本申请要求2014年9月27日由申请人提交的美国临时专利申请61/883728的优先权，该申请的内容在此以引用方式并入本申请。
技术领域
本改进主要涉及用于将颗粒盐助熔剂和/或粉末状金属合金元素添加至液体的旋转式喷射器的领域，其可应用于铝熔炼保温炉。
背景技术：
旋转式喷射器用于处理熔融铝，例如如美国专利6960239中的公开。在所述申请中，旋转式喷射器，称为旋转式助熔剂喷射器，用于将颗粒物质引入装在大容量熔炉中的熔融铝。
已知的旋转式助熔剂喷射器的一个例子如图1中的旋转轴15所示，其通常由耐温材料制成，例如石墨，其一端安装有叶轮16。沿所述轴设置通向穿过叶轮16的轴向出口的供给管。助熔剂，通常形式为颗粒盐混合物，其沿供给管由载气携带。叶轮16具有刀片等，以通过称为“剪切”的动作促进助熔剂在熔融金属中的融合。叶轮的几何设计直接与剪切效率相关，为此，使用了径向定向的刀片，在熔融金属中产生径向推力。叶轮16在熔融金属中的旋转深度d，相当于叶轮16的上边缘与熔体表面13之间的距离。传统上，为叶轮预设最小深度d以进行正确运转。基于其应用，该最小深度d等于或大于叶轮的直径。
在熔融铝中引入合金成分也是常见的。一旦引入了合金成分，船螺旋桨式的斜刃叶轮在熔融金属中旋转，以在熔融铝中均匀混合合金成分。斜刃叶轮在熔融金属内产生轴向推力，且该轴向推力与混合效率相关。
所有上述步骤在熔炉中生产一批次的铝需要显著量的时间；因此，可以理解，虽然已知旋转式助熔剂喷射器和旋转式搅拌器能够达到一定满意程度，其全过程持续时间限制了铝生产工厂的总生产力。因此，普遍需要其达到更高效率。
技术实现要素：
本申请所述的双功能叶轮，在熔融金属中产生径向推力，能够以令人满意的效率水平剪切助熔剂，而同时亦产生搅拌该熔融金属的轴向推力。因此，与助熔剂叶轮或搅拌叶轮相比，双功能叶轮可以看作是提供了额外功能。此外，在一些实例中观察到，与依序先后使用助熔剂叶轮和搅拌叶轮相比，使用本处教导的叶轮生产一批次铝合金的总加工时间更低。
在一个方面中，提供了用于在熔融金属中在转动方向上转动的双功能叶轮，其作为旋转式喷射器的一部分，所述叶轮包括：主体，其具有轴线；多个刃部，其围绕所述轴线相互间隔地周向设置；和与所述轴线重合的开孔；所述刃部具有径向延伸部和倾斜部，其中所述径向延伸部面向所述转动方向且在所述转动中共同产生径向流分量，所述倾斜部也面向所述转动方向，相对于径向平面倾斜，且在所述转动中共同产生远离所述旋转式喷射器的轴向流分量。
在又一方面中，提供用于在熔融金属中在转动方向上转动的双功能叶轮，其作为旋转式喷射器的一部分，所述叶轮包括：主体，其具有轴线和中心出口；径向刃部组，其在所述出口附近围绕所述轴线相互间隔地周向设置，且各具有面朝所述转动方向的径向刃部前沿面，所述径向刃部前沿面在所述转动中共同产生径向流分量；多个通道，每个所述通道在对应的一对相邻径向刃部之间延伸；径向面组，其围绕所述轴线相互间隔地周向设置，每个所述径向面形成对应的所述通道之一的轴向界限；和轴向刃部组，其从所述径向刃部组径向朝外地围绕所述轴线相互间隔地周向设置，且各具有面朝所述转动方向的前沿面，所述轴向刃部前沿面相对于径向平面倾斜，并在所述转动中共同产生轴向远离所述旋转式喷射器的轴向流分量。
在又一方面中，提供一种使用具有叶轮和轴向出口的旋转式喷射器处理熔融金属的方法，所述方法同时包括：通过转动所述叶轮，在所述熔融金属中产生轴向流分量和径向流分量；通过所述叶轮喷射至少颗粒材料或气体；和以所述叶轮的转动部分和以转动中的刃部产生的阻力，剪切所述喷射的颗粒材料。
通过阅读本公开，本领域技术人员能够清楚领会本改进中的许多其他特征及其组合。
附图说明
在附图中：
图1所示为用于装在熔炉中的熔融铝的旋转式喷射器的示意图。
图2和图3所示为双功能叶轮的第一实施例的两个不同斜视图。
图4是图2和图3的叶轮的远端面的平面视图。
图5是图2和图3的叶轮的侧视图。
图6所示为由双功能叶轮产生的复合流的示意图。
图7是双功能叶轮的第二实施例的斜视图。和
图8是由图7的叶轮产生的复合流的示意图。
具体实施方式
参见图1，大铝熔解炉10具有侧孔11并包括具有熔体面13的熔融铝浴12。旋转式喷射器14延伸穿过孔11，且具有含轴线的伸长轴15、近端27和相对的远端，以及安装在轴15的远端上的叶轮16。供给管（未示出）沿所述轴的全长内部延伸并穿过叶轮16，至位于叶轮16远端侧的轴向出口。供给管可以看作是形成用于颗粒助熔剂固体的喷射路径，其一部分从中心（轴向）延伸穿过叶轮16。在使用中，颗粒助熔剂固体由气体沿轴15的供给管携带至熔融金属浴12中。在使用中，轴15和叶轮16转动，同时颗粒助熔剂固体喷射至熔融金属浴12中。此后，颗粒助熔剂固体通过其从轴远端的排出速度及通过产生剪切效应的叶轮转动，分散在液体铝中。当颗粒助熔剂固体到达轴的轴向出口之时，所述固体通常因热量而完全液化，且其形式可以是混合有气泡的液体。例如，助熔剂固体可以用于，在大铝溶解保温炉中降低碱金属和非金属夹杂物的水平。
叶轮16a的一个示例的更多细节如图2和图3所示。叶轮16a可以看作是通常具有轴线18（旋转轴线）和多个通常在相对于轴线18的径向方向上延伸的刃部21。
在该实施例中，叶轮16a可以选择性地在轴15上安装或拆卸，该特征在成分由石墨组成的情形下有利，但应当理解，在一些实施例中，叶轮可以与轴制为一体。在所示实施例中，关于上述的模块应用，叶轮16a具有部分在榖中延伸的螺纹插口25，以在其一侧牢固地容纳轴15的远端处的对应外螺纹。开孔26与螺纹插口25重合。在本实施例中，喷射路径在开孔26内部沿轴延伸。螺纹插口25底部设有穿过叶轮的管道（未示出），其提供了与轴的供给管连通并通向圆形出口边28的喷射路径的一部分，在叶轮的远端侧形成了喷射路径的出口（参见图3）。在本实施例中，通向圆形出口边的管道部分为圆锥形，且其直径越靠近圆形出口边则越宽。应当理解，圆形出口边28与轴15的供给管连通，并终止了内部喷射路径。在使用可互换的叶轮的可选实施例中，可以是用各种结构来将该轴连接至叶轮。例如所述轴可以整体横跨叶轮，并支承圆形出口边。
叶轮16a还可以具有盘状部或盘17。在本实施例中，叶轮16a还设有从该处轴向突出以便于安装至轴15上并通向盘状部17的锥形环20或榖，其据观察可向叶轮提供令人满意的刚性。锥形环20具有面朝轴15方向的叶轮16a的近端侧22。盘17具有相对的远端面19。在该叶轮布置中，固体/气体混合物可以沿轴15中的供给管进料，穿过喷射路径中的叶轮16a，并在出口边28中排出（图3），此时刃部21用于将该固体/气体混合物剪切到熔融金属中。当所述固体是盐助熔剂时，其可以在其进入熔融铝时熔化，并被刃部21容易地剪切为小液滴以有效散布。即使使用了固体助熔剂，且其在进入熔融铝时并未熔化，剪切效应可以打散载气和助熔剂颗粒，并将其散布到熔融金属中。
从图3中最能看出，刃部21可以看作是具有径向延伸方面和轴向或倾斜方面，径向延伸方面的形式为多个环绕地间隔设置的通常相对于沿对应刃部延伸的径向平面平行延伸的径向刃部34，轴向或倾斜方面的形式为具有相对于径向平面倾斜或偏斜的倾斜面42的轴向刃部40。为助于理解所述方面，如图所示为径向平面24的一个示例，且其可以理解为与轴线18相交的平面。可以理解，具有刃部21的径向延伸方面的径向刃部34在熔融金属中的转动产生径向流，该径向流与获得令人满意的助熔剂盐、气泡等的剪切效率相关；而具有刃部21的倾斜方面的轴向刃部40在熔融金属中的转动产生轴向流，该轴向流与搅拌熔融金属从而促进熔合过程相关。由此，所得流包括径向流分量和轴向流分量，因此具有稍显圆锥形的形貌。
叶轮16a的至少部分几何特征直接与在熔融金属中转动所得的流体动态相关，因此也与剪切效率和搅拌效率有关。因此，下面将详细描述本实施例的几何特征的详情。
再次参考图2和图3，在本具体实施例中，多个刃部21（本具体实施例中为6个）与盘17联用，且制为一体（本实施例中是通过模制一体成型）。在本实施例中，所述6个刃部21沿盘17的圆周等间距设置。刃部21可看作是具有径向内端30和径向外端32。在本实施例中，具有径向延伸前沿面36和径向内端30的刃部21径向部34，从盘17的远端面19轴向突出，并在径向内端30朝着设置在刃部21的内端30和圆形出口边28之间的远端圆形面所关联的同心圆形间隔38逐渐变窄。刃部21的该径向刃部34可以关联于叶轮16a在熔融金属中转动时的流动径向部分。还应注意，具有径向倾斜前沿面42和径向外端32的刃部21轴向部分40，从盘17径向突出，并具有可以关联于流动轴向部分的倾斜前沿面42。本实施例中，应注意，径向刃部前沿面36与轴向刃部前沿面42连续延伸并与其成为一个整体。这可以用于提供同样有助于剪切效应的轴向刃部40的一部分，且得到整体功能性，尤其是考虑到所述轴线径向距离处的高切向速度。此外，径向刃部前沿面的厚度延伸穿过轴向刃部前沿面42的远端边43。后一特征是可选特征，将其留存在此可以提供额外的径向流，且应当注意，在可选的实施例中，轴向刃部前沿面的远端边可以到达刃部的远端边。例如，在可选的实施例中，所述径向部分可以不同于对应的刃部轴向部分，并通过径向圆周和/或轴向间隔与之分离，和/或可选的实施例可以具有不同数量的径向部分和轴向部分。可以理解，本具体实施例设计为，当从轴处观看时进行顺时针转动方向44上的转动，亦即，倾斜面42在转动方向上并直接推动熔融金属。在此所用的术语“前沿”指的是设计为在转动时被流体所撞击的部分，如同航空学中所用的“前缘”和“后缘”。
如图3中所示，叶轮16a可以看作是具有多个通道51，各通道在对应的一对相邻刃部34之间延伸。换言之，所述通道可以看作是在正切或圆周方向上由2个相邻的径向刃部所限定，且在轴向上由盘17所限定。所述通道在相对于盘17的轴向上敞开。在使用中，喷射材料沿所述通道51径向传输，在此期间，通过与径向前沿面36的撞击或通过剪切效应中的在前刃部21（相对于转动方向）产生的阻力，可以令气泡或大液滴破碎。通过向径向刃部34之间的通道提供轴向界限，防止传输中的喷射材料偏离其轴向方向，盘17有助于促成该效应。盘17可以看作是具有一组径向面53，其中每个所述径向面53在对应的一对径向刃部34之间延伸，并在一个轴向方向上形成对应的通道51的轴向界限。
在本具体实施例中，如图4所示，径向刃部34的径向长度55大约与轴向刃部40的径向长度57相等，其各为总径向长度的约50%。在可选实施例中，该比例可以在30%至70%之内（例如，径向刃部34占总长度的30%且轴向刃部占总长度的70%，或反过来），或优选地，在40%至60%之间。轴向刃部相对于径向平面24的倾斜角α可以在30-60°之间，优选为在40-50°之间，且最优选为约45°，如图示实施例中所示（参见图5）。
每个通道51可以看作是具有对应于对应的两个相邻径向刃部34之间的圆周间隔的径向进口。刃部数量、刃部圆周厚度和内端30的倾斜设计，可以根据期望的通道进口圆周开口面积比率来调节。从图4所示中最容易看出，该开口面积比率在本例中可以是大约?，且该比率在可选实施例中可以变化。当按比例放大或缩小叶轮16a的直径时，刃部数量的调节，可以根据保持粗略相同的开口面积比率，以独立于直径地保持某些流体动态特征。
在本实施例中，所述盘的近端面22是圆锥形平面，其不含刃部或其他突出。这可以允许控制流体动态中涡流的发生，还可以有助于叶轮16a抵抗不期望的碎片累积，这在穿过熔融金属表面从熔融金属中取下叶轮16a时尤其是一个潜在问题。
此外，叶轮16a的特定设计，可以允许在小于叶轮直径的深度d上使用叶轮（参见图1），这在某些实施例中是有利的。
为了更好地理解刃部的径向延伸部的形状，可以参见图4，其中展示了径向延伸平面24的一个示例，该平面通常沿两个刃部延伸；而为了更好地理解倾斜面的形状，可以参见图5，其中展示了刃部相对于径向延伸平面24的倾角α。
使用与如图2所示的叶轮结构非常相似的叶轮几何形状进行流动数据模拟，但令刃部的厚度稍短，且轴向刃部达到刃部的远端边。所得流动的示例如图6所示，可以看到，其包括了径向流分量和轴向流分量，由此具有大致圆锥形的形貌。
实施例1
使用旋转式喷射器，对具有如图6所示的几何特征的双功能叶轮16a，在275rpm转速下，进行了5项测试。
每次测试中，向铝中添加预制合金锭料形式的钙。钙的数量的选择在于达到约15-20ppm之间的初始浓度。然后，在30分钟内，以旋转式喷射器喷射PromagSITM盐（60%MgCl,40%KCI），以降低金属中的钙量。定期地提取铝样本用于计算动力常数k（min-1），以根据下式获得剪切效率的指标（常数k越大，从金属中脱除碱越快，由此剪切效应越高）。
.
其中，t为时间（分钟，）c为时间t时的碱金属/碱土金属浓度（碱土金属在本例中为钙，且在可选实施例中，可以使用碱，例如纳），且co是初始碱金属/碱土金属浓度。
本实施例中，对于测试环境，双功能叶轮16a的直径为12英寸，其高于具有传统“高剪切”设计的10英寸直径对比叶轮（参见申请人的美国专利6960239的图2和图3所示的示例）。在相同转速下，双功能叶轮需要显著较高的功率，且为了使得所用的功率相同，则相比于传统“高剪切”设计叶轮的300RPM，双功能叶轮的转速减弱至275RPM。
对于相同的功率输入，结果表明双功能叶轮的常数k高于10英寸高剪切叶轮，且额外表现出轴向流特征。
实施例2
使用旋转式助熔剂喷射器，对具有如图7所示的几何特征的第二个双功能叶轮16a，在300RPM的转速下，在如上述实施例1以外的测试条件中，进行了5项测试。
结果表明，常数k显著低于作为对比的10英寸高剪切叶轮，且在熔体面观察到未分散的助熔剂盐。因此，实施例1中所测试的几何形状更好地适用于提供分散助熔剂盐所需的高水平剪切效应和高效搅拌金属所需的高轴向流分量。
实施例3
在工业熔炉中，在一周时间内使用全尺寸双功能叶轮16a，其具有如上所述且如图2和图3所示的几何特征，且直径为16英寸。在此期间，完整表征了5种测试。表征了熔炉的纳动力脱除率（常数k）和总混合率，并将其与用于相同熔炉的直径16英寸的对应传统高剪切叶轮相比。在使用不同的叶轮时，氮和盐的流速以及转速和功率输入相同。
结果表明，与传统高剪切叶轮相比，常数k略高。此外，鉴于双功能叶轮16a的轴向流特征，其产生了高得多的金属流动。对搅拌的改进进行目视确认和化学确认；观察到更迅速的合金成分溶解。
与传统高剪切叶轮相比，双功能叶轮16a在熔融铝浴中转动，同时通过轴向搅拌而提供相仿或提高的碱脱除动力和提高的合金成分溶解时，其所需的能量（马达扭矩和安培数）与传统高剪切叶轮相同。
注意，在上述实施例1和2中，为了进行测试，直径相对于典型工业比例进行了按比例缩小。实施例3使用了某些工业应用中所用的实际的16英寸叶轮直径作为示例。所述实施例仅用于举例说明可能的实施例的目的，其内容不应进行限制性理解。
因此，由此可见，如上所述及所示的实施例仅用于举例说明。例如，在可选实施例中，叶轮可以具有不同数量的刃部，在叶片之间具有不规则或其他样式的间距，包含径向方面和轴向方面的不同刃部几何结构（例如曲线设计而非直棱设计），不同直径，在不同转速下使用，等等。在可选实施例中，可以使用其他管道出口配置而非轴向远端轴向出口。本申请的范围由附属权利要求所指明。