專利名稱：用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使氣體散布到熔融金屬中，更具體地，涉及用于使細(xì)碎的氣泡均勻地散布到熔融金屬中的技術(shù)設(shè)備。
背景技術(shù)：
在處理熔融金屬的過程中，有時需要用氣體來處理金屬。例如，為了去除諸如氫氣、非金屬摻雜物、以及堿金屬的不需要的組分，通常將諸如氮和氬的生產(chǎn)氣體(process gas)導(dǎo)入到熔融鋁和熔融鋁合金中。加入熔融金屬中的生產(chǎn)氣體與不需要的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以將這些不需要的組分轉(zhuǎn)化成能夠容易地與剩余的熔融金屬區(qū)分開的形式(諸如沉淀物或渣滓)。為了達(dá)到最佳效果，有必要使生產(chǎn)氣體與不需要的組分有效化合。這種效果要求氣體散布在盡可能小的氣泡中，并且要求氣泡均勻地分布在熔融金屬中。當(dāng)需要去除氫氣時，生產(chǎn)氣體氣泡允許氫原子擴(kuò)散到氣泡中并且形成氫分子。然后氣泡上升至氫能夠被釋放到大氣或渣滓相(dross phase)或熔劑覆蓋層中的表面。如本文中所使用的，所提及的“熔融金屬”應(yīng)被理解成表示受氣體凈化作用的任何金屬，諸如鋁、銅、鐵及其合金。而且，術(shù)語“氣體”應(yīng)被理解成表示對與其相混合的熔融金屬有凈化作用的任何氣體或氣體的混合物，包括氬、氮、氯、氟里昂等。迄今為止，都是由諸如噴頭的固定件或者由多孔擴(kuò)散消聲器通過噴射使氣體與熔融金屬相混合。這種技術(shù)存在可能出現(xiàn)氣體沒有充分地散布到熔融金屬中的缺陷。為了使氣體充分地散步到熔融金屬中，通常使用旋轉(zhuǎn)式噴射器，該旋轉(zhuǎn)式噴射器提供了對氣泡的剪切作用并且表示攪動/混合生產(chǎn)氣體與液態(tài)金屬。盡管存在組合旋轉(zhuǎn)式/噴射式的裝置，但仍然存在一定問題。組合式裝置通常表現(xiàn)出較弱的混合作用。有時出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象或者引起圍繞其中裝有熔融金屬的容器的內(nèi)部運動的渦流。通常，這些裝置散布得氣泡太大或者氣泡沒有均勻地分布在熔融金屬中。一種已知現(xiàn)有裝置的一個問題是其使用具有可能被渣滓或異物堵塞的通道的推進(jìn)器。大多數(shù)現(xiàn)有裝置都是很昂貴的、復(fù)雜的，并且僅可用于一類熔融金屬精煉系統(tǒng)。經(jīng)常遇到的其他問題是由于氧化、腐蝕、或者機(jī)械強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致裝置的使用壽命較短。后面這些利害關(guān)系在鋁的情況下尤其麻煩，因為旋轉(zhuǎn)式/噴射式裝置通常由石墨制成，而石墨經(jīng)受正在進(jìn)行的氧化并且被熔融鋁腐蝕掉。因此，起初執(zhí)行得很好的裝置通常很快被氧化并腐蝕掉，從而使它們的混合效率及氣體散布效率迅速降低；在嚴(yán)重的情況下，可能出現(xiàn)完全的機(jī)械故障。本文中所公開的特殊推進(jìn)器被證實是非常有效的。該推進(jìn)器呈具有鋒利的角及多個凹槽的長方形棱柱體的形式，其提供了特別有效的混合作用。

發(fā)明內(nèi)容
在第一實施例中，一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器包括具有頂面和底面以及四個側(cè)壁的長方形棱柱體本體。該本體具有穿過頂面和底面延伸的開口，并且圍繞頂面上的開口限定出輪轂。推進(jìn)器還包括從輪轂徑向向外延伸的多個細(xì)長凹槽。每個凹槽都具有與凹槽的最大尺寸平行的縱向軸線。每個凹槽都設(shè)置在頂面上，并且縱向軸線與開口的半徑共線。根據(jù)另一個實施例，一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器包括推進(jìn)器本體，該推進(jìn)器本體包括第一面；與第一面隔開的第二面；在第一面與第二面之間延伸的側(cè)壁；以及在第一面與第二面之間延伸穿過本體的開口。推進(jìn)器還包括從第一面朝向第二面延伸到本體內(nèi)且終止于第二面上方的多個凹槽。每個凹槽都從推進(jìn)器本體的中心部分延伸至側(cè)壁。每個側(cè)壁都與至少兩個凹槽相交。根據(jù)另一個實施例，一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器包括第一面； 與第一面隔開的第二面；在第一面和第二面之間延伸的側(cè)壁；以及在第一面與第二面之間延伸穿過本體的開口。推進(jìn)器還包括從第一面朝向第二面延伸到本體內(nèi)且終止于第二面上方的多個凹槽，并且沿著每個凹槽的最長尺寸限定出對稱軸。每個凹槽的橫截面面積沿著對稱軸線的大部分基本不變。


圖1是裝有熔融金屬的容器的橫截面圖，氣體散布裝置已浸入其中；圖2是圖1的散布裝置的放大圖，所示推進(jìn)器和軸是分開的關(guān)系；圖3是圖2的推進(jìn)器的透視圖；圖4-圖14是測試的其他推進(jìn)器的視圖(圖4和圖6是平面圖，剩余的是透視圖)；圖15是描繪了對于90標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時圖3-圖14中所示推進(jìn)器所需的最小速度(RPM)的圖表；以及圖16是描繪了圖3-圖14中所示推進(jìn)器的氧去除的相關(guān)等級的圖表；
具體實施例方式本申請結(jié)合參考第4，898，367號美國專利和第5，143，357號美國專利。本發(fā)明涉及一種更有效的推進(jìn)器。裝置10能夠用在各種環(huán)境中，在此將描述一個典型的裝置。參考圖1-圖3，一種根據(jù)本發(fā)明的噴氣裝置大體上由參考標(biāo)號10表示。裝置 10適于浸入到裝有熔融金屬12的容器14中。容器14設(shè)有可拆裝的蓋16，以防止過多的熱量從熔融金屬12的上表面損失。容器14能夠被設(shè)置成各種形狀，諸如立方形或圓柱形。 為了本描述，容器14將被描述為圓柱形，其內(nèi)徑由圖1中的字母D表示。對于非圓柱形的應(yīng)用，字母D將標(biāo)識出限定容器14的平均內(nèi)徑的尺寸。裝置10包括推進(jìn)器20和軸40。推進(jìn)器20和軸40通常由石墨制成，尤其是如果被處理的熔融金屬是鋁。如果使用石墨，則優(yōu)選地應(yīng)該被鍍層或者通過其他處理來抗氧化和抗腐蝕。對石墨部分的氧化和腐蝕處理在商業(yè)上已實踐過，并且能夠從諸如俄亥俄州、梭倫市、極光路31935、郵編44139的Metaullics Systems的來源處得到。
如圖1中所示，軸40是一細(xì)長件，其剛性地連接至推進(jìn)器20并且通過設(shè)置在蓋16 中的開口 22延伸到容器14外。如圖3中所示，推進(jìn)器20呈具有頂面24、底面26、以及側(cè)壁28、30、32、34的長方形棱柱體的形式。推進(jìn)器20包括穿過底面26開口的排氣口(gas discharge outlet) 36。在優(yōu)選實施例中，排氣口 36(圖1)組成螺紋開口 38的一部分，該螺紋開口穿過推進(jìn)器20延伸，并且其穿過頂面24和底面26開口。如同側(cè)壁28、32和側(cè)壁 30,34,面24,26近似地彼此平行。面24,26以及側(cè)壁28、30、32、34都是平面，這些平面限定出鋒利的、成直角的角39。如圖2和圖3中所示，側(cè)壁30、34具有由字母A標(biāo)識出的寬度，而側(cè)壁28、32具有由字母B標(biāo)識出的深度。推進(jìn)器20的高度，即，頂面24與底面26之間的距離由字母C表示。優(yōu)選地，尺寸A近似地等于尺寸B，并且尺寸C近似地等于尺寸A的三分之一。與上述尺寸存在偏差也是可行的，但是當(dāng)尺寸A與尺寸B彼此近似相等(推進(jìn)器20在平面圖中是正方形的)時，并且當(dāng)角39是鋒利的且近似成直角時，將獲得最佳性能。而且，角39應(yīng)該在底面26上方近似垂直于底面26延伸至少一段較短距離。如所示的，角39近似垂直于底面26直至它們與頂面24相交。盡管不希望，但是有可能頂面24會大于或小于底面26，或者頂面24相對于底面26會歪斜；在任何一種情況下，角39都不會近似垂直于底面26。當(dāng)角39嚴(yán)格垂直于底面26時獲得最佳性能。還有可能推進(jìn)器20在平面圖中是三角形的、五邊形的、或者多邊形的，但是認(rèn)為除長方形、正方形棱柱體以外的任何形狀都表現(xiàn)出降低了剪切氣泡和混合氣泡的性能。如果有可能，尺寸A、B、和C還應(yīng)當(dāng)與容器14的尺寸有關(guān)。具體地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)推進(jìn)器20位于容器14內(nèi)的中心并且尺寸A與D之比在1 6至1 8的范圍內(nèi)時，推進(jìn)器20執(zhí)行得最好。盡管推進(jìn)器20會在幾乎任何尺寸或形狀的容器14中充分運作，但是前述關(guān)系是優(yōu)選的。推進(jìn)器20還具有延伸穿過推進(jìn)器20的頂面24及底面26的中心延伸的螺紋開口 38。推進(jìn)器20還包含中心部分或輪轂50，其在頂面的中心構(gòu)成頂面24的一部分。從輪轂 50 徑向向外地延伸有多個凹槽 52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74。凹槽 52、54、56、 58、60、62、64、66、68、70、72、74 設(shè)置在頂面 24 上。凹槽 52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、 72,74中的每個都包括一對相對的平行側(cè)壁76。每個凹槽都從輪轂延伸至相應(yīng)的側(cè)壁，并且相應(yīng)的凹槽在側(cè)壁上開口。在所述實施例中，每個側(cè)壁都與三個凹槽相交。如從對圖3的分析中顯而易見的，凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74 從頂面24延伸至推進(jìn)器20的本體內(nèi)，并且這些凹槽具有與頂面和底面26隔開且大致與之平行的下表面。凹槽52、54、56、58、60、62、64、66、68、70、72、74相對于彼此以大致相等的角度設(shè)置，即，任何給定凹槽都等距離地設(shè)置在相鄰凹槽之間。此外，凹槽52、54、56、58、60、 62、64、66、68、70、72、74包括縱向軸線L(其也是對稱軸線)，這些縱向軸線彼此成一條直線并且從一側(cè)延伸至相對一側(cè)(兩個凹槽一條軸線，每個凹槽位于螺紋開口 38的相對一側(cè))。 縱向軸線L平行于每個凹槽的最大尺寸并且與螺紋開口 38的半徑共線(即，穿過螺紋開口的中心延伸)。每個凹槽的最外端(遠(yuǎn)端)的垂直于縱向軸線的橫截面都大致是正方形或長方形的。每個凹槽在其最內(nèi)端(近端)都被倒圓。垂直于縱向軸線的橫截面面積從凹槽的遠(yuǎn)端至倒圓的近端起始處保持不變。橫截面面積在大于縱向軸線長度的大部分上保持不變。
回過來參考圖2，軸40包含細(xì)長的圓柱形中心部分42，螺紋上端44和下端46從該中心部分伸出。軸40包含縱向延伸的孔48，其穿過螺紋部分44、46的端部開口。軸40 可以由石墨線材坯(rod stock)加工成，或者由商業(yè)上可獲得的熔劑管或噴氣管、僅通過在管的每端加工出螺紋而制成。一種典型的適用于本發(fā)明的熔劑管具有2. 875英寸的外徑、 0. 75英寸的孔徑、以及取決于容器的深度的長度。如圖中所示，下端46被旋擰到形成在輪轂50的開口 38中，直到圓柱形部分42所限定的臺肩接合頂面24。使用粗牙螺紋(2. 5-4英寸螺距，通用命名標(biāo)準(zhǔn))便于制造和組裝。如果需要，軸40可通過不同于螺紋連接的技術(shù)剛性地連接至推進(jìn)器，諸如，如果需要， 強(qiáng)化連接的膠合或釘住。螺紋端44連接至旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)(未示出)，并且孔48連接至氣體源(未示出)。 當(dāng)將推進(jìn)器20浸入到熔融金屬中并且通過孔48抽吸氣體時，氣體將通過開口 36以大氣泡的形式排出，這些大氣泡沿著底面26向外流動。當(dāng)軸40旋轉(zhuǎn)時，將使推進(jìn)器20旋轉(zhuǎn)。假設(shè)氣體具有比熔融金屬低的比重，隨著氣泡離開側(cè)壁28、30、32、34的下邊緣，它們將上升。 最后，氣泡將接觸鋒利的角39。氣泡將被剪切成細(xì)碎的氣泡，這些氣泡將被向外拋出并且完全與在容器14中攪拌的熔融金屬12混合。在熔融金屬12是鋁并且處理氣體是氮或氬的特定情況下，軸40應(yīng)該在每分鐘200-400轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。因為有四個角39，故每分鐘剪切邊緣將有800-1600轉(zhuǎn)。通過使用根據(jù)本發(fā)明的裝置，大量細(xì)碎氣泡形式的氣體能夠被抽吸到熔融金屬12 中，并且如此抽吸的氣體借助于本發(fā)明的推進(jìn)器將具有較長的氣泡停留時間。裝置10能夠以1至2立方英尺/分(Cfm)的標(biāo)稱流速流暢地抽吸氣體而不會堵塞。裝置10在散步氣體以及使氣體與熔融金屬12混合方面是非常有效的。本發(fā)明是非常廉價且易于制造的，并適用于所有類型的熔融金屬旋轉(zhuǎn)精煉系統(tǒng)。裝置10不需要精確加工、復(fù)雜的零件，因此它具有更好的抗氧化性和抗腐蝕性、以及提高的機(jī)械強(qiáng)度，所有這些都提供了更長的使用壽命。 因為推進(jìn)器20和軸40對于熔融金屬12呈現(xiàn)固體表面，所以沒有可以被渣滓或異物阻塞的孔或者通道。當(dāng)裝置10被用作氣體散布器的時候，希望將推進(jìn)器20放置得相對靠近其中設(shè)置有裝置10的容器的底部。盡管以具有一定程度特殊性的優(yōu)選形式描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解的是，對優(yōu)選實施例的公開僅僅是通過實例的方式，并且在不背離如下文中所要求的本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍的情況下可以做出各種改變。旨在使本專利被所附權(quán)利要求中的恰當(dāng)表述所覆蓋， 而無論與專利新穎性相關(guān)的特征是否存在于本發(fā)明所公開的內(nèi)容中。實例部分執(zhí)行下列測試條件7jC箱 48" X 48" X 31"轉(zhuǎn)子與地面保持4〃氧傳感器用于測量損耗每次測試后抽回空氣，以使氧含量具有相同的起始點氮用于在除氣(degas)期間取代氧標(biāo)準(zhǔn)條件
RPM 250、325、400流速(scfh) 30、60、90
權(quán)利要求
1.一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器，所述推進(jìn)器包括具有頂面和底面以及四個側(cè)壁的長方形棱柱體本體，所述本體具有穿過所述頂面和底面延伸的開口，并且所述本體圍繞所述頂面上的開口限定出輪轂，所述推進(jìn)器還包含從所述輪轂徑向向外延伸的多個細(xì)長凹槽，每個凹槽都具有與所述凹槽的最大尺寸相平行的縱向軸線，并且所述縱向軸線與所述開口的半徑共線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，至少兩個凹槽的縱向軸線與所述開口的直徑成一直線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，每個凹槽都等角度地間隔設(shè)置在相鄰凹槽之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，所述推進(jìn)器本體包括至少五個凹槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的推進(jìn)器，其中，所述推進(jìn)器本體包括至少12個凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，每個凹槽的縱向軸線與所述開口的半徑成一直線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，所述開口是帶螺紋的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，每個凹槽的垂直于所述縱向軸線的橫截面面積沿著所述縱向軸線的大部分基本不變。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中，在組合時，細(xì)長的可旋轉(zhuǎn)軸連接至所述推進(jìn)器，所述軸從所述推進(jìn)器的一個面伸出并且具有第一端和第二端，所述第一端被構(gòu)造成連接至相關(guān)的氣體源，而所述第二端被接收在所述推進(jìn)器中的開口內(nèi)，所述軸具有縱向延伸的孔，以便與所述推進(jìn)器中的開口流體連通，從而使待散布到熔融金屬中的氣體能夠通過所述軸傳送，并且沿著所述推進(jìn)器的底面?zhèn)魉偷剿鐾七M(jìn)器外。
10.一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器，所述推進(jìn)器包括推進(jìn)器本體，所述本體包括第一面；與所述第一面隔開的第二面；在所述第一面與所述第二面之間延伸的側(cè)壁；以及在所述第一面與所述第二面之間延伸穿過所述本體的開口，所述推進(jìn)器還包含從所述第一面朝向所述第二面延伸到所述本體內(nèi)且終止于所述第二面上方的多個凹槽，每個凹槽都從所述推進(jìn)器本體的中心部分延伸到側(cè)壁，其中每個側(cè)壁都與至少兩個凹槽相交， 在組合時，細(xì)長的可旋轉(zhuǎn)軸連接至所述推進(jìn)器，所述軸從所述推進(jìn)器的一個面伸出并且具有第一端和第二端，所述第一端被構(gòu)造成連接至相關(guān)的氣體源，而所述第二端被接收在所述推進(jìn)器中的開口內(nèi)，所述軸具有縱向延伸的孔，以便與所述推進(jìn)器中的開口流體連通，從而使待散布到熔融金屬中的氣體能夠通過所述軸傳送，并且沿著所述推進(jìn)器的底面?zhèn)魉偷剿鐾七M(jìn)器外。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的推進(jìn)器，其中，所述本體具有長方形棱柱體的構(gòu)造。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的推進(jìn)器，其中，每個側(cè)壁都與至少三個凹槽相交。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的推進(jìn)器，其中，每個側(cè)壁都與具有垂直于所述側(cè)壁的對稱軸線的凹槽相交。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的推進(jìn)器，其中，所述第一面平行于所述第二面。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的推進(jìn)器，其中，每個凹槽都包括對稱軸線以及沿著所述對稱軸線的大部分基本不變的橫截面面積。
16.一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器，所述推進(jìn)器包括推進(jìn)器本體，所述本體包括第一面；與所述第一面隔開的第二面；在所述第一面與所述第二面之間延伸的側(cè)壁；以及在所述第一面與所述第二面之間延伸穿過所述本體的開口，所述推進(jìn)器還包含從所述第一面朝向所述第二面延伸到所述本體內(nèi)且終止于所述第二面上方的多個凹槽，每個凹槽都從所述推進(jìn)器本體的中心部分延伸到側(cè)壁，并沿著每個凹槽的最大尺寸限定對稱軸線，每個凹槽的橫截面面積沿著所述對稱軸線的大部分基本不變，在組合時，細(xì)長的可旋轉(zhuǎn)軸連接至所述的推進(jìn)器，所述軸從所述推進(jìn)器的一個面伸出并且具有第一端和第二端，所述第一端被構(gòu)造成連接至相關(guān)的氣體源，而所述第二端被接收在所述推進(jìn)器中的開口內(nèi)， 所述軸具有縱向延伸的孔，以便與所述推進(jìn)器中的開口流體連通，從而使待散布到熔融金屬中的氣體能夠通過所述軸傳送，并且沿著所述推進(jìn)器的底面?zhèn)魉偷剿鐾七M(jìn)器外。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的推進(jìn)器，其中，每個凹槽都具有封閉的近端和敞開的遠(yuǎn)端， 所述近端呈弧形。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的推進(jìn)器，其中，每個側(cè)壁與至少兩個凹槽相交。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于使氣體散布到熔融金屬中的推進(jìn)器，本推進(jìn)器包括具有頂面和底面以及四個側(cè)壁的長方形棱柱體本體，本體具有穿過頂面和底面延伸的開口，并且本體圍繞頂面上的開口限定出輪轂，本推進(jìn)器還包含從輪轂徑向向外延伸的多個細(xì)長凹槽，每個凹槽都具有平行于該凹槽的最大尺寸的縱向軸線，并且縱向軸線與開口的半徑共線。
文檔編號C21C7/072GK102212703SQ201110104308
公開日2011年10月12日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者倫納德·D·盧茨, 戴維·內(nèi)夫, 理查德·S·亨德森, 詹姆斯·格雷森 申請人:派瑞泰克有限公司