专利名称：：金属块的生产的制作方法
技术领域：
：本发明涉及由金属液生产金属块，特别涉及将铁、钢、熔渣、铁合金以及其它金属与合金浇注成为饼干状块状物，所述块状物最长尺寸通常为20毫米至100毫米的数量级。这些块状物比利用现有的粒化方法所制成的产品大得多。在这里所使用的“金属”或“材料”一词的含义，根据上下文，大体上包括利用金属生产工艺所生产的或从金属生产过程中所得到的纯金属、金属合金以及熔渣。
背景技术：
：在冶金工业领域中，有许多种生产这样一种产品的方法，即必须经过临时冷却、存放和运输，然后再次熔化的产品。这样一种产品在这里被称之为“再熔产品”(PFR)。最常用的PFR是诸如铁铬合金、铁镁合金铁镍合金以及铁硅合金之类的铁合金产品，这些再熔产品在特种钢的生产过程中作为一种合金元素源来使用。生产这种铁合金的熔化炉通常远离最终使用它们的地点。还有诸如铝、铜以及锌此类的其它金属和合金，这些金属和合金也是在与使用它们的地点不同的地方以类似的方式进行生产。因此，需要将这些材料从液态形式转变为一些可贮运和运输的固态形式。另一种类型的PFR是在同一工厂中生产和使用的。这种类型的PFR通常出现在当位于生产线下游的生产设备离开生产线进行维修，而上游的生产设备却继续生产时的情况下。从上游的生产设备中连续出来的热金属不能以熔融金属的形态贮运，直至下游生产设备回到生产线上，因此必须使熔融金属转变为以后可再次熔化或融合的一种固体形态。因而，PFR是在不同形态之间的一种有效的过渡产品。可能出现PFR的工厂例如是一个将铁与钢合成的工厂，其中利用高炉生产生铁，然后将生铁送至一个用于将生铁转变为钢锭的制钢车间，再将钢送至一个连铸设备。在这种情况下，如果制钢车间停产，则必须将生铁转到别处，而如果连铸设备停产，则必须以其它方式处理钢锭。下面主要描述现有处理PFR的方法。基础浇注(bedcasting)和PFR的集中这里，将熔融材料浇入地上的铸型中，然后使之冷却后将其粉碎，成为所要求尺寸的块状物。这里所出现的一个问题是无法避免生成一定量的所不希望存在的微粒。锭料浇注，包括铸列(castingstrands)和“巧克力块状铸型”(“chocolatemoulds”)。在这个处理过程中，将液体材料浇注到铸型中。所述铸型可以是单个铸型，也可以是装在一个连续环路中作为一条铸列的多个铸型。这是一个费用较高的处理过程，会使劳动强度增大，并且需要仔细操作。粒化处理该粒化处理大体上包括利用喷水的方法或者利用一冲击板来粉碎熔融材料流，然后使所述材料落入一个装水容器中。所生成的颗粒小于最终使用所要求的粒度，而且由这种处理方式所得到的产品通常是湿的，但是这种产品易于进行机械处理。当然还有其它一些浇注熔融材料的方法，这些方法仅与PFR有点相关。这些处理方法中的一种是雾化方法，即利用高压喷射水流成气流的方法使熔融材料转化为微小粉末。这种粉末状产品对于再熔来说太微小了，并且通常用于粉末冶金工艺中、用于焊接电极或作为一种无机分离的重量介质。现有的粒化类型在粒化处理的一种形式中，以在5米/秒和15米/秒之间的速度将水流强有力地直接喷射并与下落的材料流发生碰撞，这样使所述材料粉碎成为尺寸在1毫米至20毫米之间的液滴，所述液滴落入一个水池中并凝固。在另一种改进形式中，利用一设置在熔融材料流经的通道中的耐火材料冲击板使熔融材料流粉碎，结果生成熔融材料液滴，所述液滴尺寸大约为25毫米，然后所述液滴落入一个水池中。前面一种处理方法已广泛用于冶金工业中，被称为ShowaDenko处理方法，后一种处理方法被称为Granshot方法。还有一种通常用于使熔渣粒化的方法，使接近垂直的熔融材料流与水平的强大喷射水流碰撞，它们所形成的混合物被带入一个充有快速流动的水的近乎水平的流槽中。最后，使熔融材料液滴穿过下落空气大约45米，从而在一个被称为粒化塔的设备中制成颗粒。所形成的液滴直径通常为1毫米或两毫米，当所述液滴穿过空气下落时凝固。上述处理过程中所使用的技术已经被公开，例如见1975年美国专利3888956中已被授予专利权的Granshot处理方法。但是，还有一些最近已获专利权的改进形式。例如，南非专利ZA90/4005A披露了一种类似Granshot处理方法延伸的技术方案，其中使熔融金属流冲击于其上的耐火材料元件垂直振动。另一个专利ZA91/2653和美国专利5258053(1993)披露了一种处理方法，其中熔融金属与一个形状类似流槽的耐火材料的冲击物碰撞然后熔融金属进入一个装水容器。所述冲击物体的出口靠近水面，并且装水容器中的水仍保持以平稳和均匀的状态流动，其流速为0.1米/秒，并且水流以适当的角度对准浸入水中的金属流。美国专利4192673提出了在特定情况下，由于当铁合金冷却时产生一氧化碳(CO)气体而在粒化过程中形成扁平褶皱状的铁镍合金颗粒问题。发明人宣称利用加入诸如铝、铁硅和铁锰材料的脱氧剂来防止上述问题的产生。关于熔渣粒化的最新改进的一个例子披露在美国专利US4374645中。这里，熔融熔渣先与高速喷射的暖水接触以便其粉碎，然后熔渣落入一个缓慢冷却的水流中。现有技术的缺陷下面所列出的是现有技术中所存在的缺陷。所述基础浇注和铸型浇注(mould-casting)处理方法要求工人在浇注操作现场附近工作。由于在生产铁、钢以及铁合金中使用大量的熔融金属，因此对于工人来说是很危险的。熔融金属与空气接触通常会产生烟雾。因此大的熔融金属熔泄会产生比所要求的更大污染。如前面所述，将大块的铸造合金粉碎的处理方法产生了一部分经济价值较小的粉末。所述粒化处理方法减少了粉末问题，但是现有处理方法所生产的微粒尺寸仍然略小于最终使用者认为最佳的微粒尺寸。粒化处理方法有时可生成“谷粒絮状物”(“cornflakes”)颗粒，这些颗粒是轻软的纸状颗粒，以代替正常的颗粒。然后将这些颗粒粉碎成较少的颗粒，于是也会产生与浇注过程中所得的粉末类似的问题。现有粒化处理方法对于通常伴随熔融金属在水下的大量积累而产生偶尔的爆炸是敏感的。当所述粒化材料从粒化装置中生成时，粒化材料通常是湿的。这种潮湿当接着使用所述材料时会带来问题，并且这样的材料通常必须是干燥的。需要的确定大多数使用者似乎优选尺寸范围在20毫米至100毫米之间的铁合金块。这种说法的原因在于这个尺寸范围的金属块将快速穿过覆盖熔融金属熔池的熔渣层。还要求所述材料通过现有的材料输送系统而被容易地输送。这种材料也应该是干燥的。现有的粒化材料虽然是易于输送的，但是颗粒太小。利用粉碎浇注的铁合金而得到的金属块似乎可满足这样的尺寸要求，但是由于形成一些粉末而带来不可避免的损失。还有一些使用者喜欢使用粒状物甚于材料粉碎得到的块状物。这显然不是可生产具有由使用者提出的形状和尺寸的没有显著缺点的粒状材料的现有技术。因此，尽管进行了其它工作，可还特别需要一种利用直接凝固而不采用穿插粉碎而将熔融金属转变成为具有最终使用者所接受的尺寸和形状的金属块的可靠、安全、方便和低成本的处理方法。这些金属块最好为大体上球形或饼干状，其最长尺寸通常在20毫米和100毫米之间。除了上面所提到的要求以外，这些金属块理论上可经过在存贮、输送和贮运过程中不会分解成粉末的严格考验。生产这种金属块的技术与目前使用的方法相比不应更加危险，而且不要求更多的人为劳动和维修。显然要求这样一种方法不应将大量的不需要杂质带入铁合金中。该方法同现有方法相比，其结构和操作应该更加简单。发明的概述首先，本发明提供一种生产块状物或卵石状物的方法，其中将熔融金属流以同向流动方式引入一个冷却流体的稳定流束中。(换言之，引入金属流的方向基本上与冷却流体流动方向相同)。金属与冷却流体的混合物可以但不是必须地收容在一个流槽中，金属与冷却流体之间存在一个小的并且是可以控制的流速差。该流速差应该小于5米/秒但最好小于2米/秒，以便形成大的固体材料块。金属和冷却流体的流动应是层状的并且稳定的。“块状物”与“卵石状物”一词在这里是可互换使用的。所述冷却流体可以是水；一种有机或无机液体；一种浆料(例如、一种由石墨或其它微小物质与浓度高的溶剂所形成的是浊液)；一种含盐(例如盐水)和表面活性剂或液体(有机或无机的乳化液或溶液)；一种由细小固体微粒形成的流化床。冷却流体的重要性能包括密度、沸点、比热、热交换性能、粘度以及与热金属块表面的化学反应性能。尽管由于水的利用率、洁净度和比热较好，人们通常选择水，但是使用其它液体或物质的混合物也会带来一些好处。例如，在水中加入可溶解的盐可提高沸点并且会提高将热量从热金属或熔渣带出的能力。制备一种水基浆料，例如将铁硅粉末、镁或石墨粉末加入水中，还可改变水的密度和粘度。通过加入铁硅粉末可使密度达到3.5g/cm3。加入石墨可提高固体块状物与流槽底部之间的润滑性能并且还可改变冷却剂的氧化能力。加入高分子醇(例如异丙基醇)同样可以改变冷却剂的氧化能力。如果需要的话，利用加入硝酸盐可使系统在一定程度上具有氧化性。反之，则利用加入亚硝酸盐来保证冷却剂的还原氛围。在高价值金属的特殊情况下，使用诸如油或硅酮基液体作为冷却剂可能具有一定的好处。加入表面活性剂、氧化剂或还原剂，或者其它可以改善热金属块与冷却剂之间的表面化学的反应的微量化学物质也具有一定的好处。流体床可以提供非常高的密度。所述流体可以是自由流动的，也可以是自由落下的。在这种情况下，本发明方法是以平稳的同向流动方式将金属液引入流体流束中，与利用水平的快速流动流体流来喷散一个基本垂直的金属液流的ShowaDenko粒化方法是不同的。作为另一种选择，可以利用一个诸如流槽的适当结构件来引导所述流体流来使之沿一个预定通道移动。当使用一个结构件来引导流体流束流动时，可以按照要求来设置或改变所述结构件的倾斜角度、长度和形状，以便和熔融金属流浸入流体流束中的同时使金属流从结构件滑下，同时确保对金属充分冷却和控制所要得到金属块的形状。产品形状在一定程度上可由流槽中的通道形状来控制。所述流槽底部可有大量的平行通道，这些通道有效地形成多个同时使一定量的热金属流被带走的平行路径。在一个反馈系统中，通过对金属块形状的联线估测的方式可对提供熔融金属的中间包位置进行控制。该流槽也可具有复合形状。例如，该流槽可包括一个倾斜程度较大的初始区域和一个倾斜程度较小的第二区域，第二区域可以大致为线性的。所述初始区域中的曲率可以是这样，即使冷却流体和金属流的轨迹相一致，以便金属流的有效垂直加速度被降低到通常由重力产生的加速度以下。在这样的环境下，可使冷却流体和金属流四下加速的情况接近甚至超过自由下落的情况。或者，该流槽可具有一个以任何一个合适的角度倾斜的直线路径。另一种选择是沿流槽的一个区域具有起伏不平的部分。作为又一种选择，当从平面图中看去时，该流槽可以是直线的或者可遵循一种曲线路径，例如一种螺旋形流槽。最佳外形可以根据需要处理的材料性质来选择，每一种材料可以要求不同的外形。所形成的卵石状金属的长宽比、形状和尺寸可能会受到下列因素中的一个或多个影响冷却流体支承构件的倾斜程度；冷却流体支承构件的截面形状，熔融金属温度超过其液相温度的量，即被称为“过热”的温度值；熔融金属流冲击冷却流体或用于引导冷却流体的支承构件底部的冲击角度；冷却流体流的温度和组分以及冷却流体的或者金属流的流速，或者冷却流体和金属流的流速，和冷却流体和金属内的固有紊流方式。本发明的一个重要方面在于，当金属块形成在冷却流体中以后，应该在所述金属块受到冲击之前使金属块充分凝固并使之具有一个足够厚的壳层以避免因受到冲击而破坏其形状。金属块充分凝固所需时时间随许多参数的变化而改变。这些参数包括金属块的热交换率、需要导出的能量值、与冷却流体接触的时间、冷却流体的类型、金属块的尺寸和形状、金属块在高温下的机械性能和热学性能以及液态金属块的表面张力。重要的是，应使金属流浸在冷却流体流中的时间足够长以保证从金属中吸收足够热量，以便当将金属块与冷却流体流分离时，金属是坚硬的。可以通过将金属块从冷却流体中排放到一个存贮或收集的容器中或者排放到一个诸如链式筛网或振动台的流体金属分离装置上使金属与冷却流体分离，该装置应当是这样，即不能产生刚性堆积而是材料热态成块，这是为了防止蒸汽和氢气爆炸所必须的。可以利用一个与连续筛网运输机类似的装置或者振动输送装置或其它装置来运送金属块。如果冷却流体中有一些可熔材料，那么在这个阶段可以使用一个喷射和冲洗台。当使所述材料分离并将之输送到一个适当的贮放地或者输送到一个标准的筛选设备进行挑选之后，可使所述材料进一步冷却。也可以在移动这些金属块时提供一个用于冷却这些金属块的装置。例如可将这些金属块集中或放置在一个诸如筛网运输装置之类的耐热输送装置上，并可通过将空气引导到这些金属块上的方式使金属块变干。本发明还提供了使冷却流体流动并将熔融金属以基本同向流动方式引入所述冷却流体流中的装置。还可设置用于改变冷却剂和金属的流速的装置。例如，使用一个变速泵或控制阀来改变冷却剂的流速。熔融金属的流速与冷却剂的流速的比值可在1∶5至1∶15之间，对于大量生产而言，该比值通常为1∶10。还可利用其它一些适当方式控制金属的流速，例如通过改变中间包中(将金属液排放到冷却流体中)的金属压力来控制金属流速。也可以通过改变中间包出铁口的截面来改变金属液流的流速，例如在浇注过程中或浇注前动态地改变出铁口的直径或使用一个锥形堵塞物。可以对中间包的位置进行调整，使其在一个水平平面内或一个垂直平面内移动，从而使金属流以最佳角度和最佳位置落入冷却剂中。本发明装置还可设有用于使金属以浇包注入中间包中并可控制金属流速的倾斜机构。多余金属的紧急溢流也可是金属流速控制的一部分。本发明装置可包括一个或多个具有适当几何形状的出铁口，以便使金属以适当的流速和倾斜角度从中间包引入冷却剂中。虽然由于雷诺数高而使冷却剂无法避免出现紊流，但是冷却剂的流动应该是平静和稳定的。因为过大的紊流会影响金属块的形状和大小，所以应该避免出现过大的紊流。为了达到这个目的，本发明装置可包括一个其中充入冷却流体的镇静室(Stillingwell)和一个溢流堰，所述冷却流体越过所述溢流堰从镇静室流入流槽中。可以在加入金属前利用所述流槽的初始区域来消除过大的紊流。还可设置一个储放冷却流体的容器，以便在停电时，仍可在给定时间内保证冷却剂连续的供给。因为热量散失在冷却剂中，所以可能需要设置用于冷却流体的设备。下面将参照，附图结合实例进一步叙述本发明。其中，图1表示本发明装置所使用的一个流槽的一些不同的截面形状。图2表示在15℃的水中急冷的铁铬合金的球形金属块内部的一个计算温度分布情况；图3是本发明装置的简单侧视图，该图表示了同向引入和速率差最小的原理；图4是一个表示用本发明所生产有卵石状金属尺寸的相对比例的圆形分布图；图5包括几张根据本发明原理利用实验装置所生产的卵石状金属的金相照片；以及图6表示工业上用于生产卵石状金属的本发明装置的一个实施例。理论分析本发明是根据对少量熔融金属或熔渣与诸如水的冷却剂接触过程进行理论分析所得到的结果提出的。因此，将对本发明所使用的理论进行简要叙述。当液体金属冷却凝固时控制根据液体金属物化处理方式所得到的金属块的尺寸。在这样一个处理过程中存在许多影响金属块形状的作用力，并且在某种程度上，金属块的最终尺寸与形状是由作用在金属块上的作用力所确定的。这些相关的作用力是表面张力。所述表面张力趋开使金属块成为球状，但这个作用力相对较弱。该作用力是当金属还是液态时使金属液成为一个大金属块的一个主要作用力。流体阻力。在液体中移动的物体将会遇到阻力。在一滴金属液流入冷却液中时，流体阻力趋于破坏金属液滴表面，从而使液滴破裂。移动的作用力。液体金属或者冷却液的流动由于它们的冲量而保持移动。冲击在表面上的一个液体流动将变平和延伸，并且可成分裂成多个小团状液体或液滴。液滴内存在强大的流动可使液滴破裂。重力和约束力。重力同其它作用在一个液滴上的作用力相比是较强的，特别在经过一个较短距离后，重力可使液滴在作用于其上的其它作用力使所述液滴破裂时的速度增加，重力还使装在一个容器的液体呈所述容器的形状。但是，如果液体在所述容器底部不浸润，那么在重力使滴体变平的同时，表面张力会趋于使液体成为球状。摩擦力。沿一个通道滑下的金属块会遇到由于与通道底部摩擦所产生的摩擦阻力，该摩擦阻力也足以破坏金属块的形状甚至使金属块破裂。本发明是基于采用一种装置，该装置通过将这些作用力结合起来形成大块的金属或熔渣，而并非是由其它粒化装置所形成的相对较小的金属块或熔渣块。必须在相对比例如简单地将熔融金属流注入水中的形式更加安全的环境下形状大金属块。为了达到这些目的，必须使熔融金属流不能遭受大于表面张力的阻力或移动力。其次，必须使所述金属流分解成所要求尺寸和形状的液团最后，不能使这些液团受到任何类型的非常大作用力，直至它们充分凝固。利用有限元方法模拟形成单个液团几乎是不可能的，这是因为这个过程基本上是无规律的。但是，对于基本的机械原理进行数值分析可能会得到一些启示，并且还可以使用其它诸如微量分析(dionensionalanedysis)和自由能的分析方法。下列分析使用了这些原理。上述分析表明，通过讨论表面张力和阻力之间的相互作用、在某一特定时刻充填到所述流槽中的材料量以及传递给金属或熔渣的动能，能够使金属液流分解成所需要的液团。下文所描述的结果是利用水中模拟实验来检验的。阻力与表面张力的比假设一个球形液团在液体中移动。阻力由下面这个关系式得出Fdrag＝CD(πr).(py2/2)(1)而将液团的两个部分结合在一起的表面张力由下面这个关系式给出Fsurften＝σ2πr(2)其中，CD是阻力系数(没有量纲)；y是液团半径(单位是米)p是液团周围的流体密度(单位是公斤/米3)v是液团相对于流体的速度(单位是米/秒)，σ是液团与流体接触面处的表面张力(单位牛顿/米)因此，这两力之间的比值为Rauo＝Fdrag/Fsurften=(CD4)(ρv2rσ)---(3)]]>关系式(3)中第一个括号相对于一个给定的几何条件是基本不变的。目前实际问题是最重要的一项是第二括号，这里可将其定义为液团数系数Nb10b，bNblob=ρv2rσ---(4)]]>这个元量纲的数值也被称为韦伯数，但由于韦伯数还有其它含义，在这里使用“液团系数”一词以避免混淆。当Nb10b大于某一临界值时，液团将破裂。反之，如果液团系数低于该临界值，那么液团将保持完整。在关系式(4)中，参数σ和ρ仅取决于液团的结构，在某种程度上说取决于液团已知所要求的尺寸r，即已知r，仅可通过改变速度v来使液团系数低于临界值。并且，如果速度v上升，则尺寸r下降。实际中，这意味着，如果想要得到大金属块，那么必须使液团速度与流体速度相近。通过使热金属或水流同向流动并且速度相近就可以达到改进现有技术的目的。热金属流的分解在通道中的一条液体金属带的特点是由表面能和势能结合所形成的自由能，但是，在一些情况下，通过使这样一条金属带自然地分裂成多个液团可以得到较低的自由能。理论上可以这样表示，即对于这样一个金属流，用每单位长度的某一质量值(单位kg/m)表示最少自由能，这里称之为临界载荷。因为在临界载荷处，自由能最小不可能再下降，所以液体金属带仍保持带状并且不会分裂成液团。如果使金属带每单位长度的质量小于临界载荷，那么多余的自由能将驱动所述装置使金属带自然地分裂成多个部分以便使在每个部分中的每单位的长度的质量大约等于临界载荷。反之，如果每单位长度以质量大于临界载荷，多余物质将流出金属带端部以恢复到临界载荷。实际上，这意味着本发明装置必须在形成低于临界值载荷的熔融金属流的状态下运行，以便使所述金属带破裂。虽然所述临界值可根据诸如表面张力。密度以及通道曲率等参数而改变，但是对于具有相近表面张力和密度的铁、铁合金以及其它材料，使用常规流槽，可以计算出该临界值，该临界载荷大约为1.5kg/m。如果，例如金属速度为2.0m/s，那么金属通过速度的最大绝对值大约为1.5kg/m×2.0m/s＝3.0kg/s。移动力因为表面张力较弱，所以表面能同动能和势能相比是较小的。因而，如果是较大的而不是较小的金属液团落在一个表面上，那么它将溅散并分裂成多个更小的液滴。一些常用的比较值如下。假设一个液团质量为0.1公斤，表面积为0.003平方米。如果表面张力为1.0牛顿/米，那么每单位质量的表面能为0.03焦尔/公斤(由0.003m2×1.0牛顿/米÷0.1kg)这个关系式计算出来)。对于相应的液团动能，仅需要大约为0.25m/sr速度(由2×0.03焦耳/公斤计算得出)。或者，将其转化为势能。则仅要求升高3毫米(由0.03焦耳/公斤÷9.8m/s2所得出的)。虽然不是所有的液团势能或动能都能克服表面能，但应由这些值表现出来，这就是为什么需要将熔融金属慢慢地引入水流中的原因，特别注意的是，保持同向流动和相似的速度，并且在金属流遇到水之前不要熔融金属流下荡得太快。瞬时热量场的计算上面已经说明了液团在凝固前不能受到冲击或受到其它外力作用的重要性原因。这部分讨论在液团成为固体之前必须保持在冷却液流中的时间长短。这个参数可以控制流槽的长度。因为准确地测量这个值是困难的，所以需要计算这些温度的分布情况。利用与可获得的热物理数据结合的流径金属球和金属板的瞬时热量的现有解决办法，并将这些内容一起输入一个为客户设计的计算机程序中。一个被称为毕奥数(Biot)的无量纲的评估值小于金属块和周围环境之间的温度梯度，所述皆奥数用Nbi表示，该值代表一定体积的液体铁合金内部温度梯度，并且表示了所要求的现有解决方法以计算温度值。对于粒化处理的热交换计算的最相关部分指的是开始几秒，因此在连续计算中需要多达80项以便提供合理的准确性。进行这些计算所需要的各种物理参数已列在表1中。根据利用原始量热实验和热交换实验，进格、校的和适合的文献得到这些数值。表1用于表示铁铬金属球或金属板内的温度分布的数据。</tables>*包括凝固潜热由熔融铁合金液团的热量转换初始是热传导和辐射的结合。但是，所讨论的分析表达式仅涉及经过一个边界层的导热交换。然而，因为在金属或熔渣很热的情况下辐射热交换也是很重要的，所以以等量热交换系数hr的形式计算辐射热交换，其中hr=σ.ϵ.(Ts+Ta).(Ts2+Ta2)]]>这里，σ是Stefan-Boltmann常数，ε是金属的热辐射能力。因此，与外部环境的热交换总量大约为q＝A.(hr+hc).(Ts-Ta)该热交换计算与金属充分凝固以抵抗冲击变形的温度值的确定结合在一起的，关于该温度值的确定将在下面进行讨论，从而可估计使所要求的金属块形状稳定的所需最短时间，并可确定流槽所要求的长度。建立刚性的温度值的确定金属温度高于其液相温度时，可以假设金属不能承受一个剪切应力，并且当其温度低于其固相温度时，金属凝固。因而，显然凝固的金属液团具有刚性的临界温度值在其液相温度与固相温度之间的某处。因为液相和固相温度的准确值会影响浇注卵石状金属过程，所以在一些情况下，利用微分热分析方法(DTA)以及根据相图确定实验中所使用材料的相应温度。建立金属刚性的温度值取决于金属如何凝固，并且参照图2。在加入铬的情况下，耐火组分Cr7C3针状工晶体并在低于液相温度大约50℃的温度区域内大量均匀而快速地形成。这些针状晶体可在以后相关的金相实施中被发现。尽管液体最终会在1200℃附近凝固，但是可以发现，加铬的试样在大约1500℃时就已经具有刚性。利用类似方法对于其它金属也是适用的，但是温度范围可能不同。对于不同尺寸的液团达到刚性的临界时间的确定使一种材料的液团具有刚性的时间取决于一些因素，这些因素包括热交换率、液团的尺寸和形状以及使所述液团凝固于其中的介质温度和组分。为了说明上述观点，在下面的计算中，假设当1500℃或小于1500℃的材料薄层向着一个高碳铁铬球中心方向延伸大约20％的距离时，该球到达需要的刚性。类似的计算方法也可用于其它金属。对于直径为10毫米的液团计算可以看出，其在空气中凝固需要不可能实现的很长一段时间。但是，在利用水做为急冷介质时，所述液团在不到一秒的时间内即可具有有效的刚性。在实际操作中，需要生产大约为20到100毫米特定尺寸的卵石状金属。这就要求，在液团凝固具有刚性前，必须利用一种诸如水的介质来吸收热量，大约需要21/2到3秒的时间。实际实施对本发明装置的各种结构进行了实验。结果发现，2米长的流槽太短，结果排出的仍是液团。10m长的流槽可以形成固体材料。对于通道，实验了三种半径的曲率，即50mm，75mm和100mm。三种曲率半径都可运作，但最少的曲率半径往往生成太细的液团。另一方面，由于金属往往是一侧到一侧弯曲流动的并且与通道侧壁发生碰撞，所以最大曲率半径的通道太过扁平了。本文很好地分析了通道中冷却流体流动情况。从流槽中流下的水的流速取决于流速、倾斜程度和水力半径，在本发明装置中，如图3和图6中所示，水的流速大约为2m/s到3m/s，斜度约1∶7至1∶13，每条通道的流速大约为10L/s到25L/s。斜度太大会形成可对液团形状产生不利影响的过大紊流。斜度过小以及流速过小偶而会使液团停留在流槽中。在所有情况下，设置一个大约2米的稳定距离以使初始的未处理液流在加入金属前稳定下来。图3以放大的形式描述了图6中所示装置的一个部分。熔融金属10装在中间包12中并通过一个或多个孔14排放到短耐火材料衬的通道或出口16上。利用中间包中的所述孔尺寸来调整金属的排出速度。出口16将来自中间包12的熔融金属慢慢地引入到流槽20中的水流18中。金属流速通常大约为每流槽通道每秒1.5至2.5公斤。尽管准确的限定取决于金属类型，但是高流速往往会形成一系列“香肠”，而不是离散的液团。通过实验确定，每米通道长度加入1.8kg的低碳钢，可以产生连续的“香肠”。对于较低的金属流速来说，除了金属可能在金属流速很低时凝固以及较低的流速会导致影响处理方法的经济性的低生产率以外，没有其它特别的缺点。图6示意性地表示了本发明装置22。其中与图3中相同的标记代表与之相应的部件。流槽20可以是一个单一通道或多通道的装置，并由一个适当的结构件24支撑，以给出所要求的流槽倾斜度。流槽通向一个回收容器26中并利用泵28通过管路30使水在回收容器26与贮水容器32之间循环。所述贮水容器32通向位于流槽上端的一个镇静室34中，从凹处溢流的水进入流槽的上部36，它使水流稳定。熔融金属从一个浇包38充填到中间包中，利用适当的升降设备(未示出)支承所述浇包38。备用浇包40和42是安全接收容器，当出现金属液溢出时浇包40和42可以接收溢出的金属液。从中间包流出的熔融金属流入横向浇道44中，如果流槽中只有一条通道，则所述横向浇道44将金属液排放到出铁口16中，如果流槽中有多个通道，则所述横向浇道44将金属液排放到多个出铁口中。可以控制冷却水流和熔融金属流的流速，以保证形成最佳的金属块。可以通过改变泵28的速度或利用控制阀(未示出)来改变水的流速，从而改变水的流量和流速得到控制。例如可以通过改变中间包中的金属压力或改变排出熔融金属所通过的中间包出铁口的横截而来控制熔融金属的流速。还可对中间包和横浇道系统的位置进行调整。例如可使所述系统水平或垂直移动，以便使金属溢流以最佳角度和最佳位置落入水流中。一个振动分离装置安装在回收容器上方。所述分离装置拦住固体金属块并允许液体流过所述回收容器中。所述分离装置使金属块向其排出端48移动，从分离装置落下的所述金属块收集在一个堆积处50中，或者被送至一个冷却和干燥设备中。申请人已知的粒化处理方法能够生产湿的或潮湿的粒状物。将这样的粒状物送入炉中可能产生爆炸。因此，最好使金属块变干，例如利用诸如链式筛网或其它任何适当的耐热输送设备使金属块变干。如图6中所示的分离装置46可具有很长的长度，用于输送金属块并使之通过一个或多个吹送空气装置51，所述吹送空气装置51将空气流直接吹向金属块，如果需要可以从不同方向进行吹气，以保证至少部分金属块干燥，并至少在一定程度上使金属块冷却。作为振动分离装置的另一种选择，可使用一个链式筛网来从金属块分离液体。在本发明的装置操作中，安全性是一个重要因素。对于常规粒化装置，熔融金属与水的接触偶然会产生爆炸。但在本发明装置中，在任何给定时间内与水相接触的金属量都较小。图1示出了流槽的不同横截面形状。图1(a)示出了曲率半径较小的流槽，而图1(b)示出了曲率半径较大的流槽。图1(c)表示与流槽内横截面形状相符合的水套52。图1(d)示出了具有两个并列通道的流槽，每个通道都容纳有将引入各自熔融金属流的流体流束。图1(e)示出了具有一个用以集中熔融金属流的中央通道54的流槽，所述中央通道54两侧具有允许较大体积水流通过的外围通道56。当通道半径太大时，最后所提的设计形式趋于限制前面所提到的液体金属的弯曲效应。熔融金属的实验设备利用一个感应炉重新熔化50公斤以内的金属，所述金属被引出并被输送到一个中间包，金属从中间包流入流槽。利用一个浸入式热电偶或高温计，或者两者来记录金属的流出温度。过程在该装置上，用多种不同构成的合金进行数次试验。下面在表2中给出了所使用合金的标称组分。表2在卵石状物铸造试验中所用铁合金的组分结果正如理论分析所预测，可以发现，冷却剂紊流程度过大会产生不规则形状的颗粒，而流槽的斜度太低或金属流量太大会形成长的香肠状产品。最好形状的产品获得的条件是，流槽长度为10米，斜度在1∶8至1∶12的范围内，金属输送速率大约为每通道每秒1.5公斤，以及相对平稳的水流，流量大约为每通道每秒约15升。因此，对大量生产而言，金属与水的流量比大约为1∶10。图5、5(a)、5(b)、5(c)和5(d)中表示了利用不同结构和金属所得到的一些产品，而图4表示所生产的金属块尺寸分布情况。所述试验是在一个在每分钟仅能处理0.15吨液态金属的工厂内进行的。一个满负荷的工厂应该可以从每分钟处理多至3吨左右的速度处理液态，并且可以在多至30分钟内不间断地工作。权利要求1.一种生产金属块的方法，其中将熔融金属流以同向流动方式引入冷却流体的稳定流束中。2.如权利要求1所述的方法，其中冷却流体可由下列物质中选择水；一种有机或无机液体；一种浆料(例如由一种石墨或其它微小物质与高浓度的溶剂所形成的悬浊液)；一种含盐(例如盐水)和表面活性剂或液体(有机或无机)的乳化液成溶液；一种由细小固体微粒形成的流化床。3.如权利要求1或2所述的方法，其中冷却流体与熔融流束的流速差小于5米/秒。4.如权利要求3所述的方法，其中，所述流速差小于2米/秒。5.如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中，冷却流体是自由流动的。6.如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中利用一个适当的结构件来引导所述冷却流体使之沿一个预定通道移动。7.如权利要求6所述的方法，包括改变所述结构件的倾斜角度、长度和形状的步骤，以保持熔融金属流浸入冷却流体中。8.如权利要求6或7所述的方法，其中，所述预定通道包括一个倾斜程度较大的初始区域和一个倾斜程度较小的第二区域。9.如权利要求8所述的方法，其中所述初始区域的曲率是这样的，即使冷却流体和金属流的轨迹相一致，以使金属流的有效垂直加速度降低到通常由重力产生的加速度以下。10.如权利要求6、7、8或9所述的方法，包括通过改变下列因素中的一个或多个来控制金属块的长宽比、形状和尺寸的步骤，所述因素包括冷却流体支承构件的倾斜程度；冷却流体支承构件的截面形状；熔融金属流的温度超过其液相温度的量；熔融金属流对冷却流体或支承构件底部的冲击角度；液体流束的温度和组分；冷却流体的流速或金属流的流速，或者两者；以及冷却流体和金属内的固有紊流模式。11.如权利要求1至10中任何一项所述的方法，其中，当金属块在冷却流体流中形成以后，在所述金属块受到任何冲击之前，允许金属块充分凝固并具有一个足够厚的壳层，以避免因受到冲击而使其形状受到破坏。12.如权利要求11所述的方法，其中在金属块形成以后，至少仍使金属块浸入冷却流体中保持至少一段时间，所述时间随下列参数变化而变化金属块的热交换率；需要导出的能量值；金属块的尺寸和形状；金属块在升高的温度下的机械性能和热学性能；以及液态金属块的表面张力。14.如权利要求1至12中任何一项所述的方法，包括使金属块与冷却流体分离的步骤。15.如权利要求14所述的方法，其中通过将金属块从冷却流体中排放到一个贮存或收集容器或一个流体/金属分离装置上使金属化分离。16.如权利要求14或15所述的方法，包括使金属块变干的步骤。17.一种生产金属块的方法，其中将熔融金属流以基本与冷却流体流动方向相同的方向引入到冷却流体中。18.用于生产金属块的装置，包括提供冷却剂流的装置和以基本同向流动的方式将熔融金属流引入冷却剂流中的装置。19.如权利要求18所述的装置，包括用于控制冷却剂流和熔融金属流的流速的装置。20.如权利要求19所述的装置，其中由一个中间包来供给熔融金属流，并且通过改变下列因素中，至少一个来控制熔融金属流的流速中间包中的金属压力；中间包出铁口的横截面；中间包的位置。21.如权利要求18至20的任何一项所述的装置，包括至少一个以所需速度和沿所需方向将熔融金属流引入冷却剂流中的耐火出口。22.如权利要求18至20中任何一项所述的装置，包括使冷却剂在其中流动的一个流槽。23.如权利要求23所述的装置，包括一个其中充有冷却剂以镇静室和一个溢流堰，所述冷却剂越过溢流堰从镇静室流入流槽中。24.如权利要求22或23所述的装置，其中所述流槽具有一个初始区域和一个第二区域，所述初始区域中只有冷却剂流动，熔融金属流在所述第二区域的起点被引入冷却剂流中。25.如权利要求22至24中任何一项所述的装置，包括位于所述流槽下端的用于将金属块从冷却剂流中分离出来的装置。26.如权利要求22至25中任何一项所述的装置，其中所述流槽的通道半径为50毫米和100毫米之间。27.如权利要求22至26中任何一项所述的装置，其中，所述流槽的斜度为1∶7至1∶13之间。28.如权利要求22至27中任何一项所述的装置，其中，所述冷却剂流的流速为每流槽通道每秒10至25升。29.如权利要求22至28中任何一项所述的装置，其中所述熔融金属流的流速为每流槽通道每秒1.5至2.5公斤。30.如权利要求18至29中任何一项所述的装置，其中对大量生产而言，熔融金属流的流速与冷却剂流的流速的比值在1∶5到1∶15之间。31.如权利要求30所述的装置，其中所述比值大约为1∶10。32.如权利要求18至31中任何一项所述的装置，包括用于将金属块从冷却剂中分离出来的装置。33.如权利要求32所述的装置，包括至少使金属块部分变干的装置。34.如权利要求32或33所述的装置，包括至少使金属块部分冷却的装置。35.用于生产金属块的装置，包括一个倾斜的流槽，用于将一种冷却剂流体从所述流槽上端送入所述流槽中的装置，以基本与所述冷却流体流动方向相同的方向将一熔融金属流引入流槽中冷却剂流体中的装置，以及在所述流槽下端用于将金属块从所述冷却剂流体中分离出来的装置。全文摘要利用以基本与水流方向相同的方向和基本与水流速度相同或略小于的流动速度将熔融金属(10)引入水流(18)中的方式来生产金属块或卵石状金属。文档编号C21B3/08GK1201413SQ9619799公开日1998年12月9日申请日期1996年9月9日优先权日1995年9月7日发明者F·C·勒维,M·B·科蒂,I·J·巴克申请人:明特克公司