ES2323304T3 - Sistema de chorro coherente con envoltura de llama de anillo unico. - Google Patents
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Abstract
Un método para estabilizar al menos un chorro de gas coherente que comprende: (A) hacer salir al menos un chorro (5) de gas desde al menos una tobera (2) convergente/divergente alojada en un lanza (3) que tiene un frente (6) de la lanza, teniendo dicho frente de lanza un anillo (20) de lumbreras (22, 23) alrededor de dicha al menos una tobera (2), en donde dicho al menos un chorro (5) de gas tiene una velocidad supersónica cuando se le forma tras su expulsión desde el frente (6) de la lanza y permanece supersónico a lo largo de una distancia de al menos 20 veces el diámetro de salida de la al menos una tobera (2); caracterizado por (B) hacer salir combustible desde un primer conjunto de lumbreras (22) de dicho anillo (20) y hacer salir oxidante desde un segundo conjunto de lumbreras (23) de dicho anillo; y (C) quemar el combustible y el oxidante que han salido de los conjuntos primero y segundo de lumbreras (22, 23) de dicho anillo (20) para producir una envoltura (24) de llama alrededor de dicho al menos un chorro (5) de gas.
Description
Sistema de chorro coherente con envoltura de
llama de anillo único.
Esta invención se refiere en general a la
tecnología del chorro coherente.
Un significativo avance reciente en el campo de
la proyección de gas con una lanza es el desarrollo de la
tecnología del chorro coherente descrita, por ejemplo, en la patente
norteamericana número 5.814.125 de Anderson y otros y en la patente
norteamericana número 6.171. 544 de Anderson y otros, las cuales
describen un método según el preámbulo de la reivindicación 1 y una
lanza según el preámbulo de la reivindicación 6, en las que se
inyectan combustible y oxidante a través de anillos concéntricos de
agujeros. En la práctica de esta tecnología uno o más chorros de
gas de alta velocidad expulsados desde una o más toberas de un lanza
se mantienen coherentes a lo largo de una distancia relativamente
grande mediante el uso de una envoltura de llama alrededor y a lo
largo del(de los) chorro(s) de gas de alta velocidad.
La envoltura de llama se forma quemando combustible y oxidante
expulsados desde la lanza, respectivamente desde dos anillos de
lumbreras, un anillo interior y un anillo exterior, alrededor de
la(s) tobera(s) de chorro de gas de alta velocidad.
Típicamente, el combustible para la envoltura de llama se expulsa
desde el anillo interior de lumbreras y el oxidante para la
envoltura de llama se expulsa desde el anillo exterior de
lumbreras. Una prolongación del perímetro de la lanza forma una
zona de recirculación protegida dentro de la cual se
proporciona(n) un(os) chorro(s) de gas de alta
velocidad y los fluidos de envoltura de llama desde la(s)
tobera(s) y lumbreras. Esta zona de recirculación permite
cierta recirculación de los fluidos expulsados que hace posibles una
ignición y una estabilidad mejoradas de la envoltura de llama,
aumentando así la coherencia y, por tanto, la longitud
del(os) chorro(s) de gas de alta velocidad.
El(los) chorro(s) coherente(s) puede usarse
para entregar gas a un líquido, tal como metal fundido, desde una
distancia relativamente grande por encima de la superficie del
líquido. Una aplicación muy importante de esta tecnología del
chorro coherente es proporcionar oxígeno para uso en operaciones de
fabricación de acero tales como hornos de arco eléctrico y hornos de
oxígeno básico.
La extensión de la recirculación, aunque
constituye una mejora respecto de sistemas anteriores de chorro
coherente, introduce ciertos problemas relativos al diseño de la
lanza y la vida útil de ésta debido a la necesidad de refrigerar la
punta con agua. Estos problemas son de una preocupación particular
cuando el sistema de chorro coherente se usa en un ambiente muy
duro, tal como un horno de oxígeno básico.
Se describe adicionalmente un chorro múltiple en
el documento GB-A-957110.
En consecuencia, es un objeto de esta invención
proporcionar un sistema que pueda producir chorros de gas
coherentes sin la necesidad de una prolongación de lanza u otro
elemento para estabilizar una zona de recirculación para los gases
expulsados desde la lanza.
\vskip1.000000\baselineskip
Los objetos anteriores y otros, que se harán
evidentes para los versados en la materia tras una lectura de esta
descripción, se obtienen mediante la presente invención, uno de
cuyos aspectos es:
Un método para establecer al menos un chorro de
gas coherente según se define en la reivindicación 1.
Otro aspecto de la invención es:
Una lanza de chorro coherente según se define en
la reivindicación 6.
Según se emplea aquí el término "frente de
lanza" significa la superficie de una lanza que contacta con un
volumen de inyección.
Según se emplea aquí, el término "chorro
coherente" significa un chorro de gas que se forma expulsando gas
desde una tobera y que tiene un perfil de velocidad y cantidad de
movimiento a lo largo de una longitud de al menos 20d, en donde d
es el diámetro de salida de la tobera, que es similar a su perfil de
velocidad y cantidad de movimiento tras la expulsión desde la
tobera. Otra manera de describir un chorro coherente es un chorro
de gas que cambia un poco o nada su diámetro durante una distancia
de al menos 20d.
Según se emplea aquí, el término "longitud"
cuando hace referencia a un chorro de gas coherente significa la
distancia desde la tobera desde la cual se expulsa el gas hasta el
punto de impacto propuesto del chorro de gas coherente o hasta
donde el chorro de gas deja de ser coherente.
La figura 1 es una vista frontal de una
realización preferida de un frente de lanza y la figura 2 es una
vista en sección transversal de una realización preferida de una
lanza que tiene tal frente de lanza y que puede usarse en la
práctica de esta invención.
La figura 3 ilustra en operación la realización
de la invención ilustrada en las figuras 1 y 2. Los números de los
dibujos son los mismos para los elementos comunes.
La invención se describirá en detalle con
referencia a los dibujos.
Haciendo ahora referencia a las figuras 1, 2 y
3, un gas, mostrado por la flecha 1 de flujo, se hace pasar a
través de al menos una tobera 2, preferiblemente una tobera
convergente/divergente, y posteriormente se le hace salir desde una
lanza 3 a través de una abertura o aberturas 4 de tobera en el
frente 6 de lanza para formar una corriente o corrientes 5 de
chorro de gas coherente en un volumen 7 de inyección. Típicamente,
la velocidad de la(s)
corriente(s) 5 de gas está dentro del rango de 213,4 a 914,4 m/s (700 a 3.000 pies por segundo (fps)). Preferiblemente, la velocidad de la(s) corriente(s) 5 de gas es supersónica cuando se forma tras la expulsión del frente de lanza y permanece supersónica a lo largo de una distancia de al menos 20d. Aunque los dibujos ilustran una realización que emplea cuatro chorros de gas coherentes expulsados desde la lanza, respectivamente a través de cuatro toberas, el número de chorros de gas expulsados desde la lanza a través de toberas respectivas en la práctica de esta invención puede estar dentro del rango de 1 a 6. Preferiblemente, el volumen de inyección dentro del cual se inyectan los chorros de gas coherentes es un horno de producción de metal tal como un horno de fabricación de acero. Muy preferiblemente, cuando se emplea una pluralidad de toberas, todas las toberas están inclinadas alejándose una de otra y del eje central de la lanza.
corriente(s) 5 de gas está dentro del rango de 213,4 a 914,4 m/s (700 a 3.000 pies por segundo (fps)). Preferiblemente, la velocidad de la(s) corriente(s) 5 de gas es supersónica cuando se forma tras la expulsión del frente de lanza y permanece supersónica a lo largo de una distancia de al menos 20d. Aunque los dibujos ilustran una realización que emplea cuatro chorros de gas coherentes expulsados desde la lanza, respectivamente a través de cuatro toberas, el número de chorros de gas expulsados desde la lanza a través de toberas respectivas en la práctica de esta invención puede estar dentro del rango de 1 a 6. Preferiblemente, el volumen de inyección dentro del cual se inyectan los chorros de gas coherentes es un horno de producción de metal tal como un horno de fabricación de acero. Muy preferiblemente, cuando se emplea una pluralidad de toberas, todas las toberas están inclinadas alejándose una de otra y del eje central de la lanza.
Puede usarse cualquier gas efectivo como gas
para formar un chorro o chorros coherentes en la práctica de esta
invención. Entre tales gases se pueden nombrar oxígeno, nitrógeno,
argón, dióxido de carbono, hidrógeno, helio, vapor y gases de
hidrocarburos. También pueden usarse como tal gas en la práctica de
esta invención mezclas que comprendan dos o más gases, por ejemplo
aire.
Un anillo 20 de lumbreras está situado en el
frente de lanza alrededor de la abertura o aberturas 4 de tobera.
El anillo 20 es preferiblemente un círculo que tiene un diámetro
dentro del rango de 3,81 a 40,64 cm (1,5 a 16 pulgadas).
Generalmente, el anillo 20 comprenderá de 12 a 18 lumbreras. Cada
lumbrera es preferiblemente un círculo que tiene un diámetro dentro
del rango de 1,27 a 12,7 mm (0,05 a 0,5 pulgadas). Muy
preferiblemente, según se ilustra en los dibujos, el anillo de
lumbreras está en una depresión o acanaladura 21 del frente 6 de la
lanza. Típicamente, la depresión 21 tiene una profundidad dentro del
rango de 1,27 a 50,80 mm (0,05 pulgadas a 2 pulgadas) y una anchura
dentro del rango de 1,27 a 12,7 mm (0,05 a 0,5 pulgadas).
Se proporciona combustible a un primer conjunto
de lumbreras 22 del anillo 20 y se proporciona oxidante a un
segundo conjunto de lumbreras 23 del anillo 20. Preferiblemente,
según se ilustra en la figura 1, el primer conjunto de lumbreras 22
se alterna con el segundo conjunto de lumbreras 23 del anillo 20 de
modo que cada lumbrera 22 de combustible tiene dos lumbreras 23 de
oxidante adyacentes a cada lado de esa lumbrera de combustible y
cada lumbrera 23 de oxidante tiene dos lumbreras 22 de combustible
adyacentes a cada lado de esa lumbrera de oxidante. El combustible
y el oxidante se expulsan de la lanza 3 por sus lumbreras
respectivas hacia el volumen 7 de inyección. La velocidad del
combustible y el oxidante expulsados desde el anillo de lumbreras
puede ser subsónica, pero preferiblemente ésta es una velocidad
sónica. La velocidad sónica del combustible y el oxidante
inyectados mejora el rechazo de materia extraña e impide que ésta
entre en las lumbreras y las tapone, lo cual es especialmente
importante cuando la invención se emplea en un ambiente duro tal
como un horno de fabricación de acero. Si se desea, la velocidad
del combustible y oxidante inyectados puede ser supersónica a una
velocidad mayor de Mach 1 hasta Mach 2.
El combustible expulsado desde las lumbreras 22
es preferiblemente gaseoso y puede ser cualquier combustible tal
como metano o gas natural. El oxidante expulsado desde las lumbreras
23 puede ser aire, aire enriquecido con oxígeno que tenga una
concentración de oxígeno que supere la del aire, u oxígeno comercial
que tenga una concentración de oxígeno de al menos un 90 por ciento
en moles. Preferiblemente, el oxidante es un fluido que tiene una
concentración de oxígeno de al menos un 25 por ciento en moles.
El combustible y el oxidante que se han hecho
salir de la lanza forman una envoltura de gas alrededor
del(de los)
chorro(s) 5 de gas, la cual se quema para formar una envoltura de llama o recubrimiento 24 de llama alrededor
del(de los) chorro(s) 5 de gas dentro del volumen de inyección tal como un horno de metal fundido. La envoltura 24 de llama alrededor de las corrientes 5 de gas sirve para evitar que el gas ambiente sea aspirado hacia las corrientes de gas, evitando así que la velocidad de las corrientes de gas disminuya significativamente y evitando que el diámetro de las corrientes de gas aumente significativamente a lo largo de al menos una distancia de 20d desde la salida de tobera respectiva. Es decir, la envoltura de llama o el recubrimiento 24 de llama sirve para establecer y mantener las corrientes 5 de gas como chorros coherentes a lo largo de una distancia de al menos 20d desde la salida de tobera respectiva.
chorro(s) 5 de gas, la cual se quema para formar una envoltura de llama o recubrimiento 24 de llama alrededor
del(de los) chorro(s) 5 de gas dentro del volumen de inyección tal como un horno de metal fundido. La envoltura 24 de llama alrededor de las corrientes 5 de gas sirve para evitar que el gas ambiente sea aspirado hacia las corrientes de gas, evitando así que la velocidad de las corrientes de gas disminuya significativamente y evitando que el diámetro de las corrientes de gas aumente significativamente a lo largo de al menos una distancia de 20d desde la salida de tobera respectiva. Es decir, la envoltura de llama o el recubrimiento 24 de llama sirve para establecer y mantener las corrientes 5 de gas como chorros coherentes a lo largo de una distancia de al menos 20d desde la salida de tobera respectiva.
\newpage
Una ventaja significativa de esta invención es
la capacidad de formar chorros de gas coherentes desde una lanza
sin necesidad de emplear una prolongación de la lanza. Hasta ahora,
se ha usado una prolongación de lanza para formar una zona de
recirculación protegida adyacente al frente de lanza a fin de
mejorar la ignición y combustión de los gases del recubrimiento de
llama que se inyectan dentro de esta zona de recirculación
protegida, mejorando así la coherencia de los chorros de gas. Aunque
el uso de tal prolongación de la lanza es una mejora significativa
sobre la práctica inicial del chorro de gas coherente, existen
problemas con el uso de tal prolongación. En la práctica de esta
invención, los gases expulsados desde la lanza se hacen pasar
directamente al volumen de inyección sin atravesar una zona
protegida o zona de recirculación formada por una prolongación de
la lanza, consiguiéndose todavía, a pesar de ello, la coherencia
mejorada observada con el uso de una prolongación de la lanza.
Se realizaron pruebas para evaluar la eficacia
de la invención usando una serie de diseños diferentes para el
suministro del gas de recubrimiento de llama. El combustible usado
en las pruebas fue gas natural y el oxidante usado en las pruebas
tenía una concentración de oxígeno de un 99 por ciento en moles y se
le denomina oxígeno secundario. En cada prueba la lanza tenía
cuatro toberas para la provisión de los chorros de gas. El gas para
los chorros de gas fue oxígeno que tenía una pureza de un 99 por
ciento en moles y se le denomina oxígeno principal. Se informa de
las pruebas a continuación y se presentan éstas con fines
ilustrativos, sin pretender que sean limitativas.
Las pruebas se realizaron para evaluar la
eficacia de la invención y para entender mejor el papel del gas
natural (GN) y la separación entre lumbreras de oxidante. Las
pruebas se ejecutaron manteniendo constante el número de lumbreras
del recubrimiento en un total de 16 (8 de GN y 8 de oxidante),
aunque variando la separación de las lumbreras al cambiar el
diámetro del círculo de lumbreras. Se mantuvo constante el diámetro
del círculo de toberas principal. Se probaron acanaladuras anulares
para ayudar a la estabilización de la llama. A continuación, se
define la relación de meseta (LR) como la separación entre los
perímetros de lumbrera (Meseta) dividida por la suma de los radios
de lumbrera, LR = Meseta/(R_{OS} + R_{GN}). En cada prueba, se
proporcionaron el combustible y el oxidante a través de lumbreras
alternadas del único anillo de lumbreras dispuestas alrededor de
las toberas.
- -
- El inyector # 1 era un diseño de 16 lumbreras en total. El diámetro del círculo era de 5,40 cm (2,125 pulgadas). La relación meseta, LR = 0,67.
- -
- El inyector # 2 era un diseño de 16 lumbreras en total. El diámetro del círculo era de 8,26 cm (3,25 pulgadas). La LR = 1,56.
- -
- El inyector # 3 era un diseño de 16 lumbreras en total. El diámetro del círculo era de 10,80 cm (4,25 pulgadas). La LR = 2,34.
- -
- Oxígeno principal = 1.132,7 m^{3}/h (40.000 pies cúbicos estándar por hora (scfh)) de oxígeno a una presión de suministro de 12,39 bares (165 psig)
- -
- Toberas principales = diámetro de salida a garganta 9,65 mm/6,6 mm (0,38 pulgadas/0,26 pulgadas), inclinación hacia fuera 12º
- -
- Velocidad de GN = 204 m/s (670 fps) @ 141,6 m^{3}/h (5.000 scfh)
- -
- Velocidad de oxígeno secundario = 97,5 m/s (320 fps) @ 113,3 m^{3}/h (4.000 scfh)
- -
- Sin prolongación de recirculación
- -
- Acanaladuras = 7,14 mm (0,281 pulgadas) de ancho x 6,35 mm (0,25 pulgadas) de profundidad.
Inyector #1: Para un flujo de GN constante de
141,6 m^{3}/h (5.000 scfh) se obtuvieron chorros coherentes
excelentes, típicamente de 50,80 cm (20 pulgadas), que superan la
longitud del diseño convencional de dos anillos. La llama fue
estable en un amplio rango de condiciones. Este inyector no se
ensayó con una acanaladura anular.
Inyector #2: Sin una acanaladura, la longitud de
chorro coherente disminuyó ligeramente en comparación con el
inyector #1. Cuando se añadió una acanaladura, la longitud de gas
coherente mejoró y superó los resultados obtenidos con el inyector
#1.
Inyector #3: Sin acanaladura, la longitud de
chorro coherente fue sustancialmente más corta. La llama funcionó
de un modo elevado, lo cual causó los chorros coherentes más cortos.
La adición de una acanaladura estabilizó el recubrimiento, lo cual
dio como resultado una recuperación completa de la longitud del
chorro coherente.
Con el objetivo de eliminar posiblemente el
taponamiento de las lumbreras del recubrimiento en un horno de
oxígeno básico, se realizaron pruebas para observar si las lumbreras
podrían hacerse funcionar en condiciones de flujo sónico. Se
probaron diversos diseños de anillo único. Las lumbreras de gas
natural y de oxígeno secundario fueron dimensionadas para funcionar
a Mach 1 cuando los caudales de gas natural y oxígeno secundario
fueran de 141,6 m^{3}/h (5.000 scfh) y de 113,3 m^{3}/h (4.000
scfh), respectivamente. Se añadieron acanaladuras anulares de
profundidades diferentes para estabilizar el recubrimiento de
llama.
- El inyector #4 era un diseño de anillo
único con un total de 32 lumbreras. Los diámetros de las lumbreras
de GN y oxígeno secundario eran de 2,54 mm (0,10 pulgadas). Diámetro
del anillo = 50,80 mm (2,0 pulgadas) y LR = 24,38 mm (0,96
pulgadas).
- El inyector #5 era un diseño de anillo
único con un total de 24 lumbreras. Los diámetros de las lumbreras
de GN y oxígeno secundario eran de 2,92 mm (0,115 pulgadas).
Diámetro del anillo = 50,80 mm (2,0 pulgadas) y LR = 32,5 mm (0,96
pulgadas).
- El inyector #6 era un diseño de anillo
único con un total de 16 lumbreras. Los diámetros de las lumbreras
de GN y oxígeno secundario eran de 3,58 mm (0,141 pulgadas).
Diámetro del anillo = 50,80 mm (2,0 pulgadas) y LR = 45,47 mm (1,79
pulgadas).
- El inyector #7 era un diseño de anillo
único con un total de 32 lumbreras. Los diámetros de las lumbreras
de GN y oxígeno secundario eran de 2,54 mm (0,10 pulgadas). Diámetro
del anillo = 69,85 mm (2,75 pulgadas) y LR = 43,18 mm (1,70
pulgadas).
- -
- Oxígeno principal = 1.132,7 m^{3}/h (40.000 scfh) de oxígeno a una presión de suministro de oxígeno de 12,39 bares (165 psig)
- -
- Toberas = diámetro de salida a garganta 9,65 mm/6,60 mm (0,38 pulgadas/0,26 pulgadas), inclinación hacia fuera 12º
- -
- Velocidad de GN = 415,7 m/s (1364 fps) (Mach 1) @ 141,6 m^{3}/h (5.000 scfh)
- -
- Velocidad de oxígeno secundario = 299 m/s (982 fps) (Mach 1) @ 113,3 m^{3}/h (4.000 scfh)
- -
- Sin prolongación
- -
- Tamaño de acanaladura = Variado (Anchura x Profundidad)
Inyector #4: Sin una acanaladura, la longitud de
chorro coherente fue pobre, lo cual fue el resultado de una llama
desprendida. Se obtuvieron buenos chorros coherentes para las
acanaladuras de 1,25D x 1,25D y de 1,25D x 2D. [Notación de
acanaladura = anchura x profundidad; D = diámetro de lumbrera].
Inyector #5: Sin la acanaladura, la lanza fue
difícil de encender (inestable). Se obtuvieron buenos chorros
coherentes para las acanaladuras 1D x 1D, 1D x 1,5D y 1D x 2D.
Inyector #6: Sin la acanaladura, la lanza fue
muy difícil encender; las longitudes de chorro coherente fueron
esencialmente los valores sin recubrimiento. La acanaladura
estabilizó la combustión del recubrimiento; sin embargo, se
obtuvieron chorros coherentes relativamente pobres incluso con una
acanaladura bastante profunda de 1D x 2D.
Inyector #7: Sin la acanaladura, se obtuvieron
chorros coherentes pobres. Se obtuvieron buenos chorros coherentes
con una acanaladura de 1,25D x 1,25D.
Claims (9)
1. Un método para estabilizar al menos un chorro
de gas coherente que comprende:
- (A)
- hacer salir al menos un chorro (5) de gas desde al menos una tobera (2) convergente/divergente alojada en un lanza (3) que tiene un frente (6) de la lanza, teniendo dicho frente de lanza un anillo (20) de lumbreras (22, 23) alrededor de dicha al menos una tobera (2), en donde dicho al menos un chorro (5) de gas tiene una velocidad supersónica cuando se le forma tras su expulsión desde el frente (6) de la lanza y permanece supersónico a lo largo de una distancia de al menos 20 veces el diámetro de salida de la al menos una tobera (2);
- caracterizado por
- (B)
- hacer salir combustible desde un primer conjunto de lumbreras (22) de dicho anillo (20) y hacer salir oxidante desde un segundo conjunto de lumbreras (23) de dicho anillo; y
- (C)
- quemar el combustible y el oxidante que han salido de los conjuntos primero y segundo de lumbreras (22, 23) de dicho anillo (20) para producir una envoltura (24) de llama alrededor de dicho al menos un chorro (5) de gas.
2. El método según la reivindicación 1, en el
que se hace que salgan de la lanza (3) una pluralidad de chorros
(5) de gas.
3. El método según la reivindicación 1, en el
que se hace que el combustible y el oxidante salgan del primer
conjunto de lumbreras (22) y del segundo conjunto de lumbreras (23),
respectivamente, los cuales se alternan en el anillo (20) de
lumbreras.
4. El método según la reivindicación 1, en el
que se hace que dicho al menos un chorro (5) de gas y el combustible
y el oxidante pasen directamente de la lanza (3) a un volumen de
inyección (7) sin atravesar una zona de recirculación formada por
una prolongación de la lanza (3).
5. El método según la reivindicación 1, en el
que el dicho al menos un chorro (5) de gas se desplaza a lo largo
de una distancia de al menos 20d, en donde d es el diámetro de
salida de la tobera (2) desde la cual se hace salir a dicho chorro
(5) de gas, al tiempo que se mantiene sustancialmente constante el
diámetro de dicho chorro (5) de gas.
6. Una lanza (3) de chorro coherente que
comprende:
- (A)
- una lanza (3) que tiene un frente (6) de la lanza y que tiene al menos una tobera (2) convergente/divergente con una abertura (4) en el frente (6) de la lanza;
- (B)
- un anillo (20) de lumbreras (22, 23) en el frente (6) de la lanza alrededor de la(s) abertura(s) (4) de las toberas;
- caracterizada por
- (C)
- unos medios para proporcionar combustible a un primer conjunto de lumbreras (22) de dicho anillo (20) y unos medios para proporcionar oxidante a un segundo conjunto de lumbreras (23) de dicho anillo (20), en donde el anillo (20) de lumbreras (22, 23) está dentro de una depresión (21) en el frente (6) de la lanza.
7. La lanza de chorro coherente según la
reivindicación 6, que tiene una pluralidad de toberas (2).
8. La lanza de chorro coherente según la
reivindicación 6, en la que el primer conjunto de lumbreras (22) se
alterna con el segundo conjunto de lumbreras (23).
9. La lanza de chorro coherente según la
reivindicación 6, que no tiene una prolongación para formar una
zona de recirculación adyacente al frente (6) de la lanza.
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