例的一些尺寸，下面再给出更确切的尺寸：

壳体28的外径    ＝117cm（46英寸）

蓄液室的内径    ＝60.0cm（24英寸）

蓄液室内部横截面积 ＝2.830cm²（450英寸²）

加热元件78额定功率（每个）    ＝8KW

壳体28的高度    ＝168cm（66英寸）

包括顶盖36的高度    ＝218cm（86英寸）

顶盖垂直行程    ＝40cm（16英寸）

上液面92与下液面94的高度差    ＝110cm（43英寸）

内体积 ＝1800升（63英寸³）

最大容量    ＝650Kg（1430磅）

每个循环的金属变化量    ＝500～600Kg（1200～

1320磅）

喷嘴的横截面积 ＝35cm²（5.0英寸²）

当一个循环中有较大的金属移动量和较小的喷嘴横截面积时可得到较高速的喷射流，这种喷射速度一般约为4～12米/秒（800～2400英尺/分钟），更通常为6～10米/秒（1200～20英尺/分钟），这主要取决于工作状态。对于一个循环的时间为20秒的情况，最大的平均总流量约为1800公斤/分（4000磅/分钟）。熔炉内被移动的金属液量为喷嘴喷出的的金属液量的5～10倍，对于一个40吨的炉子来说，每个循环移动的金属液量，相当于熔炉容积的15%左右，因此，在几分钟内，熔炉内金属液就被完全搅拌了，而不发生熔池表面看得见的表观扰动。

对于本发明的操作来说，重要的是蓄液室内部有较大的横截面积为了实用起见，蓄液室常常做成垂直圆柱形，当然也可以做成其他形状，如：正方形、矩形等，它的最小直径最好为50cm（20英寸），得到的最小横截面积就是1960cm²（314英寸²）。蓄液室的最大直径则要考虑多方面的问题，它要取决于例如炉子周围可用的空间等的一些因素。但是，下面将谈到，大直径的优点并不随直径而成比例增加，实用的最大直径为75cm（30英寸），其横截面积为4.417cm²（707英寸²）。如上所述，在最佳实施例中，喷嘴68的横截面积为35cm²（5.0英寸²），也就是说，喷嘴与蓄液室的横截面积之比为1∶90。实用的最小和最大喷嘴尺寸分别为3.8cm（1.5英寸）和10.0cm（4英寸）相应的横截面积分别约为11.3cm²（1.77英寸²）和79cm²（12.5英寸²）。因此，上述两截面积之比的实际范围是从1∶50到1∶250，最好从1∶60到1∶150。这些高的面积比是与现有搅拌机构不同的，大多数现用搅拌机构之面积比为1∶1。而美国专利4，008，884公开的机构该面积比为1∶16。

蓄液室的大容积和大横截面的另一优点是大量的金属液可以相当大的速度运动，因而有高的总动量，这就加速了混合，而允许较长的循环时间。这种特征提供了更加可预测的控制，因为有较长的时间间隔可以用来开始和确定循环的每一部分。

采用另一种方式也可以详细说明表示本发明特征的相对较矮的但有较大直径的蓄液室，就是：贮存金属液的蓄液室内部的水平直径与正常上液面92和正常下液面94之间的垂直高度之比，在这个实施例中，直径为60cm（24英寸），而垂直高度约为90cm（30英寸），故其比值为1.50∶1，这个比值的实用范围是从约1.0∶1到约2.0∶1。

还有另一个特性是蓄液室内部横截面积与液面92和94之间的垂直高度之比，这个比值最好不小于约25cm²/cm（10英寸²/英寸）。

使用限流喷嘴的优点，如上所述，是产生一种具有必要的作用范围的输送金属液的高速喷射流。已经发现，通过仔细选择喷嘴尺寸、喷嘴位置和喷射流进入熔池的角度，有可能使混合作用遍及整个熔池尽管喷入金属液的速度高，还是可以获得这种效果，而不会引起熔池，金属表面出现明显扰动。使用较小的喷嘴将要求在蓄液室内有较高的压力，以得到必需的金属液的移动量。

限流喷嘴对于进入蓄液室内部的金属液流动也是有益的，特别是，象图6所示，喷嘴装成让金属液喷流与蓄液室内部圆形横截面成切线方向进入的情况，更为有利。图6中的箭头110示出水平横截面内看到的典型的金属液流动。流入的金属液产生的快速的旋流，有助于减少浮渣和随后在内壁的上部形成成积渣，特别是因为该上部有邻近的加热元件78使其保持高温。炉渣通常累积在位于图4的虚线112和114所示的位置并具有该虚线所示的形状。在正方形或矩形横截面的蓄液室中，不能得到这种旋流作用，并且发现，直接对着进入喷流冲击的侧壁上的积渣114比其他侧壁生长得快。现在的搅拌机构的管子直径较小，故不允许充分产生在圆柱形蓄液室内所得到的有利的冲刷作用。

在实践中，是不可避免地会在上液面92之下形成渣圈的，但是其影响实质上由于蓄液室有较大的直径而减轻。炉渣沉积速度通常高达3Kg/h，对于现用窄的搅拌机构管子的情况来说，这就意味着每隔5-7小时左右，就要停止搅拌，清除积渣。即使在现用技术的窄管变得严重阻碍良好液流之前，就已发生渣圈同上液面控制电极接触和短路而引起严重问题。所以，在除去渣圈之前，无法进行控制。但是，对本发明搅拌装置而言，这段时间，即到积渣成为严重问题之前的这段时间，延长到大约5～10天，而且清除炉渣的操作本身只花半小时左右。由于在盖子内安全地安装了加热元件，也使这段时间大大延长。而且，蓄液室顶盖容易拆卸，在宽敞的容易进行内部操作的蓄液室内部清除热的、软的、易分离的渣圈，其操作也较简单。

图9示出电路系统。液面控制电极86、88和90以及测力传感器30与由程序逻辑控制器（PLC）组成的控制系统116连接“PLC”控制着动力控制机构118，而动力控制机构118又控制对加热器78和传动机构50的马达51的供电，动力来自三相变压器120。上述控制系统也控制搅拌器操作的气动系统122、124，并以人们熟知的方式设置，以便为他们的操作提供明显的指示和持久的记录。

图10示出典型的气动系统。虽然在图9为了方便起见只用单个方框122、124表示，但是，实际上气动系统的一部分122安装在顶盖上，而另一部分124安装在蓄液室旁边，这两部分用柔性的高压软管连接起来，以方便拆卸顶盖（如上面所述）。在这个实施例中，由喷射器126提供真空，其优点是成本低而且结构简单，是由提供正压的压缩空气发生作用，造成真空的。喷射器126直接与顶盖上的法兰106连结。压缩空气从合适的压缩泵（未示出）经过管道128供给喷射器，具有一定尺寸的喷嘴130直接对着喷射器的喉部，输送所用的空气压力，该压力可以从约1.05到5.6Kg/cm²（15～80磅/英寸²）变化。对于直径为7.5cm（3英寸）的喷射器，用1.4Kg/cm²（20磅/英寸²）和4.2Kg/cm²（60磅/英寸²）的压力都很成功。空气首先通过带有自动排放阀的胶体过滤器132，以去除湿气，并保证不能返回到泵内。然后，空气通过一个电磁控制排气阀134，再通过一个大容量的主压力调节阀138，到达喷嘴130。喷嘴器126的出口可以在活塞控制的蝶形阀140控制的机构116的控制下关闭和开启，并由活塞致动器142在一个电磁操作致动器阀144的控制下操作。当蝶形阀打开时，来自喷嘴的压缩空气在出口106产生一个真空，当它关闭时，就产生一个正压。采用消音器146可以大大地减少喷射器排气的噪音。采用带有一个特大致动器阀144的最小的活塞致动器142，可在0.025秒内完成蝶形阀的开启和关闭。这种高速度的动作使金属液的运动发生十分快速而且稳定的转换，而且仅用一个在空气流中活动的部分就提供了高频率的循环。

循环的正压部分要求的空气压力比产生真空所要求的压力小得多而且要求的压力仅用于操作调节阀138之需。加压模式的较低压力值是由调节阀148产生的，而抽空模式的较高压力值则是由调节阀150产生的，两者都由来自管道128经过使空气压力稳定的调节阀152的工作空气供给的，以便补偿由于系统工作而产生的波动。阀148也用从出口102得到的蓄液室内部压力进行反馈操作，因而获得高速反应和增压，所以，金属液运动的转换随着压力的转换在几个毫米内发生。膜盒开关153可指示出在出口102的过高的压力力。供到阀138使它对喷嘴130施加所要求的压力的控制压力由一个四通电磁操作阀154来选择，通过一个电磁操作关闭阀156送入空气，这个阀能够为了安全的需要而关闭调节器。也为了安全的目的，排气钢134能够动作，使管道128通过消音器158与大气接通，从而切断所有对喷射器的供气。断电时，阀144很快迫使蝶形阀呈开启状态，所以在压缩空气供路断开之前，它就已经打开了，从而使蓄液室内部与大气接通，以使金属液面在重力作用下落到静止液面98。这些紧急关闭机构将在这样的情况下动作，例如：由电极测出金属液面太高;测出出口102压力太高;或者操作者进行的应急开关的操作。一种独立的安全装置有一块安全膜160装在喷射器上，如果发生压力过大，它会独立断开控制机构。

另一方面，主压力调节阀138可直接由带有程序逻辑控制器的控制系统116来编程，而程序逻辑控制器通过一个合适的电流压力控制转换器来操作。

为了保证搅拌装置满意的工作，精确控制最高和最低液面间的位置是很重要的，本发明的蓄液室的横截面大（约大于现用搅拌机构的14倍）对此极为有利，因而允许进行更精确的控制，因为金属的垂直运动较慢，这就使高动量和惯量分量可根据预定的要求操作，及控制。在一种操作方式中，蓄液室注入金属液，直到电极86、88指出已经达到液面92为止，这时，控制系统就在刚好小于已经指出的上液面的信号时作出反应，所以，对于预定的循环数目，金属液不会同电极接触，这就大大延长它们的寿命。控制系统可以配置成电极大致每10～15分钟接触一次，以保证控制机构正确地起作用。

精确地控制下液面更为困难，而测定液面何时低于通道66的顶部部因而排出气体正起泡进入炉内，这对于精确控制下液面是有利的。气泡的产生和移动引起内部气压发生小的波动，这可用适度敏感的压力扰动监控器探测出来，并且引起容易测定的来自监控器信号的相应变化。测定的信号可通过缩短排气阶段用来自动校正下液面位置。

图11示出这类控制系统工作情况的实例。搅拌装置起动时，吸气阶段开始，其时间T₁较短，排气阶段的时间T₂也相应较短。如果在这两段时间终了时，未测出指示蓄液室充满或排空的信号，随后的相应的时间T₃和T₄就稍微长些。如果仍然没得到终端信号，就再增加时间;在吸气时间T₅末了，电极86、88指示已达到上液面位置、随后的吸气时间就略为缩短为一个一定的时间间隔例如，10～15分钟，然后，再次延长时间，直到获得测定上液面的信号为止。类似地，如果喷射时间T₆终了或时间T₇开始时由压力扰动监测器获得已发生起泡现象的指示，随后，该段时间就缩短为类似的一定的时间间隔，然后，用这段合适的时间间隔重复这个循环。控制系统经常以这种方法对本身作动态调节，以便使每个循环过程中转换的金属液量增到最大而使起泡现在减至最少。

图12示出一种合适的压力扰动监控器的实例，它在图10以标号162表示。在监控器中来自调节器152的一般少量的恒定空气流经过一个固定的压差控制机构164（例如，Moore仪器公司，63BDL型）和一个可调的针状阀166注入一个透明的转子流量计168（Matheson    7262）。该转子流量计由上下反跳弹簧170和172以及上下红外线束位置测定仪装置174和176（例如：SKAN-A-MATLC公司，P-L-34024型）来调整，这两个红外测定装置沿浮子178的流量计管来监测位置。转子流量计的出口与管子连接，并导到出口102，而小股的空气通过管子180流回到控制器164作调节用。

调节针阀166得到所要求的流速（例如：0.75（标准英尺）³/小时）在此速度下，浮子正好切断下位置测定器174提供的红外线束，而泵的压力是稳定的，也就是说没有压力扰动。加压循环终了时，有一些起泡现象，起泡开始时在空气流动管道内引起一个突然的瞬间的很小的压力降，使浮子发生一个相应的“跳跃”，由于变化太快，不能由控制器164来补偿。这种浮子跳跃足以使它切断向控制系统116发出输入信号的上测定器176的红外线束，以便立即转换从加压到吸气的循环。已查明，这种装置是足够快速和灵敏的，起泡现象可限制到一个小泡，浮子的低惯量使它对压力变化的反应灵敏到几个毫秒。

这种装置也可用于监控泵的工作。无论是系统中的电动监控，还是通过监视浮子运动的目视监控都可以用。因此，每次压力变换都导致很强烈的浮子运动，这种运动足以使它啮接各个回弹弹簧。例如，如果系统处于稳定压力的压力状态，那么，转换成真空状态就会使浮子上移通过上测定器176的红外束，以便同弹簧172啮接，然后返回。类似地，从真空状态转换到加压状态时，浮子往下移动通过下液面测定器174的红外线束移到弹簧170，然后再返回。该控制系统测定所获信号的程序，并用来作为监控喷射器正确运行的可靠手段。缺少来自监控器的正确信号将导致停止运转，这在实践中是很有用的，例如，在探测蝶形阀140的任何不正确的工作时，或者探测由于安全膜160破裂引起的任何反常的压力过大时，都很有用。

另一方面，气动式控制器164可用一个压力一电流转换器来代替，该转换器接纳来自控制系统116的反馈信号，而这个反馈是从下液面测定器174作为一种位置控制输出信号获得的。

采用喷射器来获得合适的真空，虽然结构简单而且耐用，但确有缺点，即效率较低。如果不宜用一个补偿空气源，最好用一个吹气机。图13示出了这种系统。安装一个尺寸合适的吹风机182，它在滑柱式阀184的控制下于真空或压力状态下交替地起作用，阀184则在电磁操作阀190的控制下由在汽缸188内运动的双动式活塞186来操纵。吹风机组件用管道192的专门零件与顶盖332的入口106连接。管道应足够长，并有足够大的直径，使其内部体积大于金属在上、下液面位置间运动时的真空状态所抽出的空气体积，从而保证从蓄液室内部出来的热空气不进入吹风机而使之过热。为此，管道192应在其接近吹风机的一端也设有高效散热措施，例如采用若干个辐射散热阀193，这种配置意味着在抽气状态从蓄热室出来的热空气被泵回蓄液室内，这就减少了蓄液室壁由于空气进入而发生的冷却。

在电磁操作阀198控制下由马达196操纵的蝶形阀194构成一个起动与热热阀。起动时，该阀打开，使吹风机马达达到工作速度，然后，无论是真空还是压力状态此阀都关闭。用温度自动调节器200测定靠近吹风机的空气温度，如果温度太高，阀194就会打开，以便冷却控制系统，当温度降至合适值时，此阀就关闭。消音器202和204的作用是减少控制系统的噪音。空气是通过过滤器206进入控制系统的。这种系统由于是封闭环路工作而具有高的气动效率和低的热损失。而且，由于是封闭环路，也提供了一种可能性即减少了由于通过入口208和阀210喷入惰性气体以便尽可能多地置换系统中的空气而形成的浮渣。

带有测力传感器30的称重装置也可用于控制液面位置和探测起泡现象，这个装置支承着蓄液室，测量蓄液室内注入金属到不同液面92、94和96时加在该装置的各种负荷，这些负荷与蓄液室的相应重量成比例，并能产生可直接用来控制液面位置的相应的信号。因此，测力传感器可用于校准的目的，也就是用于测定下液面控制是否已经偏移到太低的液面位置。蓄液室中气泡的产生和移动将引起蓄液室产生的小的振动，这也可通过测力传感器探测出来，并产生易测信号，这种信号（如果产生的话）表明，排气阶段应当缩短。

Claims (29)

1、搅拌熔炉内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与熔炉室分开的蓄液室；

一个连接熔炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在熔炉内部与蓄液室内部之间流动；

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来在其中交替地连续地产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅拌喷射的方式将金属液排回炉内；

其特征在于，喷嘴的横截面积与蓄液室的水平横截面积之比为1∶50到1∶250。

2、根据权利要求1的搅拌装置，其特征在于，上述喷嘴的横截面积与蓄液室的水平横截面积之比值在1∶60到1∶150范围内。

3、根据权利要求1的搅拌装置，其特征在于，蓄液室内部横截面基本上是圆形的，上述喷嘴部分的布置要使通过它的金属流基本上是水平的并与上述圆形水平横截面成切线方向，以便使进入的金属液在蓄液室内部旋转。

4、根据权利要求1的搅拌装置，其特征在于，金属液被抽入蓄液室内部，直到达到其中的上液面位置为止，然后金属液被排出蓄液室，直到达到其中的下液面位置为止，而且，

蓄液室内部横截面的直径与上下液面之间的垂直距离之比大约为1.0∶1到2.0∶1。

5、根据权利要求1的搅拌装置，其特征在于，蓄液室安装在一种称重装置上，通过这种装置来测量蓄液室的重量，以确定金属液的液面位置。

6、根据权利要求1的搅拌装置，其特征在于，蓄液室安装在一种测力传感器上，通过这种传感器来测量蓄液室的重量，以确定金属液的液面位置。

7、根据权利要求1的搅拌装置，其特征在于，蓄液室安装在一种称重装置上，通过这种装置测量蓄液室的重量，以测定蓄液室内由于通过喷嘴从蓄液室内部进行到炉内的加压气体的起泡现象而造成的变化。

8、搅拌熔炉室内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室内部与蓄液室内部之间流动;

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来连续而交替地在其中产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，金属液被抽入蓄液室内部，直到它达到其中的上液面位置为止，然后金属液被排出蓄液室，直到它达到下液面位置为止而且，

蓄液室内部水平横截面的直径与上、下液面之间的垂直距离之比从大约1.0∶1到2.0∶1。

9、根据权利要求8的搅拌装置，其特征在于，蓄液室内容水平横截面基本上是圆形的，上述的喷嘴部分的布置要使通过它的金属液流基本上是水平的并与上述圆形横截面成切线方向，以便使进入的金属液在蓄液室内部旋转。

10、搅拌熔炉内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室与蓄液室之间流动;

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来在其中连续地交替地产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，蓄液室有一个可拆卸的顶盖部分，给蓄液室提供了一个通向内部的入口，顶盖部分装有加热元件，用来加热蓄热室内部及其中的金属液。

11、根据权利要求10的搅拌装置，它有一套安装顶盖的机构以便使顶盖相对于蓄液室本体部分可作垂直运动而分开，而且相对于上述蓄液室本体部分可作横向移动，以利对蓄液室内部进行操作。

12、根据权利要求10的搅拌装置，其特征在于，上述的可拆卸式顶盖部分也装有伸入蓄液室内部的液面控制电极，用以测定熔融金属液室内部的下液面位置。

13、根据权利要求10的搅拌装置，其特征在于，上述的可拆卸式顶盖部分装有对蓄液室内部抽真空的装置和供给加压气体的装置。

14、根据权利要求10的搅拌装置，其特征在于，含有一个压力测定器，用来测定蓄液室内由于加压气体从蓄液室内部进入炉内引起的起泡现象所造成的压力变化。

15、根据权利要求14的搅拌装置，其特征在于，上述的压力测定器有一个转子流量计，一般稳定的空气流通过该流量计，进入到蓄液室内部，因此，它受到蓄液室内部由于起泡引起的压力变化的影响。

16、根据权利要求15的搅拌装置，其特征在于，上述转子流量计有一个置于稳定空气流中的漂浮装置，其水平位置受测定的压力变化的干扰，压力测定器含有测定浮子偏离相当于蓄液室内稳定压力的平衡位置的移动量的装置。

17、根据权利要求16的搅拌装置，其特征在于，来自压力测定器的信号被用来根据压力测定器测定的起泡现象缩短对蓄液室内部施加正压力的时间。

18、搅拌熔炉内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部的蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室与蓄液室内部之间流动;

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来在其中连续而交替地产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，蓄液室装有一个压力测定器，用来测定蓄液室内由于加压气体从蓄液室内部进入炉内时的起泡现象造成的压力变化。

19、根据权利要求18的搅拌装置，其特征在于，上述的压力测定器有一个转子流量计，一股稳定的空气流通过该流量计，进入到蓄液室内部，因此，它受到蓄液室内部由于起泡引起的压力变化的影响。

20、根据权利要求19的搅拌装置，其特征在于，上述转子流量计有一个置于稳定空气流中的漂浮装置，其水平位置受测定的压力变化的干扰，压力测定器含有测定浮子偏离相当于蓄液室内稳定压力的平衡位置的移动量的装置。

21、根据权利要求20的搅拌装置，其特征在于，来自压力测定器的信号被用来根据压力测定器测定的起泡现象缩短对蓄液室内部施加正压力的时间。

22、搅拌熔炉室内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室与蓄液室之间流动;

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来在其内连续而交替地产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，金属液抽入蓄液室内部并从蓄液室内部排出的时间可以测量出来，调节这些时间间隔可以控制蓄液室内部液的上、下液面位置。

23、根据权利要求22的搅拌装置，其特征在于，上述的时间开始时要增加，直到到达最高上液面位置和最低下液面位置为止;然后，要缩短上述的时间，得到一个达到刚好低于上述最高上液面和刚好高于上述最低下液面位置的时间间隔，在该段时间间隔后，重复操作程序，以便使蓄液室内部装盛金属液达到最佳状态。

24、搅拌熔炉室内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室内部和蓄液室内部之间流动;

与蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来在其内连续而交替地产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，喷嘴部分使条属液水平地进入炉内，其方位是：在邻近一端壁的一侧壁，或在邻近一侧壁的一端壁，以同上述的一端壁的平面成10°～45°之间的一个角度，对着另一侧壁。

25、搅拌炉室内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室内部和蓄液室内部之间流动;

连接在蓄液室内部的产生真空/压力的机构，用来连续而交替地在其内产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，上述的产生真空/压力的机构有一个喷射器，该喷射器带有同蓄液室内部连接的低压入口和同高压空气源连接的高压入口;

上述的喷射器在其出口有一控制阀，打开该控制阀，就通过低压入口使蓄液室产生真空，关闭该控制阀，就通过高压入口对蓄液室通入高压空气。

26、根据权利要求25的搅拌装置，其特征在于，当控制阀打开，蓄液室内部产生真空时，施加在上述喷射器的高压入口的高压空气的压力增加到较高的值，当控制阀关闭、对蓄液室内部加压时，该压力降低至一个较低的值。

27、搅拌熔炉室内金属液的搅拌装置，该装置包括：

一个与炉室分开的蓄液室;

一个连接炉室内部和蓄液室内部的喷嘴部分，金属液通过它在炉室内部与蓄液室内部之间流动;

当蓄液室内部连接的产生真空/压力的机构，用来在其内连续而交替地产生真空和正压力，真空把金属液从炉内抽到蓄液室内部，正压力则以搅动喷射的方式将金属液排回炉内;

其特征在于，上述的产生真空/压力的机构有一个带有入口和出口的吹风机，并有将其入口和出口交替地连接到蓄液室内部以便分别地对蓄液室产生真空和施加压力的装置。

28、根据权利要求27的搅拌装置，其特征在于，上述吹风机与上述蓄液室内部用一管道连接起来，该管道内部的容积至少应等于上、下液面之间泵出的气体的体积，以便让真空循环过程中从蓄液室内部出来的气体存留在该管道内，并在加压循环过程中往回蓄液室内部。

29、根据权利要求28的搅拌装置，包括将一种惰性气体喷入蓄液室内部以转换其中的空气的装置。

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