KR20030091747A - 싱글 링 화염 전개를 가진 응집 제트 시스템 - Google Patents

싱글 링 화염 전개를 가진 응집 제트 시스템 Download PDF

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KR20030091747A
KR20030091747A KR10-2003-0032543A KR20030032543A KR20030091747A KR 20030091747 A KR20030091747 A KR 20030091747A KR 20030032543 A KR20030032543 A KR 20030032543A KR 20030091747 A KR20030091747 A KR 20030091747A
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KR10-2003-0032543A
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윌리엄존 마호니
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

응집 제트 랜스와 작동 방법에 관한 것으로, 주 가스 제트 둘레에 화염 전개 가스를 전달하고 가스 제트를 응집상태로 유지하는 포트의 싱글 링을 사용함으로써 랜스 연장부에 대한 필요성을 제거하는 것이다.

Description

싱글 링 화염 전개를 가진 응집 제트 시스템 {COHERENT JET SYSTEM WITH SINGLE RING FLAME ENVELOPE}
본 발명은 일반적으로 응집 제트 기술에 관한 것이다.
가스 랜싱 분야에서 최근 현저한 진보는 공지된 응집 제트 기술, 예를 들어 안더션등의 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 전개(flame envelope)를 사용함으로써 상당히 긴 거리까지 응집상태로 유지된다. 화염 전개범위는 고속 가스 제트 노즐 둘레의 포트의 두 개의 링, 내부 링과 외부 링으로부터 제각기 랜스에서 방출된 연료와 산화제의 연소에 의해서 형성된다. 통상적으로, 화염 전개용 연료는 포트의 내부 링으로부터 방출되고 화염 전개용 산화제는 포트의 외부 링으로부터 방출된다. 랜스 주변상의 연장부는 고속 제트와 화염 전개 유체가 노즐과 포트로부터 제공되어지는 보호된 재순환 영역을 형성한다. 이런 재순환 영역은 방출된 유체을 약간 재순환시킬 수 있어서 화염 전개의 점화를 개선시킬 수 있고 화염 전개의 안정성을 개선시킬 수 있으므로, 응집성을 강화시키고 이에 따라서 고속 가스 제트의 길이를 길게 할 수 있다. 응집 제트는 용융 금속과 같은 액체 표면으로부터 상당히 먼 거리로 부터내로 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 랜스에 의해 방출된 가스에 대한 재순환 영역을설정함에 있어서 랜스 연장부 또는 다른 요소를 필요로 하지 않는 효율적인 응집 가스 제트를 만들수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 랜스 면(lance face)의 한 바람직한 실시예의 정면도이고,
도 2는 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 이러한 랜스 면을 갖는 랜스의 한 바람직한 실시예의 단면도이며,
도 3은 도 1 및 2에서 도시된 본 발명의 실시예의 작동 상태를 도시한다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
3 : 랜스4 : 노즐 구멍
6 : 랜스 면21 : 링
22 : 제 1세트의 포트(연료 포트)23 : 제 2세트의 포트(산화제 포트)
24 : 화염 전개 또는 화염 쉬라우드
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 링을 갖은 랜스 면을 가지는 랜스내에 하우징된 상기 하나 이상의 노즐로부터 하나 이상의 가스 제트를 분출하는 단계와,
(B) 상기 링의 제 1세트의 포트로부터 연료를 분출하고 상기 링의 제 2세트의 포트로부터 산화제를 분출하는 단계,
(C) 상기 링의 제 1 및 제 2 세트의 포트로부터 분출된 상기 연료와 산화제를 연소하여 상기 하나 이상의 가스 제트 둘레에 화염 전개를 만드는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 다음과 같다.
응집 제트 랜스는,
(A) 랜스 면을 갖고 있으며 상기 랜스 면에 구멍이 있는 하나 이상의 노즐을 갖는 랜스와,
(B) 상기 노즐 구멍 둘레의 상기 랜스 면상의 포트의 링과,
(C) 상기 링의 제 1세트의 포트에 연료를 제공하는 수단과 상기 링의 제 2세트의 포트에 가스를 제공하는 수단을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "랜스 면"은 분사 볼륨(injection volume)과 접하고 있는 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.
본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면 부호는 공통 요소에 대해서 동일하다.
도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 흐름 화살표(1)로 도시된 가스가 노즐(2), 바람직하게는 수렴/분출 노즐을 통과한 후, 랜스(3)로부터 나와 랜스 면(6) 상의 노즐 구멍(4)를 통과하여 분사 볼륨(7)내에서 응집 가스 제트 스트림(5)을 형성한다. 전형적으로, 가스 스트림의 속도는 초당 700 내지 3000피트(fps)의 범위내이다. 바람직하게는, 가스 스트림의 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 노즐를 통해서 랜스로부터 방출된가스 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, 수소, 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 링(20)은 노즐 개구(4) 둘레의 랜스 면상에 위치되어 있다. 링(20)은 바람직하게 1.5 내지 16인치 범위의 직경을 가지는 원형이다. 바람직하게, 링(20)은 12 내지 48 포트를 포함할 것이다. 각 포트는 바람직하게 0.05 내지 0.5인치 범위의 직경을 가지는 원형이다. 가장 바람직하게, 도면에 도시한 바와 같이, 포트의 링은 랜스 면(6)의 리세스 또는 그로브(21)내에 있다. 통상적으로 리세스(21)는 0.05 내지 2인치 범위의 깊이와 0.05 내지 0.5인치 범위의 폭을 가진다.
연료는 링(20)상의 제 1세트의 포트(22)에 제공되고 산화제는 링(20)상의 제 1세트의 포트(23)에 제공된다. 바람직하게, 도 1에 도시한 바와 같이, 제 1세트의 포트(22)가 링(20)상에서 제 2세트의 포트(23)와 교대로 설치되어 있으므로, 각 연료 포트(22)는 인접한 측면상에 두 개의 산화제 포트(23)를 가지며, 각 산화제 포트(23)는 인접한 측면상에 두 개의 연료 포트(22)를 가진다. 연료와 산화제는랜스(3)의 각각의 포트로부터 분사 볼륨(7)으로 방출된다. 포트의 링으로부터 방출된 연료와 산화제의 속도는 아음속일 수 있으나 바람직하게는 음속이다. 방출된 연료와 산화제의 음속은 포트로 들어가 막는 이물질의 제거를 보강하며, 이것은 특히 본 발명이 제강노와 같은 나쁜 환경에 사용될 때 매우 중요하다. 바람직하게, 방출된 연료와 산화제의 속도는 마하 1보다 큰 마하 2까지의 속도에 있는 초음속일 수 있다.
포트(22)로부터 방출된 연료는 바람직하게 가스성이고 메탄 또는 천연가스와 같은 임의의 연료일 수 있다. 포트(23)로부터 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 몰퍼세트의 산소 농도를 가지는 유체이다.
랜스로부터 분출된 연료와 산화제는 가스 제트(5) 둘레에 가스 전개범위를 형성하고 이것이 연소하여 용융 금속노와 같은 분사 볼륨내에 가스 제트(5) 둘레로 화염 전개 또는 화염 쉬라우드(flame shroud)(24)를 형성한다. 가스 스트림(5) 둘레의 화염 전개(24)는 주위 가스가 가스 스트림으로 끌어당겨지도록 하는 작용을 함으로써, 적어도 각 노줄 출구로부터 20d 거리 동안에서는 가스 스트림의 속도를 충분히 감소시키고 가스 스트림의 직경을 크게 증가시키게 한다. 즉, 화염 전개 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 랜스로부터효율적인 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 연장부에 의해 형성된 보호 영역 또는 재순환 영역을 통과하지 않고 직접 분사 볼륨으로 들어가며, 여기서도 랜스 연장부를 사용해서 관찰된 응집성의 개선을 여전히 달성한다.
테스트를 실행해서 화염 쉬라우드 가스의 공급에 대해 많은 다양한 디자인을 사용해서 본 발명의 효율을 평가한다. 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.
테스트를 실행해서 본 발명의 효율을 평가하고 천연 가스(NG)와 산화제 포트 이격 거리의 역활을 보다 잘 이해시키는 것이다. 테스트는 쉬라우드 포트의 수를 토탈 16( 8NG와 8산화제)로 일정하게 유지하면서 포트 원형 직경을 변경하여 포트들의 이격거리를 달리해서 실행한다. 주 노즐 원형 직경은 일정하게 유지한다. 화염 안정성에 관련해서 환형 그로브를 테스트한다. 아래에, 랜드 비(LR)는 포트 주변사이의 이격거리(랜드(land))를 포트 반경의 총합으로 나눈 것으로 정의된다. 즉, LR = Land/(RSO+ RNG). 각 테스트에서, 연료와 산화제는 노즐 둘레의 포트의 싱글 링상의 번갈아 놓인 포트를 통해서 제공된다.
분사기 디자인:
- 분사기 # 1는 토탈 16 포트 디자인이다. 원형 직경은 2.125인치이다. 랜드 비, LR = 0.67이다.
- 분사기 # 2는 토탈 16 포트 디자인이다. 원형 직경은 3.25인치이다. 랜드 비, LR = 1.56이다.
- 분사기 # 1는 토탈 16 포트 디자인이다. 원형 직경은 4.25인치이다. 랜드 비, LR = 2.34이다.
조건:
- 주 산소 = 40,000 scfh(standard cubic fee per hour) 산소(165 psig 공급압)
- 주 노즐 = 0.38인치/0.26인치 출구 대 목부 직경. 12도 경사
- NG 속도 = 670 fps(@ 5,000 scfh)
- 2차 산소 속도 = 320 fps(@ 4,000 scfh)
- 재순환 연장부 없음
- 그로브 =0.281인치 폭 ×0.25인치 깊이
분사기 #1: 5,000 scfh의 일정한 NG 흐름 동안, 우수한 응집 제트가 얻어지며, 통상적으로 20인치, 이 수치는 종래의 두-링 디자인의 길이를 초과한 것이다. 화염은 넓은 조건 범위에서 안정하다. 이 분사기는 환형 그로브를 가지고는 테스트되지 않았다.
분사기 #2: 그로브 없음, 응집 제트 길이는 분사기 #1에 비해서 약간 감소된다. 그로브가 추가되면, 응집 제트 길이는 개선되고 그 결과로 분사기 #1에서 얻은 결과치를 초과한다.
분사기 #3: 그로브 없음, 응집 제트 길이는 대부분 보다 짧아진다. 화염은 상승된 모드에서 작동되어, 보다 짧은 응집 제트를 야기한다. 그로브를 추가해서 쉬라우드를 안정시키면, 그 결과로 응집 제트 길이는 완전히 회복된다.
BOF에서의 쉬라우드 포트 막힘을 가능하게 제거하는 것을 목표로 하고 있으므로, 테스트를 실행해서 포트가 음속 흐름 상태에서 작동할 수 있는지를 관찰한다. 몇개의 싱글 링 디자인을 테스트한다. 천연 가스 및 2차 산소 포트는 천연 가스와 산소의 유속이 제각기 5,000 scfh와 4,000scfh일 때 마하 1에서 작동하도록 크기 설정된다. 여러 상이한 깊이의 환형 그로브를 추가해서 화염 쉬라우드를 안정화시킨다.
분사기 디자인:
- 분사기 # 4는 토탈 32 포트를 가진 싱글 링 디자인이다. NG와 2차 산소 포트 직경은 0.10인치이다. 링 직경 = 2.0인치이고 LR = 0.96인치이다.
- 분사기 # 5는 토탈 24 포트를 가진 싱글 링 디자인이다. NG와 2차 산소 포트 직경은 0.115인치이다. 링 직경 = 2.0인치이고 LR = 1.28인치이다.
- 분사기 # 6는 토탈 16 포트를 가진 싱글 링 디자인이다. NG와 2차 산소 포트 직경은 0.141인치이다. 링 직경 = 2.0인치이고 LR = 1.79인치이다.
- 분사기 # 7는 토탈 32 포트를 가진 싱글 링 디자인이다. NG와 2차 산소 포트 직경은 0.10인치이다. 링 직경 = 2.75인치이고 LR = 1.70인치이다.
조건:
- 주 산소 = 40,000 scfh 산소(165 psig 공급압)
- 주 노즐 = 0.38인치/0.26인치 출구 대 목부 직경. 12도 경사
- NG 속도 = 1364 fps(마하 1) (@ 5,000 scfh)
- 2차 산소 속도 = 982 fps(마하 1) (@ 4,000 scfh)
- 연장부 없음
- 그로브 크기 = 가변( 폭 ×깊이)
분사기 #4: 그로브 없음, 응집 제트 길이가 나쁘며, 이는 분리된 화염(detached flame)의 결과로 인한 것이다. 양호한 응집 제트가 1.25D ×1.25Ddhk 1.25D ×2D 그로브에서 얻어진다. [그로브 표시법 = 폭 ×깊이; D = 포트 직경].
분사기 #5: 그로브 없음, 랜스는 라이트(light)하기 어렵다(불안정하다). 양호한 응집 제트가 1D ×1D, 1D ×1.5D와 1D ×2D 그로브에서 얻어진다.
분사기 #6: 그로브 없음, 랜스는 라이트하기 매우 어렵다; 응집 제트 길이는 본질적으로 비쉬라우드 값(non-shrouded values)이다. 그로브는 쉬라이드 연소를 안정시키며; 그러나 상당히 나쁜 응집 제트가 매우 깊은 1D ×2D 그로브에서도 얻어진다.
분사기 #7: 그로브 없음, 나쁜 응집 제트가 얻어진다. 양호한 응집 제트가 1.25D ×1.25D 그로브에서 얻어진다.
본 발명을 특정 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 당업자는 청구 범위의 사상 및 범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 존재함을 인지할 것이다.
랜스에 의해 방출된 가스에 대한 재순환 영역을 설정함에 있어서 랜스 연장부 또는 다른 요소를 필요로 하지 않는 효율적인 응집 가스 제트를 제공한다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 응집 가스 제트를 설정하기 위한 방법으로서,
    (A) 하나 이상의 노즐 둘레에 포트의 링을 갖은 랜스 면을 가지는 랜스내에 하우징된 상기 하나 이상의 노즐로부터 하나 이상의 가스 제트를 분출하는 단계와,
    (B) 상기 링의 제 1세트의 포트로부터 연료를 분출하고 상기 링의 제 2세트의 포트로부터 산화제를 분출하는 단계,
    (C) 상기 링의 제 1 및 제 2 세트의 포트로부터 분출된 상기 연료와 산화제를 연소하여 상기 하나 이상의 가스 제트 둘레에 화염 전개를 만드는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 랜스로부터 다수의 가스 제트를 분출하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 연료와 산화제를 상기 포트의 링상에 번갈아 놓아지는 제 1세트의 포트와 제 2세트의 포트로부터 분출하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 가스 제트와 상기 연료와 상기 산화제를 상기 랜스로부터, 상기 랜스상의 연장부에 의해 형성된 재순환 영역을 통과하지 않고 직접 분사 볼륨으로 분출하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 가스 제트 각각을 20d 이상으로 이동하면서도, 상기 가스 제트의 직경을 거의 일정하게 유지하며, 여기서 d는 상기 가스 제트가 통과하는 노즐의 출구 직경인 방법.
  6. 응집 제트 랜스로서,
    (A) 랜스 면을 갖고 있으며 상기 랜스 면에 구멍이 있는 하나 이상의 노즐을 갖는 랜스와,
    (B) 상기 노즐 구멍 둘레의 상기 랜스 면상의 포트의 링과,
    (C) 상기 링의 제 1세트의 포트에 연료를 제공하는 수단과 상기 링의 제 2세트의 포트에 가스를 제공하는 수단을 포함하는 응집 제트 랜스.
  7. 제 6항에 있어서, 다수의 노즐을 포함하는 응집 제트 랜스.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 포트의 링은 상기 랜스 면상의 리세스내에 있는 응집 제트 랜스.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제 1세트의 포트는 상기 제 2세트의 포트와 번갈아 놓여 있는 응집 제트 랜스.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 랜스 면에 인접해서 재순환 영역을 형성하는 연장부를 가지지 않는 응집 제트 랜스.
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