JP2001181726A - 単一のコヒーレントジェットを創生するためのシステム - Google Patents

単一のコヒーレントジェットを創生するためのシステム

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JP2001181726A JP2000334319A JP2000334319A JP2001181726A JP 2001181726 A JP2001181726 A JP 2001181726A JP 2000334319 A JP2000334319 A JP 2000334319A JP 2000334319 A JP2000334319 A JP 2000334319A JP 2001181726 A JP2001181726 A JP 2001181726A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のガス流からのガスをそれらの供給器か
ら長い距離に亘って通すことができるシステムを提供す
ること。 【解決手段】 単一のランスから噴射された複数の初期
ガスジェットから単一のコヒーレントガスジェットを形
成するためのシステム。初期ガスジェット自体がコヒー
レントであり、内向きに傾斜され、火炎フレームによっ
て囲繞される。初期コヒーレントガスジェットが合流し
て単一のコヒーレントガスジェットとなり、初期ガスジ
ェットのガスは、単一のコヒーレントガスジェットの内
側でその全長に亘って、実質的に相互作用しない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス流に関し、特
に、単一のランス（例えば溶融鋼の浴に加圧酸素などを
吹き込むためのパイプ）から噴射する２つ以上のガスの
流れをそれらのガスを収束させて単一のコヒーレントガ
スジェットとすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス流を必要とすることはしばしばあ
る。例えば、いろいろな目的のためにガス流を液体内へ
噴射又は注入することが必要とされることがある。その
１例は、反応性ガスを液体中の１つ又はそれ以上の成分
と反応させるために液体内へ噴射する例である。より具
体的にいえば、溶融鉄内の炭素と反応させて溶融鉄から
脱炭するとともに溶融鉄に熱を与えるために、溶融鉄内
へ酸素ガスを注入する用例がある。酸素は、精錬の目的
で銅、鉛、亜鉛等の他の溶融金属に注入されることもあ
り、又、酸化反応を行わせるために水溶液又は炭化水素
液中に注入されることもある。更に、液体全体の例えば
温度分布又は成分分布をより均一にするために液体を撹
拌する目的で不活性ガスのような非酸化性ガスを液体内
へ注入することもある。
【０００３】多くの場合、２つ以上のガス流を用いるこ
とが望ましい。例えば、酸素のようなオキシダント流
と、天然ガスのような燃料ガスを反応空間内又は液体内
へ注入し、それらを燃焼させて熱を創生することができ
る。その場合、オキシダントと燃料を供給器から単一の
混合流として供給することができるが、それは、一般に
安全上の理由から好ましくない。
【０００４】それらの複数のガス流を収束させて互いに
反応させることができる。特に、それらのガス流が上述
した場合のように可燃混合物を形成する場合は、それら
のガスを供給器から想到に長い距離を通すことが望まし
い。更に、複数のガス流からのガスが溶融金属又は水性
溶液のような液体内で相互に反応する場合は、相互反応
の効果を高めるためにガスを液体内深くにまで突き通す
ことが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、複数のガス流からのガスをそれらの供給器から長い
距離に亘って通すことができるシステムを提供すること
である。
【０００６】本発明の他の目的は、複数のガス流からの
ガスをそれらの供給器から長い距離に亘って通した後液
体内へ効率的に通すことができるステムを提供すること
である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】発明の概要 上記課題を解決するために、本発明は、その一側面にお
いては、複数のガス流から単一のコヒーレントガス流を
形成するための方法であって、（Ａ）各々先端にガスを
通す噴出開口を有する複数のノズルを備えたランスを準
備し、（Ｂ）各ノズルの噴出開口からガスをジェットの
形で噴射して、各々前記ランスの軸線に対して内向きの
角度でノズル噴出開口から噴出する複数の初期コヒーレ
ントガスジェットを形成し、（Ｃ）前記ランスの先端か
ら燃料とオキシダントを少くとも１つの流れとして噴射
させて該燃料をオキシダントと共に燃焼させて前記複数
の初期コヒーレントガスジェットの周りに火炎エンベロ
ープを形成し、（Ｄ）前記複数の初期コヒーレントガス
ジェットを一緒に流動させて該複数の初期コヒーレント
ガスジェットから単一のコヒーレントガスジェットを形
成し、（Ｅ）前記火炎エンベロープを、前記複数の初期
コヒーレントガスジェットから前記単一のコヒーレント
ガスジェットを囲繞するような態様に延長させること、
から成る方法を提供する。
【０００８】本発明は、他の側面においては、複数のガ
ス流から単一のコヒーレントガス流を形成するための装
置であって、各々先端にランスの軸線に対して内向きの
角度をなす軸線を有する複数のノズルを備えたランス
と、複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃
料とオキシダントの少くとも１つを噴射するための噴射
手段と、から成る装置を提供する。
【０００９】ここで、「環状」とは、リング状という意
味である。「火炎エンベロープ」とは、少くとも１つの
他のガス流を同心的に囲繞する燃焼流のことをいう。
「コヒーレントガスジェット」とは、直径が実質的にい
一定に保たれるガス流のことをいう。ガスジェットにつ
いていう「長さ」とは、ガスジェットの形成基点からガ
スジェットの所定の衝撃点までの距離をいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に、添付図を参照して本発明
の実施形態を詳しく説明する。すべての添付図を通し
て、共通の部品又は要素には同じ参照番号が付されてい
る。ランス１は、複数のノズル３を収容した先端部分即
ちチップ部分（以下、単に「ランス端」又は「チップ」
とも称する）２を有する。図１及び２は、各ノズルを末
細／末広ノズル（流れの方向に従って径が小さくなり、
次いで、大きくなっているノズル）とした本発明の好ま
しい実施形態を示す。導入開口４と噴出開口５を有して
いる。
【００１１】ノズルの噴出開口５は、図１及び２に示さ
れるように、ランス面（ランスの先端面）７と面一にす
ることが好ましい。又、それらのノズルの噴出開口５
は、円形とすることが好ましいが、楕円又はその他の形
状とすることもできる。
【００１２】各導入開口４は、ガス供給源に連通してい
る。図１に示された実施形態では、各導入開口４は、そ
れぞれ異なるガス供給源に連通している。例えば、導入
開口４の１つをオキシダント供給源に連通させ、他の導
入開口４を燃料供給源に連通させることができる。ある
いは別法として、それらの導入開口４のうちの１つ又は
複数の導入開口４を同じ供給源に連通させることもでき
る。
【００１３】ノズルからガスを噴射するために本発明の
実施に使用することができるガスの例としては、空気、
酸素、酸素富化空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水
素、ヘリウム、ガス状炭化水素、その他のガス状燃料、
及び、それらのうちの２つ以上の混合物等がある。
【００１４】図１及び２に示されるように、ランス端２
内の各ノズル３は、それらの軸線即ち中心線がランス１
の軸線即ち中心線に対して内向き角Ａをなすように配向
されている。内向き角Ａは、最高４５°までとすること
ができ、好ましくは０．５〜５°、より好ましくは０．
５〜２°の範囲とすることができる。好ましくは、各ノ
ズルのスロート（喉）の直径は、０．２〜２．０ｉｎの
範囲とし、噴出開口５の直径は、０．３〜３．０ｉｎの
範囲とする。
【００１５】ガスは、各ノズルの噴出開口５から好まし
くは超音速速度で、通常、５００〜１０，０００ｆｔ／
ｓｅｃ（ｆｐｓ）の範囲内の速度で噴射させて複数のガ
スジェット２０を形成する。
【００１６】ランス端２は、又、好ましくは前記複数の
ガスジェット２０の周りに同心的に囲繞するようにノズ
ルから少くとも１つのガス流を噴射させるための少くと
も１つの噴射手段、好ましくは環状噴射手段を有する。
この噴射手段から噴射されるガス流は、任意の適当な形
状とすることができる。１つの環状噴射手段を用いる場
合は、その環状手段から噴射させる同心ガス流は、燃料
とオキシダントの混合物とすることが好ましい。本発明
の一実施形態では、この噴射手段からは燃料だけを噴射
させ、火炎エンベロープを形成するために燃料と共に燃
焼させるのに必要なオキシダントは、燃料流に連行又は
帯同させた空気から得られるようにする。好ましい実施
形態では、図１及び２に示されるように、ランス端２に
ランスから２つの同心流としてそれぞれ燃料とオキシダ
ントを噴射させる第１噴射手段８と第２噴射手段９を設
ける。
【００１７】又、ランス端２の周縁に延長部分（ノズル
面から突出した部分）３０を設けることが好ましい。燃
料は、メタン、プロパン、ブチレン、天然ガス、水素、
コークス炉ガス又は油等の任意の流体燃料であってよ
い。オキシダントは、空気の酸素濃度より高い酸素濃度
を有する流体であってよく、好ましくは少くとも３０モ
ル％、最も好ましくは９０モル％の酸素濃度を有する流
体である。
【００１８】ノズルの少くとも１つから噴射されるガス
が酸素である場合は、燃料を第１環状噴射手段８を通し
て供給し、オキシダントを第２環状噴射手段９を通して
供給することが好ましい。ノズルから不活性ガスが噴射
される場合は、オキシダントを第１環状噴射手段８を通
して供給し、燃料を第２環状噴射手段９を通して供給す
ることが好ましい。
【００１９】環状噴射手段８，９の一方又は両方を燃料
又はオキシダントが噴射されるランス面７に開口する連
続したリングを形成するものとしてもよいが、図３及び
４に示されるように第１及び第２環状噴射手段８，９の
両方共、一連の個別開口、例えば円形の穴によって形成
し、それらの開口から２つの同心の燃料流とオキシダン
ト流が噴射されるようにすることが好ましい。これらの
噴射手段は、必ずしもガスジェット２０の全周を取り巻
くように燃料及びオキシダントを供給する必要はない。
【００２０】第１環状噴射手段８は、ランス端面におい
て複数のノズルの噴出開口５の周りにリング（複数の孔
の環状配列体）３１を形成し、第２環状噴射手段９は、
ランス端面において第１環状噴射手段８の周りにリング
３２を形成する。第１環状噴射手段８と第２環状噴射手
段９から噴射された燃料とオキシダントが燃焼して複数
のガスジェット２０の周りに火炎エンベロープ２１を形
成する。複数のガスジェット２０は、漸次収束して単一
のコヒーレントガスジェット３５となる。ガスジェット
３５は、超音速を有することが好ましく、その全長に亙
って超音速を有することが最も好ましい。
【００２１】燃料とオキシダントが噴射される環境がそ
れらの混合物を自己発火させるのに十分な高温高温でな
い場合は、燃焼を開始させるために別個の点火源が必要
とされる。火炎エンベロープ２１は、ガスジェット２０
の速度より遅い速度とすることが好ましく、通常、３０
０〜１０００ｆｐｓの範囲内の速度とする。
【００２２】本発明の有効性を実証するために図１〜４
に示されたものと同様の実施形態を用いてテストを実施
した。図３に示された４ノズル構成の実施形態の場合、
各ノズルの中心線のランス軸線からの内向き傾斜角を
１．５°とし、４つのノズルのランス面における心間距
離を１．５ｉｎとした。図４に示された２ノズル構成の
実施形態の場合は、各ノズルの中心線のランス軸線から
の内向き傾斜角を２°とし、２つのノズルのランス面に
おける心間距離を０．７５ｉｎとした。図３に示された
４ノズル構成の実施形態を用いたテスト結果は図５のグ
ラフに示され、図４に示された２ノズル構成の実施形態
を用いたテスト結果は図６のグラフに示されている。
【００２３】各ノズルは、０．２７ｉｎのスロート直径
と０．３９ｉｎの噴出開口直径を有する末細／末広ノズ
ルとした。酸素を各ノズルを通して１０，０００ｆｔ3
／ｈ（ＣＦＨ）の流量で、１５０ポンド／ｉｎ2（ゲー
ジ圧）（ｐｓｉｇ）のノズル上流側供給圧で供給し、各
々約１７００ｆｐｓの超音速を有する２つ又は４つのコ
ヒーレントガスジェットを形成させた。
【００２４】火炎エンベロープは、ランス面においてノ
ズルを取り巻く２つのリング状穴配列体から天然ガスと
酸素を噴射させることによって形成した。天然ガスは、
内側リング状穴配列体（各々０．１５４ｉｎ径の１６個
の穴の配列体とし、４ノズル構成の実施形態の場合は配
列体の円の直径を２．５ｉｎとし、２ノズル構成の実施
形態の場合は配列体の円の直径を２ｉｎとした）を通し
て５０００ＣＦＨの流量で供給し、酸素は、外側リング
状穴配列体（各々０．１９９ｉｎ径の１６個の穴の配列
体とし、４ノズル構成の実施形態の場合は配列体の円の
直径を３．０ｉｎとし、２ノズル構成の実施形態の場合
は配列体の円の直径を２．７５ｉｎとした）を通して４
０００ＣＦＨの流量で供給した。これらの流量は、ＮＴ
Ｐ（常温）下での流量である。
【００２５】図３の４ノズル構成の実施形態について
は、ランス面から２１．２５ｉｎのところと３６ｉｎの
ところにおける速度分布を測定し、図４の２ノズル構成
の実施形態については、ランス面から２７ｉｎのところ
における速度分布を測定し、それぞれのテスト結果を図
５及び６のグラフに示さした。
【００２６】これらの速度分布は、ランスの軸線を通り
ランス面に対して垂直な平面（図３及び４に平面ＡＡと
して示されている）と、ランス面に対して垂直で、か
つ、平面ＡＡに対しても垂直な平面（図４に平面ＢＢと
して示されている）測定した。複数の初期コヒーレント
ジェットが相互に作用し合って、図２にみられるように
単一のコヒーレントジェットを形成した。４ノズル構成
の実施形態の場合は、ランス面から２１．２５ｉｎのと
ころでは複数個の個別のコヒーレントジェットがみられ
たが、ランス面から３６ｉｎのところでは単一のコヒー
レントジェットに収束された（図５参照）。一方、２ノ
ズル構成の実施形態の場合は、ランス面から２７ｉｎの
ところ（図６参照）では、断面が実質的に円形の単一の
コヒーレントジェットがみられた。即ち、２つの収束す
る初期ジェットから形成された単一のジェットは、ラン
ス面から２７ｉｎのところでコヒーレントとなり、その
ジェットのコア部分の速度は超音速であった。
【００２７】本発明は、例えば、溶融金属浴を効率的に
加熱するための酸素又は天然ガスを供給するために用い
ることができる。その場合、初期ジェットのうちの１つ
又は複数を天然ガスとし、初期ジェットのうちの１つ又
は複数を酸素とすることができる。それらの初期ジェッ
トが合流（収束）して酸素と天然ガスの両方を含有した
単一のコヒーレントジェットを形成する。この単一のコ
ヒーレントジェットを溶融金属に向けて噴射することが
できる。これらのジェットは、合流前も、合流後も、コ
ヒーレントであるから、初期ジェットからのガスの混合
及び燃焼は、単一のコヒーレントジェットが溶融金属浴
内へ突き刺さるまでさいしょうげんにいじされる。溶融
金属浴のところで、天然ガスと酸素が混合して燃焼す
る。これは、溶融金属浴を加熱するための極めて効率的
な方法である。なぜなら、燃焼熱からの熱放出は、溶融
金属浴に密に近接したところで起こるので、燃焼部から
金属への熱伝達が極めて効率的になる。
【００２８】本発明は、又、パウダーをを溶融金属浴内
へ効率的に供給するのにも用いることができる。その場
合、パウダーをランス面の中心軸線のところから噴射
し、得られる単一のコヒーレントジェットの一部として
溶融金属浴内へ供給する。
【００２９】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、いろいろな実施形態が可
能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができ
ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施に用いることができるラ
ンスの先端部分即ちチップ部分の一実施形態の断面図で
ある。
【図２】図２は、図１に示されたランスの作動中の断面
図である。
【図３】図３は、円形に配置された４つのノズルを有す
る、図１に示されたランスのチップ部分の正面図であ
る。
【図４】図４は、２つのノズルを有する、図１に示され
たランスのチップ部分の正面図である。
【図５】図５は、本発明を用いて得られたテスト結果の
グラフである。
【図６】図６は、本発明を用いて得られた別のテストの
結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ランス ２ ランス端 ３ ノズル ４ 導入開口 ５ 噴出開口 ７ ランス面 ８ 環状噴射手段、噴射手段 ９ 環状噴射手段、噴射手段 ２０ ガスジェット ２１ 火炎エンベロープ ３２ リング ３５ ガスジェット ３５ コヒーレントガスジェット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・アーリング・アンダーソン アメリカ合衆国ニューヨーク州サマーズ、 ヘリティッジ・ヒルズ476イー

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のガス流から単一のコヒーレントガ
    ス流を形成するための方法であって、 （Ａ）各々先端にガスを通す噴出開口を有する複数のノ
    ズルを備えたランスを準備し、 （Ｂ）各ノズルの噴出開口からガスをジェットの形で噴
    射して、各々前記ランスの軸線に対して内向きの角度で
    ノズル噴出開口から噴出する複数の初期コヒーレントガ
    スジェットを形成し、 （Ｃ）前記ランスの先端から燃料とオキシダントを少く
    とも１つの流れとして噴射させて該燃料をオキシダント
    と共に燃焼させて前記複数の初期コヒーレントガスジェ
    ットの周りに火炎エンベロープを形成し、 （Ｄ）前記複数の初期コヒーレントガスジェットを一緒
    に流動させて該複数の初期コヒーレントガスジェットか
    ら単一のコヒーレントガスジェットを形成し、 （Ｅ）前記火炎エンベロープを、前記複数の初期コヒー
    レントガスジェットから前記単一のコヒーレントガスジ
    ェットを囲繞するような態様に延長させること、から成
    る方法。
  2. 【請求項２】 前記ランスから前記燃料とオキシダント
    をそれぞれ同心の流れとして前記複数の初期コヒーレン
    トガスジェットの周りに噴射させることを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記各初期コヒーレントガスジェット
    は、超音速速度を有することを特徴とする請求項１に記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 前記単一のコヒーレントガスジェット
    は、超音速速度を有することを特徴とすることを特徴と
    する請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記複数の初期コヒーレントガスジェッ
    トのうちの少くとも１つは、該複数の初期コヒーレント
    ガスジェットのうちの他の少くとも１つとは異なるガス
    であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 複数のガス流から単一のコヒーレントガ
    ス流を形成するための装置であって、 各々先端にランスの軸線に対して内向きの角度をなす軸
    線を有する複数のノズルを備えたランスと、 複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃料と
    オキシダントの少くとも１つを噴射するための噴射手段
    と、から成る装置。
  7. 【請求項７】 ２ないし４つのノズルを有することを特
    徴とする請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記複数のノズルの外側周辺において前
    記ランスから燃料とオキシダントを噴射するための前記
    噴射手段は、前記ランス面上で前記ノズルの周りにリン
    グ状に配置された燃料噴射のための第１穴配列体と、該
    ランス面上で該第１穴配列体の周りにリング状に配置さ
    れたオキシダント噴射のための第２穴配列体から成るこ
    とを特徴とする請求項６に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記複数のノズルの外側周辺において前
    記ランスから燃料とオキシダントを噴射するための前記
    噴射手段は、前記ランス面上で前記ノズルの周りにリン
    グ状に配置されたオキシダント噴射のための第１穴配列
    体と、該ランス面上で該第１穴配列体の周りにリング状
    に配置された燃料噴射のための第２穴配列体から成るこ
    とを特徴とする請求項６に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記複数のノズルの外側周辺において
    前記ランスから燃料とオキシダントの両方を噴射するた
    めの噴射手段を含むことを特徴とする請求項６に記載の
    装置。
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