KR100727209B1 - 화염 엔벨로프 포트가 정렬된 연장부 없는 응집 제트 시스템 - Google Patents

화염 엔벨로프 포트가 정렬된 연장부 없는 응집 제트 시스템 Download PDF

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Abstract

응집 제트 랜스와 작동 방법에 관한 것으로, 주 가스 제트 둘레에 제각기 연료와 산화제 화염 엔벨로프 가스를 전달하고 가스 제트를 응집상태로 유지하는 포트의 두 링을 사용함에 있어서 두 링의 포트를 랜스 면상에 정렬해서, 랜스 연장부에 대한 필요성을 제거하는 것이다.

Description

화염 엔벨로프 포트가 정렬된 연장부 없는 응집 제트 시스템 {EXTENSIONLESS COHERENT JET SYSTEM WITH ALIGNED FLAME ENVELOPE PORTS}
도 1은 랜스 면(lance face)의 한 바람직한 실시예의 정면도.
도 2는 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 이러한 랜스 면을 갖는 랜스의 한 바람직한 실시예의 단면도.
도 3은 도 1 및 2에서 도시된 본 발명의 실시예의 작동 상태도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
3 : 랜스 4 : 노즐 구멍
6 : 랜스 면 7 : 분사 볼륨
30 : 제 1링 31 : 제 2링
24 : 화염 엔벨로프 또는 화염 쉬라우드
본 발명은 일반적으로 응집 제트 기술에 관한 것이다.
가스 랜싱 분야에서 최근 현저한 진보는 공지된 응집 제트 기술, 예를 들어 안더션 등의 미국 특허 제 5,814,125호와 제 6,171,544호의 개발이다. 이런 기술의 실행에 있어서, 하나의 랜스상의 하나 이상의 노즐로부터 방출된 하나 이상의 고속 가스 제트는 고속 가스 제트 둘레에 따라서 화염 엔벨로프(flame envelope)를 사용함으로써 상당히 긴 거리까지 응집상태로 유지된다. 화염 엔벨로프범위는 고속 가스 제트 노즐 둘레의 포트의 두 개의 링, 내부 링과 외부 링으로부터 제각기 랜스에서 방출된 연료와 산화제의 연소에 의해서 형성된다. 통상적으로, 화염 엔벨로프용 연료는 포트의 내부 링으로부터 방출되고 화염 엔벨로프용 산화제는 포트의 외부 링으로부터 방출된다. 랜스 주변상의 연장부는 고속 제트와 화염 엔벨로프 유체가 노즐과 포트로부터 제공되어 지는 보호된 재순환 영역을 형성한다. 이런 재순환 영역은 방출된 유체를 약간 재순환시킬 수 있어서 화염 엔벨로프의 점화를 개선시킬 수 있고 화염 엔벨로프의 안정성을 개선시킬 수 있으므로, 응집성을 강화시키고 이에 따라서 고속 가스 제트의 길이를 길게 할 수 있다. 응집 제트는 액체 표면위의 상당히 먼 거리로부터 용융 금속과 같은 액체 내로 가스를 도입시키는데 사용될 수 있다. 이러한 응집 제트중 매우 중요한 한 분야는 전기 아크노와 BOF (Basic Oxygen Furnace)와 같은 제강 작업에 사용할 목적으로 산소를 제공하기 위한 것이다.
이런 재순환 연장부는 이전의 응집 제트 시스템을 보다 개선하고 있지만은, 팁을 수냉할 필요가 있기 때문에 랜스 디자인과 랜스 수명에 대해서 약간의 문제점이 있다. 이들 문제점은 특히 응집 제트 시스템이 BOF와 같은 매우 나쁜 환경에서 사용될 때 관심거리이다.
따라서, 본 발명의 목적은 랜스로부터 방출된 가스에 대한 재순환 영역을 설정함에 있어서 랜스 연장부 또는 다른 요소를 필요로 하지 않는 효율적인 응집 가스 제트를 만들수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 개시 내용을 읽을 때 당업자에게 명백해질 상기 목적 및 기타 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 그 중 한 양태는 다음과 같다.
하나 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법은,
(A) 하나 이상의 노즐 둘레에 포트의 제 1링과, 각각의 포트가 상기 포트의 제 1링의 포트와 정렬되어 있는, 상기 하나 이상의 노즐 둘레에 포트의 제 2링을 갖은 랜스 면을 가지는 랜스내에 수용된 상기 하나 이상의 노즐로부터 하나 이상의 가스 제트를 분출하는 단계와,
(B) 상기 포트의 링들중 하나로부터 연료를 분출하고 상기 포트의 다른 링으로부터 산화제를 분출하는 단계로서, 상기 하나 이상의 가스 제트와 상기 연료와 상기 산화제를 상기 랜스로부터 상기 랜스의 연장부에 의해 형성된 재순환 영역을 통과하지 않고 분사 볼륨으로 직접 분출하는 단계와,
(C) 상기 포트의 제 1 및 제 2링으로부터 분출된 상기 연료와 상기 산화제를 연소하여 상기 하나 이상의 가스 제트 둘레에 화염 엔벨로프를 만드는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 다음과 같다.
응집 제트 랜스는,
(A) 랜스 면을 갖고 있으며 상기 랜스 면에 구멍이 있으며 상기 랜스 면에 인접한 재순환 영역을 형성하는 연장부가 없는 하나 이상의 노즐을 갖는 랜스와,
(B) 상기 노즐 구멍 둘레의 포트의 제 1링과, 각각의 포트가 상기 포트의 제 1링의 포트와 정렬되어 있는, 상기 하나 이상의 노즐 둘레에 상기 포트의 제 1링으로부터 방사방향으로 이격된 제 2링과,
(C) 상기 포트의 링중 하나에 연료를 제공하는 수단과 상기 포트의 다른 링에 산화제를 제공하는 수단을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "랜스 면 반경"은 랜스 면의 중심으로부터 랜스 면의 주변까지 이어지는 가상선을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "정렬"은 동일 랜스 면 반경을 두 점으로 가르다는 것을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 " 연장부"는 랜스에 물리적으로 접속하든지 또는 그렇지 않은지 랜스 면에 인접한 보호 볼륨 또는 영역을 형성하는 기능을 하는 약간의 구조물을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "랜스 면"은 분사 볼륨(injection volume)에 인접한 랜스의 표면을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "응집 제트"은 가스를 노즐로부터 방출시켜 형성되고 20d(여기서, d는 노즐의 출구 직경) 이상의 길이를 따라서, 노즐로부터 방출시의 속도 및 운동량 프로필과 유사한 속도 및 운동량 프로필을 갖는 가스 제트를 의미한다. 응집 제트는 달리 설명하면 20d 이상의 거리 동안 제트의 직경에 거의 또는 전혀 변화가 없는 가스 제트이다.
본원에서 사용된 용어 "길이"는 응집성 가스 제트를 언급하는 경우 가스가 방출되는 노즐로부터 응집 가스 제트의 의도하는 충돌 지점까지 또는 가스 제트가 응집되지 않는 지점까지의 거리를 의미한다.
도면 부호는 공통 요소에 대해서 동일하다.
본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 흐름 화살표(1)로 도시된 가스가 하나 이상의 노즐(2), 바람직하게는 수렴/분산 노즐을 통과한 후, 랜스(3)로부터 나와 랜스 면(6) 상의 노즐 구멍(4)을 통과하여 분사 볼륨(7) 내에서 응집 가스 제트 스트림(5)을 형성한다. 전형적으로, 가스 스트림(5)의 속도는 초당 700 내지 3000피트(fps)의 범위 내이다. 바람직하게는, 가스 스트림(5)의 속도는 랜스 면으로부터 방출시 형성되는 경우에는 초음속이며 20d 이상의 거리 동안 초음속을 유지한다. 도면에는 단 4개의 노즐을 통해 제각기 랜스로부터 방출된 4개의 응집 가스 제트를 사용하는 실시예를 도시하고 있지만, 본 발명의 실시에 있어서 각 노즐을 통해서 랜스로부터 방출된 가스 제트의 수는 1 내지 6개의 범위일 수 있다. 바람직하게, 응집 가스 제트가 분사되어지는 분사 볼륨은 제강노와 같은 금속 제조노이다. 보다 바람직하게는, 다수의 노즐이 사용되면, 각 노즐은 서로로부터 그리고 랜스의 중앙 축선으로부터 경사져 있다.
임의의 유효 가스는 본 발명의 실시에 있어서 응집 제트를 형성하기 위한 가스로서 사용될 수 있다. 이러한 가스중에서 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수 소, 헬륨, 수증기, 및 탄화수소 가스를 언급할 수 있다. 또한, 2 이상의 가스를 포함하는 혼합물, 예를 들어 공기가 본 발명의 실시에 있어서 이러한 가스로서 사용될 수 있다.
포트의 제 1링(30)은 노즐 개구(4) 둘레의 랜스 면상에 위치되어 있고, 포트의 제 2링(31)은 노즐 개구(4) 둘레의 랜스면상에 위치되어 있고 포트의 제 1링(30)으로부터 방사방향으로 외향으로 이격되어 있다. 링(30)은 바람직하게 1.5 내지 20인치 범위의 직경을 가지는 원형이다. 링(31)은 바람직하게 1.75 내지 23인치 범위의 직경을 가지는 원형이다. 일반적으로, 링(30, 31) 각각은 4 내지 48 포트를 포함할 것이고, 각 포트는 바람직하게 0.05 내지 1.25인치 범위의 직경을 가지는 원형이다. 제 1링(30)이든지 또는 제 2링(31)이든지 또는 양 링(30, 31)이 다른 링상의 포트와 정렬되지 않은 하나 또는 소수의 추가의 포트를 포함하는 경우에도 본 발명의 효율이 상실되지 않지만은, 포트의 제 2링(31)의 각 포트는 포트의 제 1링(30)의 포트와 정렬되어 있다. 연료는 포트의 두 링중 하나, 적합하게 내부 또는 제 1링(30)에 제공되고 산화제는 포트의 다른 링, 적합하게 외부 또는 제 2링(31)에 제공된다. 연료와 산화제는 랜스로부터 방출되어 이들 각 포트의 링으로부터 분사 볼륨(7)으로 방출된다. 포트의 링으로부터 방출된 연료와 산화제의 속도는 아음속, 음속 또는 초음속일 수 있다. 분사된 연료와 산화제의 음속과 초음속도는 포트로 들어가 막는 이물질의 제거를 보강하며, 이것은 특히 본 발명이 제강노와 같은 나쁜 환경에 사용될 때 매우 중요하다. 바람직하게, 분사된 연료와 산화제의 속도는 마하 1보다 큰 마하 2까지의 속도에 있는 초음속일 수 있다.
포트로부터 방출된 연료는 바람직하게 가스성이고 메탄 또는 천연가스와 같은 임의의 연료일 수 있다. 포트로부터 방출된 산화제는 공기와, 공기의 산소보다 높은 산소 농도를 가지는 산소농후 공기 또는 적어도 90 몰퍼센트의 산소 농도를 가지는 상업적인 산소일 수 있다. 바람직하게, 산화제는 적어도 25 몰퍼센트의 산소 농도를 가지는 유체이다.
랜스로부터 분출된 연료와 산화제는 가스 제트(5) 둘레에 가스 엔벨로프 범위를 형성하고 이것이 연소하여 용융 금속노와 같은 분사 볼륨내에 가스 제트(5) 둘레로 화염 엔벨로프 또는 화염 쉬라우드(flame shroud)(24)를 형성한다. 가스 스트림(5) 둘레의 화염 엔벨로프(24)는 주위 가스가 가스 스트림으로 끌어당겨지도록 하는 작용을 함으로써, 적어도 각 노줄 출구로부터 20d 거리 동안에서는 가스 스트림의 속도를 크게 감소시키지 못하고 가스 스트림의 직경을 크게 증가시키지 못하게 한다. 즉, 화염 엔벨로프 또는 화염 쉬라우드(24)는 각 노즐 출구로부터 적어도 20d의 거리 동안에 응집 제트로서 가스 스트림(5)을 설정해서 유지하는 역할을 한다.
본 발명의 가장 큰 장점은 랜스상에 연장부를 사용할 필요 없이 랜스로부터 효율적인 응집 가스 제트를 형성할 수 있다는 능력이다. 이전에는, 랜스 연장부는 랜스 면에 인접해서 보호된 재순환 영역을 형성해서 상기 보호된 재순환 영역으로 분사되어지는 화염 쉬라우드 가스의 점화와 연소를 개선시키고, 그러므로 가스 제트의 응집성을 개선시키는데 사용되어왔다. 이러한 랜스 연장부를 사용하면 점화 응집 가스 제트 실시에 큰 개선점을 주지만, 이런 연장부의 사용으로 인해서 약간의 문제점이 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 랜스로부터 방출된 가스는 랜스 연장 부에 의해 형성된 보호 영역 또는 재순환 영역을 통과하지 않고 직접 분사 볼륨으로 들어가며, 여기서도 랜스 연장부를 사용해서 관찰된 응집성의 개선을 여전히 달성한다.
테스트를 실행해서 본 발명의 효율을 평가하고 비교 테스트를 실행해서 본 발명의 장점을 설명한다. 테스트에 사용된 연료는 천연 가스이고 테스트에 사용된 산화제는 99 몰퍼센트의 산소농도를 가지며 2차 산소로 언급된다. 각 테스트에서, 랜스는 가스 제트를 제공하기 위한 4개의 노즐을 가진다. 가스 제트용 가스는 99 몰퍼센트의 순도를 가지는 산소이고 주 산소로서 언급된다. 테스트한 결과는 아래에 보고되어 있지만, 이는 본 발명을 설명할 목적이지 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
4개의 노즐 각각을 40,000 scfh의 전체 주 산소에 대해서, 165의 psig 공급압을 가진 주 산소의 10,000 scfh(standard cubic fee per hour)를 허용하도록 디자인한다. 각 노즐은 제각기 출구의 직경을 0.38인치로 하고 목부의 직경을 0.26인치로 해서 랜스로부터 외향으로 12도 정도 경사지게 되어 있다. 연료는 링 직경이 1.56인치인 경우에 0.154인치의 직경을 가지는 16포트의 내부 링에 제공된다. 비교 테스트를 위해서, 제 2산소는 링 직경이 2.125인치이고 포트가 내부 링의 포트에 대해서 오프셋 또는 어긋난 경우에 0.23인치의 직경을 가지는 12포트의 외부 링에 제공된다. 연료와 제 2산소의 유량은 제각기 5000scfh와 4000scfh이며 그 결과로 제각기 670fps와 320fps 속도를 낸다. 랜스는 0.5인치 길이의 재순환 연장부를 가진다. 이런 종래 디자인은 약 18 인치의 양호한 응집 제트를 만들지만, 재순환 연장부 길이가 0.25인치로 감소되면 이 길이는 16인치로 떨어지고, 더욱이 재순환 연장부 길이가 0.1인치로 감소되면 이 길이는 14인치로 떨어진다. 재순환 연장부가 없으면 화염 엔벨로프는 불안정하고 가스 제트는 응집성을 잃어버린다. 외부 링이 내부 링상의 포트에 각각 정렬된 0.199인치 직경의 16포트를 가지는 본 발명을 사용해서 테스트를 실행한다. 이 경우에 응집 제트의 길이가 감소하지 않고, 랜스상의 연장부가 없어도, 응집 제트는 안정하고 18인치의 길이를 가진다.
도면에 도시한 것과 유사한 4개의 노즐 장치를 사용한 위에서 보고된 테스트외에, 위에 보고된 것과 유사한 테스트와 비교 테스트를 싱글 노즐이고 그리고 2.0인치 직경이고 0.154 인치 직경의 16포트를 가지는 내부 링과 2.75인치 직경이고 0.199 인치 직경의 16포트를 가지는 외부 링을 가진 랜스에서 실행한다. 한 테스트 과정(one test series)에서, 외부 링 포트들은 내부 링 포트에 대해서 오프셋되고 다른 테스트 과정에서는 외부 링 포트들은 내부 링 포트에 정렬되어 있다. 노즐은 제각기 0.81인치 직경의 출구와 0.62인치 직경의 목부를 가지며 주 산소는 100psig에서 36,000 scfh로 공급된다. 연료와 제 2산소의 유량과 속도는 이전 보고한 테스트에서와 동일하다. 연장부 길이가 0.5인치 이하로 감소되면, 화염 쉬라이드는 오프셋 또는 비정렬된 상태에서는 폽핑 불안정(popping instabilities)을 나타내고, 응집 제트 길이는 크게 약 50인치로부터 40 인치 이하로 줄어든다. 그러나, 본 발명의 정렬 상태에서는, 화염 엔벨로프는 랜스상에 연장부가 없어도 안정하게 남아 있고 응집 제트 길이는 약 50인치로 유지된다.
본 발명을 특정 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 당업자는 청구 범위의 사상 및 범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 존재함을 인지할 것이다.
랜스로부터 방출된 가스에 대한 재순환 영역을 설정함에 있어서 랜스 연장부 또는 다른 요소를 필요로 하지 않는 효율적인 응집 가스 제트를 만들수 있는 시스템을 제공한다.

Claims (10)

  1. (A) 두 개 이상의 노즐 둘레에 포트의 제 1링과, 각각의 포트가 상기 포트의 제 1링의 포트와 정렬되어 있는, 상기 두 개 이상의 노즐 둘레에 포트의 제 2링을 갖는 랜스 면을 가지는 랜스 내에 수용되는 상기 두 개 이상의 노즐로부터 두 개 이상의 가스 제트를 분출하는 단계,
    (B) 상기 포트의 링들 중 하나의 링으로부터 연료를 분출하고 상기 포트의 다른 링으로부터 산화제를 분출하는 단계로서, 상기 두 개 이상의 가스 제트와 상기 연료와 상기 산화제를 상기 랜스로부터 상기 랜스의 연장부에 의해 형성되는 재순환 영역을 통과하지 않고 분사 볼륨으로 직접 분출하는 단계, 및
    (C) 상기 포트의 제 1 및 제 2링으로부터 분출된 상기 연료와 상기 산화제를 연소하여 상기 두 개 이상의 가스 제트 둘레에 화염 엔벨로프를 만드는 단계를 포함하는,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 랜스로부터 분출되는 가스 제트는 초음속을 가지는,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 랜스로부터 다수의 가스 제트를 분출하는,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 포트의 제 1 및 제 2링으로부터 분출되는 상기 연료와 상기 산화제의 속도가 음속인,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 포트의 제 1 및 제 2링으로부터 분출되는 상기 연료와 상기 산화제의 속도가 초음속인,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 가스 제트와 상기 연료와 상기 산화제를 상기 랜스로부터 용융 금속노로 분출하는,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 가스 제트 각각을 20d 이상으로 이동하면서도, 상기 가스 제트의 직경을 거의 일정하게 유지하며, 여기서 d는 상기 가스 제트가 통과하는 노즐의 출구 직경인,
    두 개 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법.
  8. (A) 랜스 면을 갖고 있으며 상기 랜스 면에 구멍이 있으며 상기 랜스 면에 인접한 재순환 영역을 형성하는 연장부가 없는 두 개 이상의 노즐을 갖는 랜스,
    (B) 상기 노즐 구멍 둘레의 포트의 제 1링과, 각각의 포트가 상기 포트의 제 1링의 포트와 정렬되어 있는, 상기 개구 둘레의 상기 포트의 제 1링으로부터 방사방향으로 이격되는 포트의 제 2링, 및
    (C) 상기 포트의 링들 중 하나에 연료를 제공하는 수단과 상기 포트의 다른 링에 산화제를 제공하는 수단을 포함하는,
    응집 제트 랜스.
  9. 제 8항에 있어서,
    다수의 노즐을 포함하는,
    응집 제트 랜스.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 노즐 각각은 랜스 중앙선으로부터 경사져 있는,
    응집 제트 랜스.
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