專利名稱：：金屬塊的生產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及由金屬液生產(chǎn)金屬塊，特別涉及將鐵、鋼、熔渣、鐵合金以及其它金屬與合金澆注成為餅干狀塊狀物，所述塊狀物最長尺寸通常為20毫米至100毫米的數(shù)量級。這些塊狀物比利用現(xiàn)有的粒化方法所制成的產(chǎn)品大得多。在這里所使用的“金屬”或“材料”一詞的含義，根據(jù)上下文，大體上包括利用金屬生產(chǎn)工藝所生產(chǎn)的或從金屬生產(chǎn)過程中所得到的純金屬、金屬合金以及熔渣。
背景技術(shù)：
：在冶金工業(yè)領(lǐng)域中，有許多種生產(chǎn)這樣一種產(chǎn)品的方法，即必須經(jīng)過臨時冷卻、存放和運輸，然后再次熔化的產(chǎn)品。這樣一種產(chǎn)品在這里被稱之為“再熔產(chǎn)品”(PFR)。最常用的PFR是諸如鐵鉻合金、鐵鎂合金鐵鎳合金以及鐵硅合金之類的鐵合金產(chǎn)品，這些再熔產(chǎn)品在特種鋼的生產(chǎn)過程中作為一種合金元素源來使用。生產(chǎn)這種鐵合金的熔化爐通常遠離最終使用它們的地點。還有諸如鋁、銅以及鋅此類的其它金屬和合金，這些金屬和合金也是在與使用它們的地點不同的地方以類似的方式進行生產(chǎn)。因此，需要將這些材料從液態(tài)形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐恍┛少A運和運輸?shù)墓虘B(tài)形式。另一種類型的PFR是在同一工廠中生產(chǎn)和使用的。這種類型的PFR通常出現(xiàn)在當位于生產(chǎn)線下游的生產(chǎn)設(shè)備離開生產(chǎn)線進行維修，而上游的生產(chǎn)設(shè)備卻繼續(xù)生產(chǎn)時的情況下。從上游的生產(chǎn)設(shè)備中連續(xù)出來的熱金屬不能以熔融金屬的形態(tài)貯運，直至下游生產(chǎn)設(shè)備回到生產(chǎn)線上，因此必須使熔融金屬轉(zhuǎn)變?yōu)橐院罂稍俅稳刍蛉诤系囊环N固體形態(tài)。因而，PFR是在不同形態(tài)之間的一種有效的過渡產(chǎn)品?？赡艹霈F(xiàn)PFR的工廠例如是一個將鐵與鋼合成的工廠，其中利用高爐生產(chǎn)生鐵，然后將生鐵送至一個用于將生鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殇撳V的制鋼車間，再將鋼送至一個連鑄設(shè)備。在這種情況下，如果制鋼車間停產(chǎn)，則必須將生鐵轉(zhuǎn)到別處，而如果連鑄設(shè)備停產(chǎn)，則必須以其它方式處理鋼錠。下面主要描述現(xiàn)有處理PFR的方法?；A(chǔ)澆注(bedcasting)和PFR的集中這里，將熔融材料澆入地上的鑄型中，然后使之冷卻后將其粉碎，成為所要求尺寸的塊狀物。這里所出現(xiàn)的一個問題是無法避免生成一定量的所不希望存在的微粒。錠料澆注，包括鑄列(castingstrands)和“巧克力塊狀鑄型”(“chocolatemoulds”)。在這個處理過程中，將液體材料澆注到鑄型中。所述鑄型可以是單個鑄型，也可以是裝在一個連續(xù)環(huán)路中作為一條鑄列的多個鑄型。這是一個費用較高的處理過程，會使勞動強度增大，并且需要仔細操作。粒化處理該?；幚泶篌w上包括利用噴水的方法或者利用一沖擊板來粉碎熔融材料流，然后使所述材料落入一個裝水容器中。所生成的顆粒小于最終使用所要求的粒度，而且由這種處理方式所得到的產(chǎn)品通常是濕的，但是這種產(chǎn)品易于進行機械處理。當然還有其它一些澆注熔融材料的方法，這些方法僅與PFR有點相關(guān)。這些處理方法中的一種是霧化方法，即利用高壓噴射水流成氣流的方法使熔融材料轉(zhuǎn)化為微小粉末。這種粉末狀產(chǎn)品對于再熔來說太微小了，并且通常用于粉末冶金工藝中、用于焊接電極或作為一種無機分離的重量介質(zhì)?，F(xiàn)有的?；愋驮诹；幚淼囊环N形式中，以在5米/秒和15米/秒之間的速度將水流強有力地直接噴射并與下落的材料流發(fā)生碰撞，這樣使所述材料粉碎成為尺寸在1毫米至20毫米之間的液滴，所述液滴落入一個水池中并凝固。在另一種改進形式中，利用一設(shè)置在熔融材料流經(jīng)的通道中的耐火材料沖擊板使熔融材料流粉碎，結(jié)果生成熔融材料液滴，所述液滴尺寸大約為25毫米，然后所述液滴落入一個水池中。前面一種處理方法已廣泛用于冶金工業(yè)中，被稱為ShowaDenko處理方法，后一種處理方法被稱為Granshot方法。還有一種通常用于使熔渣?；姆椒?，使接近垂直的熔融材料流與水平的強大噴射水流碰撞，它們所形成的混合物被帶入一個充有快速流動的水的近乎水平的流槽中。最后，使熔融材料液滴穿過下落空氣大約45米，從而在一個被稱為?；脑O(shè)備中制成顆粒。所形成的液滴直徑通常為1毫米或兩毫米，當所述液滴穿過空氣下落時凝固。上述處理過程中所使用的技術(shù)已經(jīng)被公開，例如見1975年美國專利3888956中已被授予專利權(quán)的Granshot處理方法。但是，還有一些最近已獲專利權(quán)的改進形式。例如，南非專利ZA90/4005A披露了一種類似Granshot處理方法延伸的技術(shù)方案，其中使熔融金屬流沖擊于其上的耐火材料元件垂直振動。另一個專利ZA91/2653和美國專利5258053(1993)披露了一種處理方法，其中熔融金屬與一個形狀類似流槽的耐火材料的沖擊物碰撞然后熔融金屬進入一個裝水容器。所述沖擊物體的出口靠近水面，并且裝水容器中的水仍保持以平穩(wěn)和均勻的狀態(tài)流動，其流速為0.1米/秒，并且水流以適當?shù)慕嵌葘式胨械慕饘倭?。美國專?192673提出了在特定情況下，由于當鐵合金冷卻時產(chǎn)生一氧化碳(CO)氣體而在?；^程中形成扁平褶皺狀的鐵鎳合金顆粒問題。發(fā)明人宣稱利用加入諸如鋁、鐵硅和鐵錳材料的脫氧劑來防止上述問題的產(chǎn)生。關(guān)于熔渣?；淖钚赂倪M的一個例子披露在美國專利US4374645中。這里，熔融熔渣先與高速噴射的暖水接觸以便其粉碎，然后熔渣落入一個緩慢冷卻的水流中?，F(xiàn)有技術(shù)的缺陷下面所列出的是現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷。所述基礎(chǔ)澆注和鑄型澆注(mould-casting)處理方法要求工人在澆注操作現(xiàn)場附近工作。由于在生產(chǎn)鐵、鋼以及鐵合金中使用大量的熔融金屬，因此對于工人來說是很危險的。熔融金屬與空氣接觸通常會產(chǎn)生煙霧。因此大的熔融金屬熔泄會產(chǎn)生比所要求的更大污染。如前面所述，將大塊的鑄造合金粉碎的處理方法產(chǎn)生了一部分經(jīng)濟價值較小的粉末。所述?；幚矸椒p少了粉末問題，但是現(xiàn)有處理方法所生產(chǎn)的微粒尺寸仍然略小于最終使用者認為最佳的微粒尺寸。?；幚矸椒ㄓ袝r可生成“谷粒絮狀物”(“cornflakes”)顆粒，這些顆粒是輕軟的紙狀顆粒，以代替正常的顆粒。然后將這些顆粒粉碎成較少的顆粒，于是也會產(chǎn)生與澆注過程中所得的粉末類似的問題?，F(xiàn)有?；幚矸椒▽τ谕ǔ０殡S熔融金屬在水下的大量積累而產(chǎn)生偶爾的爆炸是敏感的。當所述?；牧蠌牧；b置中生成時，?；牧贤ǔＪ菨竦摹＿@種潮濕當接著使用所述材料時會帶來問題，并且這樣的材料通常必須是干燥的。需要的確定大多數(shù)使用者似乎優(yōu)選尺寸范圍在20毫米至100毫米之間的鐵合金塊。這種說法的原因在于這個尺寸范圍的金屬塊將快速穿過覆蓋熔融金屬熔池的熔渣層。還要求所述材料通過現(xiàn)有的材料輸送系統(tǒng)而被容易地輸送。這種材料也應(yīng)該是干燥的?，F(xiàn)有的粒化材料雖然是易于輸送的，但是顆粒太小。利用粉碎澆注的鐵合金而得到的金屬塊似乎可滿足這樣的尺寸要求，但是由于形成一些粉末而帶來不可避免的損失。還有一些使用者喜歡使用粒狀物甚于材料粉碎得到的塊狀物。這顯然不是可生產(chǎn)具有由使用者提出的形狀和尺寸的沒有顯著缺點的粒狀材料的現(xiàn)有技術(shù)。因此，盡管進行了其它工作，可還特別需要一種利用直接凝固而不采用穿插粉碎而將熔融金屬轉(zhuǎn)變成為具有最終使用者所接受的尺寸和形狀的金屬塊的可靠、安全、方便和低成本的處理方法。這些金屬塊最好為大體上球形或餅干狀，其最長尺寸通常在20毫米和100毫米之間。除了上面所提到的要求以外，這些金屬塊理論上可經(jīng)過在存貯、輸送和貯運過程中不會分解成粉末的嚴格考驗。生產(chǎn)這種金屬塊的技術(shù)與目前使用的方法相比不應(yīng)更加危險，而且不要求更多的人為勞動和維修。顯然要求這樣一種方法不應(yīng)將大量的不需要雜質(zhì)帶入鐵合金中。該方法同現(xiàn)有方法相比，其結(jié)構(gòu)和操作應(yīng)該更加簡單。發(fā)明的概述首先，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)塊狀物或卵石狀物的方法，其中將熔融金屬流以同向流動方式引入一個冷卻流體的穩(wěn)定流束中。(換言之，引入金屬流的方向基本上與冷卻流體流動方向相同)。金屬與冷卻流體的混合物可以但不是必須地收容在一個流槽中，金屬與冷卻流體之間存在一個小的并且是可以控制的流速差。該流速差應(yīng)該小于5米/秒但最好小于2米/秒，以便形成大的固體材料塊。金屬和冷卻流體的流動應(yīng)是層狀的并且穩(wěn)定的?！皦K狀物”與“卵石狀物”一詞在這里是可互換使用的。所述冷卻流體可以是水；一種有機或無機液體；一種漿料(例如、一種由石墨或其它微小物質(zhì)與濃度高的溶劑所形成的是濁液)；一種含鹽(例如鹽水)和表面活性劑或液體(有機或無機的乳化液或溶液)；一種由細小固體微粒形成的流化床。冷卻流體的重要性能包括密度、沸點、比熱、熱交換性能、粘度以及與熱金屬塊表面的化學反應(yīng)性能。盡管由于水的利用率、潔凈度和比熱較好，人們通常選擇水，但是使用其它液體或物質(zhì)的混合物也會帶來一些好處。例如，在水中加入可溶解的鹽可提高沸點并且會提高將熱量從熱金屬或熔渣帶出的能力。制備一種水基漿料，例如將鐵硅粉末、鎂或石墨粉末加入水中，還可改變水的密度和粘度。通過加入鐵硅粉末可使密度達到3.5g/cm3。加入石墨可提高固體塊狀物與流槽底部之間的潤滑性能并且還可改變冷卻劑的氧化能力。加入高分子醇(例如異丙基醇)同樣可以改變冷卻劑的氧化能力。如果需要的話，利用加入硝酸鹽可使系統(tǒng)在一定程度上具有氧化性。反之，則利用加入亞硝酸鹽來保證冷卻劑的還原氛圍。在高價值金屬的特殊情況下，使用諸如油或硅酮基液體作為冷卻劑可能具有一定的好處。加入表面活性劑、氧化劑或還原劑，或者其它可以改善熱金屬塊與冷卻劑之間的表面化學的反應(yīng)的微量化學物質(zhì)也具有一定的好處。流體床可以提供非常高的密度。所述流體可以是自由流動的，也可以是自由落下的。在這種情況下，本發(fā)明方法是以平穩(wěn)的同向流動方式將金屬液引入流體流束中，與利用水平的快速流動流體流來噴散一個基本垂直的金屬液流的ShowaDenko?；椒ㄊ遣煌?。作為另一種選擇，可以利用一個諸如流槽的適當結(jié)構(gòu)件來引導(dǎo)所述流體流來使之沿一個預(yù)定通道移動。當使用一個結(jié)構(gòu)件來引導(dǎo)流體流束流動時，可以按照要求來設(shè)置或改變所述結(jié)構(gòu)件的傾斜角度、長度和形狀，以便和熔融金屬流浸入流體流束中的同時使金屬流從結(jié)構(gòu)件滑下，同時確保對金屬充分冷卻和控制所要得到金屬塊的形狀。產(chǎn)品形狀在一定程度上可由流槽中的通道形狀來控制。所述流槽底部可有大量的平行通道，這些通道有效地形成多個同時使一定量的熱金屬流被帶走的平行路徑。在一個反饋系統(tǒng)中，通過對金屬塊形狀的聯(lián)線估測的方式可對提供熔融金屬的中間包位置進行控制。該流槽也可具有復(fù)合形狀。例如，該流槽可包括一個傾斜程度較大的初始區(qū)域和一個傾斜程度較小的第二區(qū)域，第二區(qū)域可以大致為線性的。所述初始區(qū)域中的曲率可以是這樣，即使冷卻流體和金屬流的軌跡相一致，以便金屬流的有效垂直加速度被降低到通常由重力產(chǎn)生的加速度以下。在這樣的環(huán)境下，可使冷卻流體和金屬流四下加速的情況接近甚至超過自由下落的情況?；蛘撸摿鞑劭删哂幸粋€以任何一個合適的角度傾斜的直線路徑。另一種選擇是沿流槽的一個區(qū)域具有起伏不平的部分。作為又一種選擇，當從平面圖中看去時，該流槽可以是直線的或者可遵循一種曲線路徑，例如一種螺旋形流槽。最佳外形可以根據(jù)需要處理的材料性質(zhì)來選擇，每一種材料可以要求不同的外形。所形成的卵石狀金屬的長寬比、形狀和尺寸可能會受到下列因素中的一個或多個影響冷卻流體支承構(gòu)件的傾斜程度；冷卻流體支承構(gòu)件的截面形狀，熔融金屬溫度超過其液相溫度的量，即被稱為“過熱”的溫度值；熔融金屬流沖擊冷卻流體或用于引導(dǎo)冷卻流體的支承構(gòu)件底部的沖擊角度；冷卻流體流的溫度和組分以及冷卻流體的或者金屬流的流速，或者冷卻流體和金屬流的流速，和冷卻流體和金屬內(nèi)的固有紊流方式。本發(fā)明的一個重要方面在于，當金屬塊形成在冷卻流體中以后，應(yīng)該在所述金屬塊受到?jīng)_擊之前使金屬塊充分凝固并使之具有一個足夠厚的殼層以避免因受到?jīng)_擊而破壞其形狀。金屬塊充分凝固所需時時間隨許多參數(shù)的變化而改變。這些參數(shù)包括金屬塊的熱交換率、需要導(dǎo)出的能量值、與冷卻流體接觸的時間、冷卻流體的類型、金屬塊的尺寸和形狀、金屬塊在高溫下的機械性能和熱學性能以及液態(tài)金屬塊的表面張力。重要的是，應(yīng)使金屬流浸在冷卻流體流中的時間足夠長以保證從金屬中吸收足夠熱量，以便當將金屬塊與冷卻流體流分離時，金屬是堅硬的。可以通過將金屬塊從冷卻流體中排放到一個存貯或收集的容器中或者排放到一個諸如鏈式篩網(wǎng)或振動臺的流體金屬分離裝置上使金屬與冷卻流體分離，該裝置應(yīng)當是這樣，即不能產(chǎn)生剛性堆積而是材料熱態(tài)成塊，這是為了防止蒸汽和氫氣爆炸所必須的。可以利用一個與連續(xù)篩網(wǎng)運輸機類似的裝置或者振動輸送裝置或其它裝置來運送金屬塊。如果冷卻流體中有一些可熔材料，那么在這個階段可以使用一個噴射和沖洗臺。當使所述材料分離并將之輸送到一個適當?shù)馁A放地或者輸送到一個標準的篩選設(shè)備進行挑選之后，可使所述材料進一步冷卻。也可以在移動這些金屬塊時提供一個用于冷卻這些金屬塊的裝置。例如可將這些金屬塊集中或放置在一個諸如篩網(wǎng)運輸裝置之類的耐熱輸送裝置上，并可通過將空氣引導(dǎo)到這些金屬塊上的方式使金屬塊變干。本發(fā)明還提供了使冷卻流體流動并將熔融金屬以基本同向流動方式引入所述冷卻流體流中的裝置。還可設(shè)置用于改變冷卻劑和金屬的流速的裝置。例如，使用一個變速泵或控制閥來改變冷卻劑的流速。熔融金屬的流速與冷卻劑的流速的比值可在1∶5至1∶15之間，對于大量生產(chǎn)而言，該比值通常為1∶10。還可利用其它一些適當方式控制金屬的流速，例如通過改變中間包中(將金屬液排放到冷卻流體中)的金屬壓力來控制金屬流速。也可以通過改變中間包出鐵口的截面來改變金屬液流的流速，例如在澆注過程中或澆注前動態(tài)地改變出鐵口的直徑或使用一個錐形堵塞物。可以對中間包的位置進行調(diào)整，使其在一個水平平面內(nèi)或一個垂直平面內(nèi)移動，從而使金屬流以最佳角度和最佳位置落入冷卻劑中。本發(fā)明裝置還可設(shè)有用于使金屬以澆包注入中間包中并可控制金屬流速的傾斜機構(gòu)。多余金屬的緊急溢流也可是金屬流速控制的一部分。本發(fā)明裝置可包括一個或多個具有適當幾何形狀的出鐵口，以便使金屬以適當?shù)牧魉俸蛢A斜角度從中間包引入冷卻劑中。雖然由于雷諾數(shù)高而使冷卻劑無法避免出現(xiàn)紊流，但是冷卻劑的流動應(yīng)該是平靜和穩(wěn)定的。因為過大的紊流會影響金屬塊的形狀和大小，所以應(yīng)該避免出現(xiàn)過大的紊流。為了達到這個目的，本發(fā)明裝置可包括一個其中充入冷卻流體的鎮(zhèn)靜室(Stillingwell)和一個溢流堰，所述冷卻流體越過所述溢流堰從鎮(zhèn)靜室流入流槽中?？梢栽诩尤虢饘偾袄盟隽鞑鄣某跏紖^(qū)域來消除過大的紊流。還可設(shè)置一個儲放冷卻流體的容器，以便在停電時，仍可在給定時間內(nèi)保證冷卻劑連續(xù)的供給。因為熱量散失在冷卻劑中，所以可能需要設(shè)置用于冷卻流體的設(shè)備。下面將參照，附圖結(jié)合實例進一步敘述本發(fā)明。其中，圖1表示本發(fā)明裝置所使用的一個流槽的一些不同的截面形狀。圖2表示在15℃的水中急冷的鐵鉻合金的球形金屬塊內(nèi)部的一個計算溫度分布情況；圖3是本發(fā)明裝置的簡單側(cè)視圖，該圖表示了同向引入和速率差最小的原理；圖4是一個表示用本發(fā)明所生產(chǎn)有卵石狀金屬尺寸的相對比例的圓形分布圖；圖5包括幾張根據(jù)本發(fā)明原理利用實驗裝置所生產(chǎn)的卵石狀金屬的金相照片；以及圖6表示工業(yè)上用于生產(chǎn)卵石狀金屬的本發(fā)明裝置的一個實施例。理論分析本發(fā)明是根據(jù)對少量熔融金屬或熔渣與諸如水的冷卻劑接觸過程進行理論分析所得到的結(jié)果提出的。因此，將對本發(fā)明所使用的理論進行簡要敘述。當液體金屬冷卻凝固時控制根據(jù)液體金屬物化處理方式所得到的金屬塊的尺寸。在這樣一個處理過程中存在許多影響金屬塊形狀的作用力，并且在某種程度上，金屬塊的最終尺寸與形狀是由作用在金屬塊上的作用力所確定的。這些相關(guān)的作用力是表面張力。所述表面張力趨開使金屬塊成為球狀，但這個作用力相對較弱。該作用力是當金屬還是液態(tài)時使金屬液成為一個大金屬塊的一個主要作用力。流體阻力。在液體中移動的物體將會遇到阻力。在一滴金屬液流入冷卻液中時，流體阻力趨于破壞金屬液滴表面，從而使液滴破裂。移動的作用力。液體金屬或者冷卻液的流動由于它們的沖量而保持移動。沖擊在表面上的一個液體流動將變平和延伸，并且可成分裂成多個小團狀液體或液滴。液滴內(nèi)存在強大的流動可使液滴破裂。重力和約束力。重力同其它作用在一個液滴上的作用力相比是較強的，特別在經(jīng)過一個較短距離后，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時的速度增加，重力還使裝在一個容器的液體呈所述容器的形狀。但是，如果液體在所述容器底部不浸潤，那么在重力使滴體變平的同時，表面張力會趨于使液體成為球狀。摩擦力。沿一個通道滑下的金屬塊會遇到由于與通道底部摩擦所產(chǎn)生的摩擦阻力，該摩擦阻力也足以破壞金屬塊的形狀甚至使金屬塊破裂。本發(fā)明是基于采用一種裝置，該裝置通過將這些作用力結(jié)合起來形成大塊的金屬或熔渣，而并非是由其它?；b置所形成的相對較小的金屬塊或熔渣塊。必須在相對比例如簡單地將熔融金屬流注入水中的形式更加安全的環(huán)境下形狀大金屬塊。為了達到這些目的，必須使熔融金屬流不能遭受大于表面張力的阻力或移動力。其次，必須使所述金屬流分解成所要求尺寸和形狀的液團最后，不能使這些液團受到任何類型的非常大作用力，直至它們充分凝固。利用有限元方法模擬形成單個液團幾乎是不可能的，這是因為這個過程基本上是無規(guī)律的。但是，對于基本的機械原理進行數(shù)值分析可能會得到一些啟示，并且還可以使用其它諸如微量分析(dionensionalanedysis)和自由能的分析方法。下列分析使用了這些原理。上述分析表明，通過討論表面張力和阻力之間的相互作用、在某一特定時刻充填到所述流槽中的材料量以及傳遞給金屬或熔渣的動能，能夠使金屬液流分解成所需要的液團。下文所描述的結(jié)果是利用水中模擬實驗來檢驗的。阻力與表面張力的比假設(shè)一個球形液團在液體中移動。阻力由下面這個關(guān)系式得出Fdrag＝CD(πr).(py2/2)(1)而將液團的兩個部分結(jié)合在一起的表面張力由下面這個關(guān)系式給出Fsurften＝σ2πr(2)其中，CD是阻力系數(shù)(沒有量綱)；y是液團半徑(單位是米)p是液團周圍的流體密度(單位是公斤/米3)v是液團相對于流體的速度(單位是米/秒)，σ是液團與流體接觸面處的表面張力(單位牛頓/米)因此，這兩力之間的比值為Rauo＝Fdrag/Fsurften=(CD4)(&rho;v2r&sigma;)---(3)]]>關(guān)系式(3)中第一個括號相對于一個給定的幾何條件是基本不變的。目前實際問題是最重要的一項是第二括號，這里可將其定義為液團數(shù)系數(shù)Nb10b，bNblob=&rho;v2r&sigma;---(4)]]>這個元量綱的數(shù)值也被稱為韋伯數(shù)，但由于韋伯數(shù)還有其它含義，在這里使用“液團系數(shù)”一詞以避免混淆。當Nb10b大于某一臨界值時，液團將破裂。反之，如果液團系數(shù)低于該臨界值，那么液團將保持完整。在關(guān)系式(4)中，參數(shù)σ和ρ僅取決于液團的結(jié)構(gòu)，在某種程度上說取決于液團已知所要求的尺寸r，即已知r，僅可通過改變速度v來使液團系數(shù)低于臨界值。并且，如果速度v上升，則尺寸r下降。實際中，這意味著，如果想要得到大金屬塊，那么必須使液團速度與流體速度相近。通過使熱金屬或水流同向流動并且速度相近就可以達到改進現(xiàn)有技術(shù)的目的。熱金屬流的分解在通道中的一條液體金屬帶的特點是由表面能和勢能結(jié)合所形成的自由能，但是，在一些情況下，通過使這樣一條金屬帶自然地分裂成多個液團可以得到較低的自由能。理論上可以這樣表示，即對于這樣一個金屬流，用每單位長度的某一質(zhì)量值(單位kg/m)表示最少自由能，這里稱之為臨界載荷。因為在臨界載荷處，自由能最小不可能再下降，所以液體金屬帶仍保持帶狀并且不會分裂成液團。如果使金屬帶每單位長度的質(zhì)量小于臨界載荷，那么多余的自由能將驅(qū)動所述裝置使金屬帶自然地分裂成多個部分以便使在每個部分中的每單位的長度的質(zhì)量大約等于臨界載荷。反之，如果每單位長度以質(zhì)量大于臨界載荷，多余物質(zhì)將流出金屬帶端部以恢復(fù)到臨界載荷。實際上，這意味著本發(fā)明裝置必須在形成低于臨界值載荷的熔融金屬流的狀態(tài)下運行，以便使所述金屬帶破裂。雖然所述臨界值可根據(jù)諸如表面張力。密度以及通道曲率等參數(shù)而改變，但是對于具有相近表面張力和密度的鐵、鐵合金以及其它材料，使用常規(guī)流槽，可以計算出該臨界值，該臨界載荷大約為1.5kg/m。如果，例如金屬速度為2.0m/s，那么金屬通過速度的最大絕對值大約為1.5kg/m×2.0m/s＝3.0kg/s。移動力因為表面張力較弱，所以表面能同動能和勢能相比是較小的。因而，如果是較大的而不是較小的金屬液團落在一個表面上，那么它將濺散并分裂成多個更小的液滴。一些常用的比較值如下。假設(shè)一個液團質(zhì)量為0.1公斤，表面積為0.003平方米。如果表面張力為1.0牛頓/米，那么每單位質(zhì)量的表面能為0.03焦爾/公斤(由0.003m2×1.0牛頓/米÷0.1kg)這個關(guān)系式計算出來)。對于相應(yīng)的液團動能，僅需要大約為0.25m/sr速度(由2×0.03焦耳/公斤計算得出)?；蛘?，將其轉(zhuǎn)化為勢能。則僅要求升高3毫米(由0.03焦耳/公斤÷9.8m/s2所得出的)。雖然不是所有的液團勢能或動能都能克服表面能，但應(yīng)由這些值表現(xiàn)出來，這就是為什么需要將熔融金屬慢慢地引入水流中的原因，特別注意的是，保持同向流動和相似的速度，并且在金屬流遇到水之前不要熔融金屬流下蕩得太快。瞬時熱量場的計算上面已經(jīng)說明了液團在凝固前不能受到?jīng)_擊或受到其它外力作用的重要性原因。這部分討論在液團成為固體之前必須保持在冷卻液流中的時間長短。這個參數(shù)可以控制流槽的長度。因為準確地測量這個值是困難的，所以需要計算這些溫度的分布情況。利用與可獲得的熱物理數(shù)據(jù)結(jié)合的流徑金屬球和金屬板的瞬時熱量的現(xiàn)有解決辦法，并將這些內(nèi)容一起輸入一個為客戶設(shè)計的計算機程序中。一個被稱為畢奧數(shù)(Biot)的無量綱的評估值小于金屬塊和周圍環(huán)境之間的溫度梯度，所述皆奧數(shù)用Nbi表示，該值代表一定體積的液體鐵合金內(nèi)部溫度梯度，并且表示了所要求的現(xiàn)有解決方法以計算溫度值。對于?；幚淼臒峤粨Q計算的最相關(guān)部分指的是開始幾秒，因此在連續(xù)計算中需要多達80項以便提供合理的準確性。進行這些計算所需要的各種物理參數(shù)已列在表1中。根據(jù)利用原始量熱實驗和熱交換實驗，進格、校的和適合的文獻得到這些數(shù)值。表1用于表示鐵鉻金屬球或金屬板內(nèi)的溫度分布的數(shù)據(jù)。</tables>*包括凝固潛熱由熔融鐵合金液團的熱量轉(zhuǎn)換初始是熱傳導(dǎo)和輻射的結(jié)合。但是，所討論的分析表達式僅涉及經(jīng)過一個邊界層的導(dǎo)熱交換。然而，因為在金屬或熔渣很熱的情況下輻射熱交換也是很重要的，所以以等量熱交換系數(shù)hr的形式計算輻射熱交換，其中hr=&sigma;.&epsiv;.(Ts+Ta).(Ts2+Ta2)]]>這里，σ是Stefan-Boltmann常數(shù)，ε是金屬的熱輻射能力。因此，與外部環(huán)境的熱交換總量大約為q＝A.(hr+hc).(Ts-Ta)該熱交換計算與金屬充分凝固以抵抗沖擊變形的溫度值的確定結(jié)合在一起的，關(guān)于該溫度值的確定將在下面進行討論，從而可估計使所要求的金屬塊形狀穩(wěn)定的所需最短時間，并可確定流槽所要求的長度。建立剛性的溫度值的確定金屬溫度高于其液相溫度時，可以假設(shè)金屬不能承受一個剪切應(yīng)力，并且當其溫度低于其固相溫度時，金屬凝固。因而，顯然凝固的金屬液團具有剛性的臨界溫度值在其液相溫度與固相溫度之間的某處。因為液相和固相溫度的準確值會影響澆注卵石狀金屬過程，所以在一些情況下，利用微分熱分析方法(DTA)以及根據(jù)相圖確定實驗中所使用材料的相應(yīng)溫度。建立金屬剛性的溫度值取決于金屬如何凝固，并且參照圖2。在加入鉻的情況下，耐火組分Cr7C3針狀工晶體并在低于液相溫度大約50℃的溫度區(qū)域內(nèi)大量均勻而快速地形成。這些針狀晶體可在以后相關(guān)的金相實施中被發(fā)現(xiàn)。盡管液體最終會在1200℃附近凝固，但是可以發(fā)現(xiàn)，加鉻的試樣在大約1500℃時就已經(jīng)具有剛性。利用類似方法對于其它金屬也是適用的，但是溫度范圍可能不同。對于不同尺寸的液團達到剛性的臨界時間的確定使一種材料的液團具有剛性的時間取決于一些因素，這些因素包括熱交換率、液團的尺寸和形狀以及使所述液團凝固于其中的介質(zhì)溫度和組分。為了說明上述觀點，在下面的計算中，假設(shè)當1500℃或小于1500℃的材料薄層向著一個高碳鐵鉻球中心方向延伸大約20％的距離時，該球到達需要的剛性。類似的計算方法也可用于其它金屬。對于直徑為10毫米的液團計算可以看出，其在空氣中凝固需要不可能實現(xiàn)的很長一段時間。但是，在利用水做為急冷介質(zhì)時，所述液團在不到一秒的時間內(nèi)即可具有有效的剛性。在實際操作中，需要生產(chǎn)大約為20到100毫米特定尺寸的卵石狀金屬。這就要求，在液團凝固具有剛性前，必須利用一種諸如水的介質(zhì)來吸收熱量，大約需要21/2到3秒的時間。實際實施對本發(fā)明裝置的各種結(jié)構(gòu)進行了實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2米長的流槽太短，結(jié)果排出的仍是液團。10m長的流槽可以形成固體材料。對于通道，實驗了三種半徑的曲率，即50mm，75mm和100mm。三種曲率半徑都可運作，但最少的曲率半徑往往生成太細的液團。另一方面，由于金屬往往是一側(cè)到一側(cè)彎曲流動的并且與通道側(cè)壁發(fā)生碰撞，所以最大曲率半徑的通道太過扁平了。本文很好地分析了通道中冷卻流體流動情況。從流槽中流下的水的流速取決于流速、傾斜程度和水力半徑，在本發(fā)明裝置中，如圖3和圖6中所示，水的流速大約為2m/s到3m/s，斜度約1∶7至1∶13，每條通道的流速大約為10L/s到25L/s。斜度太大會形成可對液團形狀產(chǎn)生不利影響的過大紊流。斜度過小以及流速過小偶而會使液團停留在流槽中。在所有情況下，設(shè)置一個大約2米的穩(wěn)定距離以使初始的未處理液流在加入金屬前穩(wěn)定下來。圖3以放大的形式描述了圖6中所示裝置的一個部分。熔融金屬10裝在中間包12中并通過一個或多個孔14排放到短耐火材料襯的通道或出口16上。利用中間包中的所述孔尺寸來調(diào)整金屬的排出速度。出口16將來自中間包12的熔融金屬慢慢地引入到流槽20中的水流18中。金屬流速通常大約為每流槽通道每秒1.5至2.5公斤。盡管準確的限定取決于金屬類型，但是高流速往往會形成一系列“香腸”，而不是離散的液團。通過實驗確定，每米通道長度加入1.8kg的低碳鋼，可以產(chǎn)生連續(xù)的“香腸”。對于較低的金屬流速來說，除了金屬可能在金屬流速很低時凝固以及較低的流速會導(dǎo)致影響處理方法的經(jīng)濟性的低生產(chǎn)率以外，沒有其它特別的缺點。圖6示意性地表示了本發(fā)明裝置22。其中與圖3中相同的標記代表與之相應(yīng)的部件。流槽20可以是一個單一通道或多通道的裝置，并由一個適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)件24支撐，以給出所要求的流槽傾斜度。流槽通向一個回收容器26中并利用泵28通過管路30使水在回收容器26與貯水容器32之間循環(huán)。所述貯水容器32通向位于流槽上端的一個鎮(zhèn)靜室34中，從凹處溢流的水進入流槽的上部36，它使水流穩(wěn)定。熔融金屬從一個澆包38充填到中間包中，利用適當?shù)纳翟O(shè)備(未示出)支承所述澆包38。備用澆包40和42是安全接收容器，當出現(xiàn)金屬液溢出時澆包40和42可以接收溢出的金屬液。從中間包流出的熔融金屬流入橫向澆道44中，如果流槽中只有一條通道，則所述橫向澆道44將金屬液排放到出鐵口16中，如果流槽中有多個通道，則所述橫向澆道44將金屬液排放到多個出鐵口中?？梢钥刂评鋮s水流和熔融金屬流的流速，以保證形成最佳的金屬塊?？梢酝ㄟ^改變泵28的速度或利用控制閥(未示出)來改變水的流速，從而改變水的流量和流速得到控制。例如可以通過改變中間包中的金屬壓力或改變排出熔融金屬所通過的中間包出鐵口的橫截而來控制熔融金屬的流速。還可對中間包和橫澆道系統(tǒng)的位置進行調(diào)整。例如可使所述系統(tǒng)水平或垂直移動，以便使金屬溢流以最佳角度和最佳位置落入水流中。一個振動分離裝置安裝在回收容器上方。所述分離裝置攔住固體金屬塊并允許液體流過所述回收容器中。所述分離裝置使金屬塊向其排出端48移動，從分離裝置落下的所述金屬塊收集在一個堆積處50中，或者被送至一個冷卻和干燥設(shè)備中。申請人已知的?；幚矸椒軌蛏a(chǎn)濕的或潮濕的粒狀物。將這樣的粒狀物送入爐中可能產(chǎn)生爆炸。因此，最好使金屬塊變干，例如利用諸如鏈式篩網(wǎng)或其它任何適當?shù)哪蜔彷斔驮O(shè)備使金屬塊變干。如圖6中所示的分離裝置46可具有很長的長度，用于輸送金屬塊并使之通過一個或多個吹送空氣裝置51，所述吹送空氣裝置51將空氣流直接吹向金屬塊，如果需要可以從不同方向進行吹氣，以保證至少部分金屬塊干燥，并至少在一定程度上使金屬塊冷卻。作為振動分離裝置的另一種選擇，可使用一個鏈式篩網(wǎng)來從金屬塊分離液體。在本發(fā)明的裝置操作中，安全性是一個重要因素。對于常規(guī)粒化裝置，熔融金屬與水的接觸偶然會產(chǎn)生爆炸。但在本發(fā)明裝置中，在任何給定時間內(nèi)與水相接觸的金屬量都較小。圖1示出了流槽的不同橫截面形狀。圖1(a)示出了曲率半徑較小的流槽，而圖1(b)示出了曲率半徑較大的流槽。圖1(c)表示與流槽內(nèi)橫截面形狀相符合的水套52。圖1(d)示出了具有兩個并列通道的流槽，每個通道都容納有將引入各自熔融金屬流的流體流束。圖1(e)示出了具有一個用以集中熔融金屬流的中央通道54的流槽，所述中央通道54兩側(cè)具有允許較大體積水流通過的外圍通道56。當通道半徑太大時，最后所提的設(shè)計形式趨于限制前面所提到的液體金屬的彎曲效應(yīng)。熔融金屬的實驗設(shè)備利用一個感應(yīng)爐重新熔化50公斤以內(nèi)的金屬，所述金屬被引出并被輸送到一個中間包，金屬從中間包流入流槽。利用一個浸入式熱電偶或高溫計，或者兩者來記錄金屬的流出溫度。過程在該裝置上，用多種不同構(gòu)成的合金進行數(shù)次試驗。下面在表2中給出了所使用合金的標稱組分。表2在卵石狀物鑄造試驗中所用鐵合金的組分結(jié)果正如理論分析所預(yù)測，可以發(fā)現(xiàn)，冷卻劑紊流程度過大會產(chǎn)生不規(guī)則形狀的顆粒，而流槽的斜度太低或金屬流量太大會形成長的香腸狀產(chǎn)品。最好形狀的產(chǎn)品獲得的條件是，流槽長度為10米，斜度在1∶8至1∶12的范圍內(nèi)，金屬輸送速率大約為每通道每秒1.5公斤，以及相對平穩(wěn)的水流，流量大約為每通道每秒約15升。因此，對大量生產(chǎn)而言，金屬與水的流量比大約為1∶10。圖5、5(a)、5(b)、5(c)和5(d)中表示了利用不同結(jié)構(gòu)和金屬所得到的一些產(chǎn)品，而圖4表示所生產(chǎn)的金屬塊尺寸分布情況。所述試驗是在一個在每分鐘僅能處理0.15噸液態(tài)金屬的工廠內(nèi)進行的。一個滿負荷的工廠應(yīng)該可以從每分鐘處理多至3噸左右的速度處理液態(tài)，并且可以在多至30分鐘內(nèi)不間斷地工作。權(quán)利要求1.一種生產(chǎn)金屬塊的方法，其中將熔融金屬流以同向流動方式引入冷卻流體的穩(wěn)定流束中。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中冷卻流體可由下列物質(zhì)中選擇水；一種有機或無機液體；一種漿料(例如由一種石墨或其它微小物質(zhì)與高濃度的溶劑所形成的懸濁液)；一種含鹽(例如鹽水)和表面活性劑或液體(有機或無機)的乳化液成溶液；一種由細小固體微粒形成的流化床。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中冷卻流體與熔融流束的流速差小于5米/秒。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述流速差小于2米/秒。5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的方法，其中，冷卻流體是自由流動的。6.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的方法，其中利用一個適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)件來引導(dǎo)所述冷卻流體使之沿一個預(yù)定通道移動。7.如權(quán)利要求6所述的方法，包括改變所述結(jié)構(gòu)件的傾斜角度、長度和形狀的步驟，以保持熔融金屬流浸入冷卻流體中。8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所述預(yù)定通道包括一個傾斜程度較大的初始區(qū)域和一個傾斜程度較小的第二區(qū)域。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述初始區(qū)域的曲率是這樣的，即使冷卻流體和金屬流的軌跡相一致，以使金屬流的有效垂直加速度降低到通常由重力產(chǎn)生的加速度以下。10.如權(quán)利要求6、7、8或9所述的方法，包括通過改變下列因素中的一個或多個來控制金屬塊的長寬比、形狀和尺寸的步驟，所述因素包括冷卻流體支承構(gòu)件的傾斜程度；冷卻流體支承構(gòu)件的截面形狀；熔融金屬流的溫度超過其液相溫度的量；熔融金屬流對冷卻流體或支承構(gòu)件底部的沖擊角度；液體流束的溫度和組分；冷卻流體的流速或金屬流的流速，或者兩者；以及冷卻流體和金屬內(nèi)的固有紊流模式。11.如權(quán)利要求1至10中任何一項所述的方法，其中，當金屬塊在冷卻流體流中形成以后，在所述金屬塊受到任何沖擊之前，允許金屬塊充分凝固并具有一個足夠厚的殼層，以避免因受到?jīng)_擊而使其形狀受到破壞。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在金屬塊形成以后，至少仍使金屬塊浸入冷卻流體中保持至少一段時間，所述時間隨下列參數(shù)變化而變化金屬塊的熱交換率；需要導(dǎo)出的能量值；金屬塊的尺寸和形狀；金屬塊在升高的溫度下的機械性能和熱學性能；以及液態(tài)金屬塊的表面張力。14.如權(quán)利要求1至12中任何一項所述的方法，包括使金屬塊與冷卻流體分離的步驟。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中通過將金屬塊從冷卻流體中排放到一個貯存或收集容器或一個流體/金屬分離裝置上使金屬化分離。16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，包括使金屬塊變干的步驟。17.一種生產(chǎn)金屬塊的方法，其中將熔融金屬流以基本與冷卻流體流動方向相同的方向引入到冷卻流體中。18.用于生產(chǎn)金屬塊的裝置，包括提供冷卻劑流的裝置和以基本同向流動的方式將熔融金屬流引入冷卻劑流中的裝置。19.如權(quán)利要求18所述的裝置，包括用于控制冷卻劑流和熔融金屬流的流速的裝置。20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中由一個中間包來供給熔融金屬流，并且通過改變下列因素中，至少一個來控制熔融金屬流的流速中間包中的金屬壓力；中間包出鐵口的橫截面；中間包的位置。21.如權(quán)利要求18至20的任何一項所述的裝置，包括至少一個以所需速度和沿所需方向?qū)⑷廴诮饘倭饕肜鋮s劑流中的耐火出口。22.如權(quán)利要求18至20中任何一項所述的裝置，包括使冷卻劑在其中流動的一個流槽。23.如權(quán)利要求23所述的裝置，包括一個其中充有冷卻劑以鎮(zhèn)靜室和一個溢流堰，所述冷卻劑越過溢流堰從鎮(zhèn)靜室流入流槽中。24.如權(quán)利要求22或23所述的裝置，其中所述流槽具有一個初始區(qū)域和一個第二區(qū)域，所述初始區(qū)域中只有冷卻劑流動，熔融金屬流在所述第二區(qū)域的起點被引入冷卻劑流中。25.如權(quán)利要求22至24中任何一項所述的裝置，包括位于所述流槽下端的用于將金屬塊從冷卻劑流中分離出來的裝置。26.如權(quán)利要求22至25中任何一項所述的裝置，其中所述流槽的通道半徑為50毫米和100毫米之間。27.如權(quán)利要求22至26中任何一項所述的裝置，其中，所述流槽的斜度為1∶7至1∶13之間。28.如權(quán)利要求22至27中任何一項所述的裝置，其中，所述冷卻劑流的流速為每流槽通道每秒10至25升。29.如權(quán)利要求22至28中任何一項所述的裝置，其中所述熔融金屬流的流速為每流槽通道每秒1.5至2.5公斤。30.如權(quán)利要求18至29中任何一項所述的裝置，其中對大量生產(chǎn)而言，熔融金屬流的流速與冷卻劑流的流速的比值在1∶5到1∶15之間。31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述比值大約為1∶10。32.如權(quán)利要求18至31中任何一項所述的裝置，包括用于將金屬塊從冷卻劑中分離出來的裝置。33.如權(quán)利要求32所述的裝置，包括至少使金屬塊部分變干的裝置。34.如權(quán)利要求32或33所述的裝置，包括至少使金屬塊部分冷卻的裝置。35.用于生產(chǎn)金屬塊的裝置，包括一個傾斜的流槽，用于將一種冷卻劑流體從所述流槽上端送入所述流槽中的裝置，以基本與所述冷卻流體流動方向相同的方向?qū)⒁蝗廴诮饘倭饕肓鞑壑欣鋮s劑流體中的裝置，以及在所述流槽下端用于將金屬塊從所述冷卻劑流體中分離出來的裝置。全文摘要利用以基本與水流方向相同的方向和基本與水流速度相同或略小于的流動速度將熔融金屬(10)引入水流(18)中的方式來生產(chǎn)金屬塊或卵石狀金屬。文檔編號C21B3/08GK1201413SQ9619799公開日1998年12月9日申請日期1996年9月9日優(yōu)先權(quán)日1995年9月7日發(fā)明者F·C·勒維,M·B·科蒂,I·J·巴克申請人:明特克公司