CN1517588A - 具有朝外成角度的火焰包围层喷口的相干喷气流装置 - Google Patents

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Abstract

一种相干喷气流喷枪及其操作方法，它具有两组分别用来输送燃料和氧化剂的喷口以便形成一个包围一股或多股喷气流的火焰包围层，其特征在于，至少有一组喷口(最好是两组喷口)在喷枪端面上与喷枪轴线成一朝外的角度。

Description

具有朝外成角度的火焰包围层喷口的相干喷气流装置
技术范围
本发明总的涉及相干喷气流技术。
背景技术
气烧割技术领域中的最新重要进层是发展例如授与Anderson等人的美国专利No.5814125和授与Anderson等人的美国专利No.6171544所公开的相干喷气流技术。在实施此项技术时，采用包围并沿着高速喷气流的火焰包围层在相当长的距离内保持由喷枪上的一个或多个喷嘴喷出的一股或多股高速喷气流的相干性。上述的火焰包围层是通过分别从围绕高速喷气流的两圈，即内圈和外圈排列的喷口从喷枪喷出的燃料和氧化剂的燃烧而形成的。上述的喷口与喷枪轴线成行地也就是平行地排列。通常从内圈喷口喷出火焰包围层用的燃料，从外圈喷口喷出火焰包围层用的氧化剂。喷枪周边由一个延伸部构成一个保护性的循环区，而上述的高速喷气流和火焰包围层流体则从上述喷嘴和喷口喷到上述循环区内。该循环区可使喷出的流体循环流动。这就可改善火焰包围层的点火及燃烧的稳定性，从而提高其相干性，增加高速喷气流的长度。上述的相干喷气流可用于从液体表面上方较长距离处将气体输入一种液体例如熔融金属内。上述的相干喷气流技术的一个十分重要的用途是用于炼钢作业中例如电弧炉和氧气顶吹转炉中供给氧气。
虽然上述的喷枪延伸部构成循环区比早期的相干喷气流装置是有所改进，但是，由于需要用水冷却其尖部便给喷枪设计和喷枪使用寿命方面带来一些问题。这些问题在相干喷气流装置用于十分苛刻的环境例如氧气顶吹炼钢转炉时尤其令人关注。
因此，本发明的目的是提供一种改进的相干喷气流装置。
本发明的另一目的是提供一种可以产生有效的相干喷气流而不需要使用喷枪延伸部或其他部件来为喷枪喷出的气流建立循环区的装置。
本发明概述
熟悉本技术的人们阅读过本说明书后将会明白由本发明达到的上述的和其他的目的，本发明的一个方面是：
一种形成至少一股相干喷气流的方法，该方法包含如下步骤：
(A)从至少一个安装在具有喷枪轴线和喷枪端面的喷枪内的喷嘴流过至少一股喷气流；
(B)从喷枪端面上的第一组喷口喷出燃料，从喷枪端面上的第二组喷口喷出氧化剂，上述的第一组喷口和第二组喷口中的至少一组喷口与喷枪轴线呈一个朝外的角度；和
(C)使上述第一和第二组喷口喷出的燃料和氧化剂燃料，以产生包围上述的至少一股喷气流的火焰包围层。
本发明的另一方面是：一种相干喷气流喷枪，它具有：
(A)一个具有喷枪轴线和喷枪端面并具有至少一个其开口位于喷枪端面上的喷嘴的喷枪；
(B)位于喷枪端面上的第一组喷口和位于喷枪端面上的第二组喷口，上述的第一组喷口和第二组喷口中的至少一组喷口的取向与喷枪轴线成一个朝外的角度；和
(C)一个对第一组喷口提供燃料的装置和一个对第二组喷口提供氧化剂的装置。
本文所用术语“喷枪端面”是指喷枪的邻接喷射区域的表面。
本文所用术语“喷枪轴线”是指一根穿过喷枪的中心沿纵长方向延伸的虚拟线。
本文所用术语“相干喷气流”指的是一种由喷嘴喷出的气体所形成的并在至少20d的长度(其中d是喷嘴的出口直径)上具有一定的速度和动量的分布图形的喷气流，所述的速度和动量分布图形与从喷嘴喷出时的速度和动量图形相似。相干喷气流的另一种含意是其直径在至少20d的距离内不变化或变化极小的喷气流。
本文所用术语“长度”涉及相干喷气流时是指从喷出气体的喷嘴至相干喷气流要冲击的部位或喷气流不再是相干时的部位的距离。
附图简述
图1是喷枪端面的一个优选实施例的顶视图；
图2是实施本发明所用的具有图1所示喷枪端面的喷枪的一个优选实施例的剖视图；
图3示出图1和2所示的本发明实施例的喷枪正在工作中的情况。
附图中相同的部件用相同的标号表示。
详细说明
下面参考附图详细说明本发明。
参看图1，2和3，箭头1所示的气流通过至少一个喷嘴(最好是收敛型/发散型的喷嘴)2，然后通过位于喷枪端面6上的喷嘴口4从喷枪3喷出而在喷射区域7内形成一股相干喷气流或者说气流5。该喷气流5的速度一般为700-3000英尺/秒。从喷枪端面喷出时所形成的气流，其速度最好为超音速的，并且在至少20d的距离内保持其超音速的速度。虽然图中示出的实施例是分别通过4个喷嘴从喷枪喷出4股相干喷气流，但是，在本发明的实践中通过各个喷嘴从喷枪喷出的喷气流的股数可以是1-6股。被相干喷气流喷入的喷射区域最好是一种金属制造炉例如炼钢炉。当使用多个喷嘴时，各喷嘴之间互相成一角度排列，并与喷枪轴线成一角度。
任何有效的气体都可用作实施本发明形成相干喷气流的气体，其中包括氧、氮、氩、二氧化碳、氢、氦、蒸汽和碳氢化合物气体。由两种或多种气体组成的混合物例如空气也可用作本发明实践中的形成相干喷气流的气体。
在本发明的实践中，由分别通过第一组和第二组喷口喷入喷射区域7的燃料和氧化剂在喷气流5周围形成一种火焰，其中，上述的第一组和第二组喷口中的至少一组喷口(最好是该第一组和第二组喷口中的每一组喷口)的取向与喷枪轴线或者说中心线成一朝外的角度。上述的朝外角度(下面称为角度A)一般可达45°，最好是5-18°。通常，第一组喷口的朝外角度与第二组喷口的朝外角度相同。第一组喷口可设置在喷枪端面上围绕喷嘴口4的第一环圈上，该第一喷口环圈的直径一般为1.5-16英寸。第二组喷口可设置在喷枪端面上围绕喷嘴口(也围绕第一圈喷口)的第二环圈上，该第二环圈的直径大于第一环圈，通常为2-17英寸。图中示出本发明的优选实施例，其特征在于，第一组喷口和第二组喷口都设置在围绕喷嘴开口的同一环圈上，它们的朝外角度都相同。
下面再参看附图，喷口环圈20设置在喷枪端面上围绕着喷嘴口4，环圈20最好是直径为1.5-16英寸的圆圈。喷口环圈20通常具有12-48个喷口。每个喷口最好是直径为0.05-0.5英寸的圆形喷口。上述各喷口最好处于喷枪端面的凹部或者说槽内，该槽的深度为0.5-2英寸，宽度为0.05-0.5英寸。
燃料供入环圈20上第一组喷口22，而氧化剂则供入环圈20上的第二组喷口23。如图1所示，环圈20上的第一组喷口22与第二组喷口23相互交替排列，所以每个燃料喷口22具有两个位于其邻近两侧的氧化剂喷口23，而每个氧化剂喷口23则具有两个位于其邻近两侧的燃料喷口22。第一组喷口或者说燃料喷口和第二组喷口或者说氧化剂喷口的取向均与喷枪轴线成一个朝外角度A。燃料和氧化剂从各自的喷口沿上述朝外角度A的方向从喷枪3喷入喷射区域7，从环圈上的喷口喷出燃料和氧化剂的速度可以是亚音速的，最好是等于音速。喷出的燃料和氧化剂达到音速可加速去除来自入口和堵塞喷口的外物，这一点对于本发明用于苛刻环境下例如炼钢炉中是特别重要的。必要时，可使燃料和氧化剂的喷射速度提高至超音速，例如大于1马赫，甚至高达2马赫。燃料和氧化剂最好通过通道30供入各自合适的喷口，上述通道30的取向最好与喷枪轴线成一朝外的角度，该朝外角度最好与上述第一组和第二组喷口的朝外角度相同。
从喷口22喷出的燃料最好是气态的，可以是甲烷、天然气之类的任何燃料。从喷口23喷出的氧化剂可以是空气、氧浓度高于空气中氧含量的富氧空气、或氧浓度大于90％摩尔的工业氧气。上述氧化剂最好是氧浓度至少为25％摩尔的流体。
从喷枪喷出的燃料和氧化剂围绕喷气流5形成一个气体包层，该气体包层燃烧而在喷射区域例如熔融金属炉内形成包围喷气流5的火焰包封层或者说火焰包围层24，该火焰包围层24包围喷气流5，用来防止周围气体例如炉气被吸入或者说进入喷气流内，从而使喷气流的速度至少在距离各个喷嘴出口的20d的距离内不会明显降低，并防止喷气流的直径显著增大。这就是说，上述的火焰包封层或者说火焰包围层24用来在至少距各个喷嘴出口20d的距离内建立和维持作为相干喷气流的气流5。
本发明的重要优点在于，可在不需要使用喷枪延伸部的情况下稳定地形成从喷枪喷出的有效的相干喷气流。以前用过喷枪延伸部在喷枪端面附近形成保护性的循环区，从而改善了喷入该保护性循环区内的火焰包围层气体的点火和燃烧，这就改善了喷气流的相干性。虽然在最初的相干喷气流的实践过程中使用上述的喷枪延伸部是一个重要的改进，但是，使用这种延伸部也带来一些问题。在本发明的实践中，从喷枪喷出的气体可直接喷到喷射区域内而不通过由喷枪延伸部形成的保护区或者说循环区，但仍可达到使用上述的喷枪延伸部所达到的改进的相干性。
虽然上面参考一些实施例详细地说明了本发明，但是，熟悉本技术的人们会明白，本发明在所附权利要求书规定的精神和范围内还有其他的实施例。

Claims (10)

1.一种形成至少一股相干喷气流的方法，包含如下步骤：
(A)从安装在具有喷枪轴线和喷枪端面的喷枪内的至少一个喷嘴流过至少一股喷气流；
(B)从上述喷枪端面上的第一组喷口喷出燃料，并从上述喷枪端面上的第二组喷口喷出氧化剂，上述的第一组喷口和第二组喷口中的至少一组喷口与上述喷枪轴线成一朝外的角度；和
(C)使从第一和第二组喷口喷出的燃料和氧化剂燃烧而产生包围上述的至少一股喷气流的火焰包围层。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，上述的第一组喷口和第二组喷口都设置在上述喷枪端面上的同一个环圈上。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，上述的第一组喷口和第二组喷口的取向都与上述喷枪轴线成一朝外的角度。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，从上述第一和第二组喷口喷出燃料和氧化剂的速度为音速。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，上述的至少一股喷气流和燃料与氧化剂从喷枪直接喷入喷射区域内而无需通过由喷枪延伸部构成的循环区。
6.一种相干喷气流的喷枪，它具有：
(A)一个具有喷枪轴线和喷枪端面并具有至少一个其开口位于喷枪端面上的喷嘴的喷枪；
(B)位于喷枪端面上的第一组喷口和位于喷枪端面上的第二组喷口，该第一和第二组喷口中的至少一组喷口的取向与上述喷枪轴线成一朝外的角度；和
(C)一个对第一组喷口提供燃料的装置和一个对第二组喷口提供氧化剂的装置。
7.根据权利要求6的相干喷气流喷枪，其特征在于，上述的第一组喷口和第二组喷口都设置在上述喷枪端面上的同一个环圈上。
8.根据权利要求7的相干喷气流喷枪，其特征在于，上述的第一组喷口与第二组喷口在上述的环圈上交替排列。
9.根据权利要求6的相干喷气流喷枪，其特征在于，上述的第一组喷口和第二组喷口的取向都与上述喷枪轴线成一朝外的角度。
10.根据权利要求6的相干喷气流喷枪，其特征在于，它具有多个喷嘴。
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