JP4068295B2 - ガス及び粉末送達システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にコヒーレントジェット技法並びに粉末注入に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コヒーレントジェット技法の開発は、気体力学の分野における近年の著しい進展である。コヒーレントジェット技法によれば、初速の実質上全てを維持し、ジェット径の増大を僅かとしつつ長距離を移動することのできるレーザー様ジェットが生み出される。コヒーレントジェット技法の非常に重要な商業的用法は、溶融金属のような液体中にガスを導入するためのものである。この場合、ガス用のランスを液体表面から大きく引き離し、運転を安全に行い得るのみならず、従来可能であったよりもずっと多くのガスが液体中に導入されることから、運転を一段と効率化することができる。従来、ランスを液体表面から引き離すとガスの大半は液体表面から逸らされ、液体中には導入されなかった。
【０００３】
金属精錬のような工業的プロセスを実施するに際し、しばしば、例えば溶融金属のような液体中に粉末を注入することが所望される。粉末注入は、液体表面上方から実施する液面上方粉末注入がどうしても容易であり且つ一般に安全でもあることから一般に好ましいが、液体表面の下方あるいは上方の何れかからも行うことができる。代表的には、液面上方粉末注入は、粉末をキャリヤーガス中に同伴させ、このキャリヤーガスをインジェクタ装置を通して液体中に提供することにより実施する。コヒーレントジェット技法を使用してガスを液体中に導入する場合、粉末注入は既知の粉末注入装置を使用して実施することもできる。
同一のランスを使用して、コヒーレントジェットを発生させると共に粉末の注入を実施するのが望ましい。しかしながら、そうしたシステムは２つのシステムを単に組み合わせれば良いと言うものではない。なぜなら、こうした２つの技法を近接させて実施すると夫々の効力が悪影響を受ける恐れがあるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
単一のランスを有効に使用して、液体中へのガス注入のためのコヒーレントジェット技法を実施し、且つまた、粉末を液体中に提供するために粉末注入を実施するシステムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体中に粉末及びガスを共に送達するための方法であって、
（Ａ）ランスフェースのガス開口を通してランスからガスを射出し、ガス流れを形成すること、
（Ｂ）ランスフェースの、前記ガス開口から離間した粉末混合物開口を通してランスから粉末及びキャリヤーガスの混合物を射出し、粉末混合物流れを形成すること、
（Ｃ）ガス流れ及び粉末混合物流れの両方の周囲に囲い火炎を形成すること、
（Ｄ）ガス流れ及び粉末混合物流れをランスフェースから液体に送ること、
を含む方法が提供される。
【０００６】
また、本発明によれば、粉末及びガスを共に液体に提供するための装置であって、
（Ａ）ランスフェースを有するランスと、
（Ｂ）ランス内のガス通路にして、ガス源と連通し且つランスフェースのガス開口とも連通するガス通路と、
（Ｃ）ランス内の粉末混合物通路にして、粉末源及びキャリヤーガス源と連通し且つランスフェースの粉末混合物開口とも連通し、前記粉末混合物開口がガス開口から離間された粉末混合物通路と、
（Ｄ）ランスを出るガス状燃料及び酸化体を、ガス開口及び粉末混合物開口の周囲に環状に提供するための手段と、
を含む装置が提供される。
【０００７】
ここで、“コヒーレントジェット”とは、ノズルからガスを射出させることにより形成したガスジェットであって、その長さに沿って、ノズルから射出される際のそれと類似の速度及び運動量プロファイルを有するガスジェットを指す。
ここで、“環状の”とは、リングの形態を指す。
ここで、“囲い火炎”とは、少なくとも１つのガス流れと実質的に同中心である環状の燃焼流れを指す。
ここで、“長さ”とは、コヒーレントガスジェットに対して参照される場合は、ガスが射出されるところのノズルから、コヒーレントガスジェットの意図された衝突位置、あるいは、ガスジェットがコヒーレント性を失う位置までの距離を指す。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照して詳しく説明する。
図１、図２及び図３を参照するに、ガス通路６０を通してガスが送られる。次いで、ガスはノズル６１、好ましくは収斂／拡開ノズルを通過した後、ガス開口１１を通してランス１を出、コヒーレントガスジェット流れ６２を形成する。代表的に、このコヒーレントガスジェット流れ（以下、単にガス流れとも称する）６２の速度は毎秒約３００〜２４００ｍ（１０００〜８０００ｆｔ）の範囲内である。ランスフェースから射出されて形成される際及び液体に接触する際のガス流れの速度は超音速であるのが好ましい。
【０００９】
本発明を実施するに際し、任意の有効なガスをガスとして使用することができる。有効なガスには、中でも、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。２つ以上のガスを含む混合物、例えば空気もまた、本発明を実施する上で使用することができる。本発明において実用上有益なガスは、酸素濃度が少なくとも２５モルパーセントである流体として定義することのできるガス状酸素である。
【００１０】
メタンあるいは天然ガスのようなガス状燃料が、ガス通路から半径方向に離間されたガス状燃料通路内を通してランス１に提供される。ガス状燃料は、図１に示すように、ガス開口１１の周囲の環状の孔９を通し、ランスフェース５の位置でランス１を出るのが好ましい。ガス状燃料は、好ましくはガス速度未満の速度で且つ一般には毎秒約３０〜３００ｍ（１００〜１０００ｆｔ）の範囲内の速度でランス１を出る。本発明を実施するに際し有益なガス状燃料には、噴霧液及び粉末材料、例えば、ガス中に同伴される微粉炭が含まれ得る。
【００１１】
ガス状燃料は酸化体と共に燃焼し、ガス流れに沿って且つその周囲に、好ましくはコヒーレントガスジェット６２の全体長さに渡り、囲い火炎６３を形成する。酸化体は、空気、空気のそれを上回る酸素濃度を有する酸素富化空気、あるいは、少なくとも９９モルパーセントの酸素濃度を有する市販の酸素であり得る。酸化体は、酸素濃度が少なくとも２５モルパーセントの流体であるのが好ましい。酸化体は、任意の有効な態様下にガス状燃料と共に燃焼させるべく提供することができる。図１に例示される好ましい１つの配列構成において、酸化体はランス１内を通して送られた後、ガス開口１１の周囲に、好ましくは、環状に配置した孔９よりも離して環状に配置した孔１０を通してランスから射出される。これにより、ガス状燃料と酸化体とは相互作用し且つ燃焼して、ランス１から夫々射出されるに際し、囲い火炎６３を形成する。
【００１２】
主ガス流れの周囲の囲い火炎６３は、主たるガス流れ、即ちコヒーレントガスジェット６２（以下、ガス流れ６２とも称する）中に周囲ガスが引き込まれないようにし、それにより、ガス流れ６２が所望の衝突位置、例えば溶融金属６５の表面６４に到達するまで、所望のガス流れ長さのためのガス流れ６２の速度を著しく減少しないように保持し且つガス流れ６２の直径を著しく増大しないように保持する。
【００１３】
ランス１内のガス通路６０はガス源と連通し、それにより、ガスはガス通路を通してランス１に流入し、次いでガス開口１１を通してランスフェース５の位置でランス１を出、ガス流れを形成することが可能となる。ランスフェース５には粉末混合物開口２０も設けられる。粉末混合物通路６６はランス１内で粉末混合物源と連通し、粉末混合物は粉末混合物通路６６を通してランス１に流入し、次いで粉末混合物開口２０を通してランスフェース５の位置でランス１を出、粉末混合物流れ６７を形成することが可能である。ガス流れ６２と粉末混合物流れ６７とは、ガス状燃料及び酸化体の燃焼により発生する囲い火炎６３内に包囲される。ガス流れ６２と粉末混合物流れ６７とは、その各々が目標物、例えば液体の表面と衝突するまで個別の流れであり続けるのが好ましい。
【００１４】
ガス開口１１の中心点はランスフェース５の中心点と一致させ得る。しかしながら、ガス開口１１は、ランスフェース５上で、ランスフェースの半円内に全体的に位置付けられるようにするのが好ましい。即ち、この場合、ガス開口の周縁はランスフェースの中心点を通るか、もしくは、全体的に、ランスフェースの中心点とランスフェースの周縁部との間に位置付けられる。図１には後者の配列構成が示される。粉末混合物開口はランスフェース上でガス開口から離間されている。“離間”するとは、ガス開口の周縁に隣り合う周縁を有するか、あるいはガス開口の周縁から、図１に距離Ｌとして示されるような距離を有する周縁を有することを意味する。
【００１５】
図２にはランスに粉末混合物を提供するための好ましい配列構成の１つが例示される。図１に示す囲い火炎用の孔は図２では示されない。図２を参照するに、粉末とキャリヤーガスとの混合物４０が内側管４１内に提供される。粉末は、代表的にはホッパその他の収蔵手段から採取され、比較的少量のキャリヤーガス、代表的には、約１５．５℃（６０°Ｆ）及び１気圧下に毎時約５．６ｍ³（２００ｃｆｈ）づつが移動される。キャリヤーガスは窒素ガスあるいは空気であるのが好ましいが、その他のガスあるいはガス混合物、例えば、酸素、メタン、天然ガス、ヘリウム、二酸化炭素あるいはアルゴンを使用することができる。
【００１６】
本発明を実施するに際して使用することのできる多くの粉末には、中でも、炭質材料、例えば、炭素、石炭及びコークス、シリカ、マグネシア、炭化カルシウム、炭酸カルシウム、酸化カルシウム（石灰）、炉ダスト、粉末鉱石を挙げることができる。
【００１７】
キャリヤーガスとして使用するガスと好ましくは同一の追加のキャリヤーガス４２が、内側管４１を開口させた外側管４３に、粉末混合物を加速させるための加速ガスとして提供される。外側管４３はランス１の粉末混合物通路６６と連通し、粉末はこの外側管を送られ、粉末混合物開口２０を通してランスから最終的に射出される。
【００１８】
本発明を更に例証するために以下の試験結果が提供される。これらの例及び比較例は例示目的のためのみのものであり、これに限定しようとするものではない。本発明の例は、図１及び図２に例示されるそれと類似の設備を使用して実施された。ガスのためのノズルは収斂／拡開ノズルであり、スロート径は約１．４ｃｍ（０．５５ｉｎ）、ガス開口の出口径は約２．０ｃｍ（０．７９ｉｎ）であった。ガス開口の中心点はランスフェースの中心点から２．２２ｃｍ（０．８７５ｉｎ）離間され、粉末開口の中心点はランスフェースの中心点と同じであった。ガスは、酸素濃度が約１００モルパーセントであるガス状酸素であり、このガス状酸素がガス開口を通し、ゲージ圧での約１．０ＭＰａ（１５０ｐｓｉｇ）の供給圧力下に、ランスから毎時約１１３２．６ｍ³（４０，０００ｃｆｈ）の流量で射出され、コヒーレントガスジェットとしてのガス流れを形成した。
【００１９】
ガス状燃料は、環状に配置した内側の１６の孔９を通して送られた天然ガスであった。各孔９はランスフェース上の径約６．３５ｃｍ（２．５ｉｎ）の円上にあり、直径が約０．３９ｃｍ（０．１５４ｉｎ）であり、天然ガスの流量は毎時約１４１．６ｍ³（５０００ｃｆｈ）であった。ガス状燃料と共に燃焼して囲い火炎を形成する酸化体は酸素濃度が約１００モルパーセントの流体であり、この流体が、環状に配置した外側の１６の孔１０を通して送られた。各孔１０はランスフェース上の径約７．６２ｃｍ（３．０ｉｎ）の円上にあり、直径は約０．５ｃｍ（０．１９９ｉｎ）であり、酸化体の流量は毎時約１１３．２ｍ³（４０００ｃｆｈ）であった。ランスは、その周囲位置に、ランスからガスが射出される際にガスをシールドするための約５ｃｍ（２ｉｎ）の長さの延長部６８をも有していた。コヒーレントガスジェットの速度は毎秒約５１０ｍ（１７００ｆｔ）という超音速であった。ガス開口の周縁部は粉末混合物開口の周縁部から約０．２ｃｍ（０．０８ｉｎ）離間された。ガス開口の直径は約２．００ｃｍ（０．７９ｉｎ）、粉末混合物開口の直径は約２．０４ｃｍ（０．８０５ｉｎ）であった。本試験のための粉末は潰したクルミ殻であり、キャリヤーガス及び、加速用ガスとして使用した追加のキャリヤーガスは共に窒素ガスであった。粉末は毎分約６．８ｋｇ（１５ポンド）の流量下に提供された。
【００２０】
粉末送り能力を測定するために直径約２０ｃｍ（８ｉｎ）の開口を有する収集装置をランスフェースの約１．２ｍ（４ｆｔ）先に配置し、全窒素ガスの種々の流量に関し収集効率（粉末の、射出量に対する収集量の比）を測定した。その結果は図４に曲線Ａとして示される。図４において、縦軸は収集効率を、横軸は全窒素ガスの流量とした。
【００２１】
比較目的上、従来からの粉末射出配列構成をコヒーレントジェットランスとの関連において使用した。本配列構成において、粉末射出ノズルは１１．４度の角度でコヒーレントジェットノズルから約２８ｃｍ離間され、それにより、コヒーレントジェット及び粉末混合物流れは収集装置の入口の直前を送達された。この比較例では、粉末流量は毎分約４．９ｋｇ（１１ポンド）であり、ガス開口はコヒーレントジェットランスフェースと心合わせされた。コヒーレントジェットランスのランスフェース上に、環状に配置した天然ガス及び酸化体用の各孔は、夫々径約５ｃｍ（２．０ｉｎ）、径約６．９ｃｍ（２．７５ｉｎ）の円上に配置された。様々な加速用ガス流量に対する収集効率が測定され、その結果が図４に曲線Ｂとして示される。これらの結果から分かるように、本発明によれば、著しく大きな割合での粉末が、従来プラクティスを使用して可能であったより以上に、目標物に効率的に送達され得る。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００２２】
【発明の効果】
単一のランスを有効に使用して、液体中へのガス注入のためのコヒーレントジェット技法を実施する方法及び、粉末を液体中に提供するために粉末注入を実施する装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランスフェースの１実施例のヘッドの平面図である。
【図２】図１のランスフェースを有する、本発明を実施するに際して使用し得るランスの１実施例の断面図である。
【図３】種々の流れ及び液体中への送り状況を例示する、運転状態における１実施例の概略図である。
【図４】本発明の１例において得られた試験結果を比較例と共に示したグラフである。
【符号の説明】
１ ランス
５ ランスフェース
９、１０ 孔
１１ ガス開口
２０ 粉末混合物開口
４０ 粉末とキャリヤーガスとの混合物
４１ 内側管
４３ 外側管
６０ ガス通路
６１ ノズル
６２ コヒーレントガスジェット流れ
６３ 囲い火炎
６４ 表面
６５ 溶融金属
６６ 粉末混合物通路
６７ 粉末混合物流れ

Claims (9)

1. ガス及び粉末を液体に送達するための方法であって、
   （Ａ）ランスフェースのガス開口を通してランスからガスを射出してガス流れを形成すること、
   （Ｂ）粉末とキャリヤーガスとの混合物を、ランスフェースの、前記ガス開口から離間した粉末混合物開口を通してランスから射出して粉末混合物流れを形成すること、
   （Ｃ）ガス流れ及び粉末混合物流れの両方の周囲に囲い火炎を形成すること、
   （Ｄ）ガス流れ及び粉末混合物流れをランスフェースから液体に送ること、
   を含むガス及び粉末を液体に送達するための方法。
2. ガス流れ及び粉末混合物流れがランスフェースから液体に至る間、個別の流れに維持されるようにした請求項１の方法。
3. 囲い火炎が、ランスフェースから別個の環状流れとして射出され、次いで燃焼されるガス状燃料及び酸化体により形成されるようにした請求項１の方法。
4. ガスがガス状の酸素である請求項１の方法。
5. ランスフェースを出て液体に送られるガス流れが超音速であるようにした請求項１の方法。
6. 粉末が炭質材料を含むようにした請求項１の方法。
7. キャリヤーガスが窒素ガスである請求項１の方法。
8. 粉末及びガスを液体に提供するための装置であって、
   （Ａ）ランスフェースを有するランスと、
   （Ｂ）ランス内のガス通路にして、ガス源と連通し且つランスフェースのガス開口とも連通するガス通路と、
   （Ｃ）ランス内の粉末混合物通路にして、粉末源及びキャリヤーガス源と連通し且つランスフェースの粉末混合物開口とも連通し、前記粉末混合物開口がガス開口から離間された粉末混合物通路と、
   （Ｄ）ランスを出るガス状燃料及び酸化体を、ガス開口及び粉末混合物開口の周囲に環状に提供するための手段と、
   を含む装置。
9. ガス通路が収斂／拡開ノズルを含む請求項８の装置。

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