KR20040066010A

KR20040066010A - 외향으로 기울어진 불꽃 외피 포트를 갖는 응집성 제트시스템

Info

Publication number: KR20040066010A
Application number: KR1020040002496A
Authority: KR
Inventors: 매허니윌리엄존
Original assignee: 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2004-07-23
Also published as: CA2454369C; TW200506068A; US20040135296A1; JP2004218088A; CA2454369A1; US6875398B2; EP1441176A1; CN1517588A; BRPI0400034A; MXPA04000214A

Abstract

본 발명은 응집성 제트 랜스 및 하나 이상의 가스 제트 주위에 불꽃 외피를 형성하기 위해 연료와 산화제를 각각 전달하기 위한 2개의 포트 세트를 채용하는 작동 방법에 관한 것으로, 적어도 하나의 포트 세트, 바람직하게는 각 세트는 랜스축에 대해 랜스면 상에서 외향으로 기울어진다.

Description

외향으로 기울어진 불꽃 외피 포트를 갖는 응집성 제트 시스템 {COHERENT JET SYSTEM WITH OUTWARDLY ANGLED FLAME ENVELOPE PORTS}

본 발명은 통상 응집성 제트 기술에 관한 것이다.

가스 랜싱(gas lancing) 분야에서 최근의 상당한 진보는, 예컨대 앤더슨(Anderson) 등에게 허여된 미국 특허 제5,814,125호와 앤더슨 등에게 허여된 미국 특허 제6,171,544호에서 개시된 응집성 제트 기술의 개발이다. 본 기술의 실시예에서, 랜스 상의 하나 이상의 노즐에서 분출되는 하나 이상의 고속 가스 제트는 고속 가스 제트(들) 주위 및 이를 따라 불꽃 외피(flame envelope)를 사용함으로써 사용에 의해 비교적 긴 거리에 걸쳐 응집성을 유지한다. 불꽃 외피는 고속 가스 제트 노즐(들) 주위에서 내부 링 및 외부 링인 포트의 2개의 링으로부터의 랜스에서 각각 분출된 연료 및 산화제를 연소시킴으로써 형성된다. 포트는 랜스축과 직선으로, 즉 랜스축과 평행하게 배향된다. 통상적으로, 불꽃 외피용 연료는 포트의 내부 링으로부터 분출되고 불꽃 외피용 산화제는 포트의 외부 링으로부터 분출된다. 랜스 주연부 상의 연장부는 고속 가스 제트(들)와 불꽃 외피 유체가 노즐(들)과 포트로부터 제공되는 보호된 재순환 영역을 형성한다. 이 재순환 영역은 불꽃 외피의 점화와 안정성을 개선할 수 있는 분출 유체의 소정의 재순환을 가능하게 하여, 응집성과 이로 인한 고속 가스 제트(들)의 길이를 향상시킨다. 응집성 제트(들)는 액체의 표면 위에서 비교적 긴 거리로부터 용융 금속과 같은 액체 내로 가스를 전달하는 데에 사용될 수 있다. 이 응집성 제트 기술의 가장 중요한 적용예는 전기 아크노와 기본적인 산소노 같은 제강 작업에 사용되는 산소를 제공하는 것이다.

재순환 연장부는 종전의 응집성 제트 시스템을 능가하는 개선점이 있지만 선단을 수냉(water-cool)해야 하는 필요로 인해 랜스 설계 및 랜스 수명에 관하여 소정의 문제점을 갖는다. 이 문제점은 응집성 제트 시스템이 기본적인 산소노와 같은 매우 가혹한 환경에서 사용될 때 특히 고려되어야 한다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 개선된 응집성 제트 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 랜스로부터 분출된 가스를 위한 재순환 영역을 이루도록 랜스 연장부 또는 기타 요소를 필요로 하지 않으면서 효과적인 응집성 가스 제트를 생성할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.

본 명세서에 의해 당업자에게 명백해질 상기 및 다른 목적은 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명의 제1 태양은 적어도 하나의 응집성 가스 제트를 형성하는 방법으로,

(A) 랜스축과 랜스면을 갖는 랜스에 수용된 적어도 하나의 노즐로부터 적어도 하나의 가스 제트를 방출시키는 단계와,

(B) 랜스면 상의 제1 포트 세트로부터 연료를 방출시키고 랜스면 상의 제2 포트 세트로부터 산화제를 방출시키는 단계와,

(C) 적어도 하나의 가스 제트 주위에 불꽃 외피를 생성하도록 제1 및 제2 포트 세트로부터 방출된 산화제와 연료를 연소시키는 단계를 포함하고,

제1 및 제2 포트 세트중 적어도 하나는 랜스축에 대해 외향각을 이루는 방법이다.

본 발명의 다른 태양은;

(A) 랜스축과 랜스면을 갖고 랜스면에 개구를 갖는 적어도 하나의 노즐을 갖는 랜스와,

(B) 랜스면 상의 제1 포트 세트 및 제2 포트 세트와,

(C) 제1 포트 세트에 연료를 제공하는 수단과 제2 포트 세트에 산화제를 제공하는 수단을 포함하고,

제1 및 제2 포트 세트중 적어도 하나는 랜스축에 대해 외향각으로 배향되는 응집성 제트 랜스이다.

본원에서 사용된 것으로, "랜스면(lance face)"이라는 용어는 분사 공간과 접한 랜스의 표면을 의미한다.

본원에서 사용된 것으로, "랜스축(lance axis)"이라는 용어는 랜스의 중심을 통해 종방향으로 그어진 가상선을 의미한다.

본원에서 사용된 것으로, "응집성 제트(coherent jet)"라는 용어는 노즐로부터 가스를 분출함으로써 형성되고, 노즐로부터의 분출시의 운동량 프로파일 및 속도와 유사한, 적어도 20d의 길이를 따른 운동량 프로파일 및 속도를 갖는 가스 제트를 의미하는 것으로, 여기서 d는 노즐의 출구 직경이다. 응집성 제트를 달리 설명하면 적어도 20d의 거리에 대해 그 직경이 아주 조금 변하거나 전혀 변하지 않는 가스 제트이다.

본원에서 사용된 것으로, "길이"라는 용어는 응집성 제트를 언급하는 경우에, 가스가 분출된 노즐로부터 응집성 가스 제트의 의도된 충돌 지점 또는 가스 제트가 응집을 중단한 지점까지의 거리를 의미한다.

도면 부호는 공통 요소에 대해 동일하다.

도1은 랜스면의 양호한 일 실시예의 도면의 대표 상단도.

도2는 본 발명의 실시예에 사용될 수도 있는 랜스면을 갖는 랜스의 양호한 일 실시예의 대표 단면도.

도3은 작동중인 도1 및 도2에 도시된 본 발명의 실시예를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 노즐

3 : 랜스

4 : 개구

6 : 랜스면

20 : 링

22 : 제1 포트 세트

23 : 제2 포트 세트

30 : 통로

본 발명은 도면을 참조하여 상세히 기술될 것이다.

이제 도1, 도2 및 도3을 참조하면, 흐름 화살표(1)로 도시된 가스는 적어도 하나의 노즐(2), 바람직하게는 수렴/발산 노즐을 통과한 후에, 분사 공간(7)에서 응집성 가스 제트 스트림 또는 스트림들(5)을 형성하도록 랜스(3)로부터 랜스면(6) 상의 노즐 개구 또는 개구들(4)을 통해 방출된다. 전형적으로, 가스 스트림(들)(5)의 속도는 초당 213 내지 914 미터(700 내지 3000 피트) 범위 이내이다. 바람직하게는, 가스 스트림(들)(5)의 속도는 랜스면으로부터의 분사 시에 형성되는 경우에 초음속이고, 적어도 20d의 거리에 걸쳐 초음속 상태로 유지된다. 도면은 4개의 노즐 각각을 통해 랜스에서 분출된 4개의 응집성 가스 제트를 채용한 실시예를 도시하지만, 본 발명의 실시예에서 각 노즐을 통해 랜스로부터 분출된 가스 제트의 개수는 1개 내지 6개의 범위 이내일 수도 있다. 바람직하게는, 응집성 가스 제트가 분사되는 분사 공간은 제강노와 같은 금속 생성노이다. 가장 바람직하게는, 복수의 노즐이 채용되는 경우에, 각 노즐은 서로로부터 그리고 랜스축으로부터 기울어진다.

임의의 유효한 가스는 본 발명의 실시예에서 응집성 제트 또는 제트들을 형성하기 위한 가스로 사용될 수도 있다. 이러한 가스 중에 하나로는 산소, 질소,아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 증기, 및 탄화수소 가스를 거론할 수 있다. 또한, 2개 이상의 가스를 포함하는 혼합물, 예컨대 공기가 본 발명의 실시예에서 이러한 가스로 사용될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, 불꽃 외피는 제1 및 제2 포트 세트 각각을 통해 분사 공간(7) 내에 제공된 산화제와 연료를 연소시킴으로써 제트(들)(5) 주위에 형성되는데, 제1 및 제2 포트 세트중의 적어도 하나의 포트와, 바람직하게는 제1 및 제2 포트 세트의 각각의 포트는 랜스축 또는 중심선에 대해 외향각으로 배향된다. 이후에 각도(A)로 지칭되는, 외향각은 통상 45도 이하이고, 바람직하게는 5 내지 18도의 범위 이내이다. 통상, 제1 포트 세트의 외향각은 제2 포트 세트의 외향각과 동일하다. 제1 포트 세트는 노즐 개구(들)(4) 주위의 랜스면 상에서 제1 링으로 배열될 수도 있는데, 상기 포트의 제1 링은 통상 3.8 내지 40.6 ㎝(1.5 내지 16 인치)의 범위 내의 직경을 갖는다. 제2 포트 세트는 노즐 개구(들) 주위에서, 또한 포트의 제1 링 주위의 랜스면 상에서 제2 링으로 배열될 수 있는데, 상기 포트의 제2 링은 포트의 제1 링의 직경보다 크고 통상 5 내지 43 cm(2 내지 17 인치)의 범위 내의 직경을 갖는다. 도면은 발명의 양호한 실시예를 도시하고, 제1 포트 세트와 제2 포트 세트는 노즐 개구(들) 주위에서 단일 링으로 위치되고 동일한 외향각을 갖는다.

이제 다시 도면을 참조하면, 포트의 링(20)은 노즐 개구 또는 개구들(4) 주위에서 랜스면 상에 배치된다. 링(20)은 3.8 내지 40.6 ㎝(1.5 내지 16 인치)의 범위 내의 직경을 갖는 원인 것이 바람직하다. 통상, 링(20)은 12개 내지 48개의포트를 포함할 것이다. 각 포트는 0.13 내지 1.3 cm(0.05 내지 0.5 인치)의 범위 내의 직경을 갖는 원인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 링 내의 포트는 0.13 내지 5.2 cm(0.05 내지 2 인치)의 범위 내의 깊이와 0.13 내지 1.3 cm(0.05 내지 0.5 인치)의 범위 내의 폭을 갖는 랜스면(6) 상의 함몰부 또는 홈에 있다.

연료는 링(20)의 제1 포트 세트(22)에 제공되고 산화제는 링(20)의 제2 포트 세트(23)에 제공된다. 바람직하게는, 도1에 도시된 바와 같이, 제1 포트 세트(22)는 각 연료 포트(22)가 연료 포트의 양 측부에 인접하여 2개의 산화제 포트(23)를 갖고 각 산화제 포트(23)가 산화제 포트의 양 측부에 인접하여 2개의 연료 포트(22)를 갖도록, 링(20)에서 제2 포트 세트(23)와 교호한다. 제1 포트 세트 또는 연료 포트와 제2 포트 세트 또는 산화제 포트는 랜스축에 대해 외향각(A)으로 배향된다. 연료 및 산화제는 상기 외향각(A)으로 각 포트로부터 분사 공간(7) 내로 랜스(3)로부터 분출된다. 포트의 링으로부터 분출된 연료 및 산화제의 속도는 아음속일 수도 있지만 음속인 것이 바람직하다. 분사된 연료와 산화제의 음속은 이물질이 포트로 진입하여 이를 막는 것을 한층 더 방지하며, 이는 본 발명이 제강노와 같은 가혹한 환경에서 채용될 때 특히 중요하다. 원한다면, 분사된 연료와 산화제의 속도는 마하 1 내지 마하 2보다 빠른 속도와 같은 초음속일 수도 있다. 연료와 산화제는 랜스축에 대해 외향각으로, 가장 바람직하게는 제1 및 제2 포트 세트와 동일한 외향각으로 배향되는 것이 바람직한 통로(30)에 의해 적절한 각각의 포트로 제공되는 것이 바람직하다.

포트(22)로부터 분출된 연료는 가스상인 것이 바람직하고 메탄 또는 천연 가스와 같은 임의의 연료일 수도 있다. 포트(23)로부터 분출된 산화제는 공기, 공기의 농도를 초과하는 산소 농도를 갖는 산소 농축 공기, 또는 적어도 90몰 퍼센트의 산소 농도를 갖는 상용 산소일 수도 있다. 바람직하게는, 산화제는 적어도 25몰 퍼센트의 산소 농도를 갖는 유체이다.

랜스에서 방출된 연료와 산화제는 용융 금속노와 같은 분사 공간 내에서 가스 제트(들)(5) 주위에 불꽃 외피 또는 불꽃 쉬라우드(flame shroud; 24)를 형성하도록 연소하는 가스 제트(들)(5) 주위에 가스 외피를 형성한다. 가스 스트림(5) 주위의 불꽃 외피(24)는 주위 가스, 예컨대 노 가스가 가스 스트림으로 견인되거나 혼입되는 것을 방지하여, 가스 스트림의 속도가 현저하게 감소하는 것을 방지하고, 각각의 노즐 출구로부터 적어도 20d의 거리에 대해서 가스 스트림의 직경이 현저하게 증가하는 것을 방지하는 기능을 한다. 즉, 불꽃 외피 또는 불꽃 쉬라우드(24)는 각각의 노즐 출구로부터 적어도 20d의 거리에 대해 응집성 제트로서 가스 스트림(5)을 형성하여 이를 유지하는 기능을 한다.

본 발명의 중요한 장점은 랜스 상에 연장부를 채용할 필요없이 랜스로부터 유효한 응집성 가스 제트를 형성할 수 있다는 것이다. 이전에는, 랜스면에 인접한 보호된 재순환 영역을 형성하여 이 보호된 재순환 영역 내로 분사된 불꽃 쉬라우드 가스의 연소와 점화를 개선하는데 랜스 연장부가 사용되거, 가스 제트의 응집성을 개선하였다. 이러한 랜스 연장부의 사용이 초기 응집성 가스 제트 실시예에 현저한 개선점이지만, 이러한 연장부의 사용으로 문제점이 존재한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 랜스로부터 분출된 가스는 랜스 연장부에 의해 형성된 보호 영역 또는 재순환 영역을 통과하지 않고 분사 공간 내로 직접 지나갈 수도 있지만, 랜스 연장부의 사용으로 관찰된 개선된 응집성이 여전히 달성된다.

발명은 임의의 양호한 실시예를 참조하여 기술되지만, 당업자는 발명의 다른 실시예가 특허청구범위의 정신과 범위 내에 있다는 것을 인지할 것이다.

본 발명의 응집성 제트 시스템에 의하면, 랜스 상에 연장부를 채용할 필요없이 랜스로부터 유효한 응집성 가스 제트를 형성할 수 있다.

Claims

적어도 하나의 응집성 가스 제트를 형성하는 방법이며,

(A) 랜스축과 랜스면을 갖는 랜스에 수용된 적어도 하나의 노즐로부터 적어도 하나의 가스 제트를 방출시키는 단계와,

(B) 상기 랜스면 상의 제1 포트 세트로부터 연료를 방출시키고 상기 랜스면 상의 제2 포트 세트로부터 산화제를 방출시키는 단계와,

(C) 상기 적어도 하나의 가스 제트 주위에 불꽃 외피를 생성하도록 제1 및 제2 포트 세트로부터 방출된 산화제와 연료를 연소시키는 단계를 포함하고,

상기 제1 및 제2 포트 세트중 적어도 하나는 랜스축에 대해 외향각을 이루는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 포트 세트와 제2 포트 세트 모두를 상기 랜스면 상에 하나의 링으로 위치시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 포트 세트와 제2 포트 세트 모두를 상기 랜스축에 대해 외향각으로 배향시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 포트 세트로부터 방출된 상기 연료와 산화제의 속도를 음속으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 가스 제트와 연료와 산화제를 랜스 상의 연장부에 의해 형성된 재순환 영역을 통과하지 않고 랜스로부터 분사 공간 내로 직접 방출하는 방법.
(A) 랜스축과 랜스면을 갖고 상기 랜스면에 개구를 갖는 적어도 하나의 노즐을 갖는 랜스와,

(B) 상기 랜스면 상의 제1 포트 세트 및 제2 포트 세트와,

(C) 상기 제1 포트 세트에 연료를 제공하는 수단과 상기 제2 포트 세트에 산화제를 제공하는 수단을 포함하고,

상기 제1 및 제2 포트 세트중 적어도 하나는 상기 랜스축에 대해 외향각으로 배향되는 응집성 제트 랜스.
제6항에 있어서, 상기 제1 포트 세트와 제2 포트 세트 모두는 상기 랜스면 상에 하나의 링으로 위치되는 응집성 제트 랜스.
제7항에 있어서, 상기 제1 포트 세트는 상기 링에서 제2 포트 세트와 교호하는 응집성 제트 랜스.
제6항에 있어서, 상기 제1 포트 세트와 제2 포트 세트 모두는 상기 랜스축에대해 외향각으로 배향되는 응집성 제트 랜스.
제6항에 있어서, 복수의 노즐을 갖는 응집성 제트 랜스.