KR100551499B1 - 전기 아크 로내에서의 코히어런트 분사 랜싱 및 후연소를위한 사변형 장치 - Google Patents

전기 아크 로내에서의 코히어런트 분사 랜싱 및 후연소를위한 사변형 장치 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 코히어런트 분사물을 로 내에 제공하고, 바람직하게는 다수의 후연소 산화제 흐름을 로내로 제공하며, 바람직하게는 시트 형상의 후연소 산화제를 형성하기 위한 전기 아크 로 벽내의 사변형 장치.
로, 아크, 사변형, 노즐, 코히어런트, 산화제

Description

전기 아크 로내에서의 코히어런트 분사 랜싱 및 후연소를 위한 사변형 장치{QUADRILATERAL ASSEMBLY FOR COHERENT JET LANCING AND POST COMBUSTION IN AN ELECTRIC ARC FURNACE}
도 1은 전기 아크 로의 동작을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 사변형 패널 또는 장치의 바람직한 구체예의 헤드.
도 3은 본 발명의 시트 형상의 후연소 산화제 구체예의 측면을 나타내는 단순화된 측면도.
도 4는 시트 형상의 산화제 후연소 실행을 이용한 본 발명의 사변형 패널 또는 장치의 바람직한 구체예의 헤드.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 전기 아크 로 21 : 측벽
22 : 바닥벽 23 : 용융 금속
24 : 슬래그 층 25 : 찌거기 금속 층
26 : 전극 27 : 배기관
1 : 제 1 사변형 부분 2 : 제 2 사변형 부분
3 : 코히어런트 분사 개구 4 : 탄소 주입 노즐
5, 6, 7 : 후연소 노즐 41 : 코히어런트 분사물
42 : 탄소질 물질 흐름
45, 46, 47 : 후연소 산화제 흐름
50 : 제 1 후연소 산화제 흐름 51 : 제 1 후연소 노즐
52 : 제 2 후연소 산화제 흐름 53 : 제 2 후연소 노즐
54 : 시트 형상의 후연소 산화제
본 발명은 일반적으로 전기 아크 로 실행에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 아크 로내의 코히어런트 분사 실행에 관한 것이다.
기체 동력학 분야의 최근의 중요한 발전은, 실질적으로 초기 속도를 유지하며 분사 직경의 증가가 거의 없이 장거리를 진행할 수 있는 기체의 레이저형 분사를 유도하는 코히어런트(coherent) 분사 기술을 개발한 것이다. 코히어런트 분사 기술의 중요한 상업적 이용 중 하나는 랜싱(lancing)을 위해 기체를 제공하는 것과 같은 전기 아크 로 실행이다. 전기 아크 로와 관련된 코히어런트 분사 실행에서의 개선은 매우 바람직하다.
본 발명의 목적은 보다 효과적으로 전기 아크 로의 코히어런트 분사 실행 및 기타 동작을 수행하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기 및 기타 목적은 본원의 개시 내용을 판독하는 당업자에게 자명할 것이 다.
본 발명의 일 측면은 하기와 같다:
전기 아크 로의 벽내에 설치되기에 적합한 사변형 장치로서, 전기 아크 로내로 제 1 하향 각으로 기체의 코히어런트 분사물을 제공하기 위한 코히어런트 분사 개구, 코히어런트 분사 개구의 아래 및/또는 측면의 탄소 주입 노즐, 및 전기 아크 로내로 하나 이상의 산화제 흐름을 제공하기 위한 하나 이상의 후연소 노즐을 포함하며, 상기 산화제 흐름이 제 1 하향 각보다 작은 제 2 하향 각에 있는 장치.
본 발명의 또 다른 측면은 하기와 같다:
전기 아크 로의 벽내에 설치되기에 적합한 사변형 장치로서, 전기 아크 로내로 일정 하향 각으로 기체의 코히어런트 분사물을 제공하기 위한 코히어런트 분사 개구, 코히어런트 분사 개구의 아래 및/또는 측면의 탄소 주입 노즐, 및 전기 아크 로내로 다수의 산화제 흐름을 제공하기 위한 다수의 후연소 노즐을 포함하며, 상기 후연소 노즐은, 전기 아크 로내에서 산화제 흐름이 수렴되어 시트 형상을 형성하도록 배향되는 장치.
본 발명의 추가적 측면은 하기와 같다:
전기 아크 로내로 기체를 제공하는 방법으로서, 기체의 코히어런트 분사물을 사변형 장치의 코히어런트 분사 개구로부터 제 1 하향 각으로 전기 아크 로내로 통과시키는 단계, 후연소 산화제의 제 1 흐름을 사변형 장치의 제 1 후연소 노즐로부터 제 1 하향 각보다 작은 제 2 하향 각으로 전기 아크 로내로 통과시키는 단계, 후연소 산화제의 제 2 흐름을 사변형 장치의 제 2 후연소 노즐로부터 후연소 산화제의 제 1 흐름에 수렴하는 각으로 전기 아크 로내로 통과시키는 단계, 및 전기 아크 로내에서 후연소 산화제의 제 1 및 제 2 흐름으로부터 시트 형상의 후연소 산화제를 형성하는 단계를 포함한다.
본원에 사용된 용어 "코히어런트 분사물"이란 기체 흐름의 직경이 그 길이 방향으로 실질적으로 일정한 것을 말한다. 코히어런트 분사물은 통상 화염 엔벨로프(flame envelope)로 포위되고 즉, 그 내부에 있게 되고, 통상 음속을 갖는다.
본원에 사용된 용어 "랜싱(lancing)"이란 기체 흐름으로부터의 기체를 액체 표면에서 액체내로 제공하는 것을 말한다.
본원에 사용된 용어 "후연소"란 산화제를 용융 금속의 표면 위의 연소가능한 물질과 그 표면내에서 연소되도록 전기 아크 로내로 제공하는 것을 말한다.
본 발명은 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 도 1을 참조하면, 전기 아크 로(20)는 측벽(21) 및 바닥벽(22)을 갖고, 용융 금속(23)의 풀(pool)을 포함한 욕조를 포함한다. 일반적으로, 금속은 철 및 강철을 포함한다. 용융 상태이거나 고체일 수 있는 슬래그(slag) 층(24)은 용융 금속 위에 도시되어 있고, 찌거기 금속 층(25)이 슬래그 층(24)위에 도시되어 있다. 슬래그 층은 일반적으로 산화칼슘, 이산화규소, 산화마그네슘, 이산화알루미늄 및 산화철중 하나 이상을 포함한다. 찌거기 층은, 존재하는 경우, 용융 금속 풀(23)을 형성하도록 전극(26)에 의해 제공된 열로 용융된다. 용융 금속 풀은 금속 이외에 탄소 및/또는 탄화수소와 같은 산화 가능한 물질을 포함한다. 배기 기체는 배기관(27)을 사용하여 로 외부로 배출된다.
기체는 랜싱 또는 연소를 위해 측벽으로부터 로내로 통과되어 찌거기 용융 및/또는 용융 상태를 보장하기에 충분한 온도를 유지하는 데 조력한다. 또한, 기체는 후연소를 위해 로내로 통과될 수도 있다. 더욱이, 탄소질 물질이 랜싱된 산소와 연소되도록 용융된 금속과 혼합되게 로내로 통과될 수도 있다. 지금까지, 이러한 동작은 개별적 장치를 사용하고/거나 로의 벽에 원통형 도관을 불완전하게 설치하여 개별적으로 수행되었다. 본 발명은 종래 실행에 비하여 상당한 이점을 제공한다.
본 발명의 실현에 있어서, 랜싱 기체, 후연소 산화제 및 탄소질 물질은 모두 사변형 장치를 사용하여 전기 아크 로내로 제공된다. 바람직하게는, 사변형 장치는 90°의 끼인각을 갖는다. 하나 이상의 이러한 사변형 장치가 로에 사용될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 사변형 장치(40)는 제 1 사변형 부분(1)(이 구체예에서는 정방형임), 제 2 사변형 부분(2)(이 구체예에서는 직사각형임)을 포함한다. 사변형 장치(40)는 전기 아크 로의 측벽내로, 바람직하게는 측벽에 수평으로 설치되기에 적합하고, 도 1에 도시된 로내로 기체를 공급할 수 있게 위치된다. 장치는 통상 수냉식이고, 통상 4인치(10.16cm) 두께이다. 제 1 사변형 부분(1)에 대한 통상의 치수는 12×12 인치(30.48 × 30.48cm)이고, 제 2 사변형 부분(2)에 대하여는 6×12 인치(15.24 × 30.48cm)이다. 기타 적당한 치수가 사용될 수도 있다. 제 2 사변형 부분(2)은 제 1 사변형 부분(1)의 좌측, 우측 또는 위에 있을 수 있다.
코히어런트 분사 개구(3)는 사변형 장치(40)의 제 1 사변형 부분(1)내에 위치된다. 통상 장치(40)는 로의 벽(21)에 위치되며, 코히어런트 분사 개구(3)가 용융 금속의 표면에서 24 내지 50 인치(60.96 ×127cm) 위에 있게 된다. 코히어런트 분사 개구(3)는 코히어런트 분사물(41)을 용융 금속을 향해 제 1 하향 각으로 로내로 제공하는 코히어런트 분사 주입기를 수용한다. 제 1 하향 각은 통상 수평에 대해 35 내지 50°의 범위내이며, 바람직하게는 약 40°이다. 코히어런트 분사물(41)은 로내로 도 2에 도시된 사변형 장치(40)의 측면에 대해 수직으로 주입될 수 있으며, 또는 좌측 또는 우측의 측방향으로 각을 이룰 수도 있다. 측방향으로 각을 이루는 경우, 측방향 각은 30°를 초과해서는 않되고, 바람직하게는 20°를 초과해서는 않된다. 예를 들어, 미국특허 제5,814,125호 및 제6,096,261호가 코히어런트 분사를 발생시키기 위한 방법 및 구조를 설명하기 위해 언급될 수 있다. 통상, 코히어런트 분사 주입기는 수렴/발산 노즐 및 수렴/발산 노즐 주위의 고리내에 화염 엔벨로프 제공 수단을 포함한다. 코히어런트 분사물을 구성하는 기체로서 임의의 기체가 사용될 수 있다. 그러한 기체로는, 예를 들어, 순수한 산소 또는 산소 부화 공기(이것은 기체가 전기 아크 로내에서 연소를 위하여 사용되는 경우 특히 유용함), 아르곤과 같은 불활성 기체, 또는 하나 이상의 불활성 기체의 혼합물(이것은 기체가 전기 아크 로 내에서 교반을 위해 사용되는 경우 특히 유용함)이 있다.
사변형 장치(40)의 코히어런트 분사 개구(3)의 아래 및/또는 측면, 바람직하게는 아래의 측면에는, 탄소질 물질의 흐름(42)을 로내로 제공하기 위해 사용되는 탄소 주입 노즐(4)이 있다. 탄소질 물질은 통상 운반 기체 중의 분말 석탄이지만, 예를 들어 오일과 같이 액체일 수도 있으며, 또는 예를 들어 메탄, 프로판 등의 기체일 수도 있다. 탄소질 물질 흐름(42)은 용융 금속을 향하고, 바람직하게는 탄소질 흐름(42) 및 코히어런트 분사물(41)이 용융 금속 욕조상의 대략 동일 지점에서 충돌하게 각을 이룬다. 코히어런트 분사물이 측방향으로 각을 이루는 경우, 탄소 주입 노즐은 바람직하게는 측면에 있게 되며, 이 경우 탄소질 흐름이 욕조에서 코히어런트 분사물과 만나기 전에 이동하는 거리를 최소화하도록 분사가 각을 이루게 된다.
또한, 사변형 장치는 하나 이상의 후연소 노즐을 포함한다. 도 2에 도시된 구체예에서, 후연소 산화제를 로내로 제공하기 위한 후연소 노즐(5, 6, 7)은 사변형 장치(40)내에 위치된다. 도 2에 도시된 구체예에서, 다수의 후연소 노즐(5, 6, 7)은 사변형 장치(40)의 제 2 사변형 부분(2)내에 위치된다. 각각의 후연소 노즐은 로내에서의 후연소를 위한 산화제의 각각의 흐름(45, 46, 47)을 제공한다. 산화제는 공기, 산소 부화된 공기 또는 순수한 산소일 수 있다. 일반적으로, 후연소 산화제는 산소 농도가 70 몰% 이상, 바람직하게는 90 몰% 이상, 가장 바람직하게는 95 몰% 이상이다. 후연소 산화제 흐름(들)은 일반적으로 아음속을 갖고, 일반적으로 100 내지 980 ft/s(30.48 내지 298.70m/s)의 범위내이며, 통상 0.20 내지 0.72 마하수의 범위내이다.
도 2는 다수의 후연소 산화제 흐름들이 각각 제 1 하향 각보다 작은 제 2 하향 각으로 로내로 통과되는 바람직한 일 구체예이며, 제 2 하향각은 일반적으로 수평에 대해 20 내지 30°의 범위이다. 후연소 산화제 흐름들은 모두 동일한 하향 각이거나 또는 일반적으로 상이한 하향 각일지라도 동일한 측방향 각으로써 일산화탄소가 발생하는 용융 금속의 영역을 보다 잘 커버한다.
도 3은 2이상의 후연소 산화제 흐름이 시트 형상의 후연소 산화제를 형성하도록 수렴되는 본 발명의 바람직한 일 구체예를 도시하고 있다. 이제 도 3을 참조하면, 제 1 후연소 산화제 흐름(50)이 제 1 후연소 노즐(51)로부터 로내로 주입되고, 제 2 후연소 산화제 흐름(52)이 제 2 후연소 노즐(53)로부터 로내로 주입된다. 2개의 후연소 노즐은 일반적으로 3 내지 8 인치(7.62 내지 20.32cm), 도 3에 L로 도시된 바와 같이 통상 약 4 인치(10.16cm) 이격되어 있으며, 각각의 후연소 산화제 흐름이 수렴되는 경우 각 θ를 형성하도록 서로를 향해 각을 이루게 각각의 후연소 산화제 흐름을 주입시킨다. θ는 일반적으로 5 내지 45°의 범위내이고, 바람직하게는 10 내지 20°의 범위내이며, 통상 약 12°이다. 수렴하는 후연소 산화제 흐름들은 시트 형상의 후연소 산화제(54)를 형성하여 후연소 산화제의 산소가 전기 아크 로의 헤드영역(headspace)내의 산화 가능한 종과 접촉이 향상되게 하는데 기여하여, 후연소의 효능을 개선한다. 시트 형상을 형성하는 후연소 산화제 흐름들의 수렴은 각각의 후연소 산화제가 고속을 유지하면서 로내로 투과되는 것을 제한하는데 기여한다.
도 4는 시트 형상의 후연소 산화제를 이용하는 본 발명의 동작을 도시한다. 도 4의 도면 부호는 공통 부재에 대하여 도 2 및 도 3의 것과 동일하고, 이러한 공통 부재는 다시 상세하게 설명되지 않을 것이다. 일반적으로, 시트 형상의 후연소 산화제의 하향 각은 수평으로부터 10 내지 40°의 범위내이고, 바람직하게는 20 내지 30°의 범위내이며, 통상 약 25°이다.
본 발명이 특정 바람직한 구체예를 참조하여 설명되었더라도, 당업자라면 청구항의 사상 및 범주 내에서 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 장치를 사용하면 랜싱 기체, 후연소 산화제 및 탄소질 물질은 모두를 전기 아크 로내로 제공할 수 있다.
코히어런트 분사물을 구성하는 기체로서 순수한 산소 또는 산소 부화 공기가 사용될 수 있고, 이것은 기체가 전기 아크 로내에서 연소를 위하여 사용되는 경우 특히 유용하며, 아르곤과 같은 불활성 기체, 또는 하나 이상의 불활성 기체의 혼합물도 사용될 수 있으며, 이것은 기체가 전기 아크 로 내에서 교반을 위해 사용되는 경우 특히 유용하다.
본 발명에 의한 수렴하는 후연소 산화제 흐름들은 시트 형상의 후연소 산화제를 형성하여 후연소 산화제의 산소가 전기 아크 로의 헤드영역내의 산화 가능한 종과 접촉이 향상되게 하는데 기여하여, 후연소의 효능을 개선한다. 시트 형상을 형성하는 후연소 산화제 흐름들의 수렴은 각각의 후연소 산화제가 고속을 유지하면서 로내로 투과되는 것을 제한하는데 기여한다.

Claims (10)

  1. 전기 아크 로의 벽내에 설치되기에 적합한 사변형 장치로서,
    기체의 코히어런트 분사물을 제 1 하향 각으로 상기 전기 아크 로내로 제공하기 위한 코히어런트 분사 개구;
    상기 코히어런트 분사 개구의 아래, 측면 또는 아래의 측면에 위치한 탄소 주입 노즐; 및
    하나 이상의 산화제 흐름을 상기 제 1 하향 각보다 작은 제 2 하향 각으로 상기 전기 아크 로내로 제공하기 위한 하나 이상의 후연소 노즐을 포함하는,
    사변형 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 코히어런트 분사 개구 및 상기 탄소 주입 노즐을 포함하는 제 1 사변형 부분, 및 상기 후연소 노즐을 포함하는 제 2 사변형 부분으로 구성되는,
    사변형 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 탄소 주입 노즐이 상기 코히어런트 분사 개구의 아래의 측면에 위치되는,
    사변형 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 다수의 산화제 흐름을 상기 전기 아크 로내로 제공하기 위한 다수의 후연소 노즐을 갖는,
    사변형 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 다수의 후연소 노즐 중 2개 이상이, 상기 노즐들로부터의 각각의 산화제 흐름이 상이한 제 2 하향 각을 갖도록 배향되는,
    사변형 장치.
  6. 전기 아크 로의 벽내에 설치되기에 적합한 사변형 장치로서,
    기체의 코히어런트 분사물을 일정 하향 각으로 상기 전기 아크 로내로 제공하기 위한 코히어런트 분사 개구;
    상기 코히어런트 분사 개구의 아래, 측면 또는 아래의 측면에 위치한 탄소 주입 노즐; 및
    다수의 산화제 흐름을 상기 전기 아크 로내로 제공하는 다수의 후연소 노즐을 포함하며,
    상기 후연소 노즐은 상기 산화제 흐름이 수렴하여 상기 전기 아크 로 내에서 시트 형상의 기체를 형성하도록 배향되는,
    사변형 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 코히어런트 분사 개구 및 상기 탄소 주입 노즐을 포함하는 제 1 사변형 부분, 및 상기 다수의 후연소 노즐을 포함하는 제 2 사변형 부분으로 구성되는,
    사변형 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 탄소 주입 노즐이 상기 코히어런트 분사 개구의 아래의 측면에 위치되는,
    사변형 장치.
  9. 전기 아크 로내로 기체를 제공하는 방법으로서,
    기체의 코히어런트 분사물을 사변형 장치의 코히어런트 분사 개구로부터 제 1 하향 각으로 상기 전기 아크 로내로 통과시키는 단계;
    후연소 산화제의 제 1 흐름을 상기 사변형 장치의 제 1 후연소 노즐로부터 제 1 하향 각보다 작은 제 2 하향 각으로 상기 전기 아크 로내로 통과시키는 단계;
    후연소 산화제의 제 2 흐름을 상기 사변형 장치의 제 2 후연소 노즐로부터, 후연소 산화제의 제 1 흐름에 수렴되는 각으로 상기 전기 아크 로내로 통과시키는 단계; 및
    상기 전기 아크 로내에서 상기 후연소 산화제의 제 1 및 제 2 흐름으로부터 시트 형상의 후연소 산화제를 형성하는 단계를 포함하는,
    전기 아크 로내로 기체를 제공하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 탄소질 물질의 흐름을 상기 사변형 장치의 탄소 주입 노즐로부터 상기 전기 아크 로내로 제공하는 단계를 더 포함하는,
    전기 아크 로내로 기체를 제공하는 방법.
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