KR100395612B1 - 응집성제트분사기랜스 - Google Patents

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KR100395612B1 KR10-1998-0049671A KR19980049671A KR100395612B1 KR 100395612 B1 KR100395612 B1 KR 100395612B1 KR 19980049671 A KR19980049671 A KR 19980049671A KR 100395612 B1 KR100395612 B1 KR 100395612B1
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로날드 조셉 셀린즈
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Abstract

수렴 및 발산 노즐을 갖는 주 통로와, 화염 장벽을 발생시키기 위한 두 개의 반경 방향으로 이격된 보조 통로를 포함하는 기다란 응집성 가스 제트를 발생시키기 위해 랜스가 사용되며, 각각의 통로는 보호성 재킷에 의해 한정된 분사 공간과 연통한다.

Description

응집성 제트 분사기 랜스{COHERENT JET INJECTOR LANCE}
본 발명은 가스 흐름을 발생시키기 위한 장치에 관한 것이며, 특히 본 발명은 가스 분사 장치에 대해 가혹한 분위기를 발생하는 용융 금속과 같은 액체 내부로 도입시키기 위한 가스 흐름을 발생시키는데 특히 유용하다.
때때로, 가스 흐름을 발생시키는 것이 요구되어져 왔다. 예를 들어, 여러 가지 이유로 가스 흐름이 액체 내부로 분사된다. 반응성 가스는 하나 이상의 액체 성분과 반응하기 위해 액체 내부로 분사되며, 예를 들어, 철을 탈탄화하거나 용선(molten iron)에 열을 제공하기 위해 용선 내의 탄소와 반응하도록 용선 내부에 산소가 분사된다. 산소는 제련 목적으로 구리, 납, 및 아연과 같은 다른 용융 금속 내부로 분사된다. 비활성 가스와 같은 비 반응성 가스는 액체 전체를 통해 온도 분포 및 성분 분포를 보다 균일하게 하기 위해 액체를 휘젓도록 액체 내부로 분사된다.
가끔, 액체는 반응기 또는 용융 용기와 같은 용기 내에 저장되어 있으며, 액체는 바닥 및 측벽의 일부 길이를 포함하는 용기내에서 풀(pool)을 형성하고 상층면을 갖는다. 액체 풀 내부로 가스가 분사될 때, 의도하는 가스 분사를 수행하기 위해 액체 내부로 가능한 한 많은 량의 가스가 유동되는 것이 바람직하다. 따라서, 가스는 가스 분사 장치로부터 액체 표면 아래의 액체 내부로 분사된다. 통상적인 가스 제트용 노즐이 액체 표면위로 일정 거리만큼 이격되어 있다면, 표면상에 부딪히는 대부분의 가스는 액체 표면에서 편향되고 액체 풀로 유입되지 않을 것이다. 더욱이, 그러한 작용은 재료의 손실 및 작동상의 문제를 초래하는 액체의 스플래시(splashing; 액체가 튀는 것)를 발생시킨다.
바닥 또는 측벽 장착식 가스 분사 장치를 사용하여 액체 내부로 가스를 수중 분사하는 것은 매우 효율적이나, 액체가 부식액이거나 또는 매우 고온일 때 작동 문제점을 갖는다. 이러한 상태는 가스 분사 장치의 급격한 열화(劣化)와 용기 라이닝의 국부적인 마모를 초래하여 복잡한 외부 냉각 시스템을 필요로 하며, 또한 유지보수를 위한 빈번한 조업 정지 및 고 작동 비용을 유발시킨다. 이에 따른 한 방편은 액체 표면과 접촉을 방지하면서 액체 풀의 표면에 근접하게 가스 분사 장치의 팁 또는 노즐을 가져오고 가스의 상당 부분이 액체 내부로 통과되도록 가스 분사 장치로부터 고속으로 가스를 분사하는 것이다. 그러나, 가스 분사 장치의 팁이 액체 표면에 인접하게 되면 이러한 장치에 심각한 손상을 초래할 수 있기 때문에 역시 만족스럽지 못하다. 더욱이, 액체 표면이 정지상태가 아닌 경우에, 가스 분사가 소정의 위치에서 발생하도록 하고 그리고 랜스 팁과 욕 표면 사이에서 요구되는 거리가 유지되도록, 노즐은 이동하는 표면을 고려하여 항상 이동되어야 한다.
또 다른 방편은 액체 풀의 표면을 통해 도입된 파이프를 사용하는 것이다. 예를 들어, 비 수냉식 파이프가 전기 아크 로에서 용융 강 욕(steel bath) 내부로 산소를 분사시키기 위해 사용된다. 그러나, 이러한 방법은 파이프의 급속한 마모를 보상하기 위한 파이프 공급 장치 뿐 아니라 복잡한 수압 구동식 파이프 조작기를 요하기 때문에 만족스럽지 못하다. 더욱이, 연속적으로 교체되어야 하는 파이프 비용이 상당하다.
이러한 문제점은 응집성 제트(coherent jet)가 달성되면 해결될 수 있다. 응집 가스 제트는 분사된 이후에도, 통상적인 가스 제트보다 더 장기간 그 직경 및 속도를 유지한다. 응집성 제트로 인해, 분사기 팁은 액체 표면으로부터 더 멀리 위치될 수 있으며 응집성 가스 내의 모든 가스가 액체 표면을 통과할 수 있도록 한다.
더욱이, 응집성 제트는 가스 제트가 사용되고 있는 연소 용도와 같은 기타 용도에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 분사된 가스가 응집성 가스 제트를 형성하도록 체적 내부로 가스를 분사하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 응집성 제트 분사기 랜스의 바람직한 실시예를 나타낸 종단면도.
도 2는 본 발명에 따른 응집성 제트 분사기 랜스의 또 다른 바람직한 실시예를 나타낸 종단면도.
도 3은 용기 측벽 내에 위치된 본 발명의 응집성 제트 랜스의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 4는 발산 스트림이 방출하는 재킷 내에서 부가적인 분사 통로를 갖는 본 발명에 따른 응집성 제트 분사기 랜스의 실시예를 개략적으로 나타낸 평면도.
도 5는 수렴 스트림이 방출하는 재킷 내에서 부가적인 분사 통로를 갖는 본 발명에 따른 응집성 제트 분사기 랜스의 실시예를 개략적으로 나타낸 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 응집성 제트 분사기 2 : 주 통로
3 : 노즐 6 : 분사 공간
7,8 : 제 1 및 제 2 보조 통로9 : 재킷
11 : 유입 통로12 : 유출 통로
20 : 측벽21 : 부가 통로
24 : 분사 구멍
응집성 제트 분사기 랜스는 분사기 조립체, 및 분사기 조립체를 덮고 있는 재킷을 포함하고 있으며, 상기 분사기 조립체는 (1) 주 통로, (2) 분사 공간, (3) 주 통로와 연통하는 입구 및 분사 공간과 연통하는 출구를 갖는 노즐, (4) 상기 주 통로로부터 반경 방향으로 이격되고, 상기 주 통로와 평행하게 배향되며, 상기 노즐 출구와 같은 높이의 상기 분사 공간과 연통하는 제 1 보조 통로, 및(5) 상기 제 1 보조 통로로부터 반경 방향으로 이격되고, 상기 주 통로와 평행하게 배향되며, 상기 노즐 출구와 같은 높이의 상기 분사 공간과 연통하는 제 2 보조 통로를 갖추고 있으며, 상기 자켓은 상기 노즐 출구를 지나 연장하여 상기 분사 공간을 형성한다.
본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세히 기술되어질 것이다. 도 1를 참조하면, 응집성 제트 분사기(1)는 분사기 조립체 및 외측 재킷을 포함한다. 분사기 조립체는 주요 가스 공급원(도시안됨)과 연통하는 주 통로(2)를 포함한다. 주 가스는 응집성 제트의 형성에 바람직한 임의의 가스이다. 이러한 가스의 예는 산소, 질소, 아르곤, 수소, 헬륨, 가스상 탄화수소 연료, 및 이들 중 두가지 이상으로 이루어지는 혼합물을 포함한다. 주 통로(2)는 또한 노즐(3)과 연통한다. 바람직하게, 노즐(3) 길이의 적어도 일부분은 주 통로(2)의 직경보다 적은 직경을 가지며 분사 공간(6)의 직경보다 적다. 가장 바람직하게, 도 1에 도시되어진 것처럼, 노즐(3)은 수렴 및 발산형 노즐이다. 이러한 수렴 및 발산형 노즐은 주 통로(2)와 연통하는 입구(4)를 가지며, 분사 공간(6)과 연통하는 출구(5)를 갖는다.
제 1 보조 통로(7)는 주 통로(2)로부터 반경 방향으로 이격되어 있으며, 제 2 보조 통로(8)는 상기 제 1 보조 통로(7)로부터 반경 방향으로 이격되어 있다. 제 1 및 제 2 보조 통로중의 하나는 산화제 공급원(도시안됨)과 연통하며, 제 1 및 제 2 보조 통로의 다른 하나는 연료 공급원(도시안됨)과 연통한다. 산소가 주 가스일 때, 제 1 보조 통로(7)는 바람직하게 연료 공급원과 연통하며, 제 2 보조 통로(8)는 산화제 공급원과 연통한다. 산화제는 바람직하게 적어도 30몰%의 산소, 가장 바람직하게 적어도 90몰%의 산소를 함유하는 유체이다. 산화제는 99.5몰% 이상의 산소 농도를 갖는 기술적으로 순수한 산소가 될 수도 있다. 연료는 메탄, 프로판, 부틸렌, 천연 가스, 수소, 코우크스 오븐 가스, 또는 오일과 같은 임의의 유체 연료이다.
도 1 에 도시되어진 것과 같이, 제 1 및 제 2 보조 통로의 각각은 바람직하게 수렴 및 발산 노즐(3)의 출구(5)와 동일한 높이에서 분사 공간(6)과 연통한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것으로서, 제 1 및 제 2 보조 통로의 각각이 출구(5)를 둘러싼 구멍들의 링(ring)으로서 분사 공간(6)과 연통하도록 제 1 및 제 2 보조 통로의 각각은 다수의 개별 통로로 구성되어 있다. 그 대신에, 제 1 및 제 2 보조 통로의 하나 또는 모두는 출구(5)에 대한 환형의 띠로서 분사 공간(6)과 연통할 수도 있다.
분사기 조립체는 그 분사기 조립체의 길이를 따라 연장하는 재킷(9)에 의해 덮여 있고, 노즐 출구(5)를 지나 연장하여 분사 공간(6)을 형성하는 재킷 연장부(10)를 갖는다. 재킷 연장부(10)는 최대 30.5㎝(12inch),바람직하게 1.27㎝ 내지 17.8㎝(0.5inch 내지 7.0inch)의 길이를 갖는다. 재킷 연장부는 전체 분사기 조립체 둘레에 걸쳐 동일한 길이일 필요는 없으며, 분사기 조립체의 한 면이 분사기 조립체의 다른 측면의 길이를 초과할 수 있다. 이러한 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 이러한 실시예는 용기의 측벽과 각도를 이루어 장착될 때 특히 바람직하다. 재킷(9)은 냉각제 유입 통로(11) 및 냉각제 유출 통로(12) 내에 물과 같은 냉각제의 순환에 의해 냉각될 수 있다. 재킷 연장부(10)에 의해 형성된 분사 공간 또는 체적(6)은 주 통로 및 보조 통로로부터의 유출 직후에 가스 흐름을 보호하는 보호 영역을 생성한다. 이는 응집성 제트의 초기 형성시에 전도적(conductive) 환경을 제공함으로써 응집성 제트의 일체성을 개선한다.
일반적으로, 본 발명의 응집성 제트 분사기 랜스는 로와 같은 용기의 벽 또는 지붕 내에 위치되며, 용기 내부로 응집성 가스 제트로서의 가스 흐름을 분사하는데 사용된다. 도 3은 이러한 장치를 나타낸 것으로서, 응집성 제트 분사기 랜스는 전기 아크로와 같은 용기의 측벽(20)과 경사를 이루어 장착되어 용기의 내부(25)로 가스를 분사한다. 도 3에서, 분사기 조립체는 진하게 표시된 사각형(22)으로 나타나 있다.
작동 중에, 주 가스는 랜스(1)로부터 방출되며, 1000fps(feet per second) 또는 그 이상의 속도를 가지는 주 가스 흐름을 형성한다. 연료 및 산화제는 랜스(1)로부터 방출되며, 랜스(1)로부터 방출되는 순간에 혼합을 개시하는 환형의 스트림을 형성하며 주 가스 스트림 둘레로 화염 외피를 형성하도록 연소된다. 본 발명이 금속 용융로와 같은 고온 분위기에서 사용된다면, 별도의 연료 및 산화제용 점화 공급원이 필요하지 않다. 본 발명이 연료 및 산화제가 자동 점화되는 환경에서 사용되지 않는다면, 스파크 발생기와 같은 점화 공급원이 요구된다. 바람직하게, 화염 외피는 주 가스 스트림의 속도보다 낮은 속도를 가지며, 일반적으로 50 내지 1000fps이다. 화염 외피는 주 가스 스트림 둘레에 연소 장벽을 형성한다. 이러한 장벽은 고속의 주 가스 스트림 내로 동반되는 주변 가스의 양을 크게 감소시키고, 그에 따라 랜스로부터 방출된 이후에 상당한 거리 동안 주 가스 스트림의 응집성을 유지하는 역할을 한다. 이에 따라, 주 가스가 다른 유체 또는 고체와 충돌하거나 또는 맞닿는 지점으로부터 랜스 팁이 상당한 거리만큼 이격됨으로써 안전을 강화하고 랜스를 보존시킬 수 있도록, 랜스를 위치시킬 수 있게 된다.
일반적으로, 랜스로부터 제공되는 연료 및 산화제의 양은 소정 길이의 주 가스 스트림에 대한 효과적인 화염 외피를 형성하기에 충분하다. 그러나, 화염 외피가 주위 가스의 포획으로부터 주 가스 스트림을 차단할 뿐만 아니라 용기 내로 상당량의 열을 제공하기 위해, 보다 많은 연료 및 산화제가 랜스를 통과하도록 요구될 때가 있다. 즉, 본 발명의 일부 실시예에서 랜스는 버너로서 또한 작용할 수도 있다.
본 발명의 응집성 제트 분사기 랜스의 재킷은 응집성 주 가스 제트가 분사되는 용기 내부로 부가적인 유체를 제공하거나 또는 하나 이상의 고형질 입자의 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 부가 통로를 포함한다. 이는 분사 구멍(24)를 갖는 부가 통로(21)에 의해 도 3 에 도시되어 있다. 분사기 조립체가 용융 금속 내부로 주 산소를 제공하기 위해 사용되는 동안, 바람직하게 부가 통로(21)는 미국 특허 제 5,572,444호에 기술되어진 종래의 사후(post) 연소 방법을 수행하기 위해 전기 아크로 내부로 사후 연소 산소를 제공하기 위해 본 발명의 응집성 제트 분사기와 함께 사용된다. 부가적인 통로는 주 응집성 가스 제트와 평행한 입자 스트림이나 유체를 제공하거나 또는 주 응집성 가스 제트와 이격되거나 각도를 이루는 입자 스트림이나 유체를 제공할 것이다. 도 4는 두 개의 발산형 스트림들을 제공하기 위해 사용되는 본 발명의 실시예를 도시하고 있으며, 도 5는 랜스로부터의 두 개의 스트림이 랜스의 하류에서 교차하도록, 즉 스트림들이 서로 수렴하도록 두 개의 부가적인 스트림을 제공하기 위해 사용되는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다.통로 또는 가스 스트림의 축선은 통로 또는 가스 스트림의 중심을 통해 길이방향으로 연장하는 가상선이다. 주 통로의 축은 도 1에 도시되어 있다.
다음은 본 발명의 응집성 제트 분사기의 설계를 위한 바람직한 명세 사항이다.
(1) 주 통로를 통한 유량
NTP(정상 온도 및 압력)에서 20 내지 150 MCFH
공급압(노즐의 상류) : 50 - 300 psig
수렴-발산 노즐의 목(throat) 지름
D = K(Q/P)1/2
D - 목지름 - 인치(inch)
Q - 주 가스 유량에 대한 NTP에서의 CFH
P - 절대압 (psig)
K = 0.03 내지 0.04
D = 1/4" 내지 2."
(2) 구멍들의 링 또는 환형 둘레 노즐에 대한 산소
Deq= CQ1/4
Deq= 구멍들의 링 또는 환형부의 횡단면적과 동일한 튜브의 직경
Deq= [구멍들의 링 또는 환형부의 횡단면적(평방 인치)/ (pi/4)]의 제곱근
Q - 주 가스 유량에 대한 NTP에서의 CFH
C = 0.013 내지 0.16
(3) 구멍들의 링 또는 환형 둘레 노즐에 대한 연료
Deq= JQ1/4/H1/2
Q - 주 가스 유량에 대한 NTP에서의 CFH
H - 연료의 가열 값 - BTU/CF(NTP에서)
J =0.4 내지 5.0
본 발명을 이용함으로서, 응집성 가스 제트로서의 가스 흐름을 효과적으로 발생시킬 수 있다. 본 발명이 특정의 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었다 하더라도, 본 발명의 당업자들은 청구범위의 범위내에서 본 발명을 다양하게 변경 및 수정할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 분사 장치에 의해 분사된 가스가 응집성 가스 제트를 형성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 응집성 제트 분사기 랜스로서,
    (A) 분사기 조립체, 및
    (B) 상기 분사기 조립체를 덮고 있는 재킷을 포함하고 있으며,
    상기 분사기 조립체는
    (1) 주 통로, (2) 분사 공간, (3) 상기 주 통로와 연통하는 입구 및 상기 분사 공간과 연통하는 출구를 갖는 노즐,
    (4) 상기 주 통로로부터 반경 방향으로 이격되고, 상기 주 통로와 평행하게 배향되며, 상기 노즐 출구와 같은 높이의 상기 분사 공간과 연통하는 제 1 보조 통로, 및
    (5) 상기 제 1 보조 통로로부터 반경 방향으로 이격되고, 상기 주 통로와 평행하게 배향되며, 상기 노즐 출구와 같은 높이의 상기 분사 공간과 연통하는 제 2 보조 통로를 갖추고 있으며,
    상기 재킷은 상기 노즐 출구를 지나 연장하여 상기 분사 공간을 형성하는 응집성 제트 분사기 랜스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 노즐은 수렴 및 발산형 노즐인 응집성 제트 분사기 랜스.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 재킷은 상기 분사기 조립체의 한쪽 측면과 비교하여 더 긴 거리만큼 상기 분사기 조립체의 다른쪽 측면상에서 상기 노즐 출구를 지나 연장하는 응집성 제트 분사기 랜스.
  4. 제 1항에 있어서, 용기의 측벽에 장착되는 응집성 제트 분사기 랜스.
  5. 제 3항에 있어서, 용기의 측벽에 경사지게 장착되는 응집성 제트 분사기 랜스.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 재킷은 하나 이상의 유체 또는 입자를 포함하는 스트림을 제공하기 위한 하나 이상의 부가 통로를 포함하는 응집성 제트 분사기 랜스.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 재킷내의 하나 이상의 부가 통로는 상기 주 통로의 축선에 대해 경사진 축선을 갖는 응집성 제트 분사기 랜스.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 재킷 내의 두 개 이상의 부가 통로를 포함하고 있으며, 상기 부가 통로들은 그 부가 통로들로부터 방출된 유체 스트림의 축선들이 서로 교차하도록 배향되어 있는 응집성 제트 분사기 랜스.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 재킷 내의 적어도 두 개의 부가 통로를 포함하고 있으며, 상기 부가 통로들은 그 부가 통로들로부터 방출된 유체 스트림의 축선들이 서로 발산되도록 배향되어 있는 응집성 제트 분사기 랜스.
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