过滤器处理工具的制作方法

过滤器处理工具
1.本技术是申请日为2018年04月10日，名称为“过滤器处理工具”的中国发明专利申请201880038584.8的分案申请。


背景技术：

2.本示例性实施例涉及用于过滤熔融金属的设备。其发现结合用于安装，移除和定位过滤器介质的工具的特别应用，并特别参考此对其进行描述。然而，应当理解，本示例性实施例也可修改到其他类似的应用。
3.熔融金属，尤其是熔融铝，通常含有对最终铸造金属产品有害的夹带固体。这些夹带固体在熔融金属凝固后在最终铸造产品中显示为夹杂物，导致最终产品的韧性降低或具有较差的镜面抛光特性和阳极氧化特性。夹杂物可能来自多种来源。例如，夹杂物可能来源于表面氧化膜。此外，夹杂物可能来源于不可溶的杂质，如碳化物、硼化物和其他来源于被腐蚀的炉和槽型耐火材料的杂质。
4.严格的熔体处理工艺，如助熔，使此类缺陷的发生减到最小。然而，这些工艺并不总能成功地将这些缺陷降低到关键应用的满意水平。传统上，利用熔体过滤以进一步降低此类缺陷的程度。一种常用的过滤器类型是多孔陶瓷泡沫。示例性多孔陶瓷泡沫过滤器在现有技术中是已知的，例如编号为3,090,94和3,097,930的美国专利所描述的代表性示例。已知这些多孔陶瓷泡沫材料在过滤熔融金属方面特别有用，如由迈克尔
·j·
普赖尔(michael j.pryor)和托马斯
·j·
格雷(thomas j.gray)提出的编号为3,893,917的美国专利所描述的，该专利用于“熔融金属过滤器”，于1975年7月8日获得授权，以及由约翰
·c·
雅伍德(john c.yarwood)、詹姆斯
·e·
多尔(james e.dore)和罗伯特
·k·
普鲁斯(robert k.preuss)提出的编号为563,213的共同审理中的美国专利所描述的，该专利用于“泡沫陶瓷过滤器”，于1975年3月28日递交。
5.多孔泡沫陶瓷材料对于过滤熔融金属特别有用，有多个原因，其中包括：过滤效率高、成本低、使用方便以及在一次性、用完即弃的基础上同样使用的能力。这些泡沫陶瓷过滤器的制备方便且廉价，并且可以在用完即弃的基础上使用的事实要求开发一种手段，用于简单方便地从过滤单元上组装和拆卸过滤器。
6.在传统过滤装置中，熔融金属向下流入过滤器介质。在从一个熔炼炉切换到另一个熔炼炉期间或在过滤操作结束后，当熔融金属从熔炼炉到过滤装置的流入被停止时，留在过滤装置中的熔融金属通过过滤器介质从装置流出。在熔融金属完成通过过滤器介质后，必须更换过滤器。类似地，由于氧化膜，如氧化铝膜，与剩余的熔融金属一起流入过滤器介质并粘附在介质上，过滤器介质可能堵塞。氧化膜形成在熔融金属的与过滤装置中的环境空气相接触的表面上。传统上，当必须更换过滤器时，在金属仍呈液态时，在过滤器上冲孔，然后过滤器被允许在过滤器箱内冷却到250℃以下，此时用钩抓住过滤器。这一过程需要时间冷却和加热，磨损过滤器箱的耐火材料，并且由于冲孔步骤导致破碎的过滤器介质碎片污染过滤器箱。
7.本公开涉及一种与诸如熔融铝的熔融金属的过滤相关联地使用的装置，更具体
地，涉及一种熔融金属过滤器处理装置，其构造为使过滤器介质能够以较低的难度进行更换。
8.因此，长期以来一直需要开发一种能够方便、安全地更换过滤器介质的装置。此外，为了充分利用多孔陶瓷材料制成的过滤器介质的优点，即大容量过滤和连续大量熔融金属的有效处理，需要开发一种装置，该装置能够改进这种过滤器介质的更换过程。


技术实现要素：

9.根据第一实施例，提供了用于从熔融金属过滤箱安装和移除过滤器的工具。该工具包括柄、永久地固定在柄的第一端的头端，和可释放地固定在柄的第二端的把手。
10.根据第二实施例，提供了一种从过滤箱安装和移除过滤器的方法。该方法包括以下步骤：(a)提供工具，该工具具有柄、永久地固定在柄的第一端的头端，和可释放地固定在柄的第二端的把手；(b)将把手从工具上移除；(c)通过在过滤器中形成的孔插入工具的柄；(d)将把手附接在工具的柄上；(e)使用所述工具将过滤器定位于过滤器箱内期望的位置；以及(f)从过滤器箱的一部分悬挂过滤器包含的工具。
11.根据进一步实施例，提供一种熔融金属过滤器箱。过滤器箱包括过滤器壳体，过滤器壳体设置在用于熔融金属的流动路径中。水平分隔件设置在过滤器壳体内，并且具有至少一个过滤器接收通道。过滤器介质位于过滤器接收通道内以及熔融金属的流入路径的下方。过滤器介质包括孔。过滤器处理工具设置在孔内。过滤器处理工具包括可移除的把手端，把手端固定至熔融金属过滤器箱以悬挂过滤器介质。有利地，通过抓住过滤器处理工具并且在不完全地从过滤器壳体排空熔融金属的情况下移除过滤器介质，能够移除过滤器介质。在某些实施例中，过滤器箱将包括感应线圈。
附图说明
12.图1是示例性熔融金属过滤器箱的剖面俯视图；
13.图2是沿着图1的图中ii-ii线截取的剖面侧视图；
14.图3是本过滤器处理工具的立体图；
15.图4是与过滤器板相关联的过滤器处理工具的顶部立体图；
16.图5是与过滤器板相关联的过滤器处理工具的底部立体图；
17.图6是与过滤器板相关联的过滤器处理工具的横截面图；
18.图7是插入过滤器箱中的过滤器处理工具和过滤器板的横截面图；
19.图8是包含过滤器处理工具的电磁过滤器箱的侧视图；
20.图9是过滤器处理工具的替代头部构造的立体图。
具体实施方式
21.参考图1和图2，描绘了由耐火材料制成的熔融金属过滤装置11，该装置为熔融金属提供了流动路径，其内表面限定了倒置、截断的四边形金字塔侧面。过滤器壳体12在过滤装置11内形成。在过滤器壳体12内，水平分隔件13从侧壁14延伸。在水平分隔件13的一个边缘部分中，竖直分隔壁15一体地向上凸起，同时与相对的侧壁16分离。水平分隔件13和竖直分隔壁15将过滤器壳体12分成两半。
22.水平分隔件13具有大体四边形的过滤器设置孔17，其内壁向下收敛。在过滤器设置孔17中，可选的过滤器框架18由诸如耐火砖的耐火材料以围着倒置、截断的四边形金字塔形状的空的空间的样式形成。框架18可以是可拆卸地，但液密地配合，使得框架18的上部将从水平分隔件13伸出。过滤器介质19由多孔陶瓷材料制成，呈平板状，其侧壁限定了液封地设置在过滤器框架18的开口位置处的倒置、截断的四边形金字塔的侧面。过滤器介质19可以是多孔陶瓷材料，例如陶瓷泡沫，其可以通过使用陶瓷浆料涂覆具有基本骨架网状结构的柔性聚氨酯泡沫，以及随后干燥和烧结涂覆的泡沫来制备，从而通过碳化去除聚氨酯泡沫，留下陶瓷丝。
23.设置流动路径20以用于在高于过滤器介质19的上表面的位置处输送熔融金属，过滤器介质19位于由水平分隔件13和竖直分隔件15的插入所产生的两个围绕件中的围绕件12a内。
24.围绕件12b的底壁从侧壁向下倾斜至另一侧壁。熔融金属出口21在底壁的基本上最低位置处形成，熔融金属出口21通常用盖子22保持关闭，必要时打开。在围绕件12b上方，在高于过滤器介质19的水平处，形成凹槽形状的熔融金属溢流路径23。
25.来自熔炼炉(未示出)的熔融金属，例如熔融铝，流经熔融金属流入路径20进入过滤器壳体12和并且围绕件12a，向下穿过滤器介质19，并进入围绕件12b。在这种情况下，由熔融金属夹带的固体杂质保留在过滤器介质19上。已经脱离固体杂质并进入围绕件12b的熔融金属在形成在另一侧壁16和竖直分隔壁15之间的流动路径27处上升，并且溢流到溢流路径23中。
26.提供过滤器处理工具30，以允许插入和移除过滤器介质19。相应地，利用过滤器处理工具易于将旧的过滤器介质更换为新的过滤器介质。因此，与传统过滤装置相比，该过滤装置能够被期待为提供安全且容易的过滤器介质更换，传统过滤装置可能涉及从过滤器箱中彻底移除热熔融金属，随后将耗尽的过滤器介质打碎，并移除破碎的过滤器介质碎片的危险且耗时的工作。使用传统装置的这一过程可能会导致这些破碎的过滤器介质碎片留在过滤器壳体中，并混入熔融金属中，从而在随后的过滤循环中进行处理。虽然该工具主要与移除泡沫陶瓷过滤器相关地描述，但该工具能够容易地用于其他过滤器应用中。
27.现在参考图3-7，更详细地描述过滤器处理工具30。工具30包括柄部32，柄部32在第一端处具有吊眼34。头部36设置在柄部32的第二端处。把手38通过吊眼34被可移除地接收。
28.吊眼34也能够从柄部32上可拆卸。例如，吊眼可以在35处螺纹地固定在柄上。如图所示，可以使用带螺纹的公吊眼和母柄连接。当然，还考虑了替代机构，包括带有销钉的布置或狭槽/凹槽布置。可替代地，吊眼的外部尺寸能够小于柄的最大宽度尺寸。类似地，尽管吊眼34被描绘为闭合圆，但是构造为接受把手的任何形状都是可以接受的。进一步地，不需要闭合形状。相反，还考虑了钩形。
29.尽管头部在本文中描述为“x”形头部36，只要过滤器板40(注意，所示为多个堆叠的过滤器板，a-b-c)被充分地接合，头部可以是多种形状。此外，头部不需要由辐条形成。例如，头部可以是连续的板。在这方面，板或辐条可以形成与过滤器板充分接合的任何形状。例如，头部可以通过焊接永久地附接在柄上。
30.在许多环境中，过滤器处理工具由金属构成。期望的金属包括钢，如软钢。为了提
高钢过滤器处理工具的阻力，在过滤器提升工具表面涂覆一层耐火材料可能是有益的。例如，悬吊件可以涂覆氮化硼，以防止过滤过程中的金属粘附。另一种示例性涂覆材料是rfm，由嵌入硅酸钙浆、熔化的二氧化硅浆或其组合物(可从华盛顿斯波坎的派罗泰克公司(pyrotek inc.of spokane washington)获得)中的玻璃纤维织物制成的复合耐火物。只有过滤器处理工具的进入熔融金属的那些部分才有可能获得涂覆。
31.一般来说，柄32可以具有圆柱形，以与在过滤器板40中形成的孔42相对应。然而，需要注意的是通过形成具有抑制过滤器板绕柄的纵向轴线旋转的配合形状的孔和柄可以实现某些优点。例如，在柄和孔中的每个上可以采用相应的横截面矩形或星形形状。在许多情况下，柄和过滤孔之间具有紧密的公差可以是有益的，以防止熔融金属穿越其中产生的任何空间，并且不穿过过滤器主体。解决这一问题的一种机构是在柄和过滤器板之间提供垫片材料或插入件44。陶瓷纤维是形成插入件/垫片的合适材料。可替代地，可以使用诸如可从舒尔塞尔(shureseal)获得的可膨胀材料形成垫片。
32.在某些设施中，虽然不太可能，但存在“理论上的争论”，即熔融金属可以通过工具的柄部和过滤器中孔之间的通道，而绕过泡沫陶瓷过滤器(cff)。相应地，可以包括垫片以防止金属绕过过滤器。在某些实施例中，垫片可以放置在过滤器的顶部。例如，顶部过滤器板的孔可能比下部第二和/或第三过滤器板的孔大，并且该孔可以内衬有陶瓷纤维管。类似地，在单板过滤器的情况下，孔可以具有不同的尺寸。例如，孔可以在顶部较大以用于接收垫片材料，而在下部较窄，以提供与工具的柄部的更紧密的公差。通过将垫片密封件放置在顶部，减少了底部密封件“冲入熔体”的可能性。安装人员能够将棒滑动穿过孔，以提供改善的密封。陶瓷纤维管是期望的，因为它便宜，抗熔融金属和可压缩。垫片可以进一步证明是有利的，因为随着时间的推移，棒可能会磨损和损坏，并且绕过的几率增加。
33.通过首先将吊眼34和把手38从柄32上移除，然后将柄穿过过滤器40插入，可以构成组件。吊眼34可以重新附接到柄32上，把手38穿过吊眼34插入。以这种方式，过滤器悬挂在悬吊件上，并且能够被降低到过滤器箱46内。由于把手38被收纳在过滤器箱46的定位凹槽48中，因此防止处理工具和相关联的过滤器掉落。
34.在某些实施例中，可以省略把手，以便工具的头部在过滤期间放在过滤箱的地板上。还需要说明的是，在分出(tap out)阶段，可以使用工具略微升高过滤器。当金属仍然熔化时，通过在过滤器和过滤箱之间产生小间隙，能够防止过滤器固结到箱上。
35.在过滤过程结束时，移除把手38，并与吊眼34一起使用合适的提升装置，以将过滤器从过滤器箱46中移除。有利地，包括本处理工具的过滤器能够比使用传统技术移除的过滤器更快地从清空的过滤箱中移除。此外，当过滤器冷却到低于金属凝固的温度时，能够使用本处理工具来移除过滤器。例如，用于纯铝的过滤器可以在大约660℃或更低的温度下移除。传统技术无法与过滤器接合直到其冷却至约250℃。吊眼从悬吊件工具上移除，并且悬吊件能够从过滤器上移除。如果使用缩小的外部尺寸眼构造，则能够省略眼移除和重新附接步骤。
36.本发明能够提供更安全的机构，通过该机构可以将过滤器插入热过滤器箱或从热过滤器箱中移除过滤器。本发明能够适用于任何尺寸或形状的过滤器(对于本公开，示出23英寸的方形过滤器)。本发明能够用于单个或多个过滤器。本发明能够用于陶瓷泡沫过滤器、粘结颗粒过滤器或其他类型。
37.当与电磁过滤器箱一起使用时，钢悬吊件能够帮助疏导和集中电磁场。相应地，在一个实施例中，低频感应线圈能够绕陶瓷过滤器介质并非常接近陶瓷过滤器介质地放置。磁场的存在可以使较厚过滤器的启动。线圈和过滤器元件的定向可以是竖直的或者水平的，只要在启动过程中产生用于气体逸出的路径。感应线圈的电导体能够具有许多不同的形状。例如，扁圆形、管状、矩形或方形。与传统的感应炉线圈不同，本发明的线圈不需要为低电阻构造，因为它们不作为主要用于电效率熔炼的设备的一部分使用。因此，能够有利地使用更高的电流密度(例如，50a/mm2，与1-32a/mm2的典型值相比)，导致成比例地更小直径的导体，该导体能够在线圈的给定高度中提供更多的匝数，并相应地增加磁场强度。单层、双层或多层线圈也能够被有利地使用从而在过滤器介质的高度上方获得更高的磁场强度。也可以使用3层以上的感应线圈，但附加磁场强度的优势会逐渐减少。
38.继续参考图7，在某些实施例中，期望的是柄3具有比过滤箱的从过滤器40的顶表面50到过滤器箱46的地板52的深度更大的长度。以这种方式，当插入过滤器箱时，把手30的柄32滑动穿过孔42，直到头部36与地板52接合。这将头部与过滤器40隔开，以防止头部36中断过滤表面积。通过在过滤器孔42中采用可膨胀垫片材料，过滤处理工具30能够滑入与过滤器箱地板接合，一旦垫片材料被加热和膨胀，孔42就变得不允许熔融金属流透过。
39.图8示出了包括感应线圈102的过滤器组件100。两层感应线圈2在图1中示出。所示的陶瓷泡沫过滤器103安装在感应线圈102内。优选地，感应线圈102尽可能地靠近过滤器103的边缘放置，以实现磁场的最有利结果。必须为垫片材料104留出适当的空间，以防止过滤器103周围的液态金属泄漏，并且也必须为隔热和耐火材料105留出适当的空间。示例性垫片材料为高温绝缘棉，例如碱土硅酸盐棉、硅酸铝棉和/或多晶棉。高温绝缘棉在高温下的膨胀最小。在某些实施例中，使用了多个过滤器板，也可以期望的是在相邻过滤器板之间放置一层高温绝缘棉。必须提供足够的隔热和耐火材料，以避免碗状件106的上部或碗状件107的排放部的热金属与线圈102或线圈引线108接触。为了用作过滤装置，碗状件必须配备有适当的液态金属进料口109和排放手段110。碗状件的侧面111和底部112必须设计有足够的耐火物，以保持待过滤金属的热平衡。有利地，钢过滤器处理工具130的存在能够通过在过滤器103内疏导电流来改善性能。
40.电流可以施加在具有足够大小的感应线圈上，从而在未启动的过滤器的宽度上产生0.05-0.25t的平均磁通密度。线圈激励电流的频率优选地在1到60hz之间。线圈激励电流的频率优选地在一范围内，在该范围内，碗状件106的上部中的液态金属的电磁穿透深度(.delta.)与过滤器103的平均半径或宽度之间的比值优选地在0.5到3.0之间，更优选在0.7到1.4之间，以实现足够高的磁穿透性，并且避免过热。
41.在一个实施例中，经由入口109将液态金属添加到碗状件106的上部，同时电流被施加到线圈102。可替代地，首先添加液态金属，然后向线圈102施加电流。在另一实施例中，液态金属将碗状件106的上部填充到超过线圈102的最后一圈的足够高度，以防止形成电磁弯月面(electromagnetic meniscus)。该实施例还避免了在启动过程中金属的过度氧化。
42.参照图9，描述了提升工具的头部的替代构造。特别地，头部236构成具有周长元件238的十字件，以获得用于配合过滤器的增大的表面积。当过滤器在高温下从过滤箱中被移除时，该增大的表面积是有利的。此外，在移除时，过滤器能够包含夹带的金属的凝固部分和液体部分，从而导致高重量和脆性。具有增大的表面积的头部提高了在金属凝固之前，工
具在高温下移除过滤器的能力，且不会破裂。当然，头部的形状不限于矩形。
43.过滤器移除工具可由耐热和抗热震材料构成，例如周围有增强纤维材料(rfm)，并且可选地，可能在每次使用后涂覆上诸如氮化硼(例如zyp涂层)的不粘物质的钢。
44.参考优选实施例描述了示例性实施例。显然，在阅读和理解前面的详细描述之后，将会发生修改和变更。示例性实施例旨在解释为包括在所附权利要求或其等同物的范围内的所有此类修改和变更。