專利名稱：形成凝聚射流的方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及超音速或凝聚射流技術。
技術背景最近在氣體射入領域中顯著的進步是例如在Anderson等人的美國 專利No 5， 814， 125和Anderson等人的美國專利No 6， 171, 544中4皮露 的凝聚射流技術的發(fā)展。在此技術的實施中，通過使用圍繞且沿高速氣 體射流(多個射流)的火焰包圍物將從噴槍上的一個或多個噴嘴噴出的 一個或多個高速氣體射流在相對長的距離中維持凝聚。火焰包圍物通過 燃燒從繞噴嘴(多個噴嘴)的一個或多個口環(huán)從噴槍噴出的燃料和氧化 劑形成。燃料和氧化劑在大氣壓條件下燃燒以形成火焰包圍物。此技術 在低于大氣壓條件下的運行是希望的。然而，因為在這樣的條件下所經(jīng) 歷的火焰升離和吹熄的負面效果，這可能是有問題的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個方面是用于在容器內(nèi)形成和維持凝聚氣體射流的方法，包括將氣體流內(nèi) 的氣體以超音速速度從噴射設備噴射到其中建立了真空條件的容器 內(nèi)，以亞音速速度將燃料和氧化劑圍繞所述的氣體流提供到容器內(nèi)，和 燃燒所述的燃料和氧化劑以形成圍繞所述的氣體流的火焰包圍物以形 成和維持所述的氣體流為凝聚氣體射流。本發(fā)明的另一個方面是用于運行包含熔化金屬且在熔化金屬上方具有頂部空間的冶金容 器的方法，所述的方法包括將氣體流內(nèi)的氣體以超音速速度從噴射設 備噴射到其中建立了真空條件的頂部空間內(nèi)，以亞音速速度將燃料和氧 化劑圍繞所述的氣體流提供到頂部空間內(nèi)，燃燒所述的燃料和氧化劑以 形成圍繞所述的氣體流的火焰包圍物，和使氣體從所述的氣體流通向所 述的熔化金屬。如在此所使用，術語"真空條件，，意味著低于環(huán)境大氣壓的壓力，
且對于冶金容器，優(yōu)選地在從10至300托的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地在/人35 至150托的范圍內(nèi)。


圖1是噴射設備的面的一個優(yōu)選實施例的頂視圖，且優(yōu)選實施例的截面一見圖。圖3圖示了在冶金容器內(nèi)運行的本發(fā)明的一個實施例。附圖中的附 圖標記對于共同的元件相同。圖4是實施本發(fā)明所獲得的結(jié)果與不實施本發(fā)明所獲得的結(jié)果的比 較的圖形表示。
具體實施方式
將參考附圖詳細描述本發(fā)明?，F(xiàn)在參考附圖，以流動箭頭1示出的氣體通過至少一個噴嘴2，優(yōu) 選地為會聚/發(fā)散噴嘴，且然后通過在面6上的噴嘴開口 4離開噴射設 備3,以形成凝聚氣體射流5，氣體射流5具有大于馬赫數(shù)1至大約馬 赫數(shù)6的范圍內(nèi)的超音速速度，優(yōu)選地在從馬赫數(shù)3至馬赫數(shù)4. 5的范 圍內(nèi)，且可以具有達到大約10萬scfh或更高的流量。在本發(fā)明的實施 中，通過各噴嘴噴出的氣體射流的個數(shù)可以在從l到6的范圍內(nèi)。凝聚 氣體射流噴射到其內(nèi)的噴射體積可以是金屬處理站，例如真空處理站。 當使用多個噴嘴時，每個噴嘴可以相互且從噴槍的中心軸線以角度分 開。任何有效的氣體可以用作形成本發(fā)明的實施中的凝聚射流或多個 射流的氣體。在這樣的氣體中，可以是氧氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、 氬氣、氦氣、蒸汽和碳氳化合物氣體。優(yōu)選地，氣體是商用純氧。在本 發(fā)明的實施中，包括兩個或更多氣體的混合物，例如空氣也可以用作這 樣的氣體。口的環(huán)20位于面6上圍繞噴嘴開口或多個噴嘴開口 4。環(huán)20優(yōu)選 地是其直徑在從0. 75至20英寸的范圍內(nèi)的圓。 一般地，環(huán)2 0將包括6 至48個口 。每個出口優(yōu)選地是其直徑在從0. 125至3英寸的范圍內(nèi)的 圓。然而，口可以具有非圓形形狀，例如矩形形狀或橢圓形形狀?？诘?br> 環(huán)可以在噴槍面6上的凹陷或溝槽內(nèi)，以幫助支持火焰穩(wěn)定性。典型地，這樣的凹陷的深度在從0. 125至24英寸的范圍內(nèi)且寬度在從0. 125至3體射流(多個射流)的流量。通過燃燒從口提供的燃料和氧化劑形成了圍繞且沿著超音速氣體 流(多個氣體流)的火焰包圍物。燃料和氧化劑可以從口作為混合物提 供，即以預先混合的布置提供，或可以分開地提供且在從噴射設備噴射 到噴射體積后混合。后者的方法是優(yōu)選地且在下文中更完全描述。將燃料提供到環(huán)2 0上的第一組口 22且將氧化劑提供到環(huán)2 0上的 第二組口 23。優(yōu)選地，如在圖1中圖示，第一組口 22與第二組口 23在 環(huán)20上交替，使得每個燃料口 22具有在此燃料口任一側(cè)上鄰近的兩個 氧化劑口 2 3且每個氧化劑口 2 3具有在此氧化劑口4壬一側(cè)上鄰近的兩個 燃料口 22。燃料和氧化劑從噴射設備3中從它們各自的口噴出到噴射體 積內(nèi)。從口的環(huán)噴出的燃料和氧化劑的速度具有亞音速速度，優(yōu)選地在 從200至1000英尺/秒的范圍內(nèi)。從口 22噴出的燃料優(yōu)選地是氣態(tài)的且是含氫燃料。在這樣的燃料 中，可以包括氫氣、曱烷、天然氣、焦爐煤氣、合成氣、石油氣、丙烷、 丁烷和氣化或蒸發(fā)的燃料油。從口 23噴出的氧化劑可以是空氣、具有 超過空氣的氧濃度的富氧空氣或具有至少90摩爾百分比的氧濃度的商 用氧氣。優(yōu)選地，氧化劑是具有至少25摩爾百分比的氧濃度的流體。從噴射設備出來的燃料和氧化劑形成了圍繞氣體射流5的氣體包圍 物，該氣體包圍物燃燒以在噴射體積內(nèi)形成圍繞氣體射流(多個氣體射 流)的火焰包圍物或火焰罩。圍繞氣體流的火焰包圍物24用于防止將 環(huán)境氣體吸入氣體流或多個氣體流內(nèi)，因此防止氣體流或多個氣體流的 速度顯著降低且防止氣體流或多個氣體流的直徑顯著地增加，因此用于 建立和維持氣體流5為凝聚射流。替代地，燃料和氧化劑可以分別從面上的口的兩個環(huán)提供，即圍繞 且最靠近中心噴嘴(多個中心噴嘴)4的口的內(nèi)環(huán)和從口的內(nèi)環(huán)徑向分 開且圍繞口的內(nèi)環(huán)的口的外環(huán)。優(yōu)選地，燃料從口的內(nèi)環(huán)提供且氧化劑 從口的外環(huán)提供。口的外環(huán)上的口可以與口的內(nèi)環(huán)上的口對齊或偏置?；鹧嬲秩剂虾脱趸瘎┛梢砸曰瘜W當量比表達。化學當量比的定義是 運行燃料和氧比(F/0)除以完全燃燒所需要的燃料和氧比(F/0)。例如，當燃料是曱烷且運行F/0為1. 25時，因為曱烷和氧完全燃燒的化 學當量為0. 5，因此在此例子中化學劑量比為1. 25/0. 5或2. 5。優(yōu)選的， 在本發(fā)明的實施中，火焰罩燃料和氧的化學當量比大于2。延伸件15從面延伸以形成氣體流和火焰包圍物氣體最初噴射到其 內(nèi)的循環(huán)區(qū)16。典型地，延伸件將是圓柱形形狀的，但其他形狀是可以 的，且延伸件將具有從0. 5至24英寸范圍內(nèi)的長度和在從1. 0至24英 寸范圍內(nèi)的直徑。由延伸件15形成的循環(huán)區(qū)16用于幫助火焰包圍物圍 繞氣體流的最初形成，且在容器的真空條件下幫助將火焰包圍物錨定到 噴射設備的面。延伸件的特定的參數(shù)將取決于主氣體流量。本發(fā)明可以 實施為帶有以上所論述的延伸件和/或火焰包圍物口溝槽，以幫助支持 火焰穩(wěn)定性。延伸件可以是噴射設備自身的部分或可以分開地形成。燃料和氧化劑以及由燃料和氧化劑燃燒所導致的圍繞氣體流(多個 氣體流)的火焰包圍物的亞音速速度結(jié)合了鄰近面的氣體的循環(huán)用于在 真空情況下維持火焰包圍物接附或錨定到面，因此避免了火焰升離和吹 熄。作為結(jié)果的火焰包圍物的完整性用于維持氣體流或射流凝聚。這使 得氣體流與其他情況相比能行進更長的距離，同時維持了超音速速度。 在冶金應用中這是特別地有利的，因為與在處理期間必須顯著地伸入到 室內(nèi)的常規(guī)的噴槍設備相比，凝聚射流設備不必伸入到處理室內(nèi)。在常 規(guī)情況中的結(jié)果是必須將特殊的滑動密封件和提升裝備安裝在容器頂 上，以在處理結(jié)束時從容器內(nèi)收回常規(guī)的噴槍。凝聚射流設備也將不受 到常規(guī)的噴槍和滑動密封件所經(jīng)歷的損壞。對于本發(fā)明的實施一個重要的應用是在低于大氣壓力下運行的冶 金容器，例如在圖3中圖示的真空精煉過程。在此特別的實施中，冶金 容器30包括室31和包含了熔化金屬35的罐32。在容器30的頂部空間 33內(nèi)建立了真空條件，例如通過以真空泵將頂部空間氣氛通過通道34 排空。氣體流5內(nèi)的氣體然后從噴射設備3提供到頂部空間33內(nèi)且火 焰包圍物24圍繞氣體流5如先前所描述形成。優(yōu)選地，噴射設備3將 與容器的耐火面齊平或僅延伸到容器內(nèi)短的距離。在本發(fā)明的實施中， 噴射器可以是固定位置噴射器或可以是可以插入到容器內(nèi)且可移動到 多種位置的可變位置噴射器。氣體流5內(nèi)的例如氧氣的氣體從噴射設備 3通過且接觸例如鋼的熔化金屬，熔化金屬由于真空精煉過程條件而被 誘導以在圖3中示出的路徑內(nèi)流動。氣體可以用于對熔化金屬脫碳和/
或用于其他用途，例如通過將例如鋁、硅等添加的高能燃津+氧化而加熱 熔化金屬。通過使用本發(fā)明，凝聚射流噴射設備或噴射器面可以定位為大體上 在常規(guī)噴槍將定位的面的上方，包括定位為與容器頂內(nèi)的耐火面齊平。優(yōu)選地，在近年來建造的大多數(shù)容器的情況中，這樣的距離將為大約25 英尺或在從15至40英尺的范圍內(nèi)。在更老或更短的容器的情況中，距 離可以更短，但凝聚射流設備或噴射器面將仍與內(nèi)部頂耐火表面齊平。 存在可設想的情況，其中，凝聚射流噴射器面可能必須在容器內(nèi)延伸2 至5英尺，以將其定位在熔化金屬表面上方必需的距離處。然而，即使 對于這樣的在熔化金屬表面上的高位置，本發(fā)明也可以以比以常規(guī)實施 可實現(xiàn)的效率更好的效率來將例如氧氣的氣體提供到熔化金屬內(nèi)。為例示和比較目的，進4亍了實施本發(fā)明和不實施本發(fā)明的測試，且 結(jié)果在圖4中給出。測試為圖示和比較目的給出且不意圖于是限制性 的。進行了試驗以例示通過將射流排放到試驗真空室內(nèi)的火焰罩對射 流保持特征的影響。試驗在50托的室壓下進行且作為例子給出。圓錐 形會聚-發(fā)散噴嘴設計為在噴嘴入口上游提供150磅/平方英寸表壓 (psig)且排放到噴嘴出口下游的50托的絕對(-13.73 psig)室壓時 接納500標準立方英尺/小時(scfh)的氧氣。噴嘴喉部直徑為0.0605 英寸且出口直徑為0.2061英寸。喉部長度等于喉部直徑且噴嘴會聚半 角為5度。在流動條件下，完全膨脹的氧氣射流以馬赫數(shù)4.08 (2110 英尺/秒)離開噴嘴。通過以等距分開的且交替的燃料和次級氧氣口的單環(huán)來圍繞會聚-發(fā)散噴嘴 形 成 了 火 焰 罩 。 八個天然氣口和八個次級氧氣口定位在直徑為 l英寸的圓上。所有罩口是每個直徑為0. 125英寸的直壁鉆孔。天然氣 的流量是以100 scfh的總量(主氧氣流的2 0%)4姿納且次纟及氧氣流為80 scfh的總量。位于噴嘴出口處的循環(huán)延長件用于穩(wěn)定燃燒以保證將火焰 錨定到噴嘴出口 。此延長件的長度為0. 625英寸且直徑為1. 25英寸。從射流中在軸向中心線處獲取的皮托管測量值被記錄為距噴嘴出 口的距離的函數(shù)。測量值以帶有和不帶有火焰罩來記錄。結(jié)果在圖4中 示出，圖4示出了計算的射流中心線速度(以噴嘴出口速度規(guī)一化)與 軸向距離(以噴嘴出口直徑規(guī)一化)之間的關系。無火焰罩時，速度衰
減到初始速度一半(V/V( Q ) = 0. 5 )處的距離為5Q個噴嘴直徑(X/D-50 )。 有火焰罩時，速度衰減到初始速度一半(V/V ( 0 ) =0. 5 )處的距離為260 個噴嘴直徑(X/D=260 )。這表示射流長度增加因子5. 2 ( 520%)。雖然本發(fā)明參考某些優(yōu)選實施例詳細描述，但本領域一般技術人員 將認識到，在權利要求書的精神和范圍內(nèi)存在本發(fā)明的其他實施例。例 如，循環(huán)延伸件可以設計在噴槍或噴射設備自身內(nèi)，或形成為分開的組 件的部分，例如噴槍插入到由容器耐火壁形成的凹陷內(nèi)或容納了噴槍的 分開地設計的面板內(nèi)。優(yōu)選地，本發(fā)明實施為帶有以適當?shù)卦O計的會聚 /發(fā)散噴嘴的完全膨脹的超音速射流。然而，如果使用來自音速會聚噴 嘴或會聚/發(fā)散噴嘴的欠膨脹射流，則本發(fā)明將具有 一定程度的有效 性。
權利要求
1.一種用于在容器內(nèi)形成和維持凝聚氣體射流的方法，其包括將氣體流內(nèi)的氣體以超音速速度從噴射設備噴射到其中建立了真空條件的容器內(nèi)，以亞音速速度將燃料和氧化劑圍繞所述的氣體流提供到容器內(nèi)，和燃燒所述的燃料和氧化劑以形成圍繞所述的氣體流的火焰包圍物，以形成和維持所述的氣體流為凝聚氣體射流。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中燃料和氧化劑的化學當量比 大于2。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中氣體包括氧氣。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中燃料和氧化劑從噴射設備上 的口的單一環(huán)提供到容器內(nèi)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中氣體、燃料和氧化劑最初通 到由噴射設備上的延長件所形成的循環(huán)體積內(nèi)，且隨后通到容器內(nèi)。
6. —種用于運行包含熔化金屬且在熔化金屬上方具有頂部空間的 冶金容器的方法，所述的方法包括將氣體流內(nèi)的氣體以超音速速度從 噴射設備噴射到其中建立了真空條件的頂部空間內(nèi)，以亞音速速度將燃 料和氧化劑圍繞所述的氣體流提供到頂部空間內(nèi)，燃燒所述的燃料和氧 化劑以形成圍繞所述的氣體流的火焰包圍物，和使氣體從所述的氣體流 通到所述的熔化金屬。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中燃料和氧化劑的化學當量比 大于2。
8. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中氣體包括氧氣。
9. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中燃料和氧化劑從噴射設備上 的口的單一環(huán)提供到容器內(nèi)。
10. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中氣體、燃料和氧化劑最初通 到由噴射設備上的延長件所形成的循環(huán)體積內(nèi)，且隨后通到頂部空間內(nèi)。
全文摘要
用于以凝聚射流運行真空容器的方法，其中在容器內(nèi)建立了真空條件且由亞音速的燃料和氧化劑導致的錨定或接附的火焰包圍物圍繞至少一個超音速氣體流提供。本發(fā)明的另一個方面是用于在容器內(nèi)形成和維持凝聚氣體射流的方法，包括將氣體流內(nèi)的氣體以超音速速度從噴射設備噴射到其中建立了真空條件的容器內(nèi)，以亞音速速度將燃料和氧化劑圍繞所述的氣體流提供到容器內(nèi)，和燃燒所述的燃料和氧化劑以形成圍繞所述的氣體流的火焰包圍物以形成和維持所述的氣體流為凝聚氣體射流。
文檔編號F23D14/22GK101163920SQ200680013002
公開日2008年4月16日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權日2005年7月13日
發(fā)明者A·C·德尼斯, A·佐拉茲, G·T·瓦迪安, L·凱特斯, M·F·賴利, R·霍爾姆斯, W·J·馬霍尼 申請人:普萊克斯技術有限公司