本发明涉及对围绕在进入接收器的自由流体物流的环境进行控制的方法和装置。 许多有机物和无机物在与气体接触后会发生有害的反应。例如，当熔化的金属暴露于空气中时，大气中的氧即会溶解于热金属中。氧气可能会氧化某些金属并使它们的品质下降。在生产加工过程中，金属常常必须从一种加工或容留容器中倾倒至另一容器中。在很多实例中，一定量的金属在熔炉中熔化，然后，将液态金属从熔炉中倾倒至一个接收器中，如炉缸、模具、铸桶（ladle）或浇口盘（tundish）。如果倾倒过程在空气中进行，液体物流对空气的溶解很敏感，并被空气氧化。
现在，人们已采用了多种手段来保护熔化金属倾倒物流。保护方法之一是将两种容器如熔炉和接收器全都包封在一个已抽空空气的保护箱内。但是，这种方法成本大为增加而且操作不方便。由于是将熔炉包封起来;故而所有的操作过程均须通过保护箱外壁上的摇控来进行。另外，保护箱也会防碍对熔炉及接收器中的液面水平的目视观察，而液面水平须加以控制以保证适宜的加工性和安全性。由于需要能量来运行真空泵以及须使用常用的惰性气体再填充保护箱以使熔化的金属从接收器中排出，运行费用非常高。
另一种保护方法是通过一个管子或管套将熔化的金属从熔炉倾倒至接收器中。但是，这种方法不方便，并且也不能实现完全保护。由于通常是将熔炉倾斜以倾倒液体，固定尺寸的刚性管或管套就不可能被调节以使熔炉出料口与接收器开口间的距离得以改变。在倾倒过程开始以前，管子或管套中通常也充满空气，当倾倒过程开始后，它们会与液体物流发生接触。此外，管子或管套也会防碍对经接收器开口的液面水平的目视观测。
在另一种方法中，是将液化惰性气体如液氮引入接收器，以便当液态金属被倾倒至接收器中时，液化气体可漂浮在液态金属表面上。液化气体气化为气体;这种气体将取代接收器空间中地空气并从接收器上升以至少部分保护了倾倒液体物流不暴露于空气中。但是，这种方法使操作费用大大增加，而且所用的液化气体的量也很大。进而，这种方法也存在危险，这是因为液化气体可能会被捕集到熔化的金属中，随后，当捕集的液化气体迅速气化时，就可发生爆炸。
在金属粉末的生产中，热倾倒金属的空气氧化问题显得尤为突出。在压力和温度下将金属粉末成形以形成所希望的形状从而可利用金属粉末生产许多种金属制品。这种粉末冶金方法对于那些难以铸造或难以机械形成的合金最为适宜。粉末冶金方法也可用于赋于所形成的制品具有与微细粉末或粉末的快速固化相关的异乎寻常的性能。
金属粉末的生产过程为：将一定量的金属熔化并产生一种熔化金属的物流，将该物流雾化为液滴，再将液滴固化成粉末。通常是将熔化金属的物流通过高速水、油或惰性气体的射流而雾化的。尽管还可以将熔炉倾斜以使熔化的金属物流倾倒通过雾化射流，但这种方法的效果需要综合考虑，因为很难控制物流与雾化射流间的几何关系。结果，固体金属通常在熔炉内熔化，液体金属被倾倒至几何尺寸固定的浇口盘中，熔化的金属物流从该盘中流向雾化射流。
因此，需要提供一种成本低且不引人注目的方法，这种方法可对接收器开口处及进入接收器开口的自由物流提供可控制的保护环境。
本发明满足了上述需求。本发明提供了一种对接收器开口处和进入接收器开口向下的自由液体物流的周围提供可控制的气体环境的方法，该方法包括：以改进的夫劳德（Froude）数为约0.2～约0.5层流发射至少两道气流以在接收器开口上方延伸并相交，从而形成一条包封自由液体物流的向上卷流（plume）。
本方法可在下述装置中实施，该装置包括：
（a）一个具有一个开口的接收器，开口具有周边和一个平面;
（b）至少一个扩散器，扩散器安装在接近接收器开口周边的至少一部分，扩散器用于至少在接收器开口的一部分上方发射至少两道气流从而在开口的上方产生气流的相交和上升的气体卷流;
（c）在每一扩散器中的一个发射区，每一发射区有一定高度并能发射层流气流;
（d）与每一扩散器相连的气体源;
（e）用于控制向每一扩散器供给气体的装置从而以改进的夫劳德数为约0.2至约0.5来层流发射气流;及
（f）自由流体物流源，流源的位置与接收器开口平面的距离不超过发射区高度的约5倍以使其位于气体卷流内。
自由物流源的位置最好应不偏离垂直于接收器开口的平面且向上通过气流相交位置的线约一个发射区高度。
参考以下对说明书、未决权利要求书及附图的描述，可以更清楚地了解本发明的特征、目的及优点。
图1为本发明所采用装置的截面图;
图2、图3和图4为按照本发明对于由扩散器发射的开口上方的物流而言以三种不同的改进的夫劳德数值得到的显示流动模式的截面图。
图5为在浇口盘的开口中心上方在相应于扩散器发射区高度的倍数的几个不同高度上于气体卷流中测得的氧含量图，其中气体卷流是以不同的改进夫劳德数值由扩散器发射氮气流而产生的;以及
图6为按照本发明在用氮气作保护气体的环境下在浇口盘自由空间内测得的氧含量图，其中显示的是在向浇口盘倾倒熔化的金属物流开始前及开始后的氧含量随时间的变化。
本发明以将熔化金属的自由物流由熔炉倾倒入接收器或如铸桶或浇口盘的容器来描述。本发明提供了一种向围绕熔化金属的自由物流周围及在接收器或容器的未填充空间或液面上空间中提供可控制的气体环境。参看图1，熔炉10有一个出料口12，当熔炉倾斜倾倒时，出料口即为液态金属的自由物流14的流源。液体物流通过开口18进入接收器16中。在开口18的周边附近安装有两个扩散器20，每一个均包含一段直线导管且包含封闭端，还包含一个发射区22以定向发射一道气流，气流位于开口的至少一部分上方。两个扩散器的每一个的长度优选等于开口的直径。也可采用多于两个的扩散器，扩散器也可为曲线形的以更紧密地与开口的周边保持一致。
扩散器相互间最好同样地、相对地发射气流。而扩散器通常也以平行于接收器开口平面的方向发射气流，扩散器也可以向下的小角度如15°或向上的小角度发射、所说的角度以开口平面为基准。尽管如此，扩散器的取向仍应使其发射的气流将向前流动并通常在通过开口中心附近的线处相遇，或在开口中心附近的一点相遇。然后其中的一些气流将变成在未充满的接收器空间内向下循环的气流。而大多数气流将成为向上流动的气流或由开口平面上升的卷流。该卷流包封了进入开口的自由物流。
也可以采用围绕开口周边的环状扩散器。优选环状扩散器内部分成两段或多段，可由每一段来控制气体流动的质量流速，因而可改变卷流的位置。
一般说来，每一扩散器的发射区的高度（图1中定义为t）应至少等于由其发射的气流在接收器上方可能延伸的距离的5%。扩散器发射的气流其源厚度等于其发射区的高度。通常，发射的气流会与另一发射的气流大约在接收器开口的中心处相交。因此，流体层可能延伸的距离为开口宽度的一半加上扩散器的发射表面与开口的周边间的距离。
每一扩散器20或每一扩散段均与一个外部流体源24经导管26和流动控制阀28连通，阀28为可调节的，以改变接收器开口上方气流相遇或相交的位置。优选自由物流进入开口的位置大约不偏离开口上方气流相交位置一个扩散器发射区高度或一个气流源厚度。通过调节自由物流源或气流的相交可实现这一点。因此，大多数的气流将成为包封自由物流的向上的气体卷流。
优选自由物流源的位置与接收器开口平面的距离应不超过气流源厚度的约5倍。实际上，在开始自由物流以前，理想的情形是建立来自扩散器的气源并形成一个包封可能的自由物流源的向上的气体卷流，即包封由熔炉排出的出料口端。由这个方法，将会减少由启动自由物流流动而暂时引入卷流中的空气的量及暂时引入接收器开口的空气的量。最好在整个倾倒过程中使出料口端保持在来自接收器开口的向上气流中。
每一扩散器的发射区能层流地发射气流。当气体速度的随机偏差的均方根不超过在气流的流动方向上在一层的源处平均气体速度的10%，而且在气体层中扰动涡流的尺寸的均方根不超过在其源处气体层厚度的10%时，即认为存在层流。发射区可以是自由开口或用多孔、可渗透或开孔的表面覆盖的开口。优选的材料为烧结的多孔金属，其孔径为约0.5微米至约100微米，最优选约为2微米至约50微米。为了防止外部的损害，多孔表面可用隔网来覆盖，隔网的目数优选为每厘米约1至约50个开孔。
实际上，可调节每一扩散器的流量控制，从而使每一扩散器可层状发射一种气体层，其改进的夫劳德数为约0.2至约0.5，优选约0.3至约0.5。改进的夫劳德数为无量纲参数，用作流体层的动力学相似性的判据，其定义为：
其中Q是为建立气流提供给扩散器的气体的体积流率，A为由气流覆盖的面积，ρc为由扩散器发射的气体的质量流量权重平均（mass-flow-weighted average）密度，ρa为发射的气流上方大气的密度，ρv为在未填充的接收器空间内气体的密度，g为重力加速度，t为气流的源厚度，即其在源处的厚度。
通常向扩散器供应氮气用来发射。但其它的气体如氩气、二氧化碳、氦气、一氧化碳、氢气或它们的混合物也可使用。
实施例1
按照上述对本发明的描述，在接收器的顶表面上方邻近接收器开口的周边处安装有两个对称的直线扩散器，每一扩散器的长度有几个厘米，所说的开口直径为13厘米。扩散器的发射区为烧结的多孔金属，高约3.8厘米。由扩散器以给定的改进的夫劳德数值层流发射氮气。在各种位置将烟喷入气体层以可目视流动模型。
如图2所示，当改进的夫劳德数为约0.25时，穿过开口的气流平稳且为层流状。但是，与周围静止大气的粘性作用降低了气体速度，所以在两道气流相遇的地方，气流的层流特性消散了。形成的上升的卷流是不稳定的，该卷流由几缕混有周围的空气的氮气组成。
如图3所示，当改进的夫劳德数为约0.4时，穿过开口的气流平稳且为层流状。在两道气流相遇的地方，有序地转变为稳定上升的氮气卷流。
如图4所示，当改进的夫劳德数为约0.5时，两道气流以足够的动量相遇导致湍流混合。这种湍流使周围的空气混合入上升的卷流中，从而增加了卷流中的氧含量。但是上升的卷流是平稳的。
实施例2
按照上述对本发明的描述，在浇口盘的顶表面上方邻近浇口盘开口周边处安装有两个对称的直线扩散器，每一扩散器的长度为25厘米，所说的开口直径为13厘米。扩散器的发射表面为烧结的多孔金属，高约3.8厘米。由扩散器以给定的改良的夫劳德数值层流发射氮气。在以下位置测量氧含量：开口平面的中心处，所说开口平面正上方一倍、二倍、三倍和四倍于扩散器发射表面高度处。
综合图5所示的结果可以看出，既使在浇口盘开口中心上方五倍的扩散器发射表面高度的位置上，氧含量也比大气中的氧含量小。改进的夫劳德数为约0.2至约0.5时相对于大气而言氧含量减少了。优选改良的夫劳德数的有效操作范围为约0.3至约0.5。
实施例3
按照上述对本发明的描述，在浇口盘的顶表面上方邻近浇口盘开口周边处安装有两个对称的直线扩散器，每一扩散器的长度为25厘米，所说的开口直径为13厘米。扩散器的发射表面为烧结的多孔金属，高约3.8厘米。由扩散器以改进的夫劳德数为0.4层流发射氮气。在熔炉开始倾倒前，熔炉的位置应使其倾倒出料口在扩散器的上升卷流内，从浇口盘开口中心算起不超过4倍的扩散器发射表面高度。倾斜熔炉以保持倾倒出料口在上升卷流内，而且从浇口盘开口中心算起不超过5倍的扩散器发散表面高度。在浇口盘内部空间中心处测定作为时间函数的氧含量。
结果如图6所示。在开始倾倒前，已建立了扩散器气流，使测量位置的氧含量为约1%。开始倾倒时，氧含量暂时增至约5%，然后下降为约1.7%。与这些数据相比，在上升卷流外周围空气中用出料口端开始倾倒将引起更大的氧含量增量，因为开始的物流会牵引空气。
虽然本发明已用几种具体的实施方式来进行描述，但是应理解为对其进行的各种改进及等同代换均包含在本发明的未决权利要求书的保护范围之内。