CN108027212B - 冶金装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于在相关炉内循环熔融金属体的循环装置。循环装置包括具有入口和出口的模制主体。入口和出口与相关炉上的相应开口对准。入口和出口限定模制主体内的流动室。感应器固定在模制主体的一部分上。感应器被配置为将来自相关炉的熔融金属泵送到流动室中。流动通道与模制主体上的入口和出口隔开。坝组件被布置在出口附近。坝组件可相对于出口在升起位置和降低位置之间移动。当坝组件处于升起位置时，熔融流体流回到相关炉中，并且当坝组件处于降低位置时，熔融流体流动到流动通道。

Description

冶金装置

技术领域

本发明涉及一种冶金装置和一种使冶金装置内的熔融金属循环的方法。

在一个实施方式中，本发明涉及一种用于熔化金属的炉，包括但不限于有色金属如铝、镁和锌。

背景技术

这种炉通常包括用于使炉内的熔体循环以确保合金的均匀加热和分布的循环器装置。已知各种循环器装置，包括机械泵、电磁泵、搅动和搅拌装置。

JP 10146650A描述了一种具有电磁感应器搅拌装置的炉，该电磁感应器搅拌装置包括位于炉底下方的盘形永磁体。磁体可以旋转并且所得的旋转磁场通过电磁感应引起炉内的熔体的旋转。JP10146650A的公开内容通过引入并入本文。

EP 1674814A描述了用于搅动熔体的搅动器，其具有安装在电机驱动的转子上的多个永磁体。转子的旋转产生旋转磁场，其可用于通过在炉壁中的入口和出口之间延伸的通道泵送熔体。这导致炉内熔体的循环。EP1674814A的公开内容通过引入并入本文。

US 2011/0248432A 1描述了一种电磁泵，其具有安装在电机驱动的转子上的多个永磁体。螺旋通道延伸通过围绕转子的壳体，并且可以通过由旋转磁体产生的旋转磁场通过该通道泵送熔体。US2011/0248432A1的公开内容通过引入并入本文。

奥地利Braunau的Hertwich Engineering供应用于循环和混合熔融金属的一系列电磁泵和搅拌器。这些装置包括使用电磁泵通过形成在炉壁中的侧通道泵送熔体的侧通道泵和搅拌器，以及使用电磁泵通过管泵送熔体例如从炉的一个室到另一个室的管泵。

WO2014/202966A1描述了一种用于容纳和循环液态金属体的冶金容器。该容器具有外周壁和包括流槽的循环装置，该流槽提供开顶型流动通。WO2014/202966A1的公开内容通过引入并入本文。

上述循环器装置都包括一个或多个缺点。JP 10146650A中描述的外部电磁搅拌装置实施起来昂贵，并且由永磁体产生的磁场穿透金属仅仅达到固定的较浅深度，这不会有效地驱动金属的循环。描述于US 2011/0248432A1和EP 1674814的磁性转子仅作用于熔体通道中的有限量的金属，仅产生相对较弱的流动。熔体通道也必须这样设计，使得金属尽可能长时间保持紧密靠近磁性转子，这将通道的形状限制为相对较窄的U形并且因此当金属离开通道时支配了它的流动方向。US 2011/0248432 A1和EP 1674814描述的系统的熔体通道以及由Hertwich Engineering供应的循环器装置不能容易地清洁并且可能被浮渣和其它材料堵塞。此外，在设有外部通路的情况下，这些不能一直有效地进行预热，引起它们在与熔融金属接触时由于热冲击而可能被损坏的风险，或者它们可能导致金属冻结从而堵塞通路。

发明内容

已经参考优选实施方式描述了示例性实施方式。其他人在阅读和理解详细描述时会想到修改和变化。意图是示例性实施方式被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内。

本发明提供了一种冶金容器和一种使冶金容器内的熔融金属循环的方法。根据本发明的一个方面，提供了一种用于在相关炉内循环熔融金属体的循环装置。在某些实施方式中，主体将由耐火材料形成。在某些实施方式中，主体将由铸造陶瓷材料形成。循环装置包括具有入口和出口的主体。入口和出口与相关炉上的相应开口对准。入口和出口与主体内的流动通道连通。壁缺口可以形成在入口和出口之间的流动通道中。感应器固定在主体的一部分上。

在某些实施方式中，感应器位于流动通道的底部之下并且邻近入口。感应器可被配置为将熔融金属从相关炉中驱动到流动通道中。坝组件被布置在出口附近。还可以想象坝组件位于沿着流动通道的替代位置中。坝组件可在升高位置和降低位置之间移动。当坝组件处于升起位置时，熔融金属流回到相关炉中，并且当坝组件处于降低位置时，熔融流体在流动通道中升高，并且接近(access)壁缺口。这使得该装置既可以用作循环器又可以用作传输装置。

例如，壁缺口可以与例如用于将熔融金属浇注到浇包中的喷口关联，或与用于将熔融金属输送到浇铸操作的流槽关联。如本领域技术人员将认识到的，与感应器的继续操作相结合的坝的关闭导致流动通道内的熔融金属的升高，使得熔融金属能够接近壁缺口。

流动通道可以任选地为开顶型(例如，它典型地为U形)，并且它可以任选地包括可以关闭以覆盖在上方且密封流动通道的盖子。然而，这个盖子可被移除或打开以提供接近流动通道的入口。这允许清洁流动通道，以便可以除去浮渣和其它污染物。因此，本公开提供了以经济和有效的方式使用外部泵送装置使金属在炉内循环的优点，同时避免了与在流动通道中积聚的浮渣和其它污染物相关的问题，从而提供高质量的金属。

循环装置可以包括用于将流动通道加热到期望的操作温度的加热系统。这有助于保护循环装置在它与熔融金属接触时免受热冲击损坏，并且它确保当金属在流过流动通道时金属的温度不会显着下降，从而避免了金属冻结和阻塞流动通道的风险。流动通道可以由陶瓷槽体和电加热元件之间的导热耐火材料的填料层限定。填料层可以例如由热导率为至少3W/m·K、至少5W/m·K或至少6.5W/m·K的可浇铸耐火材料制成。加热系统可以包括至少一个被配置为加热循环装置的电加热元件。可替换地，可以使用其它类型的加热系统，包括热气体系统和基于燃烧的系统，例如使用气体燃烧器加热流动通道。

泵送装置可以是在流动通道内产生移动磁场以沿着流动通道泵送熔融金属的感应器。感应器的使用提供熔融金属通过流动通道的非湍流，并且能实现通过循环装置将熔融金属驱动，而不会与任何物理泵送装置接触。由此避免了由于与金属接触而引起的腐蚀问题。

感应器的使用还产生强的矢量型流动，其有助于熔融金属在炉内的循环。循环装置可被设计成将该流引导到炉的关键区域，以确保浴中的金属的更大均匀性。此外，熔融金属的质量流可以朝向将废金属引入炉中的位置引导，从而有利于废金属的热吸收率并减少熔化时间。流动通道的进口角度和流动通道的内部轮廓可以被调整以最大化该矢量效应。因此，该系统不受制于使用永磁转子的系统的相同设计限制。

有利地，感应器包括被配置为控制感应器的泵送速率的控制装置。控制装置优选地包括用于测量循环器内的熔融金属的液位的液位测量装置，并且可被配置为根据测得的循环器内的熔融金属的液位来控制泵送装置的泵送速率。因此，可以调节熔融金属的质量流以在容器的主体内实现最佳的热效率。如果例如循环器的出口端被堵塞，导致循环器中的熔体液位升高，则液位测量装置可替换地或另外地用作安全装置以停止感应器的操作。

循环器可以包括至少一个流量控制装置，该流量控制装置可以在其中允许熔融金属在流动室和炉之间流动的打开配置和其中阻止熔融金属在流动室和炉之间流动的关闭配置之间进行调节。流量控制装置可以例如由能被升起以允许流动或者被降低以防止或限制流动的坝或闸门组成。还可以布置坝，使得坝的最低部分正好在熔融金属的表面下方，允许金属在闸门下方流动，同时阻止漂浮在金属表面上的浮渣(氧化物或其它污染物)。坝的布置可以自动化，例如采用液位传感技术，以防止浮渣进入循环器，并且可以随着炉内金属液位的变化调节坝的位置。

任选地，循环器可以包括额外的流动支柱，用于引导熔融金属流入或流出炉，使得熔融金属可被传输到其它冶金容器。

根据本发明的另一方面，提供了一种使根据本发明的前述陈述中的任一项所述的冶金装置中的熔融金属循环的方法，其包括将熔融金属泵送通过循环器，使得熔融金属通过第一开口流出炉并通过第二开口流入炉内，从而使炉内的熔融金属体循环。

附图说明

现在将通过举例并参考附图来描述本发明的各个实施方式，其中

图1是具有循环器装置的炉的平面图；

图2是图1的部分2-2的透视图；

图3是图2的分解图；

图4A是图1的炉和循环器装置的透视图；

图4B是沿着图4A的线4B-4B截取的截面图；

图4C是图4B的替代视图；

图5A是沿着图1的线5A-5A截取的截面图；

图5B是沿着图1的线5B-5B截取的截面图；

图6A是沿着图1的线6A-6A截取的截面图；

图6B是沿着图1的线6B-6B截取的截面图；

图7A是示出将循环器装置组装到图1的炉的透视图；

图7B是图7A的循环器装置和炉的组装图；且

图8是替代的循环器装置配置。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的当前优选实施方式，其实施例在附图中示出。尽管将结合优选实施方式描述本发明，但应该理解，不意图将本发明局限于该实施方式。相反，意图包括可能包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。

图1和图2描绘了冶金容器，在该实施例中为炉2，其包括四边外周壁4和底座5，其将熔融金属体6(或“熔体”)保持在炉2的内部部分7。在这个实施例中，炉2由合适的耐火材料制成，并且包括用于加热和熔化炉中的金属的常规加热器(未示出)。炉2可意图用于熔化金属或用于在精炼或铸造过程中保持熔融金属。它可被设计用于有色金属，例如铝、镁或锌，或任何其它黑色金属或有色金属以及金属合金。

如图1和2所示，炉2包括循环器/传输装置8(在图1中示意性地示出)用于循环炉2中的熔融金属体6。循环器/传输装置8从外部安装在炉2的侧壁4A上并流体连接到炉2的内部部分7，允许熔融金属通过循环器/传输装置8流入和流出炉2。循环器/传输装置8被配置为用于例如至少约1150mm的金属升程，以及至少约1公吨/分钟的熔融金属6的流速。

图3示出了循环器/传输装置8的分解图。循环器/传输装置8包括可以通过任何合适的工艺制造的模制主体10。模制主体10装配在壳体12的内部，壳体12可以由钢(或任何其它合适的材料)制成。绝缘体层14将模制主体10与壳体12分开。在一些情况下，模制主体10、壳体12和绝缘体层可以包括互补的凸缘部分以确保其之间的牢固配合。有利地，可以根据需要更换模制主体10，而不必更换壳体12或绝缘体14。

为了将熔融金属6泵送到循环器/传输装置8，将电磁感应器16安装到模制主体10的合适部分(例如，在流动通道26的底部下方)。在模制主体10和感应器16之间安装板18(例如，由不锈钢制成)以确保它们之间的适当的电流路径。感应器16可以具有至少3.0N/m或至少4.5N/m的功率，以实现最佳操作。感应器16在两个方向(即，X轴和Y轴)上产生力。这些力是这些方向的组合，并且强度(intensity)和力度(strength)各不相同。感应器16可以移除以便维护，而不需要将传输阱从炉中移除或断开。可以使用冷却系统(例如，水冷却介质、空气冷却、水雾化等)来冷却感应器16。

一个或多个盖20布置在循环器/传输装置8的相应入口和/或出口(图3中未示出)内以将循环器/传输装置8的入口和出口连接到炉2中的相应开口。盖20可以由任何合适的聚合物制成，以确保炉2和模制主体10之间的液密密封。此外，框22将循环器/传输装置8连接到固定在炉2的侧壁4A上的凸缘24。

框22可以包括可移除盖27，以便：(1)检查盖20；和(2)在循环器/传输装置8和炉2之间倾注耐火材料。耐火材料可以是碳化硅以有助于热传递，另外的好处是该材料带来良好的机械磨损强度和良好的不润湿性能。感应器16/熔融金属6界面处的耐火材料厚度为约100mm至300mm，以减小沿着Y轴的力要求。因此，沿着X轴存在最大的力，以使得当系统将金属传输到炉2内的静态浴液面之上时，能够实现有效的层流并减少任何回流。从电源和控制电源施加到感应器的频率和电压能实现最大限度地场穿透到熔融金属，而不需要减小感应器上方和下方的隧道中的耐火材料深度。逆变器/电源频率和电压可以变化以允许调整，其中较低的频率允许较大的穿透，但较高的频率提供较大的速度。此外，可能期望以低频开始熔融金属移动，并且一旦移动开始，就使用更高的频率来增加流速。

循环器/传输装置8包括形成在模制主体10、壳体12和绝缘体14的一部分中的壁缺口28。返回参考图2，壁缺口28在水平截面上可以是大致U形的。

现在参照图4A，循环器/传输装置8还包括与其附接的坝组件30。坝组件30可在升高位置和降低位置之间移动。坝组件30可操作地连接到诸如滑轮系统、磁体、液压装置、绞盘系统等的致动机构(未示出)，使得它可相对于循环器/传输装置8升高或降低。坝组件30可以例如由能被升起以允许流动或者被降低以防止或限制流动的坝或闸门组成。还可以布置坝组件30，使得坝组件30的最低部分正好在熔融金属的表面下方，允许金属在闸门下方流动，同时阻止漂浮在金属表面上的浮渣(氧化物或其它污染物)。坝组件30由控制器(未示出)控制。坝组件30可防止流体从炉2流动通过循环器/传输装置8的出口(图4A中未示出)，从而将流体引导至壁缺口28，如下面更详细描述的。如果循环器/传输装置8仅被需要用于循环，并且不需要传输功能，则可以移除坝组件30。

现在参照图4B，循环器/传输装置8包括延伸穿过模制主体10、绝缘体14和壳体12的入口32和出口34。入口32和出口34与炉2的侧壁4A上的相应的开口(未示出)对准。入口32和出口34限定模制主体10内的流动通道(图4B中未示出)。

如图4B所示，坝组件30被布置在出口34附近。坝组件30可在升高位置和降低位置之间移动，相对于出口34升高或降低坝组件30。坝组件30可以防止流体从炉2流动通过出口34流动(即，通过阻塞出口34)，并且由此引导流动到壁缺口28，如下面更详细地描述的。

在使用期间，感应器16驱动熔融金属通过循环器/传输装置8。具体地，感应器16驱动来自炉2内部的熔融流体并经由入口32进入循环器/传输装置8。如图4B所示，坝组件30处于“升起”位置，由此暴露出口34。结果，流体从入口32流过流动通道并经由出口34返回到炉2中。

图4C示出处于“降低”位置的坝组件30，由此覆盖出口34。结果，熔融流体聚集在流动通道中并且在其中上升直到它到达壁缺口28。然后，熔融流体经由壁缺口28流到收集机构。

图5示出附接到炉2的循环器/传输装置8的侧视图。示出在循环器/传输装置8内的流动通道36。流动通道36由入口32和出口34限定。入口32经由隧道38流体连接到炉2的内部。感应器16将来自炉2的内部的熔融流体驱动到流动通道36中。第二隧道(未示出)将出口34流体连接到炉2的内部。应该理解，当坝组件30处于关闭位置时，流动通道36充满熔融金属并上升到其中它流到壁缺口28的液面处。

在稍微修改的配置中，隧道38(参见图5B)可以通过添加设置在隧道上方的可移除盖板44和关联的感应器16而形成。有利地，可移除盖板44允许接近隧道区域38以进行清洁。此外，可以设想，盖板44可以包括磁通引导件(例如，诸如钢的磁化金属部件)，以通过改善穿过隧道的磁通量的垂直线来增强感应器的功能。盖板可以由碳化硅或石墨或者具有嵌入或设置在形成在其中的凹部中的金属组件(例如，棒)的可替换耐火材料组成。

图6A和图6B示出了熔融金属从炉的内部通过入口32并离开壁缺口28的流动路径40。

图7A和7B示出了循环器/传输装置8到炉2的安装。如图7A所示，将盖20放入循环器/传输装置8的入口32和出口34，并进入炉的第一隧道38(图7A中未示出)和第二隧道。然后，使用板22将循环器/传输装置8安装到炉2的侧壁4A。图7B示出了盖26(图7B中未示出)被移除以露出在其中倾注耐火材料的开口42。接近开口42能实现添加用于金属液位监测的热电偶或激光以支持或控制金属循环并加强熔化过程。为了质量控制目的，开口42还能实现接近以装载合金添加物并去除熔融金属样品。此外，开口42可以包括位于盖上的燃烧器(未示出)，盖覆盖整个传输阱以帮助保持开口42是热的而用于启动，并且在用作干炉床熔化工艺的部件时位于装载物之间。

现在参考图8，描绘了替代配置。在该配置中，从炉62进入循环装置64的流动模式仍然通过入口66和出口68实现。此外，出口68再次配备有可选择地打开和关闭的坝门70。

此外，应该注意，与其中设置有通常为U形的流动通道的现有实施方式相反，本实施方式包括作为循环器的组件的侧阱72。更特别地，出口68与侧阱72流体连通。此外，溢流缺口74与侧阱72相关联地形成。侧阱72有利地提供熔融金属工作表面，其便于例如清除浮渣或将合金剂或助熔剂引入正在循环的熔融金属。

本实施方式还不同于以上描述的那些之处在于设置充电阱单元76。充电阱单元76可以接收金属片和金属块用于熔化。充电阱76可以是可从Pyrotek,Inc.获得的型号的LOTUSS装置。在通过引用并入本文的美国专利6,217,823号中描述了示例性LOTUSS装置。感应器装置78布置在充电阱76和侧阱72之间。

有利地，感应器可以沿任一方向运行，允许熔融金属顺时针方向被引导以引入充电阱76中，从而允许形成用于有效地浸没金属块或金属片的熔融金属的期望涡流。当期望从系统中去除熔融金属时，可以关闭坝门70，并且以反向(逆时针方向)方向操作感应器。该操作填充侧阱72至其中熔融金属到达缺口74的点，用于传输到诸如浇包或流槽(未示出)的容器。

进一步注意到，虽然在图8的实施方式中描绘了感应器，但可以进一步设想，机械离心泵可被替换。作为进一步的替代方案，可以设想的是，可以将配置用于以交替的方向引导熔融金属的一对机械泵引导到系统中。例如，第一熔融金属泵可以位于其中图8中所示的感应器处，其中设计旨在用于顺时针方向的熔融金属流动，并且例如在侧阱中可以布置配置用于逆时针方向的熔融金属流动的第二熔融金属泵。

上述系统的各种其它修改也是可能的。例如，客户可能具有两个都需要循环的炉(或者独立或同时)。每个炉上的循环系统可以用其自己的电源独立地运行，然而循环系统将共享一个控制电源的共同控制系统。它们还可能共享一个共同的水冷却系统。

系统还可以并入用于将“材料”(废料或合金)从外部装填到炉中的容器。

还可以将流动通道与一系列坝或塞组合，并且使用一个泵在任何给定的时间在两个或多个炉中的任何一个中循环熔融金属。通常，设置系统以在任何一个处于熔化阶段的炉中引起金属的循环。流动室的配置还可以被设计成允许在炉之间传输熔融金属。

根据本发明的另一方面，流动通道可以由封闭的通道(例如，管状通道)代替。那么，本发明包括冶金装置，该冶金装置包括用于容纳熔融金属体的容器和用于在容器内循环熔融金属体的循环装置，其中该容器具有外周壁和底座，并且该循环装置包括提供流动通道的通路。可以提供感应器装置以用于通过通道泵送熔融金属。通道可以具有连接到外周壁中的第一开口的入口端和连接到外周壁中的第二开口的出口端。感应器可被配置为通过通道泵送熔融金属，使得熔融金属通过第一开口流出容器，并通过第二开口流入容器，从而使容器内的熔融金属体循环。通道可以包括用于将通道加热到期望的操作温度的加热系统。

感应器上方的流动通道可以是隧道而不是开顶式通路。线圈设计是这样的，以能实现在X(水平)轴方向上的尽可能多的力从而能实现有效的层流并且当系统将金属传输到炉内的静态浴液面之上时减少任何回流。从电源和控制电源施加到感应器的频率和电压能实现最大限度地场穿透到熔融金属，而不需要减小感应器上方和下方的隧道中的耐火材料深度。接近传输阱能实现添加用于金属液位监测的热电偶或激光以支持或控制金属循环并加强熔化过程。为了质量控制目的，传输阱还能实现接近以装载合金添加物并去除熔融金属样品。

如果该系统仅被需要用于循环，并且不需要传输功能，则可以从传输阱移除传输坝闸门。感应器可以从系统移除以便维护，而不需要将传输阱从炉中移除或断开连接。该系统可以具有用于冷却感应器的水冷却介质，但将来其它选项是使用空气冷却和/或水雾化冷却。传输阱的入口孔和出口孔(隧道)可以铸造在碳化硅耐火材料中以有助于热传递，另外的好处是该材料带来良好的机械磨损强度和良好的不润湿性能。传输阱可以具有位于盖上的燃烧器，该盖覆盖整个传输阱以帮助保持传输阱是热的而用于启动，并且在用作干炉床熔化工艺的部件时位于装载物之间。传输阱的内衬可以是单一的预制形状，并且可以将整个传输阱从炉中移除，以能实现以最短的停炉时间来安装替换单元。

基于数学原理并忽略摩擦或湍流的任何影响，用于熔融金属传输的EM功率需求可为约4.5N/m或更大。线圈设计对于水平轴(X轴)和竖直轴(Y轴)的功率需求可为约为30N/m或更大。

在传输模式中，滑动门可以限制金属流回到炉中，填充传输阱并溢流到传输流动通道。感应器将被安装在传输/循环阱的下方。感应器通道加热可以来自阱盖，使用：炉加热、气体燃烧器或电感应加热。可以通过通道顶部向下的螺栓和接近端口上的螺栓提供通道检查或清洁入口。

EM感应器在水平轴(X轴)和竖直轴(Y轴)两个方向上产生力。基于线圈设计，这些力是这两个方向的组合，并且强度/力度不同。本发明的感应器可以优选在x轴上具有较大的力来循环炉浴。在感应器/熔融金属界面处的容器的耐火材料厚度将小于约300mm或200mm厚，这降低了竖直轴(Y轴)的力要求。

系统还可以包括控制面板外壳，具有触摸屏显示器的计算机，其允许操作者访问整个系统的操作状态。控制系统可以包括以下特征：

工业计算机显示器c/w数据记录

报警监测

PLC控制c/w以太网

紧急停止电路

逆变器控制和调整控制

已经参考优选实施方式描述了示例性实施方式。明显地，其他人在阅读和理解前述详细描述后会想到修改和变化。意图是示例性实施方式被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (1)

1.一种用于使熔融金属在相关炉内循环或用于输送来自所述相关炉中的熔融金属的装置，所述装置包括：

包括入口和出口的主体，所述入口和所述出口与所述相关炉上的对应开口对准，所述入口和所述出口限定所述主体内的流动通道；

所述主体包括装配在钢质壳体内部并通过绝缘层与所述钢质壳体分开的模制元件，所述主体能在不必更换所述钢质壳体或所述绝缘层的情况下更换；

能移除的感应器，仅形成在所述主体的隧道部分的底部中，所述隧道部分的顶部由具有设置在其中的磁化金属通量引导件的耐火材料形成，所述顶部是能移除的以允许接近所述隧道部分来进行清洁，所述感应器被配置为将熔融金属从所述相关炉中抽出并且送入到所述流动通道中；

与所述主体上的所述入口和所述出口隔开的壁缺口；以及

邻近所述入口和所述出口中的至少一个而布置的坝组件，所述坝组件能在升高位置和降低位置之间移动；

其中，当所述坝组件处于所述升高位置时，熔融金属流回到所述相关炉中，并且当所述坝组件处于所述降低位置时，熔融金属在所述流动通道内升高并且能够到达所述壁缺口。

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