BRPI0720287B1 - método de injetar gás inerte no banho localizado dentro de um forno metalúrgico tendo uma atmosfera de forno aquecida. - Google Patents

Description

“MÉTODO DE INJETAR GÁS INERTE NO BANHO LOCALIZADO DENTRO DE UM FORNO METALÚRGICO TENDO UMA ATMOSFERA DE FORNO AQUECIDA” CAMPO TÉCNICO A presente invenção geralmente refere-se a um método de injetar um jato coerente supersônico de um gãs inerte (um gãs inerte puro ou uma alta concentração de gãs inerte) dentro de um banho de metal em fusão* localizado dentro de um forno metalúrgico.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Na fabricação de aço é desejável formarem-se jatos coerentes» para promover a mistura do aço em fusão e para diluir o monóxido de carbono (CO) no aço em fusão e para incitar o carbono e oxigênio a saírem do aço. Entretanto, o uso de oxigênio para formar tais jatos coerentes pode resultar em oxidaçao do aço e subprodutos indesejáveis. Assim, seria útil formarem-se jatos coerentes de gases inertes, que não reajam com o aço. O mais desejável gãs inerte é argônio, porque ele é verdadeira mente inerte. O argônio não reage de forma alguma com o aço. Outros gases inertes são também desejáveis» porém podem ter alguma reação com o aço. Por exemplo, o nitrogênio pode causar “captação de nitrogênio” e adição de nitrogênio dentro do aço, afetando a qualidade do aço. Outro gás inerte, tal como dióxido de carbono» pode oxidar o banho de aço em fusão, devido à dissociação de COi.

Em geral, a arte anterior ensina a utilização da técnica de “cobertura externa”, por meio da qual os jatos principais, incluindo um gãs inerte, são circundados por uma cobertura de chama produzida externamente. O Pedido de Patente US No. de Série 11/476.039, depositado em 28 de junho de 2006 e intitulado “Oxygen Injection Method” (Mahoney et ah), descreveu o método de “cobertura interna” para formar jatos coerentes de oxigênio, para aplicação para melhorar o processo de refino soprado no topo de banhos de metal em fusão (p. ex.» fabricação de aço em forno de oxigênio básico (BOF). A técnica de cobertura interna descrita por Mahoney et al. incorpora os seguintes elementos: 1. produção de uma corrente de oxigênio supersônica em um bico convergente-divergente; 2. misturar combustível contendo hidrogênio dentro do perímetro do oxigênio, a montante da saída de bico; 3. exaurir a corrente supersônica combinada como um jato para dentro de um forno, por exemplo, um forno de oxigênio básico, em alta temperatura; e 4. queimar o combustível e oxigênio injetados na camada de cisalhamento (ou mistura), para produzir um jato coerente.

Surge um problema quando este método é aplicado a gás inerte puro ou gás inerte de alta concentração, com oxigênio de saldo. O método de cobertura interna é ineficaz para produzir jatos coerentes de gases inertes, devido à eliminação ou supressão da combustão de combustível na camada de cisalhamento de jato (isto é, queimar o combustível e oxigênio injetados dentro da camada de cisalhamento, para produzir um jato coerente, não é possível).

Portanto, um problema para resolver é a produção de jatos coerentes contendo gás inerte puro ou uma alta concentração dele, particularmente argônio, empregando-se a técnica de cobertura. Outro problema para resolver é a melhoria do refino do metal em fusão, particularmente o processo de oxigênio básico, pela aplicação de jatos coerentes de cobertura interna contendo argônio. O Pedido de Patente Japonês No. JP2002-288115 (JFE/Nippon) está envolvido com o processo de estabilização de chama dentro de um duto. Isto é realizado pela injeção de combustível, que se mistura com uma parte da corrente de oxigênio principal. Na ignição, a chama é estabilizada dentro de um sulco anular, localizado na parede de passagem de gás, que atua como um porta-chamas. Como resultado, esta técnica não pode ser aplicada para produzir jatos coerentes de argônio. O Pedido de Patente Japonesa No. JP2003-0324856 descreve uma única lança de queimador capaz de suprir chama e um jato de oxigênio para uma larga área na fundição/refino de ferro, porém não debater a injeção de um gás inerte ou uma cobertura interna.

Por causa das dificuldades em aplicar um método de cobertura interna a um gás inerte ele não foi conseguido até agora. A presente invenção permite as vantagens relativas do método de cobertura interna versus o método de cobertura externa serem aplicadas agora aos gases inertes,tais como argônio.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um método de injetar um jato coerente supersônico de um gás inerte dentro de um banho localizado dentro de um forno metalúrgico tendo uma atmosfera de forno aquecida.

De acordo com o método, uma corrente de gás inerte é introduzida dentro de um bico tendo uma passagem de uma configuração convergente-divergente. Deve ser citado que a inteira passagem não tem que ter uma configuração convergente-divergente e, de fato, uma passagem de acordo com a presente invenção pode ter uma parte de configuração convergente-divergente, seguida por uma parte cilíndrica reta, estendendo-se para a face do bico. Além disso, a expressão “corrente de gás inerte”, como aqui usada e nas reivindicações, abrange correntes uniformemente misturadas, tendo uma corrente de gás inerte de pelo menos 40% em volume e, preferivelmente, pelo menos 70% em volume. Uma corrente de oxigênio é injetada dentro da corrente de gás inerte em locais circunferenciais internos da passagem, que são situados inteiramente dentro da passagem, de modo que um corrente contendo gás inerte e oxigênio combinados é formada dentro da passagem. A este respeito, “corrente de oxigênio” significa uma corrente tendo uma concentração de oxigênio de pelo menos 75% em vol. e, preferivelmente, oxigênio comercialmente puro a pelo menos 90% em volume. Em seguida um combustível contendo uma espécie de hidrogênio é injetado dentro da corrente de gás inerte em locais circunferenciais internos da passagem, que são situados inteiramente dentro da passagem. A este respeito, a expressão “espécie de hidrogênio” significa hidrogênio molecular ou uma molécula contendo hidrogênio ou qualquer substância contendo átomos de hidrogênio ou suas combinações. Como resultado, uma corrente de combustível, gás inerte e oxigênio combinados é formada dentro da passagem tendo uma estrutura composta de uma região circunferencial externa, compreendendo uma mistura do combustível, gás inerte e oxigênio e uma região central interna (núcleo), que é circundada pela região circunferencial externa e contendo o gás inerte e oxigênio combinados e essencialmente não combustível. A corrente de gás inerte é introduzida dentro de uma seção de entrada da passagem, em ou acima da pressão crítica. Como resultado uma condição de fluxo estrangulado é estabelecida dentro de uma seção de garganta central da passagem, a corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados é acelerada a uma velocidade supersônica dentro de uma seção divergente da passagem e a corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados é descarregada como um jato estruturado do bico para dentro da atmosfera do forno. O jato estruturado tem a estrutura da corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados e a velocidade supersônica na descarga do bico. A ignição e combustão do combustível, enquanto dentro da passagem, é evitada pela não introdução de uma fonte de ignição e provendo-se a passagem com uma superfície interna não interrompida por qualquer descontinuidade, dentro da qual a região circunferencial externa poderia, de outro modo, desacelerar e prover um sítio para combustão estável do combustível.

Um envelope de chama é produzido, que circunda um jato de gás inerte formado pela região central interna do jato estruturado e que inicialmente tem a velocidade supersônica. O envelope de chama inibe o declínio da velocidade e declínio da concentração do jato de gás inerte. A velocidade de outro modo declinaria sem o envelope de chama, devido à interação do jato de gás inerte com a atmosfera do forno. Tal interação também provoca uma diluição do jato de gás inerte, produzindo um declínio de concentração. Como aqui usado e nas reivindicações, a expressão “envelope de chama” significa uma chama que circunda o jato de gás inerte e propaga-se ao longo de seu comprimento por combustão ativa do combustível e quaisquer reagentes que possam estar presentes dentro da atmosfera de forno aquecida, em que tal combustão é suportada no todo ou em parte pelo oxigênio suprido pelo jato estruturado de gás inerte. Na presente invenção, o envelope de chama e produzido inteiramente fora do bico, através do contato da região circunferencial externa do jato estruturado com a atmosfera de forno aquecida. Este contato cria uma zona de mistura de cisalhamento contendo uma mistura inflamável, composta de combustível, argônio, oxigênio e atmosfera de forno aquecida auto-ignição da mistura inflamável através de calor suprido pela atmosfera de forno aquecida. O jato de gás inerte é direcionado para dentro do banho, enquanto circundado pelo envelope de chama. A este respeito, o termo “fusão” como aqui usado e nas reivindicações com respeito a um fomo de fabricação de aço, fomo de arco elétrico (EAF) ou BOF, significa tanto a camada de escória como o pool de metal em fusão subjacente. Como resultado, em tal fomo o jato de gás inerte primeiro entraria na camada de escória. No caso de um fomo metalúrgico em que uma camada de escória não é produzida, a “fusão” em que o jato de gás inerte penetra constituiría o metal em fusão. Um exemplo disto seria um vaso de refino não-ferroso.

Embora não sabido na arte anterior, uma descarga de um jato estruturado, tal como descrita acima, quando contatada pela atmosfera de forno aquecida, produziría uma região dentro de uma zona de mistura de cisalhamento externa, que se inflamaria para formar um envelope de chama que circundaria e inibiría o declínio de velocidade e declínio de concentração de um jato supersônico de gás inerte formado pela região central interna do jato estruturado. Isto permite que um bico da presente invenção seja posicionado a alguma distância afastada do banho e permite que a ação de agitação benéfica do banho seja aumentada.

Como indicado acima e como sabido na arte anterior, a produção e injeção de um jato de gás inerte, enquanto em uma velocidade supersônica, tem a vantagem de minimizar qualquer oxidação do metal contido dentro do banho para fins de refino, enquanto ao mesmo tempo produzindo uma vigorosa ação de agitação do banho. Adicionalmente, não há passagens externas de combustível que possam obstruir a remoção requerida da lança de serviço e extração de depósitos, conhecida como “crânio”, da face do bico. Além disso, como pode ser observado pelo debate acima, as desvantagens de misturar, inflamar, estabilizar e queimar uma corrente contendo oxigênio e combustível em alta velocidade dentro de um espaço combinado (bico) são evitadas pela presente invenção, porque a ignição, estabilização e combustão da mistura de combustível e oxigênio é evitada, enquanto dentro do bico. A corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados pode ser totalmente expandida em sua descarga como o jato estruturado do bico. O combustível pode ser introduzido à corrente contendo gás inerte e oxigênio, enquanto dentro da seção divergente do bico. Como uma medida de segurança, a corrente de combustível, gás inerte e oxigênio combinada pode ser super expandida em sua descarga como o jato estruturado do bico, de modo que a corrente tem uma pressão subambiente enquanto dentro da seção divergente do bico. O combustível pode ser introduzido dentro da corrente contendo gás inerte e oxigênio, em um local dentro da seção divergente em que a corrente contendo gás inerte e oxigênio está na pressão subambiente. Como resultado, na falha do sistema de suprimento de combustível, o gás inerte e oxigênio não retrofluirá através das passagens de combustível,criando uma condição potencialmente perigosa. Outro resultado benéfico é que o sistema de suprimento de combustível não é necessário para superar a contrapressão positiva dentro do bico, desse modo minimizando o suprimento de pressão necessária para suprimento de combustível dentro do bico. A seção divergente do bico pode estender-se pela seção da garganta central para uma face de bico do bico exposto à atmosfera de forno aquecida. Outras possibilidade tomar-se-ão evidentes pelo debate detalhado a abaixo.

Preferivelmente, a velocidade supersônica do jato estruturado de combustível, gás inerte e oxigênio é pelo menos de cerca de Mach 1,7. O forno metalúrgico pode ser um forno de arco elétrico (EAF). Altemativamente, o forno metalúrgico pode ser um forno de oxigênio básico (BOF). Em tais casos, o combustível é preferivelmente introduzido dentro da corrente de oxigênio em uma relação de equivalência específica. A relação de equivalência entre o combustível (F) de cobertura e o oxigênio (O) é definida como a relação do combustível/oxigênio para a relação de combustível/oxigênio estequiométrica: (F/0)/(F/0)esteq. (Equação 1) Por exemplo, uma cobertura composta de CH4 e O2, a F/Oesteq. = 0,5. Para argônio puro, os experimentos indicam que a necessidade de cobertura seria de cerca de F/O = 0,2 a 0,13 (muito oxidante). Assim, a relação de equivalência seria entre 0,26 a 0,4. Entretanto, a invenção seria ainda operável fora destas faixas,de modo que estas são preferidas porém não necessárias. Para argônio puro, seria preferível injetar cerca de 5 - 15% de oxigênio do argônio como oxigênio de cobertura e menos seria necessário para jatos de ignição de argônio/oxigênio.

Em um ou em um outro tipo de forno, a atmosfera de forno aquecida conteria monóxido de carbono e a mistura inflamável usada na formação do envelope de chama conteria, por sua vez, o monóxido de carbono. Onde o forno metalúrgico for um forno de oxigênio básico, o bico pode ser engastado em uma lança esfriada por água em uma ponta de lança da lança esfriada por água. Entende-se, entretanto, que a aplicação da presente invenção não é limitada a tais fomos e de fato pode ser usada em um fomo tendo uma atmosfera de fomo aquecida, que não contenha monóxido de carbono ou qualquer outra substância que possa servir como parte da mistura inflamável usada na formação do envelope de chama. Tudo que é necessário com respeito à “atmosfera de fomo aquecida” é que ela seja de suficiente temperatura para provocar auto-ignição da mistura inflamável.

Em qualquer forma de realização da presente invenção, o combustível pode ser introduzido dentro do gás inerte e corrente contendo oxigênio nos locais circunferenciais de entrada da passagem, injetando-se o combustível dentro de um elemento anular metálico poroso, tendo uma superfície anular interna. A superfície anular interna faz parte da seção de garganta ou da seção divergente da passagem convergente-divergente (o combustível de cobertura e oxigênio de cobertura podem ser injetados juntos dentro do gás inerte ou podem ser injetados separadamente).

Em um outro aspecto de um método da presente invenção aplicado para injetar gás inerte dentro de fusão localizada dentro de um fomo metalúrgico tendo uma atmosfera de fomo aquecida, contendo monóxido de carbono, as correntes de gás inerte podem ser introduzidas dentro de bicos tendo passagens de configuração convergente-divergente, em que os bicos são situados em uma ponta de uma lança esfriada por água e inclinados para fora a partir de um eixo geométrico central da lança esfriada por água. Tal forno metalúrgico pode ser um forno de oxigênio básico. O combustível contendo uma espécie de hidrogênio e uma corrente de oxigênio são injetados dentro das correntes de gás inerte da mesma maneira resumida acima, para formar jatos estruturados, envelopes de chama e jatos individuais de gás inerte, que inicialmente têm uma velocidade supersônica. A lança esfriada por água pode ser situada dentro do forno de oxigênio básico e os jatos de gás inerte são direcionados para dentro do banho.

Em lanças de forno de oxigênio básico há tipicamente entre 3 e 6 bicos e os bicos são inclinados para fora entre cerca de 6 graus e cerca de 20 graus a partir do eixo geométrico central. Como indicado acima, no caso de uma forno de oxigênio básico, o combustível pode ser introduzido dentro as correntes de oxigênio em uma relação de equivalência entre 0,2 e 0,4 (embora não necessário) e a velocidade supersônica de cada um dos jatos estruturados de combustível, gás inerte e oxigênio combinados pode ser de pelo menos Mach 1,7. Em uma forma de realização, o combustível pode ser introduzido dentro de uma câmara de combustível e os bicos são posicionados para passar através da câmara de combustível. O combustível é introduzido dentro das passagens através de passagens de combustível localizadas dentro da ponta de lança e comunicando-se entre os locais circunferenciais internos das passagens e a câmara de combustível. A este respeito, pode haver entre cerca de 4 e cerca de 12 passagens de combustível para cada uma das passagens. Deve ser observado que mais ou menos passagens de combustível podem ser usadas. O mesmo pode ser dito aqui para o oxigênio da cobertura interna, isto é, tanto combustível como oxigênio podem ser injetados dentro da mesma câmara ou câmaras separadas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Embora o relatório termine com reivindicações distintamente salientando o assunto que os Requerentes consideram como sua invenção, acredita-se que ela será melhor entendida quando tomada em conjunto com os desenhos acompanhantes.

As Figuras l(a) e 1 (b) são esquemáticos de um injetor usado para injetar um jato de gás inerte em uma velocidade supersônica dentro de um banho para uso de acordo com o método da presente invenção, visto pela face do injetor e em seção transversal, respectivamente. A Figura 2 é um esquemático, vista em seção transversal do aparelho usado para simular o gás de forno quente. A Figura 3 é um esquemático, vista em seção transversal de um injetor usado para injetar um jato de gás inerte em uma velocidade supersônica para dentro de um banho, para uso de acordo com o método da presente invenção. A Figura 4 é uma representação gráfica da extensão do jato coerente normalizado (L/D) versus a extensão do jato normal do gás de forno simulado, sem introduzir gás de cobertura interno. A Figura 5 é uma fotografia do aparelho experimental, operando com um jato de argônio puro Mach 2, sem gás de cobertura interno. A Figura 6 é uma fotografia de um jato de argônio Mach 2, sob as condições da invenção. A Figura 7 é uma representação gráfica do efeito de cobertura interna sobre um jato principal Mach 2, com composição inicial de 42% de argônio, oxigênio de equilíbrio. A Figura 8 é uma representação gráfica do efeito de cobertura interna em um jato principal Mach 2 com composição inicial de 72% de argônio. A Figura 9 é uma representação gráfica para um jato principal Mach 2, inicialmente contendo 74,5% de argônio.

As Figuras 10, 11 e 12 são representações gráficas de um jato principal Mach, inicialmente contendo argônio puro.

As Figuras 13(a) e 13(b) são vistas esquemáticas, em seção transversal, mostrando um injetor para um jato de argônio sem uma cobertura interna da presente invenção, respectivamente. A Figura 14 é uma representação gráfica de uma pressão Piloto Radial e perfil de composição para um jato de argônio de 100%, com cerca de 10% de oxigênio interno (relativo ao fluxo de argônio) e cerca de 2% de metano interno (relativo a fluxo de argônio), durante a operação desta invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO O problema de produzir jatos coerentes de gás inerte de cobertura interna, em particular jatos coerentes de argônio, é resolvido pelo método da presente invenção pela introdução de uma mistura de combustível e oxigênio dentro da periferia externa do jato de gás inerte. O “jato estruturado” supersônico resultante é composto de uma região central de gás de argônio e é circundado por uma região circunferencial externa composta de argônio, combustível e gás oxigênio. A técnica efetivamente transforma a superfície do jato de argônio em um jato semelhante a oxigênio, desse modo tomando a injeção de combustível interna eficaz para produzir um jato coerente de argônio. A atmosfera do fomo contata o jato através da formação de uma camada de cisalhamento (mistura) e ativa a combustão entre o combustível e o oxigênio e resulta na produção de um jato coerente de argônio.

Em relação à cobertura externa, as vantagens principais de posicionamento dos injetores de combustível e oxigênio dentro do bico (isto é, cobertura interna) incluem um ou mais dos seguintes: 1. Eliminar a obstrução dos orifícios de gás de cobertura. Em razão de os orifícios serem localizados dentro dos bicos principais de elevado fluxo, a propensão para obstmção é muito pequena. 2. Para a lança de jato coerente de cobertura externa BOF, há uma dependência muito forte da extensão do jato coerente, versus o ângulo de divergência de bico principal (com respeito ao eixo geométrico da lança). A localização dos injetores dentro do bico principal efetivamente toma a extensão de jato coerente independente do ângulo do bico principal. 3. Para a lança de jato coerente de cobertura externa BOF, há uma forte dependência da formação da ponta e crânio de lança (acreção) na taxa de combustível da cobertura externa. Isto é, a taxa de crescimento de crânio e a composição são dependentes da taxa de combustível externa. Acredita-se que a injeção de combustível externa atua como um refrigerante (via craqueamento de combustível), que tende a solidificar a escória e metal na ponta e também como um agente redutor (FeO redutor na ponta para Fe). Como resultado, os crânios são maiores e mais metálicos quando comparados com os crânios de lança BOF. Tal condição resulta em remoção de crânio mais frequente e mais difícil, o que aumenta os custos pelas aumentada mão-de-obra e reduzida vida da ponta. A localização dos injetores dentro do bico principal eliminará a contribuição do craqueamento de combustível e redução dos crânios da ponta, pela eliminação da injeção de combustível puro dentro do forno. 4. Para a lança de jato coerente de cobertura externa BOF, tais crânios podem interferir com o processo de formação de jato coerente, pela interferência com o processo de formar uma cobertura de chama. Isto pode resultar em variação e redução total dos benefícios do jato coerente antecipados ou pode tomar o processo de formar um jato coerente impossível. 5. Haverá uma melhoria para o gás inerte da lança de topo soprando com jato coerente da cobertura interna. O método de cobertura interna da presente invenção é uma tecnologia habilitante para aplicar o princípio de jato coerente ao conversor BOF, que fornecerá benefícios de processamento acoplados com um projeto de lança mais prático.

Um jato coerente de gás inerte, particularmente um jato coerente de argônio, deve possibilitar mais benefícios de fabricação de aço por volume de gás inerte suprido e, portanto, possivelmente tomar o processo de sopro de argônio de lança de topo econômico para BOF. O jato coerente de gás inerte de cobertura interna incorpora os seguintes elementos: 1. Um injetor ou lança com corpo de lança e ponta de lança; 2. Um meio para introduzir combustível contendo argônio, oxigênio e hidrogênio dentro do corpo de lança; 3. Uma ponta contendo um ou mais bicos convergentes-divergentes para a produção de corrente(s) de argônio supersônica(s); 4. Um meio para injetar oxigênio dentro do perímetro externo das correntes de argônio, para dentro da seção divergente ou qualquer outra seção do bico; 5. Um meio para injetar combustível contendo hidrogênio dentro do perímetro externo da corrente de argônio, preferivelmente dentro da seção divergente do bico.

Foram conduzidos experimentos em um aparelho usado para simular o gás de fomo quente. O aparelho usado nos Exemplos 1 e 2 é mostrado na Figura 2. O gás de fomo quente é interagido coaxialmente com os bicos de jato coerente de cobertura interna. O aparelho (20) compreende uma passagem (21) para fluxo de gás inerte principal contido em uma camisa esfriada por água (22). O queimador de preaquecimento (23) fornece CO e 02 (indicados como P.H. CO e P.H. 02). Fluxo de CO adicional é introduzido através da passagem coaxial (24). Água é introduzida dentro da camisa esfriada com água através da passagem (25). Um primeiro termopar é colocado no ponto médio (26) (T.C. Mid) da passagem principal e um segundo termopar é colocado na saída (27) (T.C. Exit) da passagem principal. EXEMPLO 1: Jatos de Argônio Coerentes com Combustível Foram conduzidos experimentos para tentar produzir um jato coerente de argônio puro injetando-se somente combustível de cobertura interna. O injetor de jato coerente de gás inerte de cobertura interna usado é ilustrado nas Figuras l(a) e l(b). A Figura l(a) é uma vista da saída do injetor (10) tendo oito orifícios (11) igualmente espaçados. Estes orifícios são furos perfurados e cada um tem aproximadamente 0,158 cm de diâmetro. A Figura l(b) é uma vista recortada lateral do injetor (10), mostrando uma passagem convergente-divergente (12) para o gás inerte e passagens (13), que pode ser usada para combustível ou uma mistura de combustível e oxigênio. O argônio foi injetado a 7,03 kg/cm e 175 m e o combustível era gás natural (NG). Os diâmetros da saída de bico (D) e garganta (T) foram de 0,96 cm e 0,66 cm, respectivamente. Em um gás de forno simulado, a injeção interna de combustível não resultou em nenhuma mudança do comprimento do jato, como mostrado na Tabela 1.

Tabela 1: Argônio Com Injeção Interna de Combustível P.H. 02 = Preaquecimento Queimador 02 P.H. CO = Preaquecimento Queimador CO Inj. NG = Injeção de gás natural T.C. Exit = Temperatura do gás de forno simulado na saída (Posição 27, Fig. 2) T.C. Mid = temperatura do gás de forno simulado no ponto médio (Posição 26, Fig. 2) Comprimento Jato = Comprimento do jato coerente de argônio fora do injetor %NG/MAIN = 100* (m3/h NG/m3/h argônio) L/Lo = Relação do comprimento de jato de argônio com injeção de combustível somente para comprimento de jato de argônio sem injeção de combustível O comprimento do jato coerente é definido como a distância da linha central axial da saída do bico para onde um tubo Piloto registra 3,315 kg/cm , que corresponde a uma posição dentro do núcleo supersônico de cerca de Mach 1.7.

As temperaturas experimentalmente medidas acima, quando corrigidas para perdas de radiação, resulta em temperaturas de gás de fomo simuladas reais próximas às de fomos comerciais, na faixa de cerca de 1649°C. EXEMPLO 2: Jatos Coerentes de Argônio com Oxigênio e Combustível Neste conjunto de experimentos, o mesmo projeto de injetor do Exemplo 1 foi usado e tanto oxigênio como combustível foram pré-misturados e injetados via as passagens (13, 14) para dentro dos orifícios da cobertura interna, para tentar produzir um jato de argônio coerente. Entretanto, injetar somente oxigênio interno (até 2% em relação ao fluxo de argônio) e injetar tanto combustível (0,66%) como oxigênio (0,97%) não resultou em mudanças do comprimento do jato (isto é, L/Lo = ~1 para todos os experimentos), como mostrado na Tabela 2.

Tabela 2: Areônio com Iniecão Interna de Oxiuênio e Combustível P.H. 02 = Preaquecimento Queimador 02 P.H. CO = Preaquecimento Queimador CO Inj. NG = Injeção de gás natural T.C. Exit = Temperatura do gás de forno simulado na saída (Posição 27, Fig. 2) T.C. Mid = temperatura do gás de forno simulado no ponto médio (Posição 26, Fig. 2) Comprimento Jato = Comprimento do jato coerente de argônio fora do injetor %NG/MAIN = 100* (m3/h NG/m3/h argônio) % 02/MAIN = 100* (m3/h 02/m3/h Ar) L/Lo = Relação do comprimento de jato de argônio com injeção de combustível somente para comprimento de jato de argônio sem injeção de combustível EXEMPLO 3: Injetor com Distribuidor Metálico Poroso Outros experimentos foram realizados usando-se o injetor mostrado na Figura 3. Este injetor (30) empregou um único metal poroso (31), tipicamente latão, bronze ou cobre, porém qualquer metal pode ser usado para uniformemente distribuir uma mistura de “pré-mistura” de combustível e oxigênio como o gás de cobertura interna dentro dos jatos principais de argônio/oxigênio de variáveis composições, incluindo argônio puro. O injetor (30) compreende uma passagem convergente/divergente para o gás inerte (32) e passagens adicionais (33) para combustível e oxigênio, para formar a cobertura interna. Estes experimentos foram conduzidos como experimentos de bico únicos e a passagem convergente/divergente foi projetada para 3 2 permitir que oxigênio fluísse a 712 m /h (7 kg/cm , Mach 2). Nos experimentos, o argônio e oxigênio foram escoados entre 672 - 712 m /h. A temperatura em que os experimentos foram realizados foi de aproximadamente 1232 °C (não corrigido para perdas de radiação). A Figura 4 é uma representação gráfica do comprimento de jato normalizado (comprimento/diâmetro = L/D) no gás de forno simulado, em função da concentração de argônio, oxigênio de equilíbrio, sem introduzir gás de cobertura interna. Os valores obtidos em ar ambiente são também mostrados. A Figura 5 é uma fotografia do aparelho experimental operando com um jato de argônio puro Mach 2, sem gás de cobertura interna. O jato de argônio é invisível e neste experimento produziu um L/D de cerca de 38. A Figura 6 é uma fotografia de um jato de argônio Mach 2 sob as condições da invenção. O oxigênio da cobertura interna foi admitido a cerca de 13% e o metano interno foi admitido a cerca de 3% do fluxo de argônio principal inicial. O jato é agora visível por causa da reação do combustível, oxigênio e monóxido de carbono do gás de forno simulado. O comprimento do jato aumentou para L/D = 60 A Figura 7 é uma representação gráfica do efeito da cobertura interna sobre um jato principal com composição inicial de 42% de argônio, oxigênio de equilíbrio. O comprimento do jato L/D é plotado contra a taxa de combustível de cobertura interna, para diferentes taxas de oxigênio internas.

Neste caso, a quantidade de oxigênio inicialmente presente no jato principal permite que a injeção de combustível interna seja eficaz. Entretanto, adicionando-se oxigênio de cobertura interna, os comprimentos do jato são substancialmente melhorados em relação à adição de somente combustível. A Figura 8 é uma representação gráfica do efeito da cobertura interna em um jato principal com composição inicial de 72% de argônio. O comprimento do jato L/D é plotado em relação à taxa de combustível da cobertura interna, para diferentes taxas de oxigênio internas. Neste caso, a quantidade de oxigênio inicialmente presente no jato principal não foi suficiente para permitir o processo de injeção de combustível interna eficaz. Entretanto, adicionando-se oxigênio de cobertura interna permitiu-se que os comprimentos dos jatos aumentassem substancialmente da condição inicial. A Figura 9 é uma representação gráfica para o jato principal inicialmente contendo 74,5% de argônio. As Figuras 10, 11 e 12 são representações gráficas para um jato principal, inicialmente contendo argônio puro. Em todos estes casos, adicionando-se somente combustível resultou em uma diminuição do comprimento do jato. Entretanto, tanto o combustível como o oxigênio permitiram a produção de longos jatos coerentes.

Outra tal forma de realização que utiliza dois condutos separados para suprir o combustível de cobertura e oxigênio é mostrado na Figura 13(b). Esta forma de realização utiliza duas faixas porosas para suprir 0 combustível e oxigênio separadamente. O metal poroso é fabricado como parte da seção divergente do bico. Muitíssimo provavelmente, o combustível seria suprido na faixa mais baixa onde o fluido do bico está em uma menor pressão. Em comparação com um jato somente de argônio sem cobertura interna, como mostrado na Figura 13(a), a cobertura interna fornece um núcleo supersônico mais comprido, resultando em um mais comprido jato coerente. A concepção de formar um jato composicionalmente “estruturado” aplica-se à formação dos jatos coerentes de argônio com a técnica de cobertura interna. As medições da composição foram tiradas sob as condições desta invenção e forneceram penetração dentro da mistura e reação do combustível e processo de injeção de oxigênio dentro de um jato de argônio puro, projetado para Mach 2. A Figura 14 mostra uma pressão Piloto radial perfil de composição para um jato de 100% argônio com cerca de 10% de oxigênio interno e cerca de 2% de metano interno durante a operação desta invenção. As medições foram tiradas em uma posição axial de um diâmetro de cerca de 1 bico a partir do plano de saída do bico. O projeto utilizado para obterem-se estes dados é mostrado na Figura 3. A plotagem da Figura 14 mostra a “estrutura” do jato de argônio da cobertura interna operando em um gás de forno simulado. A plotagem contém pressão de tubo Piloto (kg/cm ) e composição de gás (% vol) em função da posição radial. Oxigênio, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono foram os únicos gases analisados; o argônio não pôde ser medido. O núcleo central do jato consiste de argônio puro de velocidade muito elevada. Na região da circunferência externa, o gás contém oxigênio, metano e argônio; o gás não está queimando dentro do bico, como determinado pela falta de detecção de produtos de combustão na faixa de -1 a 1 (-1 < R/Rn < 1). A cerca de -1,5 < R/Rn > 1,5, os picos de metano e oxigênio precipitadamente caem devido à reação com a atmosfera do forno, para produzir dióxido de carbono e monóxido de carbono. Esta posição marca o local da borda interna da frente da chama. R é a coordenada radial e Rn é o raio de saída do bico (Rn = D/2).

Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes com referência a certas formas de realização preferidas, aqueles hábeis na arte reconhecerão que estas são outras formas de realização dentro do espírito e escopo das reivindicações.

REIVINDICAÇÕES

Claims (8)

1. Método de injetar gás inerte no banho localizado dentro de um forno metalúrgico tendo uma atmosfera de forno aquecida, dito método caracterizado pelo fato de que compreende (a) introduzir uma corrente de gás inerte dentro de um bico tendo uma passagem de configuração convergente-divergente; (b) formar uma corrente combinada comendo combustível, gás inerte e oxigênio, mediante (b 1) injetar uma corrente dc oxigênio dentro da corrente de gás inerte em locais círcunferenciais internos da passagem que são situados inteiramente dentro da passagem, de modo que uma corrente combinada contendo gãs inerte e oxigênio é formada dentro da passagem; e injetar um combustível contendo uma espécie de hidrogênio dentro da corrente de gás inerte em locais círcunferenciais internos da passagem que são situados inieiramenie dentro da passagem, ou (b,2) injetar uma corrente premi st ur ada de oxigênio e um combustível contendo uma espécie de hidrogênio dentro da corrente de gás inerte, em locais círcunferenciais internos da passagem que são situados imeiramente dentro da passagem, (c) de modo que uma corrente combinada contendo combustível, gãs inerte e oxigênio é formada dentro da passagem tendo uma estrutura composta de uma região circunferencial externa contendo uma mistura do gãs inerte, o oxigênio e o combustível e uma região central interna circundada pela região circunferencial externa e contendo o gãs inerte e essencial mente nenhum combustível ou oxigênio; (d) a corrente de gãs inerte sendo introduzida dentro de uma seção de entrada da passagem em ou acima de uma pressão crítica, desse modo produzindo: uma condição de fluxo estrangulado dentro da seção de garganta central da passagem; aceleração da corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados a uma velocidade supersônica dentro de uma seção divergente da passagem; e descarga da corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio como um jato estruturado do bico para dentro da atmosfera do forno, o jato estruturado tendo a estrutura da corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados e a velocidade supersônica na descarga do bico; (e) impedir ignição e combustão do combustível dentro da passagem, provendo a passagem com uma superfície interna ininterrompida por qualquer descontinuidade, dentro da qual a região circunferencial externa podería, de outro modo, acelerar e fornecer um sítio para combustão estável do combustível. (f) produzir um envelope de chama circundando um jato de gás inerte formado pela região central interna do jato estruturado e inicialmente tendo a velocidade supersônica, para inibir o declínio de velocidade e declínio de concentração do jato do gás inerte, o envelope de chama sendo produzido inteiramente fora do bico, através de contato da região circunferencial externa do jato estruturado com a atmosfera de forno aquecida, de modo a criar uma zona de cisalhamento-mistura contendo uma mistura inflamável composta do combustível, gás inerte, oxigênio e atmosfera de forno aquecida e auto-ignição da mistura inflamável, através de calor suprido pela atmosfera de forno aquecida; e (g) direcionar o jato de gás inerte para dentro do banho, enquanto circundado pelo envelope de chama.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio é totalmente expandida em sua descarga como o jato estruturado proveniente do bico; a corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio é formada pela etapa (b.l) e o oxigênio é introduzido na corrente de gás inerte e o oxigênio é introduzido na corrente de gás inerte, enquanto dentro da seção divergente do bico; e o combustível é introduzido na corrente de gás inerte, enquanto dentro da seção divergente do bico. a corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio é formada pela etapa (b.2) e a corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio é totalmente expandida em sua descarga como o jato estruturado proveniente do bico; e a corrente de combustível e oxigênio pré-misturada é introduzida na corrente de gás inerte, enquanto dentro da seção divergente do bico.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente contendo combustível, gás inerte e oxigênio combinados é superexpandida em sua descarga como o jato estruturado proveniente do bico, de tal modo que a corrente de gás inerte tem uma pressão subambiente, enquanto dentro da seção divergente do bico; e ou a corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio é formada pela etapa (b.l) e o combustível é introduzido na corrente de gás inerte em um local dentro da seção divergente em que a corrente de gás inerte está em uma pressão subambiente, ou a corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio é formada pela etapa (b.2) e a corrente de combustível e oxigênio pré-misturados é introduzida ma corrente de gás inerte em um local dentro da seção divergente em que a corrente de gás inerte está em uma pressão subambiente.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forno metalúrgico é um forno de arco elétrico ou um forno de oxigênio básico, a atmosfera de forno aquecida conter monóxido de carbono e a mistura inflamável conter o monóxido de carbono.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível é introduzido dentro da corrente de gás inerte nos locais circunferenciais internos da passagem, pela injeção de combustível dentro de um elemento anular metálico poroso, tendo uma superfície anular interna fazendo parte da seção de garganta da seção divergente da passagem convergente-divergente.

6. Método de injetar gás inerte no banho localizado dentro de um forno metalúrgico, tendo uma atmosfera de forno aquecida contendo monóxido de carbono, dito método caracterizado pelo fato de que compreende: (a) introduzir correntes de gás inerte em bicos tendo passagens de configuração convergente-divergente, os bicos estando situados em uma ponta de uma lança resfriada a água e inclinados a partir de um eixo geométrico central da lança resfriada a água; (b) injetar correntes de oxigênio dentro das correntes de gás inerte em locais circunferenciais internos das passagens que ficam situados inteiramente dentro das passagens, de modo que as correntes combinadas contendo gás inerte e oxigênio são formadas com as passagens; (c) injetar um combustível contendo uma espécie de hidrogênio dentro das correntes de gás inerte, em locais circunferenciais internos das passagens, que ficam situados inteiramente dentro das passagens, de modo que as correntes combinadas contendo combustível, gás inerte e oxigênio são formadas dentro das passagens, cada uma tendo uma estrutura composta de uma região circunferencial externa, contendo uma mistura do gás inerte, oxigênio, combustível e uma região central interna circundada pela região circunferencial externa e contendo o gás inerte e essencialmente nenhum combustível ou oxigênio; (d) as correntes de gás inerte sendo introduzidas dentro das seções de entrada das passagens na ou acima de uma pressão crítica, para produzir desse modo: uma condição de fluxo estrangulado dentro das seções de garganta central das passagens; aceleração da corrente combinada contendo combustível, gás inerte e oxigênio a uma velocidade supersônica dentro de seções divergentes das passagens; e descarga das correntes combinadas contendo combustível, gás inerte e oxigênio como jatos estruturados provenientes dos bicos para dentro da atmosfera de forno, os jatos estruturados tendo a estrutura das correntes combinadas contendo combustível, gás inerte e oxigênio e a velocidade supersônica na descarga a partir do bico; (e) impedir ignição e combustão do combustível dentro das passagens, provendo das passagens com uma superfície interna não interrompida por qualquer descontinuidade, dentro de que a região circunferencial externa podería, de outro modo, desacelerar e fornecer um sítio para combustão estável do combustível; (f) produzir envelopes de chama circundando jatos individuais de gás inerte formados a partir da região central interna dos jatos estruturados e inicialmente tendo a velocidade supersônica, para inibir o declínio da velocidade e declínio da concentração dos jatos de gás inerte, os envelopes de chama sendo produzidos inteiramente fora dos bicos, através de contato da região circunferencial externa dos jatos estruturados com a atmosfera aquecida do forno, de modo a criar uma zona de cisalhamento-mistura contendo uma mistura inflamável, composta do combustível, gás inerte, oxigênio e a atmosfera aquecida do forno e auto-ignição da mistura inflamável através de calor suprido pela atmosfera aquecida do forno; e (g) situar a lança resfriada a água dentro do vaso metalúrgico e direcionar os jatos de gás inerte para dentro do banho, enquanto circundados pelos envelopes de chama.

7. Método de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o gás inerte é argônio.

8. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que: o combustível é introduzido dentro de uma câmara de combustível e os bicos passam através da câmara de combustível; e o combustível é introduzido dentro das passagens através das passagens de combustível localizadas dentro da ponta de lança e comunicando-se entre os locais circunferenciais internos das passagens e a câmara de combustível.