CN1140761C - 将气体引入液体池的方法 - Google Patents

Abstract

将气体引入液体池的方法，其中气流从液体池表面上方的喷枪中喷出，从喷枪指向液体表面。当气体与液体表面接触时，气体基本上保持了其初始轴向喷射速度，并且基本上所有气体都穿过液体表面，进入液体中。气流最好用从喷枪延伸到液体表面的火焰封围绕，它保护气体使其免于夹带环境空气。气流最好在液体中形成一个气体空腔，该空腔的直径大致与气流从喷枪中喷出时的一样。

Description

将气体引入液体池的方法

本发明总的涉及气体流动，特别涉及气体流动进入液体。本发明特别用于将气体引入液体例如引入熔融态金属中，它为气体注射装置提供了严酷的环境。

由于种种原因，需要将气体注入液体中。可以将反应性气体注入液体中，使其与一种或多种液体成分反应，例如将氧气注入熔融态铁中，使其与熔融态铁中的碳反应，将铁脱碳并为熔融态铁提供热量。为了熔炼方面的原因，可以将氧气注入其它熔融态金属例如铜、铅和锌中。可以将非反应性气体例如惰性气体注入液体中以搅拌液体，以便促进在整个液体中例如更好的温度分布或更好的成分分布。

液体常常是被装在容器例如反应器或熔化容器中的，其中液体在容器中按照容器的底部和一定的侧壁长度形成了液体池，并具有一顶部表面。在将气体注入液体池时，最好使尽可能多的气体流入液体，以实施所需的气体注射。因此，将气体从气体注射装置注射进入液体表面下方的液体中。如果常规的喷气喷嘴在液体表面上方一定的距离，则到达表面的许多气体将在液体表面发生偏斜而不进入液体池。此外，这样的作用引起液体的溅射，引起物料的损失和操作问题。

用底部或侧壁上按装的气体注射装置将气体从液面下喷入尽管是有效的，但是当液体是腐蚀性液体或者是高温液体时便产生操作问题，因为这样的条件会引起气体注射装置的迅速损坏和容器衬里的局部损坏，从而产生复杂的外部冷却系统和频繁停工维修和高的操作成本的需要。一个权宜的方法是使气体注射装置的顶尖或喷嘴接近液体池表面，同时避免与液体表面的的接触，并且将气体从气体注射装置高速地注射出来，使大部分气体通入液体中。例如，在电弧炉中的水冷却喷枪一般会产生大约1500英尺/秒(fps)的喷射速度，并且位于液态钢浴表面上方6-12英寸处。然而，这一权宜的方法仍然不能令人满意，因为气体注射装置的顶尖接近液体表面仍然可能导致装置的明显损坏。此外，对于非静止的液体表面，喷嘴则必须不断地移动，以迎和移动表面，使得气体注射在所需的部位发生，并且保持所需的喷枪尖与浴表面之间的距离。对于电弧炉，这一需要使水力驱动喷枪操纵装置复杂化，变得昂贵和需要仔细的维护。

另一权宜的方法是使用引到液体池表面下的管道。例如，常常用非水冷却管道将氧气注射到电弧炉中的熔融钢浴中。然而，该权宜的方法也不能令人满意，因为迅速损坏的管道需要复杂的水力驱动管操纵装置以及管道进料装置以补偿管道迅速的损坏速率。然而，管道由于必须不断更换而造成的损失是巨大的。

因此，本发明的目的是提供将气体引入液体池的方法，其中基本上所有从气体注射装置中喷射出来的气体都进入液体池中，而无需将气体浸入液体中喷射，同时避免了由于与液体池接触或接近而对气体注射装置的明显损害。

本领域技术人员在阅读了本说明书后，上述目的和其它目的将显而易见。本发明的目的是提供一种将气体引入液体池的方法，包括：

(A)从具有出口直径为d的喷嘴和与液体池表面分开的喷枪尖的喷枪中喷射气体，在从喷枪尖喷射时形成具有初始轴向喷射速度的气流；

(B)使气流从喷枪尖进入液体池表面，穿过至少20d的距离，使液体池表面与具有至少为初始轴向喷射速度的50％的轴向喷射速度的气流接触；和

(C)使气流中的气体通过液体池表面进入液体池。

在本文中，“喷枪”是指气体通过其中并从中喷出的装置。

在本文中，“喷射轴”是指想象的一条通过沿喷射气体长度方向中心的直线。

在本文中，“轴向喷射速度”是指气流在其喷射轴方向上的速度。

在本文中，“喷枪尖”是指气体从中喷出的、喷枪端部的延伸最远的操作部位。

在本文中，“火焰封”是指基本上与主气流同轴的燃烧气体。

在本文中，“氧气”是指氧浓度不低于空气的氧浓度的流体。优选的所述流体的氧气浓度至少为大约30％(摩尔)、更优选至少为80％(摩尔)。也可以使用空气。

图1和图2是本发明的喷枪尖或喷枪喷射端的一个实施方案的详图，图1是剖视图，图2是俯视图。

图3示出了喷枪尖的一个实施方案的剖视图，从喷枪尖出来的主要气体形成了主气流，在本发明的一个优选的实施方案中还形成火焰封。

图4示出了在本发明的实践中一个将气体引入液体的实施方案。

图5示出了本发明的另一实施方案，其中采用本发明的方法将固体和/或液体颗粒随着气体一起送入液体中。

图6是表示本发明的实践中气流轴向喷射速度保留的试验结果的曲线图。

图7是示出了用来比较的常规实践，其中气体喷射被用来将气体从液面上方引入液体中。

在图中，相同的部件采用相同的标号。

本发明包括将气体从离开液体池表面和气体通道喷入液体池中。喷枪尖与液体池表面之间的距离较大，例如两英尺以上。气体从喷枪通过出口直径为d的喷嘴喷射，使喷枪尖与液体池表面之间的距离至少为20d。尽管距离较大，但只有很少量气体被液体池表面偏转。基本上从喷枪尖出来的所有气体都通过液体池表面进入液体池中。在本发明的实践中，一般有至少70％、典型地为至少85％的从喷枪中喷出的气体通过液体池表面进入液体池中。这一有利的作用，使得喷枪尖避免了强烈的磨损，它可通过提供从喷枪尖喷射时形成的、具有初始轴向喷射速度的气流，并且在气流从喷枪尖到液体池表面的过程中保持该轴向喷射速度基本上不变而获得。也就是说，给从喷枪尖喷射出的气流提供一个初始动量，该动量在气流从喷枪尖到液体池表面的过程中基本上保持初始气流或喷射直径。一般来说，当气流与液体池表面接触时，气流的轴向喷射速度至少为初始轴向喷射速度的50％、最好为至少75％。一般来说，在本发明的实践中，当气流冲击液体表面时，气流的轴向喷射速度在500-3000fps的范围内。

在本发明的实践中，可以使用任何手段来保持气流从喷枪尖出来到与液体池表面接触期间气流的轴向喷射速度基本上不变。这样保持气流的轴向喷射速度的一个优选的方法是用火焰封围绕气流，最好是基本上从喷枪尖一直延伸到液体池表面。火焰封的速度一般比气流的轴向喷射速度低，在本实施例中，该气流被称为主气流。火焰封围绕着主气流形成一个流体屏障。该屏障大大地减少了夹带进入主气流的环境气体的量。

在常规实践中，在高速流体流通过空气或某些其它气氛时，气体被夹带进入高速流体流中，使它膨胀为特有的锥形。通过较低移动速度的火焰封屏障的作用，这一夹带被大大减少。优选在主气流一从喷枪尖出来便用火焰封将其屏蔽，即火焰封与喷枪尖相接触，最优选使火焰封连续延伸大液体池表面，使火焰封实际上撞击到液体池表面上。

将气体从喷枪尖通过出口直径为d(通常在0.1-3英寸的范围内，优选在0.5-2英寸的范围内)的喷嘴喷出。喷枪尖与液体池表面隔开，使气体从喷嘴通过至少20d的距离(甚至通过100d以上的距离)到达液体池表面。喷枪尖一般与液体池表面之间有一定距离，使得气体从喷嘴通过30d-60d的距离到达液体池中。从喷枪喷嘴到液体池表面的轴向喷射速度的保持使得气流在整个该距离内在基本上等于喷嘴出口区的横截面区基本上保留其的全部动量，从而使得几乎所有气体都穿透液体表面，就像喷枪尖位于表面的正上方一样。

不但基本上全部离开喷枪的气体到进入液体中，而且穿透进入液体较深，对于任意给定的喷枪与液面的距离和任意给定的气流速度，一般为不使用本发明方法所可能达到的2-3倍。该深度穿透增强了气体进入液体的反应和/或搅拌效应。的确，在某些情况下，气体在浮力使其返回之前穿透液体达如此之深，以致于气体在液体中的作用模仿了液面下喷射液体的作用。

在本发明的实践中，可以使用任何有效的气体来形成气流。所述气体的例子有氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氢气、氦气、蒸汽和碳氢化合物气如甲烷气和丙烷气。在本发明的实践中，也可以使用一种或多种气体的混合物作形成气流的气体。天然气和空气是这类可用混合物的两个实例。该气体从喷枪中以高的轴向喷射速度喷出，该速度通常为至少1000fps，优选至少1500fps。在本发明的一个优选的实施方案中，气流具有超音速初始轴向喷射速度并且在与液体池表面接触时也具有超音速轴向喷射速度。

在本发明的优选实施方案中，围绕主气流的火焰封可以是任何有效的形式。例如可以从喷枪中以与主气流同轴的环状气流的形式喷射燃料与氧化剂的混合物，并且在从喷枪中出来时点燃。燃料和氧化剂最好以与主气流同轴的两股气流的形式从喷枪中喷出，这两股气流在从喷枪中出来后混合并燃烧。燃料和氧化剂最好从喷枪中喷出，通过在喷枪轴向围绕主气流的两个孔的环。通常将燃料供应到孔的内环，而将氧化剂供应到孔的外环。从两个孔的环中出来的燃料和氧化剂混合并燃烧。该优选的排布的一个实施方案示于图1-3中。

现在我们来看图1-3，图中示出了具有中心导管2的喷枪1，第一环状通道的3和第二环状通道4，各环状通道都与中心导管2同轴。中心导管2在喷射端5或喷枪1的顶尖形成主喷孔11。第一和第二环状通道也在喷射端结束。第一和第二环状通道可以各自形成围绕主喷孔的环状喷孔7，8，或者可以在以围绕主喷孔环形排布的第一和第二喷射孔9和10组件处结束。中心导管2与主气体(未示出)连通。第二环状通道4与氧气源相连(未示出)。第一环状通道3与燃料源相连(未示出)。燃料可以是任何燃料，以气态燃料为宜，最好是天然气或氢气。在另一实施方案中，可以使燃料通过最外的环状通道的喷枪，可以使第二氧气通过内环状通道的喷枪。如图1所示，用来将气体从喷枪喷射出来所用的喷嘴最好是汇聚/发散喷嘴。

主气体从喷枪1喷出，形成主气流30。燃料和氧化剂从喷枪1喷出，形成环状气流，该气流从喷枪1中出来后立即开始混合并且围绕主气流30燃烧形成火焰封33，该火焰封从喷枪尖延伸与主气流30同步的长度。如果本发明在热的环境例如金属熔炉中实施，则无需独立的燃料和氧化剂点火源。如果本发明不是在燃料和氧化剂自动点燃的环境下使用时，则需要点火源例如火花发生器。火焰封的速度最好比主气流的轴向喷射速度低，通常在50-500fps的范围内。

在图4中，高速同步主气体喷射流30冲击液体表面35，深度穿透液体在液体中形成气体空腔37。气体空腔37的直径基本上与气体喷射流30当从喷枪中喷出的直径相同。在气体喷射穿透进入液体池38到液体池表面35下一定距离在气体空腔37中后，气体喷射破裂成为气泡36，它继续在液体中行进一段距离，然后溶解到液体中。根据气体是反应性或惰性的，这些气泡随后溶解或与液体反应或者由于浮力的作用上升到表面。

为比较的目的，图7说明了当常规喷射71冲击液体池表面72时发生的情况。不但不形成深穿透空腔，而且产生大量的液体喷雾73。

喷枪提供的燃料和氧化剂的量一般足以形成对所需的主气流长度有效的火焰封。然而，有时需要将大量更多的燃料和氧化剂从喷枪喷出，所以火焰封不仅起着保护主气流不夹带环境气体的作用，也起着为液体池顶面上方的空间提供大量热量。也就是说，在本发明的某些实施方案中，喷枪也起着燃烧器的作用。

在某些情况下，将液体和/或固体颗粒材料与气体一起提供到液体池中可能是有利的。这将允许粉状添加剂或试剂的有效添加，省去了目前的将粉末喷入铁和钢的方法和设备，例如易于磨损的陶瓷涂覆喷枪，并且是昂贵的，或者同样是昂贵的带芯金属线。图5示出了本发明实施方案的一个实例，其中含有液体和/或固体颗粒的液流或气流(图5中的流40)在液体池38的表面35的稍上方环状地与主气流30接触并且与主气流一起进入液体池中。或者，可以使流40与喷射流30与从喷枪1中喷出的地方密切接触，液体和/或固体材料将喷射气体包裹起来并且这样地通入液体中。在图5中，还示出了在从气体空腔37通入液体后，气泡41在液体池中上升，在液体表面有一串串气泡41在从液体浴中脱离时形成耸起42。

耸起42的形成是由于浮力产生的力量，驱动气泡向上流动，它将液体拖进入液体区表面通常所在平面上方的脱离区。这些上升的气泡串和随后耸起42的形成提供了液体池本身的有效混合以及液体与任何可以作为液体顶层的分开的成分。

图6示出了由本发明的实践获得的试验结果的曲线图。

实验测试是用类似于图1-3所示的装置中进行的。皮托管测定是在距离模拟液体池表面冲击的喷射点2，3和4英尺处进行的。结果示于图6中，其中曲线A，B和C表示用本发明的同步气体喷射分别在2，3和4英尺的距离获得的结果，曲线C表示用常规气体喷射流在2英尺处获得的结果。对于图6所述的试验结果，主气流是以42,000CFH(在60°F和1大气压下测定)的速率流动的氧气。氧气通过一个喷喉直径为0.671英寸出口直径为0.872英寸超音速汇聚/发散喷嘴。天然气(3000CFH)通过一个环隙到达一个16孔(直径0.154英寸)的圆环(2英寸)。第二氧气(5000CFH)通过一个环隙到达一个16孔(直径0.199英寸)的圆环(2 3/4＂)。皮托管压力测定可以用来测定气体速度和温度，在喷射流内部多个点上进行该测定。在图6中，将速度对从喷嘴中心点算起的半径距离作图，对于带有火焰封的喷射流，喷嘴-探针距离为2，3和4英尺，对于不带有火焰封的通常的喷射流，距离为2英尺。此外，计算的在喷嘴出口的速度曲线用虚线表示。在本发明的实践中，轴向速度在2至3英尺的距离中基本上保持不变。在4英尺时，在轴向上速度有所降低，但气流仍然是超音速的。在喷嘴的原始直径(0.8702″)内，在距离喷嘴4英尺范围内，速度都是超音速的。比较而言，在距离喷嘴2英尺处，常规喷射流的速度曲线是较宽而平坦的次音速曲线。

下面的本发明的实施例仅用于说明的目的，无意对本发明的范围进行限定。

将氧气喷入熔融态金属浴中。将氧气从喷枪尖通过出口直径为0.807英寸的喷枪喷出。喷枪尖位于熔融态金属上方的28英寸处，与水平线的夹角为40度，使得氧气喷射通过43英寸的距离或从喷枪尖到熔融态金属表面的53喷嘴直径。主气体从喷枪尖到熔融态金属表面都被包裹，其初始轴向喷射速度为1600fps，并且在冲击到熔融态金属表面时保持该轴向喷射速度。大约85％的氧气从喷枪中喷射出来进入熔融态金属池中，用来与熔融态金属的成分反应。每吨熔融态金属每小时需要大约367标准立方英尺(SCFH)的氧气来燃烧掉每吨熔融态金属大约20磅碳，而用常规气体供应实践，对于相同量碳的除去，每吨熔融态金属则需要大约558SCFH氧气。

虽然参照了某些实施方案详细地描述了本发明，本领域技术人员将会明白，在本发明的权利要求的精神和范围内还有本发明的其它实施方案。

Claims (10)

1.将气体引入液体池的方法，包括：

(A)从具有出口直径为d的汇聚和发散喷嘴和与液体池表面分开的喷枪尖的喷枪中喷射气体，在从喷枪尖喷射时形成具有超音速初始轴向喷射速度的气流；

(B)用速度低于所述气流的速度的火焰封围绕所述气流，使气流从喷枪失进入液体池表面，穿过至少20d的距离，使液体池表面与具有超音速轴向喷射速度的气流接触；和

(C)使气流中的气体通过液体池表面进入液体池。

2.权利要求1的方法，其中所述气体至少包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳、氢气和碳氢化合物气之一。

3.权利要求1的方法，其中液体池包括熔融态金属、水溶液或腐蚀性液体。

4.权利要求1的方法，其中气流在与液体池表面接触时具有至少为初始轴向喷射速度的50％的轴向喷射速度。

5.权利要求1的方法，还包括用火焰封围绕气流。

6.权利要求5的方法，其中火焰封从喷枪尖延伸到液体池表面。

7.权利要求1的方法，还包括在液体池中形成气体空腔并从所述气体空腔中将气体鼓泡进入液体。

8.权利要求1的方法，还包括在液体池中形成一串上升的气泡，该气泡包含进入液体池的气体。

9.权利要求1的方法，其中气体包括氧气，液体池包括熔融态金属，喷嘴出口直径在1.27-5.08厘米(0.5-2.0英寸)的范围内，气流从喷枪尖行至液体池表面的距离在20d至100d之间。

10.权利要求1的方法，其中气体包括氩气，液体池包括熔融态金属，喷嘴出口直径在1.27-5.08厘米(0.5-2.0英寸)的范围内，气流从喷枪尖行至液体池表面的距离在20d至100d之间。

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