碎屑浸沒裝置及用于回收金屬碎屑的方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)要求2013年10月15日遞交的美國臨時(shí)申請(qǐng)第61/890, 931號(hào)的優(yōu)先權(quán)， 其公開內(nèi)容通過引證結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及典型地被用在金屬回收工藝（特別地，鋁的回收）中的類型的碎屑 (scrap，廢料）浸沒系統(tǒng)。本示例性實(shí)施例涉及一種具有提高的流速的耐沖擊碎屑浸沒裝 置。
【背景技術(shù)】
[0003] 在金屬的回收中，熔化用于處理和加工的碎屑?jí)K是必要的。作為形成鋁碎屑?jí)K的 機(jī)械成形動(dòng)作（比如，刨削、鏜孔和冷軋）的結(jié)果，大部分鋁碎屑?jí)K是薄壁型的。熔化薄壁 碎屑?jí)K是特別困難的，這是因?yàn)椋╥)更長(zhǎng)地暴露于在傳統(tǒng)熔化爐中的不利環(huán)境中導(dǎo)致極高 的氧化損耗，以及（ii)由于薄壁碎屑?jí)K漂浮在熔融金屬上（"漂浮碎屑"），因此快速浸沒 在熔融金屬中受到嚴(yán)重阻礙。
[0004] 在用于將漂浮碎屑轉(zhuǎn)換成鑄錠的典型熔化操作中，熔化爐設(shè)有封閉的爐膛和連接 的開放側(cè)井。通常，側(cè)井被分成泵井和熔化槽（melting bay)。泵或者其他的熔融金屬流引 導(dǎo)裝置被定位到熔化槽外部（例如，在泵井中），并且導(dǎo)致熔融金屬從爐膛流到熔化槽。典 型地，烙化槽被進(jìn)一步地分成裝料井（chargewell)和烙漁井（drosswell)。金屬碎屑?jí)K被 進(jìn)給到熔化槽中，特別是熔化槽的裝料井部分中。
[0005] 已經(jīng)在熔化槽中（特別地裝料井中）使用各種裝置促使碎屑金屬浸沒在熔融金屬 浴（molten metal bath)的表面下方。存在三個(gè)主要類型的系統(tǒng)。第一類型包括主要由轉(zhuǎn) 子構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)子從頂部表面產(chǎn)生熔融金屬流。在美國專利第3, 873, 305號(hào)；第 3, 997, 336號(hào)；第4, 128, 415號(hào)；和第4, 930, 986號(hào)中示出了這類裝置的實(shí)例。第二類型的 系統(tǒng)使用機(jī)械裝置將碎屑物理地推動(dòng)到烙化表面下方（例如，象腳（elephant feet)/井行 走器（well-walkers))。第三類型的系統(tǒng)在沒有轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)的情況下依賴于室的形狀而產(chǎn) 生使碎屑?jí)K浸沒在裝料井中的金屬流。特別地，進(jìn)入裝料井中的熔融金屬的流以這種方式 控制，該方式使得生成將碎片從頂部表面吸入浴中的渦流。這些系統(tǒng)包括例如美國專利第 3, 955, 970 號(hào)；第 3, 984, 234 號(hào)；第 4, 286, 985 號(hào)；第 6, 036, 745 號(hào)；和第 6, 217, 823 號(hào)，其 中每個(gè)都通過引證結(jié)合于此。本發(fā)明涉及該第三類型的碎屑浸沒系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本公開的多種細(xì)節(jié)在此處被概括以提供基礎(chǔ)的理解。這個(gè)概要不是本公開的寬泛 概述并且既不旨在明確本公開的某些元件，也不旨在描繪其范圍。相反，這個(gè)概要的主要目 的是，在下文中呈現(xiàn)的更詳細(xì)的描述之前，以簡(jiǎn)化的形式呈現(xiàn)本公開的一些概念。
[0007] 根據(jù)第一實(shí)施例，提供了具有頂部開放的室的碎屑浸沒裝置，該開放頂部的室包 括由耐熱材料構(gòu)成的壁。室包括定位在側(cè)壁中或者底壁中的入口和定位在其底部中的出 口?？傮w上，室可以被描述為底入口、底出口設(shè)備。鄰近室的壁形成有斜坡，斜坡在壁上向 上螺旋上升。斜坡包括鄰近該壁的第一邊緣和鄰近內(nèi)柱的第二邊緣。斜坡具有在第一邊緣 和第二邊緣之間的凹表面。
[0008] 根據(jù)第二實(shí)施例，提供了具有頂部開放的室的碎屑浸沒裝置，該頂部開放的室包 括由耐熱材料構(gòu)成的壁。室包括被定位在側(cè)壁中的入口和被定位在其底部的出口?？傮w上， 室可以被描述為底入口、底出口設(shè)備。鄰近室的側(cè)壁形成有斜坡，該斜坡在側(cè)壁上向上螺旋 上升。斜坡從側(cè)壁延伸到限定了出口的內(nèi)柱。該內(nèi)柱包括與室底部相對(duì)地設(shè)置的端壁。該 端壁包括至少一個(gè)圓形邊緣。
[0009] 根據(jù)第三實(shí)施例，提供了包括頂部開放的室的金屬碎屑浸沒裝置，該頂部開放的 室包括耐熱材料的側(cè)壁和底壁。入口包含在室的側(cè)壁或者底壁中，以接收熔融金屬。出口 包含在室的底部中。斜坡從室的側(cè)壁延伸到限定了出口的內(nèi)柱。斜坡包括鄰近側(cè)壁的第一 邊緣和鄰近內(nèi)柱的第二內(nèi)邊緣。斜坡的在第一邊緣和第二邊緣之間的工作表面是凹的。內(nèi) 柱包括與室底部相對(duì)地設(shè)置的端壁。該端壁包括圓形內(nèi)邊緣和外邊緣。
[0010] 根據(jù)另外的實(shí)施例，本公開涉及一種使用在之前段落中描述的裝置的回收金屬 (特別是鋁）的方法。
【附圖說明】
[0011] 本發(fā)明存在于示出和描述的創(chuàng)新部件、構(gòu)造、設(shè)置、組合和改進(jìn)中。附圖被并入并 且構(gòu)成了說明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例并且與說明書一起用于解釋本 發(fā)明的原理。
[0012] 圖1是熔融金屬回收爐的示意性表示；
[0013] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的泵井和裝料井的橫截面圖；
[0014] 圖3是本公開的裝料井的堅(jiān)直截面透視圖；
[0015] 圖4是圖3的裝料井的頂部平面視圖；
[0016] 圖5是圖3的裝料井的（部分以陰影表示）右側(cè)截面圖；
[0017] 圖6是圖3的裝料井的（部分以陰影表示）左側(cè)截面圖；
[0018] 圖7是圖3的裝料井的（部分以陰影表示）水平截面透視圖；以及 [0019] 圖8是來自于本公開的實(shí)例的測(cè)試結(jié)果的圖形化描述。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 現(xiàn)在將詳細(xì)地參考本發(fā)明的示出的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的實(shí)例圖示在附圖中。雖 然本發(fā)明將參考優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，并不旨在將本發(fā)明限制于那 個(gè)實(shí)施例上。相反地，旨在覆蓋可以包含在由后附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)的所有替代、修改和等同物。
[0021] 本發(fā)明涉及典型地用在金屬回收工藝（比如，鋁的回收）中的類型的碎屑浸沒系 統(tǒng)。在金屬的回收中，熔化用于處理和加工的碎屑?jí)K是必要的。作為形成鋁碎屑?jí)K的機(jī)械 成形動(dòng)作（比如，刨削、鏜孔和冷軋）的結(jié)果，大部分鋁碎屑?jí)K是薄壁型的。熔化薄壁碎屑 塊是特別困難的，這是因?yàn)楸”谒樾級(jí)K漂浮在熔融金屬上，因而快速浸沒在熔融金屬中受 到嚴(yán)重阻礙。成問題地，更長(zhǎng)地暴露在傳統(tǒng)的熔化爐中的不利環(huán)境中導(dǎo)致極高的氧化損耗。
[0022] 在用于將輕質(zhì)碎屑轉(zhuǎn)換成鑄錠的典型的熔化操作中，熔化爐設(shè)有封閉的爐膛和連 接的開放側(cè)井。通常，側(cè)井被分成泵井和熔化槽。泵或者其他的熔融金屬流引導(dǎo)裝置定位 到熔化槽外部（例如，在泵井中），并且導(dǎo)致熔融金屬從爐膛流到熔化槽。典型地，熔化槽被 進(jìn)一步地分成裝料井和熔渣井。金屬碎屑?jí)K被進(jìn)給進(jìn)熔化槽中，特別是熔化槽的裝料井構(gòu) 件中。漂浮的熔渣被從在熔渣井中的熔融金屬的表面撇去（skim)。
[0023] 現(xiàn)在參考圖1，描述了鋁回收爐10。爐10包括主爐膛構(gòu)件12,該主爐膛構(gòu)件例如 用氣體燃燒器或者油燃燒器加熱，或者通過本領(lǐng)域中已知的任何其他裝置加熱。鄰接并且 與爐膛12流體連通（典型地通過浸沒的拱道）的是主回收區(qū)域，該主回收區(qū)域包括泵井 14、裝料井16和熔渣井18。雖然沒有被顯示出，但是爐膛12的壁通向泵井14,泵井通向裝 料井16,裝料井通向熔渣井18,并且熔渣井通向爐膛12以允許由箭頭顯示出的循環(huán)模式。 泵井可以包括對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的任何類型的機(jī)械熔融金屬泵?？商鎿Q地， 井和泵可以用例如電磁泵替換。熔融金屬泵使熔融金屬從爐膛12流動(dòng)到裝料井16,在該裝 料井處待回收的金屬的碎屑碎片沉積到熔體的表面上。裝料井也是額外的金屬或者熔劑可 以被加入的位置，以實(shí)現(xiàn)期望的合金。來自于裝料井16的熔融金屬流進(jìn)熔渣井18中，其中 在熔體流回進(jìn)爐膛12之前，熔渣的形式的雜質(zhì)被從表面撇去。本具體公開內(nèi)容涉及裝料井 16的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
[0024] 現(xiàn)在參考圖2,其示出了圖1的泵井14和裝料井16。泵20被定位在泵井14中， 并且泵從爐膛汲取熔融的鋁并使熔融的鋁進(jìn)入裝料井16中。更具體地，葉輪22的旋轉(zhuǎn)將 熔融鋁從浴槽24中汲取出至泵20內(nèi)并且使熔融的鋁穿過出口 26、上行通路28并且穿過入 口 30進(jìn)入裝料井16內(nèi)。熔融的鋁向上流過裝料井16內(nèi)的斜坡32、溢過內(nèi)柱35的內(nèi)邊緣 34而進(jìn)入腔36中，并且通過出口 38離開。斜坡32的前邊緣44可以鄰近入口 30定位。
[0025] 因?yàn)楸景l(fā)明能夠應(yīng)用為改造已有的裝料井的構(gòu)件，所以從圖2中可以應(yīng)當(dāng)注意到 的是該設(shè)計(jì)包括耐火材料的底部部分46,該底部部分升高腔36以提供用于出口 38的間隙， 并且允許熔融金屬流進(jìn)圖1的熔渣井18中。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的一樣，正在被 回收的金屬碎片沉積到裝料井16中的熔體48的表面上。
[0026] 雖然上文中的描述已經(jīng)涉及現(xiàn)有技術(shù)的裝置，但是應(yīng)當(dāng)注意到的是，其中的多個(gè) 特征可同樣地應(yīng)用于本公開中并且因此將與下文中的討論是同等地相關(guān)的。因此，上文中 的描述也被包含到本實(shí)施例的描述中。
[0027] 為了提高爐周轉(zhuǎn)率，熔融金屬泵構(gòu)件（在圖2中）可以被以更高的轉(zhuǎn)速（RPM)運(yùn) 行。類似地，可以使用能夠提供更大流量的更大的熔融金屬泵。但是，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的是裝料 井（圖2中的16)沒有利用該增大了的熔融金屬流的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)楸恍纬捎谄渲械?渦流可能限制流量。而且，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的是，簡(jiǎn)單地增大由泵輸出并且進(jìn)入裝料井的熔融金 屬的流量可能不會(huì)改善碎屑浸沒，這是因?yàn)樵撛龃蟮牧髁靠赡芨淖儽恍纬捎谄渲械臏u流的 最優(yōu)形狀。此外，由于典型的爐結(jié)構(gòu)中的空間限制，增大裝料井尺寸以安裝更大的浸沒碗狀 物（submergence bowl)從而利用更高的泵吞吐量的能力并不總是可行的選擇。因此，本公 開涉及一種獨(dú)特的裝料井結(jié)構(gòu)，該裝料井結(jié)構(gòu)促進(jìn)運(yùn)行相對(duì)更高的熔融金屬泵轉(zhuǎn)速（RPM) 而不會(huì)形成降級(jí)的潤(rùn)流（degraded vortex)。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該獨(dú)特的裝料井結(jié)構(gòu)提供了比