JP3309073B2 - 液体中への気体の導入方法 - Google Patents
液体中への気体の導入方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体流れ、特には
液体中への気体の流れに関するものである。本発明は殊
に、気体噴射装置に対して過酷な環境を生み出す溶融金
属のような液体中へ気体を導入するのに有用である。
液体中への気体の流れに関するものである。本発明は殊
に、気体噴射装置に対して過酷な環境を生み出す溶融金
属のような液体中へ気体を導入するのに有用である。
【０００２】
【従来の技術】様々の理由のために、気体が液体中に噴
射される。反応性気体が液体の１種以上の成分と反応す
るよう液体中に噴射されうる。その例は、溶融鉄を脱炭
するべく溶融鉄中の炭素と反応しまたそこに熱を与える
ように溶融鉄中への酸素の噴射である。酸素は、溶練目
的で銅、鉛、及び亜鉛のような他の種溶融金属中にも噴
射されうる。不活性気体のような非反応性気体も、例え
ば液体全体を通しての一層良好な温度分布もしくは一層
良好な成分分布を促進するために液体を攪拌するべく液
体中に噴射されうる。
射される。反応性気体が液体の１種以上の成分と反応す
るよう液体中に噴射されうる。その例は、溶融鉄を脱炭
するべく溶融鉄中の炭素と反応しまたそこに熱を与える
ように溶融鉄中への酸素の噴射である。酸素は、溶練目
的で銅、鉛、及び亜鉛のような他の種溶融金属中にも噴
射されうる。不活性気体のような非反応性気体も、例え
ば液体全体を通しての一層良好な温度分布もしくは一層
良好な成分分布を促進するために液体を攪拌するべく液
体中に噴射されうる。
【０００３】液体の多くは反応器や溶解用容器のような
容器に収蔵され、容器の底面及び側壁のある長さに沿
い、そして上面を有するプールを容器内部で形成する。
気体を液体プールに噴射するとき、なるたけ多量の気体
流れに気体噴射の意図を遂行せしめることが所望され
る。従って、気体は、気体噴射装置から液体の表面下の
液体中に噴射される。もし通常の気体噴射のためのノズ
ルが液体表面上方にある距離だけ離間しているなら、そ
の場合、液体表面に衝突する気体の多くは液体表面にお
いて逸らされ、液体プールに侵入しない。更に、そうし
た作用は、液体の撥ねかしをもたらし、材料の損失と作
業問題をもたらしうる。
容器に収蔵され、容器の底面及び側壁のある長さに沿
い、そして上面を有するプールを容器内部で形成する。
気体を液体プールに噴射するとき、なるたけ多量の気体
流れに気体噴射の意図を遂行せしめることが所望され
る。従って、気体は、気体噴射装置から液体の表面下の
液体中に噴射される。もし通常の気体噴射のためのノズ
ルが液体表面上方にある距離だけ離間しているなら、そ
の場合、液体表面に衝突する気体の多くは液体表面にお
いて逸らされ、液体プールに侵入しない。更に、そうし
た作用は、液体の撥ねかしをもたらし、材料の損失と作
業問題をもたらしうる。
【０００４】底面や側面に取り付けられた気体噴射装置
を使用しての液体中への気体の液面下噴射は、非常に有
効ではあるが、液体が腐食性液体であるときまた非常に
高温であるとき、作業上の問題を有する。その理由は、
これら条件は、気体噴射装置の急速な劣化や容器ライニ
ングの局所的な損耗を生じ、複雑な外部冷却システムの
必要性及び頻繁な保守のための休止と高い作業コストを
もたらすからである。
を使用しての液体中への気体の液面下噴射は、非常に有
効ではあるが、液体が腐食性液体であるときまた非常に
高温であるとき、作業上の問題を有する。その理由は、
これら条件は、気体噴射装置の急速な劣化や容器ライニ
ングの局所的な損耗を生じ、複雑な外部冷却システムの
必要性及び頻繁な保守のための休止と高い作業コストを
もたらすからである。
【０００５】一つの便法は、気体噴射装置のチップ（先
端部）もしくはノズルを液体表面との接触を避ける範囲
で液体プールの表面近くに持ちきたしそして気体相の多
くの部分が液体中に通入されるように気体噴射装置から
の気体を高速で噴射することである。一例として、電弧
炉における水冷ランスは代表的に、約４５０ｍ／秒（１
５００ｆｔ／秒）の速度を有する噴射を発生しそして溶
鋼浴の表面上方１５．２〜３０．５ｃｍ（６〜１２イン
チ）の範囲に位置付けられる。しかし、このやり方は、
気体噴射装置の先端部の液体表面に接近しているため
に、この気体噴射装置への著しい損傷をもたらす危険が
まだあるから、いまだ満足しうるものではない。更に
は、液体の表面が静止していない場合、気体噴射が所望
の位置で起こりそしてランス線端部と浴表面との間の所
要距離が維持されるように、表面揺動を補償するために
ノズルは絶えず移動されねばならない。電弧炉に対し
て、これは、高価でそして広範な保守を必要とする、複
雑な、液圧駆動式ランス操作具を必要とする。
端部）もしくはノズルを液体表面との接触を避ける範囲
で液体プールの表面近くに持ちきたしそして気体相の多
くの部分が液体中に通入されるように気体噴射装置から
の気体を高速で噴射することである。一例として、電弧
炉における水冷ランスは代表的に、約４５０ｍ／秒（１
５００ｆｔ／秒）の速度を有する噴射を発生しそして溶
鋼浴の表面上方１５．２〜３０．５ｃｍ（６〜１２イン
チ）の範囲に位置付けられる。しかし、このやり方は、
気体噴射装置の先端部の液体表面に接近しているため
に、この気体噴射装置への著しい損傷をもたらす危険が
まだあるから、いまだ満足しうるものではない。更に
は、液体の表面が静止していない場合、気体噴射が所望
の位置で起こりそしてランス線端部と浴表面との間の所
要距離が維持されるように、表面揺動を補償するために
ノズルは絶えず移動されねばならない。電弧炉に対し
て、これは、高価でそして広範な保守を必要とする、複
雑な、液圧駆動式ランス操作具を必要とする。
【０００６】また別の便法は、液体プールの表面を通し
て導入されるパイプを使用することである。例えば、非
水・冷却式パイプが電弧炉における溶鋼浴中に酸素を噴
射するのにしばしば使用される。しかしながら、このや
り方もまた満足しうるものではない。その理由は、パイ
プの急速な摩耗が、パイプの急速な摩耗速度補償するよ
うにパイプ供給設備のみならず、複雑な液圧駆動式パイ
プ操作具を必要とするからである。更に、連続的に交換
されねばならないパイプ損失は莫大である。
て導入されるパイプを使用することである。例えば、非
水・冷却式パイプが電弧炉における溶鋼浴中に酸素を噴
射するのにしばしば使用される。しかしながら、このや
り方もまた満足しうるものではない。その理由は、パイ
プの急速な摩耗が、パイプの急速な摩耗速度補償するよ
うにパイプ供給設備のみならず、複雑な液圧駆動式パイ
プ操作具を必要とするからである。更に、連続的に交換
されねばならないパイプ損失は莫大である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、液体中への気体の液面下噴射を必要とすることな
く、液体プールとの接触又は接近により生じる気体噴射
装置への著しい損傷を回避して、気体噴射装置から放出
される気体の実質上すべてを液体プールに通入すること
ができるような液体プール中に気体を導入するための方
法を開発することである。
は、液体中への気体の液面下噴射を必要とすることな
く、液体プールとの接触又は接近により生じる気体噴射
装置への著しい損傷を回避して、気体噴射装置から放出
される気体の実質上すべてを液体プールに通入すること
ができるような液体プール中に気体を導入するための方
法を開発することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を、
気体を液体プールに導入するための方法であって、 （Ａ）出口直径ｄを有する収斂／末広型ノズルを具備し
そして液体プールの表面から２０ｄ以上離間したチップ
を有するランスから気体を噴出し、そしてランスチップ
からの噴出に際して初期噴流軸線速度が超音速である気
体流れを形成する段階と、 （Ｂ）ランスチップからの気体流れの周囲に前記チップ
から液体プールの表面に至る火炎包囲体を形成すること
により前記気体流れを超音速の凝集した気体流れに変換
する段階と、 （Ｃ）前記凝集した気体流れを前記２０ｄ以上の距離を
通して前記液体プール表面に、前記凝集した気体流れの
噴流軸線速度が前記 初期噴流軸線速度の少なくとも５０
％の噴流軸線速度で接触せしめる段階と、（Ｄ）前記凝集した 気体流れからの気体を液体プールの
表面を通して液体プール内に通入する段階とを包含する
気体を液体プールに導入するための方法により達成す
る。
気体を液体プールに導入するための方法であって、 （Ａ）出口直径ｄを有する収斂／末広型ノズルを具備し
そして液体プールの表面から２０ｄ以上離間したチップ
を有するランスから気体を噴出し、そしてランスチップ
からの噴出に際して初期噴流軸線速度が超音速である気
体流れを形成する段階と、 （Ｂ）ランスチップからの気体流れの周囲に前記チップ
から液体プールの表面に至る火炎包囲体を形成すること
により前記気体流れを超音速の凝集した気体流れに変換
する段階と、 （Ｃ）前記凝集した気体流れを前記２０ｄ以上の距離を
通して前記液体プール表面に、前記凝集した気体流れの
噴流軸線速度が前記 初期噴流軸線速度の少なくとも５０
％の噴流軸線速度で接触せしめる段階と、（Ｄ）前記凝集した 気体流れからの気体を液体プールの
表面を通して液体プール内に通入する段階とを包含する
気体を液体プールに導入するための方法により達成す
る。
【０００９】（用語の定義）用語「ランス」とは、ここ
では、内部に気体を通しそして気体を噴出する装置を意
味する。用語「噴流軸線」とは、ここでは、噴流の中心
を通して噴流の長さに沿って伸びる仮想線を意味する。
用語「噴流軸線速度」とは、ここでは、気体流れのその
噴流軸線における速度を意味する。用語「ランスチッ
プ」とは、ここでは、気体が噴出されるランス端部の最
も先まで伸びた作用部分を意味する。用語「火炎包囲
体」とは、ここでは、主気体流れと実質上同軸の燃焼流
れを意味する。用語「酸素」とは、ここでは、空気の酸
素濃度にほぼ等しいかもしくはそれを超える酸素濃度を
有する流体を意味する。好ましいそうした流体は、少な
くとも３０モルの％、一層好ましくは少なくとも８０モ
ル％の酸素濃度を有する。空気もまた使用できる。
では、内部に気体を通しそして気体を噴出する装置を意
味する。用語「噴流軸線」とは、ここでは、噴流の中心
を通して噴流の長さに沿って伸びる仮想線を意味する。
用語「噴流軸線速度」とは、ここでは、気体流れのその
噴流軸線における速度を意味する。用語「ランスチッ
プ」とは、ここでは、気体が噴出されるランス端部の最
も先まで伸びた作用部分を意味する。用語「火炎包囲
体」とは、ここでは、主気体流れと実質上同軸の燃焼流
れを意味する。用語「酸素」とは、ここでは、空気の酸
素濃度にほぼ等しいかもしくはそれを超える酸素濃度を
有する流体を意味する。好ましいそうした流体は、少な
くとも３０モルの％、一層好ましくは少なくとも８０モ
ル％の酸素濃度を有する。空気もまた使用できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、液体プールの表面から
離間したランスチップからの気体の噴出と当該気体のほ
ぼそのままの速度での液体プール中への通入とを特徴と
する。ランスチップは、６０ｃｍ（２フィート）乃至そ
れ以上の大きな距離液体プール表面から離間される。気
体は出口直径（ｄ）を有するノズルを通してランスから
噴出され、そしてランスチップは噴流軸線に沿って少な
くとも２０ｄの距離液体プール表面から離間される。こ
の大きな距離にもかかわらず、気体はほとんど液体プー
ル表面から逸れない。ランスチップから噴出された気体
の実質上すべては液体プール表面を通して液体プール内
に通入される。本発明の実施において、ランスから噴出
された気体の一般に少なくとも７０％そして代表的に少
なくとも８５％が、液体プール表面を通して液体プール
内に通入される。これにより、ランスチップに実質的な
損耗を回避することが可能となる。
離間したランスチップからの気体の噴出と当該気体のほ
ぼそのままの速度での液体プール中への通入とを特徴と
する。ランスチップは、６０ｃｍ（２フィート）乃至そ
れ以上の大きな距離液体プール表面から離間される。気
体は出口直径（ｄ）を有するノズルを通してランスから
噴出され、そしてランスチップは噴流軸線に沿って少な
くとも２０ｄの距離液体プール表面から離間される。こ
の大きな距離にもかかわらず、気体はほとんど液体プー
ル表面から逸れない。ランスチップから噴出された気体
の実質上すべては液体プール表面を通して液体プール内
に通入される。本発明の実施において、ランスから噴出
された気体の一般に少なくとも７０％そして代表的に少
なくとも８５％が、液体プール表面を通して液体プール
内に通入される。これにより、ランスチップに実質的な
損耗を回避することが可能となる。
【００１１】つまり、この利点は、ランスチップからの
噴出に際して形成される、所定の初期噴流軸線速度を有
する気体流れを提供しそして気体流れがランスチップか
ら液体プール表面まで流れるに際してこの噴流軸線速度
を実質上そのまま保存することにより実現される。すな
わち、ランスチップからの噴出に際して形成される気体
流れの初期モーメンタム（運動量、勢い）が、気体流れ
がランスチップから液体プール表面まで流れるに際して
実質上そのまま保存される。一般に、気体流れの噴流軸
線速度は、それが液体プール表面に接触する時、初期噴
流軸線速度の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも
７５％となる。一般に、本発明の実施において、気体流
れの噴流軸線速度は、それが液体プール表面に接触する
時、１５０〜９００ｍ／秒（５００〜３０００ｆｔ／
秒）の範囲内となる。
噴出に際して形成される、所定の初期噴流軸線速度を有
する気体流れを提供しそして気体流れがランスチップか
ら液体プール表面まで流れるに際してこの噴流軸線速度
を実質上そのまま保存することにより実現される。すな
わち、ランスチップからの噴出に際して形成される気体
流れの初期モーメンタム（運動量、勢い）が、気体流れ
がランスチップから液体プール表面まで流れるに際して
実質上そのまま保存される。一般に、気体流れの噴流軸
線速度は、それが液体プール表面に接触する時、初期噴
流軸線速度の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも
７５％となる。一般に、本発明の実施において、気体流
れの噴流軸線速度は、それが液体プール表面に接触する
時、１５０〜９００ｍ／秒（５００〜３０００ｆｔ／
秒）の範囲内となる。
【００１２】気体流れの噴流軸線速度をランスチップか
らの噴出から液体プール表面との接触まで保存するため
の任意の手段が本発明の実施において使用できる。気体
流れの噴流軸線速度をそのように保存するための一つの
好ましい方法は、気体流れを火炎包囲体、好ましくはラ
ンスチップから液体プール表面まで実質上延在する火炎
包囲体で取り巻くことによる。火炎包囲体は、一般に、
気体流れの噴流軸線速度より小さな速度を有する。この
火炎包囲体を使用する具体例では気体流れは主気体流れ
と呼ばれる。火炎包囲体は主気体流れの周りに流体シー
ルドもしくはバリヤーを形成する。このバリヤーは主気
体流れに連行される周囲気体の量を大幅に減じる。
らの噴出から液体プール表面との接触まで保存するため
の任意の手段が本発明の実施において使用できる。気体
流れの噴流軸線速度をそのように保存するための一つの
好ましい方法は、気体流れを火炎包囲体、好ましくはラ
ンスチップから液体プール表面まで実質上延在する火炎
包囲体で取り巻くことによる。火炎包囲体は、一般に、
気体流れの噴流軸線速度より小さな速度を有する。この
火炎包囲体を使用する具体例では気体流れは主気体流れ
と呼ばれる。火炎包囲体は主気体流れの周りに流体シー
ルドもしくはバリヤーを形成する。このバリヤーは主気
体流れに連行される周囲気体の量を大幅に減じる。
【００１３】従来からの実施において、高速流体流れが
大気及びその他の雰囲気を通過する際、気体が高速流れ
に連行されて、高速流れを固有の円錐模様において膨張
せしめる。遅い速度で移動する火炎包囲体バリヤーの作
用により、この連行が大幅に減少せしめられる。好まし
くは、火炎包囲体は、ランスチップからの主気体の噴出
に際して直に主気体流れを遮蔽する、すなわち火炎包囲
体はランスチップに付着され、最も好ましくは、火炎包
囲体が実際上液体プール表面に衝突するよう液体プール
表面まで途切れることなく連続して延在する。
大気及びその他の雰囲気を通過する際、気体が高速流れ
に連行されて、高速流れを固有の円錐模様において膨張
せしめる。遅い速度で移動する火炎包囲体バリヤーの作
用により、この連行が大幅に減少せしめられる。好まし
くは、火炎包囲体は、ランスチップからの主気体の噴出
に際して直に主気体流れを遮蔽する、すなわち火炎包囲
体はランスチップに付着され、最も好ましくは、火炎包
囲体が実際上液体プール表面に衝突するよう液体プール
表面まで途切れることなく連続して延在する。
【００１４】気体は、出口直径（ｄ）を有するノズルを
通してランスチップから噴出される。出口直径（ｄ）
は、一般に２．５ｍｍ〜７．６ｃｍ（０．１〜３イン
チ）の範囲内、好ましくは１．２７ｍｍ〜５．１ｃｍ
（０．５〜２インチ）の範囲内にある。ランスチップ
は、気体がノズルから液体プールまで少なくとも２０ｄ
の距離を通して流れるようそして１００ｄ乃至それ以上
までの距離を通して流されうるよう液体プールの表面か
ら離間される。代表的に、ランスチップは、気体がノズ
ルから液体プールまで３０ｄ〜６０ｄの範囲内の距離を
通して流れるよう液体表面から離間される。ランスノズ
ルから液体プール表面までの噴流軸線速度の保存は、気
体流れがこの距離全体を通してノズル出口面積における
のと実質上等しいその断面積内でのモーメンタムを保持
することを可能ならしめ、かくして気体の実質上すべて
が、あたかもランスチップが液体表面直上に位置付けら
れているかのように、液体表面を貫通することを可能な
らしめる。
通してランスチップから噴出される。出口直径（ｄ）
は、一般に２．５ｍｍ〜７．６ｃｍ（０．１〜３イン
チ）の範囲内、好ましくは１．２７ｍｍ〜５．１ｃｍ
（０．５〜２インチ）の範囲内にある。ランスチップ
は、気体がノズルから液体プールまで少なくとも２０ｄ
の距離を通して流れるようそして１００ｄ乃至それ以上
までの距離を通して流されうるよう液体プールの表面か
ら離間される。代表的に、ランスチップは、気体がノズ
ルから液体プールまで３０ｄ〜６０ｄの範囲内の距離を
通して流れるよう液体表面から離間される。ランスノズ
ルから液体プール表面までの噴流軸線速度の保存は、気
体流れがこの距離全体を通してノズル出口面積における
のと実質上等しいその断面積内でのモーメンタムを保持
することを可能ならしめ、かくして気体の実質上すべて
が、あたかもランスチップが液体表面直上に位置付けら
れているかのように、液体表面を貫通することを可能な
らしめる。
【００１５】ランスを出る気体の実質上すべてが液体中
に侵入するだけではなく、液体プール中への侵入深さ
は、与えられたランス−液体表面間距離及ぶ気体流れ速
度に対して、本発明の実施なしで可能であったより一般
に２〜３倍深い。この深い侵入度は、液体中に通入され
た気体の反応及び／或いは攪拌効果を増進する。実際
上、幾つかの場合、気体は、浮揚力によってそれが液面
に戻る前に、液体中に非常に深く侵入して、その液体中
での気体の作用は液面下噴射気体の作用と類似する。
に侵入するだけではなく、液体プール中への侵入深さ
は、与えられたランス−液体表面間距離及ぶ気体流れ速
度に対して、本発明の実施なしで可能であったより一般
に２〜３倍深い。この深い侵入度は、液体中に通入され
た気体の反応及び／或いは攪拌効果を増進する。実際
上、幾つかの場合、気体は、浮揚力によってそれが液面
に戻る前に、液体中に非常に深く侵入して、その液体中
での気体の作用は液面下噴射気体の作用と類似する。
【００１６】本発明の実施において気体流れを形成する
のに任意の有効な気体を使用することができる。そうし
た気体の例として、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭
素、水素、ヘリウム、スチーム、メタンやプロパンのよ
うな炭化水素気体を挙げることができる。２種以上の気
体の混合物もまた本発明の実施における気体流れを形成
するための気体として使用することができる。天然ガス
と空気が使用可能なそうした混合物の２つの例である。
気体は、ランスから一般に少なくとも３００ｍ／秒（１
０００ｆｔ／秒）、好ましくは少なくとも４５０ｍ／秒
（１５００ｆｔ／秒）の高い初期噴流軸線速度で噴出さ
れる。本発明の好ましい具体例において、気体流れは、
超音速初期噴流軸線速度を有しそしてそれが液体プール
表面に接触する時にもまだなお超音速噴流軸線速度を有
する。
のに任意の有効な気体を使用することができる。そうし
た気体の例として、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭
素、水素、ヘリウム、スチーム、メタンやプロパンのよ
うな炭化水素気体を挙げることができる。２種以上の気
体の混合物もまた本発明の実施における気体流れを形成
するための気体として使用することができる。天然ガス
と空気が使用可能なそうした混合物の２つの例である。
気体は、ランスから一般に少なくとも３００ｍ／秒（１
０００ｆｔ／秒）、好ましくは少なくとも４５０ｍ／秒
（１５００ｆｔ／秒）の高い初期噴流軸線速度で噴出さ
れる。本発明の好ましい具体例において、気体流れは、
超音速初期噴流軸線速度を有しそしてそれが液体プール
表面に接触する時にもまだなお超音速噴流軸線速度を有
する。
【００１７】本発明における好ましい具体例において主
気体流れを取り巻く火炎包囲体は、任意の有効な態様で
形成されうる。例えば、燃料と酸化体との混合物が、ラ
ンスから主気体流れと同軸の環状流れとして噴出されそ
してランスを出るに際して着火されうる。好ましくは、
燃料と酸化体とは、各主気体流れと同軸の２つの流れと
してランスから噴出されそしてこれらがランスから流れ
るに際して燃焼する。好ましくは、燃料と酸化体は、ラ
ンス軸線における主気体噴流を取り巻く２つの穴リング
を通してランスから噴出される。通常、燃料は内側の穴
リングを通して供給されそして酸化体は外側の穴リング
を通して供給される。２つの穴リングを出る燃料と酸化
体とは混合しそして燃焼する。この好ましい配列の具体
例が図１〜３に例示される。
気体流れを取り巻く火炎包囲体は、任意の有効な態様で
形成されうる。例えば、燃料と酸化体との混合物が、ラ
ンスから主気体流れと同軸の環状流れとして噴出されそ
してランスを出るに際して着火されうる。好ましくは、
燃料と酸化体とは、各主気体流れと同軸の２つの流れと
してランスから噴出されそしてこれらがランスから流れ
るに際して燃焼する。好ましくは、燃料と酸化体は、ラ
ンス軸線における主気体噴流を取り巻く２つの穴リング
を通してランスから噴出される。通常、燃料は内側の穴
リングを通して供給されそして酸化体は外側の穴リング
を通して供給される。２つの穴リングを出る燃料と酸化
体とは混合しそして燃焼する。この好ましい配列の具体
例が図１〜３に例示される。
【００１８】図１〜３を参照すると、中央導管２、第１
の環状通路３、及び第２の環状通路４を具備するランス
１が例示され、この場合、環状通路の各々は中央導管と
同軸である。中央導管２は、ランス１の噴射端５におい
て終端して主オリフィス１１を形成する。第１及び第２
の環状通路もまた噴射端５において終端する。第１及び
第２の環状通路は、各々、主オリフィスの周囲に環状の
オリフィス７、８を形成しうるし、また主オリフィスを
取り巻く円をなして配列される第１及び第２の穴群とし
て形成されうる。中央導管２は、主気体源（図示なし）
と流通する。第２の環状通路４は酸素源（図示なし）と
流通する。第１の環状通路３は、燃料源（図示なし）と
流通する。燃料は任意のものでよいが、好ましくは気体
燃料そしてより好ましくは天然ガスもしくは水素であ
る。また別の具体例において、燃料は最外側の環状通路
においてランスを通して流しそして補助酸素を内側の環
状通路においてランスを通して流すようにすることもで
きる。好ましくは、図１に例示されるように、ランスか
ら気体を噴出するのに使用されるノズルは、収斂／末広
型ノズルである。
の環状通路３、及び第２の環状通路４を具備するランス
１が例示され、この場合、環状通路の各々は中央導管と
同軸である。中央導管２は、ランス１の噴射端５におい
て終端して主オリフィス１１を形成する。第１及び第２
の環状通路もまた噴射端５において終端する。第１及び
第２の環状通路は、各々、主オリフィスの周囲に環状の
オリフィス７、８を形成しうるし、また主オリフィスを
取り巻く円をなして配列される第１及び第２の穴群とし
て形成されうる。中央導管２は、主気体源（図示なし）
と流通する。第２の環状通路４は酸素源（図示なし）と
流通する。第１の環状通路３は、燃料源（図示なし）と
流通する。燃料は任意のものでよいが、好ましくは気体
燃料そしてより好ましくは天然ガスもしくは水素であ
る。また別の具体例において、燃料は最外側の環状通路
においてランスを通して流しそして補助酸素を内側の環
状通路においてランスを通して流すようにすることもで
きる。好ましくは、図１に例示されるように、ランスか
ら気体を噴出するのに使用されるノズルは、収斂／末広
型ノズルである。
【００１９】主気体はランス１から噴出されそして主気
体流れ３０を形成する。燃料及び酸化体は、ランス１か
ら噴出されそして環状流れを形成し、これらはランス１
からの噴出後ただちに混合し始めそして燃焼して主気体
流れ３０の周囲に火炎包囲体３３を形成する。火炎包囲
体３３は、ランスチップから凝集した主気体流れ３０の
長さにわたって延在する。本発明が金属溶解炉のような
高温環境で使用される場合には、燃料及び酸化体に対す
る別個の着火源は必要とされない。本発明が燃料及び酸
化体が自然に着火する環境で使用されない場合には、火
花発生器のような着火源が必要とされる。好ましくは、
火炎包囲体は主気体流れの噴流軸線速度より遅い速度を
有し、一般に１５〜１５０ｍ／秒（５０〜５００ｆｔ／
秒）の範囲内にある。
体流れ３０を形成する。燃料及び酸化体は、ランス１か
ら噴出されそして環状流れを形成し、これらはランス１
からの噴出後ただちに混合し始めそして燃焼して主気体
流れ３０の周囲に火炎包囲体３３を形成する。火炎包囲
体３３は、ランスチップから凝集した主気体流れ３０の
長さにわたって延在する。本発明が金属溶解炉のような
高温環境で使用される場合には、燃料及び酸化体に対す
る別個の着火源は必要とされない。本発明が燃料及び酸
化体が自然に着火する環境で使用されない場合には、火
花発生器のような着火源が必要とされる。好ましくは、
火炎包囲体は主気体流れの噴流軸線速度より遅い速度を
有し、一般に１５〜１５０ｍ／秒（５０〜５００ｆｔ／
秒）の範囲内にある。
【００２０】図４を参照すると、高速の凝集した主気体
噴流３０は、液体の表面３５に衝突しそして液体中に深
く貫入して液体内に気体空洞３７を形成する。気体空洞
３７は、気体噴流３０がランスから噴出されるとき有す
るのと実質上同じ直径を有する。気体噴流が液体プール
３８中に液体表面３５下に気体空洞３７を形成してある
距離貫入した後、気体噴流は気泡３６に分断され、気泡
は液体中に追加距離貫入しそして後液体中に溶解する。
気体が反応性気体かもしくは不活性気体かに応じて、こ
れら気泡は、続いて液体に溶解するか液体と反応し或い
は浮揚力により表面に上昇する。
噴流３０は、液体の表面３５に衝突しそして液体中に深
く貫入して液体内に気体空洞３７を形成する。気体空洞
３７は、気体噴流３０がランスから噴出されるとき有す
るのと実質上同じ直径を有する。気体噴流が液体プール
３８中に液体表面３５下に気体空洞３７を形成してある
距離貫入した後、気体噴流は気泡３６に分断され、気泡
は液体中に追加距離貫入しそして後液体中に溶解する。
気体が反応性気体かもしくは不活性気体かに応じて、こ
れら気泡は、続いて液体に溶解するか液体と反応し或い
は浮揚力により表面に上昇する。
【００２１】比較目的のために、図７は、従来型式の噴
流７１が液体プールの表面７２に衝突するときどうなる
かを例示する。深い貫入空洞が形成されないだけでな
く、著しい量の液体飛散物７３が発生する。
流７１が液体プールの表面７２に衝突するときどうなる
かを例示する。深い貫入空洞が形成されないだけでな
く、著しい量の液体飛散物７３が発生する。
【００２２】一般に、ランスから供給される燃料及び酸
化体の量は、主気体流れの所望の長さに対して有効な火
炎包囲体を形成するにちょうど十分とされる。しかし、
著しく多い燃料及び酸化体がランスから流出され、火炎
包囲体が主気体流れを周囲気体の連行から遮断する作用
をなすだけでなく、液体プールの上面上方の空間に著し
い量の熱を提供する役目もなすことが所望される場合も
ある。すなわち、ランスは、ある場合には、バーナーと
しても作用する。
化体の量は、主気体流れの所望の長さに対して有効な火
炎包囲体を形成するにちょうど十分とされる。しかし、
著しく多い燃料及び酸化体がランスから流出され、火炎
包囲体が主気体流れを周囲気体の連行から遮断する作用
をなすだけでなく、液体プールの上面上方の空間に著し
い量の熱を提供する役目もなすことが所望される場合も
ある。すなわち、ランスは、ある場合には、バーナーと
しても作用する。
【００２３】幾つかの場合において、液体プール中に気
体と共に液体及び／又は固体粒状物を提供することが所
望されうる。これは、粉末形態での添加剤もしくは試剤
の有効な添加を可能ならしめそして摩耗しそして高価で
ある耐火材被覆ランスや、やはり高価である有芯ワイヤ
のような鉄鋼中への粉末注入のための現行の方法や用具
の必要性を排除する。図５は、そこに流れ４０として示
されるように、液体及び／又は固体粒状物を含む液体流
れもしくは気体流れが、環状をなして、液体プール３８
の表面３５よりわずかに上方で主気体流れ３０と接触す
るこの具体例の一例を例示する。別様には、流れ４０
は、噴流３０がランス１から噴出される場所に近接して
噴流３０と接触しそして液体及び／又は固体が気体噴流
を包囲しそして液体中にそのまま通入されるようにする
こともできる。図５において、気体空洞３７から液体中
へ通った後液体プールにおいての気泡４１の上昇と気泡
が液体浴から離脱するに際しての上昇気泡４１の浮上に
より形成される液体表面上の盛り上がり部４２も例示さ
れている。
体と共に液体及び／又は固体粒状物を提供することが所
望されうる。これは、粉末形態での添加剤もしくは試剤
の有効な添加を可能ならしめそして摩耗しそして高価で
ある耐火材被覆ランスや、やはり高価である有芯ワイヤ
のような鉄鋼中への粉末注入のための現行の方法や用具
の必要性を排除する。図５は、そこに流れ４０として示
されるように、液体及び／又は固体粒状物を含む液体流
れもしくは気体流れが、環状をなして、液体プール３８
の表面３５よりわずかに上方で主気体流れ３０と接触す
るこの具体例の一例を例示する。別様には、流れ４０
は、噴流３０がランス１から噴出される場所に近接して
噴流３０と接触しそして液体及び／又は固体が気体噴流
を包囲しそして液体中にそのまま通入されるようにする
こともできる。図５において、気体空洞３７から液体中
へ通った後液体プールにおいての気泡４１の上昇と気泡
が液体浴から離脱するに際しての上昇気泡４１の浮上に
より形成される液体表面上の盛り上がり部４２も例示さ
れている。
【００２４】盛り上がり部４２の形成は、気泡の浮揚力
推進上向き流れから生じる力による。気泡は液体表面が
通常存在する面より上方の離脱帯域に液体を引き上げ
る。この気泡の上昇流れと続いての盛り上がり部４２の
形成は液体プール本体の有効な混合と液体とその上面に
おける層として存在しうる何らかの別の成分との有効な
混合を提供する。
推進上向き流れから生じる力による。気泡は液体表面が
通常存在する面より上方の離脱帯域に液体を引き上げ
る。この気泡の上昇流れと続いての盛り上がり部４２の
形成は液体プール本体の有効な混合と液体とその上面に
おける層として存在しうる何らかの別の成分との有効な
混合を提供する。
【００２５】図６は、本発明で実現された実験結果をグ
ラフで表示するものである。実験は、図１〜３に例示し
たのと同様の装置を使用して行った。ピトー管測定は、
液体プール表面衝撃を模擬するべく噴射点から０．６、
０．９及び１．２ｍ（２、３及び４フィート）の距離に
おいて実施した。結果を図６に示し、ここでは曲線Ａ、
Ｂ及びＣは０．６、０．９及び１．２ｍ（２、３及び４
フィート）の距離において本発明の凝集気体噴流を使用
する結果をそれぞれ示し、そして曲線Ｄは従来型式の気
体噴流流れを用いて０．６ｍ（２フィート）において得
られた結果を示す。図６において示された試験結果に対
して、主気体は、常温（６０°Ｆ）及び１気圧において
測定して、１１７６ｍ3 ／時間（４２，０００ｆｔ3 ／
時間）流れる酸素であった。酸素は、１７ｍｍ（０．６
７１”）スロート直径及び２２．１ｍｍ（０．８７
２”）出口直径を有する超音速収斂／末広ノズルを通し
て流した。天然ガス（８４ｍ3 （３０００ＣＦＨ））を
５．１ｃｍ（２”）直径の円をなす３．９ｍｍ（０．１
５４”）直径の１６個の穴もリングに環状体を通して流
した。二次酸素を（１４０ｍ3 ／時間（５０００ＣＦ
Ｈ））を７ｃｍ（２・３／４”）直径の円をなす５ｍｍ
（０．１９９”）直径の１６個の穴もリングに環状体を
通して流した。気体の速度及び温度を測定するのに使用
しえたピトー管圧力測定は、噴流内の幾つかの点でなし
た。図６において、火炎包囲体を有する噴流に対して
０．６、０．９及び１．２ｍ（２、３及び４フィート）
のノズル−プローブ距離に対するノズル中心点からの半
径方向距離並びに火炎包囲体を有しない通常の噴流に対
する５ｃｍ（２フィート）の距離に対して速度がプロッ
トされている。加えて、ノズル出口における計算された
速度プロフィルも点線により示してある。本発明の実施
でもって、速度は６１ｃｍ（２フィート）及び９１ｃｍ
（３フィート）の距離にわたって軸線において実質上一
定に維持された。１．２ｍ（４フィート）において軸線
における速度に減少があるが、流れはまだ超音速であ
る。ノズルの最初の直径（２．２ｃｍ（０．８７
２”））内で、速度はノズルから１．２ｍ（４フィー
ト）まですべて超音速であった。それに比較して、ノズ
ルから０．６ｍ（２フィート）において、従来係止の噴
流に対する速度プロフィルは亜音速であり、比較的広い
平坦なプロフィルを有した。
ラフで表示するものである。実験は、図１〜３に例示し
たのと同様の装置を使用して行った。ピトー管測定は、
液体プール表面衝撃を模擬するべく噴射点から０．６、
０．９及び１．２ｍ（２、３及び４フィート）の距離に
おいて実施した。結果を図６に示し、ここでは曲線Ａ、
Ｂ及びＣは０．６、０．９及び１．２ｍ（２、３及び４
フィート）の距離において本発明の凝集気体噴流を使用
する結果をそれぞれ示し、そして曲線Ｄは従来型式の気
体噴流流れを用いて０．６ｍ（２フィート）において得
られた結果を示す。図６において示された試験結果に対
して、主気体は、常温（６０°Ｆ）及び１気圧において
測定して、１１７６ｍ3 ／時間（４２，０００ｆｔ3 ／
時間）流れる酸素であった。酸素は、１７ｍｍ（０．６
７１”）スロート直径及び２２．１ｍｍ（０．８７
２”）出口直径を有する超音速収斂／末広ノズルを通し
て流した。天然ガス（８４ｍ3 （３０００ＣＦＨ））を
５．１ｃｍ（２”）直径の円をなす３．９ｍｍ（０．１
５４”）直径の１６個の穴もリングに環状体を通して流
した。二次酸素を（１４０ｍ3 ／時間（５０００ＣＦ
Ｈ））を７ｃｍ（２・３／４”）直径の円をなす５ｍｍ
（０．１９９”）直径の１６個の穴もリングに環状体を
通して流した。気体の速度及び温度を測定するのに使用
しえたピトー管圧力測定は、噴流内の幾つかの点でなし
た。図６において、火炎包囲体を有する噴流に対して
０．６、０．９及び１．２ｍ（２、３及び４フィート）
のノズル−プローブ距離に対するノズル中心点からの半
径方向距離並びに火炎包囲体を有しない通常の噴流に対
する５ｃｍ（２フィート）の距離に対して速度がプロッ
トされている。加えて、ノズル出口における計算された
速度プロフィルも点線により示してある。本発明の実施
でもって、速度は６１ｃｍ（２フィート）及び９１ｃｍ
（３フィート）の距離にわたって軸線において実質上一
定に維持された。１．２ｍ（４フィート）において軸線
における速度に減少があるが、流れはまだ超音速であ
る。ノズルの最初の直径（２．２ｃｍ（０．８７
２”））内で、速度はノズルから１．２ｍ（４フィー
ト）まですべて超音速であった。それに比較して、ノズ
ルから０．６ｍ（２フィート）において、従来係止の噴
流に対する速度プロフィルは亜音速であり、比較的広い
平坦なプロフィルを有した。
【００２６】
【実施例】次の例は例示目的であって、本発明を限定す
ることを意図するものではない。酸素を溶融金属浴に噴
射した、酸素は２０．５ｍｍ（０．８０７インチ）の出
口直径を有するノズルを通してランスチップから噴出さ
れた。ランスチップは、溶融金属の表面上方７１ｃｍ
（２８インチ）にそして水平線に対して４０度の角度で
位置付け、その結果、酸素噴流は、ランスチップから溶
融金属表面まで１０９ｃｍ（４３インチ）すなわちノズ
ル直径の５３倍の距離を通して流した。主気体をランス
チップから溶融金属表面まで火炎包囲体に包み込みそし
て４８０ｍ／秒（１６００ｆｔ／秒）の初期噴流軸線速
度を有しそして溶融金属表面に衝突する時にもこの噴流
軸線速度を維持した。ランスから噴出された酸素の約８
５％が溶融金属プールに入りそして溶融金属の成分との
反応に供された。溶融金属トン当り約１０．２ｍ3 ／時
間（３６７ｆｔ3 ／時間）の酸素溶融金属トン当り９ｋ
ｇ（２０ポンド）の炭素を燃焼するのに必要とされた。
これと対照的に、従来からの気体供給実施方を使用して
同量の炭素除去には、溶融金属トン当り約１５．６ｍ3
／時間（５５８ｆｔ3 ／時間）の酸素を必要とした。
ることを意図するものではない。酸素を溶融金属浴に噴
射した、酸素は２０．５ｍｍ（０．８０７インチ）の出
口直径を有するノズルを通してランスチップから噴出さ
れた。ランスチップは、溶融金属の表面上方７１ｃｍ
（２８インチ）にそして水平線に対して４０度の角度で
位置付け、その結果、酸素噴流は、ランスチップから溶
融金属表面まで１０９ｃｍ（４３インチ）すなわちノズ
ル直径の５３倍の距離を通して流した。主気体をランス
チップから溶融金属表面まで火炎包囲体に包み込みそし
て４８０ｍ／秒（１６００ｆｔ／秒）の初期噴流軸線速
度を有しそして溶融金属表面に衝突する時にもこの噴流
軸線速度を維持した。ランスから噴出された酸素の約８
５％が溶融金属プールに入りそして溶融金属の成分との
反応に供された。溶融金属トン当り約１０．２ｍ3 ／時
間（３６７ｆｔ3 ／時間）の酸素溶融金属トン当り９ｋ
ｇ（２０ポンド）の炭素を燃焼するのに必要とされた。
これと対照的に、従来からの気体供給実施方を使用して
同量の炭素除去には、溶融金属トン当り約１５．６ｍ3
／時間（５５８ｆｔ3 ／時間）の酸素を必要とした。
【００２７】
【発明の効果】ランスを出る気体の実質上すべてが液体
中に侵入するだけではなく、液体プール中への侵入深さ
は、与えられたランス−液体表面間距離及ぶ気体流れ速
度に対して、本発明の実施なしで可能であったより一般
に２〜３倍深い。この深い侵入度は、液体中に通入され
た気体の反応及び／或いは攪拌効果を増進する。
中に侵入するだけではなく、液体プール中への侵入深さ
は、与えられたランス−液体表面間距離及ぶ気体流れ速
度に対して、本発明の実施なしで可能であったより一般
に２〜３倍深い。この深い侵入度は、液体中に通入され
た気体の反応及び／或いは攪拌効果を増進する。
【００２８】本発明を幾つかの具体例に言及して記載し
たが、当業者は本発明の範囲内で別の具体例を具現しう
ることを銘記されたい。
たが、当業者は本発明の範囲内で別の具体例を具現しう
ることを銘記されたい。
【図１】本発明の実施に有用なランス噴出部の断面図で
ある。
ある。
【図２】図１のランスチップの正面図である。
【図３】ランスチップの断面を例示すると共に、本発明
の好ましい実施における主気体流れを形成するようにラ
ンスチップからの主気体の噴出及び火炎包囲体の形成状
態を示す図である。
の好ましい実施における主気体流れを形成するようにラ
ンスチップからの主気体の噴出及び火炎包囲体の形成状
態を示す図である。
【図４】本発明に実施における気体の液体中への導入の
一具体例を示す図である。
一具体例を示す図である。
【図５】固体及び／或いは液体粒子を気体と共に液体中
に導入するのに本発明を使用する別の具体例を示す図で
ある。
に導入するのに本発明を使用する別の具体例を示す図で
ある。
【図６】本発明の実施における気体流れ噴流軸線速度の
保存を示す実験結果のグラフである。
保存を示す実験結果のグラフである。
【図７】比較目的のため、気体を液体表面上方から液体
中に導入するのに気体噴流が使用される従来の実施態様
を例示する図である。
中に導入するのに気体噴流が使用される従来の実施態様
を例示する図である。
１ ランス ２ 中央導管２ ３ 第１の環状通路 ４ 第２の環状通路 ５ 噴射端 ７、８ 環状オリフィス ９、１０ 穴群 １１ 主オリフィス ３０ 主気体流れ ３３ 火炎包囲体 ３５ 液体表面 ３７ 気体空洞 ３８ 液体プール ３６ 気泡 ４０ 液体及び／又は固体粒状物を含む流れ ４１ 上昇気泡 ４２ 盛り上がり部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロナルド・ジョーゼフ・シーリンズ アメリカ合衆国ニューヨーク州ノース・ セイレム、フィンチ・ロード90 (56)参考文献 特開 平６−73433（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−121106（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C21C 7/00 - 7/10
Claims (2)
- 【請求項１】 気体を液体プールに導入するための方法
であって、 （Ａ）出口直径ｄを有する収斂／末広型ノズルを具備し
そして液体プールの表面から２０ｄ以上離間したチップ
を有するランスから気体を噴出し、そしてランスチップ
からの噴出に際して初期噴流軸線速度が超音速である気
体流れを形成する段階と、 （Ｂ）ランスチップからの気体流れの周囲に前記チップ
から液体プールの表面に至る火炎包囲体を形成すること
により前記気体流れを超音速の凝集した気体流れに変換
する段階と、 （Ｃ）前記凝集した気体流れを前記２０ｄ以上の距離を
通して前記液体プール表面に、前記凝集した気体流れの
噴流軸線速度が前記 初期噴流軸線速度の少なくとも５０
％である噴流軸線速度で接触せしめる段階と、（Ｄ）前記凝集した 気体流れからの気体を液体プールの
表面を通して液体プール内に通入する段階とを包含する
気体を液体プールに導入するための方法。 - 【請求項２】 前記凝集した気体流れが液体プール表面
に接触する時にも超音速噴流軸線速度を有する請求項１
の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/819,810 US5814125A (en) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | Method for introducing gas into a liquid |
| US819810 | 1997-03-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10263384A JPH10263384A (ja) | 1998-10-06 |
| JP3309073B2 true JP3309073B2 (ja) | 2002-07-29 |
Family
ID=25229139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08242998A Expired - Lifetime JP3309073B2 (ja) | 1997-03-18 | 1998-03-16 | 液体中への気体の導入方法 |
Country Status (16)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5814125A (ja) |
| EP (1) | EP0866138B1 (ja) |
| JP (1) | JP3309073B2 (ja) |
| KR (1) | KR100368517B1 (ja) |
| CN (1) | CN1140761C (ja) |
| AR (1) | AR012076A1 (ja) |
| AU (1) | AU749671B2 (ja) |
| BR (1) | BR9800914A (ja) |
| CA (1) | CA2232215C (ja) |
| DE (1) | DE69802983T2 (ja) |
| ES (1) | ES2143968T3 (ja) |
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