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Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft allgemein die Kohärentstrahlentechnologie.
Stand der Technik Ein kürzlicher, beträchtlicher Fortschritt auf dem Gebiet der Gaslanzeneinbringung ist die Entwicklung der Kohärentstrahlentechnologie wie sie z. B. in dem U.S. Patent Nr. 5,814,125 A (Anderson et al) und in dem U. S. Patent Nr. 6,171,544 A (Anderson et al) geoffenbart ist. In der Praxis dieser Technologie werden ein oder mehrere Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen, die aus einer oder mehreren Düsen auf einer Lanze austreten, über eine relativ grosse Distanz durch Verwendung einer Flammenhülle um und entlang des/der Hochgeschwindigkeitsgasstrahl(en)(s) kohärent gehalten. Die Flammenhülle wird durch Verbrennen von Brennstoff und Sauerstoffträgern gebildet, die von der Lanze aus zwei Ringen von Öffnungen abgegeben werden, einem inneren Ring und einem äusseren Ring, die die Hochgeschwindigkeitsgasstrahlendüse(n) umgeben.
Typischerweise wird der Brennstoff für die Flammenhülle vom inneren Ring von Öffnungen und der Sauerstoffträger für die Flammenhülle vom äusseren Ring von Öffnungen abgegeben. Eine Verlängerung des Lanzenumfanges bildet eine geschützte Rezirkulationszone, in die der (die) Hochgeschwindigkeitsgasstrahl(en) und die Flammenhüllenfluide aus der oder den Düsen und den Öffnungen eingebracht werden. Diese Rezirkulationszone gestattet eine gewisse Rezirkulation der abgegebenen Fluide, wodurch eine verbesserte Zündung und verbesserte Stabilität der Flammenhülle ermöglicht wird, dadurch wird die Kohärenz und damit die Länge des (der) Hochgeschwindigkeitsgasstrahl(s)(en) verbessert.
Der (die) kohärente (n) Strahl(en) kann (können) zum Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit wie geschmolzenes Metall von einer relativ grossen Distanz oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit verwendet werden. Eine sehr wichtige Anwendung dieser Kohärentstrahlentechnologie ist das Zurverfügungstellen von Sauerstoff zur Verwendung bei Stahlherstellungsvorgängen wie Elektrobogenöfen und Basissauerstofföfen.
Die Rezirkulationsverlängerung, obwohl sie eine Verbesserung gegenüber früheren kohärenten Strahlensystemen darstellt, bringt gewisse Probleme hinsichtlich der Lanzenausbildung und der Lebensdauer der Lanze mit sich aufgrund der Notwendigkeit, die Spitze mit Wasser zu kühlen. Diese Probleme sind von besonderer Bedeutung, wenn das Kohärentstrahlensystem in einer sehr unwirtlichen Umgebung, wie einem Basissauerstoffofen verwendet wird.
Infolgedessen ist es Aufgabe dieser Erfindung, ein System vorzusehen, das effektive kohärente Gasstrahlen bildet, ohne dass es notwendig ist, eine Lanzenverlängerung oder ein anderes Element zur Ausbildung einer Rezirkulationszone für die aus der Lanze austretenden Gase vorzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung Die obigen und andere Ziele, die dem Fachmann bei Lesen dieser Offenbarung klar werden, werden mit der vorliegenden Erfindung erreicht, wobei ein Aspekt ist: Ein Verfahren zur Ausbildung wenigstens eines kohärenten Gasstrahles, das folgendes aufweist : (A) Herausführung wenigstens eines Gasstrahles aus wenigstens einer Düse in einer Lanze, die eine Lanzenfläche hat, wobei diese Lanzenfläche einen ersten Ring von Öffnungen um die wenigstens eine Düse und einen zweiten Ring von Öffnungen um die wenigstens eine
Düse und radial getrennt vom ersten Ring von Öffnungen hat, wobei jede Öffnung des zweiten Ringes von Öffnungen mit einer Öffnung des ersten Ringes von Öffnungen ausge- richtet ist;
(B) Herausführung des Brennstoffes aus einem der Ringe von Öffnungen und Herausführen
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eines Sauerstoffträgers aus dem anderen Ring von Öffnungen, sodass der wenigstens eine
Gasstrahl und der Brennstoff sowie der Sauerstoffträger von der Lanze direkt in das Injekti- onsvolumen geführt werden ohne durch eine Rezirkulationszone geführt zu werden, die durch eine Verlängerung an der Lanze gebildet ist und (C) Verbrennen des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers, die aus dem ersten und dem zweiten Ring von Öffnungen herausgeführt worden sind, um eine Flammenhülle um den wenigstens einen Gasstrahl zu bilden.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist: Eine Kohärentstrahlenlanze mit : (A) einer Lanze, die eine Lanzenfläche und wenigstens eine Düse mit einer Öffnung an der
Lanzenfläche hat und keine Verlängerung um eine Rezirkulationszone anschliessend an die
Lanzenfläche zu bilden; (B) einem ersten Ring von Öffnungen um die Düsenöffnung (en) einem zweiten Ring von Öffnungen um die Düsenöffnung(en), radial im Abstand zum ersten Ring von Öffnungen, wobei jede Öffnung des zweiten Ringes von Öffnungen mit einer Öffnung des ersten Rin- ges von Öffnungen ausgerichtet ist und (C) Einrichtungen um Brennstoff zu einem der Ringe von Öffnungen zuzuführen und Einrich- tungen um einen Sauerstoffträger zum anderen Ring von Öffnungen zuzuführen.
Der hier verwendete Ausdruck Lanzenflächenradius bedeutet eine imaginäre Linie, die vom Zentrum einer Lanzenfläche zum Umfang der Lanzenfläche verläuft.
Der hier verwendete Ausdruck ausgerichtet" bedeutet Unterbrechen dieses Lanzenflächenradius.
Der hier verwendete Ausdruck Verlängerung bedeutet jegliche Struktur, ob physisch oder nicht mit einer Lanze verbunden, die zur Bildung eines geschützten Volumens oder einer geschützten Zone anschliessend an die Lanzenfläche dient.
Der hier verwendete Ausdruck Lanzenfläche bedeutet die Oberfläche einer Lanze, die an ein Injektionsvolumen angrenzt.
Der hier verwendete Ausdruck kohärenter Strahl bedeutet einen Gasstrahl, der durch Ausstoss eines Gases aus einer Düse gebildet wird, und der ein Geschwindigkeits- und ein Momentenprofil entlang einer Länge von wenigstens 20d hat, wobei d der Austrittsdurchmesser der Düse ist, das seinem Geschwindigkeits- und Momentenprofil nach Austritt aus der Düse entspricht. Eine andere Art der Beschreibung eines kohärenten Strahles ist ein Gasstrahl, der nur eine geringfügige oder gar keine Änderung seines Durchmessers über eine Strecke von wenigstens 20d hat.
Der hier verwendet Ausdruck Länge bedeutet, wenn auf einen kohärenten Gasstrahl Bezug genommen wird, den Abstand von der Düse, aus der das Gas austritt, zum gewünschten Auftreffpunkt des kohärenten Gasstrahles oder bis dorthin wo der Gasstrahl aufhört kohärent zu sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 ist eine Stirnansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Lanzenfläche und Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Lanze mit einer solchen Lanzenfläche, die in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden kann. Fig. 3 gibt die Ausführungsform der Erfindung gemäss den Fig. 1 und 2 beim Betrieb wieder. Die Bezugszeichen in den Zeichnungen sind für gemeinsame Elemente die gleichen.
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Detaillierte Beschreibung Die Erfindung wird nun im Detail anhand der Zeichnungen beschrieben.
Gemäss den Fig. 1,2 und 3 wird Gas gemäss dem Fliesspfeil 1 durch wenigstens eine Düse 2, vorzugsweise eine konvergierende/divergierende Düse hindurchgeführt und dann aus der Lanze 3 durch eine oder mehrere Düsenöffnungen 4 auf der Lanzenoberfläche 6 zur Bildung eines kohärenten Gasstrahles oder kohärenter Gasstrahlen 5 in das Injektionsvolumen 7 geführt.
Typischerweise ist die Geschwindigkeit des Gasstrahlstromes oder der Gasstrahlströme 5 innerhalb eines Bereiches von 700-3000 Fuss pro Sekunde (fps) (etwa 213-914 m/s). Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des Gasstrahlstromes oder der Gasstrahlströme 5 über Schall wenn er bei Austritt aus der Lanzenfläche gebildet wird und verbleibt über Schall während einer Strecke von wenigstens 20d. Obwohl die Zeichnungen eine Ausführungsform zeigen, bei der vier kohärente Gasstrahlen aus der Lanze entsprechend durch vier Düsen austreten, kann die Zahl der von der Lanze über jeweilige Düsen abgegebene Strahlen in der Praxis dieser Erfindung innerhalb des Bereiches von 1 bis 6 liegen. Vorzugsweise wird das Injektionsvolumen, in das die kohärenten Gasstrahlen injiziert werden durch einen metallerzeugenden Ofen gebildet wie z. B. ein Stahlherstellungsofen.
Besonders vorteilhaft ist, dass wenn eine Vielzahl von Düsen verwendet wird, jede Düse von den anderen und von der Mittelachse der Lanze abgewinkelt ist.
In der Praxis der Erfindung kann ein wirksames Gas als Gas zur Bildung der kohärenten Strahlen verwendet werden. Unter diesen Gasen kann man Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlendioxyd, Wasserstoff, Helium, Dampf und Kohlenwasserstoffgase nennen. Auch Mischungen aus zwei oder mehr Gasen z. B. Luft, können in der Praxis dieser Erfindung für ein derartiges Gas verwendet werden.
Ein erster Ring 30 von Öffnungen ist auf der Lanze um die Düsenöffnung oder die -öffnungen 4 angeordnet und ein zweiter Ring 31 von Öffnungen ist auf der Lanze um die Düsenöffnung oder die -öffnungen 4 und im radialen Abstand vom ersten Ring 30 von Öffnungen angeordnet. Der Ring 30 ist vorzugsweise ein Kreis mit einem Durchmesser im Bereich von 1,5 bis 20 Inch (3,81 cm bis 50,8 cm) und der Ring 31 ist vorzugsweise ein Kreis mit einem Durchmesser im Bereich von 1,75 bis 23 Inch (4,45 cm bis 58,42 cm). Jeder der Ringe, 30,31 besitzt im allgemeinen 4 bis 48 Öffnungen und jede Öffnung ist vorzugsweise ein Kreis, mit einem Durchmesser innerhalb des Bereiches von 0,05 bis 1,25 Inch (1,27 mm bis 31,75 mm).
Jede Öffnung des zweiten Ringes 31 von Öffnungen ist mit einer Öffnung des ersten Ringes 30 von Öffnungen ausgerichtet, obwohl die Wirksamkeit der Erfindung nicht verloren geht, wenn entweder der erste Ring 30 oder der zweite Ring 31, oder beide Ringe 30 und 31 einen oder eine kleine Anzahl von zusätzlichen Öffnungen enthält, die nicht mit einer Öffnung auf dem anderen Ring ausgerichtet ist. Brennstoff wird einem der beiden Ringe von Öffnungen vorzugsweise dem inneren oder ersten Ring 30 zugeführt und der Sauerstoffträger wird dem anderen Ring von Öffnungen vorzugsweise dem äusseren oder zweiten Ring 31 zugeführt. Der Brennstoff und der Sauerstoffträger werden von der Lanze 3 über den jeweiligen Ring von Öffnungen in das Injektionsvolumen 7 eingebracht.
Die Geschwindigkeit des Brennstoffes und des Sauerstoffträgers, die aus dem Ring von Öffnungen austreten, kann unter Schallgeschwindigkeit, Schallgeschwindigkeit, oder über Schallgeschwindigkeit sein. Die Schallgeschwindigkeit oder über Schallgeschwindigkeit des injizierten Brennstoffes und des Sauerstoffträgers verstärkt den Ausstoss von Fremdmaterial bei Eintritt in und Verstopfen der Öffnungen, was besonders wichtig ist, wenn die Erfindung in einer rauen Umgebung wie einem Stahlherstellungsofen eingesetzt wird. Falls erwünscht, können die Geschwindigkeiten des injizierten Brennstoffes und Sauerstoffträgers über Schallgeschwindigkeit bei Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 bis zu Mach 2 haben.
Der aus den Öffnungen austretende Brennstoff ist vorzugsweise gasförmig und kann jeglicher Brennstoff wie Methan oder Naturgas sein. Der aus den Öffnungen des anderen Ringes austretende Sauerstoffträger kann Luft, sauerstoffangereicherte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration
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oberhalb von Luft oder handelsüblicher Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von wenigstens 90 Mol-Prozent sein. Vorzugsweise ist der Sauerstoffträger ein Medium mit einer Sauerstoffkonzentration von wenigstens 25 Mol-Prozent.
Der Brennstoff und der Sauerstoffträger, die aus der Lanze austreten bilden eine Gashülle um den Gasstrahl bzw. die Gasstrahlen 5, die unter Bildung einer Flammenhülle oder -ummantelung 24 um den Gasstrahl bzw. die Gasstrahlen 5 innerhalb des Injektionsvolumens wie z. B. eines Schmelzmetallofens verbrannt wird. Die Flammenhülle 24 um die Gasströme 5 dienen dazu zu verhindern, dass Umgebungsgas in die Gasströme gesaugt wird, wobei wenigstens über einen Abstand von 20d vom jeweiligen Düsenaustritt verhindert wird, dass die Geschwindigkeit der Gasströme merklich abnimmt und der Durchmesser der Gasströme merklich ansteigt. Das heisst die Flammenhülle oder die Flammenummantelung 24 dient zur Bildung und Aufrechterhaltung von Gasströmen 5 als kohärente Strahlen über einen Abstand von wenigstens 20d vom jeweiligen Düsenaustritt.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung und ein beträchtlicher Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit wirksame kohärente Gasstrahlen von einer Lanze zu bilden, ohne der Notwendigkeit, eine Verlängerung an der Lanze zu verwenden. Bisher war eine Lanzenverlängerung verwendet worden, um eine geschützte Rezirkulationszone angrenzend an die Lanzenfläche zu bilden um die Zündung und Verbrennung der Flammenumhüllungsgase zu verbessern, die in diese geschützte Rezirkulationszone injiziert werden, um so die Kohärenz der Gasstrahlen zu verbessern. Obwohl die Verwendung einer derartigen Lanzenverlängerung ein beträchtlicher Vorteil über die anfängliche Kohärenzgasstrahlenpraxis ist, gibt es Probleme bei der Verwendung einer derartigen Verlängerung.
In der Praxis dieser Erfindung werden die aus der Lanze austretenden Gase direkt in das Injektionsvolumen geführt ohne durch eine geschützte Zone oder Rezirkulationszone, die von einer Lanzenverlängerung gebildet wird geführt zu werden. Trotzdem wird die verbesserte Kohärenz wie sie bei Verwendung einer Lanzenverlängerung beobachtet wird nach wie vor erreicht.
Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um die Wirksamkeit der Erfindung zu beurteilen, und es wurden Vergleichstests durchgeführt, um den Vorteil der Erfindung zu zeigen. Der verwendete Brennstoff bei den Untersuchungen war Naturgas und der Sauerstoffträger in den Untersuchungen hatte eine Sauerstoffkonzentration von 99 Mol-Prozent und wird als sekundärer Sauerstoff bezeichnet. Bei jeder Untersuchung hatte die Lanze vier Düsen für die Bildung der Gasstrahlen. Das Gas für die Gasstrahlen war Sauerstoff mit einer Reinheit von 99 Mol-Prozent und wird als Hauptsauerstoff bezeichnet. Die unten angegebenen Untersuchungsergebnisse dienen illustrativen Zwecken und sind nicht als Beschränkung gedacht.
Jede der vier Düsen war ausgebildet 10. 000 Standardkubikfuss pro Stunde (scfh) (283,17 m3/h) von Hauptsauerstoff bei einem Zufuhrdruck von 165 Pfund pro Inch2(psig) (11,36 bar) für eine Gesamthauptsauerstoffzufuhr von 40. 000 scfh (1.132,67 m3/h) zu gestatten. Jede Düse hatte einen Austritts- bzw. Drosseldurchmesser von 0,38 Inch (9,65 mm) bzw. 0,26 Inch (0,26 Inch = 6,60 mm) und war nach aussen von der Mittelachse der Lanze um 12 abgewinkelt. Der Brennstoff wurde einem inneren Ring mit 16 Öffnungen, jeweils mit einem Durchmesser von 0,154 Inch (3,91 mm), wobei ein Ringdurchmesser von 1,56 Inch (3,96 cm) gegeben war zugeleitet.
Zu Zwecken eines Vergleichstests des wurde der sekundäre Sauerstoff einem äusseren Ring von 12 Öffnungen jeweils mit einem Durchmesser von 0,23 Inch (5,84 mm) zugeführt, wobei der Ringdurchmesser 2,125 Inch (5,40 cm) war und wobei die Öffnungen verschoben oder versetzt gegenüber den Öffnungen des inneren Ringes waren. Der Brennstoff- und der sekundäre Sauerstofffluss waren 5. 000 scfh (141,58 m3/h) bzw. 4. 000 scfh (113,27 m3/h), was in Geschwindigkeiten von 670 fps (204,22 m/sek. ) bzw. 320 fps (97,54 m/sek) resultierte. Die Lanze hatte eine Rezirkulationsverlängerung von 0,5 (1,27 cm).
Diese herkömmliche Ausgestaltung erzeugte gut kohärente Strahlen von 18 Inch (45,72 cm) Länge, die auf 16 Inch (40,64 cm) fiel als die Rezirkulationsverlängerung auf 0,25 Inch (6,35 mm) verkürzt wurde und auf 14 Inch (35,56 cm) fiel als die Rezirkulationsverlängerung auf 0,1 Inch (2,54 mm) verkürzt wurde. Ohne
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jegliche Rezirkulationsverlängerung wurde die Hüllflamme instabil und der Gasstrahl verlor Kohärenz. Der Versuch wurde wiederholt, jedoch wurde die Erfindung verwendet und der Aussenring hatte 16 Öffnungen mit jeweils 0,199 Inch (5,05 mm) Durchmesser jeweils ausgerichtet mit einer Öffnung auf den inneren Ring. Es gab keine Verringerung der Länge der kohärenten Strahlen und selbst ohne Verlängerung der Lanze, waren die koheränten Strahlen stabil und hatten eine Länge von 18 Inch (45,72 cm).
Zusätzlich zu den obigen Untersuchungen, die eine Vier-Düsenausbildung ähnlich jener der Zeichnungen verwendeten, wurden Tests und Vergleichtests ähnlich den oben beschriebenen durchgeführt mit einer Lanze, die eine einzige Düse hatte und mit einem Innenring mit 2,0 Inch (5,08 cm) Durchmesser sowie 16 Öffnungen von jeweils 0,154 Inch (3,91 mm) Durchmesser und mit einem Aussenring mit einem Durchmesser von 2,75 Inch (6,99 cm) sowie 16 Öffnungen mit 0,199 Inch (5,4 mm) Durchmesser. Bei einer Testserie waren die äusseren Ringöffnungen gegenüber den inneren Ringöffnungen versetzt und in einer anderen Testserie waren die äusseren Ringöffnungen mit den inneren Ringöffnungen ausgerichtet.
Die Düsen hatten Austritts- und Kehldurchmesser von 0,81 Inch bzw. 0,62 Inch (2,06 cm bzw. 1,58 cm) und der Hauptsauerstoff wurde mit 36. 000 scfh (1019,41 m3/h) bei 100 psig (6,90 bar) zugeführt. Die Fliessraten des Brennstoffes und des sekundären Sauerstoffes und die Geschwindigkeiten waren gleich wie in den vorhergehenden Tests. Wenn die Verlängerung verkürzt wurde auf weniger als 0,5 Inch (1,27 cm) so zeigte der Flammenmantel wechselnde Instabilitäten in der versetzten oder nicht ausgerichteten Ausführungsform und die Kohärentstrahlenlänge verringerte sich merklich von etwa 50 Inch (127 cm) auf weniger als 40 Inch (101,6 cm). Mit der ausgerichteten Ausführungsform gemäss der Erfindung, jedoch blieb die Flammenhülle stabil und die Kohärentstrahlenlänge blieb bei etwa 50 Inch (127 cm) selbst mit keiner Verlängerung der Lanze.
Obwohl die Erfindung im Detail anhand gewisser bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, kann der Fachmann erkennen, dass es weitere Ausführungsformen der Erfindung innerhalb des Geistes und des Umfanges der Ansprüche gibt.
Patentansprüche : 1. Verfahren zur Bildung wenigstens eines kohärenten Gasstrahls, wobei wenigstens ein
Gasstrahl aus wenigstens einer Düse herausgeführt wird, die in einer Lanze mit einer Lan- zenfläche angeordnet ist, Brennstoff aus einem zur Düse bzw. zu den Düsen kohärenten ersten Ring von Öffnungen in der Lanzenfläche herausgeführt wird und ein Sauerstoffträ- ger aus einem zur Düse bzw.
zu den Düsen kohärenten und vom ersten Ring radial beabstandeten zweiten Ring von Öffnungen in der Lanzenfläche herausgeführt wird, wobei der Brennstoff und der Sauerstoffträger von dem ersten und dem zweiten Satz von Öffnun- gen verbrannt werden, um eine Flammenhülle um den wenigstens einen Gasstrahl zu er- zeugen, und wobei der wenigstens eine Gasstrahl und der Brennstoff sowie der Sauerstoff- träger aus der Lanze direkt in ein Injektionsvolumen eintreten, ohne durch eine Rezirkulati- onszone hindurchgeführt zu werden, die durch eine Verlängerung an der Lanze gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Öffnung (31 ) des zweiten Ringes von Öffnungen mit einer Öffnung (30) des ersten Ringes von Öffnungen ausgerichtet ist.