CN117715716A - 用于熔融金属设备的轴和柱组件 - Google Patents

Abstract

一种熔融金属泵柱，包括由耐热的第一材料制成的细长杆和至少部分地包围细长杆的内部构件。内部构件由第二材料制成。细长杆由于细长杆和内部构件之间的热膨胀系数的差异而是可操作的，该热膨胀系数的差异产生压缩力。

Description

用于熔融金属设备的轴和柱组件

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年04月23日提交的美国临时申请第63/179,029号的权益，其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熔融金属泵送系统。用于泵送熔融金属的泵用在生产金属制品的熔炉中。泵的常见功能是在熔炉中循环熔融金属或将熔融金属输送到远处。本说明书集中于用于将金属从一个位置输送到另一个位置的熔融金属泵。它特别关于将熔融金属从炉池提升到流槽系统中的系统。

背景技术

目前，许多金属压铸设备采用容纳大部分熔融金属的主炉膛。固体金属棒可以定期在主炉膛中熔化。输送泵可以位于主炉膛附近的井中。输送泵从井中抽取熔融金属并将其输送到管道中，并从那里输送到形成金属制品的压铸机。本公开涉及用于将熔融金属从熔炉输送到压铸机、锭模等的泵。本公开可以采用例如美国专利10,415,884、10,072,891、9,909,808、9,982,945和10,352,620中描述的类型的泵送系统，上述专利的公开内容通过引用并入本文。

通常，流槽用于将熔融物从泵系统输送至铸造位置。流槽本质上是反射炉外部的槽、通道或管道。流槽可以用于使熔融金属从熔炉移动到钢包和/或模具中。流槽可以具有任何尺寸或形状。例如，它可以有一到四英尺长，或者长达100英尺。流槽通常是平缓倾斜的，例如，它可以以坡度向下倾斜或平缓向上倾斜。在使用中，典型的流槽包括大约1-10英寸的深度的熔融铝。

当使用输送泵向钢包、流槽或其他结构或装置供料时，泵根据何时需要更多熔融金属而关闭/开启和加速。这可以自动完成。如果自动完成，当钢包或流槽中的熔融金属低于一定量时，泵可以开启和/或加速。

本发明涉及一种用于熔融金属脱气、浸没、搅拌和泵送的设备。特别地，本发明涉及一种用于移动或泵送熔融金属(例如铝、锌或镁)的机械设备。更具体地，本发明涉及一种用于这种设备的驱动装置，其中马达位于熔融金属池的上方，并使竖直轴旋转。轴的下端驱动叶轮或转子，使熔融金属运动。组件的中间部分由钢轴支撑，钢轴由陶瓷柱加固。本发明在支撑马达的柱的结构中发现类似的应用。

在熔融金属的加工中，经常需要将熔融金属从一个地方泵送到另一个地方。当期望从容器中移除金属时，使用所谓的输送泵。当期望在容器内循环熔融金属时，使用所谓的循环泵。当期望提纯设置于容器内的熔融金属时，使用所谓的气体喷射泵。在这些泵的每一个中，通常在泵送室内，可旋转的叶轮浸没在容器中包含的熔融金属池中。此外，马达通过连接到基座的柱悬挂在池上方的上部结构上。在这些泵的另一实施例中，可旋转的叶轮可以通过粘附在悬挂式马达上的轴浸没在熔融金属池中，其中马达没有通过任何柱支撑在池的上方。泵送室内叶轮的旋转迫使熔融金属在泵送室设计所允许的方向上按照期望地运动。

由于熔融金属环境对用于构建泵的材料的破坏性影响，用于移动池中熔融金属的机械泵历史上具有相对较短的寿命。此外，大多数能够在熔融金属池中长期工作的材料具有相对较差的强度，这可能导致机械故障。在这方面，工业上通常依赖于石墨，一种具有足够强度、耐温性和耐化学性的材料，以在恶劣的熔融金属环境中运行可接受的一段时间。

虽然石墨是目前最常用的材料，但它给泵制造商带来了一定的困难。特别是，机械泵通常需要浸没在熔融金属中的石墨泵外壳。然而，由于石墨的密度比金属低，外壳在金属池中有些漂浮。为了防止泵外壳在金属中上升，并防止基座的不希望的横向运动，一系列竖直腿位于泵外壳和高架结构之间，该高架结构同时起到支撑驱动马达和定位基座的作用。除了作为上述作用中的中间构件之外，腿或也称为柱必须足够坚固，以承受在熔融金属池中安装和移除泵的过程中产生的拉伸应力。

同样，连接叶轮和马达的轴由石墨制成。通常，当遇到金属池中的堵塞物并且有时堵塞物卡在外壳上时，该轴部件承受很大的应力。因为石墨不具有所期望的高强度，所以加强泵的腿和轴部件是有帮助的。

完全由陶瓷制成的轴或柱组件易碎，容易发生意外故障。此外，残留在熔融金属池中的暴露的金属部件会溶解。

此外，石墨可能难以加工，因为石墨在其两个晶粒取向上具有不同的热膨胀率。这可能导致柱和基座在熔融金属环境中具有不同的和冲突的热膨胀率。这个问题由于泵的结构在历史上需要将石墨柱粘合到石墨基座的孔中的事实而变得更加复杂。这种设计在部件之间没有提供公差来适应这种不同的热膨胀。不幸的是，这会导致基座或柱的破裂。因此，期望有一种熔融金属泵，其中以适应不同热膨胀趋势的方式实现柱和基座的配合。

本公开同样适用于处理熔融金属的各种其他设备。此外，除了泵之外，熔融金属废料熔化(即浸没)、脱气和搅拌设备通常依赖于被竖直轴浸没在熔融金属池中的叶轮/转子的旋转。更具体地，浸没装置用于帮助熔化可回收的材料。再生金属工业的两个主要关注点是生产率和回收率或产量。在废金属的熔化过程中，产生氧化物和气体并被夹带或溶解到熔融金属中，由此降低回收率。除了产量损失之外，夹带的杂质降低废金属的质量和价值，而废金属最终作为最终产品可销售。因此，通常使用脱气装置来移除这些杂质。在脱气器中，通常提供中空轴，以便于气体沿轴向下注射，并通过叶轮/轴转子中的孔流出。典型地，引入的气体将化学地释放不需要的物质，以形成沉淀物或浮渣，沉淀物或浮渣可以从熔融金属池的剩余部分中分离出来。

美国专利第4,598,899号和第6,071,024号中描述了浸没装置的示例，该些专利通过引用并入本文。美国专利4,898,367中描述了一种示例性的脱气设备，该专利通过引用并入本文。在这两种装置中，都采用了竖直定向的轴，该轴具有设置在一端的且在熔融金属池中叶轮/转子。类似的问题出现在这些设备中，其中部件通常由石墨构成，并且将受益于强度的增加。

发明内容

下文总结了本公开的各种细节，以提供基本的理解。该概述不是本公开的广泛概述，并且不旨在标识本公开的某些元件，也不描绘其范围。相反，该概述的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前，以简化的形式呈现本公开的一些概念。

根据第一实施例，提供一种熔融金属泵柱。熔融金属泵柱包括由耐热的第一材料制成的细长杆和至少部分地包围细长杆的内部构件。内部构件由第二材料制成。细长杆由于细长杆和内部构件之间的热膨胀系数的差异而是可操作的，该热膨胀系数的差异产生压缩力。

根据第二实施例，提供一种用于将相关联的熔融金属泵柱附接至熔融金属泵的部件的组件。该组件包括杆，该杆具有容纳细长耐火元件的第一端和至少部分地被内部构件包围的相对端，其中该组件利用热膨胀产生压缩力。

附图说明

以下是对附图的简要说明，其被呈现的目的是说明本文公开的示例性实施例，而不是对其进行限制。

图1是根据本公开的一个方面的熔融金属泵的部分横截面的正视图；

图2为图1的部分横截面的侧视图；

图3为图1的杆的部分横截面的正视图；

图4为图1的外部护套的横截面的正视图；

图5为可替代的柱实施例的横截面的正视图；

图6A为可替代的柱构造的横截面的侧视图；

图6B为在概念上与图6A的实施例相似的、增加了工程细节的柱构造；

图7A为另一种柱构造的横截面的侧视图；

图7B为图7A的柱的横截面的立体图；

图8A为柱构造的另一个实施例的横截面的侧视图；和

图8B为图8A的柱的横截面的立体图。

具体实施方式

通过参考附图，可以更全面地理解本文公开的组件、过程和装置。这些附图仅仅是基于展示本公开的方便和容易的示意性表达，并且因此不旨在表示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或定义或限制示例性实施例的范围。

尽管为了清楚起见，在下面的描述中使用了特定的术语，但是这些术语旨在仅指为在附图中说明而选择的实施例的特定结构，并且不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中，应该理解的是，相同的附图标记表示相同功能的部件。

单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数对象，除非上下文另有明确规定。

如本文所用，术语“约”、“大概”和“基本上”旨在涵盖结构或数字修改，不会显著影响该术语所修饰的元件或数字的目的。

如说明书和权利要求书中所用，术语“包括”可以包括实施例“由……组成”和“基本上由……组成”。本文使用的术语“包括(comprise(s))”、“包括(include(s))”、“具有(having)”、“具有(has)”、“可以”、“包含”及其变体旨在是开放式的过渡短语、术语或词语，其要求存在指定的成分/步骤，并允许存在其他成分/步骤。然而，这种描述应该被解释为也将组合物或过程描述为“由列举的成分/步骤组成”和“基本上由列举的成分/步骤组成”，这允许仅存在指定的成分/步骤，以及可能由此产生的任何杂质，并且排除其他成分/步骤。

现参考图1和图2，提供了熔融金属输送泵1。熔融金属泵1包括具有泵送室5的基座组件3，叶轮7设置在泵送室5中。轴承环9提供叶轮7和基座组件3之间的配合表面。叶轮7的旋转迫使熔融金属11通过出口13并沿上升管15向上输送到另一个位置。

当马达17通过转动提供在马达17和轴19之间的联轴器21而旋转轴19时，实现叶轮7的旋转。马达17位于基座组件3上方并在平台组件22上，平台组件22具有绝缘层23、马达安装支架25和马达安装板26。

在图1所示的实施例中，示出两个柱组件27。然而，在本发明中可以使用任何数量的柱组件，优选一个、两个或四个。在一个实施例中，由设置在内部构件30和外部护套31内的耐热合金材料构成的杆29构成的两个柱组件27将基座组件3悬挂在平台22下方。内部构件30设置在杆29和外部护套31之间。内部构件可以是润湿可能穿透外部护套的熔融金属的材料。内部构件可以包括钨、钛或其他类似材料。

在一个实施例中，杆将由合金制成，例如从华盛顿州斯波坎市(Spokane,WA)的派罗特克(Pyrotek)公司可获得的MSA 2000或MSA 2001。可选的外部护套31包括陶瓷护罩，用于额外保护免受氧化、侵蚀、腐蚀等。杆29的下端包括盖35。盖35设置在基座组件3中的空腔37内。石墨或耐火塞39被粘结到空腔37的最下部中，以密封该区域，使其与熔融金属隔离。塞39使得其直径足够大以包括杆29和盖35，同时仍然密封壳体内的连接。杆29的上端延伸穿过绝缘层23，并用螺母41固定在马达安装板26上。内部构件30设置在马达安装平台25和绝缘层23之间。

现在转向图3，提供杆29的详细描述。在该实施例中，盖构件35在焊接线47处焊接到杆的最下端。当然，其它附接机构，包括但不限于螺纹的或型锻的附接机构，也是合适的结合技术。图4提供被内部构件30和外部护套31包围的杆29的详细剖视图。

现在转向图5，示出可替代的柱实施例。在该实施例中，柱101也包括被内部构件104保护免受熔融金属环境影响的杆103。杆103穿过基座构件107中的孔/腔106，并由盖109保持。由于细长杆103和内部构件104之间的热膨胀系数的差异，产生压缩力，其中细长杆103是可操作的。

下面表1公开了用于图5的实施例的长度/厚度(英寸)和膨胀系数/开尔文的示例，包括外部材料增长(内部构件)、内部材料增长(杆)以及差异，即热膨胀系数(CTE)。示出了在从25摄氏度到200摄氏度的各种温度变化下的热膨胀系数。换句话说，通过利用不同材料的热膨胀系数(CTE)的差异，用于制备杆103和内部构件104的材料产生压缩。当然，也可以使用具有相应热膨胀系数差异的其他材料。这种改进提供了优于已知使用的弹簧的优点，已知使用的弹簧随着时间的推移会发生机械故障。

表1

本公开还设想，热膨胀系数可以用于在预装配的柱构造中提供压缩。此外，热膨胀系数可以不依赖于马达安装件或泵基座而使用。例如，热膨胀系数组件可以代替美国专利第10,641,270号中使用的弹簧元件，该专利的公开内容通过引用并入此文。

现在转向图6A和6B，美国专利第10,641,270号中使用的弹簧元件可替换为交替的材料组合物200，该材料组合物依靠热膨胀系数在预装配的柱构造中提供压缩。在该实施例中，交替的材料组合物200被设计成确保在环境温度下，材料A 203和材料B 206处于压缩状态，而材料C 209处于拉伸状态。这可以用等式L_A+L_B＝L_C来表示。选择材料A、B和C，使得它们的膨胀特性确保在升高的温度下，材料A和材料B保持处于拉伸状态，而材料C保持处于拉伸状态。这可以用以下等式表示:

L_A+E_A+L_B+E_B>L_C+E_C

(L_A+L_B)+E_A+E_B>L_C+E_C

L_C+E_A+E_B>L_C+E_C

E_A+E_B>E_C

该交替的材料组合物确保实现维持材料B处于压缩状态的目标。

如图6B所示，顶部块220因为其高热膨胀系数而被选择。它不需要经受全熔炉温度。中间块223材料由于其对熔融铝的耐受性而被选择，陶瓷材料是一种示例材料。中间块223受益于轴向施加的压缩。底部块226包括因其高热膨胀系数而被选择的材料。底部块226材料必须经受全熔炉温度。膨胀管229包括因其高热膨胀系数而被选择的材料，它必须经受全熔炉温度。张力管232包括因其低热膨胀系数而被选择的材料，它必须经受全熔炉温度。拉杆235包括因其低热膨胀系数而被选择的材料，它必须经受全熔炉温度。因此，如图6B所示的这些材料与适当的热膨胀系数的使用允许热膨胀系数被用于在预装配的柱构造中提供压缩，从而允许热膨胀系数被使用，而不像在现有技术中那样依赖于马达安装件、泵基座或弹簧。

在各种实施例中，参考图7A和7B，柱300包括管350、细长杆342、基座组件346和法兰344。细长杆342可以至少部分地被内壁350包围。在一个实施例中，杆342包括碳-碳杆，并且支撑柱300由于陶瓷材料对熔融铝的耐受性而包括陶瓷材料。在该实施例中，内壁350包括碳化硅陶瓷。在该实施例中，基座组件346包括石墨，并且被构造为接收、接合、保持和/或以其他方式配合到管350的第一端。通过包括碳-碳材料，细长杆342可以预加载压力，该压力在升高的温度下不会卸载。换句话说，使用热膨胀系数消除了现有技术中使用弹簧的需要，该弹簧随着时间的推移会发生机械故障。还示出了柔性石墨(grafoil)垫圈360、不锈钢螺母363、不锈钢螺栓365、电泄漏检测器366、陶瓷电绝缘件370和陶瓷毛填料373，它们以本领域技术人员已知的常规方式在本领域中惯常地使用。基座组件346可以包括石墨盖376，并且可以包括不锈钢螺母363以固定细长杆342。

在各种实施例中，参考图8A和8B，公开了一种柱400，其包括管450、细长杆442和法兰444，法兰444可移除地连接至基座组件446。细长杆442可以至少部分地被内壁450包围。在一个实施例中，杆442包括碳-碳杆，并且支撑柱400由于陶瓷材料对熔融铝的耐受性而包括陶瓷材料。在该实施例中，内壁450包括碳化硅。在该实施例中，可移除地联接的基座组件446包括石墨，并且被构造为接收、接合、保持和/或以其他方式配合到盖476。通过包括碳-碳材料，细长杆442可以预加载压力，该压力在升高的温度下不会卸载。换句话说，使用热膨胀系数消除了现有技术中使用弹簧的需要，该弹簧随着时间的推移会发生机械故障。还示出了柔性石墨(grafoil)垫圈460、石墨块461、不锈钢开口环463、不锈钢止动器464、不锈钢螺栓465、电泄漏检测器466、陶瓷电绝缘件470和陶瓷毛填料473，它们以本领域技术人员已知的常规方式在本领域中惯常地使用。

因此，显然，根据本发明提供的熔融金属泵完全满足上述目的、目标和优点。虽然已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但是很明显，许多替换、修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的，就像前面的描述一样。因此，旨在包含所有这些落入所附权利要求的精神和广泛范围内的替换、修改和变化。

Claims (23)

1.一种熔融金属泵柱，包括:

由耐热的第一材料制成的细长杆；

至少部分地包围细长杆的内部构件，其中内部构件由第二材料制成；和

其中细长杆由于细长杆和内部构件之间的热膨胀系数的差异而是可操作的，该热膨胀系数的差异产生压缩力。

2.根据权利要求1所述的熔融金属泵柱，其中细长杆的第一材料在室温下不提供压缩力，而在高于500摄氏度的温度下提供压缩力。

3.根据前述权利要求中一项所述的熔融金属泵柱，其中细长杆的第一材料包括钢或钢合金。

4.根据前述权利要求中一项所述的熔融金属泵柱，其中内部构件的第二材料包括钨和/或钛。

5.根据权利要求4所述的熔融金属泵柱，其中细长杆在室温下预加载有张力，并且在大约500摄氏度的温度下不卸载。

6.根据前述权利要求中任一项所述的熔融金属泵柱，其中热膨胀系数的差异至少为0.001852百万分之一/摄氏度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的熔融金属泵柱，其中热膨胀系数的差异至少为0.011109百万分之一/摄氏度。

8.根据权利要求1所述的熔融金属泵柱，其中细长杆包括碳-碳。

9.根据权利要求8所述的熔融金属泵柱，其中细长杆在室温下预加载有张力，并且在大约500摄氏度的温度下不卸载。

10.根据权利要求8所述的熔融金属泵柱，还包括联接到细长杆的不锈钢法兰。

11.根据前述权利要求中任一项所述的熔融金属泵，还包括外部护套。

12.根据权利要求11所述的熔融金属泵，其中内部构件设置在杆和外部护套之间。

13.一种用于将相关联的熔融金属泵柱附接到熔融金属泵的部件的组件，组件包括杆，杆具有容纳细长耐火元件的第一端和至少部分地被内部构件包围的相对端，其中该组件利用热膨胀来产生压缩力。

14.根据权利要求13所述的组件，其中杆包括钢或钢合金。

15.根据权利要求13或14所述的组件，其中内部构件包括钨和/或钛和/或碳-碳。

16.根据权利要求13、14或15所述的组件，其中由至少为0.001852百万分之一/摄氏度的热膨胀系数的差异产生压缩力。

17.根据权利要求13、14、15或16所述的组件，其中由至少为0.011109百万分之一/摄氏度的热膨胀系数的差异产生压缩力。

18.根据权利要求13所述的组件，还包括外部护套。

19.根据权利要求18所述的组件，其中内部构件设置在杆和外部护套之间。

20.根据权利要求15所述的组件，其中内部构件包括碳-碳和填料材料，例如陶瓷纤维，用于减少内部构件在外部大气中的暴露。

21.一种熔融金属泵柱，包括:

由耐热的第一材料制成的细长杆；

至少部分地包围细长杆的内部构件，其中内部构件由第二材料制成；和

其中细长杆由于细长杆和内部构件之间的热膨胀系数的差异而是可操作的，该热膨胀系数的差异产生压缩力。

22.根据权利要求21所述的熔融金属泵柱，还包括盖和基座。

23.根据权利要求22所述的熔融金属泵柱，其中盖可拆卸地联接到基座。