背景

本公開內容涉及用于精煉熔融鋁合金的設備和方法。本公開發現了結合熔劑注入組件的特別應用，該熔劑注入組件被配置為當熔融鋁合金流過槽時將熔劑引入熔融鋁合金，并且將特別參考對其進行描述。然而，應當理解，本示例性實施方式也適于其它類似的應用。

熔融金屬，諸如鋁和鋁合金，包括期望在精煉期間除去的痕量的雜質。在已知的精煉工藝中，鋁在爐內熔化，并且然后轉移到用于金屬形成的鑄造機。鋁通常通過槽從爐轉移到鑄造機。熔融鋁在入口處流入槽中并流過槽從而以基本上連續的方式在出口處離開。在許多情況下，槽包括旨在除去熔融鋁內的至少一部分雜質的脫氣處理組件和/或過濾器。一些雜質包括溶解的氫氣，諸如氧化物、碳化物、硼化物、氧化鋁、氧化鎂等粒子以及諸如溶解的堿金屬(鈉(Na)、鋰(Li)和鈣(Ca))等各種其它元素。這些雜質可在鑄造工藝中和在成品的特性上引起不期望的效果。

處理工藝通常利用被配置為在熔融鋁內引入熔劑的熔劑注入機構。通常，熔劑包含氯氣或氯氣與諸如氬氣等惰性氣體的混合物，當它們結合時，已知它們幫助從熔融鋁中除去雜質。一種熔劑的此類示例是由華盛頓斯波坎市的派羅特克有限公司(Pyrotek,Inc)銷售的PROMAG_TM。已知氯氣和氯鹽有效地將堿金屬轉化為在惰性氣體的幫助下聚結并上升到熔融材料的表面的鹽。特別地，氫氣擴散到惰性氣體氣泡中并且當粒子在氣泡周圍聚結并上升到熔融鋁合金的頂部時被除去。熔劑和雜質形成渣滓或被周期性撇去或在下游過濾器中捕獲的廢物副產物。通常，隨著渣滓除去氯和/或氯鹽。然而，在諸如由于環境損害和處理負擔的這些的應用中一直存在消除使用氯氣的壓力。

在美國專利No.3,767,382中公開了一種在線熔劑注入機構，其利用氯和/或氯鹽公開了一種已知的精煉鋁的方法。另外，在美國專利No.8,025,712中公開了一種用于在線鋁處理的設備和工藝，其通過引用并入本文。這些機構公開了用于精煉熔融鋁和熔融鋁合金的工藝，其利用包括至少一個分配器的各種室，該分配器具有附接至葉輪的細長旋轉軸。當熔劑通過旋轉軸或在旋轉軸處排出并且在室內通過葉輪分布時，葉輪適于在熔融鋁內旋轉。葉輪和旋轉軸特別用于以足以在熔融合金內提供熔劑的廣泛分布從而與其中雜質的高百分比進行化學相互作用的方式將熔劑分布在熔融合金內，同時利用最小量的氯氣或氯鹽。雜質然后上升到熔融鋁合金的表面并且可以被除去。

技術實現要素：

根據本公開的一個方面，提供了用于在熔融材料流過槽時精煉熔融材料的熔劑注入器組件，其中熔融材料的至少一部分為鋁。該熔劑注入器組件包括具有中空本體和分配輪緣的細長分配桿，其被配置為允許熔劑和/或惰性氣體經過中空本體，并且在熔融材料流過槽時通過分配輪緣將熔劑和/或惰性氣體注入到熔融材料內。具有底部邊緣的擋板被配置為定位在相關聯的槽中的熔融材料內，以允許熔融材料在擋板的底部邊緣下方流動。細長分配桿定位在相對于擋板的下游位置。分配輪緣和底部邊緣放置在熔融材料內，其中熔融材料的流動速率當熔融材料穿過細長分配桿的分配輪緣時增加，以將熔劑注入并混合在熔融材料內。

在一個實施方式中，細長分配桿的分配輪緣包括沿著分配輪緣向內定位的至少一個凹口。該配置允許較低的氣流或氣壓通過分配輪緣，從而減小從分配輪緣分布的氣泡的尺寸，從而減小沿著熔融材料的表面的湍流量。該配置幫助將熔劑與熔融材料混合。

在另一個實施方式中，分配桿被放置在與槽流體連通的擋板或室的上游。分配輪緣被定位在熔融材料內，并且熔劑分布在擋板的上游位置處。當熔融材料流經擋板時，熔劑與熔融材料混合。

在另一個實施方式中，提供了將熔劑混合在熔融材料的流內的方法。在熔融材料的流內提供具有中空內部和分配輪緣的細長分配桿。將分配桿的分配輪緣定位成鄰近在熔融材料的流內的擋板并位于其下游。在當熔融材料的流流經擋板而受到操縱時，將熔劑引入分配桿以通過分配輪緣使之離開。將熔劑分布到已經由擋板操縱的熔融材料的流內，以增加熔劑的分布面積，從而當熔劑混合在熔融材料的流內時改善熔劑的混合。

在另一個實施方式中，細長分配桿的分配輪緣包括沿著分配輪緣向內定位的至少一個凹口，以幫助將熔劑分布到熔融材料的流內。

在另一實施方式中，熔劑注入器組件包括與細長分配桿相關聯的渦流產生轉子。

附圖的簡要說明

圖1是根據現有技術的具有擋板和旋轉式分配器的在線金屬處理系統的透視圖；

圖2是根據本公開的用于當熔融鋁合金流過槽時精煉熔融鋁合金的熔劑注入器組件的橫截面圖；

圖3是根據本公開的熔劑注入器組件的一個實施方式的橫截面平面圖；

圖4是根據本公開的熔劑注入器組件的另一個實施方式的橫截面平面圖；

圖5是根據本公開的熔劑注入器組件的又一個實施方式的橫截面平面圖；

圖6是根據本公開的熔劑注入器組件的另一個實施方式的橫截面平面圖；

圖7是根據本公開的用于在熔融鋁合金中混合熔劑的方法的流程圖；

圖8是根據本公開的熔劑注入器殼體的平面圖；

圖9A是根據本公開的圖6的熔劑注入器組件的另一個實施方式的橫截面側視圖；

圖9B是根據本公開的圖9A的熔劑注入器組件的橫截面仰視圖；以及

圖10A是其中已添加轉子的熔劑注入組件的另一個實施方式的橫截面平面圖；以及

圖10B是示例性轉子的俯視平面圖。

具體實施方式

現在將詳細參考本公開的實施方式，本公開的示例在附圖中示出。只要可能，相同的附圖標記將用于指示相同的部件或零件。為了本說明書的目的，本文所述的各種實施方式中的類似方面將由類似的附圖標記表示。類似的特征可以為了清楚而利用具有撇號(')或雙撇號(”)的附圖標記來描述，并且本說明書不限于所描述的特征的組合。然而，要理解的是，各種方面的結構在各種實施方式中可以不同。

為了本公開的目的，術語“熔融材料(molten material)”將用于描述鋁或包括鋁的合金、已經熔化成熔融形式的其它金屬元素或合金的混合物，并且不限于其中所包括的各種元素。如本文所用的術語熔融材料包括至少一部分鋁。

參考圖1，示出了由專利No.US 8,025,712所公開的現有技術實施方式，其包括用于引入熔劑以精煉熔融材料的設備910。設備910包括槽950和一系列可旋轉分配器960，其中至少一個分配器在擋板974的下游。槽是熔融金屬轉移流槽，其包括上游入口954和下游出口956。槽950適于允許熔融材料從入口流動到出口。通常，該槽將熔融材料從被配置為將鋁材料熔化成熔融金屬合金的爐轉移到鑄造機構，以將熔融材料形成為期望形狀。

每個可旋轉分配器960需要驅動機構，諸如電動機，其用于將可旋轉運動傳送到浸沒在熔融材料的流內的葉輪。如上所述，可旋轉分配器960連接到氣體的供應源，該氣體經過每個分配器960的旋轉軸961而與通過旋轉葉輪的內部通道的熔融材料混合。擋板972、擋板974和擋板976定位在一系列可旋轉分配器960的上游和/或下游的各個位置處，以允許材料在下方和周圍流動并幫助將浮動廢物副產物(稱為渣滓)局限在材料的表面處?？梢灾芷谛缘爻ピ?，因為擋板防止渣滓穿過下游并污染附接至出口的過濾器或污染固化的最終產品。值得注意的是，當槽從由擋板972和擋板976限定的室的入口和出口延伸時，可旋轉分配器960位于由擋板972、擋板974和擋板976分隔的各個室內。

參考圖2-圖3，根據本公開提供了用于在熔融材料105流過槽110時精煉熔融材料的熔劑注入射器組件100。槽110被配置為通過入口115從爐(未示出)或其它源接收熔融材料105，并且轉移熔融材料以在出口120處離開。

熔劑注入殼體125被配置為將熔劑材料存儲、測量和分布到至少一個細長分配桿130，以被注入到槽110內的熔融材料105中。殼體125可以是如本領域已知的直接聯接到分配桿130的加壓型或重力供給型的熔劑注入機構。由圖8示出一個示例性熔劑注入殼體125。熔劑注入殼體125可以被配置為將單獨的熔劑或熔劑與惰性氣體的組合引入到細長分配桿130中。

分配桿130包括在第一端135處聯接到殼體125的細長中空本體并且具有被配置為放置在熔融材料105的流內的相對的第二端140。分配桿130可以由陶瓷材料、耐火材料、無縫合金鋼管制成，或者可以由石墨材料制成。桿130可以涂覆在搪瓷涂層中并且具有抵抗與熔融材料、熔劑或其它氣體結合的光滑表面。

分配桿130允許熔劑132經過中空本體，并且當熔融材料流過槽110時通過分配輪緣145注入到熔融材料105中。分配輪緣145位于分配桿130的第二端140處并且能夠以與熔融材料的流相互作用的各種幾何實施方式進行配置，以改善其中的熔劑132分布。

組件100包括擋板150，該擋板被配置為定位在槽110內，并且浸沒在熔融材料105的流內。擋板150被配置為當熔融材料的流流過槽110并穿過擋板150時操縱熔融材料的流。細長分配桿130位于相對于擋板150的下游位置處。擋板可以具有協助操縱熔融材料105的流的各種取向。

在一個實施方式中，分配桿130與擋板150間隔第一距離D1。第一尺寸D1可以小于10英寸，并且更特別地小于8英寸。在一個實施方式中，第一尺寸在3英寸和5英寸之間。然而，該尺寸可以根據槽110和擋板150的配置以及槽內的材料流的高度和材料的質量流率或速度而變化。

在一個實施方式中，擋板150包括大致平面取向，具有浸沒在熔融材料的流內的底部邊緣155。在該配置中，底部邊緣155距離槽110的底部112為第二尺寸D2，這樣使得熔融材料的流在其穿過擋板150時被操縱。第二尺寸D2可以小于5英寸，并且更特別地小于3英寸。在一個實施方式中，第二尺寸在0.5英寸和3英寸之間。然而，該尺寸可以根據槽110的尺寸和配置以及分配輪緣145相對于擋板150的位置而變化。在某些實施方式中，D1比D2的兩倍小，或者D1比D2的1.5倍小，或者D1基本上等于D2。

在另一個實施方式中，擋板150可以延伸槽110的寬度。該配置允許熔融材料的流至少鄰近擋板150和分配輪緣145的位置變成大致湍流的。該大致湍流的特定軌跡是相對于熔融材料在擋板150的上游(從入口115)的大致層流而言。受操縱的熔融材料的流穿過分配桿130的分配輪緣145，并且在材料流內提供熔劑132的更大分布。

分配輪緣145被放置在離槽110的底部112的第二距離D2處，這樣使得分配輪緣145與擋板150的底部邊緣155大致對準。在該配置中，分配輪緣145和底部邊緣155被放置在熔融材料內，其中熔融材料的流動速率當其穿過細長分配桿130的分配輪緣145時增加和/或被操縱。該配置增加了當熔融材料被注入通過分配桿130時熔融材料內的熔劑分布。

在圖4的實施方式中，示出了根據本公開的熔劑注入器組件100'的另一個實施方式。在該實施方式中，擋板150'可以被配置為在槽110內延伸并且包括至少一個孔165。擋板150'可以鄰接底部112或者接近鄰接槽110的底部112，這樣使得熔融材料的流至少部分地通過至少一個孔165。在該配置中，熔融材料的流在其通過孔165時被操縱，使得受操縱的流穿過分配桿130的分配輪緣145?？梢源嬖诙鄠€孔165或單個孔165，并且一個或多個孔165可以限定圖案或具有各種幾何配置，諸如狹縫、十字、圓形、弓形或任何多邊形形狀，這樣使得熔融材料的流在其通過至少一個孔165時被操縱。該配置允許受操縱的熔融材料在其中注入熔劑132時穿過分配輪緣145，以在熔融材料的流流過槽110時增加熔融材料的流內的熔劑分布。

在一個實施方式中，細長分配桿130和擋板150從覆蓋件170延伸。覆蓋件170支撐桿130和擋板150，以確保保持輪緣145相對于底部邊緣155或孔165的特定取向。殼體125也被支撐在覆蓋件170上，這樣使得熔劑132可以通過分配桿130從殼體125重力供給。另外，覆蓋件165定位在槽110之上，以允許輪緣145和擋板150的底部邊緣155浸沒在期望位置中的熔融材料的流內，以確保如本文所公開的那樣操縱流動。

在另一個實施方式中，細長分配桿130可以相對于擋板150以大致垂直的方式對準。然而，分配桿130和擋板150兩者可以交替地在上游或下游方向上成角度，只要熔融材料的流在其穿過槽110內的分配輪緣145時被操縱。

另外，分配輪緣145可以包括有助于將熔劑132分布在熔融材料的流內的各種幾何形狀。在一個實施方式中，分配輪緣145包括沿著桿130向內延伸的凹口160。另選地，分配輪緣145可以包括多個凹口160，每個凹口沿著桿130向內延伸。該配置允許較低的氣流或氣壓通過分配輪緣，從而減小熔劑132或氣泡當其從分配輪緣分布時的尺寸，從而減小沿著熔融材料105的表面114的湍流量。該配置幫助將熔劑132與在已經由擋板150操縱后的熔融材料混合。至少一個凹口160可具有各種形狀，諸如半圓形、三角形、橢圓形或多邊形形狀。

由本公開預期了分配輪緣145的各種其它形狀和配置。特別地，分配輪緣145可以包括成角度的取向，其中輪緣145的橫截面相對于桿130的中心軸線大致成角度。另外，輪緣145還可以包括各種突起，諸如張開的唇緣、徑向凸緣或各種形狀的翼片。可選地，輪緣145還可以包括以狹縫的形狀變平的橫截面開口。如由本公開所預期的，輪緣145的各種形狀和取向有助于以減少沿著表面的流動的湍流的方式注入熔劑，并且提供當熔融材料的流由擋板150操縱時在熔融材料的流內的熔劑和/或氣體的更均勻分布的混合物。因此，桿130不需要是可旋轉的。

圖5示出了根據本公開的熔劑注入器組件100”的另一個實施方式。在該實施方式中，分配桿130”設置在擋板(未示出)的上游。在該實施方式中，分配桿130”包括分配輪緣145”，該分配輪緣被放置在熔融材料的流的表面下方的位置處的熔融材料105的流內并且位于朝向出口120與槽110流體連通的附加精煉過濾器或脫氣組件或可旋轉分配器(未示出)的上游。分配輪緣145”位于熔融材料105內，處于相比槽110的底部112而言更靠近熔融材料105的表面114的位置并且熔劑132分布在該位置中。在該實施方式中，分配輪緣145”在任何其它組件或擋板的上游位置處。當熔融材料105流經分配輪緣145”并進入其它脫氣組件或穿過擋板時，熔劑132與熔融材料105混合。

圖6示出了組件100”'的另一個實施方式。分配桿130”'設置在擋板180的下游。在該實施方式中，分配桿130”'包括分配輪緣145”'，該分配輪緣被放置在熔融材料的流的表面114下方的位置處的熔融材料105的流內并且位于朝向出口120與槽110流體連通的任何附加精煉過濾器、脫氣組件或可旋轉分配器(未示出)的上游。分配輪緣145”'位于熔融材料105內的淺位置處，處于相比槽110的底部112而言更靠近熔融材料105的表面114的位置并且熔劑132分布在該位置中。當熔融材料105流經分配輪緣145”'并流向任何其它脫氣組件、可旋轉分配器、后續室或附加下游擋板時，熔劑132與熔融材料105混合。

另外，在圖9A和9B所示的實施方式中，分配桿130”'和分配輪緣145”'在可以被考慮在精煉系統組件300的第一室310內的位置處。此類精煉系統組件的一個示例是可從華盛頓斯波坎市的派羅特克有限公司獲得的精煉系統組件。然而，本公開不受限制，因為其它系統或組件可以與當前公開的組件100”'的特征組合。值得注意的是，槽110與精煉系統組件300流體連通，并且熔融材料105流經擋板150并進入精煉系統組件300的第一室310。當熔劑132被引入其中時，熔融材料穿過分配桿130”'和分配輪緣145”'。熔融材料和熔劑流經第一室310內的第一可旋轉分配葉輪330，并且利用第二可旋轉葉輪340轉移到第二室320。熔劑132從第一旋轉葉輪330和第二旋轉葉輪340上游的分配桿145”'注入。另外，在該實施方式中，第一室310的底部350低于槽110的底部112，由此熔融材料向下流動并流過第一室310和第二室320之間的開口360。該布置進一步操縱熔融材料的流并且提供熔劑在其中的附加混合。

這些組件100、100'、100”、100”'可以與現有技術中已知的各種其它脫氣組件組合。特別地，組件可以定位在至少一個擋板或可旋轉分配器的上游，該至少一個擋板或可旋轉分配器包括被配置為在熔融材料的流內提供熔劑或惰性氣體的葉輪。另外，多個分配桿130可以提供在組件100內。多個分配桿130可以附接至殼體125或具有用于計量和在其中提供熔劑和/或惰性氣體的附加殼體125。另外，組件100可以在槽110內使用，該槽包括以各種方式中斷熔融材料的流的各種部分和幾何形狀。此外，組件100可以提供在離各種類型的熔融材料過濾器的上游位置處。特別地，組件100”的分配桿130”可以被放置在本領域通常已知的附加精煉系統組件(諸如可從華盛頓斯波坎市的派羅特克有限公司獲得的精煉系統組件)的上游。

圖7是公開將熔劑混合在熔融鋁合金的流內的方法的流程圖。在步驟200中，將細長分配桿提供在槽110內。桿130具有中空內部，其中分配輪緣浸沒在熔融材料的流內。在步驟210中，將分配桿130的分配輪緣145定位成鄰近于熔融材料的流內的擋板150并位于其下游。在步驟220中，將熔劑引入分配桿130以通過分配輪緣145離開。

設計參數可以基于關于當熔融材料經過槽110時熔融材料的速度和體積的一些考慮。特別地，熔融材料的流在擋板150的上游位置處通常是層流的。在步驟230中，熔融材料的流在其流經擋板時被操縱，并且在槽110內穿過擋板150后變成大致湍流的。該大致湍流特別地位于分配輪緣145附近。分配輪緣145的位置定位在擋板150的下游并且在底部邊緣155附近，這樣使得大致湍流在分配輪緣145下方穿過。在步驟240中，將熔劑分布到在已經由擋板150操縱后的熔融材料的流內，以當熔劑混合在熔融材料的流內時增加熔劑的分布面積。

細長分配桿的分配輪緣145包括沿著分配輪緣向內定位的至少一個凹口160，以幫助將熔劑分布到熔融鋁合金流內。

參考圖10A和圖10B，本公開進一步預期鄰近細長分配桿130增加轉子400。特別地，轉子400可以經由軸402懸掛在熔融材料105中。軸402以本領域中常規的任何方式配合到馬達404。有利地，由于經由軸402不需要引入熔劑/惰性氣體，因為該功能由細長桿130執行，馬達404和軸402之間的機械配合不太復雜和昂貴，并且可以更堅固。馬達404的操作導致軸402和轉子400同時旋轉。可以預料，轉子400可以幫助通過細長桿130引入的熔劑材料的分散。特別地，轉子400可以定位成鄰近細長桿130，處于促進在熔劑進入熔融材料的區域中形成渦流406的位置。如本文所使用的，術語渦流旨在反映熔融材料的旋轉，其具有與槽內的剩余熔融材料的流動運動不同的取向。轉子可以定位在細長桿的上游，這樣使得當渦流行進通過分配輪緣145時，渦流延伸到熔融材料的流中。可選地，在某些實施方式中，可以期望轉子和相關聯的渦流被定位在細長桿的下游。作為進一步預期的替代方案，可行的是，軸和葉輪組件可被配置為穿過細長桿。

轉子可以具有適于產生渦流的任何形狀。有利地，可以不需要傳統脫氣設備的復雜轉子設計。例如，圖10B的螺旋槳樣式可以容易地由石墨或耐火陶瓷構造并且通過機械加工或鑄造形成。

已經描述了本公開的各種實施方式。顯然，在閱讀和理解前面的詳細描述之后，人們將想到一些修改和改變。本公開旨在將實施方式解釋為包括所有此類修改和改變，只要它們落入所附權利要求或其等同物的范圍內。