KR100486184B1 - 초음속의 응집성 가스젯 제공 방법 및 장치 - Google Patents

초음속의 응집성 가스젯 제공 방법 및 장치 Download PDF

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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 비파괴적 초기 초음속을 형성시키기 위한 수렴/발산 노즐, 및 초음속을 효과적으로 유지시키기 위한 젯과 동축상에 있는 저속으로 움직이는 한정된 3중으로 층을 이룬 불꽃 엔빌로우프를 사용하여, 초음속의 응집성 가스젯을 산화 가스 또는 불활성 가스 어느 경우이든 효과적으로 형성시키고 유지시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 가스를 액체 푸울내로 제공하는데 특히 유용하다.

Description

가스를 액체중으로 제공하기 위한 초음속의 응집성 가스젯{SUPERSONIC COHERENT GAS JET FOR PROVIDING GAS INTO A LIQUID}
본 발명은 일반적으로 초음속의 가스 흐름을 생성시키고 유지시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 가스의 조성이 변하는 경우에 특히 유리하다. 본 발명은 가스를 액체중으로 제공하는데 사용될 수 있다.
가스 흐름을 생성시키는 것이 종종 요구될 때가 있다. 예를 들어, 가스 흐름이 수가지 이유중 하나 이상의 이유로 인해 액체중으로 주입될 수 있다. 예를 들어 용융된 철중으로 산소가 주입되어 용융된 철내에서 탄소와 반응하여 철을 탈탄화시키고 용융된 철에 열을 제공하는 것과 같이, 반응성 가스가 액체중으로 주입되어 액체중의 1종 이상의 성분과 반응할 수 있다. 산소가 제련 또는 정련 목적으로 구리, 납 및 아연과 같은 그 밖의 용융 금속중으로 주입되거나, 수성 액체 또는 탄화수소 액체중으로 주입되어 산화 반응을 일으킬 수도 있다. 불활성 가스와 같은 비산화성 가스를 액체중으로 주입시키고 액체를 교반시켜, 예를 들어 액체 전체에 걸쳐 양호한 온도 분포 또는 양호한 성분 분포를 촉진시킬 수 있다.
종종, 액체는 액체가 용기내에서 용기의 바닥과 일부 길이의 측벽과 합치되고 상부 표면을 갖도록 푸울을 형성하는 반응기 또는 용융 용기와 같은 용기내에 함유된다. 가스를 액체 푸울중으로 주입하는 경우, 액체중으로 가능한 많은 가스 흐름을 갖도록 하여 가스를 주입하는 것이 바람직하다. 따라서, 가스가 가스 주입 장치로부터 액체 표면 아래의 액체중으로 주입된다. 보통의 가스젯 노즐이 액체 표면 위에 약간의 거리를 두고 이격되어 있는 경우, 표면에 충돌하는 가스의 많은 양이 액체의 표면에서 편향되어 액체 푸울중으로 유입되지 못할 것이다. 더욱이, 이러한 작용에 의해 재료의 손실 및 작동과 관련된 문제점을 유발시킬 수 있는 액체의 스플래싱(splashing)이 야기된다.
바닥 또는 측벽에 설치된 가스 주입 장치를 사용하여 액체중으로 가스를 수중 주입하는 것은 매우 효과적이긴 하지만, 액체가 부식성 액체이거나 온도가 매우 높은 경우에는 작동상의 문제점을 갖는데, 그 이유는 이들 조건에 의해 가스 주입 장치의 급속한 악화가 야기될 수 있고, 용기 라이닝의 국부적인 마멸로 인해 복잡한 외부 냉각 시스템을 필요로 하고 잦은 보수 조업 정지 및 높은 작동 비용이 들게 될 수 있다. 한가지 대안은 가스 주입 장치의 팁 또는 노즐을 액체 표면과의 접촉을 피하면서 액체 푸울의 표면에 근접시키고 가스를 가스 주입 장치로부터 고속으로 주입하여 가스의 상당 부분이 액체를 통과하도록 하는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 여전히 만족스럽지 못한데, 그 이유는 가스 주입 장치의 팁이 액체 표면에 근접하기 때문에 이 설비에 상당한 손상이 초래될 수 있기 때문이다. 더욱이, 액체의 표면이 정지 상태가 아닌 경우에, 노즐은 움직이는 표면에 따라서 끊임없이 움직여야 가스 주입이 목적하는 위치에서 일어날 것이며 랜스(lance) 팁과 배쓰(bath) 표면 사이에서 요구되는 거리가 유지될 것이다. 전기 아크로에 있어서, 이것은 고가의 복잡한 수압 구동 랜스 조작장치를 필요로 하고 광범위한 보수를 필요로 한다.
또 다른 방법은 액체 푸울의 표면을 통해 도입되는 파이프를 사용하는 것이다. 예를 들어, 전기 아크로에서 산소를 용융 강철 배쓰중으로 주입하기 위해 물이 아닌 다른 수단에 의해 냉각되는 파이프가 종종 사용된다. 그러나, 이러한 방법도 만족스럽지 못한데, 그 이유는 파이프의 빠른 마멸이 파이프의 빠른 마멸을 보상하기 위해 파이프 공급 장치뿐만 아니라 복잡한 수압 구동 파이프 조작장치를 필요로 하기 때문이다. 더욱이, 파이프의 손실로 인해 파이프를 계속해서 교체해야 하기 때문에 비용이 많이 든다.
이들 문제점은 응집성 젯이 형성되는 경우에 해소될 수 있다. 응집성 가스젯은 노즐로부터 분출된 후에 보통의 가스젯의 경우보다도 훨씬 더 오랫 동안 직경 및 속도를 유지한다. 응집성 젯의 경우에, 주입기 팁은 액체 표면으로부터 상당히 멀리 위치할 수 있지만 응집성 가스젯내에 있는 사실상 모든 가스가 액체 표면을 여전히 통과할 수 있다.
산화 가스젯 주위의 연료의 환상 스트림 및 연료 스트림에 대하여 환상인 산화제의 스트림에 의해 형성된 불꽃 엔빌로우프가 노즐로부터 배출될 때 산화 가스젯을 둘러쌈으로써 응집성의 산화 가스젯이 형성될 수 있음이 공지되어 있다. 연료와 산화제가 연소하여, 산화 가스 스트림과 동축으로 흐르고 그것을 노즐로부터의 분출후 긴 거리 동안 응집성으로 유지시키는 불꽃 엔빌로우프를 형성한다. 그러나, 이러한 불꽃 엔빌로우프 배열은 가스가 불활성 가스인 경우에는 잘 작용하지 않는다. 이러한 상황에서는, 가스젯 속도가 급격하게 감소되고 불활성 가스젯의 응집성이 빠르게 악화된다. 이는 가스 랜스 분출 시스템의 변경을 필요로 하므로 산화 가스로부터 불활성 가스로 전환하는 것이 필요한 경우에 특히 문제가 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 가스젯이 산화 가스젯이든 불활성 가스젯이든 이와는 무관하게 가스젯 속도 및 응집성을 유지시키는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스젯 속도 및 응집성을 유지시키면서 가스젯의 조성을 변화시킬 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 명세서의 해석에 의해 당업자에게 자명하게 될 상기 목적 및 그 밖의 목적은 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 한 일면은,
(A) 수렴/발산 노즐을 갖는 랜스로부터 주가스를 분출시켜 초음속을 갖는 주가스 스트림을 생성시키는 단계;
(B) 주가스 스트림에 대하여 환상으로 랜스로부터 제 1 산화제 흐름을 분출시키는 단계로서, 상기 제 1 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
(C) 연료 흐름을 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 연료 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
(D) 제 2 산화제 흐름을 연료 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 제 2 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계; 및
(E) 연료를 제 1 산화제 또는 제 2 산화제, 또는 둘 모두로 연소시켜 주가스 스트림 주위에 불꽃 엔빌로우프를 형성시키는 단계를 포함하여, 고속의 응집성 주가스 스트림을 생성시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은,
(A) 주가스를 분출 공간내로 분출시키기 위한 수렴/발산 노즐과 연통하는 주가스 통로를 갖는 랜스;
(B) 제 1 산화제 흐름을 주가스 스트림에 대하여 환상으로 분출 공간내로 분출시키기 위한 랜스내의 제 1 통과 수단;
(C) 연료 흐름을 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상으로 분출 공간내로 분출시키기 위한 랜스내의 제 2 통과 수단; 및
(D) 제 2 산화제 흐름을 연료 흐름에 대하여 환상으로 분출 공간내로 분출시키기 위한 랜스내의 제 3 통과 수단을 포함하여, 고속의 응집성 주가스 스트림을 생성시키기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명의 추가의 일면은,
(A) 수렴/발산 노즐을 갖는 랜스로부터 주가스를 분출시켜 초음속을 갖는 주가스 스트림을 생성시키는 단계;
(B) 제 1 산화제 흐름을 주가스 스트림에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 제 1 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
(C) 연료 흐름을 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 연료 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
(D) 제 2 산화제 흐름을 연료 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 제 2 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
(E) 연료를 제 1 산화제 또는 제 2 산화제, 또는 둘 모두로 연소시켜 주가스 스트림 주위에 불꽃 엔빌로우프를 형성시키는 단계; 및
(F) 가스를 주가스 스트림으로부터 액체중으로 통과시키는 단계를 포함하여, 가스를 액체중으로 공급하기 위한 방법에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "환상"은 고리 형태임을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "불활성 가스"는 5몰% 미만의 산소 농도를 갖는 가스 혼합물 또는 순수한 가스를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "산화 가스"는 5몰% 이상의 산소 농도를 갖는 가스 혼합물 또는 순수한 가스를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "불꽃 엔빌로우프"는 주가스 스트림과 실질적으로 동축상에 있는 환상 연소 스트림을 의미한다.
삭제
본 발명은 가스가 산화 가스이든 불활성 가스이든 이와는 무관하게 응집성 가스젯의 생성 및 유지를 가능하게 하며, 더욱이, 현저한 응집성의 악화도 없고 상이한 주가스를 공급하는데 필요한 것 이상으로 어떠한 장치 변화도 필요로 하지 않으면서, 가스를 예를 들어 산화 가스젯으로부터 불활성 가스젯, 또는 불활성 가스젯으로부터 산화 가스젯으로 교체시킬 수 있게 한다. 더욱이, 본 발명은 주산화가스중의 산소 농도를 주가스젯에서 현저한 응집성의 손실 없이 변화시킬 수 있게 한다.
본 발명은 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 도 1 및 3을 보면, 본 발명을 실시할 때 사용될 수 있는 랜스의 랜스 팁 부분(1)이 단면도로 도시되어 있다. 랜스 팁 부분(1)은 주가스 공급원(도시되지 않음)과 연통하는 주가스 통로(2)를 포함한다. 주가스는 산화 가스 또는 불활성 가스일 수 있다. 산화 가스의 예로는 공기, 30몰% 이상, 특히 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 산소 부화 공기, 및 99.5몰% 이상의 산소 농도를 갖는 공업용 순산소가 있다. 불활성 가스의 예로는 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 기체상태의 탄화수소 및 이들중 2종 이상의 가스를 포함하는 혼합물이 있다.
주가스 통로(2)는 노즐 유입구(4)에서 수렴/발산 노즐(3)과 통해 있다. 노즐은 가스가 주입되는 분출 공간(6)과 통해 있는 유출구(5)를 갖는다. 노즐 유출구(5)는 일반적으로 0.1 내지 3 인치, 바람직하게는 0.5 내지 2 인치 범위의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 도 1 및 3에 도시된 바와 같이, 분출 공간(6)은 랜스 팁 연장부(7)에 의해 초기에 제한되다가 연장부(7)의 대용량 다운스트림으로 개방된다. 연장부(7)는 전형적으로 0.5 내지 4인치의 길이를 가지며, 환상의 연료 및 산화제의 연소를 안정화시켜, 제한된 초기 분출 공간을 형성하는 연장부를 사용하지 않는 경우보다, 랜스 팁 부분으로부터의 분출시의 초기 단계에서 보다 큰 안정성을 갖는 불꽃 엔빌로우프(11)를 형성시키는 역할을 한다.
주가스는 주가스 공급원으로부터 주가스 통로(2) 및 유입구(4)를 통해 노즐(3)로 통과한다. 가스는 노즐의 발산 부분에서 가속되어 노즐 유출구(5)로부터 분출 공간(6)으로 분출될 때 초음속이 된다. 수렴/발산 노즐에 의해 단절 없는 초음속의 초기 달성이 가능해 진다. 곧게 뚫린 노즐을 사용하게 되면 노즐 유출구의 다운스트림에 있는 임의 지점에서 정상 상태가 달성되기 전에 수개의 팽창과 수축의 파동 사이클을 야기하여 노즐로부터 가스가 이탈한 후에 가스가 팽창하여 초음속을 달성하게 될 것이다. 주가스를 대기압의 대기로 분출시킬 때 노즐 유출구(5)로부터 분출되는 주가스 스트림(12)의 속도는, 즉, 마하 1을 초과하는, 바람직하게는 마하 1.2 내지 3.0 범위의 초음속이다.
제 1 환상 통로(8)는 주가스 통로(2)로부터 방사상으로 이격되어 있고, 제 2 환상 통로(9)는 제 1 환상 통로(8)로부터 방사상으로 이격되어 있으며, 제 3 환상 통로(10)는 제 2 환상 통로(9)로부터 방사상으로 이격되어 있다. 제 1 환상 통로(8)는, 바람직하게는 30몰% 이상, 가장 바람직하게는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이며 공업용 순산소일 수 있는 제 1 산화제 공급원(도시되지 않음)과 연통한다. 제 1 산화제는 제 1 환상 통로(8)를 통과하고 주가스 스트림에 대하여 환상인 흐름 형태로 랜스로부터 분출 공간(6)내로 분출되며, 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는다. 일반적으로, 제 1 산화제 흐름은 300 내지 1500피트/초(fps) 범위의 속도를 가질 것이다.
제 2 환상 통로(9)는 연료 공급원(도시되지 않음)과 연통한다. 연료는 메탄, 프로판, 부틸렌, 천연가스, 수소, 코크스 오븐 가스, 또는 오일과 같은 임의의 유체 연료일 수 있다. 연료는 희석제, 예컨대 질소로 희석될 수 있다. 연료는 제 2 환상 통로(9)를 통해 통과하고 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상 흐름으로 랜스로부터 분출 공간(6)내로 분출되며, 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는다. 일반적으로, 연료 흐름은 300 내지 1500fps 범위의 속도를 가질 것이다. 바람직하게는, 연료 흐름은 제 1 산화제 흐름 속도와 거의 동일한 속도를 가질 것이다.
제 3 환상 통로(10)는 제 1 산화제 공급원과 동일할 수도 있는 제 2 산화제 공급원(도시되지 않음)과 연통한다. 즉, 제 2 산화제는 제 1 산화제와 동일한 조성을 가질 수 있으며, 바람직하게는 제 1 산화제와 동일한 조성을 가진다. 바람직하게는, 제 2 산화제는 30몰% 이상, 가장 바람직하게는 90몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이며, 공업용 순산소일 수 있다. 제 2 산화제는 제 3 환상 통로(10)를 통과하고 연료 흐름에 대하여 환상 흐름 형태로 랜스로부터 분출 공간(6)내로 분출되며 주가스 스트림 속도 미만, 바람직하게는 제 1 산화제 흐름 속도 미만의 속도를 갖는다. 바람직하게는, 제 2 산화제 흐름은 연료 흐름 속도 미만의 속도를 갖는다. 일반적으로, 제 2 산화제 흐름은 100 내지 1500fps, 바람직하게는 100 내지 500fps 범위의 속도를 가질 것이다.
각각의 제 1, 제 2 및 제 3 환상 통로는 분출 공간(6)과, 바람직하게는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수렴/발산 노즐(3)의 유출구(5)와 같은 높이로 연통한다. 바람직하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 제 1, 제 2 및 제 3 환상 통로는 다수의 개별적인 통로가 되어, 각각의 제 1, 제 2 및 제 3 환상 통로가 유출구(5) 주위에 있는 구멍의 링으로서 분출 공간(6)과 연통된다. 선택적으로, 제 1, 제 2 및 제 3 환상 통로중 하나 이상의 통로는 유출구(5)에 대한 원형 고리로서 분출 공간(6)과 연통할 수 있다.
분출 공간내로의 분출시에, 연료는 제 1 및 제 2 산화제중의 1종 이상의 산화제, 바람직하게는 둘 모두와 혼합되고 연소되어 주가스 스트림(12) 주위에 불꽃 엔빌로우프(11)를 생성시킨다. 본 발명이 금속 용융로와 같은 고온의 환경에서 사용되는 경우, 연료 및 산화제에 대한 어떠한 별도의 점화원도 필요하지 않을 것이다. 본 발명이 연료 및 산화제가 자동 점화하는 환경에서 사용되지 않는 경우에, 스파크 발생기와 같은 점화원이 필요할 것이다. 불꽃 엔빌로우프는 주가스 스트림 속도 미만의 속도, 일반적으로는 50 내지 1000fps 범위의 속도를 가질 것이다.
수렴/발산 노즐로부터 초기에 초음속의 주가스 스트림(12) 주위에 3중으로 층이 형성된 저속으로 움직이는 불꽃 엔빌로우프(11)는 일반적으로 20 이상의 노즐 유출구 직경 (d) 내지 100d 또는 그 이상까지의 상당한 거리동안 여전히 초음속을 유지하면서, 가스 스트림을 응집되어 있는 상태, 즉, 주가스 스트림의 속도 손실이 거의 없으며 폭의 팽창도 거의 없는 상태로 유지시키는 역할을 한다. 이것은 주가스가 액체 또는 고체에 충돌하거나, 결합하는 곳으로부터 먼 거리에 의해 랜스팁이 이격되도록 랜스를 위치시킬 수 있게 하므로, 안전성이 증대되고 랜스의 완전성이 보다 잘 보존되도록 한다. 바람직하게는, 주가스가 목적하는 액체 또는 고체에 초음속으로 충돌하고, 바람직하게는, 불꽃 엔빌로우프가 실질적으로 랜스 팁으로부터 목적하는 액체 또는 고체의 표면까지 연장된다.
일반적으로, 랜스로부터 제공되는 연료 및 산화제의 양은 원하는 주가스 스트림 길이에 대해 효과적인 불꽃 엔빌로우프를 생성시키기에 딱 충분한 양일 것이다. 그러나, 상당히 많은 양의 연료 및 산화제가 랜스로부터 배출되어 주가스 스트림이 주위 가스를 동반하지 못하도록 할 뿐만 아니라, 분출 공간내로 상당한 열을 제공하는 역할을 하는 불꽃 엔빌로우프가 요구될 수 있다. 즉, 랜스는, 본 발명의 일부 구체예에서, 버너로도 기능할 수 있다.
도 4는 제 1 환상 통로가 내부 연결 통로(13)에 의해 제 3 환상 통로로부터 분출 공간내로 분출되는 산화제를 수용하도록, 제 1 환상 통로가 랜스내에서 제 3 환상 통로와 연통하는 본 발명의 랜스 팁의 또 다른 구체예를 도시한다. 연결 통로(13)의 크기는 본 발명의 바람직한 구체예에서 제 1 산화제 스트림과 제 2 산화제 스트림 사이의 속도 차이가 달성되도록 하는 크기이다.
본 발명은 랜스 팁을 액체 외부에, 특히 액체의 표면으로부터 상당히 이격되게 유지시키는 것이 필요한 경우에, 액체중으로 가스를 주입하는데 특히 유용하다. 예를 들어, 본 발명은, 예컨대 산화반응, 수소화반응 또는 질화반응을 위해, 기체상태의 반응물을 탄화수소 또는 수성 액체중으로 공급하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 액체가 높은 산성이나 염기성 액체와 같은 부식성 액체이거나, 액체가 용융 속과 같이 매우 높은 온도를 지니는 경우에 특히 유용할 것이다. 본 발명의 하나의 특히 효과적인 용도는 산소, 주가스를 용융된 금속중으로 공급하여 용융된 금속중에서 탄소와 반응시켜 금속을 탈탄화시키고 용융된 금속에 열을 제공하는 것이다. 그런 다음, 주가스는 장치 또는 환상 통로에 대한 흐름에 있어 어떠한 변화도 없이 아르곤과 같은 불활성 가스로 변경되어, 아르곤을 용융된 금속에 공급하고 용융된 금속을 교반시켜 열을 보다 우수하게 분배시킬 수 있다. 이러한 전환은 비교적 신속하게, 그리고 응집성 주가스젯의 생성 효율에 있어 이전에 겪었던 손실 없이도 수행될 수 있다.
본 발명의 특히 유리한 용도는 주가스중의 산소 농도가 변화될 때 어떠한 다른 주된 변화에 대한 요구 없이, 용융된 금속과 같은 액체중으로 상이한 산소 농도를 갖는 가스를 주입하는 것이다. 예를 들어, 스테인레스강의 제조시에, 본 발명은 용융된 금속의 표면으로부터 상당한 거리만큼 이격된 팁을 갖는 랜스로부터 용융된 금속중으로 응집성 주가스 스트림을 공급하는데 사용될 수 있다. 이러한 랜스 주입은 수중 송풍구(submerged tuyere)를 통한 통상의 가스 주입 대신에 사용될 수 있다. 스테인레스강 공정의 초기 단계 동안, 주가스 스트림은 순산소 또는 약 75몰%의 산소 농도를 갖는 유체 혼합물(나머지는 질소, 아르곤 또는 이산화탄소임)과 같은 산화 가스로 구성된다. 정련 공정이 계속됨에 따라, 주가스중의 산소 농도는 계획된 방식으로 감소된다. 결국, 정련 공정의 후반부에서 주가스는 불활성 가스가 된다. 본 발명 및 본 발명의 장점이 하기 실시예 및 비교예와 관련하여 추가로 설명될 것이다. 실시예는 설명을 목적으로 제시되며 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다.
공지된 시스템을 설명하기 위해, 도 1 및 3에 도시된 랜스 팁과 유사한 랜스 팁을 갖지만 제 3 환상 통로가 없는 랜스를 사용하였다. 수렴/발산 노즐은 0.358인치의 목부 직경 및 0.526인치의 유출구 직경을 가졌다. 순산소를 노즐로부터 분출시켜 1720fps의 초기 속도를 갖는 주가스 스트림을 생성시켰다. 천연가스를 610fps의 속도로 제 1 환상 통로로부터 주입 공간으로 보내고 순산소를 410fps의 속도로 제 2 환상 통로로부터 주입 공간으로 통과시켜 주산소 가스 스트림 주위에 불꽃 엔빌로우프를 생성시켰다. 노즐 유출구로부터 36인치 떨어진 지점에서 주가스 스트림의 축방향 속도를 측정하였으며, 초기 속도로부터 단지 약간 감소한다는 것이 밝혀졌다. 노즐 유출구로부터 36인치 떨어진 지점에서의 젯 축방향 속도를 초기 젯 축방향 속도로 나눈 산소 주가스 스트림의 정규화 속도는 0.95 또는 95%이었다. 그러나, 1840fps의 초기 속도에서 주가스로서 순수한 질소를 사용하여 시험을 반복하였을 때, 정규화 속도는 단지 43%이었다.
질소 가스젯 속도의 악화는 불꽃 엔빌로우프를 형성하는 연료와 산화제의 순서를 바꿈으로써 약간 감소되었다. 즉, 제 1 환상 통로를 통해 산소를 공급하고 제 2 환상 통로를 통해 천연 가스를 공급하였다. 이 시험에서, 질소의 정규화 속도는 73%까지 개선되었다. 그러나, 주가스로서 산소를 사용하여 이 시험을 반복하였을 때, 산소의 정규화 속도는 81%로 악화되었다.
도 1 및 3에 도시된 것과 같은 제 3 환상 통로를 갖는 유사한 랜스 팁을 사용하여 본 발명을 입증하였다. 공정은 순산소가 610fps의 속도로 제 1 환상 통로로부터 분출 공간내로 분출되고, 천연 가스가 610fps의 속도로 제 2 환상 통로로부터 분출 공간내로 분출되며, 순산소가 270fps의 속도로 제 3 환상 통로로부터 분출 공간내로 분출되어 불꽃 엔빌로우프를 형성하는 것을 제외하고는 전술한 공정과 유사하였다. 산소가 주가스로서 사용될 때, 이의 정규화 속도는, 주가스가 산화 가스이고 주가스에 가장 근접한 불꽃 엔빌로우프의 가스가 산화제일 때 앞서서 달성된 81% 보다 상당히 개선된 90%이었다. 더욱이, 주가스가 질소로 전환될 때, 이의 정규화 속도는 공지된 모든 배열 보다 상당히 개선된 89%이었으며, 이는 응집성 젯용으로 산화 가스 또는 불활성 가스를 사용하여 응집성 젯을 형성하고 유지시키는데 본 발명이 매우 효과적으로 사용될 수 있음을 입증한다.
본 발명자들은, 본 발명이 어떠한 이론에도 구속되지 않길 바라면서, 본 발명으로 달성된 유리한 결과가 적어도 부분적으로 주가스젯에 보다 근접한 불꽃 엔빌로우프의 유지로 인한 것이라고 믿는다. 중간의 환상 연료 스트림과 접촉하는 저속의 외부 환상 산화제 스트림은 노즐 표면에서 불꽃을 안정화시키는 역할을 한다. 불꽃 안정성은 고온의 연소 가스중의 일부가 노즐 표면 근처에서 순환되어 연속 점화원으로서 작용하도록 하는 연장부를 제공함으로써 증대된다. 내부 환상 산화제 스트림은 주가스젯 주위의 매우 근접한 지점에 산소 부화, 연료-산소 혼합물을 제공하면서 중간 환상 연료 스트림과 혼합된다. 이러한 산소 부화 대기는 불꽃 엔빌로우프를 주가스젯 주위에 근접하게 유지시킨다. 내부 환상 산화제 스트림의 존재는 주가스가 산소를 거의 또는 전혀 함유하지 않은 불활성 가스인 경우에 특히 효과가 있다.
본 발명을 사용하게 되면 가스젯이 산화 가스이든 불활성 가스이든 이와는 무관하게 원거리에서도 거의 동일한 효과를 갖는 초음속의 응집성 가스젯을 생성시키고 유지시킬 수 있다. 본 발명이 특정의 바람직한 구체예를 참조하여 상세하게 기술되었지만, 당업자라면 특허청구의 범위내에 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인지할 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 방법 및 장치를 사용하게 되면 가스가 산화 가스이든 불활성 가스이든 이와는 무관하게 원거리에서도 거의 동일한 효과를 갖는 초음속의 응집성 가스젯을 생성시키고 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명을 실시할 때 사용될 수 있는 랜스 팁 부분의 하나의 구체예의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 랜스 팁 부분의 평면도이다.
도 3은 작동시의 도 1에 도시된 랜스를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명을 실시할 때 사용될 수 있는 랜스 팁 부분의 또 다른 구체예의 단면도이다. 도면에 명시된 숫자는 공통 요소에 대해서는 동일하다
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 랜스 팁 부분 2 : 주가스 통로
3 : 수렴/발산 노즐 4 : 노즐 유입구
5 : 노즐 유출구 6 : 분출 공간
7 : 랜스 팁 연장부 8 : 제 1 환상 통로
9 : 제 2 환상 통로 10 : 제 3 환상 통로
13 : 내부 연결 통로

Claims (10)

  1. (A) 수렴/발산 노즐을 갖는 랜스로부터 주가스를 분출시켜 초음속을 갖는 주가스 스트림을 생성시키는 단계;
    (B) 주가스 스트림에 대하여 환상으로 랜스로부터 제 1 산화제 흐름을 분출시키는 단계로서, 상기 제 1 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
    (C) 연료 흐름을 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 연료 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
    (D) 제 2 산화제 흐름을 연료 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 제 2 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계; 및
    (E) 연료를 제 1 산화제 또는 제 2 산화제, 또는 둘 모두로 연소시켜 주가스 스트림 주위에 근접하게 불꽃 엔빌로우프를 형성시키는 단계를 포함하여, 고속의 응집성 주가스 스트림을 생성시키고 유지시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 주가스가 산화 가스임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 주가스가 불활성 가스임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 주가스가 산소를 함유하고, 주가스중의 산소 농도가 시간에 따라 변화함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 주가스가 산화 가스로부터 불활성 가스로 교체됨을 특징으로 하는 방법.
  6. (A) 주가스를 분출 공간내로 분출시키기 위한 수렴/발산 노즐과 연통하는 주가스 통로를 갖는 랜스;
    (B) 제 1 산화제 흐름을 주가스 스트림에 대하여 환상으로 분출 공간내로 분출시키기 위한 랜스내의 제 1 통과 수단;
    (C) 연료 흐름을 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상으로 분출 공간내로 분출시키기 위한 랜스내의 제 2 통과 수단; 및
    (D) 제 2 산화제 흐름을 연료 흐름에 대하여 환상으로 분출 공간내로 분출시키기 위한 랜스내의 제 3 통과 수단을 포함하는 장치로서, 각각의 제 1 통과 수단, 제 2 통과 수단 및 제 3 통과 수단은 노즐과 평행하게 배향되며, 각각의 제 1 통과 수단, 제 2 통과 수단 및 제 3 통과 수단은 노즐의 유출구와 같은 높이에서 분출 공간과 연통되는 고속의 응집성 주가스 스트림을 생성시키기 위한 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 분출 공간을 생성시키기 위한 랜스 상의 연장부를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 제 1 통과 수단을 제 3 통과 수단과 연통시킬 수 있는 랜스내의 연결 통로를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  9. (A) 수렴/발산 노즐을 갖는 랜스로부터 주가스를 분출시켜 초음속을 갖는 주가스 스트림을 생성시키는 단계;
    (B) 제 1 산화제 흐름을 주가스 스트림에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 제 1 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
    (C) 연료 흐름을 제 1 산화제 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 연료 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
    (D) 제 2 산화제 흐름을 연료 흐름에 대하여 환상으로 랜스로부터 분출시키는 단계로서, 상기 제 2 산화제 흐름이 주가스 스트림 속도 미만의 속도를 갖는 단계;
    (E) 연료를 제 1 산화제 또는 제 2 산화제, 또는 둘 모두로 연소시켜 주가스 스트림 주위에 근접하게 불꽃 엔빌로우프를 형성시키는 단계; 및
    (F) 가스를 주가스 스트림으로부터 액체중으로 통과시키는 단계를 포함하여, 고속의 응집성 주가스 스트림을 생성시키고 유지시킴에 의해 가스를 액체중으로 공급하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 액체가 용융된 금속임을 특징으로 하는 방법.
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