碎屑浸沒裝置及用于回收金屬碎屑的方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求2013年10月15日遞交的美國臨時申請第61/890, 931號的優先權， 其公開內容通過引證結合于此。
技術領域
[0002] 本發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。本示例性實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】
[0003] 在金屬的回收中，熔化用于處理和加工的碎屑塊是必要的。作為形成鋁碎屑塊的 機械成形動作（比如，刨削、鏜孔和冷軋）的結果，大部分鋁碎屑塊是薄壁型的。熔化薄壁 碎屑塊是特別困難的，這是因為（i)更長地暴露于在傳統熔化爐中的不利環境中導致極高 的氧化損耗，以及（ii)由于薄壁碎屑塊漂浮在熔融金屬上（"漂浮碎屑"），因此快速浸沒 在熔融金屬中受到嚴重阻礙。
[0004] 在用于將漂浮碎屑轉換成鑄錠的典型熔化操作中，熔化爐設有封閉的爐膛和連接 的開放側井。通常，側井被分成泵井和熔化槽（melting bay)。泵或者其他的熔融金屬流引 導裝置被定位到熔化槽外部（例如，在泵井中），并且導致熔融金屬從爐膛流到熔化槽。典 型地，烙化槽被進一步地分成裝料井（chargewell)和烙漁井（drosswell)。金屬碎屑塊被 進給到熔化槽中，特別是熔化槽的裝料井部分中。
[0005] 已經在熔化槽中（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。存在三個主要類型的系統。第一類型包括主要由轉 子構成的機械系統，該轉子從頂部表面產生熔融金屬流。在美國專利第3, 873, 305號；第 3, 997, 336號；第4, 128, 415號；和第4, 930, 986號中示出了這類裝置的實例。第二類型的 系統使用機械裝置將碎屑物理地推動到烙化表面下方（例如，象腳（elephant feet)/井行 走器（well-walkers))。第三類型的系統在沒有轉子的旋轉的情況下依賴于室的形狀而產 生使碎屑塊浸沒在裝料井中的金屬流。特別地，進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。這些系統包括例如美國專利第 3, 955, 970 號；第 3, 984, 234 號；第 4, 286, 985 號；第 6, 036, 745 號；和第 6, 217, 823 號，其 中每個都通過引證結合于此。本發明涉及該第三類型的碎屑浸沒系統。

【發明內容】

[0006] 本公開的多種細節在此處被概括以提供基礎的理解。這個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，這個概要的主要目 的是，在下文中呈現的更詳細的描述之前，以簡化的形式呈現本公開的一些概念。
[0007] 根據第一實施例，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 括由耐熱材料構成的壁。室包括定位在側壁中或者底壁中的入口和定位在其底部中的出 口。總體上，室可以被描述為底入口、底出口設備。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] 根據第二實施例，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 括由耐熱材料構成的壁。室包括被定位在側壁中的入口和被定位在其底部的出口。總體上， 室可以被描述為底入口、底出口設備。鄰近室的側壁形成有斜坡，該斜坡在側壁上向上螺旋 上升。斜坡從側壁延伸到限定了出口的內柱。該內柱包括與室底部相對地設置的端壁。該 端壁包括至少一個圓形邊緣。
[0009] 根據第三實施例，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壁和底壁。入口包含在室的側壁或者底壁中，以接收熔融金屬。出口 包含在室的底部中。斜坡從室的側壁延伸到限定了出口的內柱。斜坡包括鄰近側壁的第一 邊緣和鄰近內柱的第二內邊緣。斜坡的在第一邊緣和第二邊緣之間的工作表面是凹的。內 柱包括與室底部相對地設置的端壁。該端壁包括圓形內邊緣和外邊緣。
[0010] 根據另外的實施例，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] 本發明存在于示出和描述的創新部件、構造、設置、組合和改進中。附圖被并入并 且構成了說明書的一部分，附圖示出了本發明的一個實施例并且與說明書一起用于解釋本 發明的原理。
[0012] 圖1是熔融金屬回收爐的示意性表示；
[0013] 圖2是現有技術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）右側截面圖；
[0017] 圖6是圖3的裝料井的（部分以陰影表示）左側截面圖；
[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例的測試結果的圖形化描述。
【具體實施方式】
[0020] 現在將詳細地參考本發明的示出的優選實施例，本發明的實例圖示在附圖中。雖 然本發明將參考優選的實施例進行描述，但是應當理解的是，并不旨在將本發明限制于那 個實施例上。相反地，旨在覆蓋可以包含在由后附的權利要求限定的本發明的精神和范圍 內的所有替代、修改和等同物。
[0021] 本發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。在金屬的回收中，熔化用于處理和加工的碎屑塊是必要的。作為形成鋁碎屑塊的機械 成形動作（比如，刨削、鏜孔和冷軋）的結果，大部分鋁碎屑塊是薄壁型的。熔化薄壁碎屑 塊是特別困難的，這是因為薄壁碎屑塊漂浮在熔融金屬上，因而快速浸沒在熔融金屬中受 到嚴重阻礙。成問題地，更長地暴露在傳統的熔化爐中的不利環境中導致極高的氧化損耗。
[0022] 在用于將輕質碎屑轉換成鑄錠的典型的熔化操作中，熔化爐設有封閉的爐膛和連 接的開放側井。通常，側井被分成泵井和熔化槽。泵或者其他的熔融金屬流引導裝置定位 到熔化槽外部（例如，在泵井中），并且導致熔融金屬從爐膛流到熔化槽。典型地，熔化槽被 進一步地分成裝料井和熔渣井。金屬碎屑塊被進給進熔化槽中，特別是熔化槽的裝料井構 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] 現在參考圖1，描述了鋁回收爐10。爐10包括主爐膛構件12,該主爐膛構件例如 用氣體燃燒器或者油燃燒器加熱，或者通過本領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）的是主回收區域，該主回收區域包括泵井 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模式。 泵井可以包括對于本領域技術人員而言是已知的任何類型的機械熔融金屬泵。可替換地， 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，以實現期望的合金。來自于裝料井16的熔融金屬流進熔渣井18中，其中 在熔體流回進爐膛12之前，熔渣的形式的雜質被從表面撇去。本具體公開內容涉及裝料井 16的改進設計。
[0024] 現在參考圖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入裝料井16中。更具體地，葉輪22的旋轉將 熔融鋁從浴槽24中汲取出至泵20內并且使熔融的鋁穿過出口 26、上行通路28并且穿過入 口 30進入裝料井16內。熔融的鋁向上流過裝料井16內的斜坡32、溢過內柱35的內邊緣 34而進入腔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] 因為本發明能夠應用為改造已有的裝料井的構件，所以從圖2中可以應當注意到 的是該設計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圖1的熔渣井18中。如本領域普通技術人員認識到的一樣，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涉及現有技術的裝置，但是應當注意到的是，其中的多個 特征可同樣地應用于本公開中并且因此將與下文中的討論是同等地相關的。因此，上文中 的描述也被包含到本實施例的描述中。
[0027] 為了提高爐周轉率，熔融金屬泵構件（在圖2中）可以被以更高的轉速（RPM)運 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，已經被發現的是裝料 井（圖2中的16)沒有利用該增大了的熔融金屬流的全部優點，這是因為被形成于其中的 渦流可能限制流量。而且，已經被發現的是，簡單地增大由泵輸出并且進入裝料井的熔融金 屬的流量可能不會改善碎屑浸沒，這是因為該增大的流量可能改變被形成于其中的渦流的 最優形狀。此外，由于典型的爐結構中的空間限制，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 開涉及一種獨特的裝料井結構，該裝料井結構促進運行相對更高的熔融金屬泵轉速（RPM) 而不會形成降級的潤流（degraded vortex)。而且，已經發現該獨特的裝料井結構提供了比