背景技术
[0001] 本
发明涉及一种用于使诸如
铝的金属废料(metal scrap)
熔化的设备和改进的方法。然而本公开不限于使用铝，而是与所有熔融金属相关。
[0002] 铝废料可分为两个大类。第一类废料包括大的部件(诸如内燃引擎部件)，其通常为自浸没的。第二类废料称为轻质废料，诸如碎片式食物和饮料容器或者加工碎屑和填料。轻质废料难于浸没并且因此难于熔化。
[0003] 用于轻质废料的常规熔化系统具有这样的问题，即，漂浮的废料可堵住熔化池，从而严重干涉工艺的效率。这种常规系统还导致大量浮沫形成以及由漂浮的铝废料(其转
化成堵塞在浮沫中的
氧化物和无铝金属)引起的熔化损失废渣。除了废渣熔化损失，大量浮沫需要下游更密集的处理来分离这些物料，以便提供纯金属。
[0004] 美国
专利第4,128,415号公开了一种用于使金属废料在熔融介质中熔化的系统，其包括截面为大体柱形且具有上部和下部的壳体。金属废料被引入到包含在壳体的上部中的熔融的熔化介质的本体中。通过位于下部中的蜗壳将熔融的熔化介质的供应部添加至壳体的上部中。熔融的熔化介质通过
叶轮的作用而被供应或添加，该叶轮位于下部中并且安装在穿过上部延伸的
驱动轴上。为了将熔融的熔化介质与金属废料混合的目的，将
叶片安装在驱动轴上以通过在熔融的熔化介质的本体中形成涡旋来控制壳体上部中的这个本体和金属废料的流动运动。
[0005] 美国专利第3,997,336号公开了一种用于使金属废料在熔融的熔化介质中熔化的系统，其包括具有上部的壳体，在该上部中，熔化介质和废料被放置在一起以开始熔化。壳体还具有下部，蜗壳位于该下部中。叶轮
定位在壳体的下部中以与蜗壳配合，使得金属废料和熔融的熔化介质基于叶轮的旋转而向下移动并且离开壳体，该叶轮具有中央毂、围绕该毂的周界带以及从
轮毂径向伸出至该带的倾斜叶片。
[0006] 美国专利第4,518,424号公开了一种使金属废料在熔融的熔化介质中熔化的方法。该方法包括在具有上部和下部的壳体中提供熔融的熔化介质的本体的步骤，该下部具有大体柱形的壁截面。将金属废料的供应部添加至壳体并且将熔融的熔化介质的供应部引入到壳体的上部。通过借助位于下部中的叶轮的作用而吸收金属废料并将熔融的熔化介质在壳体中向下引导，使金属废料的熔化开始，叶轮具有扁平的环构件以及刃片，该环构件在其中央具有开口，该刃片从所述环构件延伸至大致圆形的盘构件。
[0007] 美国专利第4,486,228号公开了一种使金属废料在熔融的熔化介质中熔化的方法。该方法包括在具有上部和下部的壳体中提供熔融的熔化介质的本体的步骤，该下部具有大体柱形的壁截面。将金属废料的供应部添加至壳体并且将熔融的熔化介质的供应部引入到壳体的上部。通过借助位于下部中的叶轮的作用而吸收金属废料并将熔融的熔化介质在壳体中向下引导，使金属废料的熔化开始，叶轮具有扁平的环构件以及刃片，该环构件在其中央具有开口，该刃片从所述环构件延伸至大致圆形的盘构件。废料和熔化介质沿着轴向方向进入环构件中的开口，并且通过使用刃片而在径向方向上推进该废料和熔化介质。叶轮定位在柱形壁截面中，这样使得至少有与其配合的环构件使废料和熔化介质从上部移动穿过叶轮，而同时基本上避免了壳体内的熔融的熔化介质向上部的再循环。
[0008] 美国专利第4,437,650公开了一种用于使金属废料的相对大的漂浮单元在熔融的熔化介质或媒介中熔化的设备，所述单元具有氧化物膜以及固态、液态和气态包含物。在所述单元被装填到熔融介质中之后，新熔化的金属层被提供给熔融介质。该设备包括用于加热熔融介质的池，以及用于将介质从加热池
泵送至圆形池的装置以用于接收金属废料的大单元。
[0009] 美国专利第4,286,985号(通过引证将其公开内容结合于本文中)公开了一种用于吸收和熔化除了趋于漂浮在熔融的熔化介质表面上的金属废料之外的金属废料的涡旋熔化系统。该方法包括提供熔化介质的供应部以及将介质从供应部引导至接收器的上部(该接收器在其下部中具有出口开口)的步骤。当介质流出下开口时，熔化介质进入接收器的流动在接收器中产生介质的
涡流。熔化介质的流向接收器的量以及下开口的尺寸使得将预定
水平的介质保持在接收器中。
[0010] 美国专利6,036,745；6,074,455；以及6,217,823也描述了金属废料浸没设备。通过引证将这些专利中的每一个结合于本文中。
发明内容
[0011] 根据第一
实施例，提供了一种金属废料浸没设备，该设备包括顶部敞开的室，该室包括：壁，该壁由耐热材料制成；入口，该入口位于室的
侧壁；出口，该出口位于所述室的侧壁或基部中；以及坡道，该坡道与室的侧壁邻近。侧壁还包括影响熔融金属流的特征。该特征可包括例如
挡板、叶片、通路、分离或汇聚形状及其组合。
[0012] 根据第二实施例，提供了一种金属废料浸没设备，该设备包括顶部敞开的室，该室包括由耐热材料制成的壁。室包括位于侧壁中的入口以及位于基部中的出口。坡道包括从室的侧壁延伸的台肩(ledge)。该台肩包括至少大体面向上方的表面，该表面向内或向外倾斜。
[0013] 根据另一实施例，描述了一种金属废料浸没设备，该设备包括顶部敞开的室，该室包括由耐热材料制成的壁，并且描述了位于室的侧壁和基部中的一个的入口。出口位于室的基部中。坡道包括从侧壁延伸的台肩。该台肩包括至少大体面向上方的表面，该表面向内倾斜或向外倾斜。室的侧壁还包括挡板、叶片、与废渣井
流体连通的通路、在与所述坡道邻近的
位置处的直径变化部及其组合中的至少一个。
附图说明
[0014] 图1为传统熔融金属循环炉的示意图；
[0015] 图2为图1中的炉的传统泵送井和装填井的截面图；
[0016] 图3为本发明的装填井的第一实施例的部分截面形式的顶视平面图；
[0017] 图4为图3中的装填井的截面图；
[0018] 图5为本发明的装填井的可替换实施例的截面图；
[0019] 图6为本发明的装填井的另一可替换实施例的截面图；
[0020] 图7为本发明的装填井的第四可替换实施例的截面图；
[0021] 图8为本发明的装填井的第五可替换实施例的截面图；
[0022] 图9为本发明的装填井的第六可替换实施例的截面图；
[0023] 图10为图9中的装填井的顶视平面图；以及
[0024] 图11为其中
修改了装填井形状的另一可替换实施例的截面图。
具体实施方式
[0025] 现将详细参照本发明的各种实施例，在附图中示出了本发明的实例。虽然将结合所示实施例来描述本发明，但应当理解到，这并不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，旨在
覆盖如可包括在由所附
权利要求限定的本发明精神和范围内的所有替换、修改以及等同物。
[0026] 本发明涉及一种废料浸没系统，这种类型的废料浸没系统通常在金属循环工艺(诸如铝的循环)中使用。在金属的循环中，必须使废料件熔化以用于处理和加工。大部分铝废料件是薄壁的，这是由于使这些铝废料件形成的机械成形作用(诸如刨削、镗削和
冷轧)而导致的。使薄壁废料件熔化是特别困难的，这是因为薄壁废料件漂浮在熔融金属上这样的事实严重妨碍熔融金属中的快速浸没。问题是，过多暴露于传统
熔化炉中的不利空气中导致极高的氧化损失。
[0027] 在用于将轻质废料转化为
铸锭(ingot，铸
块)的典型熔化操作中，熔化炉设置有封闭的
炉膛以及连接的敞开的侧井。通常侧井分为泵送井和熔化池。泵或其他熔融金属流导送设备定位在熔化池外部(例如，在泵送井中)，并且导致熔融金属从炉膛流动至熔化池。通常，熔化池还分为装填井和废渣井。金属废料件被供给到熔化池中，特别是被供给到其装填井部件中。在废渣井中将漂浮的废渣从熔融金属的表面除去。
[0028] 现在参照图1，示出了铝循环炉10。炉10包括主炉膛部件12，该主炉膛部件例如通过气体或油体
燃烧器或
现有技术已知的其他装置来加热。与炉膛12邻近且流体连通(通常以拱道的方式浸没)的是主循环区域，该主循环区域包括泵送井14、装填井16和废渣井18。虽然未示出，但炉膛12的壁开向泵送井14，泵送井开向装填井16，装填井开向废渣井
18，并且废渣井开向炉膛12，以允许由箭头示出的循环模式。泵送井可包括对于本领域技术人员而言已知的任何类型的熔融金属泵。可替换地，井和泵可由例如电磁泵替代。熔融金属泵使熔融金属从炉膛12循环至装填井16，其中，待循环的金属的废料碎屑堆积在熔化物的表面上。装填井也是这样的位置，在该位置处可添加额外的金属或助
溶剂以获得期望的
合金。来自装填井16的熔融金属流动到废渣井18中，其中，在熔化物流回到炉膛12中之前将废渣形式的杂质从表面除去。本发明尤其涉及装填井16的改进设计。
[0029] 装填井可包括顶部敞开的室，该室包括由耐热材料构成的壁。该室包括入口以及出口，该入口位于侧壁中(可替换地位于基部中)且与泵送井流体连通，该出口位于室的相对的侧壁中且与废渣井流体连通(然而熔融金属的穿过具有内部管道的室的底壁的出口而形成侧出口是可行的)。通常，室的内部形式可描述为底部或下侧壁入口，具有邻近侧壁而形成的坡道的底部出口。
[0030] 根据第一实施例，坡道可包括从装填井侧壁朝向室中央延伸的台肩。金属废料浸没设备可以这样的方式构建，该方式为将坡道的底部边缘定位在室的邻近入口的基部上。台肩可包括至少大体面向上方的表面。该面向上方的表面可包括与基部接合的第一端部(底部边缘)以及升高到基部上方的第二端部。该面向上方的表面可具有例如介于室直径的5％到33％之间的宽度。因此，如果考虑两个相对的面向上方的表面，则总面积可为
66％。台肩还可包括至少大致水平的壁，该至少大致水平的壁从面向上方的表面的与侧壁相对的边缘延伸至室的基部并有助于限定出口。水平壁可为向内或向外倾斜的。可替换地，面向上方的表面可在与侧壁相对的边缘处将形成出口的内壁接合至该室。壁的顶边缘的高度可与坡道的末端边缘的高度近似相同。
[0031] 根据另一实施例，泵还可包括倾斜表面，该倾斜表面围绕室行进整个360°并且该倾斜表面以一斜度从基部延伸至侧壁从而有效地形成锥形室基部。
[0032] 坡道可螺旋地穿过至少180°、270°、320°或整个室周界。坡道面向上方的表面可包括具有大约5°或10°至15°的斜度的部分。然而，应当理解，坡道围绕室周界的程度可显著变化并且斜度可在坡道的整个尺寸上变化。
[0033] 现在参照图2，示出了图1中的泵送井14和装填井16。泵20定位在泵送井14中并且该泵从炉膛12抽吸熔融铝以迫使其进入装填井16中。更具体地，叶轮22的旋转将熔融铝从池24抽吸到泵20中，并且使其穿过出口26、沿着通路28向上并穿过入口30进入装填井16中。熔融铝在装填井16内沿着坡道32向上流动，溢出内边缘34进入腔体36中并且穿过出口38离开。坡道32的前边缘44可定位成邻近入口30。
[0034] 虽然坡道32为倾斜的是有益的，但这无需通过恒定的倾斜来实现。而是，坡道32可在第一180°部分40上为倾斜的，并且在最后大约120°部分42上保持水平。因此，本发明旨在涵盖倾斜坡道的所有形式。类似地，本发明旨在涵盖覆盖装填井16周界的45°至360°的坡道。然而，坡道通常在180°与270°之间延伸。
[0035] 由于本发明可用作用于重铸现有装填井的部件，所以从图2中可知，该设计包括由耐性材料制成的基部区段46，该基部区段使腔体36升高以提供用于出口38的间隙并且允许熔融金属流动到图1中的废渣井18中。如本领域技术人员所认识到的，循环的金属碎屑堆积到装填井16中的熔化物48的表面上。
[0036] 现在简要参照图2中所示的美国专利6,217,823的废料浸没设备，注意到其示出了高度商业化成功的系统。此外，这里示出的系统已被发现利于熔融铝的高达20,000Ibs./hr.的翻转。显然，炉的使熔融铝在整个炉膛中循环以实现引入废料和期望的合金化合物的能
力与该炉的经济输出直接相关。
[0037] 为了增加炉翻转，熔融金属泵部件(图2)可以较高的RPM运转。类似的，可利用较大的熔融金属泵。然而，已发现，装填井(图2中的16)并不能完全利用这种增大的熔融金属流，这是因为其中形成的涡旋可吸入更多空气，这些空气进而导致增大的熔化物的损失。此外，还发现，通过泵送到装填井中而简单地增大熔融金属输出流不可改进废料浸没，这是因为其可改变其中形成的涡旋的最佳形状。此外，由于典型炉结构中的空间限制，所以使装填井的尺寸增加以安装较大浸没料盆(bowl)以便利用较高泵产量的能力并不总是可行的选择。
[0038] 还已认识到，装填井16在邻近其外壁处具有相对的“死区”。如在本文中使用的，术语死区表示这样的区域，在该区域中，熔融金属在该室内旋转而仅有限的部分进入涡旋和腔体36。死区是有问题的，这是因为其减小了用于所添加废料的有效浸没区域并且其所提供的熔融金属的量不能穿过炉膛而循环，从而降低了
能量效率并且提高了对于系统的BTU要求。
[0039] 现在参照本发明第一实施例，参照图3和图4。在这个实施例中，废料熔化设备100包括由耐热材料102制成的块体，其构建成适于提供与现有装填井(例如图1中的装填井16)的尺寸进行相对紧密的容差配合的尺寸。优选地，块体102由
固化材料(诸如铝-
硅胶耐热材料或对于本领域技术人员而言已知的其他可浇铸的耐热材料)构建。在本发明的优选形式中，铸件本体的表面将在
热处理之前用氮化
硼进行处理。块体102包括：室116，该室具有大体柱形的侧壁118；基部120，该基部包括坡道121，其中，内壁122形成通向出口124的中央定位的腔体123；以及出口管125。坡道121再次起始于与通向室116的入口
126邻近的前边缘127。在这种情况下，入口126包括锥形开口128。
[0040] 在室116的壁上包括有翼或叶片形式的断流挡板302。更具体地，围绕室壁的周界分布有多个挡板302。可想象挡板为连续的、该挡板可包括围绕室的周界均匀或非均匀地间隔开的多个挡板以及该挡板可在室内具有相同或不同高度。一般而言，挡板可具有向下倾斜的下表面，这样使得从室116中央流动的熔融金属被向下引导。可替换地，在室中的熔融金属流主要向上抵靠室115的壁118的情况下，可能理想的是，挡板从其位于壁上的位置朝向其靠近室116中央的端部向下倾斜。类似地，可能理想的是，挡板在其沿着熔融金属在室116内旋转的方向的纵向延伸中向下倾斜。在这方面，挡板的期望特征为在室中向下驱动熔融金属。美国专利6,036,745的挡板提供了一个实例。
[0041] 继而参照图5，已发现提供具有向内倾斜部502的坡道121可有利地有助于通过金属在沿着坡道行进时的向内回折而中断围绕混合室的壁的死区。如在此使用的，向内是指坡道具有与室的侧壁邻近的高边缘以及更靠近室的中央的相对较低的边缘。向外倾斜是指坡道具有相反的定向。向内和向外在整个本公开中可总体上被认为是室的侧壁与室的中央之间的相对位置。
[0042] 继而参照图6，已类似地发现，提供具有向外倾斜部602的坡道可有利地有助于通过金属在沿着坡道行进时的向外回折而中断围绕混合室的壁的死区。更具体地，在图2的设备中为水平的表面126在图5和图6的设计中分别为向内和向外倾斜的。
[0043] 应当注意，坡道的斜度并非必须是连续的。此外，其可在一些区域中倾斜并且在一些区域中保持水平。此外，倾斜的程度可变化。
[0044] 继而参照图7，类似地认为，在邻近于室116的侧壁与坡道121交界(汇聚)的位置处，对室116的侧壁提供向内斜面702可在与室116的外壁邻近的死区中提供有利的温和
湍流。
[0045] 继而参照图8，类似地认为，在邻近于坡道121(分离)的位置处，对室116的侧壁提供向外斜面802可在与室116的外壁邻近的死区中提供有利的温和湍流。此外，参照图7和图8，认为在邻近与坡道121的位置处，对室116的侧壁提供直径变化部可为有利的。直径变化部在室的整个周界上可为连续的或不连续的。
[0046] 虽然侧壁的向内斜面和向外斜面示出为仅在坡道上方延伸一有限的范围，但可构想到，坡度可持续到必要的高度以实现死区中的温和扰动。类似地，注意到，壁的倾斜在壁的整个延伸上并非必须为连续的，其形状和/或斜度也并非必须为恒定的。
[0047] 参照图3至图8，注意到，可利用倾斜的坡道、倾斜的室侧壁和挡板的组合。
[0048] 继而参照图9和图10，被认为可能有利的是，向穿过块体102的相对小的端口902提供进入废渣井18中的直接连通。端口902可在废料熔化设备内的任何高度处，诸如稍高于坡道121的最高边缘。此外，可构想到，端口902可有利于熔融金属从与装填井16的壁邻近的死区转移并在其中产生流动。另外，端口902可改进室与废渣井之间的循环，这进而改进燃烧器向炉膛池的热转移，从而允许熔融金属回到待处于升高的
温度下的装填井。这可减少在装填井中的驻留时间，同时在与装填井中央邻近的位置处保持合适的涡旋。
[0049] 可构想到，图3至图8中的涉及减少外壁死区的特征可被本领域技术人员适当地以任何方式与图9和图10中的排放端口组合。
[0050] 继而参照图11，示出了本公开的包括偏转器(多个偏转器)、通路以及与坡道的交界邻近的成形侧壁的特征可与以可替换的方式成形的坡道联合使用。具体地，具有从室的基部至侧壁的恒定斜度(有效形成锥形)的360°的坡道1002可类似地包括挡板1302、或者向内成形的侧壁1702、或者与废渣井和/或泵送井连通的通路1902。
[0051] 已参照优选实施例描述了示例性实施例。显然，其他人员在阅读和理解前述详细描述之后将可做出修改和替换。旨在将示例性实施例解释为包括所有这样的修改和替换，只要它们落在所附权利要求或其等同物所限定的范围内。
