JP2009501279A - コヒーレント・ジェットの形成方法 - Google Patents

Abstract

コヒーレント・ジェットを有する真空容器の作動方法であって、容器内は真空状態に確立されており、亜音速の燃料及び酸化剤から得られる定着又は固着した火炎エンベロープが少なくとも１つの超音速ガス流の周囲に形成される。本発明の他の態様は、容器内にコヒーレント・ガス・ジェットを形成し維持する方法であって、ガスをガス流に超音速で噴射デバイスから真空状態が確立される容器内に噴射すること、燃料及び酸化剤を亜音速で容器内に前記ガス流の周囲に供給すること、及び前記燃料及び酸化剤を燃焼して前記ガス流の周囲に火炎エンベロープを形成し、前記ガス流をコヒーレント・ガス・ジェットとして形成し維持することを含む。

Description

本発明は一般に超音速又はコヒーレント・ジェット技術に関する。

ガス・ランス分野の最近の著しい進歩の１つが、例えば、Ａｎｄｅｒｓｏｎ他の米国特許第５，８１４，１２５号、及びＡｎｄｅｒｓｏｎ他の米国特許第６，１７１，５４４号に開示されているコヒーレント・ジェット技術の開発である。この技術の実施では、火炎エンベロープを１つ又は複数の高速ガス・ジェットの周囲でそれに沿って使用することによって、ランス上の１つ又は複数のノズルから噴出される１つ又は複数の高速ガス・ジェットが、比較的長距離にわたりコヒーレントに維持される。火炎エンベロープは、ランスから、１つ又は複数のノズルの周囲にある１つ又は複数のポートのリングから噴出される燃料及び酸化剤の燃焼によって形成される。燃料及び酸化剤は大気圧下で燃焼して、火炎エンベロープを形成する。この技術を亜大気圧下で作動させることが望ましい。しかしこれは、こうした条件下で起こる火炎のはく離や吹消えという弊害があるために難しい。

本発明の一態様は以下の通りである。

容器内にコヒーレント・ガス・ジェットを形成し維持する方法であって、ガスをガス流に超音速で噴射デバイスから真空状態が確立される容器内に噴射すること、燃料及び酸化剤を亜音速で容器内に前記ガス流の周囲に供給すること、及び前記燃料及び酸化剤を燃焼して前記ガス流の周囲に火炎エンベロープを形成し、前記ガス流をコヒーレント・ガス・ジェットとして形成し維持することを含む方法である。

本発明の他の態様は以下の通りである。

溶融金属を含み溶融金属の上方のヘッドスペースを有する冶金容器の作動方法であって、ガスをガス流に超音速で噴射デバイスから真空状態が確立されるヘッドスペース内に噴射すること、燃料及び酸化剤を亜音速で前記ヘッドスペース内に前記ガス流の周囲に供給すること、前記燃料及び酸化剤を燃焼して前記ガス流の周囲に火炎エンベロープを形成すること、及びガスを前記ガス流から前記溶融金属に通過させることを含む方法。

本明細書で使用されるように、用語「真空状態」は、周囲の大気圧よりも低い圧力を指し、冶金容器では、好ましくは１０〜３００トル、最も好ましくは３５〜１５０トルの範囲である。

本発明を図面を参照して詳細に説明する。

次に図を参照すると、ガスが、流れ矢印１で示したように少なくとも１つのノズル２、好ましくは集束／分散ノズルを通過し、次いで噴射デバイス３から面６のノズル開口部４を通って外に出て、コヒーレント・ガス・ジェット流５を形成する。このコヒーレント・ガス・ジェット流５は、マッハ１より大きく約マッハ６内の範囲の、好ましくはマッハ３からマッハ４．５内の範囲の超音速を有し、約２８３１．２６ｍ^３／時（約１００，０００標準立法フィート／時（ｓｃｆｈ））以下、又はそれよりも多い流量を有することができる。本発明の実施では、それぞれノズルを通って噴出されるガス・ジェットの数は１から６内の範囲でもよい。コヒーレント・ガス・ジェットが噴射される噴射容積は真空処理ステーションなど金属処理ステーションでもよい。複数のノズルが使用される場合は、互いから、かつランスの中心軸から離れるように各ノズルに角度を付けることができる。

本発明の実施の際に、１つ又は複数のコヒーレント・ジェットを形成するためのガスとして、任意の有効なガスを使用することができる。こうしたガスには、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、蒸気、及び炭化水素ガスが挙げられる。ガスは市販の純粋酸素が好ましい。やはり、２つ以上のガスの混合物、例えば空気を本発明の実施の際にこうしたガスとして使用することもできる。

ポートのリング２０は、面６上の１つ又は複数のノズル開口部４の周囲に配置される。リング２０は、好ましくは、約１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）から５０．８ｃｍ（２０インチ）内の範囲の径を有する円形である。リング２０は全般的に６から４８個のポートを含む。各ポート出口は、好ましくは、約０．３２ｃｍ（０．１２５インチ）から７．６２ｃｍ（３インチ）の径を有する円形である。しかし、ポートは、長方形又は楕円形など非円形を有することもできる。ポートのリングは、火炎の安定化を支持する助けをするためのランス面６上の凹部又は溝内に存在してもよい。通常、こうした凹部は、深さ約０．３２ｃｍ（０．１２５インチ）から６０．９６ｃｍ（２４インチ）内の範囲、幅約０．３２ｃｍ（０．１２５インチ）から７．６２ｃｍ（３インチ）内の範囲を有する。どの特定の噴射デバイスの設計用のパラメータも、１つ又は複数の超音速ガス・ジェットの流量に依存する。

火炎エンベロープは、ポートから供給される燃料及び酸化剤の燃焼によって、１つ又は複数の超音速ガス流の周囲にそれに沿って形成される。燃料及び酸化剤をポートから混合物として、すなわち予混合構成で供給することができ、又は別々に供給し、噴射デバイスから噴射容積への噴射後に混合することができる。後者の方法が好ましく、以下にさらに詳細に記載する。

燃料はリング２０上の第１組のポート２２に供給され、酸化剤はリング２０上の第２組のポート２３に供給される。好ましくは、図１で示したように、第１組のポート２２が第２組のポート２３と交互にリング２０上に配置されて、各燃料ポート２２がその燃料ポートの両側に隣接する２つの酸化剤ポート２３を有し、各酸化剤ポート２３がその酸化剤ポートの両側に隣接する２つの燃料ポート２２を有するようになされる。燃料及び酸化剤は噴射デバイス３から、それぞれのポートから噴射容積に噴出される。ポートのリングから噴出される燃料及び酸化剤の速度は亜音速であり、好ましくは毎秒６０．９６から３０４．８ｍ（２００から１０００フィート）内の範囲である。

好ましくは、ポート２２から噴出される燃料はガス状であり、水素含有燃料である。こうした燃料には、水素、メタン、天然ガス、コークス炉ガス、合成用ガス、石油ガス、プロパン、ブタン、及びガス化又は気化燃料油が挙げられる。ポート２３から噴出される酸化剤は、空気、空気を超える酸素濃度を有する酸素富化空気、又は少なくとも９０モルパーセントの酸素濃度を有する市販の酸素でもよい。好ましくは、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。

噴射デバイスから外に出た燃料及び酸化剤は、ガス・ジェット５の周囲にガス・エンベロープを形成し、ガス・エンベロープが燃焼して、噴射容積内で１つ又は複数のガス・ジェットの周囲の火炎エンベロープ又は火炎シュラウドが形成される。ガス流の周囲の火炎エンベロープ２４は、周囲のガスが１つ又は複数のガス流内に引き込まれないようにする働きをし、それによって１つ又は複数のガス流の速度が大幅に低下しないようにし、１つ又は複数のガス流の径が大幅に増大しないようにして、ガス流５をコヒーレント・ジェットとして確立し維持する助けをする。

別法として、燃料及び酸化剤をそれぞれ面の２つのリングのポートから、すなわち、１つ又は複数の中心ノズル４の周囲のノズル４に最も近い内側リングのポート、及び内側リングのポートから半径方向に間隔をおいてその周囲に配置された外側リングのポートから供給することができる。好ましくは、燃料は内側リングのポートから供給され、酸化剤は外側リングのポートから供給される。外側リングのポートを内側リングのポートと位置合せしてもよく、又はオフセットしてもよい。

火炎シュラウドの燃料及び酸化剤を化学量論比として示すことができる。化学量論比の定義は、燃料と酸素の比（Ｆ／Ｏ）を完全燃焼に必要とされるＦ／Ｏで割り算したものである。例えば、燃料がメタンであり、Ｆ／Ｏの演算が１．２５の場合、メタンと酸素の完全燃焼の化学量論は０．５であるため、この例の化学量論比は１．２５／０．５、すなわち２．５である。好ましくは、本発明の実施では、火炎シュラウドの燃料と酸素の化学量論比は２よりも大きい。

延長部１５は面から延びて再循環ゾーン１６を形成し、その再循環ゾーン１６の中にガス流及び火炎エンベロープ・ガスが最初に噴射される。通常、延長部の形状は円筒形であるが、他の形状も可能であり、長さ１．２７から６０．９６ｃｍ（０．５から２４インチ）内の範囲、径２．５４から６０．９６ｃｍ（１．０から２４インチ）内の範囲を有する。延長部１５によって形成される再循環ゾーン１６は、ガス流の周囲に最初に火炎エンベロープの形成を助け、その火炎エンベロープを容器の真空状態で噴射デバイスの面に定着させる働きをする。延長部の特定のパラメータは主ガス流量に依存する。本発明を、延長部及び／又は火炎の安定化を支持する助けをするための上記で論じた火炎エンベロープのポートの溝で実施することができる。延長部は噴射デバイス自体の一部でもよく、別々に形成してもよい。

亜音速の燃料及び酸化剤、並びに面に隣接した再循環ガスと結合された燃料及び酸化剤の燃焼から得られる１つ又は複数のガス流の周囲の火炎エンベロープは、真空状態で面に固着又は定着された火炎エンベロープを維持する働きをし、それによって火炎のはく離や吹消えが回避される。得られた火炎エンベロープの完全性はガス流又はジェット・コヒーレントを維持する働きをする。それによって、ガス流が超音速を維持しながら、他の方法よりも長い距離を移動することができるようになる。これは冶金学の応用分野では特に有利である。なぜなら、処理中にチャンバ内にかなり突出しなければならない従来のランス・デバイスと比較して、コヒーレント・ジェット・デバイスが処理チャンバ内に突出する必要がないからである。その結果、従来の場合は、特別の摺動式シール及び吊り上げ装置を容器の頂部上に取り付けて、処理が終了した場合に、従来のランスを容器から引き込めなければならない。また、コヒーレント・ジェット・デバイスは従来のランス及び摺動式シールに生じる損傷を受けないであろう。

本発明の実施の１つの重要な応用例は、図３で示したように、真空精錬プロセスなど、亜大気圧での冶金容器の動作である。この特定の実施では、冶金容器３０は、チャンバ３１、及び溶融金属３５を含むとりべ３２を備える。ヘッドスペースの大気を真空ポンプでチャネル３４を通して外に排気するなどして、真空状態が容器３０のヘッドスペース３３内に確立される。次いで、ガス流５のガスが、ヘッドスペース３３内に噴射デバイス３から供給され、火炎エンベロープ２４が上述のようにガス流５の周囲に形成される。好ましくは、噴射デバイス３は容器の耐火面と同じ高さであり、又は容器内に短距離だけ延びる。本発明の実施では、噴射器は固定位置の噴射器でもよく、又は容器内に挿入し多様な位置に可動の多様な位置の噴射器でもよい。例えば酸素などガス流５のガスは噴射デバイス３から出され、例えば鋼など溶融金属と接触し、真空精錬プロセス条件により、図３で示した経路内の流れに誘導される。ガスを使用して、溶融金属を脱炭することができ、かつ／又は、酸化剤を加えた高エネルギ燃料によるアルミニウム、珪素など溶融金属の加熱など他の目的に使用することができる。

本発明の使用では、コヒーレント・ジェット噴射デバイス又は噴射器の面を、従来のランスの面の位置付けよりもかなり上方に、容器の頂部の内側の耐火面と同じ高さを含む位置に配置することができる。この距離は、好ましくは約７．６２ｍ（２５フィート）であり、又は最近製作される大抵の容器の場合は約４．５７から１２．１９ｍ（１５から４０フィート）の範囲である。比較的旧式の短い容器の場合は、距離が比較的短いが、それでもコヒーレント・ジェット・デバイス又は噴射器の面は内側頂部耐火面と同じ高さである。コヒーレント・ジェット噴射器面が容器内に約０．６１〜１．５２ｍ（２から５フィート）延びて、溶融金属の表面の上方に必要な距離に位置付けられなければならない場合も考えられる。しかし、溶融金属の表面の上方のこうした高い位置でも、本発明は、酸素などガスを溶融金属に従来の方法で成し得るよりも有効に供給することができる。

例示及び比較のために、本発明を実施した試験、及び本発明を実施しない試験を行い、その結果が図４に示されている。試験は、例示及び比較の目的で示されており、限定的ではないものとする。

ジェットを試験真空チャンバ内に排出することによって、ジェット保存特性に対する火炎シュラウドの効果を示すための試験が行われた。試験はチャンバ圧５０トルで行われ、一例として示されている。円すい形の集束−分散ノズルは、酸素がノズル入口の上流で１０．５６ｋｇ／ｃｍ^２（１５０ポンド毎平方インチ・ゲージ圧（ｐｓｉｇ））で供給され、ノズル出口の下流でチャンバ圧５０トル絶対値（（−１３．７３ポンド毎平方インチ・ゲージ圧））に排出された場合に、酸素１４．１６ｍ^３／時（５００標準立方フィート／時）が許容されるように設計された。ノズル・スロート径は約０．１５ｃｍ（０．０６０５インチ）であり、出口径は約０．５２ｃｍ（０．２０６１インチ）であった。スロート長はスロート径と等しく、ノズル集束半角度は５度であった。流れる状態で、完全に膨張した酸素ジェットがノズルをマッハ４．０８（６４３．１３ｍ／秒（２１１０フィート／秒））で出た。

等しい間隔をおいて交互に配置された燃料と第２の酸素ポートの単一リングで集束−分散ノズルを取り囲むことによって、火炎シュラウドが形成された。８つの天然ガス及び８つの第２の酸素ポートが径２．５４ｃｍ（１インチ）の円形に配置された。全てのシュラウド・ポートは、それぞれ径約０．３１ｃｍ（０．１２５インチ）の真直ぐな壁にあけた穴であった。天然ガスの流量は、合計２．８３ｍ^３／時（１００標準立法フィート／時（主酸素流の２０パーセント））であり、第２の酸素の流量は２．２７ｍ^３／時（８０標準立法フィート／時）であった。ノズル出口に配置された再循環延長部が使用されて、燃焼を安定させ、火炎が確実にノズル出口に固着されるようにした。この延長部の長さは約１．５９ｃｍ（０．６２５インチ）、径は約３．１８ｃｍ（１．２５インチ）であった。

軸方向中心線でジェットから取られたピトー管測定値がノズル出口からの距離の関数として記録された。火炎シュラウドがない場合と火炎シュラウドがある場合の測定値が記録された。その結果が図４に示されている。図４は、（ノズル出口の速度によって基準化した）計算したジェット中心線速度に対する（ノズル出口径によって基準化した）軸方向距離を示す。火炎シュラウドが存在しない場合、速度が最初の速度の半分（Ｖ／Ｖ（０）＝０．５）に低下する距離は５０ノズル径（Ｘ／Ｄ＝５０）であった。火炎シュラウドが存在する場合、速度が最初の速度の半分（Ｖ／Ｖ／（０）＝０．５）に低下する距離は２６０ノズル径（Ｘ／Ｄ＝２６０）であることが分かった。これは、５．２倍（５２０パーセント）だけジェット距離が伸びたことを示す。

本発明を幾つかの好ましい実施例を参照して詳細に記載したが、当業者には理解されるように、本発明の特許請求の範囲の精神及び範囲に包含される他の実施例も存在する。例えば、再循環延長部をランス中又は噴射デバイス自体に設計することができ、例えば容器の耐火壁によって形成される凹部へのランスの挿入など、別個のアセンブリの一部として形成し、又はランスを収容する別個に設計されたパネルとして形成することができる。好ましくは、本発明を、適切に設計された集束／分散ノズルで完全に膨張した超音速ジェットで実施されたい。しかし、音速集束ノズル又は集束／分散ノズルから十分に膨張されないジェットが使用される場合でも、本発明はある程度の有効性を有する。

噴射デバイスの面の好ましい一実施例のヘッドを示す図である。 本発明の実施に使用可能な面を有する噴射デバイスの好ましい一実施例を示す断面図である。 冶金容器の動作の際の本発明の一実施例を示す図であり、図面の数字は共通要素では同じである。 本発明を実施して得られた結果と本発明を実施しない結果を比較して示すグラフである。

Claims (10)

1. 容器内にコヒーレント・ガス・ジェットを形成し維持する方法であって、ガスをガス流に超音速で噴射デバイスから真空状態が確立される前記容器内に噴射すること、燃料及び酸化剤を亜音速で前記容器内に前記ガス流の周囲に供給すること、及び、前記燃料及び酸化剤を燃焼して前記ガス流の周囲に火炎エンベロープを形成し、前記ガス流をコヒーレント・ガス・ジェットとして形成し維持することを含む方法。
2. 前記燃料と酸化剤の化学量論比が２よりも大きい、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスが酸素を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記燃料及び酸化剤が前記容器内に前記噴射デバイスのポートの単一リングから供給される、請求項１に記載の方法。
5. 前記ガス、燃料、及び酸化剤が前記噴射デバイス上の延長部によって形成される再循環容積内に最初に通され、その後前記容器内に通される、請求項１に記載の方法。
6. 溶融金属を含み前記溶融金属の上方のヘッドスペースを有する冶金容器の作動方法であって、ガスをガス流に超音速で噴射デバイスから真空状態が確立される前記ヘッドスペース内に噴射すること、燃料及び酸化剤を亜音速で前記ヘッドスペース内に前記ガス流の周囲に供給すること、前記燃料及び酸化剤を燃焼して前記ガス流の周囲に火炎エンベロープを形成すること、及びガスを前記ガス流から前記溶融金属に通過させることを含む方法。
7. 前記燃料と酸化剤の化学量論比が２よりも大きい、請求項６に記載の方法。
8. 前記ガスが酸素を含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記燃料及び酸化剤が前記容器内に前記噴射デバイスのポートの単一リングから供給される、請求項６に記載の方法。
10. 前記ガス、燃料、及び酸化剤が前記噴射デバイス上の延長部によって形成される再循環容積内に最初に通され、その後、前記ヘッドスペース内に通される、請求項６に記載の方法。

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