ES2199718T3 - Lanza de multiples chorros coherentes. - Google Patents
Lanza de multiples chorros coherentes.Info
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Abstract
Un método para establecer múltiples chorros coherentes de gas desde una única lanza que comprende: (A) proveer una lanza (1) que tiene un extremo (2) con una pluralidad de toberas (3), cada una de cuyas toberas tiene un orificio (5) de salida para expulsar gas desde la tobera; (B) hacer pasar gas en un chorro fuera de cada orificio (5) de salida de tobera y formar una pluralidad de chorros de gas, fluyendo cada chorro de gas desde un orificio de salida de tobera; (C) hacer pasar un combustible y un oxidante en al menos una corriente fuera del extremo (2) de lanza y quemar el citado combustible con dicho oxidante para formar una envoltura de llama alrededor de la pluralidad de chorros de gas; y (D) mantener el flujo de cada chorro de gas distinto durante la longitud de dicho chorro de gas.
Description
Lanza de múltiples chorros coherentes.
Este invento se refiere en general al flujo de
gas. El invento permite el flujo de más de una corriente de gas
desde una lanza única de tal manera que las corrientes de gas
circulan próximas entre sí durante una distancia extendida mientras
permanecen distintas.
Con frecuencia se desea establecer un flujo de
gas. Por ejemplo, se puede inyectar un flujo de gas en un líquido
por una o más de entre varias razones. Se puede inyectar un gas
reactivo en un líquido para que reaccione con uno o varios
componentes del líquido, tal como, por ejemplo, la inyección de
oxígeno en hierro fundido para que reaccione con el carbono
contenido en el hierro fundido con el fin de descarburar el hierro
y de suministrar calor al hierro fundido. Se puede inyectar oxígeno
en otros metales fundidos tales como cobre, plomo y cinc con fines
de fusión o de refino, o bien en un líquido acuoso o en un
hidrocarburo líquido para llevar a cabo una reacción de oxidación.
Se puede inyectar un gas no oxidante, tal como un gas inerte, en un
líquido para agitar el líquido con el fin de promover, por ejemplo,
una distribución mejor de temperatura o una distribución mejor de
componentes en la totalidad del líquido.
A veces es conveniente disponer de un flujo de
corriente de gas durante una distancia extendida a una velocidad
elevada tal como una velocidad supersónica. Esto se puede hacer
circundando la corriente de gas en una envoltura de llama. La
envoltura de llama impide que el gas ambiental se aspire a la
corriente de gas, y esto conduce al establecimiento de una
corriente coherente de gas que puede circular durante una
distancia extendida sin ninguna disminución significativa en la
velocidad de la corriente de gas o ningún aumento significativo en
el diámetro de la corriente de gas.
En los documentos
EP-A-0498378 y
EP-A-0866 140 se describe una lanza
para establecer múltiples chorros coherentes de gas que
comprende:
(A) una lanza que tiene un extremo con una
pluralidad de toberas, cada una de cuyas toberas tiene un orificio
de entrada y un orificio de salida;
(B) cada uno de dichos orificios de entrada de
tobera comunicando con una fuente de gas, y cada uno de dichos
orificios de salida de tobera dispuesto en la cara extrema de
lanza;
(C) al menos un medio de expulsión en la cara
extrema de lanza alrededor de la pluralidad de orificios de salida
de tobera; y
(D) una extensión que se extiende desde la cara
extrema de lanza formando un volumen con el que comunican cada uno
de la pluralidad de orificios de salida de tobera y el medio (o
medios) de expulsión.
A menudo es conveniente usar más de una corriente
de gas en una operación. El gas podría ser el mismo para todas las
corrientes de gas, o podrían usarse gases diferentes para una o
varias de las corrientes de gas. Por ejemplo, en un sistema de horno
de arco eléctrico o en un sistema de horno básico de oxígeno a
veces es preferible inyectar oxígeno en el metal fundido en dos o
más lugares en vez de en un solo lugar. Además, en la práctica con
hornos de arco eléctrico puede que sea conveniente usar una o
varias corrientes de gas para inyectar gas en el metal fundido, y,
además, una o varias corrientes de gas para suministrar oxígeno en
el espacio de cabecera de la vasija del horno a efectos de la
post-combustión.
Cuando se trabaja en dicho sistema de múltiples
corrientes de gas, conviene que las corrientes de gas también sean
coherentes; esto se había cumplido hasta ahora mediante el uso de
una lanza separada de inyección para cada corriente de gas, por
medio de la cual se suministran las corrientes de gas y los fluidos
para las correspondientes envolturas de llama para cada una de las
corrientes de gas. Aunque dicho sistema que usa múltiples lanzas
proporciona efectivamente múltiples corrientes coherentes de gas,
es costoso y de difícil utilización. Estos problemas se agudizan a
medida que aumenta el número de lanzas individuales.
De acuerdo con lo anterior, un objeto de este
invento es proporcionar un sistema para establecer múltiples
chorros coherentes en el que solamente se requiere una única lanza
de inyección.
El anterior y otros objetos, que resultarán
aparentes a los expertos en la técnica tras una lectura de esta
descripción, se logran por el presente invento, uno de cuyos
aspectos es:
Un método para establecer múltiples chorros
coherentes de gas desde una única lanza que comprende:
(A) proveer una lanza que tiene un extremo con
una pluralidad de toberas, cada una de cuyas toberas tiene un
orificio de salida para expulsar gas desde la tobera;
(B) hacer pasar gas en un chorro fuera de cada
orificio de salida de tobera y formar una pluralidad de chorros de
gas, fluyendo cada chorro de gas desde un orificio de salida de
tobera;
(C) hacer pasar un combustible y un oxidante al
menos en una corriente fuera del extremo de la lanza y quemar
dicho combustible con el citado oxidante para formar una envoltura
de llama alrededor de la pluralidad de chorros de gas; y
(D) mantener el flujo de cada chorro de gas
distinto para la longitud de dicho chorro de gas.
Otro aspecto del invento es:
Una lanza para establecer múltiples chorros
coherentes de gas como se define en la reivindicación 8.
Otro aspecto del invento es:
Un método para establecer múltiples chorros
coherentes de gas desde una única lanza que comprende:
(A) proveer una lanza que tiene un extremo con
una pluralidad de toberas, cada una de cuyas toberas tiene un
orificio de salida par expulsar gas desde la tobera;
(B) hacer pasar gas en un chorro fuera del
orificio de salida de cada tobera y formar una pluralidad de
chorros de gas, fluyendo cada chorro de gas de un orificio de
salida de tobera;
(C) hacer pasar combustible al menos en una
corriente de gas fuera del extremo de la lanza alrededor de la
pluralidad de chorros de gas, y quemar dicho combustible con aire
arrastrado a la corriente (o corrientes) de combustible para formar
una envoltura de llama alrededor de la pluralidad de chorros de
gas; y
(D) mantener el flujo de cada chorro de gas
distinto para la longitud de dicho chorro de gas.
Tal como se usa en la presente memoria, el
término "anular" significa en la forma de un anillo.
Tal como se usa en la presente memoria, el
término "envoltura de llama" quiere decir una corriente de
combustión que rodea coaxialmente al menos a otra corriente de
gas.
Tal como se usa en la presente memoria, el
término "longitud" cuando se refiere a un chorro de gas quiere
decir la distancia de la tobera desde la que se expulsa el gas al
punto previsto de impacto del chorro de gas.
Tal como se usa en la presente memoria, el
término "distinto" cuando se refiere a un chorro de gas quiere
decir sin interactuar significativamente con otro chorro de
gas.
Tal como se usa en la presente memoria, el
término "caudal de oxígeno contenido" significa el caudal de
oxidante multiplicado por el porcentaje de oxígeno dividido por
100. Por ejemplo, en 283,17 m^{3}/h (10.000 pies cúbicos por hora,
en adelante CFH) de oxígeno puro hay 283,17 m^{3}/h (10.000 CFH)
de oxígeno contenido, y en 283,17 m3/h (10.000 CFH) de aire hay
59,47 m^{3}/h (2.100 CFH) de oxígeno contenido.
La Figura 1 es una vista en corte transversal de
una realización preferida del extremo o sección de extremidad de
una lanza que se puede usar en la práctica de este invento.
La Figura 2 es una vista de frente del extremo de
lanza ilustrado en la Figura 1 que muestra el frente del extremo de
lanza o sección de extremidad.
La Figura 3 es una vista en corte transversal del
extremo de lanza ilustrado en la Figura 1, en funcionamiento.
Las Figuras 4 y 5 son representaciones gráficas
de los resultados de pruebas obtenidos usando el invento, así como
algunos resultados comparativos.
La Figura 6 es una representación gráfica de los
resultados de pruebas obtenidos usando la realización del invento
ilustrada en el corte transversal parcial en la Figura 7.
Los números consignados en los dibujos son los
mismos para elementos comunes.
A continuación se describe el invento con detalle
haciendo referencia a los Dibujos. Con referencia ahora a las
Figuras 1 y 2, la lanza 1 tiene una sección 2 de extremo o de
extremidad que aloja una pluralidad de toberas 3. La Figura 1
ilustra una realización preferida del invento en la que las toberas
son cada una de ellas toberas convergentes/divergentes. Cada una
de las toberas 3 tiene un orificio 4 de entrada y un orificio 5 de
salida. Preferiblemente, como se ha ilustrado en las Figuras, los
orificios de salida de tobera son circulares, aunque se podrían usar
otras formas, tales como orificios de tobera elípticos. Cada uno de
los orificios 4 de entrada comunica con una fuente de gas. En la
realización ilustrada en la Figura 1, todos los orificios 4 de
entrada comunican con la misma fuente de gas, siendo esa fuente el
conducto 6 de paso de gas situado dentro de la lanza 1.
Alternativamente, uno o varios de los orificios 4 de entrada
podrían comunicar con otra fuente de gas. Se podría suministrar un
gas que tuviese la misma composición a todas las toberas, o bien se
podrían suministrar gases diferentes a una o varias toberas. De
hecho, se podría suministrar un gas diferente a cada una de las
toberas. Entre los gases que podrían usarse en la práctica de este
invento para la expulsión desde una tobera se pueden citar aire,
oxígeno, nitrógeno, argón, dióxido de carbono, hidrógeno, helio,
hidrocarburos gaseosos u otros combustibles gaseosos y mezclas
constituidas por uno o varios de los mismos.
Los chorros de gas pueden salir en cualquier
ángulo tras la expulsión desde la lanza. Las Figuras ilustran
ciertas realizaciones preferidas del invento. Con referencia a las
Figuras 1 a 3, las toberas pueden estar orientadas en el extremo de
la lanza con sus líneas centrales paralelas a la línea central de
la lanza. Como se muestra en la Figura 1, las toberas están
orientadas en el extremo de la lanza con sus líneas centrales
formando un ángulo A hacia fuera con respecto a la línea central de
la lanza. El ángulo A puede ser de hasta 60 grados o mayor, y
preferiblemente está en el intervalo comprendido entre 0 y 30
grados, y con máxima preferencia dentro del intervalo comprendido
entre 0 y 15 grados. Preferiblemente, el diámetro de garganta de
las toberas se encuentra dentro del intervalo comprendido entre
0,635 y 7,62 cm (0,25 y 3 pulgadas), y el diámetro de los orificios
5 de salida está dentro del intervalo comprendido entre 7,62 y 10,16
cm (0,3 y 4 pulgadas). Preferiblemente, las líneas centrales de la
tobera forman un círculo en la cara 7 del extremo 2 de lanza que
tiene un diámetro D. Preferiblemente, D es como mínimo 1,02 cm (0,4
pulgadas) y no mayor de 25,4 cm (10 pulgadas), y con máxima
preferencia está dentro del intervalo comprendido entre 1,27 y 20,32
cm (0,5 y 8 pulgadas).
Si se desea, se pueden orientar las toberas de
tal manera que uno o varios chorros se expulsen de la lanza formando
un ángulo hacia dentro con la línea central de la lanza.
El gas se expulsa hacia fuera desde cada uno de
los orificios 5 de salida de tobera, preferiblemente a una
velocidad supersónica y en general dentro del intervalo comprendido
entre 152,4 y 3048 m/s (500 a 10.000 pies por segundo, en adelante
fps) para formar una pluralidad de chorros de gas, fluyendo cada
chorro de gas hacia fuera desde un orificio de salida de
tobera.
El extremo de lanza tiene también al menos unos
medios de expulsión, preferiblemente unos medios anulares de
expulsión, para hacer pasar al menos una corriente de gas fuera de
la tobera, preferiblemente de forma concéntrica alrededor de la
pluralidad de chorros de gas. La corriente o corrientes de gas que
salen de los medios de expulsión pueden ser de cualquier forma
efectiva, y no es necesario que circulen completamente alrededor de
la pluralidad de chorros de gas. Cuando se emplea unos medios
anulares de expulsión, la corriente concéntrica de gas
preferiblemente comprende una mezcla de combustible y oxidante. En
una realización del invento, los medios de expulsión pueden
suministrar solamente combustible, y el oxidante necesario para la
combustión con el combustible con el fin de formar la envoltura de
llama puede proceder de aire arrastrado a la corriente o corrientes
de combustible. Preferiblemente, como se ha ilustrado en las
figuras 1 y 2, el extremo 2 de lanza tiene unos primeros medios
anulares 8 de expulsión y unos segundos medios anulares 9 de
expulsión para hacer pasar respectivamente combustible y oxidante
fuera de la lanza en dos corrientes concéntricas. El combustible
puede ser cualquier combustible fluido tal como metano, propano,
butileno, gas natural, hidrógeno, gas de horno de coque, o petróleo.
El oxidante puede ser aire o un fluido que tenga una concentración
de oxígeno que exceda a la del aire. Preferiblemente, el oxidante
es un fluido que tiene una concentración de al menos un 30 por
ciento en moles, con máxima preferencia al menos un 50 por ciento en
moles. Preferiblemente, el combustible se suministra a través de
los primeros medios anulares de expulsión, y el oxidante se
suministra a través de los segundos medios anulares de expulsión
cuando es oxígeno el gas expulsado de las toberas. Cuando es un gas
inerte el que se inyecta desde las toberas, preferiblemente el
oxidante se suministra a través de los primeros medios anulares de
expulsión y el combustible a través de los segundos medios anulares
de expulsión. Si se desea, se pueden suministrar el combustible y
el oxidante usando tres medios anulares de expulsión,
suministrándose el oxidante desde los medios anulares de expulsión
interior y exterior, y el combustible desde los medios anulares
centrales de expulsión. Aunque unos o ambos medios anulares de
expulsión pueden formar un orificio anular continuo en la cara 7 de
lanza desde el que se expulse el combustible o el oxidante,
preferiblemente, como se ha mostrado en la Figura 2, ambos
orificios anulares de expulsión primero y segundo forman una serie
de orificios discretos, por ejemplo, agujeros circulares, desde los
que se expulsan las dos corrientes concéntricas de combustible y
oxidante. No es necesario que los medios de expulsión suministren
combustible y oxidante completamente alrededor de los chorros de
gas.
Los primeros medios anulares de expulsión en la
cara extrema de lanza forman un anillo alrededor de la pluralidad
de orificios de salida de tobera, y los segundos medios anulares de
expulsión en la cara extrema de lanza forman un anillo alrededor de
los primeros medios anulares de expulsión. El combustible y el
oxidante que salen de los primeros y segundos medios anulares de
expulsión se queman para formar una envoltura de llama alrededor de
la pluralidad de chorros de gas. Si el ambiente en el que se
inyectan el combustible y el oxidante no está suficientemente
caliente para autoencender la mezcla, se requerirá una fuente
separada de encendido para iniciar la combustión. Preferiblemente,
la envoltura de llama se desplaza a una velocidad menor que la de
cada uno de los chorros de gas, y en general a una velocidad
comprendida dentro del intervalo desde 30,48 a 304,8 m/s (100 a
1.000 fps).
La Figura 3 muestra en corte transversal la
envoltura de llama alrededor de los chorros coherentes 20. Cerca de
la cara de la llama habrá una única envoltura de llama con todos
los chorros coherentes contenidos dentro de la envoltura de llama
como se ha ilustrado por la envoltura 21 de llama en la Figura 3.
Dependiendo del diseño de la lanza y de las condiciones operativas,
más aguas debajo de la cara de llama se podría observar una única
envoltura de llama con todos los chorros coherentes contenidos
dentro de esa envoltura de llama y/o envolturas individuales de
llama alrededor de cada uno de los chorros coherentes. En la Figura
3, a título ilustrativo, se han mostrado dichas envolturas
individuales de llama representadas por las corrientes de combustión
21 y 22.
Preferiblemente, como se ha mostrado en la Figura
1, la extensión 10, que tiene una longitud comprendida generalmente
dentro del intervalo comprendido entre 1,27 y 15,24 cm (0,5 y 6
pulgadas), se extiende desde la cara extrema 7 de lanza formando un
volumen 11 con el que se comunican cada uno de la pluralidad de
orificios 5 de salida de tobera, los primeros medios anular 8 de
expulsión y los segundos medios anulares 9 de expulsión, y dentro
del cual se forman inicialmente cada uno de la pluralidad de
chorros de gas y la envoltura de llama alrededor de la pluralidad de
chorros de gas. El volumen 11 formado por la extensión 10 establece
una zona protectora que sirve para proteger a las corrientes de gas
y al combustible y al oxidante inmediatamente después de su salida
del extremo 2 de lanza, ayudando así a lograr coherencia para cada
chorro de gas. La zona protectora induce la recirculación del
combustible y del oxidante alrededor de los chorros de gas, y en
algunos casos alrededor de cada chorro individual de gas. De ese
modo, aún en el caso de que el combustible y el oxidante no se
suministren inicialmente al volumen 11 rodeando por completo a los
chorros de gas, la recirculación del combustible y del oxidante
dentro de la zona protectora sirve para asegurar que se formen una
o varias envolturas efectivas de llama con el fin de establecer
coherencia para cada chorro de gas.
El flujo de cada chorro de gas permanece distinto
del flujo de todos los demás chorros de gas que han salido de los
orificios de tobera de la lanza 1 durante toda la longitud de dicho
chorro de gas hasta que el chorro de gas alcanza su objetivo. Dicho
objetivo podría ser, por ejemplo, la superficie de una alberca de
líquido tal como metal fundido o un líquido acuoso, o bien puede
ser un objetivo sólido o gaseoso tal como con otro chorro de gas
con el que interactúa el chorro de gas. Esto contrasta con lo que
sucede cuando se expulsan de la misma lanza chorros convencionales
de gas. Con estos chorros convencionales de gas, los chorros se
fusionan o fluyen juntos rápidamente para formar un único chorro de
gas. Los chorros de gas permanecen distintos durante una distancia
de al menos 10 diámetros de salida de tobera, típicamente al menos
20 diámetros de salida de tobera, y en general durante una distancia
dentro del intervalo comprendido entre 20 y 100 diámetros de salida
de tobera.
Se ha averiguado que cuando aumenta el caudal
total de los chorros de gas que salen de las toberas, también
aumenta el caudal total del combustible y del oxidante que salen de
los medios de expulsión para formar la envoltura de llama, pero a un
ritmo menor que el aumento del caudal de los chorros de gas. Cuando
el caudal total de los chorros de gas que salen de las toberas está
dentro del intervalo comprendido entre 566,34 y 2.831,7 m^{3}/h
(20.000 a 100.000 pies cúbicos/hora, en adelante CFH), el caudal
total del combustible que forma la envoltura de llama está
preferiblemente dentro del intervalo comprendido entre 586 y 4.396
kw (2 a 15 millones de BTU por hora) y el caudal total del oxígeno
contenido en el oxidante que forma la envoltura de llama está
preferiblemente dentro del intervalo comprendido entre 56,63 y
424,76 m^{3}/h (2.000 a 15.000 CFH). Cuando el caudal total de
los chorros de gas que salen de las toberas está dentro del
intervalo comprendido entre 11.327 y 56.634 m^{3}/h (400.000 a
2.000.000 CFH), el caudal total del combustible que forma la
envoltura de llama está preferiblemente dentro del intervalo
comprendido entre 2.931 y 20.515 kw (10 a 70 MMBTU/h), y el caudal
total del oxígeno contenido en el oxidante que forma la envoltura de
llama está preferiblemente dentro del intervalo comprendido entre
283,17 y 1.982,2 m^{3}/h (10.000 a 70.000 CFH).
Se llevaron a cabo pruebas para demostrar la
eficacia del invento, usando realizaciones del invento similares a
las ilustradas en las Figuras 1 a 3 y empleando oxígeno como el gas
salido de las toberas, y a continuación se describen las pruebas
mostrándose sus resultados en la Figura 4 junto con los
resultados de una prueba comparativa. Estas pruebas se comunican a
título ilustrativo o comparativo, sin carácter limitativo.
Se instalaron cuatro toberas alrededor de un
círculo que rodeaba el eje de simetría de una lanza. Cada tobera era
una tobera convergente/divergente con diámetros de garganta y de
salida de 6,86 y 9,9 mm (0,27 y 0,39 pulgadas) respectivamente. El
diámetro (D) del círculo era de 1,9 cm (3/4''). El ángulo (A) entre
los chorros coherentes y el eje de simetría de la lanza era de 0
grados, y el perímetro de cada chorro estaba separado 3,56 mm (0,14
pulgadas) de los perímetros de los chorros adyacentes. Se
suministraron gas natural y un oxidante para la envoltura de llama a
través de dos anillos de orificios: el anillo interior [16
orificios de 3,9 mm (0,154'') de diámetro, en un círculo de 5,08 cm
(2'') de diámetro] para gas natural; y el anillo exterior [(16
orificios de 5,05 mm (0,199'') de diámetro en un círculo de 6,99 cm
(2 3/4'') de diámetro)] para el oxidante que, en este caso, era
oxígeno comercialmente puro con una concentración de oxígeno de
alrededor del 99,5% en moles. Se fijó una extensión de 8,9 cm (3
1/2'') de diámetro y 5,08 cm (2'') de longitud al extremo de la
lanza para proporcionar recirculación de gas para estabilizar las
llamas.
Se hicieron pruebas con una presión de
alimentación de 1.135 kPa (150 libras por pulgada cuadrada
manométricas, en adelante psig) para el oxígeno principal que salía
de las toberas. A esa presión justo aguas arriba de la tobera, el
caudal de oxígeno que pasaba por cada tobera era de 283,17
m^{3}/h (10.000 CFH) para un caudal total de 1.132,7 m^{3}/h
(40.000 CFH) para las cuatro toberas. La temperatura de salida,
velocidad y número de Mach calculados para los chorros coherentes en
las salidas de las toberas fueron respectivamente -125ºC (-193ºF),
518,2 m/s (1.700 fps) y 2,23 Mach. Los caudales de entrada de gas
natural y de oxígeno a los anillos interior y exterior de los
orificios fueron de 141,6 y 169,9 m^{3}/h (5.000 y 6.000 CFM),
respectivamente.
Se observaron visualmente cuatro chorros
coherentes distintos, y no existió interacción aparente entre los
chorros. En las curvas A, B y C de la Figura 4 se muestran las
velocidades, calculadas a partir de medidas con tubo Pitot en el
plano B-B que se muestra en la Figura 2, tomadas a
45,7, 61,0 y 76,2 cm (18, 24 y 30 pulgadas) de la cara de
tobera.
Para chorros normales muy próximos, el arrastre
tira de los chorros juntos para formar un único chorro como se
muestra por la curva D de la Figura 4 que muestra los resultados
obtenidos cuando se repitió la prueba anteriormente descrita, pero
sin la envoltura de llama alrededor de los cuatro chorros. Las
medidas con tubo Pitot mostradas en la curva D se tomaron a 26,03
cm (10,25'') de la cara de tobera. Este arrastre no se produjo
para las pruebas del invento descritas en la presente memoria, aún
en el caso de que los chorros coherentes estuviesen muy próximos
entre sí. Este hecho fue muy sorprendente, en particular con los
cuatro chorros coherentes paralelos al eje de la lanza y estando
el perímetro de cada chorro a menos de 6,35 mm (1/4'') del perímetro
de los chorros adyacentes. Cada chorro actuó como si fuese un
chorro único en un espacio libre, permaneciendo coherente durante
una distancia considerable de la cara de tobera. Un medio muy
efectivo de proveer envolturas de llama para múltiples chorros
coherentes es mediante dos anillos de orificios (para gas natural y
oxígeno) rodeando a todos los chorros coherentes. Esta disposición,
junto con una extensión para llevar la recirculación cerca de la
tobera, resulta en llamas uniformes alrededor de cada chorro
coherente.
La Figura 5 muestra los resultados obtenidos con
otra realización del invento, similar a la ilustrada en la Figura
1, con la excepción de que esta realización empleaba solamente dos
toberas. Cada orificio de tobera estaba orientado en un ángulo
hacia fuera de 5 grados desde el eje de la lanza, y la distancia
entre las líneas centrales de los orificios de tobera era de 2,22
cm (0,875''). Se hizo pasar oxígeno a un caudal de 566,3 m^{3}/h
(20.000 CFH) a través de cada tobera, y en las salidas de tobera la
separación entre los perímetros de las salidas de tobera era de 8,13
mm (0,32 pulgadas). El gas natural y el oxígeno secundario
circulaban desde los dos aros anulares de orificios a 141,6 y 113,3
m^{3} /h (5.000 y 4.000 CFH), respectivamente. Se formaron dos
chorros coherentes distintos, y en la Figura 5 se muestran los
perfiles de velocidad a 45,72 cm (18 pulgadas, curva E) y a 61,0 cm
(24 pulgadas, curva F). No hubo interferencia entre los dos
chorros, y cada chorro actuó como si fuese un chorro único en
espacio libre.
La Figura 6 muestra los resultados obtenidos con
otra realización del invento ilustrada en corte transversal en la
Figura 7. En esta realización, el extremo de la lanza tenía dos
toberas con dos agujeros u orificios de salida, siendo la distancia
entre las líneas centrales de los orificios de 1,84 cm (0,725
pulgadas). La primera tobera se diseñó para un caudal de oxígeno de
849,5 m^{3}/h (30.000 CFH) con el eje paralelo al eje de la
lanza. La segunda tobera se diseñó para un caudal de oxígeno de
283,2 m^{3}/h (10.000 CFH) con el eje formando un ángulo de 5
grados hacia fuera del eje de la lanza. En las salidas, la
separación entre los perímetros de orificios adyacentes era de 0,51
cm (0,20 pulgadas). Los caudales de gas natural y de oxígeno
secundario que entraban a los anillos de orificios (no mostrados)
eran de 141,6 y 113,3 m^{3}/h (5.000 y 4.000 CFH),
respectivamente. Los caudales que atravesaban las dos toberas
convergentes- divergentes diferían en un factor de tres. En la
Figura 6 se muestran los perfiles de velocidades a 76,2, 86,4 y 96,5
cm (30, 34 y 38 pulgadas) de la cara de la lanza como curvas G, H e
I. Para el chorro de alto caudal [(oxígeno a 849,5 m^{3}/h
(30.000 CFH)], el perfil permaneció esencialmente invariable sobre
el intervalo de distancias desde la cara de tobera. El chorro
coherente permaneció paralelo al eje de la lanza. Como se esperaba,
el chorro de menor caudal [ (oxígeno a 283,17 m^{3}/h (10.000
CFH)] empezó a perder su coherencia más allá de 76,2 cm (30
pulgadas) de la cara de la lanza. La situación de los picos indica
que el chorro formaba un ángulo hacia fuera del eje de la lanza
de aproximadamente 5,5 grados. Este valor es próximo al del ángulo
de 5 grados en la cara de la lanza. No existió interferencia
aparente entre los dos chorros. Estos resultados ilustran la
flexibilidad que es posible con lanzas de chorros coherentes de
múltiples orificios. Por ejemplo, sería posible disponer de oxígeno
para lanzas y post-combustión con una única lanza
de múltiples toberas. Un chorro se dirigiría hacia el baño fundido
para expulsarlo por la lanza, mientras que el chorro de menor caudal
se dirigiría por encima del baño para la
post-combustión. Todo ello se podría llevar a cabo
con una lanza de chorros múltiples coherentes.
En una realización particular del invento que se
emplea en la operación de un horno básico de oxígeno, se usan de 3
a 6 chorros de gas cada uno con un ángulo divergente con respecto al
otro y cada uno a una velocidad supersónica, en la que cada chorro
tiene la misma composición de gas, y la envoltura de llama se forma
usando dos corrientes concéntricas de combustible y de oxidante
alrededor de la pluralidad de chorros de gas.
Aunque el invento se ha descrito detalladamente
con referencia a ciertas realizaciones preferidas, los expertos en
la técnica reconocerán que existen otras realizaciones del invento
dentro del alcance de las reivindicaciones.
Claims (9)
1. Un método para establecer múltiples chorros
coherentes de gas desde una única lanza que comprende:
(A) proveer una lanza (1) que tiene un extremo
(2) con una pluralidad de toberas (3), cada una de cuyas toberas
tiene un orificio (5) de salida para expulsar gas desde la
tobera;
(B) hacer pasar gas en un chorro fuera de cada
orificio (5) de salida de tobera y formar una pluralidad de chorros
de gas, fluyendo cada chorro de gas desde un orificio de salida de
tobera;
(C) hacer pasar un combustible y un oxidante en
al menos una corriente fuera del extremo (2) de lanza y quemar el
citado combustible con dicho oxidante para formar una envoltura de
llama alrededor de la pluralidad de chorros de gas; y
(D) mantener el flujo de cada chorro de gas
distinto durante la longitud de dicho chorro de gas.
2. El método de la reivindicación 1, en el que al
menos dos chorros de gas circulan en corrientes que divergen.
3. El método de la reivindicación 1, en el que al
menos dos chorros de gas circulan en corrientes que son
paralelas.
4. El método de la reivindicación 1, en el que el
combustible y el oxidante se hacen pasar respectivamente en dos
corrientes concéntricas fuera del extremo (2) de lanza alrededor de
la pluralidad de chorros de gas.
5. El método de la reivindicación 1, en el que
cada chorro de gas tiene una velocidad supersónica.
6. El método de la reivindicación 1, en el que al
menos uno de los chorros de gas comprende oxígeno.
7. El método de la reivindicación 1, en el que se
forman de 3 a 6 chorros de gas, circulando cada uno de dichos
chorros de gas con un ángulo divergente con respecto a los otros
chorros de gas, a una velocidad supersónica y teniendo la misma
composición de gas que cada uno de los otros chorros de gas, y en el
que la envoltura de llama se forma haciendo pasar combustible y
oxidante en dos corrientes concéntricas fuera del extremo (2) de
lanza alrededor de la pluralidad de chorros de gas.
8. Una lanza para establecer múltiples chorros
coherentes de gas que comprende:
(A) una lanza (1) que tiene un extremo (2) con
una pluralidad de toberas (3), cada una de cuyas toberas tiene un
orificio (4) de entrada y un orificio (5) de salida,
(B) comunicando cada uno de dichos orificios de
entrada de tobera con una fuente de gas, y estando dispuesto cada
uno de dichos orificios de salida de tobera en la cara extrema (7)
de lanza;
(C) al menos unos medios (8, 9) de expulsión en
la cara extrema de lanza alrededor de la pluralidad de orificios de
salida de tobera; y
(D) una extensión (19) que se extiende desde la
cara extrema de lanza formando un volumen (11) con el que comunican
cada uno de la pluralidad de orificios de salida de tobera y el
medio (o medios) de expulsión,
por lo cual los medios de expulsión comprenden
unos primeros medios anulares (8) de expulsión en la cara extrema de
lanza alrededor de la pluralidad de orificios de salida de tobera y
unos segundos medios anulares (9) de expulsión en la cara extrema
de lanza alrededor de los primeros medios anulares de expulsión.
9. Un método para establecer múltiples chorros
coherentes de gas desde una única lanza, que comprende:
(A) proveer una lanza (1) que tiene un extremo
(2) con una pluralidad de toberas (3), cada una de cuyas toberas
tiene un orificio (5) de salida para expulsar gas desde la
tobera;
(B) hacer pasar gas en un chorro fuera de cada
orificio (5) de salida de tobera y formar una pluralidad de chorros
de gas; fluyendo cada chorro desde un orificio de salida de
tobera;
(C) hacer pasar un combustible en al menos una
corriente fuera del extremo (2) de lanza alrededor de la pluralidad
de chorros de gas y quemar el citado combustible con aire
arrastrado a la corriente (o corrientes) de combustible para formar
una envoltura de llama alrededor de la pluralidad de chorros de gas;
y
(D) mantener el flujo de cada chorro de gas
distinto durante la longitud de dicho chorro de gas.
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