CN101163920B - 形成凝聚射流的方法 - Google Patents

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Abstract

用于以凝聚射流运行真空容器的方法，其中在容器内建立了真空条件且由亚音速的燃料和氧化剂导致的锚定或接附的火焰包围物围绕至少一个超音速气体流提供。本发明的另一个方面是用于在容器内形成和维持凝聚气体射流的方法，包括：将气体流内的气体以超音速速度从喷射设备喷射到其中建立了真空条件的容器内，以亚音速速度将燃料和氧化剂围绕所述的气体流提供到容器内，和燃烧所述的燃料和氧化剂以形成围绕所述的气体流的火焰包围物以形成和维持所述的气体流为凝聚气体射流。

Description

形成凝聚射流的方法
技术领域
本发明一般地涉及超音速或凝聚射流技术。
背景技术
最近在气体射入领域中显著的进步是例如在Anderson等人的美国专利No 5,814,125和Anderson等人的美国专利No 6,171,544中披露的凝聚射流技术的发展。在此技术的实施中，通过使用围绕且沿高速气体射流(多个射流)的火焰包围物将从喷枪上的一个或多个喷嘴喷出的一个或多个高速气体射流在相对长的距离中维持凝聚。火焰包围物通过燃烧从绕喷嘴(多个喷嘴)的一个或多个口环从喷枪喷出的燃料和氧化剂形成。燃料和氧化剂在大气压条件下燃烧以形成火焰包围物。此技术在低于大气压条件下的运行是希望的。然而，因为在这样的条件下所经历的火焰升离和吹熄的负面效果，这可能是有问题的。
发明内容
本发明的一个方面是：
用于在容器内形成和维持凝聚气体射流的方法，包括：将气体流内的气体以超音速速度从喷射设备喷射到其中建立了真空条件的容器内，以亚音速速度将燃料和氧化剂围绕所述的气体流提供到容器内，和燃烧所述的燃料和氧化剂以形成围绕所述的气体流的火焰包围物以形成和维持所述的气体流为凝聚气体射流。
本发明的另一个方面是：
用于运行包含熔化金属且在熔化金属上方具有顶部空间的冶金容器的方法，所述的方法包括：将气体流内的气体以超音速速度从喷射设备喷射到其中建立了真空条件的顶部空间内，以亚音速速度将燃料和氧化剂围绕所述的气体流提供到顶部空间内，燃烧所述的燃料和氧化剂以形成围绕所述的气体流的火焰包围物，和使气体从所述的气体流通向所述的熔化金属。
如在此所使用，术语“真空条件”意味着低于环境大气压的压力，且对于冶金容器，优选地在从10至300托的范围内，最优选地在从35至150托的范围内。
附图说明
图1是喷射设备的面的一个优选实施例的顶视图，且
图2是可在本发明的实施中使用的具有这样的面的喷射设备的一个优选实施例的截面视图。
图3图示了在冶金容器内运行的本发明的一个实施例。附图中的附图标记对于共同的元件相同。
图4是实施本发明所获得的结果与不实施本发明所获得的结果的比较的图形表示。
具体实施方式
将参考附图详细描述本发明。
现在参考附图，以流动箭头1示出的气体通过至少一个喷嘴2，优选地为会聚/发散喷嘴，且然后通过在面6上的喷嘴开口4离开喷射设备3，以形成凝聚气体射流5，气体射流5具有大于马赫数1至大约马赫数6的范围内的超音速速度，优选地在从马赫数3至马赫数4.5的范围内，且可以具有达到大约10万scfh或更高的流量。在本发明的实施中，通过各喷嘴喷出的气体射流的个数可以在从1到6的范围内。凝聚气体射流喷射到其内的喷射体积可以是金属处理站，例如真空处理站。当使用多个喷嘴时，每个喷嘴可以相互且从喷枪的中心轴线以角度分开。
任何有效的气体可以用作形成本发明的实施中的凝聚射流或多个射流的气体。在这样的气体中，可以是氧气、氮气、氩气、二氧化碳、氢气、氦气、蒸汽和碳氢化合物气体。优选地，气体是商用纯氧。在本发明的实施中，包括两个或更多气体的混合物，例如空气也可以用作这样的气体。
口的环20位于面6上围绕喷嘴开口或多个喷嘴开口4。环20优选地是其直径在从0.75至20英寸的范围内的圆。一般地，环20将包括6至48个口。每个出口优选地是其直径在从0.125至3英寸的范围内的圆。然而，口可以具有非圆形形状，例如矩形形状或椭圆形形状。口的环可以在喷枪面6上的凹陷或沟槽内，以帮助支持火焰稳定性。典型地，这样的凹陷的深度在从0.125至24英寸的范围内且宽度在从0.125至3英寸的范围内。对于任何特定的喷射设备设计的参数将取决于超音速气体射流(多个射流)的流量。
通过燃烧从口提供的燃料和氧化剂形成了围绕且沿着超音速气体流(多个气体流)的火焰包围物。燃料和氧化剂可以从口作为混合物提供，即以预先混合的布置提供，或可以分开地提供且在从喷射设备喷射到喷射体积后混合。后者的方法是优选地且在下文中更完全描述。
将燃料提供到环20上的第一组口22且将氧化剂提供到环20上的第二组口23。优选地，如在图1中图示，第一组口22与第二组口23在环20上交替，使得每个燃料口22具有在此燃料口任一侧上邻近的两个氧化剂口23且每个氧化剂口23具有在此氧化剂口任一侧上邻近的两个燃料口22。燃料和氧化剂从喷射设备3中从它们各自的口喷出到喷射体积内。从口的环喷出的燃料和氧化剂的速度具有亚音速速度，优选地在从200至1000英尺/秒的范围内。
从口22喷出的燃料优选地是气态的且是含氢燃料。在这样的燃料中，可以包括氢气、甲烷、天然气、焦炉煤气、合成气、石油气、丙烷、丁烷和气化或蒸发的燃料油。从口23喷出的氧化剂可以是空气、具有超过空气的氧浓度的富氧空气或具有至少90摩尔百分比的氧浓度的商用氧气。优选地，氧化剂是具有至少25摩尔百分比的氧浓度的流体。
从喷射设备出来的燃料和氧化剂形成了围绕气体射流5的气体包围物，该气体包围物燃烧以在喷射体积内形成围绕气体射流(多个气体射流)的火焰包围物或火焰罩。围绕气体流的火焰包围物24用于防止将环境气体吸入气体流或多个气体流内，因此防止气体流或多个气体流的速度显著降低且防止气体流或多个气体流的直径显著地增加，因此用于建立和维持气体流5为凝聚射流。
替代地，燃料和氧化剂可以分别从面上的口的两个环提供，即围绕且最靠近中心喷嘴(多个中心喷嘴)4的口的内环和从口的内环径向分开且围绕口的内环的口的外环。优选地，燃料从口的内环提供且氧化剂从口的外环提供。口的外环上的口可以与口的内环上的口对齐或偏置。
火焰罩燃料和氧化剂可以以化学当量比表达。化学当量比的定义是运行燃料和氧比(F/O)除以完全燃烧所需要的燃料和氧比(F/O)。例如，当燃料是甲烷且运行F/O为1.25时，因为甲烷和氧完全燃烧的化学当量为0.5，因此在此例子中化学剂量比为1.25/0.5或2.5。优选的，在本发明的实施中，火焰罩燃料和氧的化学当量比大于2。
延伸件15从面延伸以形成气体流和火焰包围物气体最初喷射到其内的循环区16。典型地，延伸件将是圆柱形形状的，但其他形状是可以的，且延伸件将具有从0.5至24英寸范围内的长度和在从1.0至24英寸范围内的直径。由延伸件15形成的循环区16用于帮助火焰包围物围绕气体流的最初形成，且在容器的真空条件下帮助将火焰包围物锚定到喷射设备的面。延伸件的特定的参数将取决于主气体流量。本发明可以实施为带有以上所论述的延伸件和/或火焰包围物口沟槽，以帮助支持火焰稳定性。延伸件可以是喷射设备自身的部分或可以分开地形成。
燃料和氧化剂以及由燃料和氧化剂燃烧所导致的围绕气体流(多个气体流)的火焰包围物的亚音速速度结合了邻近面的气体的循环用于在真空情况下维持火焰包围物接附或锚定到面，因此避免了火焰升离和吹熄。作为结果的火焰包围物的完整性用于维持气体流或射流凝聚。这使得气体流与其他情况相比能行进更长的距离，同时维持了超音速速度。在冶金应用中这是特别地有利的，因为与在处理期间必须显著地伸入到室内的常规的喷枪设备相比，凝聚射流设备不必伸入到处理室内。在常规情况中的结果是必须将特殊的滑动密封件和提升装备安装在容器顶上，以在处理结束时从容器内收回常规的喷枪。凝聚射流设备也将不受到常规的喷枪和滑动密封件所经历的损坏。
对于本发明的实施一个重要的应用是在低于大气压力下运行的冶金容器，例如在图3中图示的真空精炼过程。在此特别的实施中，冶金容器30包括室31和包含了熔化金属35的罐32。在容器30的顶部空间33内建立了真空条件，例如通过以真空泵将顶部空间气氛通过通道34排空。气体流5内的气体然后从喷射设备3提供到顶部空间33内且火焰包围物24围绕气体流5如先前所描述形成。优选地，喷射设备3将与容器的耐火面齐平或仅延伸到容器内短的距离。在本发明的实施中，喷射器可以是固定位置喷射器或可以是可以插入到容器内且可移动到多种位置的可变位置喷射器。气体流5内的例如氧气的气体从喷射设备3通过且接触例如钢的熔化金属，熔化金属由于真空精炼过程条件而被诱导以在图3中示出的路径内流动。气体可以用于对熔化金属脱碳和/或用于其他用途，例如通过将例如铝、硅等添加的高能燃料氧化而加热熔化金属。
通过使用本发明，凝聚射流喷射设备或喷射器面可以定位为大体上在常规喷枪将定位的面的上方，包括定位为与容器顶内的耐火面齐平。优选地，在近年来建造的大多数容器的情况中，这样的距离将为大约25英尺或在从15至40英尺的范围内。在更老或更短的容器的情况中，距离可以更短，但凝聚射流设备或喷射器面将仍与内部顶耐火表面齐平。存在可设想的情况，其中，凝聚射流喷射器面可能必须在容器内延伸2至5英尺，以将其定位在熔化金属表面上方必需的距离处。然而，即使对于这样的在熔化金属表面上的高位置，本发明也可以以比以常规实施可实现的效率更好的效率来将例如氧气的气体提供到熔化金属内。
为例示和比较目的，进行了实施本发明和不实施本发明的测试，且结果在图4中给出。测试为图示和比较目的给出且不意图于是限制性的。
进行了试验以例示通过将射流排放到试验真空室内的火焰罩对射流保持特征的影响。试验在50托的室压下进行且作为例子给出。圆锥形会聚-发散喷嘴设计为在喷嘴入口上游提供150磅/平方英寸表压(psig)且排放到喷嘴出口下游的50托的绝对(-13.73 psig)室压时接纳500标准立方英尺/小时(scfh)的氧气。喷嘴喉部直径为0.0605英寸且出口直径为0.2061英寸。喉部长度等于喉部直径且喷嘴会聚半角为5度。在流动条件下，完全膨胀的氧气射流以马赫数4.08(2110英尺/秒)离开喷嘴。
通过以等距分开的且交替的燃料和次级氧气口的单环来围绕会聚-发散喷嘴形成了火焰罩。八个天然气口和八个次级氧气口定位在直径为1英寸的圆上。所有罩口是每个直径为0.125英寸的直壁钻孔。天然气的流量是以100scfh的总量(主氧气流的20％)接纳且次级氧气流为80scfh的总量。位于喷嘴出口处的循环延长件用于稳定燃烧以保证将火焰锚定到喷嘴出口。此延长件的长度为0.625英寸且直径为1.25英寸。
从射流中在轴向中心线处获取的皮托管测量值被记录为距喷嘴出口的距离的函数。测量值以带有和不带有火焰罩来记录。结果在图4中示出，图4示出了计算的射流中心线速度(以喷嘴出口速度规一化)与轴向距离(以喷嘴出口直径规一化)之间的关系。无火焰罩时，速度衰减到初始速度一半(V/V(0)＝0.5)处的距离为5 0个喷嘴直径(X/D＝50)。有火焰罩时，速度衰减到初始速度一半(V/V(0)＝0.5)处的距离为260个喷嘴直径(X/D＝260)。这表示射流长度增加因子5.2(520％)。
虽然本发明参考某些优选实施例详细描述，但本领域一般技术人员将认识到，在权利要求书的精神和范围内存在本发明的其他实施例。例如，循环延伸件可以设计在喷枪或喷射设备自身内，或形成为分开的组件的部分，例如喷枪插入到由容器耐火壁形成的凹陷内或容纳了喷枪的分开地设计的面板内。优选地，本发明实施为带有以适当地设计的会聚/发散喷嘴的完全膨胀的超音速射流。然而，如果使用来自音速会聚喷嘴或会聚/发散喷嘴的欠膨胀射流，则本发明将具有一定程度的有效性。

Claims (10)

1.一种用于在容器内形成和维持凝聚气体射流的方法，其包括：
将气体流内的气体以超音速速度从喷射设备喷射到其中建立了真空条件的所述容器内，
以亚音速速度将燃料和氧化剂围绕所述的气体流提供到所述容器内，和
燃烧所述燃料和氧化剂以形成围绕所述气体流的火焰包围物，以便形成和维持所述气体流为凝聚气体射流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料和氧化剂的化学当量比大于2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体包括氧气。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料和氧化剂从所述喷射设备上的构成单个环形的多个口中提供到所述容器内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体、燃料和氧化剂最初通到由所述喷射设备上的延长件所形成的循环体积内，且随后通到所述容器内。
6.一种用于运行包含熔化金属且在熔化金属上方具有顶部空间的冶金容器的方法，所述的方法包括：
将气体流内的气体以超音速速度从喷射设备喷射到其中建立了真空条件的所述顶部空间内，
以亚音速速度将燃料和氧化剂围绕所述气体流提供到所述顶部空间内，
燃烧所述燃料和氧化剂，以形成围绕所述气体流的火焰包围物，和使气体从所述气体流通到所述熔化金属。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃料和氧化剂的化学当量比大于2。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气体包括氧气。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃料和氧化剂从所述喷射设备上的构成单个环形的多个口中提供到容器内。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气体、燃料和氧化剂最初通到由所述喷射设备上的延长件所形成的循环体积内，且随后通到所述顶部空间内。
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