CN1217954A - 凝聚射流喷射器喷枪 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生长的凝聚气体射流的喷枪,它包括一个带有一个会聚/发散喷嘴的主要通道和两个径向隔开的用于产生火焰屏障的次要通道,每个通道都与由一个保护衬套限定的喷射空间相连通。

Description

凝聚射流喷射器喷枪
本发明一般来说涉及用于产生气流的设备。本发明特别适用于产生引入诸如熔融金属的液体中的气流，而该熔融金属将对气体喷射装置造成苛刻环境。
建立气流是常常希望的。例如出于一种或者多种理由可将气流喷射入液体中。一种反应气体可以喷射入一种液体中，以便与液体的一种或者多种成分发生反应，例如氧气喷射入熔融铁中以便与熔融铁中的碳发生反应使铁脱碳并向熔融铁提供热量。出于熔化目的，氧气可以喷射入例如铜，铅，和锌的其它熔融金属中。诸如惰性气体的非反应气体可以喷射入液体中，以便搅拌液体，例如促进更好的温度分布或者促进整个液体中更好的成分分布。
液体常常盛装在诸如反应器或者熔炼容器的容器中，其中，液体在容器内形成贴合在容器底部和一定长度侧壁上并具有顶部表面的池子。当向液体池喷射气体时，希望使尽可能多的气体流入液体中，以便实现气体喷射的目的。因此，气体从气体喷射装置喷射入液体表面之下的液体中。如果一个通常的气体喷射器的喷嘴在液体表面上方与之隔开一定距离，那么撞击在液体表面上的许多气体将在液体表面反射回来而不能进入液体池。此外，这种作用会造成液体的飞溅，而这会导致材料的损失和运行问题。
采用底壁或者侧壁安装的气体喷射装置将气体潜射入液体中虽然非常有效，但是当液体是腐蚀性液体或者其温度很高时将会产生运行问题，因为这些条件可能造成气体喷射装置的迅速损坏和容器衬材的局部损耗，导致需要复杂的外部冷却系统和经常的维护停炉以及很高的运行成本。一种权宜方法是将气体喷射装置的顶部或者喷嘴靠近液体池的表面，而避免与液体表面相接触，并将气体从气体喷射装置以高速喷射，以便使气体的绝大部分通入液体中。然而，这种权宜方法仍然不能令人满意，因为气体喷射装置顶部与液体表面接近仍然会导致该设备的严重损坏。另外，在液体表面不是静止的情况下，喷嘴必须顾及该移动表面而不断地移动，以便气体喷射可在理想位置发生和保持喷枪顶部与池表面之间的理想距离。对于电弧熔炉，这要求复杂的液压驱动喷枪控制器，其是非常昂贵的并要求广泛的维护。
另一个权宜方法是采用通过液体池表面伸入的管子。例如非水冷的管子常常用来将氧气喷射入电弧熔炉中的熔融钢池中。然而，这种权宜方法还是不能令人满意，因为，管子的迅速损耗要求使用复杂的液压驱动的管子控制器以及管子进给设备，以便补偿管子的迅速损耗率。此外，必须予以不断更换的管子的损失是费用很高的。
如果可以建立起一种凝聚射流，则可以解决这些问题。凝聚气体射流在喷射之后可以将其直径和速度比通常的气体射流保持长久的多。利用凝聚射流，喷射器顶部可以布置得大大远离液体表面，而仍然基本上能够使在凝聚气体射流中的全部气体穿过液体表面。
另外，凝聚射流将可在诸如目前采用气体射流的燃烧应用场合的其它应用场合得到应用。
因此，本发明的目的是提供一种将气体喷射入一个容积中的设备，使得喷射的气体可以形成一种凝聚的气体射流。
本领域的普通技术人员阅读了本公开内容以后将一目了然的上述的和其它目的将可由本发明达到，本发明为：
一种凝聚射流喷射器喷枪，它包括：
(A)一个喷射器总成，它具有：
    (1)一个主要通道，一个喷射空间和一个喷嘴，该喷嘴具有一个与主要通道相连通的进口和一个与喷射空间相连通的出口；
    (2)一个与主要通道径向隔开并且与喷射空间相连通的第一次要通道；
    (3)一个与第一次要通道径向隔开并且与喷射空间相连通的第二次要通道；
(B)一个覆盖着喷射器总成的衬套，所述的衬套伸过喷嘴出口而限定了该喷射空间。
图1是本发明的凝聚射流喷射器喷枪的一个较佳实施例的横截面图。
图2是本发明的凝聚射流喷射器喷枪的另一个较佳实施例的横截面图。
图3是放置在容器侧壁的本发明的凝聚射流喷枪的一个实施例的简化横截面图。
图4是本发明的凝聚射流喷射器喷枪的一个实施例的简化顶视图，其具有在衬套中的附加喷射通道，可喷射发散射流。
图5是本发明的凝聚射流喷射器喷枪的一个实施例的简化顶视图，其具有在衬套中的附加喷射通道，可喷射会聚射流。
附图中相同的零件标号相同。
现在参照附图详细描述本发明。现在参见图1，凝聚射流喷射器1包括一个喷射器总成和一个外部衬套。喷射器总成包括一个与一个主要气体源(未示出)相连通的主要通道2。主要气体可以是任何希望构成凝聚射流的气体。这种气体的实例包括氧气，氮气，氩气，氢气，氦气，碳氢气体燃料和包括其两种或者多种的混合物。主要通道2还与喷嘴3相连通。最好是在至少其长度的一部分上，喷嘴3具有一个小于主要通道2的直径和小于喷射空间6的直径的直径。更为最好的是，如图1所示，喷嘴3是一个会聚/发散喷嘴。会聚/发散喷嘴3具有一个与主要通道2相连通的进口4和一个与喷射空间6相连通的出口5。
与主要通道2径向隔开的是第一次要通道7，而与第一次要通道7径向隔开的是第二次要通道8。第一和第二次要通道之一与一个氧化剂源(未示出)相连通，而第一和第二次要通道中的另一个与一个燃料源(未示出)相连通。当氧气是主要气体时，第一次要通道7最好是与一个燃料源相连通而第二次要通道8与一个氧化剂源相连通。氧化剂最好是其含有至少30克分子百分数氧气，最为可取的是含有至少90克分子百分数氧气的流体。氧化剂可以是具有99.5克分子百分数或者更多克分子百分数的氧气浓度的技术上的纯氧气。燃料可以是诸如甲烷，丙烷，丁烯，天然气，氢气，焦炭炉气，或者油料的任何流体燃料。
每个第一和第二次要通道与喷射空间6相连通，最好是，如图1所示，与会聚/发散喷嘴3的出口5齐平。图1示出了本发明的一个较佳实施例，其中，每个第一和第二次要通道成为多个单独的通道，使得每个第一和第二次要通道作为一个围绕出口5的许多孔的环而与喷射空间6相连通。或者，第一和第二次要通道之一或者两者作为出口5的一个圆环而与喷射空间6相连通。
喷射器总成由一个衬套9所覆盖，该衬套9沿着喷射器总成的长度延伸并且具有一个伸过喷嘴出口5而限定喷射空间6的衬套延伸部分10。衬套延伸部分10具有一个一般可长达12英寸而最好是在O.5-7英寸范围内的长度。衬套延伸部分围绕整个喷射器总成不必有相等的的长度，因而其在喷射器总成一侧的长度可以超过其在喷射器总成另外一侧的其长度。在图2中示出了这样一个实施例。这样的实施例当在容器的侧壁上倾斜安装时是特别有利的。衬套9可以由在冷却剂流入通道11和冷却剂流出通道12中循环的诸如水的冷却剂来冷却。由衬套延伸部分1O形成的喷射空间即容积6建立一个保护区，该保护区用于保护刚刚流出主要和次要通道的气流。这通过为凝聚射流的初始形成提供了一个传导环境而可改善了其整体性。
通常，本发明的凝聚射流喷射器喷枪布置在诸如熔炉的容器的壁上或者顶部并且用来将作为凝聚气体射流的气流喷射入容器中。图3示出了一种这样的的装置，其中，凝聚射流喷射器喷枪倾斜地安装在诸如电弧熔炉的容器的侧壁20上，一般将气体喷射入容器的内部25。在图3中，喷射器总成由黑色矩形体22来表示。
在工作时，主要气体从喷枪1喷射出来，形成通常有100O英尺/每秒(fps)或者更高速度的主要气流。燃料和氧化剂从喷枪1喷射出来，形成环形流，它们刚从喷枪1喷射出来就立刻开始混合和燃烧，形成围绕主要气流的火焰包围物。如果本发明用于诸如金属熔炉的热环境中，不需要用于燃料和氧化剂的单独的点火源。如果本发明不是用于燃料和氧化剂将自动点火的环境中，则诸如火花点火器的点火源将是需要的。最好是，火焰包围物的速度小于主要气流的速度并且大致在50-1000英尺/每秒的范围内。火焰包围物形成一个围绕主要气流的流体屏障。该屏障可以大大减少被挟带入高速主要气流中的环境气体的量，因此，可以用于在主要气流从喷枪喷射以后将主要气流凝聚保持一个相当长的距离。这便可使喷枪这样放置，使得喷枪顶部距主要气体撞击或者接触其它流体或者固体之处隔开一个较大的距离，因此可以提高喷枪的安全性和更好地保持它的整体性。
通常，从喷枪提供的燃料和氧化剂的量对于主要气流的的理想长度只是足以形成一个有效的火焰包围物。然而有的时候希望相当多的燃料和氧化剂从喷枪喷射出来，以便火焰包围物不仅用于阻止主要气流被挟带入环境气体而且还用于向容器提供相当大的热量。也就是说，在本发明的某些实施例中，喷枪还可起着一个燃烧器的作用。
本发明的凝聚射流喷射器喷枪的衬套可以含有一个或者多个附加通道，用于向向其喷射凝聚主要气体射流的容器中提供一股或者多股附加流体或者提供一股或者多股固体颗粒流。在图3中示出了具有喷射开口24的附加通道21。一个或者多个附加通道21可以有利地用于本发明的凝聚射流喷射器喷枪，以便向电弧熔炉提供后燃氧气，用于实施在授予Mathur等人的美国专利5572444中公开和要求保护的后燃方法，而喷射器总成用来向熔融金属提供主要氧气。一个或者多个附加通道可以以一股或者多股平行于凝聚的主要气体射流或者以一股或者多股向着或者背离凝聚的主要气体射流倾斜的射流来提供附加流体或者颗粒流。图4示出了本发明的一个实施例，其可以用来提供两股附加发散气流。而图5示出了本发明的一个实施例，其可以用来提供两股来自喷枪的附加气流，使得这两股气流在喷枪的下游交叉，即这两股气流是会聚的。通道的或者气体射流的轴线是通过通道中心的或者气体射流的沿着其长度延伸的假想线。主要通道的轴线示于图1中。
下面是本发明的凝聚射流喷射器喷枪设计的较佳规范。
(1)通过主要通道的流量
在额定温度和压力下(NTP),20-150平均立方英尺/小时(MCFH)
供应压力(喷嘴上游)：50-300磅/英寸2(psig)
会聚-发散喷嘴的喉部直径
  D=K(Q/P)1/2
      D-喉部直径-英寸
      Q-立方英尺/小时(CFH)，在额定温度和压力下主要气体流量
      P-绝对压力(psig)
  K=0.03-0.04
  D=1/4”-2”
(2)至围绕喷嘴的多孔环通道或者环形通道的氧气
  Deq=CQ1/4
  Deq=相当于多孔环或者环形通道横截面积的管的直径
  Deq=[多孔环或者环形通道横截面积(平方英寸)除以(π/4)]的平方根
      Q-立方英尺/小时(CFH)在额定温度压力下主要气体流量
      C-0.013-0.16
(3)至围绕喷嘴的多孔环或者环形通道的燃料
  Deq=JQ1/4/H1/2
      Q-CFH在额定温度压力下主要气体流量
       H-燃料热值-英热量单位/立方英尺(BTU/CF)，(在额定温度压力下)
       J=0.4-5.0
现在当采用本发明时，则可以有效地确定作为凝聚气体射流的气体流量。虽然本发明参照某些较佳实施例对本发明作了详细说明，但是本领域的普通技术人员知道，在权利要求的精神和范围内还可以有其它实施例。

Claims (9)

1．一种凝聚射流喷射器喷枪，它包括：
(A)一个喷射器总成，它具有：
    (1)一个主要通道，一个喷射空间和一个喷嘴，该喷嘴具有一个与主要通道相连通的进口和一个与喷射空间相连通的出口；
    (2)一个与主要通道径向隔开并且与喷射空间相连通的第一次要通道；
    (3)一个与第一次要通道径向隔开并且与喷射空间相连通的第二次要通道；
(B)一个覆盖着喷射器总成的衬套，所述的衬套伸过喷嘴出口而限定了该喷射空间。
2．如权利要求1所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，喷嘴是一个会聚/发散喷嘴。
3．如权利要求1所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，衬套在喷射器总成的一侧比在其另外一侧伸过喷嘴出口一个较大的距离。
4．如权利要求1所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，其安装在容器的侧壁上。
5．如权利要求3所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，其倾斜地安装在容器的侧壁上。
6．如权利要求1所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，衬套包括至少一个附加通道，用于提供包括至少流体或者颗粒之一的射流。
7．如权利要求6所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，至少一个在衬套内的附加通道具有一个与主要通道倾斜的轴线。
8．如权利要求6所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，它包括至少两个在衬套内的附加通道，其定向使得从所述的附加通道喷射出来的流体射流的轴线交叉。
9．如权利要求6所述的凝聚射流喷射器喷枪，其特征在于，它包括至少两个在衬套内的附加通道，其定向使得从所述的附加通道喷射出来的流体射流的轴线发散。
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