CN107532606B - 熔融金属泵及相关的涡旋产生装置、坩埚和叶轮 - Google Patents

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Abstract

提供了一种熔融金属泵，其包括具有限定入口的底端和限定出口的顶端的细长管。细长管由增强纤维材料(RFM)构成。轴设置在管内，其中，叶轮固定到轴并且设置成靠近底端。

Description

熔融金属泵及相关的涡旋产生装置、坩埚和叶轮
本申请要求于2015年2月27日提交的美国临时申请第62/121,805号的权益，其全部内容通过引证结合于此。
技术领域
本示例性实施例涉及用于泵送熔融金属的泵，并且将特别参考其进行描述。本泵实施例可在处理熔融铝、锌、铅，和/或镁及其合金中发现特别的用处。然而，应当理解，本示例性实施例也适用于其它类似的应用。
背景技术
在金属制品的生产中，用于泵送熔融金属的泵在熔炉中使用。当前，许多金属压铸设备采用包含大部分熔融金属的主炉膛(hearth，炉缸)。在炉膛中可定期熔融实心金属棒。输送泵可以位于与主炉膛相邻的分散井中。输送泵从熔融金属所在的井中抽吸熔融金属，并且将其输送到铸桶(ladle)或管道中，并且从那里输送到形成金属制品的压铸机。本发明涉及用于将熔融金属从熔炉输送到压铸机、锭模、DC铸造机等的泵。主题的泵可类似地用作用于按需使用和/或用于紧急泵出情况的可运输装置。
发明内容
下文概述本公开的各种细节以提供基本理解。本发明内容不是本发明的广泛综述，并且既不旨在确定本公开的某些元件，也不旨在描述本公开的范围。更确切地说，发明内容的主要目的是在下文中呈现的更详细的描述之前以简化的形式呈现本公开的一些概念。
根据本公开的一个实施例，提供了由具有限定入口的底端和限定出口的顶端的细长管组成的熔融金属泵。细长管由增强纤维材料(RFM)构成。轴设置在管内，其中，叶轮固定到该轴并且被设置成靠近底端。
根据可替代的实施例，提供了由细长的RFM主体组成的熔融金属泵。该主体包括具有涡旋区域直径的涡旋区域和具有出口区域直径的出口区域。出口区域直径大于涡旋区域直径，叶轮设置在入口中或设置成邻近该入口。RFM轴承设置在入口中并且被定位成接合叶轮。轴延伸通过出口和涡旋区域并且包括接合叶轮的第一端和适于接合马达的第二端。
根据另外的实施例，提供了具有细长管的熔融金属泵，该细长管具有底端和顶端。细长管由增强纤维材料(RFM)构成。底端限定开口。轴设置在管内，并且可通过所述轴旋转的叶轮被定位成至少基本上关闭该开口。叶轮被布置成使得叶轮的径向边缘与管的内壁形成动态密封件或者管的基部边缘与叶轮的面向上的表面形成动态密封件。
附图说明
以下描述和附图详细地阐述了本公开的某些说明性实现方式，这些说明性实现方式表示可实施本公开的各种原理的若干示例性方式。然而，所示实例没有穷举本公开的许多可能的实施例。当结合附图考虑时，将在本公开的下面的详细描述中阐述本公开的其它目的、优点和新颖特征，在附图中：
图1是示出了包括设置在平炉跨(furnace bay)中的泵的熔融金属输送系统的立体图(在美国申请第13/378,078号中描述了该系统，该申请的公开内容通过引证结合于此)；
图2是图1的系统的立体的部分截面图；
图3是图1和图2所示的系统的侧视截面图；
图4是泵送室的立体图；
图5是泵送室的俯视图；
图6是沿图5的线A-A的视图；
图7是代表性的叶轮设计；
图8(a)和图8(b)分别从截面立体图和截面平面图描述了合适的泵送室的底端。
图9是可替代的泵配置的示意性截面平面图；
图10是另一可替代的泵配置的示意性截面平面图；
图11是图10的泵的详细的截面立体图；
图12(a)和图12(b)描述了适于在主题的泵中使用的叶轮；
图13(a)、图13(b)、图13(c)、图13(d)分别是可替代的泵配置的立体图、涡旋室的详细视图、RFM泵体的立体图，以及泵体的端视图；
图14是另一可替代的泵送室配置的侧视图(部分为截面形式)；
图15是图9的泵送室的底视图；以及
图16是配置成包括本公开的输送泵的坩埚的立体图。
具体实施方式
已经参考优选实施例描述了示例性实施例。在阅读和理解具体实施方式时，其它人可以进行修改和替换。旨在将示例性实施例解释为包括在所附权利要求书或其等同物的范围内的所有此类修改和替换。
本泵被设计成用于从坩埚或熔化炉/保温炉平缓地输送熔融金属。该泵在铸造(foundry)和铸造浇注场(cast house)应用中特别有用，诸如将金属从熔炉输送到坩埚、清空坩埚，和/或输送至铸造机/坩埚以及从一个熔炉输送到另一个熔炉。泵可以清空小的坩埚，这是因为泵可以被制造成相对紧凑的(例如，碗金属浸入深度：1100mm或800mm；碗直径：从275mm(顶部)到235mm(底部))。
此外，通过利用RFM制造的铺层(lay-up)技术，构造具有基本上恒定的直径(例如，185mm或更小的内径和/或235mm或更小的外径)的细长泵室是可行的。鉴于RFM的高强度和耐热震性，类似地能够构造相对薄壁的泵室(例如，＜50mm)。这样，能够插入紧密空间(例如，直径小于25cm的空间)中的泵是可行的。
泵有利地具有由复合陶瓷材料构成的主体，该复合陶瓷材料既坚韧又容忍机械弊端，从而使得该系统的碗状件(bowl)非常耐用、刚性且容易使用。这些材料在本文被称为增强纤维材料(RFM)。
构造RFM的泵送室的益处包括改进安全性；消除手动清空过程，倾斜或使用分接端口(tapping port)；改进金属质量；增加生产力；以及最小化必要的预热。
RFM提供了至少下列附加益处：
A.该系统因其重量轻而容易移除并且重新插入熔融金属中(该系统可以永久地安装，但是这不是必要的)。
B.可以设计较薄的壁(有助于更轻的重量和低热质量)。
C.良好的耐热震性。
D.不需要预热-在对该系统加温(高于100℃)以确保耐火物质中没有残留的水分之后，RFM可以直接浸入熔融金属中而不进行预热。
E.可以用于从铸造坩埚输送到其它容器。
有利地，本泵结构允许40％或更多的细长管在金属线上延伸。
参考图1至图3，结合熔炉28描述了本发明的熔融金属泵30。泵30经由搁置在平炉跨34的壁上的金属框架32而悬置(图13(c)-图13(d)中描述了可运输的版本，其中，不需要支撑性框架)。马达35使轴36(例如由石墨或陶瓷构成)和附加的叶轮38旋转。增强纤维材料(RFM)主体40形成细长的大致圆柱形的泵室或管41。虽然泵室和管在本文中大体上被描述为圆柱形的，但是应当注意，也可以考虑其它形状。例如，圆柱形旨在包括诸如椭圆形、抛物线和双曲圆柱体等形状。此外，可以想到，泵可以与室截面几何形状(诸如，长方形或正方形)关联。此外，可以想到，截面几何形状可以在泵送室的长度上变化。
主体40包括接收叶轮38的入口43。轴承环44可以被设置成便于叶轮39在其中均匀地磨损和旋转。在操作中，熔融金属通过入口(箭头)吸入叶轮中，并且以强制(“平衡”)涡旋的形状在管41内受迫向上。在管41的顶部，涡旋形的室42被设置成将通过叶轮的旋转产生的熔融金属涡旋向外引导进入槽44中。槽44可以与另外的槽构件或管子结合/配合以将熔融金属引导到其期望的位置，诸如铸造装置、铸桶(ladle)或如本领域技术人员所知的其它机构。
虽然描述为涡旋形的腔室，但可替代的机构可以用于将旋转的熔融金属涡旋转移到槽中。实际上，从甚至是与管41尺寸相等且同心的圆柱形腔延伸的切向出口可以实现切向熔融金属流。然而，转向器(诸如，延伸到流型(flow pattern)中的翼部或将熔融金属引导进入槽中的其它元件)可为有益的。
此外，在某些环境中，期望将管的基部形成为大致钟形而不是平坦的。这种设计可产生较深的涡旋并且允许设备具有作为废料下沉单元的改进的功能。
泵30包括包围RFM管41的顶部(出口室)的金属框架108，并且包括固定到泵30的马达座102。可压缩纤维坏料(未示出)可以设置在钢框架与耐火的碗状件之间以适应热膨胀率的变化。此外，出口室设置有溢流凹口123以在阻挡槽44的下游障碍的情况下将熔融金属安全地返回到熔炉。溢流凹口123具有比槽44更浅的深度。
现在参考图4至图6，更详细地示出了主体40。图4示出了RFM主体的立体图。图5示出了涡旋设计的立体图，并且图6显示出细长的大致圆柱形的泵送室的截面图。这些视图示出总体设计参数，其中，泵送室41的直径比叶轮直径大至少1.1倍，优选至少约1.5倍，且最优选至少约2.0倍。然而，对于更高密度的金属(诸如，锌)，期望相对于泵送室直径的叶轮直径在1.1至1.3的较低范围。此外，可以看出，泵送室41的长度明显大于叶轮高度。优选地，泵送室长度(高度)至少为3英尺、或至少5英尺、或至少7英尺。可以想到，泵从入口到出口的高度可以小于20英尺或小于14英尺。在不受理论约束的情况下，相信这些尺寸便于形成如图6中的线47所示的熔融金属的期望的强制(“平衡”)涡旋。
图7描述了叶轮38，该叶轮包括顶区段68，该顶区段具有供应所引入的熔融金属流的叶片65(或通道)以及用于与轴36配合的毂50。入口导向区段70限定中空的中央部分54。轴承环56可以被设置成提供叶轮在主体40内的顺滑旋转。叶轮可以由石墨或其它合适的耐火材料(诸如，陶瓷)构成。可以想到，具有底部入口和(多个)侧出口的任何传统的熔融金属叶轮设计在本发明的溢流涡旋输送系统中是起作用的。
图8(a)和图8(b)提供了泵室41的一个示例性底端的详细视图。在这些图示中，底端80包括侧壁82、底壁84和RFM轴承环86(在之前的附图中未示出)。叶轮接收入口88形成于底壁84和轴承环86中，熔融金属通过该轴承环被接收。
用于构造包括主体40的所选的泵部件的RFM材料可以包括具有纤维填充材料的陶瓷基材料。陶瓷基材料可以例如为钙硅石和硅胶的混合物。示例性纤维填充材料是纤维玻璃。这些材料混合在一起以形成浆料。
主体可以通过将预切等级的编织布铺到芯棒(mandrel)上、添加浆料并且将其加工到布中以确保完全润湿织物而被构造成一系列的层。重复该步骤以积聚连续层的布和基体材料，直到达到期望的厚度。示例性布料为玻璃。
一旦产品已经达到期望的厚度，该产品就以绿色(未燃烧)形式加工以使管状体的外表面成形。管状体然后从芯棒中移除并且放置在熔炉中以进行干燥。可以施加例如氮化硼的不粘涂层。
本泵可以被认为是具有特别适于铸造市场的便携式溢流泵。该泵可以被设计成从小坩埚或熔化炉或保温炉平缓地提升并输送熔融金属。该泵可以在铸造和铸造浇注场应用中使用，诸如将金属从熔炉泵送到坩埚、清空坩埚、将金属输送到铸造机以及将金属从一个熔炉移到另一熔炉。
泵的紧凑的尺寸使其容易从一个容器运输至另一容器，并且由于最小的预热要求，其RFM结构允许快速金属插入。泵的设计有效地提升并输送熔融金属，从而产生比传统的输送方法更少的浮渣(dross)。与需要操作者手动清空、倾斜或使用分接端口的传统的输送方法相比，该泵使用更安全。
RFM溢流泵的设计益处包括在输送过程期间减少浮渣形成以及恒定的金属流速。虽然该泵具有小直径覆盖区(footprint，占据区)，但是其设计允许其在少于约1分钟内熟练地清空约500千克(1100磅)的小坩埚。
泵重量轻并且具有优异的机械强度，不润湿熔融铝，并且与铸铁、纤维层压板原料和其它预制的陶瓷材料相比具有更好的保温性和使用寿命。RFM可以减少下游的氧化物和杂质，帮助防止浮渣积聚，有助于降低熔炉保持温度并且产生更高质量的铸件。其还可以形成为复杂的设计并且高度耐热冲击。
用于制成基体(RFM)的无机材料可以是任何类型的，只要该无机材料与嵌入其中的织物相兼容；其可以模制或热成形；并且其为刚性的、强固的并且足够耐热以处理熔融金属并且在熔融金属温度下保持刚性。
无机材料可以为由硅胶制成的胶，如由Unifrax公司以商标名QF-150和180销售的那种。无机材料还可以为硅酸钠或硅酸钾浆料或锆石基涂层，如由Pyrotek公司以商标名EZ400销售的那种。
在一个实例中，RFM可以包含8wt％至25wt％的磷酸水溶液，其磷酸浓度范围为40％到85％，具有高达50％的由与蛭石反应来中和的酸性磷酸的主要酸性功能。其还包含从75wt％至92wt％的包含钙硅石的混合物或不同等级的钙硅石的混合物，以及包含从20wt％至40wt％的硅胶的水性悬液，诸如，由Sigma-Aldrich公司以商标名LUDOX HS-40销售的那种。水性悬液与混合物中的钙硅石的重量比可以在0.5到1.2的范围内。
为了制备管，可制备所选的RFM的浆料并且通过直接施加或通过浸渍来用浆料浸渍稀松组织织物(open weave fabric)。所得产品然后可留在预选形状的模具中直到基体已经硬化。即使在环境温度下进行10小时的干燥步骤接着在升高的温度(诸如，375℃)下进行若干小时的焙烧可为有益的，刚性管可以在少于两个小时内不模制，而不需要任何干燥和/或加热步骤。
虽然图2至图8(b)中所示的泵和叶轮设计(第一实施例)在实现从熔炉输送熔融金属的方面非常有效，但是其有用性就熔炉环境而言最有效，在该熔炉环境中，熔融金属处于高温下，例如高于1400°F。在熔融金属例如小于所输送的金属的熔点以上50°F的环境中，可替代的设计可为期望的。此外，在相对较低温度熔融金属环境中，可行的是，第一实施例的相对较高质量的基部和叶轮部件可以引起泵体内熔融金属温度下降，这导致金属硬化并且导致泵组件的潜在损坏。
例如，使用在基部区域中配备有外部和内部热电偶的第一泵实施例来进行测试。该泵在1350°F的温度下浸入熔融金属。下面的表格概述了从浸入记录的温度。
Figure GDA0001437631860000091
如本领域技术人员将看到，泵最初插入熔融金属中会引起泵送室内的熔融金属温度明显下降。温度的这种下降通过叶轮的存在来增强。如果被输送的熔融金属在相对接近金属固相线温度的温度下由相关联的熔炉来保持，则泵的冻结是有可能的。
根据第二实施例，RFM底壁84(参见图8(a)和图(b))已被移除。RFM轴承环86也已被移除并且叶轮的质量已经减少。
特别参考图9，泵室100的基部区域接收叶轮102。不是在叶轮和细长管的底壁之间形成接口，而是在叶轮主体108的顶表面106与管体112的底部边缘110之间形成动态密封件104。
叶轮102可以包括接收轴116的毂114。叶片118在顶表面106上从毂延伸。入口120在底表面122中设置有延伸通过主体108的通道(未示出)以将金属从泵的外部运输到泵送室100。
如本文所用的术语“动态密封件”旨在反映形成于旋转叶轮与管体之间的密封件。动态密封件旨在包括从其中润滑的熔融金属薄膜形成于叶轮与管体之间但是在操作期间基本上没有熔融金属流动通过该薄膜的基本上绝对的情况到其中可测量的量的熔融金属可以在叶轮与管体之间通过的情况的流体密封性的范围。然而，期望通过动态密封件进入泵送室的最大量的熔融金属小于通过叶轮入口进入的量。此外，最期望的是，管体在叶轮操作期间用作轴承表面。
转向图10和图11，描述了可替代的配置，其中，动态密封件150形成在叶轮152的径向边缘152与管体112的内壁156之间。在任一实施例中，可以想到，叶轮包括径向轴承环158，但是此类轴承环是可选的，特别是如果叶轮由陶瓷材料构成。还想到但未示出的是，管体的轻微的下悬部(例如，“j”型终端部分)，其被配置成与叶轮的面向底部的角部形成动态密封件。
现在转向图12(a)和图12(b)，描述了没有轴承环(例如由碳化硅构成)的叶轮175(例如由石墨或陶瓷构成)。叶轮175包括具有上表面179的盘形主体177，多个叶片181设置在该上表面上。叶片181从毂183延伸，轴(未示出)可以被接收在该毂中。毂183可以被配置成包括凹槽185以用于接收销钉(dowel)，该销钉提供接口，轴通过该接口向叶轮赋予转矩。叶轮175还包括在底表面188中与多个通道189流体连通的入口187，熔融金属经由该通道行进通过盘形主体177以用于从相邻的上表面179的排出，其中，叶片181作用于该上表面上以赋予期望的径向流，该径向流产生涡旋，熔融金属通过该涡旋在管内向上提升以用于在升高的出口处最终排出。
如图7的叶轮与图12(a)和图12(b)的叶轮之间的视觉比较所示，已经通过提供敞开的顶部叶片架构和向内凹陷的入口来消除大量的叶轮质量。在某些情况下，期望与叶轮相邻的RFM管具有在约15厘米到30厘米之间的内径并且叶轮具有在约500立方厘米到1500立方厘米的体积。作为实例，期望使这种关系表征为叶轮体积与管截面面积的比小于约3:1。此外，期望与叶轮相邻的RFM管的壁的宽度在约1.27厘米到3.81厘米的范围内。此外，期望提供具有叶片的叶轮，该叶片与泵管的壁隔开比形成动态密封件的叶轮的部分更大的程度，以增加驻留于其中的熔融金属的量。例如，叶片可延伸少于毂与盘形主体的径向边缘之间的距离的75％。
现在参考图13(a)、图13(b)、图13(c)和图13(d)，利用RFM管的优点显而易见。更特别地，在所述设计中，泵200被构造成在需要提升并输送熔融金属的位置之间选择性地可移动。更特别地，由于RFM材料的高强度和结构完整性，管201可以被构造成具有相对较薄的壁，例如在约18mm到50mm之间。此外，管可以被构造成在其整个长度上具有至少基本上均匀直径的圆柱形形状。这对于将泵插入紧密空间中是有利的。在所述实施例中，马达座203覆盖涡旋室205，并且柱207将马达座固定到与涡旋室的顶部边缘结合的金属覆层209。马达211固定到马达座203。轴212在马达与设置在基部区域214中的叶轮(未示出)之间延伸。
三个吊眼213设置在马达座203上以便于泵200在期望的位置之间移动。此外，泵200可以经由吊眼231使用叉车或上限起重机(ceiling hoist)提升并且运输到坩埚或炉井以用于移除熔融金属。泵200可以通过提升机构暂时定位在当已经移除期望量的熔融金属时被清空且被移除的装置中。
参考图13(c)和图13(d)，泵体示出了基部区域214中的入口220。入口220包括RFM轴承环221。泵体还包括三个支腿223，其允许泵200搁置在熔炉/坩埚基底(floor)上，同时将入口220定位在基底上方以避免摄入过量的固体。泵的涡旋端225也被示出并且包括涡旋室227和出口229。还示出了溢流式溢洪道(spillway)。
在操作中，动力马达211使轴211和所设置的叶轮旋转，其中，叶轮的旋转通过入口220抽吸熔融金属。叶轮在管201中径向喷射熔融金属(管的内径大于叶轮出口处的叶轮的外径)。径向喷射的熔融金属形成熔融金属的旋转涡旋，其爬上管壁，到达涡旋室227，在该涡旋室中通过出口229向外水平引导熔融金属。
接下来转向图14和图15的实施例，描述了泵室的可替代的结构。更特别地，泵室300已由RFM构成并且包括三个支腿301，其可以用于将室300提高到包含熔融金属的容器的基底上方，已经发现这降低了堵塞的趋势。此外，在该实施例中，室300设置有多个孔303，该孔被定向成接收螺栓305，该螺栓被设置成用于保持RFM轴承环307，其被定位成与叶轮(未示出)的对应的轴承环配合。
接下来转向图16，本公开中所包含的创造性的泵概念应用于所配置的坩埚。此外，坩埚400被设置成包括邻近侧壁403的管柱401。管柱401将包括与坩埚的主要含熔融金属区域404流体连通的入口402。坩埚和/或管柱可以由RFM构成。管柱401设置有便于熔融金属经由喷口407从坩埚排出的涡旋顶部部分405。选择性可移除的马达409、马达座410、轴411和叶轮412共同形成的组件413可以被引入管柱401，其中在通过马达使叶轮旋转时在管柱401内产生熔融金属的涡旋，从而使熔融金属提升到涡旋顶部部分405以用于经由喷口407最终排出。
坩埚侧壁403可以配备有柱415，该柱被配置成接收马达座410并且与该马达座可释放地配合。以这种方式，组件413可以选择性地与坩埚相关联以用于熔融金属移除，然后根据需要分离。有利地，组件可以用于服务多个坩埚。
本发明具有的许多优点在于：本发明的设计在低叶轮RPM下产生平衡涡旋，从而产生很少进气或没有进气的平滑表面。因此，涡旋是不猛烈的并且产生很少的浮渣或没有浮渣。此外，本泵产生具有恒定的角速度的强制涡旋，使得旋转的熔融金属柱随着具有极少的湍流的固体而旋转。
其它优点包括消除传统熔融金属泵中的立管部件，该立管部件可以是易碎的并且容易堵塞和损坏。此外，该设计相对于传统的输送泵基部提供了非常小的覆盖区，并且具有将叶轮定位成非常接近平炉跨底部的能力，从而允许非常低的金属下拉(draw down)。导致小覆盖区。该设备适于当前的耐火熔炉设计并且将不需要对其进行明显的修改。
泵具有优异的流动调整能力，其敞开的设计结构提供了简单且易于清洁的接近。有利地，通常仅需要轴和叶轮更换部件。实际上，通常是自清洁，其中，由于金属液面高，所以消除了立管中的浮渣形成。通常，由于经受的低扭矩，所以较低扭矩马达(诸如，空气马达)将是足够的。
对设计的可选的添加包括过滤器在泵送室的入口的基部处的位置。还可以想到，泵将适于在熔融锌环境中使用，在该环境中需要非常长的拉力(例如，14ft)。这种设计可优选地包括在旋转轴上的马达和叶片中间的位置处添加轴承机构。此外，在锌应用中，整个结构可以由诸如钢或不锈钢等金属制造，其包括泵送室管，并且可选地包括轴和叶轮。

Claims (1)

1.一种熔融金属泵，包括具有底端和顶端的细长的管，细长的所述管由增强纤维材料构成，所述熔融金属泵还包括设置在所述管内的轴和能通过所述轴旋转的叶轮，所述叶轮设置成靠近所述底端，所述底端包括入口并且所述顶端包括出口，所述熔融金属泵还包括由增强纤维材料构成的轴承环，所述轴承环附接到细长的所述管且设置在所述入口中，所述轴承环设置成便于所述叶轮相对于细长的所述管的均匀磨损及旋转，其中，细长的所述管由多个层构成，每个所述层通过干燥添加有浆料的织物而形成，并且所述浆料为钙硅石、硅胶和玻璃纤维的混合物。
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