CN109237481A - 一种高能液化天然气专用割嘴及应用 - Google Patents

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王景春
张文涛
王也
何珊
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Abstract

本发明涉及一种高能液化天然气专用割嘴及利用该割嘴进行钢材切割的方法，属于特种燃烧设备，及钢材加工领域。一种高能液化天然气专用割嘴，所述专用割嘴包括割嘴本体以及割嘴套管，所述切割氧孔末端设置为拉瓦尔管孔道，拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段、喉部和渐扩段；且在拉瓦尔孔道的渐扩段出口处设置一与渐扩段出口处直径相等的直管，所述直管长度与拉瓦尔管孔道渐扩段长度之比为0～1:1；所述切割氧孔的直径与拉瓦尔管孔道渐缩段入口处直径相等。本发明所述装置专用于具有特殊添加剂的甲烷含量97％以上的液化天然气作为切割气，相较于传统的乙炔、丙烷作为切割气使用，具有切割速度更快，切割面更平整，节省1/3以上成本的显著优点。

Description

一种高能液化天然气专用割嘴及应用
技术领域
本发明涉及一种高能液化天然气专用割嘴及利用该割嘴进行钢材切割的方法，属于特种燃烧设备，及钢材加工领域。
背景技术
火焰切割也称为氧气切割，是工业生产中最常用的金属热切割方式。割嘴是气割设备中最重要的执行部件和最易损坏的部件。切割不同厚度的钢板或燃用不同的燃气时，必须选用相应型号的割嘴，以达到高效、高质量切割钢材的目的。目前市面上已有乙炔割嘴和丙烷割嘴，而在切割领域具有广阔应用前景的具有特种添加剂的液化天然气(LNG)，还没有专用的割嘴。
已通过实验验证了用传统丙烷割嘴使用该高能液化天然气进行切割的效果能够达到，甚至是超过了用丙烷割嘴使用丙烷进行切割的效果。但是由于丙烷割嘴的结构对于丙烷有一定的针对性，所以在用该割嘴使用高能液化天然气时，会使得该燃气与氧气的混合气体垂直喷出后的火焰能量密度不集中。这样就会出现割缝宽、切割面不平整、上塌边和下挂渣等现象。因而迫需一种能够专门针对高能液化天然气的专用割嘴。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种专用于高能切割天然气的割嘴，通过改变割嘴的结构及相关参数，获得适合的火焰形状，切割温度，切割氧速度，考察切割过程的切割厚钢板的速度和切割面质量，确定该改进型割嘴适用于特种添加剂液化天然气作为切割气的工艺参数。
一种高能液化天然气专用割嘴，所述专用割嘴包括割嘴本体以及割嘴套管，所述割嘴本体分为进气段、混合段和出气段，其中，
进气段整体为圆锥台状，在其圆锥面上由上至下设有切割氧台阶、预热氧台阶和燃气台阶；所述切割氧台阶为圆锥台上端面，其上设有沿垂直方向贯穿整个割嘴本体的切割氧孔；所述预热氧台阶和燃气台阶分别设有预热氧进气孔和燃气进气孔，两者均与混合进气孔相通；混合进气孔连通位于混合段的混合空腔；所述混合空腔连通出气段的出气槽；
所述切割氧孔末端包括一段拉瓦尔管孔道结构，拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段、喉部和渐扩段；且在拉瓦尔孔道的渐扩段出口处设置一与渐扩段出口处直径相等的直管，所述直管长度与拉瓦尔管孔道渐扩段长度之比为0～1:1；所述切割氧孔的直径与拉瓦尔管孔道渐缩段入口处直径相等；
所述燃气进气孔的孔径与预热氧进气孔的孔径之比为1.4～2；
所述出气槽锥度为4°～11°。
本发明所述专用割嘴适用于高能液化天然气，通并过燃气进气孔向割嘴内通入高能液化天然气。
本发明所述的高能液化天然气为发明名称为《一种天然气金属切割气》，公开号为CN104877722A的中国专利中公开的添加有添加剂的天然气金属切割气。
本发明所述直管长度与拉瓦尔管渐扩段长度之比为0～1:1，当两者之比为0:1时，则表示无直管部分。
优选地，在切割氧台阶和预热氧台阶之间设置有预热氧集气槽；所述预热氧台阶与燃气台阶之间设置有燃气集气槽。
本发明一个优选的技术方案为：
一种高能液化天然气专用割嘴，所述专用割嘴包括割嘴本体以及割嘴套管，所述割嘴本体分为进气段、混合段和出气段，其中，
进气段整体为圆锥台状，在其圆锥面上由上至下设有切割氧台阶、预热氧台阶和燃气台阶；所述切割氧台阶为圆锥台上端面，其上设有沿垂直方向贯穿整个割嘴本体的切割氧孔；所述预热氧台阶和燃气台阶分别设有预热氧进气孔和燃气进气孔，两者均与混合进气孔相通；混合进气孔连通位于混合段的混合空腔；所述混合空腔连通出气段的出气槽；
所述切割氧孔末端包括一段拉瓦尔管孔道结构，拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段、喉部和渐扩段；且在拉瓦尔孔道的渐扩段出口处设置一与渐扩段出口处直径相等的直管，所述直管长度与拉瓦尔管孔道渐扩段长度之比为0～1:1；
所述拉瓦尔管孔道的喉部直径为0.8～2.2m，所述切割氧孔进气口直径为2.4～6.8mm；所述切割氧孔出口处直径为1～2.8mm；
所述预热氧进气孔的孔径为0.8～2mm，所述燃气进气孔的孔径为1.1～4mm。
所述出气槽的深度为0.7～2mm。
本发明所述切割氧孔出口处直径，当所述切割氧孔末端包括直管时，其为直管的孔径；当所述切割氧孔末端不包括直管时，其为拉瓦尔管渐扩段出口处直径。
本发明所述拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段、喉部和渐扩段，其，当进口直径(即渐缩段)确定后根据所需马赫数，即可确定喉部直径，渐扩段出口直径，拉瓦尔管渐缩段和渐扩段长度。
优选地，所述拉瓦尔管渐缩段为4.5～13mm，渐扩段长度为2.3～6.9mm。
优选地，预热氧进气孔和燃气进气孔的数目相同，为6～12；所述预热氧进气孔和燃气进气孔沿圆周等距设置。
本发明所述出气槽设置于割嘴本体整个出气段部分，所述割嘴本体出气段整体为圆锥台形。即在割嘴本体出气段管体的外表面开槽，该槽与割嘴套相配后形成出气腔。本发明所述出气槽截面为梯形或矩形。优选地，所述出气槽深度为0.7～2mm。本发明所述出气槽的深度指出气槽的底面到圆锥台面的垂直距离。
进一步，本发明一个最优选的技术方案为：
一种高能液化天然气专用割嘴，所述专用割嘴包括割嘴本体以及割嘴套管，所述割嘴本体分为进气段、混合段和出气段，其中，
进气段整体为圆锥台状，在其圆锥面上由上至下设有切割氧台阶、预热氧台阶和燃气台阶；所述切割氧台阶为圆锥台上端面，其上设有沿垂直方向贯穿整个割嘴本体的切割氧孔；所述预热氧台阶和燃气台阶分别设有预热氧进气孔和燃气进气孔，两者均与混合进气孔相通；混合进气孔连通位于混合段的混合空腔；所述混合空腔连通出气段的出气槽；
所述切割氧孔末端包括一段拉瓦尔管孔道结构，拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段、喉部和渐扩段；且在拉瓦尔孔道的渐扩段出口处设置一与渐扩段出口处直径相等的直管，所述直管长度与拉瓦尔管孔道渐扩段长度之比为0～1:1；
切割氧孔的直径与拉瓦尔管孔道渐缩段入口处直径相等；
所述燃气进气孔的孔径与预热氧进气孔的孔径之比为1.4～2；
所述拉瓦尔管孔道的喉部直径为1～1.4mm；所述切割氧孔进气口直径为2.4～4mm；所述切割氧孔出口处直径为1～2.8mm；
所述预热氧进气孔的孔径为1～1.5mm，所述燃气进气孔的孔径为1.4～3mm；
所述出气槽的深度为1.2～1.8mm；
所述出气槽的锥度为6～10°；
所述预热氧和燃气进气孔的数目都为10～12个。
本发明的另一目的是提供利用上述割嘴进行钢板切割的方法，所述方法为：以高能液化天然气为燃气，切割氧进口压力为0.6～0.75MPa，预热氧以及燃气进口压力为0.03～0.04MPa。
上述方法所得有效切割火焰在距离割嘴出口处范围为5～120mm，火焰直径范围为2.5～11mm，所述有效切割火焰为火焰温度在2000℃以上的区域。如图8所示。
本发明所述有效切割火焰在距离割嘴出口处5～120mm处，火焰直径范围为2.5～11mm。根据设定割嘴及工艺参数的不同，其有效火焰在距离割嘴出口处5～120mm的范围内，如10～100mm，火焰直径为2.4～10mm。
本发明的有益效果为：本发明所述专用割嘴是利用带有特殊添加剂的天然气(简称为高能液化天然气)和氧气混合火焰切割钢材的装置。由于高能液化天然气相较于传统乙炔、丙烷具有成本低，火焰能量密度高，爆炸极限范围窄，更环保等优点，有望替代丙烷、乙炔成为主流切割气。本发明所述喷嘴充分发挥高能液化天然气作为切割气的优点，使火焰形状、切割速度、切面质量大幅度提高。本发明所述装置专用于具有特殊添加剂的甲烷含量97％以上的液化天然气作为切割气，相较于传统的乙炔、丙烷作为切割气使用，具有切割速度更快，切割面更平整，节省1/3以上成本的显著优点。
附图说明
图1是本发明高能液化天然气专用割嘴的结构示意图；
图2是高能液化天然气专用割嘴的割嘴本体的结构示意图；
图3是本发明所述割嘴本体B-B剖视图；
图4是本发明所述割嘴本体C-C剖视图；
图5是本发明所述割嘴本体D向视图；
图6是本发明所述割嘴本体E向视图；
图7是本发明所述割嘴套的结构示意图；
图8是本发明所述有效火焰形状示意图；
附图标记如下：1-割嘴本体，2-割嘴套，3-切割氧台阶，4-切割氧孔，5-预热氧集气槽，6-预热氧台阶，7-预热氧进气孔，8-燃气集气槽，9-燃气进气孔，10-燃气台阶，11-混合进气孔，12-混合空腔，13-出气槽，14-拉瓦尔管孔道渐缩段，15-拉瓦尔管孔道喉部，16-直管。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中，所用高能液化天然气专用割嘴，所述割嘴由割嘴本体1和套装在割嘴本体1出气段和混合段的割嘴套2组成。所述割嘴本体1分为进气段、混合段和出气段。
进气段整体为圆锥台状，在其圆锥面上由上至下设有切割氧台阶3、预热氧台阶6和燃气台阶10；所述切割氧台阶3为圆锥台上端面，其上设有沿垂直方向贯穿整个割嘴本体1的切割氧孔4；所述预热氧台阶6和燃气台阶10分别设有预热氧进气孔7和燃气进气孔9，两者均与混合进气孔11相通；混合进气孔11连通位于混合段的混合空腔12；所述混合空腔12连通出气段的出气槽13；在切割氧台阶3和预热氧台阶6之间设置有预热氧集气槽5；所述预热氧台阶6与燃气台阶10之间设置有燃气集气槽8。在割嘴本体1出气段部分，割嘴套2与出气槽13形成出气腔体；在割嘴本体1混合段部分，割嘴套2与割嘴本体形成混合空腔12。
所述切割氧孔4末端包括一段拉瓦尔管孔道结构，拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段14、喉部15和渐扩段15；且在拉瓦尔孔道的渐扩段出口处设置一与渐扩段出口处直径相等的直管16，所述直管长度与拉瓦尔管孔道渐扩段长度之比为0～1:1；切割氧孔4的直径与拉瓦尔管孔道渐缩段入口处直径相等；
所述燃气进气孔9的孔径与预热氧进气孔7的孔径之比为1.4～2；
所述拉瓦尔管孔道的喉部直径为0.8～2.2mm，所述渐缩段的长度为4.5～13mm，渐扩段长度为2.3～6.9mm；所述切割氧孔4进气口直径为2.4～6.8mm；所述切割氧孔4出口处直径为1～2.8mm；
所述预热氧进气孔7的孔径为0.8～2mm，所述燃气进气孔9的孔径为1.1～4mm。
所述出气槽的深度为0.7～2mm；
所述出气槽的锥度为4～10°；
所述预热氧和燃气进气孔的数目都为6～12个，所述预热氧进气孔7和燃气进气孔9沿圆周等距设置。
实施例1
切割氧孔4进气口直径为2.4mm、预热氧进气孔7直径为0.8mm、燃气进气孔9直径为1.2mm、出气槽13的锥度为4°、出气槽的深度为1mm、切割氧进气通道中拉瓦尔管喉部直径为0.8mm、切割氧出气出口孔径为1mm、预热氧进气孔以及燃气进气孔数目为6、直管段与渐扩段的长度比值为0、拉瓦尔管渐缩段长度为4.5mm，渐扩段长度为3mm，割嘴本体长80mm。用该割嘴配套，以锦州安燃高能切割气有限公司生产的高能切割气(发明专利号为ZL 2015 10227209.6)为燃气，在切割氧压力为0.7MPa、预热氧以及燃气压力为0.03MPa下对30mm的钢板进行切割，其切割速度670mm/min。
实施例2
通过加工得到该发明割嘴，其切割氧进气孔直径为3.2mm、预热氧进气孔直径为1mm、燃气进气孔直径为1.5mm、出气槽锥度为6°、出气槽深度为1.2mm、切割氧进气孔中的拉瓦尔管喉部直径为1mm、切割氧出口直径为1.3mm、拉瓦尔管渐缩段长度为6.3mm、拉瓦尔渐扩段长度为3.5mm、预热氧进气孔以及燃气进气孔数目为8、直管段与拉瓦尔管渐扩段长度比值为0.5、割嘴本体部分长度为82mm。用该割嘴配套实施例1中所述燃气，在切割氧进气压力为0.7MPa、预热氧以及燃气进气压力为0.03MPa下，对50mm厚的钢板进行切割时，切割速度能够达到580mm/min。
用上海华威公司生产的GK3丙烷割嘴，以锦州安燃高能切割气有限公司生产的高能切割气(发明专利号为ZL 2015 1 0227209.6)为燃气。在切割氧为0.7MPa、预热氧以及燃气压力为0.03MPa的情况下，对50mm的钢板进行切割，此时的切割速度能够达到520mm/min。
实施例3
通过加工得到该发明割嘴，其切割氧进气孔直径为4.4mm、预热氧进气孔直径为1.3mm、燃气进气孔直径为1.95mm、出气槽锥度为8°、出气槽深度为1.4mm、切割氧进气孔中的拉瓦尔管喉部直径为1.4mm、切割氧出口直径为1.7mm、拉瓦尔管渐缩段长度为8.6mm、拉瓦尔管渐扩段长度为3.5mm、预热氧进气孔以及燃气进气孔的数目为10、直管段与拉瓦尔管渐扩段长度比值为0.5、割嘴本体长度为85mm。用该割嘴配套实施例1中所述燃气，在切割氧进气压力为0.7MPa、预热氧以及燃气进气压力为0.03MPa下，对70mm厚的钢板进行切割，切割速度能够达到420mm/min。
实施例4
通过加工得到该发明割嘴，其切割氧进气孔直径为5.6mm、预热氧进气孔直径为1.5mm、燃气进气孔直径为2.1mm、出气槽锥度为10°、出气槽深度为1.6mm、切割氧进气孔中的拉瓦尔管喉部直径为1.8mm、切割氧出口直径为2.2mm、拉瓦尔管渐缩段长度为10.8mm、拉瓦尔管渐扩段长度为4.6mm、预热氧进气孔以及燃气进气孔的数目为12、直管段与拉瓦尔管渐扩段长度比值为1、割嘴本体长度为87mm。用该割嘴配套实施例1中所述燃气，在切割氧进气压力为0.7MPa、预热氧以及燃气进气压力为0.03MPa下，对90mm厚的钢板进行切割，切割速度能够达到330mm/min。

Claims (8)

1.一种高能液化天然气专用割嘴，其特征在于：所述专用割嘴包括割嘴本体(1)以及割嘴套管(2)，所述割嘴本体(1)分为进气段、混合段和出气段，其中，
进气段整体为圆锥台状，在其圆锥面上由上至下设有切割氧台阶(3)、预热氧台阶(6)和燃气台阶(10)；所述切割氧台阶(3)为圆锥台上端面，其上设有沿垂直方向贯穿整个割嘴本体(1)的切割氧孔(4)；所述预热氧台阶(6)和燃气台阶(10)分别设有预热氧进气孔(7)和燃气进气孔(9)，两者均与混合进气孔(11)相通；混合进气孔(11)连通位于混合段的混合空腔(12)；所述混合空腔(12)连通出气段的出气槽(13)；
所述切割氧孔(4)末端包括一段拉瓦尔管孔道结构，拉瓦尔管孔道由上至下为渐缩段(14)、喉部(15)和渐扩段(15)；且在拉瓦尔孔道的渐扩段出口处设置一与渐扩段出口处直径相等的直管(16)，所述直管长度与拉瓦尔管孔道渐扩段长度之比为0～1:1；所述切割氧孔(4)的直径与拉瓦尔管孔道渐缩段入口处直径相等；
所述燃气进气孔(9)的孔径与预热氧进气孔(7)的孔径之比为1.4～2；
所述出气槽(13)锥度为4°～11°。
2.根据权利要求1所述的专用割嘴，其特征在于：在切割氧台阶(3)和预热氧台阶(6)之间设置有预热氧集气槽(5)；所述预热氧台阶(6)与燃气台阶(10)之间设置有燃气集气槽(8)。
3.根据权利要求1所述的专用割嘴，其特征在于：
所述拉瓦尔管孔道的喉部直径为0.8～2.2mm；所述切割氧孔(4)进气口直径为2.4～6.8mm；所述切割氧孔(4)出口处直径为1～2.8mm；
所述预热氧进气孔(7)的孔径为0.8～2mm，所述燃气进气孔(9)的孔径为1.1～4mm。
所述出气槽的深度为0.7～2mm。
4.根据权利要求1所述的专用割嘴，其特征在于：预热氧进气孔(7)和燃气进气孔(9)的数目相同，为6～12；所述预热氧进气孔(7)和燃气进气孔(9)沿圆周等距设置。
5.根据权利要求1所述的专用割嘴，其特征在于：所述专用割嘴由割嘴本体(1)和套装在割嘴本体(1)出气段和混合段的割嘴套(2)组成。
6.根据权利要求3所述的专用割嘴，其特征在于：
所述拉瓦尔管孔道的喉部直径为1～1.4mm；所述切割氧孔(4)进气口直径为2.4～4mm；所述切割氧孔(4)出口处直径为1～2.8mm；
所述预热氧进气孔(7)的孔径为1～1.5mm，所述燃气进气孔(9)的孔径为1.4～3mm；
所述出气槽的深度为1.2～1.8mm；
所述出气槽的锥度为6～10°；
所述预热氧和燃气进气孔的数目都为10～12个。
7.一种利用权利要求6所述割嘴进行钢板切割的方法，其特征在于：所述方法为：以高能液化天然气为燃气，切割氧进口压力为0.6～0.75MPa，预热氧以及燃气进口压力为0.03～0.04MPa。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法所得有效切割火焰在距离割嘴出口处范围为5～120mm，火焰直径范围为2.5～11mm，所述有效切割火焰为火焰温度在2000℃以上的区域。
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