KR20090023593A - 개스 버너 노즐 - Google Patents

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KR20090023593A
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Abstract

본 발명은 화염 작업을 위한 개스 버너 노즐에 관한 것으로서, 개스 버너 노즐은 몇 개의 파이프(13)들로 이루어진 중앙의 산소 공급부 및 연료 개스의 공급을 위하여 상기의 산소 공급부 둘레에 배치된 몇 개의 파이프(11,12)들을 가진다. 본 발명에 따르면, 산소 공급을 위한 파이프들은 그룹으로 배치되며, 개별 그룹들이 서로로부터 거리를 가지고 동축으로(coaxially) 배치되며, 각각의 그룹은 동심의 링(concentric ring)들의 형태로 배치된 적어도 2 개 열의 파이프들로 이루어진다.

Description

개스 버너 노즐{Gas burner nozzle}
본 발명은 화염 처리 작용을 위한 개스 버너 노즐에 관한 것으로서, 복수개의 튜브들을 포함하는 중앙의 산소 공급부 및, 상기 산소 공급부의 둘레에 배치된 연료 개스 공급부를 위한 복수개의 튜브들을 가진 개스 버너 노즐에 관한 것이다.
개스 버너 노즐들은 자동 장치들 또는 휴대 화염 처리 장치들로서 형성되는 화염 처리 장치들에서 이용된다. 화염 처리 작용은 특히 슬래브 표면(slab surface)들의 화염 스카핑(flame scarfing)에 필요하다. 따라서, 주조에 의해 제조된 슬래브의 냉각중에, 불필요한 크랙(crack)들이 종종 그 표면상에 발생되는데, 이것이 표면 처리에 의해 제거된다. 또한 예를 들면 절단에 의해서 슬래브를 기계 가공할 때 발생되는 버어(burr) 또는 위스커(whisker)들에도 표면 처리가 적용된다. 사용되고 있는 화염 스카핑 버너들은 표면의 흠결을 제거하기 위하여, 영향을 받는 표면들을 따라서 안내된다.
상기 설명된 유형의 개스 버너 노즐들의 경우에, 버너의 작용중에 화염이 뒤로 되비치는(flash back) 위험성이 있다. 이것을 방지하기 위하여, 노즐 동체의 내부에서 배출 오리피스의 뒤에 먼 거리에서 다공성 요소를 제공하는 것이 이미 제안되었는데, 그 다공성 요소는 안전 방벽을 형성한다 (참고: 스위스 특허 출원 CH-A- 472 632 또는 프랑스 특허 출원 FR-A-1 448 292).
더욱이, 가열 화염에 의해 감싸여진, 제어 가능한 출력 및 배향의 산소 제트에 의해 화염 스카핑을 할 때, 화염 스카핑의 과정 동안에, 출력에 독립적으로, 제트의 형상 및 표면에 관하여 제트의 단면을 변경시키는 것이 유럽 특허 EP 0 043 822 호에 제안되어 있다. 이를 위해서 설계된 버너는 복수개의 노즐들로 분할된 산소 노즐을 가지는데, 복수개의 노즐들은 서로 근접하고 집약적인 다발(compact bundle)로 그룹(group)을 형성한다. 이러한 노즐들의 다발은 각각의 경우에 가열을 위한 버너를 형성하는 다른 노즐들에 의해 둘러싸이며, 그들 노즐들 및 버너들에는 개스 또는 산소, 또는 가열 혼합물을 개별 공급하기 위한 장치들이 제공된다. 각각의 공급 장치는 개별적으로 제어될 수 있다. 예시적인 예에서 명백한 바로서, 각각의 경우에 근접한 튜브에 대한 똑같은 거리를 가지고 동일 중심으로 배치된 65 개의 산소 공급 튜브들이 이용되며, 이들은 각각의 경우에 개스 공급을 가열하기 위한 대직경의 12 개 튜브들에 의해 둘러싸인다. 제공된 제어용 시설의 결과로서, 원형이거나, 사각형이거나 또는 타원형인 유효 버너 단면들이 형성된다.
더욱이, 산소 공급을 위한 복수개의 튜브들을 가진 개스 버너들이 알려져 있는데, 튜브들은 서로 동일 축으로(coaxially) 배치되고, 튜브들 둘레에 배치된 개스 연료 공급을 위한 복수개의 튜브들에 의해 둘러싸인다.
상기 설명된 유형의 개스 버너들의 경우에, 종래 기술에 따르면, 원형의 단면을 가지는 버너들의 직경은 통상적으로 200 내지 250 mm 이다. 이것은 슬래브들의 좁은 측부들이 그러한 버너 노즐들과 함께 여러번 과도하게 이동되어야 한다는 단점을 가진다. 버너 직경을 예를 들어 300 mm 까지 단순히 확장하는 것은 결코 충분하지 않은데, 왜냐하면 강한 열 때문에 버너 제트 원추부 또는 버너 제트의 중심에서 온도가 가장 높기 때문이고, 또한 작업물의 용융은, 길이 방향으로 안내되는 버너들의 경우에, 오목한 단면인 표면으로 이어지는 에지(edge)에서보다 그에 대응되게 더욱 강하기 때문이다. 다른 기술적인 문제는 상대적으로 높은 산소의 소비이다.
따라서 본 발명의 목적은, 산소 소비가 최저로써 이루어질 수 있고 기계 가공 시간을 짧게 하면서, 처리되어야 하는 작업물의 최적 표면 처리를 이룰 수 있는 개스 버너 노즐을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항에 기재된 개스 버너 노즐에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 산소 공급을 위한 튜브들은 중심으로부터 같은 거리로 떨어진 링(ring)들이나 또는 등간격으로 배치되지 않으며, 그러나 그룹(group)을 이루어 배치되며, 여기에서 개별의 그룹들은 동일축으로(coaxially) 서로로부터 멀어지는 거리를 가지고 배치되며, 각각의 그룹은 적어도 2 개의 환형으로 배치된 튜브들의 열(row)을 포함한다. 특히, 산소 공급을 위한 튜브들의 3 개 그룹들이 제공된다. 즉, 3 개의 링 부분들이 제공되는 것이 바람직스러운데, 이들은 서로로부터 거리를 두고 떨어져 있고, 그 안에는 개별적인 튜브들이 각각의 경우에 배치되고, 튜브들의 서로로부터의 거리는 링 부분들의 서로로부터의 거리보다 작다. 2 개 또는 3 개의 링들에 배치된, 산소 공급을 위한 튜브들의 열(rows)들은 각각의 그룹과 관련된다. 산소 공급을 위한 상기 튜브들 둘레에, 각각의 경우에 작은 직경을 가진 노즐 오리피스들의 그룹이 외측 링에 제공되며, 그 노즐 오리피스들을 통하여 연료 개스가 공급된다.
슬래브(slab)의 긴 측부가 280 내지 400 mm의 직경을 가지는 노즐과 함께 과도하게 이동하면, 이것은 단일의 통과(single pass)로 처리될 수 있는데, 여기에서는 가능한 한 평탄한 슬래브 표면이 만들어졌다. 이러한 긴 측부의 반복되는 과도 이동을 불필요하게 한 결과로서, 산소의 절감이 이미 현저한 정도로 이루어졌다. 경이롭게도, 시간 단위당 약 25 % 의 산소 절감이 추가적으로 초래되었는데, 이것은 새롭게 형성된 노즐 장치에 의해서만 가능한 것이다.
산소 공급을 위한 각각의 개별 튜브가 바람직스럽게는 6 내지 12 mm, 특히 8 mm 의 유출부 내부 직경을 가진다. 종래 기술에 따라서 기본적으로 공지된 바와 같이, 개스 버너는 분리된 산소 공급 라인(feed lines)들을 가지며, 이들은 분리되어 제어될 수 있다. 이러한 경우에, 각각의 분리 개스 공급부는 공급 라인들, 즉 링 부분(ring section)에 연결된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 한 그룹(group)의 개별 튜브들, 바람직스럽게는 2 개 내지 3 개의 튜브들이 하위 그룹(sub-group)을 형성하도록 조합되는데, 각각의 경우에 상기 하위 그룹은 교환 가능 방식으로 개스 버너 노즐에 배치된 일체화 동체(single-piece body)를 형성한다. 이러한 방식으로, 단부 면에 있는 손상된 표면 부분들은 영향을 받은 하위 그룹들의 교환에 의해 부분적으로 갱신될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따라서, 상기 튜브들의 그룹은 단일의 단부 부품(end piece)으로 배치되며, 그에 대하여 전방 블록(front block)이 연결되며, 전방 블록은 산소 공급을 위한 3 개의 예비 챔버들을 가지는데, 예비 챔버들은 서로에 대하여 공동의 축으로(coaxially) 배치되고 각각의 경우에 (링) 그룹의 튜브들에 연결된다. 이러한 조치에 의하여, 개스 버너 노즐의 중량은 상당히 감소될 수 있다. 수명의 이유 때문에, 개스 공급 튜브들은 구리로 제조된다.
그 어떤 튜브의 길이라도 튜브의 먼 단부에서의 난류들을 회피하는데 필요한 거리에 의해 결정되는데, 상기 난류들은 폭발과 같은 연소(burn-out)에 이를 수 있으며, 그에 대응하는 노즐의 손상을 가져온다. 특히, 유출부를 향하여 배향된 실린더형 튜브와 라발 노즐(Laval nozzle)의 조합으로서 산소 공급을 위한 각각의 튜브가 형성된다면, 개별 튜브들의 최적 설계(바람직스럽게는 유출부에서 8 mm 의 폭)가 만들어졌다. 주로 종래 기술에 따라서 알려진 라발 노즐(Laval nozzle)은 2 개의 원추와 같은 부분(cone-like section)을 가지는데, 유동 방향에서 나타나는 제 1 원추부는 수렴 방식(converging manner)으로 형성되고, 그 후에 이어지는 원추부는 발산의 방식(diverging manner)으로 형성된다. 튜브 유출부까지 일정한 직경을 가지는 실린더형 튜브는 발산 부분의 단부에 부착된다.
유체 역학으로부터 알려진 바로서, 일정한 압력이 작용하는 튜브안의 층류 유동에서는 유동의 속도가 직경의 감소에 대하여 상반되게 증가된다. 튜브 설계의 결과로서, 튜브 안에서 안내되는 개스 유동은 진동하도록 만들어지는데, 유동의 상호 작용 때문에 높은 주파수의 임펄스 시퀀스(impulse sequence)들이 발생된다. 달성 가능한 임펄스 주파수 및 진폭들은 특히, 유입 압력, 튜브 직경의 수렴의 정도 및 발산의 정도, 그리고 일정한 직경을 가진 제 3 부분의 길이에 달려 있다. 화염 스카핑(flame scarfing) 동안에, 노즐 배출 단부를 떠난 쇼크와 같은(shock-like) 임펄스(impulse)는, 처리되어야 하는 작업물 표면의 용융의 결과로서 만들어진 액체 물질 및, 표면으로부터 떨어져서 흩날려서 아마도 포함되는 고체 입자들에 이르게 된다. 이것은 예를 들면 슬래브 표면과 같이 처리되어야 하는 작업물의 표면 품질의 향상 및 산소 소비의 추가 감소에 이르게 된다. 본 발명의 범위내에서, 발산 부분이 내측 단면의 제 1 수렴 부분을 직접적으로 따를 수 있거나, 또는 일정한 직경을 가진 단면의 개재에 의해 따를 수 있다. 일정한 직경을 가진 부분이 존재하는 한, 이러한 부분에서의 유동 속도는 중첩(superposition)의 발생 없이 유지되는데, 이는 발산 부분 및, 발산 부분을 따르는 연장 튜브에서 소망되는 것이다. 일정한 직경을 가진 짧은 부분이 바람직스럽게는 그 어떤 경우에 있어서도 발산 부분의 개별 길이 및 수렴의 개별 길이 보다 작아야 한다.
본 발명의 다른 설명 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 개스 버너 노즐의 평면도를 도시한다.
도 2 는 상기 개스 버너 노즐을 통한 부분적인 단면을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d 는 각각의 경우에 상이한 개스 유동 구조들을 가진 산소 공급부를 위한 튜브를 통한 단면도를 도시한다.
도 1 에 도시된 화염 처리 작용을 위한 개스 버너 노즐은 그룹으로 배치되어 있는 복수개의 튜브들을 가진 중앙의 산소 공급 부분을 가진다. 이러한 경우에, 외측 링 부분(11)은 개별의 튜브들로 형성되는데, 튜브(11)들은 외측 링에 배치되고, 튜브(112)들은 다음에 따르는 링에 배치되며, 튜브(113)들은 내측 링에 배치된다. 튜브(112 및 111 또는 113)들은 각각의 경우에 서로에 대하여 오프셋(offset) 방식으로 "엇걸리게(stagger)" 배치되어 있다. 튜브 직경은 8 mm 이고, 튜브(11,112,113)들의 근접한 튜브로부터의 튜브 거리는 각각의 경우에 약 4 mm 이다.
중앙의 링 부분(12)에서, 개별 튜브들의 2 개 열(row)들은, 각각의 다음 튜브로부터 4 mm 의 거리가 설정되도록 서로에 대하여 오프셋되고, 상이한 직경들에 배치된다.
중앙의 링 부분에서, 4 개의 튜브들이 가장 내측의 링(4)에 배치되고, 그것을 따르는 링들에서 12 개의 튜브들이 각각의 경우에 배치된다. 본 발명의 경우에, 산소 공급을 위하여 전체 148 개의 튜브들이 제공된다. 현저하게 작은 직경을 가진 연료 개스 공급을 위한 튜브들은 2 개의 공동 축에 배치된 열(14,15)에 모두 둥글게 배치된다. 전체 노즐 헤드(10)는 구리로 이루어지는데, 개스 버너 노즐은 대응하는 수의 구멍들이 제작되어 있는 단단한 동체로서 형성될 수 있다.
대조적으로, 도 2 는 변형례를 도시하는데, 여기에서는 전방 블록이 연결되는 외측 전방 부분만이 단단하게 구성되고, 링 그룹(13)의 튜브들에 대한 중앙 산소 공급부(16), 상기 중앙 산소 공급부에 동일 축으로 놓이고 링 그룹(12)의 튜브 들로 이어지는 개스 공급부(17) 및, 튜브들의 그룹(11)으로 이어지는 외측의 공동축(coaxial) 개스 공급부(18)가 배치된다. 3 개의 개스 공급부(16,17,18)들 각각은 개별 튜브들의 개스 속도가 대응하여 제어되도록 분리 제어될 수 있다.
예를 들면 튜브(111,112,113)와 같은 각각의 개별 튜브는, 길이(LK)를 가지는 실린더형 튜브(101)가 길이(LC)를 가지는 라발 노즐(Laval nozzle, 100)에 연결되는 방식으로 바람직스럽게 형성된다. 이러한 라발 노즐은 길이(L2)에 걸쳐 연장되는 제 1 수렴 부분(121) 및, 길이(L3)를 가지는 발산 부분(122)을 가진다. 이러한 상기 부분들 사이에, 길이(L4)를 가진 하위 부분이 배치될 수 있는데, 이것은 일정한 최소 직경(dmin)을 가진다. 실린더형 튜브(101)의 직경은 dk 로서 식별되며, 원추 형상 발산부(122)의 최대 직경의 크기를 가진다. 길이(LK 또는 L5)는 변화될 수 있으며, 예를 들면 길이 측정값 72 mm, 65 mm 와 25 mm 사이에서 변화될 수 있다. 길이(L2)는 예를 들면 10 mm 로 선택될 수 있고, 길이(L4)는 2 mm 로 선택될 수 있고, 길이(L3)는 25 mm 로 선택될 수 있다. 튜브로 유동하는 개스는 예를 들면 1.3 x 106 Pa 의 압력(PO) 및 온도(T0)(예를 들면 실내 온도)를 가진다. 외부 압력(환경 압력)에 대하여 압력(P0)을 변화시킴으로써, 배출 산소 유동의 제트 원추부(jet cone)는 수렴 형상, 발산 형상, 또는 실질적으로 평행한 형상을 형성하도록 변형될 수 있 다. 더욱이, 유입 압력(P0)에 의해서, 상이하게 결과가 이루어지는 진동 주파수 및 진동 진폭들이 변화된다.
본 발명은 화염 작업, 특히 화염 스카핑(flame scarfing)에서 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수개의 튜브들을 포함하는 중앙의 산소 공급부 및 상기 산소 공급부 둘레에 배치된 연료 개스 공급부를 위한 복수개의 튜브들을 가진, 화염 처리 작용을 위한 개스 버너 노즐로서,
    산소 공급부를 위한 튜브들은 각각의 경우에 그룹(group)들로 배치되고, 개별의 그룹(11,12,13)들은 서로로부터 떨어진 거리를 가지고 동일 축으로(coaxially)으로 배치되고, 각각의 그룹(11,12,13)은 적어도 2 개의 고리형으로 배치된 튜브들의 열들을 포함하는, 개스 버너 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    산소 공급부를 위한 튜브들의 3개 그룹(11,12,13)을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산소 공급부를 위한 각각의 개별 튜브는 6 내지 12 mm 의 유출부 내측 직경을 가지고, 바람직스럽게는 8 mm 의 유출부 내측 직경을 가지는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    공급 라인(feed lines)들의 각각의 그룹은 분리된 개스 공급 제어 시설을 가지는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
    하나의 그룹의 개별 튜브들, 바람직스럽게는 2 개 내지 3 개 튜브들이 하위 그룹(sub-group)을 형성하도록 조합되고, 상기 하위 그룹은 각각의 경우에, 바람직스럽게는 교환 가능 방식으로 개스 버너 노즐내에 배치되는 일체화 동체(one-piece body)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,
    튜브들의 그룹들은 산소 공급부를 위한 3 개의 예비 챔버(pre-chamber, 16,17,18)들을 가진 전방 블록에 연결된 단부 부품(end piece)에 배치되고, 예비 챔버들은 서로 동축으로(coaxially) 배치되고 각각의 경우에 그룹(11,12,13)들중 하나의 튜브들에 연결되는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
    개스 공급 튜브들은 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항의 어느 한 항에 있어서,
    외측 직경은 250 내지 400 mm 이고, 바람직스럽게는 300 mm 인 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
    산소 공급부를 위한 각각의 튜브는 실린더형 튜브(101)와 라발 노즐(Laval nozzle, 100)의 조합으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 부분(121)의 길이(L2)는 제 2 부분(122) 및/또는 제 3 부분(123)의 길이(L3)보다 짧은 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항의 어느 한 항에 있어서,
    3 개 부분들의 직경 및 길이는, 개스가 노즐 배출 단부에서 밖으로 펄스 형태(pulse form)로 유동하도록 서로 정합(match)되는 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  12. 제 11 항에 있어서,
    노즐 배출 단부에서의 임펄스 주파수는 100 내지 650 Hz 이고, 바람직스럽게는 150 내지 250 Hz 인 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
  13. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 튜브에서의 최대 개스 유동 속도는 (음속의 2 배와 같은) 마하 2 인 것을 특징으로 하는, 개스 버너 노즐.
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