KR20080040705A - 코히어런트 제트를 형성하는 방법 - Google Patents

코히어런트 제트를 형성하는 방법 Download PDF

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게리 티. 바디안
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마이클 에프. 릴리
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알 조라드즈
라리 케이츠
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Abstract

코히어런트 제트를 진공 상태의 진공 용기에서 작동하기 위한 방법은 용기 안에 형성되고 적어도 하나의 아음속 가스 스트림 주위에 제공된 초음속 연료와 산화제로부터 얻어진 화염 외형을 고정하거나 부착된다. 본 발명의 다른 태양은 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법이며, 분사 장치로부터, 진공 상태를 이루고 있는 용기에 초음속으로 가스 스트림으로 가스를 분사하는 단계와, 상기 가스 스트림 주위에서 용기에 아음속으로 연료와 산화제를 제공하는 단계와. 상기 가스 스트림 주위에 화염 외형을 형성하여 코히어런트 가스 제트로서 상기 가스 스트림을 형성 및 유지하도록 상기 연료와 산화제를 연소시키는 단계를 포함하는, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법이다.
코히어런트 제트, 초음속 가스 스트림, 화염 외형, 진공 용기, 가스 스트림

Description

코히어런트 제트를 형성하는 방법 {METHOD FOR FORMING A COHERENT JET}
본 발명은 일반적으로 초음속 또는 코히어런트 제트 기술에 관한 것이다.
현재 가스 란싱의 분야에서 상당한 진보는 예를 들면, 미국특허 제5,814,125호(앤더슨 등) 및 미국특허 제6,171,544호(앤더슨 등)에 개시된 코히어런트 제트 기술의 발달이다. 본 기술의 실시에서 랜스상에서 하나 이상의 노즐로부터 방출된 하나 이상의 고속 가스 제트가 고속 가스 제트를 따라 주위의 화염 형상의 사용에 의해 비교적 긴 거리 이상의 코히어런트가 유지된다. 화염 외형(Flame envelope)은 노즐 주위 포트의 하나 이상의 링의 랜스로부터 방출된 연료와 산화제의 연소에 의해 형성된다. 상기 연료와 산화제는 화염 외형을 형성하기 위해 대기압보다 낮은 상태에서 연소된다. 대기압보다 낮은 상태에서 본 기술의 작동이 양호하다. 그러나, 이와 같은 상태에서 경험되는 화염의 들어올림(lift-off) 및 분출되는(blowout) 부정적인 영향 때문에 문제가 된다.
본 발명의 일 태양은, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법이며, 분사 장치로부터, 진공 상태를 이루고 있는 용기에 초음속으로 가스 스트림으로 가스를 분사하는 단계와, 상기 가스 스트림 주위에서 용기에 아음속으로 연료와 산화제를 제공하는 단계와. 상기 가스 스트림 주위에 화염 외형을 형성하여 코히어런트 가스 제트로서 상기 가스 스트림을 형성 및 유지하도록 상기 연료와 산화제를 연소시키는 단계를 포함하는, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법이다.
본 발명의 다른 태양은, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법이며, 상기 방법은, 분사 장치로부터 진공 상태를 이루고 있는 헤드공간에 초음속 가스 스트림으로 분사하는 단계와, 상기 가스 스트림 주위에서 헤드공간에 아음속으로 연료와 산화제를 제공하는 단계와, 상기 가스 스트림 주위에 화염 외형을 형성하도록 상기 연료와 산화제를 연소시키는 단계와, 상기 가스 스트림으로부터 상기 용융 금속으로 가스를 통과시키는 단계를 포함하는, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드 공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법이다.
본 명세서에 사용된 용어 "진공 상태"는 주변의 대기압보다 낮은 압력을 의미하고, 야금 용기에 있어서 양호하게는 1.33 kPa 내지 40 kPa(10 torr 내지 300 torr)의 범위이고, 가장 양호하게는 4.7 kPa 내지 20 kPa(35 torr 내지 150 torr)의 범위이다.
도1은 분사 장치의 면의 양호한 일실시예의 평면도이다.
도2는 본 발명의 실시에 사용될 수도 있는 면을 갖는 분사 장치의 양호한 일실시예의 단면도이다.
도3은 야금 용기에서 작동하는 본 발명의 일실시예를 도시한다. 도면에서 도면 부호는 공통 요소에 대해 동일하다.
도4는 본 발명을 실시하지 않은 결과와 본 발명을 실시하여 얻어진 결과를 비교한 그래프도이다.
본 발명은 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도면을 참조하면, 유동 화살표(1)에 의해 도시된 가스는 적어도 하나의 노즐(2), 양호하게는 수렴/발산 노즐을 통과한 다음에, 마하 1 보다 큰 것으로부터 약 마하 6의 범위 내의, 양호하게는 마하 3 으로부터 마하 4.5의 범위 내의 초음속 및 약 2,831.7 ㎥/h (100,000 scfh) 이상의 유량을 가질 수도 있는 코히어런트 가스 제트 스트림(5)을 형성하여 면(6, face)상에 노즐 개구(4)를 통해 분사 장치(3)로부터 배출된다. 본 발명의 실시에서 각각의 노즐을 통해 방출된 가스 제트의 개수는 1 내지 6의 범위 안에 있을 수도 있다. 코히어런트 가스 제트가 분사된 분사 용적은 진공 처리 스테이션과 같은 금속 처리 스테이션일 수도 있다. 복수의 노즐이 채용될 때, 각각의 노즐은 랜스의 중심축 및 서로로부터 떨어져 각을 이룰 수도 있다.
임의의 유효한 가스가 본 발명의 실시에서 제트 또는 코히어런트 제트를 형성하기 위한 가스로서 사용될 수도 있다. 이러한 가스 중 하나가 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 증기 및 탄화수소 가스일 수 있다. 양호하게는 가스는 상용의 순수 산소이다. 또한 두 개 이상의 가스를 포함하는 혼합물, 예컨대 공기가 본 발명의 실시에서 이러한 가스로서 사용될 수도 있다.
포트의 링(20)은 노즐 개구 또는 개구(4) 주위 면(6) 상에 위치된다. 링(20)은 양호하게는 1.9 ㎝ 내지 50.8 ㎝(0.75 in 내지 20 in)의 범위 내의 직경을 갖는 원이다. 대체로 링(20)은 6 내지 48 포트를 포함한다. 각각의 포트 방출구는 양호하게는 0.32 ㎝ 내지 7.6 ㎝(0.125 in 내지 3 in)의 범위 내의 직경을 갖는 원이다. 그러나, 포트는 직사각형 형상이나 타원형 형상과 같은 비원형 형상을 가질 수도 있다. 포트의 링은 화염의 안정화를 지지하는데 도움이 되도록 랜스 면(6) 상의 리세션 또는 홈에 있을 수도 있다. 통상적으로 이러한 리세션은 0.32 ㎝ 내지 60.96 ㎝(0.125 in 내지 24 in) 범위 내의 깊이와, 0.32 ㎝ 내지 7.6 ㎝(0.125 in 내지 3 in) 범위 내의 폭을 갖는다. 임의의 특정 분사 장치 설계를 위한 인자는 초음속 가스 제트(들)의 유량에 의존할 것이다.
화염 외형은 포트로부터 제공되는 연료와 산화제를 연소시킴으로써 아음속 가스 스트림(들) 둘레와 아음속 가스 스트림을 따라 형성된다. 연료와 산화제는 혼합물로서, 즉 사전 혼합된 배열로 포트로부터 제공되거나, 또는 별개로 제공되어 분사 장치로부터 분사 용적으로 분사 후에 혼합될 수도 있다. 후자의 방법이 바람직하고 이하보다 상세히 설명된다.
연료는 링(20) 상의 포트(22)의 제1 세트에 제공되고 산화제는 링(20) 상의 포트(23)의 제2 세트에 제공된다. 양호하게는, 도1에 도시된 바와 같이, 포트(22)의 제1 세트는, 각각의 연료 포트(22)가 연료 포트의 어느 일측상에 인접한 두 개의 산화제 포트(23)를 갖고, 각각의 산화제 포트(23)가 산화제 포트의 어느 일측상 에 인접한 두 개의 연료 포트(22)를 갖도록 링(20) 상의 포트(23)의 제2 세트와 번갈아 있다. 연료와 산화제는 각각의 포트로부터 분사 용적으로 분사 장치(3)로부터 방출된다. 포트의 링으로부터 방출되는 연료와 산화제의 속도는, 양호하게는 초당 60.96 m 내지 304.8 m(200 ft 내지 1,000 ft) 범위의 아음속을 갖는다.
포트(22)로부터 방출된 연료는 양호하게는 기상이고 수소 함유 연료이다. 이러한 연료는 수소, 메탄, 천연 가스, 코크 오븐 가스, 합성 가스, 석유 가스, 프로판, 부탄 및 가스화나 기화된 연료 오일일 수 있다. 포트(23)로부터 방출되는 산화제는 공기, 공기의 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 갖는 산소 농후 공기, 또는 적어도 90 mol%의 산소 농도를 갖는 상용 산소일 수도 있다. 양호하게는 산화제는 적어도 25 mol%의 산소 농도를 갖는 유체이다.
분사 장치로부터 통과된 연료와 산화제는, 분사 용적 내의 가스 제트(들) 주위의 화염 덮개(Flame shroud) 또는 화염 외형을 연소시키는 가스 제트(5) 주위에 가스 외형을 형성한다. 가스 스트림 주위의 화염 외형(24)은 주변 가스가 가스 스트림 또는 스트림들에 흡인되는 것을 방지하는 역할을 하여, 가스 스트림 또는 스트림들의 속도가 현저하게 감속하는 것을 방지하고, 가스 스트림 또는 스트림들의 직경이 현저하게 증가하는 것을 방지하여, 코히어런트 제트로서의 가스 스트림(5)을 달성하고 유지하는 역할을 한다.
다르게는, 연료와 산화제가 면 상의 포트의 두 개의 링, 즉 중심 노즐(들)(4) 주위에 있고 중심 노즐(들)에 가장 가까운 내부 링과, 포트의 내부 링으로부터 반경방향으로 이격되고 포트의 내부 링 주위에 있는 포트의 외부 링으로부터 각 각 제공될 수도 있다. 양호하게는, 연료는 포트의 내부 링으로부터 제공되고 산소는 포트의 외부 링으로부터 제공된다. 포트의 외부 링 상의 포트는 포트의 내부 링 상의 포트와 정렬되거나 포트의 내부 링으로부터 오프셋될 수도 있다.
연료와 산화제의 화염 덮개는 정량비로 표현될 수 있다. 정량비의 정의는 작동하는 연료 및 산소비(F/O)를 완전 연소에 필요한 연료 및 산소비(F/O)로 나눈 값이다. 예를 들면, 연료는 메탄이고 작동 F/O 가 1.25 일 때, 메탄과 산소의 완전 연소를 위한 정량비는 0.5 이므로, 이 예에서 정량비는 1.25/0.5 또는 2.5이다. 본 발명의 실시에서 양호하게는, 연료와 산소의 화염 덮개의 정량비는 2보다 크다.
연장부(15)는 가스 스트림 및 화염 외형 가스가 초기에 분사되는 재순환 구역(16)을 형성하도록 면으로부터 연장된다. 다른 형상이 가능하지만, 통상적으로 연장부는 원통 형상이고 1.27 ㎝ 내지 60.96 ㎝(0.5 in 내지 24 in)범위의 길이 및 2.54 ㎝ 내지 60.96 ㎝(1.0 in 내지 24 in)범위의 직경을 갖는다. 연장부(15)에 의해 형성된 재순환 구역(16)은 가스 스트림 주위 화염 외형의 초기 형성을 보조하고 용기의 진공 상태하에 분사 장치의 면에 화염 외형을 고정하는 역할을 한다. 연장부의 특정한 인자는 주 가스 유량에 의존할 것이다. 본 발명은 화염의 안정화를 지지하는 것을 돕도록 상술된 연장부 및/또는 화염 외형 포트 홈으로 실시될 수도 있다. 연장부는 분사 장치 자체의 부분이 되거나 또는 별개로 형성될 수도 있다.
연료와 산화제의 아음속과, 면에 인접한 가스의 재순환과 결합된 연료와 산화제의 연소로 인한 가스 스트림(들) 주위의 화염 외형은 화염 외형이 진공 상태하 에 면에 부착되거나 고정된 상태를 유지시키는 역할을 하여, 화염의 들어올림 및 배기되는 것을 회피하게 된다. 화염 외형의 최종 보존은 가스 스트림이나 제트 코히어런트를 유지하는 역할을 한다. 이는 가스 스트림으로 하여금 아음속을 유지하면서 상기 경우와 다르게 더 먼 거리를 주행하는 것을 가능하게 만든다. 코히어런트 제트 장치는 처리시 챔버 안으로 현저하게 돌출되어야만 하는 종래의 랜스 장치에 비해 처리 챔버 안으로 돌출할 필요가 없기 때문에 야금 용도에 특히 유리하다. 종래의 경우에 비추어, 특별한 활주 밀봉 및 승강 장치는 처리가 완료되었을 때, 용기로부터 종래의 랜스를 후퇴시키도록 용기의 상부 상에 장착되어야만 한다. 또한 코히어런트 제트 장치는 종래의 랜스 및 활주 밀봉에 대한 손상을 겪지 않을 것이다.
본 발명의 실시를 위한 하나의 중요한 적용 예는 도3에 도시된 진공 제련 공정과 같이 주변 압력 이하 압력으로 작동하는 야금 용기이다. 이 특별한 실시에서, 야금 용기(30)는 챔버(31) 및 용융 금속(35)을 저장하는 래들(32)을 포함한다. 진공 상태는 채널(34)를 통해서 밖으로 진공 펌프에 의해 헤드공간 대기의 소기 작동에 의해서와 같이 용기(30)의 헤드공간(33) 내에서 이루어진다. 상술된 바와 같이, 가스 스트림(5)의 가스는 분사 장치(3)로부터 헤드공간(33)에 제공된 다음에 화염 외형(24)이 가스 스트림(5) 주위에 형성된다. 양호하게는 분사 장치(3)는 용기의 내화 면과 동일한 높이에 있거나 용기 안으로 단지 짧은 거리동안 연장하게 된다. 본 발명의 실시에서 인젝터는 위치 고정식 인젝터 일 수도 있고, 또는 용기로 삽입될 수 있고 다양한 위치로 이동 가능한 위치 가변식 인젝터일 수도 있다. 가스 스트림(5)의 가스(예를 들면, 산소)는 분사 장치(3)를 통과하여 진공 제련 공정 조건으로 인해 도3에 도시한 경로로 유동하도록 유도되는 용융 금속, 예를 들어, 강철과 접촉한다. 가스는 용융 금속을 탈탄화하고 그리고/또는 알루미늄, 실리콘 등과 같은 첨가된 고에너지 연료를 산화시킴으로써 용융 금속을 가열하는 것과 같이 다른 목적을 위해 탈탄화를 채용할 수도 있다.
본 발명의 사용과 함께, 코히어런트 제트 분사 장치 또는 인젝터 면은, 용기 상부 내부의 내화 면과 동일 높이에 위치 설정되는 것을 포함하여 종래의 랜스의 면이 위치 설정된 곳 위에 실제적으로 위치 설정될 수도 있다. 양호하게는 이러한 거리는 현재 제작되는 대부분 용기의 경우에서 약 7.62 m (25 ft)이거나 또는 4.57 m 내지 12.19 m(15 ft 내지 40 ft)의 범위를 갖는다. 용기가 오래되고 짧은 경우에는, 거리가 더 작아지지만, 코히어런트 제트 장치 또는 인젝터 면이 내화 표면 내측 상부와 동일한 높이일 것이다. 코히어런트 제트 인젝터 면이 용융 금속 표면 위의 필요한 거리에 이를 위치 설정시키도록 용기 내부에서 0.61 m 내지 1.52 m(2 ft 내지 5 ft)로 연장되는 경우를 생각할 수 있다. 용융 금속 표면 위의 높은 위치에도 불구하고, 본 발명은 종래의 실시에서 달성할 수 있는 것보다 더 효율적인 용융 금속 안으로 산소와 같은 가스를 제공할 수 있다.
예시와 비교를 목적으로, 본 발명의 실시가 있는 것과 본 발명의 실시가 없는 시험이 실행되었고, 그 결과가 도4에 제공된다. 시험은 예시와 비교를 목적으로 하고 있고 제한하려는 것은 아니다.
실험은 실험용 진공 챔버 안으로 제트를 배기함으로써, 제트 보존 특성에 대 한 화염 덮개의 영향을 도시하도록 수행되었다. 실험은 6.67 kPa(50 torr)의 챔버 압력에서 수행되었고 일예로써 제공된다. 원뿔형 수렴-발산 노즐은 노즐 진입부의 상류부에서 1034.21 kPa(150 psig)로 공급되고 노즐 방출부의 하류에서 6.67 kPa[50 torr, -94.67 kPa(-13.73 psig)]의 절대 챔버 압력으로 배기할 때 14.16 ㎥/h(500 scfh)의 산소를 허용하도록 설계된다. 노즐 목부의 직경은 0.15 ㎝(0.0605 in)이고 방출 직경은 0.52 ㎝(0.2061 in)이다. 목부 길이는 목부 직경과 동일하고 노즐 발산 반각은 5도 이다. 이 유체 조건하에서, 완전히 팽창된 산소 제트가 마하 넘버 4.08[643.13 m/s(2,110 ft/s)]로 노즐에서 방출되었다.
화염 덮개는 등간격으로 이격되고 교번식으로 되어있는 연료와 이차 산소 포트의 단일 링으로 수렴-발산 노즐을 둘러쌈으로써 형성되었다. 8개의 천연 가스 및 8개의 이차 산소 포트가 2.54 ㎝(1 in) 직경의 원에 위치 설정되었다. 모든 덮개 포트는 각각 0.32 cm(0.125 in)의 직경으로 직선형 벽에 드릴 가공되었다. 천연 가스 유량은 총 2.83 ㎥/h(100 scfh, 주 산소 유체의 20 %)로 허용되었고 이차 산소 유동은 총 2.27 ㎥/h(80 scfh)이었다. 노즐 배출부에 위치된 재순환 연장부는 화염이 노즐 배출부에 고정되는 것을 보장하기 위해 연소를 안정화시키도록 채용되었다. 이 연장부는 1.59 ㎝(0.625 in)의 길이와 3.175 ㎝(1.25 in)의 직경을 가졌다.
축방향 중심선에 있는 제트로부터 취해진 피토관 측정은 노즐 배출부로부터 거리의 함수로서 기록되었다. 측정은 화염 덮개가 없는 것과 화염 덮개가 있는 것이 기록되었다. 결과는 (노즐 배출구 직경에 의해 표준화된) 축방향 거리에 대한 (노즐 배출부 속도에 의해 표준화된) 계산된 제트의 중심선 속도를 도시하는 도4에 도시되었다. 화염 덮개가 없을 때, 속도가 초기 속도의 절반으로 감소되는(V/V0 = 50) 거리는 50 노즐 직경이다(X/D=50). 화염 덮개가 있을 때 속도가 초기 속도의 절반으로 감소되는 거리는 250 노즐 직경이 발견되었다(X/D=260). 이것은 5.2 (520%)의 인자 만큼 제트 길이의 증가를 나타낸다.
본 발명이 소정의 양호한 실시예를 참조하여 상세히 설명되었지만, 당해 기술분야의 숙련자는 기술사상 및 청구범위 내에서 발명의 다른 실시예들이 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 재순환 연장부는 랜스 또는 분사 장치 자체에 설계될 있고, 또는 별개의 조립체의 일부로서, 예컨데 랜스를 수용하는 별개로 설계된 패널 또는 용기 내화벽에 의해 형성된 리세스로의 랜스의 삽입으로서 형성될 수 있다. 양호하게는 본 발명은 적절히 설계된 수렴/발산 노즐을 가지고 완전히 팽창된 초음속 제트로 실시된다. 그러나, 본 발명에서 부족하게 팽창된 제트가 음속 수렴 노즐이나 수렴/발산 노즐로부터 채용된다면 효과의 정도가 작을 것이다.

Claims (10)

  1. 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법이며,
    분사 장치로부터, 진공 상태를 이루고 있는 용기에 초음속으로 가스 스트림으로 가스를 분사하는 단계와,
    상기 가스 스트림 주위에서 용기에 아음속으로 연료와 산화제를 제공하는 단계와,
    상기 가스 스트림 주위에 화염 외형을 형성하여 코히어런트 가스 제트로서 상기 가스 스트림을 형성 및 유지하도록 상기 연료와 산화제를 연소시키는 단계를 포함하는, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연료와 산화제의 정량비는 2보다 큰, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 가스는 산소를 포함하는, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 연료와 산화제는 분사 장치 상의 포트의 단일 링으로부터 용기로 제공되는, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 가스, 연료 및 산화제는 초기에 분사 장치 상에 연장부에 의해 형성된 재순환 용적을 통과한 후에 용기를 통과하는, 용기 내부에 코히어런트 가스 제트를 형성 및 유지하는 방법.
  6. 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법이며, 상기 방법은,
    분사 장치로부터, 진공 상태를 이루고 있는 헤드공간에 초음속으로 가스 스트림으로 가스를 분사하는 단계와,
    상기 가스 스트림 주위에서 헤드공간에 아음속으로 연료와 산화제를 제공하는 단계와,
    상기 가스 스트림 주위에 화염 외형을 형성하도록 상기 연료와 산화제를 연소시키는 단계와,
    상기 가스 스트림으로부터 상기 용융 금속으로 가스를 통과시키는 단계를 포함하는, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 연료와 산화제의 정량비는 2보다 큰, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 가스는 산소를 포함하는, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 연료와 산화제는 분사 장치 상의 포트의 단일 링으로부터 용기로 제공되는, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 가스, 연료 및 산화제는 초기에 분사 장치 상에 연장부에 의해 형성된 재순환 용적을 통과한 후에 헤드공간을 통과하는, 용융 금속을 함유하고 용융 금속 위에 헤드공간을 갖는 야금 용기를 작동하는 방법.
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