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.
Campo técnico
Esta invención se refiere en general a la tecnología del chorro coherente.
Técnica anterior
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.
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Sumario de la invención
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.
Breve descripción de los dibujos
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.
Descripción detallada
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.
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.
\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.
Diseños de inyector
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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.
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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.
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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.
Condiciones
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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)
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Toberas principales = diámetro de salida a garganta 9,65 mm/6,6 mm (0,38 pulgadas/0,26 pulgadas), inclinación hacia fuera 12º
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Velocidad de GN = 204 m/s (670 fps) @ 141,6 m^{3}/h (5.000 scfh)
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Velocidad de oxígeno secundario = 97,5 m/s (320 fps) @ 113,3 m^{3}/h (4.000 scfh)
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Sin prolongación de recirculación
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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.
Diseños de inyector
- 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).
Condiciones
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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)
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Toberas = diámetro de salida a garganta 9,65 mm/6,60 mm (0,38 pulgadas/0,26 pulgadas), inclinación hacia fuera 12º
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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)
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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.
ES03011643T 2002-05-24 2003-05-22 Sistema de chorro coherente con envoltura de llama de anillo unico. Expired - Lifetime ES2323304T3 (es)

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