CN115927850A - 用于活性合金和金属的密封倾斜倾倒电感应炉 - Google Patents

用于活性合金和金属的密封倾斜倾倒电感应炉 Download PDF

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Abstract

提供了一种密封的倾斜电感应炉和炉系统，用于将炉中的活性熔融材料供应到活性熔融材料处理设备，而不将活性熔融材料暴露于周围环境。旋转接头的旋转组件连接到炉的封闭式炉倾倒嘴，并与倾斜倾倒炉同时绕着一个共同的水平定向的旋转轴旋转，以将活性熔融材料提供给与旋转接头的固定组件连接的活性熔融材料处理设备。

Description

用于活性合金和金属的密封倾斜倾倒电感应炉
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年1月23日提交的美国临时申请第62/620,550号美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及电感应炉和炉系统，用于加热和熔融活性合金和金属并供应熔融的活性合金和金属，以用于工业处理，诸如，直接冷铸或模铸生产线中，在此过程中注入的活性熔融材料与周围环境中的元素(诸如，空气中的氧气)隔离。
背景技术
在现有技术中，倾斜电感应炉中的倾斜口通常被布置成，其倾角定向成与炉的倾斜轴垂直(90度)，例如，如美国专利号9,332，594 B2中所公开的。
如果熔融材料需要空气或其他周围环境的保护性盖罩气体环境，则可以将倾斜感应炉放置在其中进行倾倒的保护性盖罩气体密封容器中。保护倾斜区域不受空气影响的其他已知设备和方法是复杂且昂贵的。
本发明的一个目的是提供一种倾斜倾倒电感应炉和炉系统及其使用方法，其可以从倾斜的电感应炉中供应熔融的活性金属或金属合金，其中与本领域中已知的相比，在相对成本效益好的设备和方法中，保护了来自炉的材料不与空气或其他周围环境相互作用。
本说明书以及附图和权利要求揭示了本发明的其他目的。
发明内容
在一方面，本发明是一种倾斜倾倒电感应炉和炉系统，用于加热、熔化或加热并熔化活性金属或金属合金，其中，当将熔融金属或合金从炉输送到熔融金属加工系统时，需要将金属或合金与空气或其他周围环境隔离。
在另一方面，本发明是一种从倾斜倾倒电感应炉和炉系统输送熔融的活性金属或活性熔融金属合金的方法，其中将活性金属或活性熔融金属合金加热、熔融或加热并在浇铸过程中将金属或合金与空气或其他周围环境隔离开，然后输送到熔融金属加工系统中。
在本说明书以及附图和权利要求中阐述了本发明的上述和其他方面。
附图说明
提供以下简要概述的附图是为了示例性地理解本发明，并且不限制本说明书和所附权利要求书中进一步阐述的本发明。
图1是本发明的倾斜倾倒炉系统的一个实施例的上部倾斜倾倒炉容器的一个示例的俯视图，以及从炉系统到活性熔融材料处理设备的密封的连接倾斜界面。
图2是通过图1中线A-A所示的上部倾斜倾倒炉容器的截面正视图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)示出了当本发明的密封电感应炉系统从炉容器中倒入活性熔融材料或从炉容器中除去炉渣时，围绕该炉容器的可旋转倾斜倾倒轴的示例性上部倾斜倾倒炉容器的倾斜位置。
图4示出了连接到图1和图2所示的上部倾斜倾倒炉容器以形成本发明的密封倾斜电感应炉的下部电感应炉容器的一个示例。
图5是本发明的密封倾斜电感应炉和炉系统的简化的炉倾斜控制系统图的一个例子。
具体实施方式
在图1和图2中示出了在本发明中使用的上部倾斜倾倒炉容器10的一个示例。该上部倾斜倾倒炉容器在此也称为“上壳体”。在本发明所示的实施例中，上部倾斜倾倒炉容器具有外部结构壳10a和内部耐火材料10b，它们选自本领域已知的合适材料，以形成隔热的活性材料容纳容器。耐火材料内的容积限定了从活性材料批量倾倒能力线(图2中示例性的MLL最大负载线)到上部倾斜倾倒炉容器10的底部处的敞口喉部熔融金属区域13的、典型的上壳体内部炉容积10d，其中在活性材料负载线上方有覆盖气体干舷容积(图2中FB干舷区域)，在本发明所示的实施例中，区域13将上部倾斜倾倒炉容器10连接至下部炉容器30。
在附图中所示的本发明的实施例中，上壳体的内部炉容积10d通常是从顶部内部区域到底部皿(或碗)形区域的圆柱形形状，其中央底部开口通入喉部熔融材料区域13。
图4示出了下部电感应炉容器30的一个示例，该下部电感应炉容器30为无芯电感应熔融和加热炉，以与上部斜倾倾倒炉容器10结合形成本发明的密封倾斜倾倒电感应炉50的一个实施例。无芯电感应熔融和加热炉可以如美国专利申请公开号为2016/0242239 A1中所公开的，或者其他本领域中已知的(取决于具体的应用)。
如在现有技术中已知的，在图4所示的电感应炉容器30中，提供了合适的交流电源(在附图中未示出)以向电感器30a供应交流电，其中在电感应炉容器中示出了活性材料30d。如在美国专利申请公开号2016/0242239 A1中进一步公开的，在本发明的一些实施例中，可选地，可以在一个或多个电感器30a与耐火材料30c之间设置冷却通道30b。
当本文所述的本发明的上部倾斜倾倒炉容器用于倾倒活性熔融材料时，如图4所示，下部电感应炉容器连接至上部倾斜倾倒炉容器，并且与上部倾斜倾倒炉容器一起倾斜。尽管如本文所述，炉系统也用于炉批量倾倒过程中，本发明的炉和炉系统与用于熔融材料处理系统(诸如，模具填充线)的多个单次倾倒活性熔融材料处理设备一起使用。
在图1和图2所示的本发明的实施例中，上部倾斜倾倒炉容器10和旋转接头20的旋转组件20a均构造成在从封闭的炉口12a--在本发明的该实施例中，该炉口12a通常在活性材料批量倾斜能力线处或上方，从上部倾斜倾倒炉容器的内部空间突出--倾斜倾倒活性熔融材料时围绕共同的耳轴(或轴线)“TT”同时旋转。在图中的本发明的该实施例中，上部倾斜倾倒炉容器10(具有附接的下部炉容器30)和旋转接头的旋转组件20a通过合适的驱动器(例如，产生旋转运动的动力线性驱动器，例如本领域已知的并且例如在美国专利号9,332,594B2中示出的电动或液压驱动器)同时旋转。旋转接头20允许倾斜倾倒炉通过旋转接头的静止组件20b(连接到处理设备32a)和连接到封闭的炉倾倒口12a的旋转组件20a旋转，以倾倒活性熔融材料而不会暴露在的固定的活性熔融材料处理设备32a和32b之间的周围环境中，如图1所示，以允许活性熔融材料从上部倾斜倾倒炉容器10的内部10d流到处理设备32a和32b，处理设备32a和32b将活性熔融材料供给到工业处理设备(未在图中示出)，诸如，直接冷铸或模制线填充处理设备。根据本领域技术人员的特定应用选择旋转接头20。活性熔融金属材料处理设备32a和32b代表一个或多个处理设备，例如本领域已知的封闭金属流槽，以将活性熔融材料转移至特定的工业处理过程，诸如，直接冷铸或模具灌装线。
封闭式炉倾倒口12a从上部倾斜倾倒炉容器10的外周经密封环境连接延伸到上部倾斜倾倒炉容器10，并且例如当上部炉容器水平(非倾倒)取向如图3(a)在0度(水平)时，其位于或高于最大容量水平活性材料加载线(MLL)。在图中所示的本发明的实施例中，封闭的炉倾倒口12a通过喷管12b馈送熔融的活性材料，该喷管穿过上部倾斜倾倒炉容器的壁(在所示实施例中是外部结构壳10a和内部耐火材料10b)至上部倾斜倾倒炉容器的内部容积10d，并终止于内部喷管开口12c，该开口位于主要内部容积10d的下圆周附近，并且在上部倾斜倾倒炉容器和下部电感应炉容器之间的过渡内部熔融材料容积13上方。如图2所示，在图中所示的本发明的实施例中，内部喷管开口12c位于过渡内部容积上方的距离d1处。在特定的应用中选择距离d1，以最大化主要内部容积10d中可用的批量倾倒熔融材料的体积。通常但不限于，喷管12b可以是敞开的圆柱形横截面形状，而喷管终止处的内部喷管开口12c可以是在炉的内壁上的开口的椭圆形横截面形状。一般而言，炉口组件包括封闭式(enclosed)炉口12a、喷管12b和内部喷管开口12c，当上部倾斜倾倒炉容器(带有连接的下部电感应炉容器)绕炉倾斜耳轴或轴“T-T”旋转倾斜时，炉口组件通过重力馈给将熔融活性材料从炉的下部主要内部容积抽吸到密封的炉口。
如图1所示，在本发明的图示实施例中，在上部炉容器的俯视平面图中，封闭式炉口12a位于距水平定向的炉倾斜旋转轴线“T-T”(轴向定向的0-180度)约235度的位置。在本发明的其他实施例中，封闭式炉口的角度位置可以改变，只要该角度不垂直于(90度)炉倾斜旋转轴线即可。
来自倾斜倾倒炉的活性熔融材料与外界环境(例如，具有氧气成分的空气)隔离，从内部喷管开口12c顺序地通过炉喷管12b、封闭的炉口12a、旋转接头20的密封的旋转和静止组件(通过所示示例中的凸缘20′连接到活性熔融材料处理设备32a)，以将活性熔融材料输送到特定应用中的处理设备。
在附图中所示的本发明的典型的批量倾倒方法中，当上部炉容器10和连接的下部炉容器30包含足够量的指定的活性熔融材料时(用于从上部炉容器批量倾倒活性熔融材料)，上部炉容器10(附接下部炉容器30)和旋转接头20的旋转组件20a同时绕轴线“TT”旋转，而旋转接头20的固定组件20b保持固定。对于附图中所示的本发明的实施例的取向，如图3的细节所示，旋转是逆时针的TCCR旋转，其中逆时针旋转是相对于水平方向(零度)的X度。图中所示的炉系统的实施例的最大倾斜倾倒角度由喷管开口12c进入炉内部空间的最高垂直点确定；上部炉容器中的材料至少保持在开口12c的最高点(图2中的点P1)的高度(图2中的材料跟线MHL)，以防止氧气或周围环境中的其他不良元素进入炉内并与活性材料结合。为了确保该条件，在炉中可容忍的最低熔融水平保持为最小熔融水平(MHLM)，例如，图2和图3(c)中最高垂直点以上两英尺。
激光(或其他合适的)熔融活性材料液位传感器31可设置在活性熔融材料处理设备32a和/或32b中，诸如，本领域已知的封闭的熔融金属流槽，其连接至图1中的旋转接头20的固定组件20b。在本发明的一个实施例中，处理设备32b中的液位传感器31可以布置成感测固定的规定的熔融活性材料的流动高度(在分批浇注(也称为“浇铸”)期间，维持该高度)，将感测的高度输出到旋转驱动器，其根据需要使炉关于轴“T-T”旋转以改变或维持旋转位置，以满足流向连接到图1中的处理设备32a和32b的熔融活性材料工业处理系统的固定的特定熔融活性材料的流动高度(或熔融速率)。在本发明的其他实施例中，可以在封闭的炉口12a和/或选择的活性熔融材料处理设备中使用一个或多个激光传感器。
对于图中所示的炉和炉系统的实施例，如图3(d)所示，当炉渣门16打开时，将上部炉容器(附接到下部炉容器)绕轴线“T-T”从水平方向顺时针旋转TCR Y度，以通过炉渣溜槽16a从上部炉容器中的熔融活性材料的表面去除顶部炉渣。在附图所示的本发明的实施例中，炉渣门16与本领域已知的大气吹扫系统互锁，以防止在炉渣门打开时将氧气或其他不良元素引入炉内部。
在特定的应用中，上部炉容器的内部空间优选地配置，使得当从封闭的炉口12a浇铸出特定批量的熔融活性材料时，足够的熔融材料将保留在下部炉容器的内部空间中，以与在下部炉容器的电感器30a中交流电产生的磁场电磁耦合，以避免低负载(熔融材料)阻抗，其可能导致向电感器提供交流电的电源汲取过电流。
本发明的密封倾斜倾倒电感应炉的冷启动操作需要在炉内部建立熔融活性材料的最小量。建立最小量的一种方法是通过位于上部炉容器顶部22的可选装料口18将活性材料加入炉中。在本发明的其他实施例中，炉顶22可以替代地是固定的顶罩结构或可移动的盖。装料装载口被布置成，当将装料装载到炉中时，防止炉内部容积内的覆盖气体环境的损失。
在附图中所示的本发明的实施例中，装料装载开口18包括与装料容器(附图中未示出)配合的装料环境锁定室，以在装料锁定室允许打开炉顶开口门18a和18b之前，与装料容器建立环境密封室，从而使环境密封配对的装料容器可以通过开口炉顶22从装料口的顶部18c将装料释放到炉内部。
在本发明的一些实施例中，使用密封的装料斗来防止在向上部炉容器中添加装料时不必要地向系统中添加空气。可以提供密封的进料器以通过装料装载开口18添加进料。当将进料放置在上部炉的顶部开口时，在将进料添加到炉系统之前，可以用诸如氩气等覆盖气体吹扫进料器。
对于冷启动，可以首先在下部炉中感应加载熔化的装料，而继续将装料装载到内部空间中，熔化成最初熔化的活性材料，直到达到最小水平。
最初以及在每批浇铸(浇铸)之后，保持的最小水平在内部喷口12c上方，以防止有害的空气(氧气成分)进入炉并造成如本文进一步所述，在炉容器中与活性合金或金属发生剧烈反应。
图5示意性地示出了简化的恒定容积批量炉体输送控制系统60的一个示例。可编程逻辑控制器(PLC)指令旋转驱动器39旋转炉50(上部炉10和下部炉30容器)，并使旋转接头20的旋转组件倾斜围绕倾斜轴线T-T旋转到标称炉倾角X度。炉体水平传感器31将熔融活性材料输送装置32a和/或32b中的炉体流的液位报告给PLC。在定量批量炉体输送模式下，PLC指令旋转驱动器39偏离标称的炉倾角X度，以保持恒定的容积(液位)流量，如炉体液位传感器31所报告的。炉负载传感器(LC)将炉的重量报告给PLC，以确定装入炉的装料量。倾角仪用于指令旋转驱动器39反向倾斜旋转，以使炉50返回水平方向，以满足炉50中炉体的最小水平(按重量计)。在倾斜倾倒期间，电感器30a异常运行时，电源(PS)将电感器故障报告给PLC，并且PLC指令旋转驱动器39将炉50返回到图2中的水平位置。
覆盖气体处理和控制系统通过向本发明的密封倾斜倾倒电感应炉的干舷区域(图2中的FB)供应覆盖气体，例如氩气，并且通过吹扫管线提供密封的电荷进料器。在本发明的一个实施例中，覆盖气体处理和控制系统包括通过两个独立管理的覆盖气体处理和控制子系统供应的吹扫管线。该系统包括两个氧气监测传感器，每个熔化站都有一个泵。氧气监测器可测量系统的覆盖气体供应和排气，以确保整个装料机和炉内的氧气水平保持在0.1％以下。当起始点是大气中的氧气浓度约为21％时，大气控制系统的子系统会在三分钟内在炉和装料机的大气中使氧气浓度降至0.1％以下的氧气。
在本发明的一些实施例中，根据特定应用的需要，可选地为封闭的外部炉口12a、旋转接头20和/或熔融的活性材料输送设备提供覆盖气体供应和处理系统。
术语“活性材料”和“活性熔融材料”分别用于定义活性金属或活性金属合金，或活性熔融金属或金属合金。通常，术语“活性”表示如果暴露于安装有炉系统的周围环境的成分中，则以不希望的方式反应的金属或金属合金。
已经以优选示例和实施例的方式描述了本发明。除了明确说明的以外，等效物、替代物和修改是可能的，并且在本发明的范围内。受益于本说明书的教导的本领域技术人员可以对其进行修改而不脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种从电感应炉系统向密封的活性熔融材料处理设备供应分批量倾倒的活性熔融材料的方法，所述方法包括：
通过设置在上部倾斜倾倒炉容器顶部的装料环境锁定室将活性材料装料至上部倾斜倾倒炉容器，所述上部倾斜倾倒炉容器连接至下部电感应加热炉容器；
在装料至上部倾斜倾倒炉容器的同时，感应加热并熔化在所述下部电感应加热炉容器中的活性材料，直到所述活性熔融材料达到所述上部倾斜倾倒炉容器的内部容积中的最大负载线；
在所述上部倾斜倾倒炉容器中的所述活性熔融材料之上的干舷容积内保持覆盖气体；
使所述上部倾斜倾倒炉容器绕水平定向的旋转倾斜轴倾斜到可变的倾倒角度位置，以从与所述上部倾斜倾倒炉容器的内部容积连接的封闭式炉倾倒口倾倒所述分批量倾倒的活性熔融材料；
使密封旋转接头的旋转接头组件围绕所述水平定向的旋转倾斜轴旋转，同时使所述上部倾斜倾倒炉容器围绕所述水平定向的旋转倾斜轴倾斜到所述可变的倾倒角度位置，以通过所述密封旋转接头的旋转接头组件和固定接头组件将所述活性熔融材料从封闭的炉倾倒口转移到所述密封的活性熔融材料处理设备。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述活性熔融材料从所述上部倾斜倾倒炉容器的内部容积经由设置在上部倾斜倾倒炉容器的内部容积的下周附近的内部喷管开口通过穿过所述上部倾斜倾倒炉容器的内部容积的壁的喷管馈给到所述封闭式炉倾倒口。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在从所述电感应炉系统中供应分批量倾倒的活性熔融材料的期间，在所述内部喷管开口上方保持最小水平的活性熔融材料跟线。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括使所述封闭式炉倾倒口与所述水平定向的旋转倾斜轴成235度的水平角，所述水平定向的旋转倾斜轴轴向定向成0-1 80度。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括当所述上部倾斜倾倒炉容器处于所述可变的倾倒位置时，感测所述密封的活性熔融材料处理设备中的活性熔融材料流高度，并且响应于所述活性熔融材料流高度的变化，调整所述可变的倾倒位置，以在所述密封的活性熔融材料处理设备中维持恒定的活性熔融材料流高度。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括当所述上部倾斜倾倒炉容器处于所述可变的倾倒角度位置时，感测所述密封的活性熔融材料处理设备中的活性熔融材料的流动速率，并且响应于所述活性熔融材料的流动速率的变化，调整所述可变的倾倒角度位置，以维持所述密封的活性熔融材料处理设备中恒定的活性熔融材料的流动速率。
7.根据权利要求2所述的方法，还包括在与所述可变的倾倒角度位置倾斜相反的方向，使所述上部倾斜倾倒炉容器绕所述水平定向的旋转倾斜轴倾斜，从所述上部倾斜倾倒炉容器中除去炉渣。
8.根据权利要求2所述的方法，还包括当从电感应炉系统供应分批量倾倒的活性熔融材料时，通过所述密封的旋转接头在所述密封的活性熔融材料处理设备中维持所述覆盖气体。
9.根据权利要求2所述的方法，还包括当装料容器连接到所述装料环境锁定室时，通过所述装料环境锁定室在所述干舷容积内保持覆盖气体。
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