复合脱气管的制作方法

复合脱气管的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种脱气管，该脱气管至少部分地由复合材料形成并配置成脱去金属熔液的气体。该脱气管包括配置成从气体供给源输送气体到脱气管的出气口的供气管，以及与脱气管相连的扩散器主体，该扩散器主体至少部分地由复合材料形成。在某些实施例中，复合材料和磷酸盐耐火材料的结合可以用于形成扩散器主体的相应部分。复合材料可以包括嵌入陶瓷基体的多层增强纤维织物。在某些实施例中，磷酸盐耐火材料为可浇铸不定形耐火材料，可以与复合材料化学结合。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种配置成用于金属铸造工厂的脱气管，更具体地说，涉及一种至少 部分地由复合材料制成的脱气管。 复合脱气管

【背景技术】
[0002] 处理铝熔液时经常需要处理该铝熔液以去除自然溶解在金属熔液中的不需要的 气体，尤其是在铝熔液通常被处理的温度。例如，由于保温炉中的天然气或石油的燃烧和/ 或暴露在环境湿度中，氢气显著地溶解在铝熔液中。由于金属固化时氢气的溶解度降低，这 些溶解的氢气在铝凝固时会释放出来，这会在铸造零件中产生不良的空隙缺陷，例如薄截 面型材中的扭曲和剥落、以及砂眼等。
[0003] 引入惰性或不活泼气体进入铝熔液中是已知的有效处理金属熔液以降低不需要 的溶解气体的水平。例如，在铝熔液中吹氩气、氮气或其他类似的惰性气体的气泡的工艺可 以有效地从铝熔液中去除溶解的氢气。随着气泡上升到金属熔液的表面，溶解的氢气扩散 到惰性气体气泡中，溶解的氢气由金属熔液中解吸出来并释放到金属熔液表面之上的空气 中。此外，加入少量的氯气到工艺气体中（通常为0. 5%或更少)，可以打破铝和存在于金属 熔液中的任何不浸润夹杂物之间的结合，有助于去除碱金属，使氯气与碱金属发生反应，上 升的气泡会粘住这些夹杂物并使杂质浮到金属熔液的表面。换而言之，在金属熔液中吹惰 性气体气泡是有效的多层次的处理金属熔液(即去除金属熔液中吸收的气体和其他杂质)。
[0004] 气体注入装置，通常称之为"脱气器"，一般用于在一定体积的金属熔液中供给工 艺气体。脱气器有多种类型，包括带有旋转喷嘴的，以及不带移动或旋转部件的固定脱气 器。一般的固定脱气器至少部分地由单一耐火材料制成，例如陶瓷、石墨等。这些耐火材料 被选作用于金属熔液处理是因为他们耐高温而且通常抗铝熔液的腐蚀。但是，这些耐火材 料也相当脆弱，容易破裂和磨损。因此，单一耐火材料的寿命有限。


【发明内容】

[0005] 本内容以一种简单的形式对本发明的构思做选择介绍，发明构思在【具体实施方式】 部分会详细描述。本内容并不是为了确认所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不 是为了用来限制所要求保护的主题的范围。
[0006] 因此，本文所公开的是一种用于处理金属熔液的脱气管，例如铝熔液。在某些实施 例中，脱气管包括配置成从气体供给源输送气体到脱气管的出气口的供气管，以及与供气 管相连的扩散器主体，扩散器主体至少部分地由复合材料形成。在某些实施例中，扩散器主 体整个由复合材料形成，该复合材料包括嵌入到陶瓷基体中的多层增强纤维织物。
[0007] 在其他实施例中，脱气管由至少两部分组成，包括一个靠近脱气管的近端的部分 ("近端部分")，即靠近气体供给源，和另一个靠近脱气管的远端的部分("远端部分")，即远 离气体供给源。位于近端部分的扩散器主体的一部分可由复合材料形成，位于远端部分的 扩散器主体的另一部分可以由磷酸盐耐火材料形成。
[0008] 本文所公开的脱气管的实施例由具有所需要的特性的材料形成，这些材料可以有 效和高效的在金属熔液中分散气体，同时与用于制造脱气管的常规材料相比，该脱气管具 有更长的寿命，重量更轻，更耐用。在本文的实施例中所公开的材料同样是不被液态金属浸 润的，产生废渣最少的。
[0009] 参考附图，在以下本发明的描述中，本发明的其他特征和优点是显而易见的。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 详细说明将结合附图叙述。附图中：附图标记的最左边的数字代表该附图标记首 次出现的附图序号。不同附图中的相同的附图标记指示相似或相同的部件。
[0011] 图1示出了根据本文公开的实施例的脱气管实施例的立体示意图；
[0012] 图2示出了根据本文公开的实施例的脱气管实施例在盛有金属熔液的熔炉内的 使用状态侧视图，从熔炉的截面处展示；
[0013] 图3示出了沿图1中A-A剖面线的根据本文公开的实施例的脱气管实施例的侧面 剖视图。

【具体实施方式】
[0014] 本发明所公开的是一种至少部分地由复合材料制成的脱气管。本文所用的"脱气 管"是指任何在金属熔液中进行脱气的装置。在某些实施例中，复合材料和磷酸盐耐火材料 的结合用于形成脱气管的扩散器主体的相应部分。本文所公开的实施例通过参考用于铝铸 造的铝熔液的脱气的实例进行说明，但不局限于此。然而，应当理解的是，本文所描述的脱 气管可以用于其它适宜的用途，例如用其他类型的金属铸锭，或者一般的金属处理，而不管 该用途。
[0015] 图1示出了根据本文公开的实施例的脱气管实施例的立体示意图。脱气管100可 以具有适于金属熔液(例如铝熔液)脱气的任一几何形状。图1示出的脱气管100具有L形 的几何形状。不过，应当理解的是，在不改变脱气管100的基本特性的情况下，脱气管100 可以是其他适宜的几何形状。不考虑几何形状，脱气管100被认为包括至少两个主要部分。 第一部分102位于脱气管的近端，即靠近气体供给源（以下称近端部分102)，第二部分104 位于脱气管的远端，即远离气体供给源（以下称远端部分104)。因此，当用在熔炉或其他适 用的地方进行金属熔液脱气时，近端部分102通常是坚直的。然而，近端部分102,或近端部 分102的一部分，可以具有一些弯曲，这取决于脱气管100所处的环境。虽然图1示出了两 个部分102和104,不过，应当理解的是，脱气管100可以由任一数量的部分组成，甚至是一 个单一的整体。
[0016] 如前面提到的那样，脱气管100可以是任一适于金属熔液脱气的几何形状。特别 是，远端部分104可以大致垂直于近端部分102,从而形成L形的几何形状的脱气管100。然 而，远端部分104可以采用其他适宜的外形或几何形状，例如可以是由近端部分102在两个 方向径向延伸的大致与近端部分102垂直的部分，形成一个T形的几何形状的脱气管100。 或者，远端部分104可以是V形的，盘形的(例如圆形)，或钟形的，仅举了几个适用于金属熔 液脱气的形状。L形(如图1所示）或T形的脱气管100的优点是，由脱气管100扩散出的 气泡远离脱气管100的坚直方向的近端部分102,并且分散到一个相当大的区域，使得在气 泡经过金属熔液上升的过程中，环绕近端部分102的气泡的合并最小化。
[0017] 在某些实施例中，脱气管100包括配置成输送从气体供给源接收的气体(工艺气 体)到脱气管100的出气口 108的供气管106。出气口 108配置成扩散气体到金属熔液中。 在某些实施例中，这是借助于脱气管100的一部分所用的材料的透气性来实现的，如下文 更详细的叙述。从这个意义上讲，出气口 108可以视为包括一个或多个出气点用于气体由 远端部分104的空腔中离开或泄漏并进入到金属熔液中，如参考图2和图3的更详细的叙 述。供气管106可以由钢制成，通常是刚性的，是不透气的，因此适于从一个位置输送气体 到另一个位置。不过，应当理解是，供气管106可以采用任何适宜的材料，只要它具有比铝 更高的熔点而且不透气。供气管106配置成连接到管道或类似结构以使脱气管100在使用 中保持合适的位置。
[0018] 在某些实施例中，脱气管100的扩散器主体110可以连接到供气管106。例如，供 气管106在或靠近供气管106的末端，即靠近脱气管100的远端部分104,倾斜或弯曲以防 止扩散器主体110和供气管106相互脱离。如图1所示，扩散器主体110的一部分设置在 或环绕供气管106的外侧，以使扩散器主体110的至少一部分作为围绕供气管106的保护 壳，在脱气管100浸入到金属熔液中时保护供气管106免受围绕脱气管100的金属熔液的 腐蚀。
[0019] 扩散器主体110通常可以由复合材料制成为一个单一、连续的单元。从这个意思 上讲，近端部分102和远端部分104都包括扩散器主体110的相应部分，每个部分由复合材 料制成。在其他实施例中，扩散器主体110的一部分，例如扩散器主体110在近端部分102 的一部分，由复合材料制成，同时，扩散器主体110的其余部分由磷酸盐耐火材料制成，下 文将更详细的叙述。
[0020] 在某些实施例中，复合材料可以包括层压复合材料，层压复合材料包括嵌入编织 纤维的陶瓷基体，编织纤维包括单独的线状物、织物、织物补丁或片段、或切碎的纤维等。陶 瓷基体材料可以包括各种陶瓷材料，包括熔融二氧化硅、氧化铝、莫来石、碳化硅、氮化硅、 硅铝氧化物、锆石、氧化镁、氧化锆、石墨、硅酸钙、氮化硼和氮化铝等，或者这些材料的混合 物。优选地，陶瓷基体材料为钙基材料，优选包括硅酸钙(硅灰石）和二氧化硅。优选地，陶 瓷基体材料包括约60%重量的硅灰石和40%重量的固态二氧化硅胶体。陶瓷基体材料是透 气的以允许气体扩散到金属熔液中。
[0021] 在某些实施例中，编织纤维作为增强材料，可以是玻璃布或玻璃纤维，例如电子级 玻璃纤维或"E玻璃"(无碱玻璃)。大约2到25层增强材料或织物用于形成扩散器主体110 的一部分。在某些实施例中，大约10层用于形成扩散器主体110的至少一部分。本文中所 用的"层"可以包括单一的增强织物，该增强织物围绕供气管106缠绕多圈以形成扩散器主 体110,其中每一圈构成一层。复合材料优选如美国专利US5880046所述的可模制耐火复合 材料组分，该申请的全部内容通过引用包含在本文中。
[0022] 在某些实施例中，扩散器主体110可以由复合材料制成。在这里所公开的实施例 中，当扩散器主体110的一部分被描述成由复合材料制成，意思是通常所有被引用的部分 是由复合材料制成的。在某些实施例中，保护涂层可以用在扩散器主体110上，例如碳化硅 的糊状物。
[0023] 形成扩散器主体110的至少一部分的复合材料提供了优于用于脱气管的常规材 料的优点。例如，与单一耐火材料相比，复合材料可以形成更薄、更小和更轻的脱气管100， 该脱气管100相对更加坚固而且抗开裂，这可以提供更长的脱气管100的使用寿命。更轻 的脱气管100可以由单个安装工人安装，在安装或更换中无需使用机械协助，安装或更换 脱气管100期间的停工时间会减少。
[0024] 制造脱气管100的方法现在将一般性地描述。首先，通过将复合材料组分混合在 一起来预制复合材料，例如，如美国专利US5880046中所描述的。例如，组分材料可以包括 大约60%重量比的硅灰石和40%重量比的固态二氧化硅胶体。这些材料混合在一起形成浆 料。
[0025] 接着通过在供气管106上敷设预切割的编织纤维以构造脱气管100,编织纤维如 编织电子级玻璃布（E玻璃）或高温玻璃布。然后通过使浆料进入到编织纤维中来添加浆 料，以保证编织纤维被全浸润。重复这些以形成增强织物和基体材料的连续层，直到达到需 要的厚度。每一层一般具有大约1毫米的厚度。
[0026] -旦脱气管100具有所需要的厚度，将脱气管100由模具上取下并加工成型脱气 管100的外表面。然后将脱气管100放入到炉中干燥。干燥后，将脱气管100进行最后的 修整工序，还可以涂覆不粘涂层，例如氮化硼等。
[0027] 在某些实施例中，先于在供气管106的外面构造扩散器主体100,诸如陶瓷纸之类 的弹性材料环绕供气管106的全部或一部分设置。陶瓷纸配置成允许供气管106由于来自 金属熔液的强烈高温导致热膨胀而产生的位移，从而保护扩散器主体110不会破裂。陶瓷 纸如图3中所示。
[0028] 在某些实施例中，扩散器主体110的至少一部分由与复合材料不同的磷酸盐耐火 材料制成。优选地，扩散器主体110位于脱气管1〇〇的远端部分104的一部分由磷酸盐耐 火材料制成。适用的磷酸盐耐火材料包括但不限于PyroFasU由总部设在华盛顿州斯波坎 的派罗特克公司销售)、The:rmbond?耐火材料（由总部设在佛罗里达州波卡拉顿的恒星材 料公司销售)，或其他类似的磷酸盐耐火可浇铸的材料。一般情况下，本文中的所公开的实 施例中的磷酸盐耐火材料是可浇铸不定形耐火材料，即未成形或不定形耐火材料。磷酸盐 耐火材料是透气的以允许在出气口 108处扩散气体。这些可浇铸的耐火材料优选氧化铝基 可浇铸耐火材料，包括与含有磷酸的液体粘接剂或活化剂混合的干的耐火物质组分。当在 模具或零件中，或者在模具或零件上使用磷酸盐耐火材料时，磷酸盐耐火材料在固化或设 置时为给定的形状。
[0029] 以上所述的磷酸盐耐火材料与常规的可浇铸耐火材料相比是快速混合并凝结的， 而且对铝合金熔液也是耐热冲击和本质上耐腐蚀的。尤其是，在这里发现，通过在磷酸盐耐 火材料中使用各种添加剂，磷酸盐耐火材料可以更大程度的控制由扩散器出气口 108分散 出的气泡的大小；这一特性被认为是迄今为止未知的。获得有效的气泡模式，即散发出大量 的小气泡经过金属熔液的体积，可以提高金属的脱气处理过程的效率，因为高的表面积体 积比可以促进氢气向气泡内扩散。因此，磷酸盐耐火材料非常适合用于位于脱气管的远端 部分104形成扩散器主体110,气体在这里分散到金属熔液中。
[0030] 用磷酸盐耐火材料制造脱气管100的扩散器主体110的至少一部分，如位于远端 部分104的扩散器主体110的一部分，磷酸盐耐火材料可以倒入近端部分102的扩散器主 体110的预成型复合材料中，或加在周围，利用模具帮助成型。在此过程中，磷酸盐耐火材 料中的磷酸会渗入到复合材料中并与复合材料中的氧化钙发生化学反应以在复合材料和 磷酸盐耐火材料之间产生化学结合。从这个意义上讲，复合材料和磷酸盐耐火材料是相容 的并在一个具有高强度连接的界面结合在一起。此外，额外的粘接材料，如树脂、水泥或其 他类似的粘接剂，一般是耐铝熔液的，可以被引入以产生更强的结合，并增强组成扩散器主 体110的复合材料和磷酸盐耐火材料之间的气密密封，但是，应当理解的是，对本文所公开 的实施例而言，附加的粘接材料完全是可选的。
[0031] 在某些实施例中，位于远端部分104的扩散器主体110的透气性是由通过制造工 艺中的聚合物纤维提供的。该透气性允许气体分散到金属熔液中。例如，在组成扩散器主 体110的该部分的材料设置或固化之前，聚合物纤维被设置在位于远端部分104的扩散器 主体110中。在远端部分104的材料设置或固化之后，聚合物纤维可以在炉中烧掉。聚合 物纤维先前占据的空间形成气泡逸出的通道。从〇. 01毫米到〇. 08毫米的合适尺寸的纤维 可以用来形成最优的气泡大小和模式。
[0032] 现在转到图2,图2显示出了根据本文所公开的实施例的脱气管100用在盛装有金 属熔液202的熔炉200中时的使用状态侧视图，从熔炉200的截面处展示。在一般情况下， 熔炉200配置成容纳一定体积的金属熔液202,通常称之为金属熔池或金属熔体。当实施金 属熔液202的处理时，脱气管100配置成处于熔炉200的侧壁处，如图2所示的保温炉。脱 气管100被放置在远离金属熔液202注入到熔炉200以重新填满熔炉200的注入位置，这 样可以保护脱气管100不受靠近脱气管100注入金属熔液202的不利影响，靠近脱气管100 注入金属熔液202有可能会损坏脱气管100。通过与熔炉200上方的管道结构或软管的固 定或可拆卸连接，脱气管100可以成为脱气组件的一部分。这个措施是为了保持脱气组件 在适当的位置。管道可以连接气体供给源204,气体供给源204配置成向脱气管100供给惰 性气体以分散到金属熔液202的体积中，惰性气体如氩气、氮气、氯气、氟利昂或类似气体 等。另外，在或靠近脱气管100的远端部分104的位置可以使用支腿或隔离件，这样脱气管 100可以固定在熔炉200内，可以更牢固的保持在位置上。在这种情况下，脱气管100可以 具有特定的几何形状，以适应支腿或隔离件并促进这种固定。进一步，应当理解的是，脱气 管100可以适于设置在金属处理工厂的任意位置，例如排列在金属处理工厂的熔炉和下游 的铸造站之间。在某些情况下，脱气管100可以设置在尽可能靠近下游的浇铸站的位置。
[0033] 如图2所示，在运行过程中，脱气组件(脱气器)，包括脱气管100,分散并分配由气 体供给源204供给的惰性气体经过金属熔液202。随着气泡在出气口 108处离开脱气管 100,气泡在金属熔液202中上升，从金属熔液中除去不需要的溶解气体和其他杂质和夹杂 物。
[0034] 图3示出了沿图1中A-A剖面线的根据本文公开的实施例的脱气管100的侧面剖 视图。如图3所示，随着气体供给到脱气管100,气体在供气管106内向脱气管100的出气 口 108处传送，在出气口 108处其他分散到金属熔液202中。在某些实施例中，出气口 108 包括在位于脱气管100的远端部分104的扩散器主体110的材料中的随机互连管道。如图 3所示，脱气管100的扩散器主体110可与供气管106相连。例如，供气管106在或靠近供 气管106的末端可以具有一倾斜部分300,即靠近脱气管100的远端部分104,这样可以防 止扩散器主体110和供气管106脱离。
[0035] 在某些实施例中，脱气管100可以进一步包括陶瓷纸302,或其他类似的弹性材 料，在脱气管100的制造过程中，陶瓷纸302可以敷设或缠绕在供气管106上。如上文所提 到的，陶瓷纸302允许供气管106在温度变化时扩张，因为热膨胀材料组成了供气管106,例 如钢。陶瓷纸302对供气管106的膨胀产生一定的耐受性，这样可以使施加到扩散器主体 110上的有可能会导致扩散器主体110的材料破裂的力最小化。这当供气管106的至少一 部分是弯曲的时候尤其有用。供气管106的部分或全部可以缠绕一层或多层陶瓷纸302。 [0036] 在某些实施例中，带子可施加到陶瓷纸302的末端，也即供气管106的末端，以压 紧陶瓷纸302并减少气体泄漏。
[〇〇37] 虽然本发明已结合具体的实施例进行了描述，但许多其他的变形或修改以及其他 用途对本领域技术人员而言是显而易见的。因此。本发明并不局限于本文的具体描述，而 是仅有所附的权利要求确定。
【权利要求】
1. 一种脱气管，其特征在于，包括： 供气管，所述供气管配置成从气体供给源输送气体到所述脱气管的出气口；以及， 扩散器主体，所述扩散器主体与所述供气管相连，所述扩散器主体至少部分地由复合 材料形成，所述复合材料包括在陶瓷基体内的增强纤维，所述扩散器主体配置成在金属熔 液中在所述脱气管的所述出气口处扩散气体。
2. 根据权利要求1所述的脱气管，其特征在于，所述增强纤维是嵌入到所述陶瓷基体 中的增强纤维织物的一部分。
3. 根据权利要求2所述的脱气管，其特征在于，所述增强纤维织物包括玻璃，所述陶瓷 基体包括硅酸钙和二氧化硅。
4. 根据权利要求1所述的脱气管，其特征在于，所述出气口包括位于所述脱气管的远 端部分的复合材料中的互连管道。
5. 根据权利要求1所述的脱气管，其特征在于，所述扩散器主体由用于所述脱气管的 近端部分的所述复合材料和用于所述脱气管的远端部分的磷酸盐耐火材料的结合构成。
6. 根据权利要求5所述的脱气管，其特征在于，所述磷酸盐耐火材料为可浇铸不定形 耐火材料。
7. 根据权利要求5所述的脱气管，其特征在于，所述磷酸盐耐火材料为氧化铝基耐火 材料。
8. 根据权利要求5所述的脱气管，其特征在于，位于所述远端部分的所述扩散器主体 的一部分与位于所述近端部分的所述扩散器主体的另一部分化学结合。
9. 根据权利要求1所述的脱气管，其特征在于，所述脱气管的几何形状为L形或T形中 的至少一种。
10. -种脱气管，其特征在于，包括： 供气管，所述供气管配置成从气体供给源输送气体到所述脱气管的出气口；以及， 扩散器主体，所述扩散器主体与所述供气管相连，所述扩散器主体配置成在金属熔液 中在所述脱气管的所述出气口处扩散气体，所述扩散器主体至少部分地在所述脱气管的近 端部分由复合材料形成，所述扩散器主体至少部分地在所述脱气管的远端部分由耐火材料 形成。
11. 根据权利要求10所述的脱气管，其特征在于，所述耐火材料包括磷酸盐耐火材料。
12. 根据权利要求10所述的脱气管，其特征在于，还包括设置在所述供气管周围的弹 性材料。
13. 根据权利要求10所述的脱气管，其特征在于，所述复合材料包括嵌入陶瓷基体的 多层增强纤维织物。
14. 根据权利要求13所述的脱气管，其特征在于，所述陶瓷基体为硅酸钙基陶瓷基体。
15. 根据权利要求13所述的脱气管，其特征在于，所述陶瓷基体选自包括熔融二氧化 硅、氧化铝莫来石、碳化硅、氮化硅、硅铝氧化物、锆石、氧化镁、氧化锆、石墨、硅酸钙、氮化 硼、氮化铝和以上材料的混合物的材料组。
16. 根据权利要求13所述的脱气管，其特征在于，所述供气管设置在所述多层增强纤 维织物之下。
17. 根据权利要求11所述的脱气管，其特征在于，所述磷酸盐耐火材料为氧化铝基耐 火材料并含有磷酸。
18. 根据权利要求11所述的脱气管，其特征在于，位于所述远端部分的所述扩散器主 体的一部分与位于所述近端部分的所述扩散器主体的另一部分化学结合。
19. 根据权利要求11所述的脱气管，其特征在于，所述磷酸盐耐火材料为可浇铸不定 形耐火材料。
20. -种脱气管，其特征在于，包括： 用于从气体供给源输送气体到所述脱气管的出气口的装置；以及， 用于在金属熔液中在所述脱气管的所述出气口处扩散气体的装置，所述用于扩散的装 置至少部分地由复合材料形成，所述复合材料包括在陶瓷基体内的增强纤维。
【文档编号】C22B9/05GK104087759SQ201410044226
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年1月30日 优先权日:2013年1月31日
【发明者】卡洛斯·纪伯伦桑切斯·托雷斯, 李·安德鲁·尼尔松 申请人:派罗特克公司