KR20010078230A - 인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을제공하기 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스를 하나 이상의 난류 가스 분사물에 인접하는 하나 이상의 코히어런트 가스 분사물로 주입 용적에 제공하는 시스템에 있어서, 코히어런트 가스 분사물이, 난류 가스 분사물이 직접 제공되는 주입 용적에 제공되기 전에 불꽃 엔벨로프와 함께 성형 용적에 형성됨을 특징으로 하는 시스템에 관한 것이다.

Description

인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을 제공하기 위한 시스템 {SYSTEM FOR PROVIDING PROXIMATE TURBULENT AND COHERENT GAS JETS}
본 발명은 일반적으로 기체 역학에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 코히어런트 가스 분사 기술에 관한 것이다.
최근 기체 역학 분야에서 중요한 진전은 장거리를 이동할 수 있으면서 초기 속도 전부를 유지할 수 있고 분사 직경의 증가가 거의 없는 가스의 레이저형 분사물을 생성시키는 코히어런트 분사 기술의 개발에 있다. 코히어런트 분사 기술의 매우 중요한 상업적 용도중 하나는, 가스를 용융 금속과 같은 액체에 도입시키므로써 기체 랜스가 액체 표면으로부터 큰 거리로 이격될 수 있어, 가스의 대부분이 액체의 표면으로부터 편향되어 액체를 도입하지 않는 종래의 실시에서 가능한 것보다 훨씬 많은 가스가 액체를 퉁과하기 때문에 작업을 안전하게 할 수 있을 뿐만 아니라 효율적인 작업을 가능하게 한다는 것이다.
때로는, 공업용 작업에서는 코히어런트 가스 분사물와 난류 가스 분사물을 동시에 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제강시, 때로는 교반의 목적으로 가스를 용융 금속에 주입시키기 위해 코히어런트 가스 분사물을 사용하면서 연소 및/또는 탈탄의 목적으로 하나 이상의 난류 가스 분사물을 사용하는 것이 바람직하다. 난류 가스 분사물은 서로 인접하여 이동하는 경우에 또 다른 가스 분사물을 분열시킬 수 있다. 현존하는 기술의 경우에, 코히어런트 가스 분사물 및 난류 가스 분사물을 동시에 둘다 사용하는 것이 바람직한 공업용 작업은 비용이 많이 드는 두개의 독립된 가스 운반 시스템을 사용할 것을 요한다.
따라서, 본 발명의 목적은 서로 인접하는 코히어런트 가스 분사물 및 난류 가스 분사물 둘 모두를 주입 용적에 효율적으로 제공할 수 있는 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 랜스 팁(lance tip)의 특히 바람직한 일 구현의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 상면도이다.
도 3은 실시중인 본 발명의 방법을 도시한 단면도이다.
(도면 부호는 공통 요소에 대해 동일하다)
* 주요 도면 부호에 대한 간단한 설명 *
1: 가스 2: 코히어런트(coherent) 가스 분사물 제공 수단
3: 코히어런트 가스 통로 4: 코히어런트 가스 노즐
5: 성형 용적 6: 연료
7: 연료 통로 8: 산화제
9: 산화제 통로 11: 인젝션 스페이스(injection space)
14: 난류 가스 노즐 15: 랜스면(lance face)
30: 가스 분사물 31: 불꽃 엔벨로프(flame envelope)
32: 난류 가스 분사물
상기 목적 및 그 밖의 목적은 본 명세서를 숙지한 당업자에게는 자명하게 될 것이며, 하기에 기술될 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 일면은,
(A) 가스 분사물을 성형 용적에 제공하고, 연료 흐름을 가스 분사물에 대해 환상으로 성형 용적에 제공하고, 산화제 흐름을 가스 분사물에 환상으로 성형 용적에 제공하는 단계;
(B) 산화제를 연료로 연소시켜 가스 분사물 주위에 불꽃 엔벨로프를 형성시키는 단계;
(C) 가스 분사물과 불꽃 엔벨로프를 성형 용적으로부터 인젝션 스페이스에 제공하는 단계로서, 가스 분사물이 코히어런트 가스 분사물인 단계; 및
(D) 하나 이상의 난류 가스 분사물을 코히어런트 가스 분사물에 인접하는 인젝션 스페이스에 제공하는 단계로서, 이때 불꽃 엔벨로프가 코히어런트 가스 분사물과 난류 가스 분사물 사이에 있는 단계를 포함하여 인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을 주입 용적에 제공하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은,
(A) 성형 용적과 소통되는 아웃풋(output)을 갖는 코히어런트 가스 노즐을 포함하고, 성형 용적은 주입 용적과 소통되는 코히어런트 가스 분사물 제공 수단;
(B) 연료를 코히어런트 가스 노즐에 대해 환상으로 성형 용적에 제공하기 위한 수단;
(C) 산화제를 코히어런트 가스 노즐에 대해 환상으로 성형 용적에 제공하기 위한 수단; 및
(D) 코히어런트 가스 분사물 제공 수단에 인접하고, 주입 용적과 직접 소통되는 아웃풋을 갖는 난류 가스 노즐을 포함하는 난류 가스 분사물 제공 수단을 포함하여 인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을 주입 용적에 제공하기 위한 장치에 관한 것이다.
본원에서 사용된 용어 "코히어런트 분사물"은 노즐로부터 가스를 분사시키므로써 형성되고, 그 길이를 따라, 노즐로부터의 분사시 속도와 운동량 프로파일이 유사한 속도 및 운동량을 갖는 가스 분사물을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "환상"은 고리 형태를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "불꽃 엔벨로프"는 하나 이상의 가스 스트림과 사실상 동축인 환상 연소 스트림을 의미한다.
본원에서, 용어 "길이"는 가스가 분사되는 노즐로부터 코히어런트 가스 분사물의 의도된 충돌 지점 또는 가스 분사물의 코히어런트가 중단되는 지점까지의 거리를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "난류 분사물"은 노즐로부터 가스를 분사시키므로써형성되고, 그 길이를 따라, 노즐로부터의 분사시 속도와 운동량 프로파일이 변화된 속도 및 운동량을 갖는 가스 분사물을 의미한다
본 발명은 가스 분사물의 타입 또는 이로부터 얻어질 수 있는 이점을 손상시키지 않고 서로 인접하는 코히어런트 가스 분사물 및 난류 가스 분사물을 동시에 제공할 수 있는 시스템에 관한 것이다. 매우 바람직하게는, 두개의 상이한 가스 분사 타입 둘 모두가 동일한 랜스를 사용하여 제공된다.
본 발명은 도면을 참조로 보다 상세하게 설명될 것이다. 가스 공급원(미도시됨)으로부터의 가스(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 바람직하게는 수렴/발산 노즐인 코히어런트 가스 노즐(4) 및 코히어런트 가스 통로(3)를 포함하는 코히어런트 가스 분사물 제공 수단(2)을 통과한다. 가스(1)는 코히어런트 가스 분사물을 형성하기에 유용한 가스일 수 있다. 이러한 가스 중에는, 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 스팀, 탄화수소 가스 및 이들을 하나 이상 함유하는 혼합물이 있을 수 있다. 코히어런트 가스 노즐(4)은 성형 용적(5)과 소통되고, 가스(1)는 가스 분사물(30)로서 성형 용적(5)에 제공된다.
연료 공급원(미도시됨)으로부터의 연료(6)는 코히어런트 가스 통로(3) 및 코히어런트 가스 노즐(4)과 동축이고, 이에 대해 환상인 통로(7)를 통과한다. 연료는 메탄, 프로판 또는 천연 가스와 같은 효과적인 가스상 연료일 수 있다. 연료 통로(7)는 성형 용적(5)과 소통되고, 연료 흐름은 연료 통로(7)로부터 가스 분사물(30)에 대해 환상으로 성형 용적(5)에 제공된다.
산화제 공급원(미도시됨)으로부터의 산화제(8)는 코히어런트 가스 통로(3)에대해 환상이고, 연료 통로(7)와 동축인 통로(9)를 통과한다. 산화제(8)는 공기, 산소 농도가 공기 농도를 초과하는 산소 농후 공기 또는 산소 농도가 99몰%이상인 상업용 공기일 수 있다. 바람직하게는, 산화제(8)는 산소 농도가 25몰% 이상인 유체이다. 산소 통로(9)는 성형 용적(5)과 소통되고, 산화제(8) 흐름은 산소 통로(9)로부터 바람직하게는 연료 흐름에 대해 환상으로 성형 용적(5)에 제공된다.
연료 흐름과 산화제 흐름은 연소되어, 가스 분사물(30)과 동축이고 이에 대해 환상인 불꽃 엔벨로프(31)를 형성한다. 바람직하게는, 불꽃 엔벨로프(31)는 가스 분사물(30)의 속도보다 속도가 낮으며, 일반적으로 속도가 300 내지 1500fps(feet per second)의 범위내에 있다. 도 1에 도시된 본 발명의 구현은 산화제 흐름을 연료 흐름 측으로 유도하여 보다 효율적인 불꽃 엔벨로프를 형성시키는 역할을 하는 변류기(10)를 갖는 바람직한 구현이다. 성형 용적(5)은 주입 용적(11)과 소통되고, 가스 분사물(30) 및 불꽃 엔벨로프(31)는 성형 용적(5)으로부터 주입 용적(11)으로 흘러나간다. 예를 들어, 기본 산소로 또는 주입 용적(11)은 배쓰 용광로(bath smelting furnace), 스테인레스강 제조용 컨버터(converter), 구리 컨버터 또는 고탄소 페로망간 정련로와 같은 그 밖의 노의 헤드스페이스(headspace)일 수 있다.
바람직하게는 내측으로 유도되는 산화제 흐름과 함께 불꽃 엔벨로프(31)로 인한, 가스 분사물(30)은 코히어런트 가스 분사물이고, 그 길이에 대해 코히어런트 가스 분사물이 잔류한다. 바람직하게는, 코히어런트 가스 분사물(30)은 초음속을 가지며, 일반적으로 1000 내지 2000fps 범위내의 속도를 갖는다.
코히어런트 가스 분사물 제공 수단(2)에 인접하여, 주입 용적(11)과 직접적으로 소통되는 난류 가스 노즐(14) 및 난류 가스 통로(13)를 포함하는 하나 이상의 난류 가스 분사물 제공 수단(12)이 존재한다. 도면에 도시된 구현에서는, 이러한 네개의 난류 가스 제공 수단이 중앙에 배치된 코히어런트 가스 분사물 제공 수단 둘레에 원형으로 배치되어 있다. 인접하다는 것은 도 2의 "L"로 도시된, 난류 가스 노즐(14)과 성형 용적(5) 사이의 랜스면(15)을 따르는 최단 거리가 2인치 이하, 일반적으로는 0.25 내지 2인치임을 의미한다. 바람직하게는, 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 난류 가스 노즐(들)은 수렴/발산 노즐이다.
가스 공급원(미도시됨)으로부터의 가스(33)는 난류 가스 제공부(13) 및 난류 가스 노즐(들)(14)를 통과한다. 가스(33)는 난류 가스 분사물을 형성하기에 유용한 가스일 수 있다. 이러한 가스 중에는, 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 스팀, 탄화수소 가스 및 이들을 하나 이상 포함하는 혼합물이 있을 수 있다.
가스는 난류 가스 노즐(들)(14)로부터 하나 이상의 난류 가스 분사물(32)로서 인젝션 스페이스(11)로 흐른다. 본 발명에 사용하기 위한 난류 가스 분사물을 형성시키는데 특히 바람직한 가스중 하나는 연소 반응을 수행하는데 사용될 수 있는 공기, 산소 농후 공기 또는 상업용 산소와 같은 산소 함유 가스이다. 이러한 분사물의 난류는 이러한 연소 반응의 더욱 효율적인 연소를 달성하도록 도와준다.
코히어런트 분사물(30)과 난류 분사물(32)이 인접해 있음에도 불구하고, 코히어런트 분사물의 코히어런시(coherency)에는 전혀 방해되지 않는다. 이러한 안전성은 성형 용적에서의 코히어런트 분사물의 초기 형성 및 코히어런트 분사물과난류 분사물 사이의 공간에서의 불꽃 엔벨로프(31)의 존재에 기인한다.
본 발명의 시험은 도면에 도시된 것과 유사한 본 발명의 구현을 사용하여 수행하였다.
네개의 난류 초음속 산소 분사물을 축소된 규모의 기본 산소로 랜스로 모의 실험되는 12도 각진 네개의 난류 가스 노즐로부터 얻었다. 노즐은 1.73" 직경의 원형(중심선은 노즐에 존재한다) 둘레에 균등하게 이격되어 있다. 각각의 노즐은 0.327"의 목직경과 0.426"의 출구 직경으로 수렴/발산한다. 시험을 위해, 각각의 노즐을 통과하는 산소 유량은 노즐의 상류에서 공급 압력이 100psig인 NTP에서 10,000CHF였다. 출구에서의 분사 속도는 약 1600fps(마하 2)였다.
코히어런트 분사물용 가스로서 질소를 사용하였다. 랜스 축에 고정된 노즐은 0.20"의 목직경과 0.26"의 출구 직경으로 수렴/수렴한다. 노즐을 통과하는 질소 유량은 노즐의 상류에서 공급 압력이 100psig인 NTP에서 4,000CHF였다. 출구에서의 분사 속도는 약 1700fps(마하 2)였다.
불꽃 엔벨로프는 천연 가스의 내부 원환(0.555" OD, 0.375" ID)과 환상 산소의 외부 원환(0.710" OD, 0.625" ID)에 제공된다. 편향기는 이차적인 산소를 주 질소 분사물 측으로 편향시켜 보다 효과적인 불꽃 엔벨로프를 제공한다. 천연 가스 및 이차적인 산소 유량은 각각 500CFH였다.
노즐로부터 8인치 떨어져 있는 분사축에서 피토관(pitot tube) 판독이 이루어졌다. 질소만 흐르는 경우(난류 가스 노즐에 대한 천연 가스, 환상 산소 또는 산소가 존재하지 않음), 피토관 판독은 2psig였다. 천연 가스 및 환상 산소가 켜져 불꽃 엔벨로프를 제공하였을 때, 코히어런트 질소 분사물이 1390fps(마하 1.4)의 가스 속도에 상응하는 32psig의 피토관 판독으로 얻어졌다. 4개의 외측 난류 산소 분사물(10,000CFH/jet)이 켜지자, 질소 분사물에 대한 피토관 판독은 사실상 동일하게 남았다. 코히어런트 질소 분사물은 네개의 외측 난류 산소 분사물로의 높은 동반율에 의해 영향받지 않았다.
이러한 결과는, 하나 이상의 난류 분사물에 인접하는 코히어런트 분사물을 얻는 해결책이 코히어런트 분사물과 난류 분사물 사이에 본 발명의 정의된 불꽃 엔벨로프를 가지는 것임을 시사한다. 본원에 제시된 실험예를 위해, 단일 코히어런트 질소 분사물이 네개의 난류 산소 분사물의 환과 함께 유지되었다. 유사한 결과불꽃 엔벨로프에 의해 둘러싸인 2개 이상의 코히어런트 분사물에 대해서도, 그리고 산소, 아르곤, 이산화탄소 또는 천연 가스와 같은 그 밖의 가스를 사용하는 코히어런트 분사물의 경우에도 기대될 수 있다.
본 발명이 특정한 특히 바람직한 구현을 참조로 상세히 기술되었지만, 당업자들은 특허청구범위의 사상 및 범주내에서 본 발명의 다른 구현이 존재함을 인지할 것이다. 예를 들어, 불꽃 엔벨로프를 형성시키기 위해, 산화제가 내부 환상 수단을 사용하여 제공될 수 있으며, 연료가 외부 환상 수단을 사용하여 제공될 수 있거나, 연료 또는 산화제 각각을 위한 하나 보다 많은 제공 수단이 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 서로 인접하는 코히어런트 가스 분사물과 난류 가스 분사물 둘 모두를 주입 용적에 효율적으로 제공할 수 있는 시스템을 제공한다.

Claims (10)

  1. (A) 가스 분사물을 성형 용적에 제공하고, 연료 흐름을 가스 분사물에 대해 환상으로 성형 용적에 제공하고, 산화제 흐름을 가스 분사물에 환상으로 성형 용적에 제공하는 단계;
    (B) 산화제를 연료로 연소시켜 가스 분사물 주위에 불꽃 엔벨로프(flame envelope)를 형성시키는 단계;
    (C) 가스 분사물과 불꽃 엔벨로프를 성형 용적으로부터 인젝션 스페이스(injection space)에 제공하는 단계로서, 가스 분사물이 코히어런트(coherent) 가스 분사물인 단계; 및
    (D) 하나 이상의 난류 가스 분사물을 코히어런트 가스 분사물에 인접한 주입 스페이로 제공하는 단계로서, 이때 불꽃 엔벨로프가 코히어런트 가스 분사물과 난류 가스 분사물 사이에 있는 단계를 포함하여, 인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을 주입 용적에 제공하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 연료 흐름이 산화제 흐름에 대해 환상임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 산화제 흐름이 연료 흐름에 대해 환상임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 코히어런트 가스 분사물이 하나 이상의 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 또는 천연 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 난류 가스 분사물(들)이 산소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  6. (A) 성형 용적과 소통되는 아웃풋(output)을 갖는 코히어런트 가스 노즐을 포함하고, 성형 용적은 주입 용적과 소통되는 코히어런트 가스 분사물 제공 수단;
    (B) 연료를 코히어런트 가스 노즐에 대해 환상으로 성형 용적에 제공하기 위한 수단;
    (C) 산화제를 코히어런트 가스 노즐에 대해 환상으로 성형 용적에 제공하기 위한 수단; 및
    (D) 코히어런트 가스 분사물 제공 수단에 인접하고, 주입 용적과 직접 소통되는 아웃풋을 갖는 난류 가스 노즐을 포함하는 난류 가스 분사물 제공 수단을 포함하여, 인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을 주입 용적에 제공하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 코히어런트 가스 노즐이 수렴/발산 노즐임을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 코히어런트 가스 노즐의 직경으로부터 난류 가스 노즐의 직경까지의 길이가 0.25인치 내지 2인치의 범위내에 있음을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 다수개의 난류 가스 노즐을 포함함을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6 항에 있어서, 성형 용적내에 산화제를 연료 측으로 유도하기 위한 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
KR10-2001-0004785A 2000-02-02 2001-02-01 인접하는 난류 가스 분사물과 코히어런트 가스 분사물을 제공하기 위한 방법 및 장치 KR100506906B1 (ko)

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