CN109642773B - 废料浸没装置 - Google Patents

Abstract

一种熔融金属废料浸没系统，其包括熔炉和涡旋废料浸没井。涡旋废料浸没井包括悬置在井上方并且定向为用于浸没在井内循环的熔融金属浴中的转向器。该系统或替代的废料浸没系统可包括罩元件，该罩元件相对于废料浸没井的顶部开口设置在重叠位置。罩至少基本上密封顶部开口。罩元件包括废料块进料槽和燃烧器，其允许从熔融废料块表面蒸发的含碳蒸气燃烧并主要形成水。该系统或替代的废料浸没系统可包括井的内侧壁，其具有邻近所述斜面并在所述斜面上方的第一直径部分，和在所述第一部分上方的较大的第二直径部分。

Description

废料浸没装置

本申请要求在2016年8月29日提交的美国临时申请号62/380,582和在2017年4月21日提交的美国临时申请号62/488,235的权益，其中每个的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本示例性实施例涉及废料浸没装置。本公开的技术大体上涉及熔化金属片，更具体地，涉及用于熔化轻型金属原料的反射炉系统。如本文所用，术语“金属”是指任何金属或金属组合，诸如铝、铜、铁、锌、镁及其合金。

背景技术

金属(诸如铝)的生产、加工和回收通常需要熔化具有高表面积重量比的金属原料(也称为轻质原料)，诸如废料。这种材料的示例包括通过铣削轧制锭产生的废料屑、来自车床或锯切操作的车削或切屑、以及用于再循环铝板、挤压件或铸造形状的破碎机或粉碎机的输出。该材料通常在熔炉诸如旋转炉或混响炉(reverb furnace)的熔化室中熔化。

轻质铝废料本质上难以有效熔化，因为铝及其合金容易氧化。氧化过程使铝表面从有价值的金属铝转变为氧化铝，这是一种价值相对较低的非金属矿物质。未受保护的铝表面即使在环境温度下也会在空气中快速氧化。当暴露于足够高的温度以熔化铝时，氧化过程大大加速。因此，如果铝在这样的温度下暴露于空气中，则氧化可以完全消耗具有薄横截面的铝，即具有高表面积重量比的铝。然而，熔化薄壁废料块是困难的，因为熔融金属中的快速浸没受到薄壁废料块漂浮在熔融金属上的事实(“浮动废料”)的严重阻碍。因此，熔化通常包括将轻型废料主动浸没在熔融金属表面下的步骤。

已经使用多种装置将金属废料浸没在熔融金属中。通常，炉膛中所含的熔融金属通过泵井中的泵循环。在一种设计中，熔融金属通过泵从炉膛中抽出并从泵井循环到废料加料井、循环到浮渣井并返回到炉膛。将诸如铝的废金属添加到装料井中的熔融金属中。参考图1，其描绘了铝回收炉10。炉10包括主炉膛部件12，其例如用气体或油燃烧器或通过本领域已知的任何其他方式加热。与炉膛12相邻并且与炉膛12流体连通(通常通过浸没拱门)是主要的回收区域，其包括泵井14、装料井16和浮渣井18。尽管未示出，炉膛12的壁通向泵井14，泵井通向装料井16，装料井通向浮渣井18，并且浮渣井通向炉膛12以允许箭头所示的循环模式。泵井可包括本领域技术人员已知的任何类型的机械熔融金属泵。另选地，井和泵可以用例如电磁泵代替。熔融金属泵使熔融金属从炉膛12循环到装料井16，在装料井16处，待再循环金属的碎屑片被沉积在熔体表面上。来自装料井16的熔融金属流入浮渣井18，其中在熔体流回炉膛12之前从表面撇去浮渣形式的杂质。

在装料井中已经使用了多种装置以促进废金属浸没在熔融金属浴表面下方。存在三种主要类型的系统。

第一种类型包括主要由转子构成的机械系统，该转子从顶部表面产生熔融金属流。这些装置的实例在美国专利号3,873,305；3,997,336；4,128,415；4,930,986；和8,449,814中示出，上述专利通过引证并入本文。现在参考图2，传统的废料熔化器系统包括循环泵90和废料熔化器92。容纳熔融金属浴2的容器21通常分成三个隔室。第一隔室1(称为泵井)通常容纳循环泵90。第二隔室3(称为装料井)通常容纳废料熔化器92。第三隔室7(称为浮渣井)允许来自熔化过程的浮渣和氧化物从熔融金属2中撇去。循环熔融金属2在隔室1、隔室3和隔室7之间移动，并且优选地在整个容器21中循环。废料S被引入隔室3中并且被废料熔化器92的叶轮94产生的向下吸力浸没，该向下拉伸将废料向下吸入熔融金属浴2中。

第二种类型的系统使用机械装置将废料物理地推到熔体表面下方(例如，象脚/井脚)。这些系统通常包括多个可竖直移动的“支脚”，其上升和下降以物理地推动驻留在表面下方的熔融金属表面上的废金属。

第三种类型的系统依赖于腔室的形状而无需转子旋转以产生金属流，该金属流将废料块浸没在装料井中。具体地，以这样的方式操纵熔融金属至装料井中的流动以实现涡旋，该涡旋将碎片从顶表面吸入所述浴中。这些系统包括，例如，美国专利号3,955,970；3,984,234；4,286,985；6,036,745；6,217,823；以及US 2015/0102536，其各自通过引证并入本文。现在参考图3，泵20被定位在泵井14中并从炉膛中抽出熔融铝，迫使熔融铝进入装料井16中。更具体地，叶轮23的旋转将熔融铝从浴24吸入泵20中并迫使其通过出口26、向上通过通道28并通过入口30进入装料井16中。熔融铝在装料井16内沿斜面32向上流动，溢出内柱35的内边缘34进入空腔36中，并通过出口38排出。斜面32的前缘44可以定位成与入口30相邻。装料井16内的熔融金属流形成涡旋形状，其有效地浸没金属废料块。该第三系统通常可以称为涡旋装置。

涡旋装置的一个缺点在于，熔融金属从泵中泵入装料井中而在装料井中没有任何可移动部件，在于，调节涡旋的速度和深度的唯一方法是调节泵使叶轮旋转的速度。涡旋的这种变化可能受到泵的泵送能力的限制，要么太大要么太小而不能达到预期的涡旋速度和深度。另外，通过增加泵底部中的叶轮的旋转速度来调节涡旋是不利的，因为当需要替代涡旋时需要更多的能量来操作泵。

另一个缺点在于涡旋器过快地浸没污染的金属废料碎片。特别是，在装料井中再循环的金属废料块可能包含在零件加工过程中使用的加工液(例如切削油和/或水)的残余物。如果废料片太快浸没并运输到浮渣井，则加工液可能会出现问题。此外，在浮渣井中可能形成不希望量的浮渣泡沫。

不受理论束缚，据信泡沫是从燃烧的切削油中浸没气体和蒸发加工液的水的结果。此外，浸没的加工液可能含有C_xH_x、CO₂和H₂O，它们可能与铝反应以形成氧化物和浮渣。如果没有定期去除泡沫，则由于浮渣井中的热量损失会使其凝固，并且变得非常难以机械地处理。

发明内容

以下概述本公开的各种细节以提供基本理解。本发明内容不是本公开的广泛概述，并且既不旨在标识本公开的某些元件，也不旨在描绘其范围。相反，本发明内容的主要目的是在下文给出的更详细描述之前以简化形式呈现本公开的一些概念。

根据第一实施例，提供了一种调节熔融金属涡旋的方法。该方法在容器中操作，该容器包括用于容纳熔融金属的内表面和用于在内表面的上端部分处接收固体金属的开口。出口通道从内表面向下延伸。提供了一种涡旋控制转向器，它可以悬置在出口通道上方的熔融金属内。入口开口穿透内表面。该方法将涡旋转向器定位在出口通道上方的所需距离处。熔融金属进入容器入口并在容器中形成涡旋。通过操作泵将熔融金属移入容器入口。固体金属沉积在转向器和内表面之间的区域中。

根据另一实施例，提供了一种熔融金属废料浸没系统，其包括熔炉和涡旋废料浸没井。涡旋废料浸没井包括悬置在井上方并且定向为用于浸没在井内循环的熔融金属浴中的转向器。在某些实施例中，转向器为柱形的。在某些实施例中，转向器包括鼓状件，鼓状件具有敞开的顶端和敞开的底部中的一者或两者或两个封闭的端部。

根据第三实施例，提供了一种熔融金属废料浸没系统，其包括熔炉和废料浸没井。该系统还包括罩元件，该罩元件相对于废料浸没井的顶部开口设置在重叠位置。罩至少基本上密封顶部开口。罩元件包括废料块进料槽和点火器，其允许从熔融废料块表面蒸发的含碳蒸气燃烧并主要形成水。

根据另一实施例，上述实施例一至三中的任何特征可彼此组合使用。

附图说明

本发明包括所示和所述的新颖部件、结构、布置、组合和改进。附图被并入并构成本说明书的一部分，其示出了本发明的一个实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术熔融金属回收炉的示意图；

图2为现有技术的基于转子的装料井的横截面视图；

图3为现有技术的涡旋装料井的横截面视图；

图4为本公开的装料井的透视横截面视图；

图5为替代装料井的部分虚线透视图；

图6为另一个替代装料井的部分虚线侧视图；

图7为图6的装料井的部分虚线的俯视图；

图8为本公开的VOC消除罩的透视图；

图9为替代装料井构型的横截面透视图；

图10为图9的装料井的部分虚线的透视图；

图11为图10的装料井的部分虚线的横截面视图；

图12为图10的装料井的部分虚线的俯视图；

图13为图10的装料井的部分虚线的第一侧视图；

图14为图10的装料井的部分虚线的第二侧视图；

图15为适用于本发明的任何实施例的斜面插入件的俯视透视图；

图16为图15的斜面插入件的下方透视图；

图17为图15的斜面插入件的侧视图；以及

图18为图15的斜面插入件的俯视图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的一个实施例，其示例在附图中示出。虽然将结合该实施例描述本发明，但是应当理解，并不旨在要将本发明限制于该实施例。相反，旨在涵盖可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。

本发明涉及一种废料浸没系统，该系统通常用于金属回收过程，诸如铝的回收。在金属回收中，必须熔化废料块以进行处理和加工。由于形成它们的机械成形作用，诸如刨花、钻孔和冷轧，大部分铝废料块是薄壁的。熔化薄壁废料块是特别困难的，因为熔融金属中的快速浸没受到薄壁废料块漂浮在熔融金属上的事实的严重阻碍。熔化薄壁废料块也具有挑战性，因为许多废料片包括涂覆在其上的加工液。加工液可包括烃和水，其中每种都在熔融金属加工中存在问题。而且，每种都可能导致不希望的浮渣泡沫形成。

本公开的装料井可包括敞开的顶部腔室，该敞开的顶部腔室包括由耐热材料构成的壁。石墨和陶瓷为合适的耐热材料的良好示例。腔室包括位于侧壁或底壁中的入口，该入口与泵井流体连通，并且底壁中的出口与浮渣井流体连通。如本文所用，基部(或底部)壁是指形成腔室的下部内表面。此外，需指出，附图中所示的整个插入体的“出口”来自插入体的侧壁，这是由于出口在从腔室的底部出口到整体插入件的出口之间成角度的结果。简而言之，如本文所用，“底部出口”用于指熔融金属离开腔室的位置。通常，腔室将包括限定腔室底壁中的出口的内柱。通常，腔室的内部形状可以描述为底部或低侧壁入口和底部出口，在内部柱和侧壁之间形成斜面。

现在参考图4描述本发明的第一实施例。在该实施例中，废料熔化装置100可由耐火材料块102构成，该耐火材料块的尺寸可适于提供与现有装料井的尺寸配合的相对紧密的公差。块102可以由固化材料构成，诸如氧化铝-二氧化硅耐火材料或本领域技术人员已知的其他可浇铸耐火材料。在热处理之前，可以用氮化硼处理铸造体的表面。

块102包括腔室116，其具有大致柱形侧壁118、包括斜面121的基部120以及形成居中定位的通向出口124和出口管道(未示出)的空腔123的内柱122。

包括盘132和悬置杆134的转向器元件130被悬置在腔室116中。悬置杆可被锚固到任何合适的脚手架(未示出)。转向器元件130可以类似地通过诸如叉车或其他提升机构(参见图7中的升降机337)的装置悬置，以便于至少竖直地并且可选地水平地调节其位置。

转向器元件130可由耐火材料(诸如石墨或陶瓷)构成。转向器还可包括铸造在其中的致密化材料(例如铅)以增加其总质量并防止在腔室内流动的熔融金属内的流物理地移动转向器。另选地，转向器元件130可以通过从侧壁118和/或内柱122延伸的突出部(例如137)永久地固定到废料熔化装置100。这些突出部优选地仅提供对腔室116周围和空腔123中的熔融金属的期望旋转流的最小干涉。

转向器130可以在腔室123上方的位置处定位在腔室116内。转向器130将被悬置在低于腔室内熔融金属高度的水平但是在内柱122的顶表面上方，使得漂浮在熔融金属表面上的废金属块被阻止进入空腔123但仍然能够最终被排出到浮渣井。以这种方式，转向器130可用于减缓废金属块的浸没。减缓的浸没提供了在熔融金属表面上的停留时间的相应增加。这继而允许增加的加工液蒸发到装料井上方的大气中并减少浮渣泡沫形成。

转向器通过允许熔融金属废料沉积在转向器和腔室内壁之间的熔融金属浴的表面上而起作用。已经发现，当接近腔室的中心时，腔室中产生的涡旋的有效性提高了效率。在这方面，已经发现在转向器和腔室壁之间沉积金属废料碎片可以减缓碎屑从废料浸没腔室的流出，从而在装料井中的熔融金属表面上提供更长的停留时间，并且在废料浸入熔融金属之前，允许湿气和加工液从废料表面蒸发。在某些实施例中，可能希望为转向盘提供孔或通道。此外，穿孔的转向器(盘或鼓状件)可以帮助调整所需的熔融金属流速，同时仍然增加在装料井中的废料停留时间。

接下来转向图5，转向器230可以包括具有敞开顶部和敞开底部的柱形鼓状体是可行的。类似地，顶表面或底表面中的一者或两者可以完全或部分地密封。转向器优选地被配置成包括等于或大于至由内柱222形成的出口的开口的直径的外径。然而，还设想甚至比内柱222稍窄的转向器可以具有有用的效果。

接下来转向图6和图7，其描绘了包括附接柱333的实心鼓状件转向器330。在本文中使用的固体是指封闭的顶部表面和底部表面，其具有中空内部并且替代地为没有敞开内部体积的主体。此外，转向器的外部表面不需要是球形的。例如，可以采用棱锥形。类似地，侧壁不一定是柱形的。而是，可以采用倒锥形状。简而言之，可以设想，几乎任何形状的转向器可以有利地至少最小程度地阻止废料块离开腔室的速度。

转向器的一个优点在于其升高和降低以对熔融金属废料块浸没的速度提供可变影响的能力。此外，可以设想，转向器可以位于出口通道322的顶部边缘的正上方，其中，涡旋应该被显著地阻止或者位于其中转向器仅略微穿透腔室内的熔融金属表面的水平(MMS)，从而允许形成基本上不受阻碍的涡旋。当然，相对于明显受阻的状态，金属废料块进入装料井空腔的速度将在基本上不受阻碍的状态下更高。在这些极端值之间调节转向器允许调整涡旋的强度和相关的废料块的摄取。类似地，转向器的可变直径和插入深度可以与泵速的可变性结合使用，以调节废料浸没率、装料井中的废料残留时间和熔炉周转率的总速率。

还可以设想，转向器可以具有各种直径，其范围从比出口通道的直径稍窄，到比腔室的直径略窄。转向器的可调节性提供了调整沉积在装料井表面上的废料块的浸没速率的优点。以这种方式，可以形成最佳的表面停留时间，在该表面停留时间期间，加工液在装料井中大量蒸发，但废料块在显著的金属氧化发生之前被浸没。

现在转向图8，其提供了覆盖装料井401的VOC消除罩400。如上所述的转向器的使用提供了来自废金属块表面的VOC的增加的蒸发。罩400提供其容纳和消除。此外，罩400包括燃烧器元件402，其适于在罩内产生火花或火焰以燃烧其中所含的VOC。罩400还包括斜槽404，其用于接收废金属块以引入到装料井401内的熔融金属的表面上。还可以提供门406以用于监测系统。优选地，罩400配备有排气口408以用于去除燃烧的VOC。VOC消除罩还可包括热电偶410，其测量罩内的温度并在温度低于下降到低于约1200°F时自动启动燃烧器。

还需指出，虽然结合涡旋型废料浸没系统示出，但是设想罩将适用于其他废料浸没系统，包括没有转向器的涡旋系统，基于转子的系统和井助行器型系统。例如，罩装置可以有利地与任何废料浸没装置一起使用，包括在以下专利和公开申请中描述的那些废料浸没装置：US 4,592,658；US 8,246,715；US 8,449,814；US 2015/0069679；US 2015/0102536和US 2015/0323255，其公开内容通过引用并入本文。在这方面，VOC消除罩可以有利地允许罩和废料浸没室内的大气在降低的氧气水平下操作，从而导致在熔化期间废金属块的氧化减少。

现在转向另一个实施例，在图9至图14中描述了一种废料浸没装置，它包括具有发散的截锥形上部节段的腔室。

循环和废料熔化是本系统的两个关键职责。此外，熔炉应每小时循环几次(例如4到10次)，以便为熔炉内的熔融金属提供所需的停留时间。循环通过熔融金属泵来完成。如本领域技术人员所认识到的，泵的运行速度应基于系统中熔融金属的量和所需的循环频率而变化。例如，具有14英寸直径叶轮的典型泵需要在一小时内以约350RPM的速度运行以循环2000000磅的熔融铝。然而，熔炉系统中熔融金属的量可以基于最终铸造计划和这种铸造计划中的时间点而变化。

本领域技术人员还认识到泵运行的速度影响废料浸没室的特性。而且，高速运转的泵使熔融金属明显上升到废料浸没室的壁上。高金属含量可能是不希望的并且可能产生湍流，从而导致浮渣形成。本发明的废料浸没室提供了适合于在高和低泵速下操作的系统。例如，废料浸没室的尺寸和形状能够处理范围为约750000至约3000000磅的熔融金属流速。

更具体地，参考图9至图14，废料浸没装置包括装料井500，装料井500具有第一直径部分502，第一直径部分502接收邻近入口506的斜面插入件504。可调节的涡旋诱导斜面插入件504在图15至图18中示出。

第二较大直径的腔室部分508在第一直径腔室部分502上方延伸。第二直径部分508可以具有从与第一直径部分502的界面到所述装置的顶表面510向外逐渐变细的壁。可以在顶表面510中提供溢流通道512。所描绘的第二直径部分通常可描述为倒截锥形。截头椎体可以包括以大于约15°的角度向外倾斜的壁。在某些实施例中，第二部分在至少一个平面中的直径比第一部分大至少约20％。

尽管示出了连续的锥形，但是可以设想在替代方案中可以提供一个或多个竖直部分。而且，第二部分可以以阶梯状方式向上延伸。

熔融金属在泵的作用下通过入口506进入装料井500(例如，参见图8)。熔融金属以涡旋的方式向上和围绕斜面504行进，并且根据系统中熔融金属的深度和泵的操作速度在腔室部分502和508中的一者或两者内循环。熔融金属在其表面上接收废料块，废料块通过斜面504中的通向出口516的通道514离开装料井500。

不基于理论，据信较大直径的第二部分508可以提供减小的涡旋，从而产生沉积在其上的废料块的期望的延长的停留时间。另外，当相关的熔融金属泵以相对高的RPM运行时，第二直径部分508提供更大的可用容积以接收熔融金属。此外，部分508允许熔融金属以平滑的流水平地扩散。

参考图15至图18，提供了斜面插入件的各种视图。

示例

使用可从Pyrotek公司获得的J50SD熔融金属泵结合图9中所示的废料浸没装料井和图15至图18的斜面进行水模拟试验。装料井被构造成包括邻近斜面的第一直径部分和在第一直径部分上方延伸的第二直径部分。第一部分的直径为48英寸，第二部分的直径从48英寸增加到60英寸。以各种泵转速RPM进行测试。

水浴在基座顶部14.5英寸处。记录平板浴上方的泵流量和涡旋高度。为了比较，还测试了恒定的48英寸直径的装料井。在这些测试中，可以改变出口孔直径。选择14英寸的出口孔直径作为代表性示例。

已经参考优选实施例描述了示例性实施例。显然，在阅读和理解前面的详细描述后，其他人将想到修改和变更。旨在将示例性实施例解释为包括所有这些修改和变更，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (19)

1.一种调节熔融金属的涡旋的方法，包括：提供容器，所述容器包括：用于容纳熔融金属的内表面和用于在所述内表面的上端部分处接收固体金属的开口，从所述内表面向下延伸的出口通道和能够在所述出口通道上方悬置在所述熔融金属内的涡旋控制转向器，以及穿透所述内表面的入口开口；将所述涡旋控制转向器定位在所述出口通道上方的期望距离处；将所述熔融金属移入所述容器的入口开口中以在所述容器中形成所述涡旋，其中，所述熔融金属通过操作泵而移动到所述容器的入口开口中；以及在所述涡旋控制转向器和所述内表面之间的区域中沉积所述固体金属。

2.一种用于熔融金属废料浸没的系统，包括熔炉和涡旋废料浸没井，所述涡旋废料浸没井包括悬置在所述涡旋废料浸没井上方并且定向为用于浸没在所述涡旋废料浸没井内循环的熔融金属浴中的转向器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述转向器为柱形的。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述转向器包括悬置在柱上的盘。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述转向器包括鼓状件。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述鼓状件包括敞开的顶部端部和敞开的顶部底部中的一者或两者。

7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述转向器的直径基本上等于或大于所述涡旋废料浸没井的出口的直径。

8.根据权利要求2所述的系统，还包括用于升高和降低所述转向器的机构。

9.根据权利要求2所述的系统，还包括与所述涡旋废料浸没井设置在重叠位置中的罩元件。

10.根据权利要求2所述的系统，其中，所述涡旋废料浸没井限定了容纳斜面的腔室，并且其中，所述腔室具有与所述斜面相邻的第一直径和在所述斜面上方的更大的第二直径。

11.根据权利要求2所述的系统，其中，所述转向器包括浇铸在其中的致密化材料。

12.根据权利要求2所述的系统，还包括：至少一个突出部，从所述涡旋废料浸没井延伸并与所述转向器接合，以给所述转向器提供稳定性。

13.一种用于熔融金属废料浸没的系统，包括：熔炉和废料浸没井，所述系统还包括罩元件，所述罩元件相对于所述废料浸没井的顶部开口设置在重叠位置中并且至少基本上密封所述顶部开口，所述罩元件包括废料块进料槽和燃烧器。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述罩元件为圆筒。

15.根据权利要求13所述的系统，还包括热电偶，所述热电偶测量所述罩元件内的温度，并在温度下降到低于约1200°F时自动启动所述燃烧器。

16.一种用于金属废料浸没的装置，用在根据权利要求2所述的用于熔融金属废料浸没的系统中，所述装置包括敞开顶部的腔室，所述腔室包括：耐热材料的侧壁和底壁、在所述腔室的侧壁中的用于接收熔融金属的入口、在所述腔室的底部中的出口、以及邻近所述腔室的侧壁的斜面，其中，所述腔室的内侧壁包括临近所述斜面并且在所述斜面上方的第一直径部分和在所述第一直径部分上方的更大的第二直径部分。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第二直径部分在至少一个平面上比所述第一直径部分大至少约20％。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一直径部分至少基本上为柱形的，所述第二直径部分至少基本上为截头椎体。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述截头椎体包括以大于约15°的角度向外倾斜的壁。

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