專利名稱：用于高溫操作的流化床氣體分配系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于鑄件砂芯的脫膠和清除以及金屬部件的熱處理和清除金屬部件上的有機污染物的方法和裝置，特別涉及一種使用裝有改進流化氣體分配器的流化床爐子的改進方法和裝置。
背景技術(shù)：
在把黑色和有色金屬鑄造成部件時，鑄件由在模子中澆鑄熔化黑色或有色金屬而成。當鑄件中有孔或通道時，根據(jù)該孔或通道的形狀用鑄模砂和粘結(jié)料制成砂芯后定位于模子中合適位置上。然后通常圍繞砂芯一部分或大部分把熔化金屬注入模子和砂芯之間空間中。金屬固化后打開模子，取出鑄件。在大多數(shù)情況下，必需清除形成在鑄件中的砂芯。
作為參考材料包括在此的美國專利No.5,423,370描述了一種流化床爐子，它采用根據(jù)使用與制作砂芯相同類型的流態(tài)型砂的熱工藝清除鑄件中的砂芯。該專利還說明了使用該流化床爐子對鋁鑄件進行熱處理。
在用鑄造之外的其他方法制成黑色和有色金屬部件的情況下，流化床在重大商業(yè)應(yīng)用中作為重要處理方法用于部件的熱處理和清洗以及實現(xiàn)其他目的。例如參見作為參考材料包括在此的美國專利No.4,512,821、4,524,957和4,547,228。
為達到流化固體床所需溫度和滿足所進行具體過程的能量以及附加的系統(tǒng)熱量損耗，有若干公知方法把能量輸入流化床爐子中。輸入流化床爐子系統(tǒng)中的能源一般為電或例如天然氣或燃油的燃料。
一般用下列方法之一或其組合把能量從能量源傳給流化固體床方法1如圖1所示，在輸入爐子前把流化氣相加熱到流化固體床操作溫度以上的溫度。當高溫流化氣體經(jīng)流化氣體分配風口輸入流化床時它提供所需能量輸入。這稱為“直接加熱”。
方法2如圖2所示，一般通過埋置在流化固體床中的加熱管子或通過容納流化固體床的容器壁從圍繞該壁的加熱罩的與流化固體床接觸的傳熱表面?zhèn)鬟f能量。這種能量輸入方法稱為“間接加熱”。
方法3如圖3所示，把氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)燃料直接注入流化固體床內(nèi)部(即流化固體床頂面下方)的同時燃燒該燃料。
一般根據(jù)經(jīng)濟因素選擇能量源。能量傳給流化床的方法的選擇一般取決于爐子的幾何結(jié)構(gòu)和所涉及工藝應(yīng)用的特性。這種選擇一般由埋置部件要求的氣相環(huán)境決定。
在所處理產(chǎn)品不可與典型燃料的燃燒產(chǎn)物接觸的場合下，能量傳給流化床的方法必須限于用方法2間接加熱流化床和/或間接加熱流化床以提高其溫度后使用方法1直接加熱流化床。
在這些情況下，無法使用方法3把燃料直接注入流化固體床中，因為流化固體床中的燃燒氣體會降低產(chǎn)品品質(zhì)。
在典型燃料的燃燒產(chǎn)物可接觸部件而不造成品質(zhì)下降并且爐子中的流化固體的操作溫度高于燃料的點火溫度從而無需關(guān)心確保固體流化床中的燃料的完全燃燒的情況下，從經(jīng)濟因素出發(fā)一般使用圖3所示方法3。在圖3中，該裝置直接注入燃料和燃燒空氣。在如許多重要商業(yè)應(yīng)用中那樣把空氣用作流化氣體的情況下，由于流化空氣中有燃燒所需氧氣，因此無需直接注入燃燒空氣。只須把燃料供應(yīng)給流化床。
在進行金屬部件的熱處理的大多數(shù)情況下，需要小心控制流化氣體的組成。由于這一需要，從這些應(yīng)用的上述考慮因素出發(fā)，一般不使用方法3。
對于鋁鑄件的砂芯脫膠和鋁鑄件和其他鋁部件的熱處理這些非常重要的應(yīng)用場合，這些工藝的操作溫度為約550℃。此溫度低于天然氣和其他燃料的燃點，從而從安全和/或用于安全實施方法3的保護裝置的成本方面考慮，常常不使用方法3。
因此在涉及鋁鑄件和其他鋁部件的處理和金屬的熱處理的重要商業(yè)應(yīng)用中，一般考慮使用方法1和2。
方法1一般是使用流化氣體加熱器向流化固體床提供所需能量以便提高流化氣體溫度的成本較低的方法。用該方法把能量傳給流化固體床的最大流率受爐子流化氣體分配風口系統(tǒng)在機械上所能承受的最高溫度和不造成流化固體過多地由流化氣體挾帶出爐子的流化速度的限制。
如圖1所示，一般使用氣體加熱器提高流化氣體的溫度，然后將該高溫流化氣體輸入該床的分配風口。當流化固體的氣相中可接受燃燒產(chǎn)物時，流化氣體加熱器可直接燃燒燃料，或者，當流化氣相中不可接受燃燒產(chǎn)物時，可用燃料或電間接加熱流化氣體加熱器。
使用方法1的主要缺點是在需要以高流率把能量輸入給氣體流化的固體的場合下，流化氣體的溫度必需顯著高于流化固體床的溫度。
此高溫流化氣體使得流化固體在流化氣體排放風口附近的溫度比床平均溫度高得多。如果所處理部件接近或接觸風口，此高溫在某些情況下會損壞該部件。
舉例說，在處理鋁金屬部件時，一般流化床爐子可在500℃下對流化固體床中的部件進行溶液退火，流化氣體溫度為約815℃。如果一鋁部件與流化氣體風口接觸或靠近，該部件就會熔化或嚴重變形。此外，一般會有從所處理部件上脫落的刮屑、碎片落到流化床爐子底部后隨著時間的推移累積起來。當這些碎片累積到風口處或接觸風口時就會熔化并逐漸包圍風口而檔住氣流。
本發(fā)明改進的流化氣體分配器在流化氣體從風口排出前降低其溫度，從而消除風口附近的局部高溫區(qū)，消除部件在風口附近的熔化或變形問題。
本發(fā)明是一種把能量輸入流化床的新的改進方法，可用于流化氣相中可以或不可接受能源燃燒產(chǎn)物的各種場合并與流化固體床的溫度是否高于或低于用作能量源的燃料的燃點溫度無關(guān)。
本發(fā)明通過將方法1和方法2的某些概念結(jié)合在新穎的配置中來實現(xiàn)上述優(yōu)點，為此用間接傳熱加熱流化固體，然后用從該氣體分配結(jié)構(gòu)排出的流化氣體進行直接加熱。此結(jié)構(gòu)特別有利于熱處理金屬部件、清洗金屬部件、清除鑄件上的砂芯和閉合模子，而且在流化床爐子的某些流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中也是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括在用流化氣體分配器中流動的高溫流化氣體把能量供應(yīng)給高溫流化床爐子或反應(yīng)器時克服典型流化氣體分配器的缺點的方法和裝置。該改進的氣相分配器涉及安裝在固體流化床中并把高溫流化氣體傳給等距分布在構(gòu)成該流化固體的顆粒狀流化固體床的底部中一高度上的管子陣列。這些分配風口與該管子陣列底部連接并與構(gòu)成該陣列的管子鄰接。這些風口向下排放高溫流化氣體，使得流化床現(xiàn)象在風口排放點高度上或其稍下方開始。
該結(jié)構(gòu)確保管子陣列位于流化開始上方的一高度上從而位于流化固體床中。從而由于流化固體的總體上高傳熱性能造成大量間接熱量從分配管道中的流化氣體經(jīng)該陣列的管壁傳入流化床。這間接傳熱造成從風口分配器排放的氣相溫度低于供應(yīng)給管子陣列的流化氣體的溫度。從而使得流化床在分配風口附近的底部的溫度更均勻。
此氣相分布的發(fā)明減小或消除了分配風口附近的會損壞靠近流化床爐子底部的所處理部件的高溫區(qū)并可充分發(fā)揮帶有涉及高溫流化氣體的直接加熱能量傳送機構(gòu)的流化床爐子的好處。
該氣相分配結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，風口向下排放減小了固體經(jīng)風口氣相排放孔進入管子陣列中的可能性。


圖1是使用高溫流化氣體把能量傳入流化固體床的典型流化床爐子的示意圖。
圖2是使用間接加熱把能量傳入該床的典型流化床爐子的示意圖。該圖示出使用容納流化床的容器壁傳熱的加熱罩以及間接加熱管進行間接加熱。加熱罩一般用于較小爐子，此時容器壁面積相對流化床容積足以傳遞所需能量輸入。加熱管的數(shù)量取決于滿足該工藝所需傳送率所需間接傳熱面積的數(shù)量。圖2還示出可選用的流化氣體加熱器增進一步補充流化固體床的傳送率。
圖3是把燃料直接注入流化床中以把能量傳入床中的典型流化床爐子結(jié)構(gòu)的示意圖。在該結(jié)構(gòu)中，燃料一般為例如天然氣的氣體或例如燃油的液體。該爐子裝有包括風口的分配板。
圖4是裝備有本發(fā)明改進的流化床氣體分配系統(tǒng)以便在典型砂芯去脫膠中處理部件和熱處理鋁鑄件和其他金屬的典型流化床爐子的示意圖。
圖5是該改進的流化氣體分配器的俯視圖和側(cè)視圖。
圖6是改進的流化氣體分配器的向下排放風口的側(cè)視剖面圖和俯視圖。
圖7是裝備有直接在該流化氣體分配器的管子陣列中點火的直接點火正位移燃燒器的改進的流化氣體分配器的局部剖視側(cè)視圖。
圖8是該改進的流化氣體分配器在大規(guī)模鋁鑄件砂芯脫膠應(yīng)用中的實施例的側(cè)視剖面圖，其中鑄件的傳送是在重復(fù)循環(huán)的基礎(chǔ)上進行的。
具體實施例方式
下面參見各附圖，在這些附圖中，相同部件用同一標號表示，圖4示出高溫流化床爐子10的用來處理金屬部件的典型結(jié)構(gòu)。該爐子裝備有流化床氣體分配器12。該氣體分配器詳細示出在圖5中，向下排放風口14示出在圖6中。
在本發(fā)明中，高溫流化氣體用圖4、5和6所示的管于陣列16在爐子10中分布在一水平面中。由于從位于分配管子陣列16下方的風口14排放流化氣體，因此固體開始流化的高度位于管子陣列16下方。因此，整個管子陣列16具有將其整體圍住的流化固體床18，從管子陣列16到氣體流化固體的床的熱傳送率得益于與氣體流化固體接觸的傳熱表面與流化固體本身之間的高傳熱系數(shù)。在涉及鑄造砂粒的應(yīng)用中，傳熱系數(shù)一般為20-100BTU/hr.ft2°F。
參見圖4，高溫流化氣體20從爐容器壁24一側(cè)上的進口22進入管子陣列16并流到與供應(yīng)管22鄰接的該陣列的連接管16。該管子陣列16示出在圖5中。參見圖5，高溫流化氣體從進口22進入。該氣流一般流入管子陣列的主管26和分管28后從向下排放風口32的孔流出。該氣相然后在流化床中一般向上轉(zhuǎn)彎。圖6示出向下排放風口32的實施例。
由于從管子陣列16到固體流化床18的高對流熱傳送率，因此從風口32排出的流化氣體的溫度從其進口22處的溫度降低到大大接近流化床溫度的溫度。
因此輸入流化固體的能量分為在管子陣列16中流動的高溫氣體經(jīng)管壁34靠對流間接傳遞給固體流化床的能量以及剩余能量通過將流化氣體直接引入流化固體來傳遞到流化固體中。
增加管子陣列16的傳熱面積即可把從風口32排出的流化氣體的溫度降低到足以防止在風口附近的部件遭損壞的流化床溫度。
此外，由于風口32安裝成方向向下，因此可方便地在管子陣列頂部上安裝格柵或篩網(wǎng)而不干擾從風口32排出的均勻流動圖案以防止鑄造材料碎片落入風口附近阻塞氣流的排放或防止例如鋁的部件低熔點金屬部件被風口排放氣流過高的溫度所軟化或熔化。
圖4和8示出本發(fā)明優(yōu)選實施例，但也可有其他結(jié)構(gòu)實現(xiàn)此設(shè)計方法的好處。圖4特別示出少量處理，此時負載從一般位于爐子頂部的裝載門36裝入。
圖7示出本發(fā)明優(yōu)選實施例，在該實施例中，部件可接觸燃料燃燒氣相而不損壞。在這種情況下，經(jīng)濟的優(yōu)選實施例是如圖所示把正位移燃燒器38直接裝入該氣體分配陣列中。
圖8特別示出大量處理，此時用傳輸機40在該爐子系統(tǒng)中連續(xù)傳輸各部件。
參考圖8，示意表示出用本發(fā)明方法進行大量生產(chǎn)操作的砂芯清除的連續(xù)或半連續(xù)熱工藝。這是本發(fā)明應(yīng)用的典型例子。也可用其他結(jié)構(gòu)的流化床爐子和/或機械傳輸機實施該應(yīng)用。
流化床爐子42裝有連續(xù)傳輸機40，該傳輸機可為鏈型，也可為其他一般類型的傳輸機。該傳輸機傳輸?shù)趸@或夾具44，吊籃或夾具可保持鑄件46并將其單個或成組地在爐子42中均勻地連續(xù)或周期性(半連續(xù))移動，移動的線速度調(diào)節(jié)成使部件46在爐子中停留所需時間。
部件從可自動打開和關(guān)閉的門50進入該爐子、通道48。門50關(guān)閉后，下一個門52打開，從而吊籃或夾具46可離開通道48進入爐子內(nèi)部54。門50和52在傳輸機40把籃子或夾具經(jīng)爐子連續(xù)傳輸?shù)匠隹谕ǖ?6時交替打開和關(guān)閉。
部件從門58離開爐子進入出口通道56。
吊籃或夾具44進入出口通道56后，門58關(guān)閉，門60打開，從而吊籃或夾具可離開通道56，鑄件可傳送到下一個處理步驟，或者，如這一過程只涉及砂芯脫膠，則傳送到卸載區(qū)，在卸載區(qū)從吊籃或夾具上取下鑄件46。門58和60在傳輸機40把籃子或夾具連續(xù)移出爐子時交替打開和關(guān)閉。
爐子42包括流化固體床62，在該優(yōu)選實施例中流化固體是其組成和大小范圍與用來制作在該爐子中清除的砂芯的鑄砂相同的鑄砂。流化固體的高度選擇成傳輸機40在進口端斜向向下然后是水平段然后在出口端斜向向上，使得裝有部件46的吊籃或夾具44以受控速度通過流化固體床。
產(chǎn)生粒狀固體流化床的流化空氣一般是用鼓風機64鼓入的環(huán)境空氣，氣流經(jīng)空氣加熱器66加熱后經(jīng)分配管道68流入形成改進的空氣分配系統(tǒng)的管子陣列16，從而把流化空氣傳送到方向向下的風口32后傳入流化床62中，使得空氣均勻分布在流化固體中，從而使粒子懸浮，在分配管子陣列底下一高度形成流化固體現(xiàn)象。
加熱的流化空氣經(jīng)形成改進的流化空氣分配系統(tǒng)的管子陣列16的壁34的對流傳熱，然后在由于對流傳熱而溫度下降后從向下排放風口32的孔30直接流入流化固體床，此時隨著其溫度降低到流化固體床的溫度把其余能量傳給流化固體，從而還提供把流化固體保持和控制在砂芯脫膠所需溫度下所需的能量。
因此，使用這種改進的流化空氣分配系統(tǒng)，由于經(jīng)管子陣列16間接對流傳熱，流化固體在風口附近的溫度比不使用本創(chuàng)新性改進時低。由于從風口32排出的流化空氣的溫度降低，鑄件或部件由于靠近風口而損壞的問題以及從鑄件上脫落的碎片落到爐子底部被從風口排出的高溫流化空氣熔化的問題都得以消除。
為實現(xiàn)粘合劑的熱分解，鋁鑄件在爐子42中的溫度和停留時間一般為450-550℃和20-90分鐘，具體溫度和停留時間取決于所處理部件的幾何形狀和大小。
砂芯中流入流化床中的鑄砂經(jīng)溢流管70排出爐子后經(jīng)收集、冷卻、有時過篩后以備再次使用。
流化氣體從流化固體床62經(jīng)管道72流出爐子后流過廢氣處理系統(tǒng)2 4，廢氣處理系統(tǒng)一般包括清除粒子的旋風機和氧化砂芯粘合劑熱分解中的揮發(fā)有機碳(VOC)化合物的后燃燒器，然后流過抽風機，該抽風機把流化床爐子42保持在一般小于0.5英寸w.c.的稍稍負壓下，使得流化氣體流出該爐子系統(tǒng)。
當要求在砂芯脫膠后進行溶液退火熱處理步驟時，圖2所示同一系統(tǒng)可同時用于這兩個步驟，只是必需把流化床爐子42加長到足以實現(xiàn)這兩個處理步驟所需停留時間。
在模擬本發(fā)明方法的試驗操作中進行下列涉及汽車發(fā)動機鋁制部件的應(yīng)用部件鋁鑄件/發(fā)動機組發(fā)動機組每一發(fā)動機組195kg砂模和砂芯重量每一發(fā)動機組內(nèi)外45kg發(fā)動機組編號/測試2砂芯脫膠條件溫度500℃
停留時間90分鐘環(huán)境流化固體/鑄砂熱處理條件溫度500℃停留時間5小時該時間包括90分鐘的砂芯脫膠。這兩個操作在同一爐子中相繼進行。
淬火在鑄砂流化固體床中迅速淬火到200℃。使用水冷卻盤管冷卻流化固體。
時效在流化床時效爐子中時效，溫度為230℃，歷時3小時，周圍空氣冷卻到60℃。
熱處理結(jié)果發(fā)動機組的Brinell硬度達到93-109。
應(yīng)該指出，以上公開的方法優(yōu)選實施例只是例示性的，本領(lǐng)域典型技術(shù)人員可在后附權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)作出種種修正。
權(quán)利要求
1.一種流化床反應(yīng)器或爐子中的氣相分配器，包括一把流化氣體經(jīng)多個風口排放到一顆粒狀固體流化床中的氣相管子陣列，這些風口連接和裝配在管子陣列下方，使得顆粒狀固體在管子陣列下方一垂直高度上流化，從而造成高溫流化氣體在從風口流入流化床前經(jīng)管子陣列間接加熱流化床。
2.如權(quán)利要求1所述的氣相分配器，其特征在于，來自管子陣列經(jīng)管子陣列的流化氣體底部中的開口排出。
3.如權(quán)利要求2所述的氣相分配器，其特征在于，其還包括氣相分配器供氣管線中的熱交換器，該熱交換器位于流化氣體分配開口一垂直高度上方并浸沒在流化固體中，從而高溫流化氣體在經(jīng)氣體分配器開口流入流化床前間接傳熱以便將能量傳給流化固體。
4.如權(quán)利要求1所述的氣相分配器，其特征在于，氣態(tài)燃料與空氣燃燒生成高溫燃燒氣體產(chǎn)物，該氣體產(chǎn)物流過該流化床爐子中的管子陣列并經(jīng)管子陣列把能量傳給流化床爐子，從而降低經(jīng)風口排放到流化床的氣體的溫度。
5.如權(quán)利要求3所述的氣相分配器，其特征在于，氣態(tài)燃料與空氣燃燒生成高溫燃燒氣體產(chǎn)物，該氣體產(chǎn)物流過該流化床爐子中的管子陣列并經(jīng)管子陣列把能量傳給流化床爐子，從而降低經(jīng)這些開口排放到流化床的氣體的溫度。
6.如權(quán)利要求4所述的氣相分配器，其特征在于，該燃料為液態(tài)燃料。
7.如權(quán)利要求5所述的氣相分配器，其特征在于，該燃料為液態(tài)燃料。
8.如權(quán)利要求1所述的氣相分配器，其特征在于，風口排氣方向在分配管子陣列下方一高度上開始顆粒狀固體的流化以確保管子陣列浸沒在提供管子陣列到流化固體的高傳熱系數(shù)的流化固體中，從而降低流化氣體在從風口排出前的溫度。
9.如權(quán)利要求2所述的氣相分配器，其特征在于，各開口的排氣方向在分配管子陣列下方一高度上開始顆粒狀固體的流化以確保管子陣列浸沒在提供管子陣列到流化固體的高傳熱系數(shù)的流化固體中，從而降低流化氣體在從風口排出前的溫度。
10.如權(quán)利要求9所述的氣相分配器，其特征在于，風口以向下方向傳送流化氣體，從而在停機或流化氣體流率低時便于去除任何進入風口的材料。
11.如權(quán)利要求3所述的氣相分配器，其特征在于，開口以向下方向傳送流化氣體，從而在停機或流化氣體流率低時便于去除任何進入開口的材料。
全文摘要
一種用于鑄件砂芯的脫膠和清除以及金屬部件的熱處理和清除金屬部件上的有機污染物的方法和裝置，該方法和裝置使用具有改進的流化氣體分配器(12)的流化床爐子，該改進的流化氣體分配器以離開流化床(18)中的部件的向下方向排出流化氣體(20)。
文檔編號F27B9/24GK1474716SQ01819101
公開日2004年2月11日 申請日期2001年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月18日
發(fā)明者H·K·斯塔芬, E·P·特賴納, G·魯比諾, H K 斯塔芬, 擾, 特賴納 申請人:普羅斯迪尼公司