JP2004218088A - 外方へ角度の付いた火炎包被用ポートを備えた干渉性ジェットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ランスから噴出されたガスのための再循環ゾーンを提供するためのランスの延長部分あるいはその他の要素を必要とすることなく効果的な干渉性ガスジェットを発生させる改良されたシステムと方法とを提供する。
【解決手段】ランス３から噴出された一本以上のガスジェット５の周りにガスジェットを干渉させるための火炎包被２４を形成するよう燃料と酸化剤とをそれぞれ送給するために二組のポートを採用する。少なくとも一方の組のポート、好ましくは、双方の組の各ポートはランスの軸線に対して外方へ角度をつけてランス上に設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に干渉性ジェット技術に関するものである。

ガスランシング技術分野における最近の顕著な進歩は、例えばアンダーソン他（Ａｎｄｅｒｓｏｎ ｅｔ ａｌ）に対する米国特許第５，８１４，１２５号、および同じくアンダーソン他（Ａｎｄｅｒｓｏｎ ｅｔ ａｌ）に対する米国特許第６，１７１，５４４号に開示されている干渉性ジェット技術の開発である。この技術の実行において、ランスにある１個以上のノゾルから噴射される高速の一本以上のガスジェットは、その高速のガスジェットの周りで、かつそれに沿って火炎包被を使用することによって比較的長い距離に亘り干渉性が維持される。火炎包被は高速のガスジェットノズルの周りにあるポートからなる２個のリング、すなわち内側リングと外側リングからそれぞれランスから噴射された燃料と酸化剤とを燃焼させることによって形成される。ポートはランスの軸心に対して整合している、すなわち平行に指向されている。典型的には、火炎包被のための燃料はポートの内側リングからか噴出され、火炎包被のための酸化剤はポートの外側リングから噴出される。ランスの周囲の延長したものが高速のガスジェットと火炎包被の燃料とがノズルおよびポートからその中へ提供される保護された再循環ゾーンを形成している。この再循環ゾーンは噴射された流体がある程度再循環できるようにし、火炎包被の燃焼を改善させ、かつその安定性を改善させることが可能であり、それによって高速のガスジェットの干渉性を高め、従ってその長さを伸ばす。干渉性ジェットは、例えば溶融金属のような液体中へ、該液体の面の上方での比較的長い距離からガスを送給するために使用しうる。この干渉性ジェット技術の極めて重要な一適用例は、例えば電気アーク炉および転炉のような製鋼作業で使用する酸素を提供することである。

再循環延長部は従来の干渉性ジェットシステムに対する改良を構成するものの、チップを水冷する必要があるため、ランスの設計およびランスの寿命に関してある問題を導入している。これらの問題は、例えば転炉のような極めて過酷な環境において干渉性ジェットシステムが使用される場合特に重要である。

従って、本発明の目的は改良された干渉性ジェットシステムを提供することである。

本発明の別の目的はランスから噴出されたガスのための再循環ゾーンを確立するためにランスの延長部分あるいはその他の要素を必要とすることなく効果的な干渉ガスジェットを発生させることができるシステムを提供することである。

本開示を読めば当該技術分野の専門家には明らかとなる本発明の前述およびその他の目的はその一局面が以下の通りである本発明によって達成される。

少なくとも一本の干渉性ガスジェットを形成する方法は、
（Ａ）ランス軸線とランス面とを有するランスに収容された少なくとも１個のノズルからの少なくとも一本のガスジェットを通す段階と、
（Ｂ）第一の組のポートと第二の組のポートとはランスの軸線に対して外方に角度がついていて、ランス面の第一の組のポートから燃料を通し、ランス面の第二の組のポートから酸化剤を通す段階と、
（Ｃ）前記の少なくとも１個のガスジェットの回りで火炎包被を発生させるために前記第一の組と第二の組のポートから通された燃料と酸化剤とを燃焼する段階とを含む。

本発明の別の局面は以下のとおりである。

干渉性ジェット用ランスは、
（Ａ）ランス軸線とランス面とを有し、かつランス面において開口を有する少なくとも１個のノズルを有しているランスと、
（Ｂ）前記ランス面における第一の組のポートと前記ランス面における第二の組のポートであって、前記第一の組のポートおよび第二の組のポートの中少なくとも１個がランスの軸線に対して外方に角度がついているポートと、
（Ｃ）第一の組のポートに燃料を提供する手段と、第二の組のポートに酸化剤を提供する手段とを含む。

ここで使用されている「ランスの面」という用語は噴射容積部分に当接するランスの面を意味する。

ここで使用されている「ランスの軸線」という用語はランスの中心を通して長手方向に延びる仮想線を意味する。

ここで使用されている「干渉性ジェット」とはノズルからガスを噴出することによって形成され、少なくとも２０ｄの長さに亘りノズルからの噴出時の速度および運動量プロフィールと類似である速度および運動量プロフィールを有しているガスジェットを意味し、ｄはノズルの出口径である。干渉性ジェットを表わす別の仕方は少なくとも２０ｄの距離に亘って直径がほとんど変わらないか、あるいは全く変わらないガスジェットということである。

干渉性ガスジェットを言及する場合にここで使用される「長さ」という用語はガスがそこから干渉性ガスジェットの所期の衝突点まで噴出されるノズルからの距離あるいはガスジェットの整合性がなくなるところまでの距離を意味する。

図面の数字は共通の要素に対して同じである。

図面を参照して本発明を以下詳細に説明する。

さて、図１、図２および図３を参照すれば、流れ方向を示す矢印１によって示されたガスは、好ましくは収束／発散ノズルであるノズル２を通され、次いでランス面６にあるノズル開口４を通してランス３から噴出されて噴射容積部分７において干渉性のガスジェットの流れ５を形成する。ガスの流速は典型的には、毎秒２１０メートル（７００フィート）から９００メートル（３０００フィート）（ｆｐｓ）である。ガスの流れ５の速度は、ランスの面からの噴射時にガスが形成される時は超音速で、少なくとも２０ｄの距離に対しては超音速のままであることが好ましい。図面はそれぞれ４個のノズルを通してランスから噴出された４本の干渉性ガスジェットを採用している実施例を示しているが、本発明の実施においては、それぞれのノズルを通してランスから噴出されるガスジェットの数は１から６までの範囲内にあればよい。干渉性のガスジェットが噴射される噴射容積部は例えば製鋼用炉のような金属生産用炉であることが好ましい。最も好ましくは、複数のノズルが採用される場合、各ノズルは相互から、かつランスの軸線から離れる方向に角度がつけられる。

本発明の実施において、干渉性ジェットを形成するためのガスとしていずれかの効果的なガスを使用すればよい。そのようなガスの中で、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、蒸気および炭化水素ガスを挙げることができる。また、二種類以上のガスからなる混合物、例えば空気を本発明の実施におけるそのようなガスとしても使用しうる。

本発明の実施において、それぞれ第一と第二の組のポートを介して噴射容積部分７に提供された燃料と酸化剤とを燃焼することによって火炎包被がジェット５の周りに形成される。前記第一と第二の組のポートの中少なくとも一方のポートおよび好ましくは第一と第二の組の各ポートはランスの軸線すなわち中心線に対して外方に角度をつけた方向とされている。以下角度Ａとして指示する外方への角度は典型的に４５度まで、好ましくは５から１８度までの範囲内である。典型的には、第一の組のポートの外方角度は第二の組のポートの外方角度と同じである。第一の組のポートはノズルの開口４の周りでランスの面上の第一のリング状に配置してよく、ポートの第一のリングは一般に３８．１ミリメートル（１．５インチ）から４０６ミリメートル（１６インチ）の範囲の直径を有している。第二の組のポートはノズルの開口の周り、および第一の組のポートの周りでランスの面上で第二のリング状に配置してよく、ポートの第二のリングはポートの第一のリングの直径よりも大きな直径を有しており、一般に５０．８ミリメートル（２インチ）から４３１．８ミリメートル（１７インチ）の範囲内である。図面は第一の組のポートと第二の組のポートとの双方がノズル開口の周りで単一のリング状に位置され、同じ外方角度を有している本発明の好適実施例を示している。

再び図面を参照すれば、ポートのリング２０はノズルの開口４の周りでランスの面に位置されている。リング２０は３８．１ミリメートル（１．５インチ）から４０６．４ミリメートル（１６インチ）までの範囲の直径を有する円であることが好ましい。一般的に、リング２０は１２から４８個のポートからなる。各ポートは１．２７ミリメートル（０．０５インチ）から１２．７ミリメートル（０．５インチ）の範囲内の直径を有する円であることが好ましい。前記リングにおけるポートは、１．２７ミリメートル（０．０５インチ）から５０．８ミリメートル（２インチ）の範囲の深さと、１．２７ミリメートル（０．０５インチ）から１２．７ミリメートル（０．５インチ）までの範囲内の幅とを有するランス面上のくぼみあるいは溝に位置することが最も好ましい。

リング２０にある第一の組のポート２２に燃料が提供され、リング２０にある第二の組のポート２３に酸化剤が提供される。図１に示すように、第一の組のポート２２はリング２０にある第二の組のポート２３とは交互にあり、そのため燃料用の各ポート２２は各側において２個の酸化剤用ポート２３が隣接しており、各酸化剤用ポート２３には各側において２個の燃料用ポートが隣接することが好ましい。第一の組のポート、すなわち燃料用ポートと第二の組のポート、すなわち酸化剤用ポートとはランスの軸線に対して外方の角度Ａをつけて指向されている。燃料と酸化剤とは前記の外方角度Ａでそれぞれのポートから噴射容積部分７中へランスから噴射される。前記ポートのリングから噴射される燃料および酸化剤の速度は超音速であるが、それは音速であることが好ましい。噴射された燃料および酸化剤が音速であることは、異物がポートへ侵入し、詰まらせないように異物の排除性を高めるが、これは例えば製鋼用炉のような過酷な環境で本発明が採用される場合に特に重要である。希望に応じて、噴射された燃料と酸化剤とは例えばマッハ１からマッハ２までよりも速い速度のような超音速としうる。燃料と酸化剤とは、ランス軸線に対して外方の角度に向けられることが好ましく、最も好ましくは第一と第二の組のポートが同じ外方角度に向けられている通路３０によって適当なそれぞれのポートに提供されることが好ましい。

ポート２２から噴射された燃料はガス状であることが好ましく、例えばメタンあるいは天然ガスのようないずれかの燃料でよい。ポート２３から噴射された酸化剤は空気、あるいは空気の濃度を上回る酸素濃度を有する酸素富有空気、あるいは酸素濃度が少なくとも９０のモルパーセントを有する商業用酸素でよい。酸化剤は少なくとも２５モルパーセントの酸素濃度を有する流体であることが好ましい。

ランスから排出された燃料と酸化剤とはガスジェット５の周りでガス包被を形成し、ガスジェットは燃焼して、例えば溶融金属炉のような噴射容積部分内でガスジェット５の周りで火炎包被すなわち火炎シュラウド２４を形成する。ガスの流れ５の周りの火炎包被２４は周りのガス、例えば炉用ガスがガスの流れの中へ吸引、すなわち捕捉されないように作用することによってガスの流れの速度が顕著に低下しないようにし、かつガスの流れの直径が、それぞれのノズルの出口から少なくとも２０ｄの距離に亘って顕著に増大しないように作用する。すなわち、火炎包被すなわち火炎シュラウド２４はそれぞれのノズル出口から少なくとも２０ｄの距離に亘り干渉性ジェットとしてガスの流れ５を確立し、かつ保持するよう作用する。

本発明の顕著な利点は、ランスにおいて延長部分を使用する必要なくランスからの効果的な干渉性ガスジェットを形成することができることである。従来は、ランスの近傍で保護された再循環ゾーンを形成し、この保護された再循環ゾーン中へ噴射された火炎シュラウドガスの点火および燃焼を改良するためにランス延長部分が使用され、このようにしてガスジェットの干渉性を改善してきた。そのようなランス延長部分を使用することは干渉性ガスジェットの初期の方法に対しては顕著な改良ではあるが、そのような延長部分の使用には問題がある。本発明の実施においては、ランスから噴射されたガスはランスの延長部分によって形成された保護ゾーンすなわち再循環ゾーンを通過することなく噴射容積部分中へ直接通すことができ、しかもランス延長部分を使用することによって見られた干渉性の改良も依然として達成される。

本発明をある好適実施例を参照して詳細に説明してきたが、当該技術分野の専門家には本発明の精神と特許請求の範囲内に含まれる本発明のその他の実施例も認識される。

ランス表面の一好適実施例の典型的な上面図である。 本発明の実施において使用しうるようなランス表面を有するランスの好適実施例の典型的な断面図である。 作動時における図１および図２に示す本発明の実施例を示す。

符号の説明

１ ガス
２ ノズル
３ ランス
４ ノズル開口
５ ガスジェットの流れ
６ ランスの表面
７ 噴射容積部分
２０ リング
２２，２３ ポート
２４ シュラウド
３０ 通路

Claims (10)

1. 少なくとも１本の干渉性ガスジェットを確立する方法において、
   （Ａ）ランス軸線とランス面とを有するランスに収容された少なくとも１個のノズルから少なくとも１本のガスジェットを噴出する段階と、
   （Ｂ）第一の組のポートと前記第二の組のポートとの少なくとも一方が前記ランスの軸線に対して外方に角度がつけられている、ランスの面にある第一の組のポートから燃料を噴出し、前記ランスの面にある第二の組のポートから酸化剤を噴出する段階と、
   （Ｃ）前記第一と第二の組のポートから噴出された燃料と酸化剤とを燃焼させて前記の少なくとも１本のガスジェットの周りに火炎包被を発生させる段階とを含むことを特徴とする干渉性ガスジェットを確立する方法。
2. 前記第一の組のポートと第二の組のポートとの双方が前記のランスの面において１個のリング状に位置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第一の組のポートと第二の組のポートとの双方が前記ランスの軸線に対して外方に角度をつけて指向されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第一と第二の組のポートから噴出される燃料と酸化剤の速度が音速であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記の少なくとも１本のガスジェットと、燃料および酸化剤とが、ランスの延長部分によって形成された再循環ゾーンを通過することなく噴射容積部分中へ直接ランスから噴出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. （Ａ）ランス軸線とランス面とを有し、前記ランス面において開口を有する少なくとも１個のノズルを有するランスと、
   （Ｂ）前記ランス面における第一の組のポートと前記ランス面における第二の組のポートであって、前記第一の組のポートと第二の組のポートとの少なくとも一方が前記ランスの軸線に対して外方へ角度をつけて指向されているポートと、
   （Ｃ）前記第一の組のポートに燃料を提供する手段と、前記第二の組のポートへ酸化剤を提供する手段とを含むことを特徴とする干渉性ジェット用のランス。
7. 前記第一の組のポートと第二の組のポートとが前記ランス面上の１個のリング状に位置していることを特徴とする請求項６に記載の干渉性ジェット用のランス。
8. 前記第一の組のポートが前記リングにおいて第二の組のポートと交互になっていることを特徴とする請求項７に記載の干渉性ジェット用のランス。
9. 前記第一の組のポートと第二の組のポートとが前記ランスの軸線に対して外方に角度をつけて指向されていることを特徴とする請求項６に記載の干渉性ジェット用のランス。
10. 複数のノズルを有することを特徴とする請求項６に記載の干渉性ジェット用のランス。
    

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