CN106795584A - 用于熔融金属加工设备的先进材料 - Google Patents

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Abstract

一种熔融金属加工装置，选自构建成包括包含C/C复合物的至少一种元件的泵、脱气器、助熔剂注射器和碎屑下沉器。

Description

用于熔融金属加工设备的先进材料
本申请要求于2014年8月14日提交的美国临时申请62/037,387的利益，其公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本示例性实施方案涉及熔融金属加工。与熔融金属泵、下沉器(submergencedevice)、除气设备(degassing equipment)等结合，其找到特别的应用，并且将特别参照这一点对其进行描述。然而，要认识到本示例性实施方案也适合于其它类似应用。
背景技术
在地壳中，铝是第三最丰富的元素(在氧和硅之后)，并且是最丰富的金属。其占地球固体表面的约8重量％。对于金属的低密度和对于其由于钝化现象而耐腐蚀的能力，铝是显著的。由铝及其合金制成的组件对于结构材料的全球生产是至关重要的。铝由于其另外有利的易于回收的能力而是特别有价值的。
铝通常被熔融并浇铸成成品，或者浇铸成用于运送的坯(billet)并最终再熔融和浇铸成理想的最终产品。已经开发出特殊的操作设备以有助于熔融铝的熔融、加工和运送。
尽管本公开已经与铝关联，但要注意的是本文中描述的设备可同样适合于与其它熔融(motel)金属(和它们的盐)，包括例如锌、镁和镍，一起使用。
熔融金属操作和回收的过程是复杂的。其需要用于熔融所述金属的设备，用于熔融金属循环的泵，用于下沉碎屑金属片的器件(device)，用于移除杂质的器件(例如过滤和除气)，用于引入助熔剂(flux)和其它合金化剂(alloying agent)的器件，和用于运送所述熔融金属的器件。
在典型的熔融操作中，提供一种熔融炉，其具有封闭的炉膛和连接的开放侧井。将泵或其它熔融金属流引发装置(molten metal flow inducing apparatus)定位在所述侧井中并使熔融金属在所述炉膛内循环。所述测井可包括泵井和熔融跨(melting bay)，该熔融跨可以被进一步分成进料井和渣井。可通过将固体棒引到所述主炉膛中和/或通过将金属片添加到所述测井而熔融金属。
所述进料井可用于熔融金属碎屑。已经开发了多种设备部件以帮助下沉所述碎屑片，并且在本文中它们被称为碎屑下沉器(scrap submergence device)。所述渣井可用于移除污染物。另外，碎屑金属通常被有机和无机污染物污染。有机污染物最通常由多种类型的油、涂料或油漆(paint)等的残余部分组成。所述无机污染物可包括灰尘颗粒、颜料、少量的不是所述主要金属的多种碎屑金属等。铝碎屑通常还将含有不同量的金属氧化物。所述污染物的大部分将漂浮到熔融金属浴的顶部或在所述熔融金属上形成无机污染物的熔渣或熔渣状皮，其可以根据完善的技术撇除离开所述金属。
在熔融金属(例如铝或锌)的加工中，一种常用的设备部件是用于在熔炉中产生熔融金属流的循环泵。另外，它对于从一个容器到另一个容器泵送熔融金属经常是必须的。当所述熔融金属需要通过将其提升越过防护墙(containment wall)而从容器移除时，经常使用所谓的输送泵。这些可包括例如在美国专利5,947,705(通过引用并入本文中)中说明的传统样式的输送泵，或者在美国公开申请US 2013/0101424(通过引用并入本文中)中说明的类型的溢流输送系统，或者在美国专利8,337,746(通过引用并入本文中)中说明的类型的流槽(launder)/浇包(ladle)输送系统。
这种情况最典型的是其中所述输送泵位于熔融金属熔炉的进料井中以从所述熔炉移除熔融金属，也许用于引到浇包和从那里到压铸机(die caster)。在铝循环工业中，镁的移除已经变成特别的焦点。从熔融的铝中移除镁的能力通过在镁和氯之间的有利化学反应成为可能。为此目的可使用气体注射泵。
除气装置可用于在执行浇铸操作之前提高所述熔融金属的质量。在这样的除气操作中，将大量的细气泡化的惰性气体，例如氩气或氮气，引入到所述熔融金属中，使得溶解的气体和非金属包含物被所述惰性气体的气泡夹带或捕获，它们是漂浮的以进行移除。典型地，将所述惰性气体通过设置在所述熔融金属表面之下的旋转的轴和叶轮组件注入到所述熔融金属中。另外，存在用于将助熔剂，通常氯和/或氯盐，引入到熔融金属中的装置。这些装置可包括旋转的叶轮/轴组合，通过它们可引入惰性气体和助熔剂。美国专利3,767,382和8,025,712是助熔剂注射器的实例，并且每个公开通过引用并入本文中。
如本领域技术人员将认识到的，其中所述熔融金属加工设备操作所处的环境是极其苛刻的。例如，铝和镁在高于1200℉下熔融。相应地，在这些类型的熔融金属中没有许多材料发挥作用。另外，这些液体的密度可在用于移除所述熔融金属的设备上提供显著的机械应力(stress)。另外，其中所述设备将所述熔融金属转移到周围大气的区域是高温高氧化性环境，其使得许多材料不适合应用。因此，到目前为止，用于构成熔融金属加工设备的原材料(primary material)，至少在熔体线之下操作的元件，已经是石墨、氮化硅和碳化硅。这些材料中的每种具有缺点例如机械加工性、强度、对于热冲击的敏感性和高成本。
发明内容
本公开涉及在多种熔融金属加工设备组件的构造中使用可替代的材料的概念，和进一步地，可由其构成的改进的组件的代表性实例。
根据第一实施方案，提供一种熔融金属加工装置，其选自泵、脱气器、助熔剂注射器和碎屑下沉器。构成所述装置以包括至少一种由C/C复合物组成的元件。
根据另一个示例性实施方案，本公开涉及一种装置，例如熔融金属泵、脱气器、助熔剂注射器和/或碎屑下沉器。所述装置可包括马达、在第一端处接合所述马达和在第二端处接合叶轮的轴，其中至少一个旨在设置在熔融金属表面之下或过渡穿过熔融金属表面的组件由C/C复合物材料组成。
根据另一个实施方案，提供一种加工熔融金属的方法。所述方法包括如下步骤：(i)用树脂浸渍碳纤维主体；(ii)加热步骤(i)的主体以形成C/C复合物；(iii)机械加工步骤(ii)的C/C复合物以形成熔融金属泵、脱气器或碎屑下沉器的组件；和(iv)在熔融金属的加工中操作包括步骤(iii)的组件的泵、脱气器或碎屑下沉器。另外，可能希望包括在步骤(ii)或(iii)中的一个之后可选的抗氧化处理。
附图说明
图1是典型的熔融金属熔炉的示意图；
图2是熔融金属熔炉的透视图，其具有部分切除部分(cut-away)以说明熔融金属泵；
图3是气体注射泵的侧正视图(side elevation view)，部分在截面中；
图4是输送泵的侧正视图，部分在截面中；
图5是包括C/C复合物顶板的叶轮的分解图；
图6是熔炉侧井中的可替代的输送泵的透视图；
图7是图6的输送泵的截面图；
图8是模具泵的侧正视图，部分在截面中；
图9是适合于在图8的模具泵中使用的可替代的叶轮轴组件的透视图；
图10是除气装置的侧正视图；
图11是除气叶轮的底视图(bottom plan view)；
图12是具有由石墨构成的主体并包括具有C/C复合插入物的磨损区的叶轮的底视图；
图13是采用C/C复合物材料可获得的可替代的叶轮构造的俯视图(top planview)；
图14是类似于图13的样式的混合式叶轮，其具有石墨主体和C/C复合物叶片；和
图15是碎屑熔融(meting)装置的剖视图(cross-sectional view)。
具体实施方式
根据本公开，考虑了熔融金属加工设备的多种组件部分或全部由碳-碳复合物材料(下文中称C/C复合物)构成。C/C复合物对于制备而言可能是昂贵的，但提供高的强度-重量比和刚度。C/C复合物也可以用如下物质浸渍：通常与石墨组件一起使用的类型的抗氧化的化学品，例如包括基于磷酸盐或酯(phosphate based)的抗氧化剂的溶液(例如参见美国专利4,439,491，其公开内容通过引用并入本文中)。相对于例如不易被浸渍的高密度石墨，这是有利的。C/C复合物提供导热性和硬度的优异组合。另外，C/C复合物提供低的密度、高的硬度(stiffness)、低的热膨胀系数、零至很小的排气性(outgassing)和独特的高温能力(high temperature capability)。
C/C复合物由于高的导热性和低的热膨胀性质，即低的热膨胀系数，而具有热稳定性、高的耐热冲击性。这些材料还表征为在高温应用中具有高的韧性、强度和硬度。C/C复合物可包含与基体前体混合或接触的碳或石墨增强物以形成“生坯(green)”复合物，其然后被碳化以形成所述C/C复合物。C/C复合物还可以包含碳或石墨增强物，其中所述基体完全或部分地通过化学气相渗入(CVI)或化学气相反应(CVR)引入。
C/C复合物可由纤维材料制成，所述纤维材料例如碳纤维或碳纤维前体。在制造所述C/C复合物的过程中，通常将这些纤维材料与粘结剂混合。一种类型的这种C/C复合物用与粉末形式的基于沥青(pitch-based)的热塑性粘结剂混合的短切纤维制成。将所述混合物放置在模具中，其中将其压缩和加热以形成预成型体，并将得到的预成型体通过加热碳化。
C/C复合物商购自如Amoco、DuPont、Hercules、Celanese等的公司，并且可采用的形式为纤维、短切纤维、布或织物、或者布屑或织物屑(chopped cloth or fabric)，它们被称为模制物料(molding compound)。C/C复合物还可以采取的形式为连续长丝纱、短切纱或由连续长丝制成的带，并且它们被称为单向纤维阵列。可以通过编结(braiding)或通过多向编织(mutidirectional weaving)以理想的形状编织纱。所述纱、布和/或带可以被卷起(wrap)或围绕一个芯轴(mandrel)卷绕以形成多种形状和增强定向(reinforcementorientation)。所述纤维可以干燥状态卷起，或者它们可以在卷起、卷绕或堆叠之前用理想的基体前体浸渍以形成通常所称的预浸料(prepreg)。这些预浸料和编织结构增强物商购自多种来源，包括Fiberite、Hexcel和Cytec。所述碳纤维增强物可以由前体制成，所述前体例如聚丙烯腈(PAN)、人造丝(rayon)或沥青。
可用于形成C/C复合物的基体前体包括液体来源(liquid source)和气体来源(gaseous source)，所述液体来源例如酚醛树脂和沥青，所述气体来源包括烃，例如甲烷、乙烷、丙烷等。代表性的酚醛塑料包括但不限于例如由Willowbrook,Ill的Stuart-Ironsides供应的以市售商标USP39和91LD出售的酚醛塑料。
所述C/C复合物可通过多种技术制造。常规地，将树脂浸渍的碳纤维在工具上或在模具中热压处理(autoclave)或压塑成理想形状。将模制的部件在惰性环境中加热处理到约1300℉(700℃)至5250℉(2900℃)的温度以将所述有机相转化成碳。然后将碳化的部件通过碳化学气相渗入或通过采用树脂的多次循环再浸渍进行致密化，如上所述那样。其它制造方法包括干燥预成型体的热压制(hot pressing)和化学气相渗入。在所述制造方法中可用于实施一些必要步骤的C/C复合物的制造方法描述于美国专利3,174,895和3,462,289中，它们通过引用并入本文中。
一旦制造了所述C/C复合物制品的一般形状(general shape)，可以容易地将该部件机械加工到精确的公差，在约0.1mm或更小的量级上。相应地，鉴于C/C复合物的强度和机械加工性，除了在最初制造过程中可能的成型外，C/C复合物可以通过机械加工成型为组件的高度精确形状。关于这一点，本公开的C/C复合物可提供相对于具有浇铸精度限制的陶瓷的制造优点和相对于石墨的强度优点。
本说明书的C/C复合物例如通过包括受控量的硼可具有在高温下的低摩擦特性。这种类型的C/C复合物可特别用作熔融金属泵中的轴承套圈(bearing ring)。
铝循环熔炉描述于美国专利6,217,823中，其通过引用并入本文中。现在参照图1，描绘了铝循环熔炉100。熔炉(furnace)100包括例如用气体或油燃烧器(gas or oilburner)或通过任何现有技术中已知的其它手段加热的主炉膛组件(main heartcomponent)120。相邻的并且与所述炉膛(heart)120流体连通的是由泵井(pump well)140、加料井(charge well)160和渣井(dross well)180组成的主循环区(primary recyclingarea)。尽管未示出，所述炉膛120的壁开口到所述泵井140，所述泵井140开口到所述进料井160，所述进料井160开口到所述渣井180，所述渣井180进而开口到所述炉膛120，以允许由箭头示出的循环方式。所述泵井容纳熔融金属泵。所述熔融金属泵将熔融金属从所述炉膛120循环到所述进料井160，在那里，待加工的金属的碎屑片(scrap chip)沉积到所述熔体的表面上。来自所述进料井160的熔融金属流到所述渣井180中，在那里将形式为熔渣的杂质在所述熔体流回到所述炉膛120中之前从所述表面撇除(skim)。
现在参照图2，示出了在回收熔炉(recycling furnace)203的泵井201内的熔融金属循环泵200。这种类型的泵更充分地描述于美国专利6,887,425中，其通过引用并入本文中。泵200包括多个连接于基座(base)207并悬挂于马达架(motor mount)209的立柱(post)205。叶轮(impeller)(未示出)设置在基座207内并通过轴(shaft)和连接件(coupling)(未示出)连接于马达210。泵200将熔融金属从泵井201循环到进料井211和渣井213中。图2中描绘的泵通常被称为循环泵。
根据本公开并且在多种熔融金属泵装置的随后讨论中更充分描述的，设想的是所述泵的熔体线(ML)以下的组件(the below melt line(ML)component)可以全部或部分地由C/C复合物材料构成。类似地，鉴于由化学处理实现的优异抗氧化性，在所述ML处或其附近的组件也可以由C/C复合物材料构成。这些组件包括所述基座壳(base housing)、所述轴、所述叶轮、一个或多个轴承套圈和/或泵立柱或套筒(sleeve)。
在某些熔融金属加工操作中，可以采用描绘在美国专利5,993,728(其通过引用并入本文中)中的类型的气体注射泵。另外，在与某些熔融金属一起进行的工作时，可能必须进行气体注射以移除不希望的杂质。现在参照图3，描绘了典型的气体注射泵301。泵301包括悬挂组件(hanger assembly)302，其用于在熔炉内根据需要升高(lift)和定位所述泵。马达303由马达架(motor mount)304支撑，其自身由支撑板(support plate)306支撑。所述马达303通过连接组件(coupling assembly)308连接于固定到叶轮312的可旋转轴310。基座组件(base assembly)314通过多个立柱316连接于马达架304。所述叶轮312可在泵室(pumping chamber)318内旋转，并且其旋转将熔融金属319通过入口320抽入到所述泵室318中并通过出口通路322排出所述熔融金属。轴承套圈对(bearing ring pairs)321和323协同地(cooperatively)设置在所述叶轮312上和在泵室318的壁中。可以在泵室318的顶部并且与叶轮312的顶部径向边缘相对设置另一个轴承套圈325。
将反应性气体(例如氯)提供到由夹钳机构(clamping mechanism)326支撑的气体注射管324，所述夹钳机构326连接于所述支撑板306。所述气体注射管324的下沉端(submerged end)通过管塞(tube plug)328连接于出口通路322。除了在图2中明确的C/C复合物元件，所述气体注射管324和管塞328可以由C/C复合物材料构成。相应地，可有利地完全或部分由C/C复合物材料构成的泵301的组件包括基座组件314、叶轮312、立柱316、轴310、气体注射管324、管塞328和一个或多个轴承套圈321、323和325。
除了其中熔融金属由循环泵循环或由气体注射泵循环和处理的情况外，还存在其中熔融金属从熔炉移除并远程输送以进一步加工的情况。示例性的输送泵描述在美国专利5,947,705中，其通过引用并入本文中。
如图4中示出的典型输送泵401包括马达411，该马达411通过连接组件415连接于可旋转轴413。所述轴413在其下端连接于可旋转叶轮417，所述可旋转叶轮417在基座419内的泵室418中旋转。在设置在所述叶轮417的下部环形边缘中的轴承套圈423的面对方向，在基座419的下部区域中提供轴承套圈421。另一个轴承套圈424可设置在基座419的上部区域，面对叶轮417的上部环形边缘，以允许所述叶轮的适当旋转。所述马达411通过连接于马达架平台(motor mount platform)429的立柱425的对(仅其中一个是可见的)支撑并连接于所述基座组件419。
提升管(riser tube)451具有设置在所述基座419中的出口453内的第一端，并且通过连接件适配器(coupling adaptor)465固定在马达架开口460中。所述提升管451的上端包括可将弯头(elbow)(未示出)连接于其上的凸缘(flange)455。所述弯头接合(engage)允许熔融金属移动到远程位置的输送管道(transfer piping)。除了上述铰接的(articulated)适合于由C/C复合物材料构成的泵组件外，所述输送泵提升组件(transferpump transfer assembly)可由其构成。
关于图5，描绘了包括C/C复合物组件的叶轮。所述叶轮501是石墨或陶瓷的通常圆筒状的主体(body)，并包括具有用于容纳轴的凹陷(recess)504的上表面502。所述上表面502还包括通道506的入口505，所述通道506从所述上表面向下延伸并通过侧壁508向外，至出口509。围绕下表面512的外缘提供陶瓷(例如碳化硅或C/C复合物材料)的轴承套圈510。将C/C复合物盘513固定到所述叶轮501的顶表面502以改进所述器件的磨损特性(图5中，所述盘513被展示是移除的和连接的)。
当然，所述叶轮和/或保护性顶板的形状不限于圆筒形状。然而，考虑了使用具有任何形状叶轮的C/C复合物材料的保护性顶或底板，包括鸟笼状、叶片状、三角形或任何多边形形状。另外，考虑了整个叶轮主体可由C/C复合物材料构成。
参照图6和7，与熔炉628关联，描绘了熔融金属溢流输送泵(molten metaloverflow transfer pump)630。所述泵组件更充分地描述于美国专利公开2013/0101424中，其通过引用并入本文中。泵630通过安置在所述熔炉跨(furnace bay)634的壁上的金属框架632悬挂。马达635旋转轴636和附属的叶轮(appended impeller)638。耐火体(refractory body)640形成细长的通常圆筒状的泵室或管641。所述耐火体可例如由熔融石英、碳化硅、C/C复合物材料或它们的组合形成。主体(body)640包括容纳叶轮638的入口643。叶轮638可完全或部分地由C/C复合物材料构成。优选地，提供轴承套圈(未示出)以便于其中的叶轮638的均匀磨损和旋转。所述轴承套圈可由C/C复合物材料组成。
在操作中，熔融金属通过所述入口643吸入到所述叶轮中并以强制(“平衡”)涡旋的形状在管641内强制向上。在所述管641的顶部，提供螺旋形室(volute shaped chamber)642以将由所述叶轮的旋转产生的熔融金属涡旋向外引导到槽(trough)644中。槽644可连接/配合于另外的槽元件(trough member)或管以将所述熔融金属引导到其理想的位置，例如浇铸装置，浇包(ladle)或本领域技术人员公知的其它机构。所述槽可用C/C复合物材料形成或用其涂覆。
尽管离心泵对于泵送熔融金属而言满意地操作，但它们从来没有发现可接受作为填充熔融金属模具的装置。相反，这个任务留给了电磁泵、加压熔炉和浇包(ladeling)。已知的离心泵通常通过调节所述叶轮的转速控制熔融金属的流速和压力。然而，当尝试将熔融金属输送到模具(例如成型模具(form mold))中时，这种控制机构经历熔融金属的流速和压力的不稳定控制(erratic control)。当尝试填充成型模具用于复杂或精细成型的工具或部件时，熔融金属流到所述成型模具中的不稳定控制是尤其普遍存在的。能够填充模具成型体(mold form)的离心泵已经描述在美国公开申请2014/0044520中，其通过引用并入本文中。
参照图8，说明了模具泵组件(mold pump assembly)810。所述组件包括具有圆筒形状的细长的轴816，其具有通常垂直于所述基座元件(base member)820的旋转轴线。所述细长的轴具有第一端828和第二端830，所述第一端828适应于通过连接件(coupling)(未示出)连接于马达(未示出)，所述第二端830连接于叶轮822。所述叶轮822可旋转地定位于所述泵室818内，使得所述马达/连接件的操作旋转所述细长的轴816，该轴816旋转在所述泵室818内的叶轮822。
所述基座元件820限定了所述泵室818，该泵室818容纳所述叶轮822。构造所述基座元件820以在通道831内结构性容纳一个或多个耐火柱(refractory post)(未示出)。每个通道831适应于容纳设置在所述耐火柱的耐火护套组件内的金属杆以刚性连接于马达架(motor mount)(未示出)。所述马达架支撑在所述熔融金属上方的马达。
所述叶轮822构造有第一径向边缘832，该第一径向边缘832与第二径向边缘834轴向地间隔开。所述第一和第二径向边缘832、834外周地设置于所述叶轮822周边的周围。所述泵室818包括轴承组件835，其具有第一轴承套圈836，该第一轴承套圈836与第二轴承套圈838轴向地间隔开。所述第一和第二径向边缘832和834分别面对所述轴承套圈836和838。所述径向边缘可以由碳化硅(siliicon carbide)轴承套圈组成。所述叶轮主体823的其余部分可以由C/C复合物材料组成。所述第一径向边缘832与所述第一轴承套圈836面向地对齐，和所述第二径向边缘834与所述第二轴承套圈838面向地对齐。所述轴承套圈由如下材料制成，例如碳化硅，所述材料具有高温下的耐摩擦性能以防止由于高摩擦力导致的循环破坏(cyclic failure)。所述轴承适应于支撑所述叶轮822在所述基座元件内的旋转，使得所述泵组件810至少基本上防止振动。
在其中需要精确计量熔融金属量至特定模具体积和形状的模具泵组件中使用C/C复合物主体是特别有利的。关于这一点，已经发现历史上使用石墨主体在所述径向表面上形成磨损，特别是在所述石墨材料接合所述碳化硅轴承套圈时。这样的磨损可能导致随着时间过去在选择的马达RPM下不可预测的熔融金属流和压力。
所述叶轮822的旋转将熔融金属抽入到所述入口848中并进入到所述室818中，使得所述叶轮822的连续旋转导致熔融金属强制离开所述泵室818到达所述基座元件820的出口(未示出)，其与模具连通。尽管所说明的泵包括C/C复合物材料作为所述叶轮的主体，但考虑了任何意欲设置在所述熔融金属中的元件可由C/C复合物材料构成，包括轴承套圈。
例如，图9描绘了用于模具泵的可替代的叶轮轴布置。所述布置由轴916组成，所述轴916具有马达架端928和叶轮安装端930。所述轴可由石墨、陶瓷或C/C复合物材料或它们的组合组成。所述轴还可以包括C/C复合物材料的套筒。所述叶轮922可以完全由C/C复合物材料构成。以此方式，可选地去除轴承套圈是可行的。
图10示意性地说明了连续除气装置的常规结构。然而，在批量除气中使用C/C复合物元件同样是可应用的。为了改进所述气体遍及所述熔融金属的分散性，通常使用旋转注射器，其提供所述气泡的剪切作用并将所述工艺气体与所述液体金属密切搅拌/混合。所述除气装置通过入口1002连续接收熔融金属1009。除气容器1001的上开口1001由盖1003覆盖，并且在下游侧，分隔件(partition)1004在所述方向上向下延伸，使得其横过(cross)所述金属1009的流以防止可形成熔渣的包括氧化物等的漂浮物质(floating substance)(悬浮物(suspended matter))流到随后的处理过程中。即，分隔件1004向下延伸，使得在所述分隔件1004的底端和所述容器1001的内底壁之间形成预定流通面积的相对窄的通路。所述分隔件1004的这样的布置可获得熔融金属在所述分隔件1004上游的处理室1008处的最大停留时间，使得可以实现除气操作的延长时间段。旋转的气体扩散器件1005通过在所述盖1003中制成的孔插入，并位于所述除气容器1001中的熔融金属中。所述气体扩散器件1005具有被安装到位于(浸没于)所述熔融金属中同时经历旋转移动的可旋转轴1012的叶轮1010，使得所述惰性气体从所述气体扩散器件1005的下部喷出，同时精细气泡化的惰性气体分散到所述熔融金属中。可以包括一个燃烧器1006以保持理想的温度。叶轮1010和可选地轴1012可以由C/C复合物材料构成。示例性的叶轮描述在美国专利8,178,036中，其通过引用并入本文中。类似地，描绘在美国专利3,767,382和8,025,712中的类型的助熔剂(flux)注射器装置可受益于由C/C复合物材料构成多种组件(例如轴和转子)。
参照图11，说明了由C/C复合物材料构成的叶轮1120。所述叶轮的形式为长方体(rectangular prism)，其具有面1124、面1126和侧壁1128、1130、1132、1134。所述叶轮1120包括通过所述面1124开口的气体排放出口1136。所述气体排放出口1136构成螺纹开口1138的一部分，所述螺纹开口1138延伸通过所述叶轮1120，并且其通过所述面1124和1126开放。所述轴(未示出)包括纵向延伸的孔，该孔通过所述出口1136的末端开放。所述面1124、1126大致地彼此平行，如所述侧壁1128、1132和所述侧壁1130、1134那样。所述面1124、1126和所述侧壁1128、1132、1130、1134是限定尖锐直角形角1139的平面。所述叶轮1120在平面图中还可以是三角形、五边形或另外地多边形。
多个沟槽(groove)1152、1154、1156、1158、1160、1162、1164、1166、1168、1170、1172、1174从所述毂部(hub)1150径向向外延伸。每个沟槽从所述毂部向相应侧壁延伸，并且所述相应沟槽在所述侧壁处是开放的。
所述沟槽1152…1174从面1124延伸到所述叶轮1120的主体中，并具有与所述面1126间隔开并通常平行于所述面1126的表面。所述沟槽1152…1174包括纵轴线L(其也是对称轴线)，所述纵轴线L彼此对准并从一侧延伸到相对侧。所述轴线与螺纹开口(threadedopening)1138的半径共线(即，延伸通过所述螺纹开口的中心)。
图12说明了可替代的叶轮1220，其中所述主体1222由石墨构成并且所述角1239容纳由C/C复合物材料构成的插入物1241。另外，所述角可构成高磨损表面，所述高磨损表面可通过较长寿命的C/C复合物获益，而通过包括相对较低成本的石墨主体保持相对低的总单元成本(total unit cost)。
所述C/C复合物部件可通过机械手段、粘合剂手段(例如胶黏剂(cement))或通过反应性粘结接合件(joint)中间层的手段固定于所述熔融金属加工设备的石墨、陶瓷或其它C/C复合物元件。所述中间层可由碳化物形成金属成分和碳的细颗粒形成。包括在所述化合物中的金属可选自由W、Ti、Si、Ta、Nb、Zr、Hf、V、Cr和Mo组成的组。在所述接合件化合物中钨是优选的金属成分。所述反应性粘结层还可以含有一种或多种耐火化合物作为填料物质。代表性的耐火化合物包括TiB2、BN、B4C、SiC、TiC、MoSi2、WSi2。粘结层可包括由例如10克钨粉和0.5克碳粉和12毫升甲醇制成的浆料。将待与所述粘结层连接的部件在氩气氛中和在5兆帕的压缩压力下加热到1450-1580℃的温度10-30分钟的时间。所述方法包括如下步骤：提供第一C/C复合物部件和第二部件，其中所述第二部件具有与所述C/C复合物部件的表面互补的表面；在所述第一互补配合表面上提供一层金属粉末和碳粉末的混合物；在所述粉末层上布置所述第二C/C复合物部件，使得所述第二互补配合表面与所述第一互补配合表面配合，从而形成所述第一C/C复合物部件、所述粉末层和所述第二部件的构建体(construct)；将所述构建体放置到压具中并向所述构建体施加压力以将在它们的互补表面处连接的所述两个部件压在一起；和向在所述构建体中的粉末施加电流以引发氧化还原反应，从而将所述部件粘结在一起。
参照图13，要说明的是熔融金属叶轮(包括泵叶轮、碎屑下沉叶轮和除气叶轮)的传统形状已经受限于石墨的强度和/或陶瓷的机械加工性(mahineability)。相应地，通过在所述叶轮的制造中采用C/C复合物，预想能实现增加的效率设计。例如，完全由C/C复合物材料构成的图13的构造是可机械加工的，并且可能具有足够的强度以在熔融金属环境中操作。有利地，所述设计提供一个中心毂1301，其限定孔1302并由相对大的流体接收狭槽(slot)1303围绕，所述狭槽1303由薄的叶片1305限定。叶片1305可按照需要向前或向后弯曲以增加流速或压力。
现在转到图14，论证了与石墨组合使用C/C复合物材料。特别地，提供限定轴接收孔1402的石墨毂1401。多个C/C复合物叶片1405从毂部1401延伸并限定流体接收狭槽1403。毂部1401还包括多个切口(cut-out)1407，所述切口1407被构造以接收每个叶片1405的末端1409。所述叶片末端1409可以被胶粘(cement)或粉末粘结到所述石墨毂1401上(在每个切口1407内)。
熔融金属碎屑，特别是铝，基于多种特性(例如所述碎屑颗粒的尺寸和在其表面上存在油或其它有机材料)可能难以下沉。更明确地，部件尺寸和有机物含量可能强烈影响所述材料的浮力并且不利地影响所述碎屑下沉体系下沉所述碎屑的能力。关于这一点，未被下沉并漂浮在顶部的碎屑通常不会熔融，并且实际上可能燃烧。相应地，碎屑颗粒的快速下沉是任何体系的必要特性。
多种装置已经在熔融跨(melting bay)(特别地在所述进料井中)中用于促进所述碎屑金属下沉在所述熔融金属浴的表面以下。一个体系是机械体系，其主要由从所述顶表面产生熔融金属流的转子(rotor)构成。这些器件的实例示于美国专利3,873,305；3,997,336；4,128,415；4,930,986；和5,310,412中，其公开内容通过引用并入本文中。这些装置的多个组件可受益于由C/C复合物材料的构造。
参见图15，在所述前壁1522的前方，邻近所述进料井1518设置传送带(conveyor)1546。碎屑金属的颗粒1548由所述传送带1546传送以排放到所述进料井1518中。混合装置1510包括驱动马达和支撑件(support)1550。所述驱动马达和支撑件1550设置在所述进料井1518的上方。连接件1552从所述驱动马达和支撑件1550的下侧突出。垂直定向的细长的轴1554从所述连接件1552的下侧向下突出。在远离所述连接件1552的位置处将叶轮1556刚性固定到所述轴1554。叶轮1556设置在所述熔融金属1542内。所述叶轮1556或其部分和可选地所述轴1554或其部分可由C/C复合物材料制成。
如本发明已经描述的，对于本领域技术人员显而易见的是其可以许多方式改变而不背离本发明的目的精神和范围，并且旨在将任何和所有的这样的变体包括在所附权利要求书的范围内。
参照优选实施方案已经描述了所述示例性实施方案。显然，当阅读和理解前述详细说明时，对于其它方面将发生改变和替换。希望所述示例性实施方案被理解为包括所有这些改变和替换，只要它们落在所附权利要求书或其等价物的范围内。

Claims (20)

1.一种熔融金属加工装置，选自包括包含C/C复合物的至少一种元件的泵、脱气器、助熔剂注射器和碎屑下沉器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述元件进一步包括与所述C/C复合物结合的陶瓷和石墨中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述元件包含叶轮。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述叶轮的顶板、轴承套圈和叶片中至少一种包含所述C/C复合物。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述叶轮包含石墨毂和至少一个C/C复合物叶片。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述C/C复合物包含设置在碳基体中的碳纤维。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述碳基体衍生自酚醛树脂或沥青。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述碳纤维为纱线或布的形式。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述C/C复合物包括抗氧化浸渍物。
10.一种熔融金属泵、脱气器、助熔剂注射器和/或碎屑下沉器，包含马达、在第一端处接合所述马达和在第二端处接合叶轮的轴，其中旨在设置在熔融金属表面之下的至少一个组件包含C/C复合物。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述轴的至少一部分包含C/C复合物。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述叶轮的至少一部分包含C/C复合物。
13.根据权利要求10所述的装置，其中所述组件包含轴承套圈。
14.根据权利要求10所述的装置，其中所述组件包含泵壳。
15.根据权利要求10所述的装置，其中所述组件包含立柱。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述组件包含立柱套筒
17.根据权利要求10所述的装置，其中所述组件包含气体注射管和/或管塞。
18.根据权利要求10所述的装置，其中所述组件包含提升管。
19.根据权利要求10所述的装置，进一步包括包含C/C复合物的挡板。
20.一种加工熔融金属的方法，包括：
(i)用树脂浸渍碳纤维主体；
(ii)加热步骤(i)的主体以形成C/C复合物；
(iii)机械加工步骤(iii)的C/C复合物以形成熔融金属泵、脱气器或碎屑下沉器的组件；和
(iv)操作包括步骤(iii)的组件的泵、脱气器或碎屑下沉器用于熔融金属的加工。
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