KR20120129832A - 밀폐된 공간 내로의 공기 진입을 제어하기 위한 가열 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

용기 가열 방법에 관한 것으로서, 용기는 밀폐된 공간이 내부에 있고 상기 밀폐된 공간 내로 간극을 통한 공기 진입을 조절한다. 상기 방법은, 밀폐된 공간을 갖는 용기를 위한 뚜껑 구조체를 마련하는 단계를 포함하고, 뚜껑 구조체는 버너 조립체가 내부에 장착되어 있다. 버너는 예정된 화염 직경을 제공하도록 구성된다. 용기와 뚜껑 구조체는 간극이 용기와 뚜껑 구조체 사이에 형성되도록 일치된다. 연료와 산화제는 예정된 화염 직경을 제공하고 상기 간극을 통해 밀폐된 공간으로부터 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기에 충분히 큰 화염 속도를 가하는 조건 하에서 버너 조립체로부터 방출된다.

Description

밀폐된 공간 내로의 공기 진입을 제어하기 위한 가열 방법 및 시스템{HEATING METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING AIR INGRESS INTO ENCLOSED SPACES}

본 발명은 전반적으로 밀폐된 공간 내에서 가열하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 용융 금속과 함께 사용하기 위한 밀폐된 공간을 갖는 래들(ladle)을 예열하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

금속 산업에서, 추가 처리 전에 용융 금속을 운반 또는 보관하기 위하여 일반적으로 내화물 라이닝 래들이 사용된다. 래들은 용융 부산물의 냉각을 최소화하기 위하여 사용 전에 가열된다(통상적으로, 래들 예열이라고 함). 일반적으로, 래들은 연료가 발화되어 래들의 공동 내에서 연소 열을 발생시키는 연소 시스템에 의해 가열된다. 실제 작동시에, 래들의 립(lip)은 일반적으로 고화된 금속 덩어리와 기타 유형의 사용 후 슬래그로 덮이고, 이는 래들의 립과 래들 림(rim) 사이에 피할 수 없는 간극을 형성한다. 이 간극은 상당할 수 있고, 간극은 래들의 립 둘레의 특정한 지점에서 수 인치 이상까지 연장될 수 있다. 이 간극을 연소 부산물을 위한 배기구로서 사용하는 것이 일반적인 실시이지만, 간극이 너무 커지면 간극을 통한 래들의 공동 내로 공기 동반이 일어날 수 있다. 차가운 주위의 공기는 가열 시스템의 에너지 효율을 감소시킨다. 또한, 특히 산소-연료 연소 등의 고온 방법이 사용될 때에 NOx 생성을 증가시킨다. 이 차가운 공기의 동반은 간극이 수직 방향으로 배향될 때에 부양 효과로 인해 더 큰 문제가 된다. 일부 종래 기술의 특허는 간극을 통한 공기 침투를 감소시키도록 용기를 밀봉함으로써 에너지 손실 및 NOx 생성을 극복하기 위해 시도하였다. 그러나, 사실상, 이들 밀봉 방법은 고화된 금속 덩어리와 래들의 립을 덮는 기타 유형의 슬래그가 시일을 파열하고, 그리고/또는 래들 가열 장치 상의 밀봉면에 손상을 유발하기 때문에, 달성하고 유지하기가 어렵다.

래들 림 또는 래들 가열 노의 다양한 밀봉 방법이 미국 특허 제1,057,905호; 제4,223,873호; 제4,229,211호(제4,223,873의 일부 연속 출원); 제4,386,907호; 제4,364,729호; 및 제5,540,752호에 청구되어 있고, 각각의 특허는 그 전체가 참고로 합체된다. 사실상, 이들 밀봉 방법은 시일을 파열하고, 그리고/또는 래들 가열 장치 상의 밀봉면에 손상을 유발하는 고화된 금속 덩어리와 기타 유형의 슬래그에 의해 래들의 립이 일반적으로 덮여 있기 때문에 달성되기 어렵다는 단점을 갖는다.

역사적으로, 공기-연료 연소는 거의 모든 산업적 가열 프로세스에 사용되는 종래의 기술이다. 일반적으로, 공기-연료 연소는 산소-연료 연소에 비해 훨씬 큰 연도 가스 체적으로 인해 공기-연료 연소시에 정압을 유지하고 공기 누출을 최소화하는 것이 용이하다. 그러나, 공기-연료 연소는 일반적으로 열 회수 방법이 없이는 일반적으로 비효율적이다. 에너지 효율을 개선하기 위하여, 다양한 용융로에서 회복 또는 재생 공기-연료 연소가 광범위하게 개조되었다. 미국 특허 제1,057,905호; 제4,223,873호; 제4,229,211호; 제4,386,907호; 제4,364,729호; 제4,359,209호; 제4,718,643호; 한국 특허 제KR200000427A호 및 벨기에 특허 제BE901913A호(이들 특허 각각은 그 전체 참고로 본 명세서에 합체됨)는 래들 예열을 위한 회복 또는 재생 공기-연료 연소 시스템을 개시하고 있다. 그러나, 이들 회복 또는 재생 공기-연료 연소 시스템은 복잡하고, 고가이며, 일반적으로 유지 보수를 자주 필요로 한다.

미국 특허 제1,057,905호는 공기 연료 연소를 이용함으로써 래들을 건조 및 가열하는 장치를 도입하고 있다. 래들 림을 밀봉하고 연소 공기를 예열하기 위하여, 미국 특허 제1,057,905호에 개시된 방법은 래들을 전도하고 래들을 노 위에 배치한다. 이렇게 함으로써, 연도 가스가 탈출하는 것이 방지되고 주위 공기가 래들의 림으로부터 동반되지 않는다. 미국 특허 제1,057,905호는 이하를 포함한다. (1)대형 제강 래들용으로 용인할 수 없는 자세로 있는 래들은 전도되어야 한다; (2)실제 작동시에, 래들의 림을 청결하게 유지하거나 고화된 금속 및 슬래그가 림을 따라 균일하게 분배되게 하는 것은 어렵다. 이들 제약은 래들의 거친 림을 노와 결합시킬 때에 시일 연결을 보장하는 것을 어렵게 한다.

미국 특허 제4,223,873호는 회복 공기-연료 화염 래들 가열 방법 및 장치를 개시하고 있다. 래들의 내부와 외측 분위기 간에 과도한 누출을 방지하기 위하여, 세라믹 섬유 압밀 재료를 포함하는 원형 시일이 래들의 림과 열교환기 시스템 및 버너 시스템의 케이싱의 개구 사이에 추가된다. 이 방법은 추가 재료를 사용하고 래들의 립을 따라 재료의 축적을 방지하지 못하여 래들을 밀봉하는 데에 사용이 제한된다.

미국 특허 제4,229,211호는 직접 공기-연료 화염에 의해 가열되는 래들을 개시하고 있다. 시일은 래들의 림에 적용되어, 공기가 열교환기를 통해 래들로 향하게 하고, 연료와 공기를 혼합하며, 이 혼합물을 점화하고 화염을 래들 챔버 내로 향하게 하며, 연소 가스를 래들 챔버로부터 다시 열교환기를 통해 배출한다. 래들의 림에 적용된 시일은 공통 평면에 장착된 내화 섬유 모듈의 네트워크를 포함한다. 각 모듈은 아코디언 접이식 구조에 내화 섬유들의 웹으로 형성되는 직사각형 블록을 포함하고, 모듈은 그 접이식 에지가 노출된 상태로 장착되며, 각 모듈의 접힌 부분은 인접한 모듈의 접힌 부분에 대해 직각으로 연장된다. 미국 특허 제4,229,211호의 방법은 고화된 금속과 슬래그를 제거하기 위해 래들의 림을 세척하지 않고서는 많은 경우에 적절하게 사용될 수 없고, 가열 벽은 래들의 거친 림과의 결합에 의해 히터의 시일 조립체의 압축성 라이닝이 손상되기 때문에 자주 리라이닝되어야 한다는 단점이 있다.

미국 특허 제4,386,907호는 스토퍼 로드 개구를 갖는 래들을 예열하기 위한 밀봉 수단을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,386,907호의 방법은 밀봉을 위한 추가 재료 및 구조를 필요로 하고 래들의 립을 따라 축적 재료를 방지하지 못하여, 래들을 밀봉하는 데에 사용이 제한된다.

미국 특허 제4,364,729호는 공기 시일과 열 차폐부를 갖는 래들 가열 시스템을 개시하고 있다. 래들은 뚜껑을 래들의 림에 적용하고 공기 스트림을 열교환기와 뚜껑을 통해 래들로 향하게 하며, 연료와 공기를 혼합하고 혼합물을 점화하여 화염이 래들 챔버 내로 향하게 하며, 래들 챔버로부터의 연소 가스를 뚜껑과 열교환기를 통해 배출함으로써 직접 화염에 의해 가열된다. 열 차폐부는 두껑 근처에 장착되고 래들의 림을 망원경식으로 수용하도록 크기와 형태가 정해지며, 공기의 링이 열 차폐부와 래들의 림 사이에서 공기 픽업 링으로 이동된다. 공기의 링은 가스가 래들의 내측으로부터 래들 림과 뚜껑 사이의 임의의 개구를 통해 탈출하는 것을 차단하고, 열 차폐부는 열 복사선을 임의의 그러한 개구로부터 차단한다. 미국 특허 제4,364,729호는 가스가 탈출하는 것을 방지하기 위해 프로세스가 공기 차폐부를 필요로 하지만 래들 내로 공기의 진입을 방지하지 못한다는 단점이 있다.

미국 특허 제5,540,752호는 스크랩과 쇠똥으로부터 용융 응집 형태의 비철 금속을 회수하는 프로세스 및 장치를 개시하고 있다. 스크랩과 쇠똥은 밀봉 가능한 회전로를 통해 도입된다. 회전로를 향한 주위 공기의 누출을 배제하도록 노의 시일 수단이 설명된다. 미국 특허 제5,540,752호는 래들의 립 상에 재료의 축적을 방지하지 못하는 시일 구조를 개시하고 있어, 래들을 밀봉하는 데에 사용이 제한된다.

본 명세서에 전체가 참고로 합체되는 미국 특허 제2,294,168호는, 원형 단면의 용기, 특히 고온 금속 래들과 같은 그러한 용기의 내부면의 가열을 위해 설계된 특별한 유형의 가스 버너를 개시하고 있다. 상기 가스 버너는 용기 내로 연장되는 공기 도관과, 도관 내에 가스 이송 파이프를 포함한다. 상기 버너의 팁은 고온 연소 부산물을 공기 도관 둘레에서 상방으로 향하게 하여 공기 도관을 통해 제공된 공기를 예열하도록 벤츄리 개구를 포함한다. 버너 팁의 벤츄리 개구 형태는 가열되는 용기의 벽에 대해 균일하게 고온 연소 부산물을 소용돌이치게 하도록 용기 내에 압력차를 생성시킨다. 미국 특허 제2,294,168호는 버너 구조가 용기 내로 연장되어 구성요소들에 대해 보다 큰 노출을 유발함으로써, 유지 보수 비용 및/또는 버너의 재료 비용을 증가시킨다는 단점이 있다.

미국 특허 제4,359,209호는 회복을 활용하지만 래들의 림과 래들 뚜껑 사이에 임의의 시일을 생성할 필요성을 완전히 제거하는 래들 예열 장치와 방법을 개시하고 있다. 상기 래들 예열 방법은 래들로부터 연소 부산물을 수용하기 위한 개구를 획정하는 외부 케이싱을 포함한다. 개구는 주위 공기가 래들 둘레에서 끌어당겨지게 하여 연소 부산물과 혼합하는 희석 공기 공간을 래들 둘레에 형성하도록 치수가 정해진다. 미국 특허 제4,359,209호는 래들을 완전히 또는 부분적으로 둘러싸는 연소의 영역으로 주위 공기가 끌어당겨지는 단점이 있다. 공기 공간에 의한 시일 수단은 연소 부산물이 주위로 배출되는 것을 방지하는 것이다. 그러나, 주위 공기는 래들 내로 끌어당겨져 화염 온도를 감소시키고 잠재적으로 NOx 생성을 증가시킨다.

전체가 본 명세서에 참고로 합체되는 미국 특허 제3,412,986호는 특히 고로(blast furnace)로부터 다른 지점으로 용융 금속을 운반하도록 철 및 강 제련소에서 사용되는 래들(토페도 래들; torpedo ladle)을 가열하도록 되어 있는 이중 단부식 산소-연료 버너를 개시하고 있다. 상기 버너는 래들을 예열하거나 래들이 연속적인 금속 장입량 사이에서 냉각하지 못하게 하도록 사용된다. 버너는 래들에 대해 조절되고 긴 화염을 생성하고 이들 화염을 반대 방향으로 돌출시키도록 대향된 오리피스들을 갖는다. 버너에는 팁의 단부까지의 도중 내내 연장되는 수냉식 재킷이 구비되어 버너가 래들 내에서 고온을 견딜 수 있다. 상기 버너는 2개의 동심 튜브를 포함한다. 내부 튜브는 연료를 위한 것이고 외부 튜브는 산소를 위한 것이다. 버너의 팁에서, 연료는 하나의 튜브를 통해 버너로 도입된다. 산소 스트림은 중앙 연료 튜브를 따라 환형으로 분포되는 다수의 오리피스를 통해 래들로 도입된다. 미국 특허 제3,412,986호는 버너가 용기 내로 연장되는 중요한 구조를 포함함으로써, 유지 보수 비용을 증가시키고, 그리고/또는 버너를 위한 재료 비용을 증가시킨다.

전체가 본 명세서에 참고로 합체되는 미국 특허 제4,718,643호는 연료 연소 프로세스에서 회복에 의해 예열되는 산소와 연소 공기를 수반함으로써 최적화된 가열 사이클을 이용하는 급속 고온 래들 예열 방법 및 장치를 개시한다. 프로세스 내로 향하는 제어된 산소 유동이 초기 예열 페이즈 중에 열 입력을 증가시키고 래들 예열의 균일 가열 페이즈(soaking phase) 중에 시스템의 효율을 보장하도록 사용된다. 개시된 래들 뚜껑은 고화된 금속 또는 슬래그의 국부적 축적에 의해 유발되는 상당한 돌출을 갖는 래들 림의 일부와 결합하도록 부분적으로 개방된 내화물 링을 포함한다. 래들 뚜껑에 배치된 버너로부터의 화염은 열을 래들의 내부로 전달하고 연도 가스는 래들로부터 배출 포트로 방출된다. 래들이 부분적으로 밀봉될 때에, 일부 주위 공기가 래들의 뚜껑 둘레의 배출 포트 내로 인입된다. 주위 공기의 인입은 래들의 효과적인 시일을 생성하고, 이는 래들이 래들의 뚜껑에 매우 가깝게 위치 결정되지 않으면 고온 가스가 래들 밖으로 인출되는 굴뚝 효과를 방지한다. 따라서, 미국 특허 제4,718,643호는 시일의 파괴없이 거친 에지를 갖는 래들의 취급을 허용한다. 미국 특허 제4,178,643호는 래들이 부분적으로 밀봉될 때에, 외측 주위 공기가 개구를 통해서 래들의 내부를 향해 인입되어, 화염 온도를 감소시키고 잠재적으로 NOx 생성을 증가시킨다는 단점이 있다.

전체가 본 명세서에 참고로 합체되는 한국 특허 제KR20040056882호는 가열 시간을 감소시킴으로써 NOx 배출을 감소시키고 연료를 절감하도록 제공되는 래들을 가열하기 위한 다중 홀 노즐 버너를 개시하고 있다. 다중 홀 노즐 버너는 상부 래들 커버의 중앙에 설치되고, 단일 분사를 갖는 점화 공기 노즐, 점화 공기 노즐을 둘러싸고 다수의 분사를 갖는 연료 노즐, 및 연료 노즐을 둘러싸고 다수의 분사를 갖는 연소 공기 노즐을 포함하는 삼중 링형 구조를 갖는다. 한국 특허 제KR20040056882호의 시스템은 연소가 공기-연료 연소만을 이용한다는 단점이 있는데, 이는 화염 온도를 감소시키고 NOx 생성을 증가시킨다.

한국 특허 제KR2000002710A호는 에너지를 절감하기 위해 제공되는 재생 버너를 개시하고 있다. 연소 가스는 고속 노즐 혼합형 버너를 이용함으로써 래들 내에서 충분히 순환된다. 한국 특허 제KR20000042710A호의 시스템은 연소가 공기-연료 연소만을 이용한다는 단점이 있는데, 이는 화염 온도를 감소시키고 NOx 생성을 증가시킨다.

미국 특허 제7,549,858호의 분할 출원인 미국 특허 출원 제US20090220900호( 모두 그 전체가 본 명세서에 참고로 합체됨)는 버너로 이송되는 산화제 스트림의 전체 산소 농도를 조절함으로써 일련의 상이한 열전달 속도로 제공될 수 있는 탄화수소 연료를 연소하는 버너에 의해 제공되는 가열을 개시하고 있다. 그러나, 미국 특허 출원 제US20090220900호에 의해서는 가열 용기 내로 공기 진입에 의한 버너의 충격이 고려되지 않는다.

본 명세서에 전체가 참고로 합체되는 벨기에 특허 제BE901913A호는 래들이 적소로 이동되는 고정식 후드의 사용을 포함하는 래들 가열 시스템을 개시하고 있다. 고정식 후드에는 상부 섹션에 버너가 마련되고 하부 섹션에 폐가스 출구가 마련되어 있다. 연소된 가스는 균일한 가열을 보장하기 위하여 비교적 높은 속도로 래들 내에서 순환된다. 폐가스 내의 열은 연소 공기 및 가능하게는 연소 가스가 예열되게 할 수 있는 회복 또는 재생 시스템에 의해 회수된다. 벨기에 특허 제BE901913A호는 공기 진입이 방지되지 않는다는 단점이 있는데, 이는 화염 온도를 감소시키고 NOx 생성을 증가시킨다.

무화염 연소는 연소용 반응물들이 혼합 및 반응하기 전에 고도로 희석되는 연소 기술이다. 무화염 연소는 통상적으로 NOx 제어를 원할 때에 이용된다. 반응물들은 일반적으로 연소 반응이 일어나기 전에 연소 부산물을 동반시킴으로써 희석된다. 이 연소 모드는 통상적으로 산화 가스가 산소의 17% 미만의 레벨로 희석될 때에 발생하고, 화염 정면이 사라지고 연료가 무화염 방식으로 산화된다. 이 기술에 대한 요점은 연료의 자동 점화 온도 이상으로 노 온도를 유지하는 것 또는 매우 강한 화염 안정제를 사용하는 것이다. 이 유형의 연소는 일반적으로 높은 분사 우동량 및 연소 체적을 특징으로 한다. 대안적으로, 무화염 연소는 대규모 연소 또는 분산 연소라고 칭할 수 있다.

금속 산업에서는, 공기 진입을 감소 또는 제거하는 래들 노 가열과 같이 밀폐된 공간을 위한 가열 방법 및 시스템에 대한 요구가 존재한다. 이들 요구는 아래에서 설명되고 이하의 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 실시예에 의해 처리된다.

본 발명의 한가지 양태는 용기 가열 방법을 포함하고, 용기는 밀폐된 공간이 내부에 있고 밀폐된 공간 내로 간극을 통한 공기 진입을 조절한다. 상기 방법은, 밀폐된 공간을 갖는 용기를 위한 뚜껑 구조체를 마련하는 단계를 포함하고, 상기 뚜껑 구조체는 버너 조립체가 내부에 장착되어 있다. 버너 조립체는 예정된 화염 직경을 제공하도록 구성된다. 임의의 적절한 화염 직경이 채용될 수 있고 가열 용기의 크기에 따라 변동하며, 적절한 화염 직경의 예는 20 인치보다 작거나 동일하고, 바람직하게는 8 내지 10 인치이다.

용기와 뚜껑 구조체는 간극이 용기와 뚜껑 구조체 사이에 형성되도록 일치된다. 연료와 산화제는 예정된 화염 직경을 제공하고 상기 간극을 통해 밀폐된 공간으로부터 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기에 충분히 큰 화염 속도를 가하는 조건 하에서 버너 조립체로부터 방출된다.

본 발명의 다른 양태는 용기 가열 방법을 포함하고, 용기는 밀폐된 공간이 내부에 있고 밀폐된 공간 내로 간극을 통한 공기 진입을 조절한다. 상기 방법은, 밀폐된 공간을 갖는 용기를 위한 뚜껑 구조체를 마련하는 단계를 포함한다. 상기 뚜껑 구조체는 버너 조립체가 내부에 장착되어 있다. 버너 조립체는, (a)주변, 연소 구역에 인접한 방출 단부, 및 축을 갖는 세장형 본체로서, 상기 축은 연소 구역 내로 연장되는 것인 세장형 본체, (b)상기 세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 산화제를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐, 및 (c)상기 세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 연료를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐을 포함한다. 하나 이상의 산화제 노즐과 하나 이상의 연료 노즐은 상기 밀폐된 공간으로부터 간극을 통해 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기 위한 버너 구성비와 버너 속도비를 제공하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 방법은 이하의 등식에 따라 결정되는 버너 구성비를 제공하도록 버너 조립체를 구성하는 단계를 포함하고,

a = A_gap/(200 A_bf)

여기서, A_gap는 간극의 면적이고 A_bf는 버너면의 면적이며, 버너 속도비는 이하의 등식에 따라 결정되고,

b = 3V_buoy/V_jet

여기서, V_buoy는 이하의 등식에 의해 결정된다.

V_buoy = (2 g D_ladle △T/T_flame)^1/2

여기서, g는 중력 상수이고, D_ladle는 래들의 직경이며, △T는 화염과 래들 벽 간의 온도차이고, T_flame은 화염 온도이다. 버너 구성비(a)와 버너 속도비(b)의 합은 2 미만이다.

본 발명의 다른 양태는 밀폐된 공간을 갖는 용기를 가열하고 밀폐된 공간 내로 공기 진입을 제어하는 장치로서, 버너 조립체가 내부에 장착된 뚜껑 구조체를 포함하고, 용기와 뚜껑 구조체는 용기와 뚜껑 구조체 사이에 간극이 형성되도록 일치하며, 버너 조립체는, (a)주변, 연소 구역에 인접한 방출 단부, 및 축을 갖는 세장형 본체로서, 상기 축은 연소 구역 내로 연장되는 것인 세장형 본체, (b)세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 산화제를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐, 및 (c)세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 연료를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐을 포함한다. 버너 조립체는 예정된 화염 직경을 제공하고 간극을 통해 밀폐된 공간으로부터 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기에 충분히 큰 화염 속도를 가하는 조건 하에서 버너 조립체로부터 연료와 산화제를 연소시키도록 구성된다.

본 발명의 다른 양태는 밀폐된 공간을 갖는 용기를 가열하고 밀폐된 공간 내로 공기 진입을 제어하는 장치로서, 버너 조립체가 내부에 장착된 뚜껑 구조체를 포함하고, 용기와 뚜껑 구조체는 용기와 뚜껑 구조체 사이에 간극이 형성되도록 일치하며, 버너 조립체는, (a)주변, 연소 구역에 인접한 방출 단부, 및 축을 갖는 세장형 본체로서, 상기 축은 연소 구역 내로 연장되는 것인 세장형 본체, (b)세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 산화제를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐, 및 (c)세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 연료를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐을 포함한다. 하나 이상의 산화제 노즐과 하나 이상의 연료 노즐은 밀폐된 공간으로부터 상기 간극을 통해 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기 위한 버너 구성비와 버너 속도비를 제공하도록 구성된다.

본 발명의 한가지 양태에서, 공기 진입이 실질적으로 방지된다. 실질적으로 방지된다는 것은 공기 진입의 양 또는 체적이 배출된 연도 가스의 전체 양 또는 체적의 약 5% 미만, 그리고 최상의 경우에 배출된 연도 가스의 전체 양 또는 체적의 약 2% 미만이라는 것으로 의도된다.

다른 실시예에서, 장치는 이하의 등식에 따라 결정되는 버너 구성비와,

a = A_gap/(200 A_bf)

이하의 등식에 따라 결정되는 버너 속도비를 더 포함하고,

b = 3V_buoy/V_jet

버너 구성비(a)와 버너 속도비(b)의 합은 2.5 미만이다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 본 발명의 원리를 일례로서 예시하는 첨부 도면과 함께 취한 바람직한 실시예의 이하의 보다 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 래들 가열 시스템의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 버너 조립체의 축방향 단면도이며,
도 3은 버너 조립체의 배출 단부를 보여주는 도 2의 실시예의 정면도이고,
도 4는 종래의 파이프 인 파이프 산소-연료 버너의 정면도이며,
도 5는 본 발명의 변경예에 따른 높은 운동량 버너를 위한 동반된 공기 질량 대 예열 시간의 플롯이고,
도 6은 종래의 산소-연료 버너를 위한 동반된 공기의 질량 대 예열 시간의 플롯이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 버너와 종래의 산소-연료 버너를 위한 래들 내부면 온도 대 예열 시간의 플롯이고,
도 8은 버너 구성비 "a"와 버너 속도비 "b"에 대한 공기 동반의 의존도를 보여주는 버블 플롯이며,
도 9는 버너 구성비 "a"와 버너 속도비 "b"에 대한 가열 시간의 의존도를 보여주는 버블 플롯

공기 진입을 감소 또는 제거하는 래들 및 노 가열과 같이 밀폐된 공간에서 가열하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예의 이점은 실질적으로 균일한 가열 및 내화물의 수명 연장, 가열 시간의 감소 및 래들 또는 노의 내부로 주위 공기의 침입 감소, 및 NOx 배출의 감소를 포함한다. 또한, 밀폐된 공간에서의 가열 방법에서, 보다 큰 간극을 갖는 가열 작동을 비롯하여 연장된 작동 조건이 이용될 수 있다.

실시예는 공기 누출 문제가 있는 래들 예열 또는 용융 노에 대한 가열 장치 및 방법을 포함한다. 일실시예에서, 높은 운동량의 대규모 산소-연료 버너가 래들 뚜껑 또는 노 벽 내에 설치되어 래들 간극을 통한 공기 진입 또는 노에서의 누출을 최소화시킨다. 래들 또는 노 내에서 상기 높은 운동량의 대규모 산소-연료 버너에 의해 형성되는 균일한 가열은 래들 가열 사이클의 완료 시간을 감소하고 연료 소비를 절감하며 래들 또는 노의 내화물 수명 시간을 늘이고 NOx를 감소시키는 데에 일조할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 단수 표현은 명세서 및 청구범위에서 설명되는 본 발명의 실시예에서 임의의 기능부에 적용될 때에 하나 이상을 의미한다. 단수 표현의 사용은 특별하게 제한이 언급되지 않는다면 단일의 기능부로 그 의미를 제한하지 않는다. 단수 또는 복수 명사 또는 명사구에 앞선 "상기"라는 표현은 특별한 특정 기능부 또는 특별한 특정 기능부들을 나타내고 사용되는 문맥에 따라 단수 또는 복수의 의미를 가질 수 있다. "임의의"라는 형용사는 무차별적으로 어떤 양의 하나, 일부 또는 전부를 의미한다. 제1 엔티티와 제2 엔티니 사이에 배치된 "및/또는"이라는 용어는 (1)제1 엔티티, (2)제2 엔티티, 및 (3)제1 엔티티와 제2 엔티티 중 하나를 의미한다.

본 명세서에서, "밀폐된 공간"이라는 용어는 벽 또는 밀폐구에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 공간 또는 영역을 말하고 내부에 도입된 가스 또는 연소 부산물을 가질 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 밀폐된 공간은 밀봉된 용기로 제한되지 않고 가스가 진입 또는 방출될 수 있는 공간, 간극 또는 개구를 포함할 수 있다. "버너 조립체" 및 "버너"라는 용어는 등가물이고 산소 함유 가스에 제공되는 산소와 연료의 연소를 위한 조립된 부품들의 장치를 정의한다. "연소 구역"이라는 용어는 연소 반응이 발생하는 노 등의 밀폐된 공간으로서 정의되고, 연소 반응 중 적어도 일부는 탄소 산화물 및/또는 물과 열을 형성하기 위한 산소와 탄소 및/또는 수소 함유 연료의 반응일 수 있다. "축방향 본체"라는 용어는 축에 의해 기하학적으로 정의되는 세장형 구조를 말하고, 축방향에서 정의된 하나의 치수와 축에 직교하는 반경 방향에서 정의되는 다른 치수를 갖는다. 반경 방향에서의 치수는 임의의 축방향 위치에서 일정할 수 있거나(예컨대, 원통형을 형성), 축방향 위치 및/또는 축 둘레의 각도 위치와 함께 변할 수 있다. 축방향 본체는 연소 구역에 인접한 적어도 하나의 단부를 특징으로 한다.

노즐은 2개의 유체의 효율적인 혼합을 촉진시키도록 이차 유체 내로 일차 유체의 도입을 위한 유체 분사 장치이다. 노즐은 일차 유체가 이차 유체 내로 방출되는 개구에 의해 획정된다. 노즐은 파이프, 매니폴드, 또는 일차 유체를 노즐로 운반하기 위한 기타 유형의 통로에 연결되는 중공의, 통상적으로 원통형 본체에 부착될 수 있다. 대안적으로, 노즐은 노즐을 형성하는 개구가 매니폴드의 바로 외측벽에 배치되는 매니폴드의 일체 부분일 수 있다. 통상, 일차 유체는 노즐을 통과할 때에 압력 강하를 겪는다.

산화제, 또는 산화 가스는 본 명세서에서 노즐을 통해 방출되는 산호 함유 가스로서 정의된다. "산소 농후"라는 용어는 공기보다 큰 산소 농도를 갖는 산소 함유 가스를 설명한다. "산소-연료"라는 용어는 산소 농후 가스와 연료의 연소를 말한다.

연료는 산소와 함께 연소되어 연소 부산물을 형성할 수 있는 원소 또는 화합물을 포함한다. "연소 부산물"이라는 용어는 탄소 산화물, 물, 미반응 연료, 미반응 산소, 질소의 산화물, 황의 산화물, 및 질소와 아르곤을 포함하는 공기로부터의 불활성 화합물 중 어떤 것을 포함하는 가스 혼합물을 의미한다. 통상, 연료는 단상 가스 또는 액체이지만, 대안적으로 탄화수소 액체와 가연성 가스의 2상 혼합물, 물과 액체 탄화수소의 현탁액, 공기 또는 물 중에 고체 탄소질 연료, 또는 액체 탄화수소 내에 고체 탄소질 연료의 현탁액 등의 유동성 다상 유체일 수 있다.

본 명세서에 이용되는 바와 같이, "공기 진입"이라는 용어는 밀폐된 공간 내로 차가운 주위 공기의 침입이다. 예컨대, 공기 진입은 간극 또는 기타 개구를 통해 예열 중에 용융 금속 래들의 밀폐된 공간 내로 공기의 침입을 포함한다.

도 1을 참조하면, 높은 운동량의 산소-연료 버너 등의 버너 조립체(55)는 용기(52)의 뚜껑 구조체(54)의 중앙에 가깝게 배열 및 배치된다. 용기(52)는 바람직하게는 가열 프로세스를 받는 래들 또는 유사한 용기이고, 용기는 밀폐된 공간(58)을 포함한다. 용기(52)는 내부 내화물 라이닝(50)과 강 외부벽(51)을 포함한다. 밀폐된 공간 내로 향하는 버너 조립체(55)로부터의 화염(62)은 용기(52)의 내부에서 열을 내부 내화물 라이닝(50)으로 전달한다. 화염(62)은 기하학적 형태를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 도시된 기하학적 형태는 단순히 예시적이고 도시된 크기 또는 기하학적 형태로 제한되지 않는다. 연도 가스(63)는 용기(52)의 뚜껑 구조체(54)와 용기(52)의 뚜껑(53) 사이의 래들 간극(57)으로부터 방출하게 허용된다.

뚜껑 구조체(54)는 용기(52)의 뚜껑(53)과 일치하도록 구성되지만, 통상적인 작동시에 그들 사이의 접촉은 일관되지 않고 그들 사이에 간극(57)이 형성된다. 간극(57)은 유체 또는 공기 진입의 통과를 허용할 수 있는 공간 또는 개구이다. 간극(57)이 형성될 수 있고 사용 중에 기하학적 형태 및 치수가 변할 수 있다. 간극(57)은 일반적으로 뚜껑(53)을 따라 원주 방향으로 변동하는데, 주로 고화된 금속 및/또는 슬래그의 축적 때문이다. 간극(57)은 공기 진입 및/또는 연도 가스(63) 탈출이 발생할 수 있는 크기의 측정치인 평균 간극 크기를 갖는 것으로 측정된다. 평균 간극 크기(A_gap)는 밀폐구와 주위 공기 사이에서 전체 개구 면적에 의해 측정될 수 있다. 개구의 평균 폭은 개구 면적을 용기 뚜껑(53)의 원주로 나눔으로써 계산될 수 있다.

간극(57)은 일반적으로 새로운 또는 새롭게 서비스된 뚜껑 구조체(54) 및/또는 용기(52)를 가리키는 작은 치수 간극, 중간 크기의 작동 간극, 및 서비스가 요구될 수 있는 큰 간극 사이에서 크기가 변동한다. 새로운 또는 새롭게 재조정된 용기(52)가 서비스될 때에, 뚜껑 구조체(54)와 뚜껑(53) 사이의 간극(57)은 통상적으로 작고, 평균 간극 치수는 약 1 인치보다 작다(약 2.54 cm보다 작다). 용기 작동 중에, 간극(57)은 작동 간극, 통상적으로 약 2 내지 9 인치(5.08 내지 22.86 cm) 또는 4 내지 7 인치(10.16 내지 17.78 cm) 또는 5 내지 6 인치(12.7 내지 15.24 cm)의 평균 간극 크기로 연장된다. 작동 간극은, 예컨대 래들 주입 사이클로부터 형성되는 고화된 금속 및/또는 슬래그로부터의 결과이다. 작동 간극(57)은 버너 조립체(55)의 작동이 없을 때에 공기 진입이 발생할 수 있는 개구를 제공하기에 충분히 클 수 있다. 약 9 인치(22.86 cm)보다 큰 평균 간극 크기를 갖는 간극(57)이 큰 간극이고 일반적으로 용기(52)를 수리할 필요성을 나타낸다. 일반적으로, 간극(57)의 크기가 클수록, 공기 진입이 커지고 가열 시간이 길어진다.

그렇게 제한하는 것은 아니지만, 간극(57)은 밀폐된 공간 내에서 가열을 제공하기 위하여 버너 조립체(55)의 작동 중에 도 1에 도시된 바와 같이 수평 방향으로 정렬될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 간극의 정렬은 용기(52)의 축(56)에 평행하거나 실질적으로 평행한 배향으로서 정의된다. 간극(57)은 또한 수직 방향으로 또는 임의의 기타 각도로 정렬될 수 있다. 버너 조립체(55)는 밀폐된 공간(58)으로부터 간극(57)을 통해 외향 가스 유동을 생성하고 공기 진입을 조절하기에 충분히 큰 운동량을 제공하는 속도 및 화염 직경으로 연료 및 산화제를 제공하도록 작동된다. 간극(57)이 수평 방향으로 정렬될 때에, 이 운동량은 수직 배향으로 발생하는 부양력을 극복할 수 있다. 공기 진입의 조절은 종래의 산소-연료 버너에서의 공기 진입에 비해 공기 진입량이 감소 또는 제거되도록 된다.

본 발명의 일실시예에서, 버너 조립체(55)는 뚜껑 구조체(54)에 장착된 버너이다. 본 발명의 실시예는 20.9 체적%(공기) 내지 99.5 체적% 초과(고순도 산소)에 이르는 산소 농도를 갖는 다양한 산소 함유 가스로 작동할 수 있는 높은 운동량의 대규모 산소-연료 버너 조립체(55)에 관한 것이다.

작동할 때에, 전술한 버너 조립체(55)는 노 또는 연소 구역 내의 장입량에 균일한 열을 전달하도록 대규모 또는 분포된 연소 프로세스를 이용함으로써 높은 운동량의 연소를 생성한다. 대규모 또는 분포된 연소(또한, 당업계에서 무화염 연소로서 설명됨)는 노 내에서 반응하기 전에 연료와 산화제가 급속하게 희석될 때에 발생한다. 버너 조립체(55)는 노에서 다양한 프로세스 요건을 만족시키도록 다양한 가열 모드로 작동될 수 있다.

한가지 모드에서, 가장 높은 복사 열전달과 가장 큰 양의 유효 열은 산화제 노즐에 의해 분사되는 기상 산화제에서 99.5 체적%보다 큰 값까지의 산소 농도를 이용함으로써 제공된다. 다른 모드에서, 대류 및 복사 열전달의 최적의 조합은 부사된 기상 산화제가 최대 65 체적%의 산소를 함유하는 농후한 공기/연료 모드에서 버너를 작동시킴으로써 제공된다. 제3 모드에서, 비용 효율적인 작동은 모든 기상 산화제와 산화 가스가 공기인 공기/연료 연소를 이용함으로써 프로세스 열 요구가 낮을 때에 제공된다. 작동은 상이한 열전달 메카니즘과 프로세스 열 요건을 제공할 필요가 있을 때에 이들 3개의 모드 간에 전환될 수 있다.

산소-연료 버너 조립체(55)는 연소 반응이 발생하기 전에 연소 부산물을 동반함으로써 반응물이 희석되도록 작동하고 종래의 산소-연료 화염에 비해 높은 화염 운동량을 제공한다. 특정한 실시예에 따르면, 버너 조립체(55)는 대규모 연소 모드를 발생시키도록 높은 유동 배출 속도로 다수의 연료/산소 분사 노즐에 의해 작동된다. 버너 조립체(55)는 내화물 라이닝(50)의 측면(59)을 따라 화염을 지향시키는 지점에서 밀폐된 공간(58) 내로 화염이 향하도록 위치 결정된다(예컨대, 도 1 참조). 높은 운동량 유동에 의해 향상된 유동 순환은 밀폐된 공간(58) 내측에 실질적으로 균일한 온도 프로파일을 제공하고, 이는 용기(52)의 내화물 라이닝의 균일한 가열에 유익하다. 높은 운동량 유동은 간극(57)으로 연장하는 래들의 측면(59)에 합치하는 순환을 허용한다. 순환은 간극 영역(60)에 정압을 제공하여 공기 진입을 실질적으로 방지한다. 공기 진입을 실질적으로 방지함으로써, 공기 진입의 양 또는 체적이 배출되는 연도 가스의 전체 양 또는 체적의 약 5% 미만 그리고 통상적으로는 배출되는 연도 가스의 전체 양 또는 체적의 약 2% 미만인 것이 의도된다. 이론에 의해 제한되길 바라지는 않지만, 본 발명에 따른 버너 조립체(55)는 용기 내측의 높은 정압으로 최종 전환되는 보다 높은 동압을 제공함으로써 공기 진입을 감소 또는 제거한다. 더욱이, 상기 대규모 버너에 의해 형성되는 균일한 반경 방향 압력 분포는 래들 뚜껑 둘레에서 외향 가스 유동을 보장하여, 불균일한 간극이 존재할 때라도 공기 진입을 감소 또는 제거한다.

버너 조립체는 노 내로 동반되는 주위 공기를 보다 적게 한다. 따라서, 가열 시간이 종래의 산소-연료 버너에 비해 더 감소될 수 있다. 원하는 온도까지 래들의 감소된 가열 시간은 래들 사용자가 작동시에 갖는 래들의 개수를 최소화하는 데에 일조할 수 있고 사용자가 자본 비용과 작동 비용을 절감하는 데에 일조할 수 있다. 또한, 버너 배열은 공기 누출 문제가 있는 이차 알루미늄 용융로와 같은 금속 용융로에 사용될 수 있다. 이들 실시예에서, 용융 시간 감소가 달성되고, 이는 용융 알루미늄의 과도한 산화를 감소 또는 제거하고 수율을 향상시킨다.

내화물 라이닝의 균일한 가열은 또한 종래의 화염 가열 프로세스에 비해 내화물 라이닝을 따른 열 구배를 감소시켜, 내화물 라이닝에 대한 열 충격을 보다 적게 한다. 따라서, 내화물의 수명이 연장될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 높은 운동량의 대규모 연소를 위해 구성된 버너 조립체(55)를 사용함으로써, 종래의 산소-연료 버너에 비해 연료 연소가 더 감소될 수 있다. 연소용 공기 대신에 산소 또는 산호 농후 가스의 사용은 화염 온도, 및 이에 따라 장입량에 대한 복사 열전달을 증가시키고, 또한 공기 중 질소의 폐연료 가열을 고려하지 않음으로써 연소 프로세스로부터 이용 가능한 열의 양을 크게 증가시킨다.

뚜껑 구조체(54)에 사용하기에 적절한 버너 조립체(55)의 예시적인 실시예가 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 버너 조립체(55)는 주변, 연소 구역(20)에 인접한 방출 단부(25), 및 축(56)을 갖는 세장형 본체(21)를 포함하고, 축(56)은 연소 구역(20) 내로 연장된다. 버너 조립체(55)는 외측 기상 산화제 파이프(3)에 의해 둘러싸이는 중앙 산화 가스 도관(2)을 포함한다. 하나 이상의 산화제 노즐(17)이 세장형 본체(21)의 방출 단부(25)에 배치되고 연소 구역(20) 내로 산화제를 방출하도록 되어 있다. 하나 이상의 연료 노즐(16)은 세정형 본체(21)의 방출 단부(25)에 배치되고 연소 구역(20) 내로 연료를 방출하도록 되어 있다. 연료와 산화제는 분사 속도(V_jet)로 용기(52) 내로 분사된다. 분사 속도는 분사된 체적 유량을 노즐 단면의 전체 면적으로 나눔으로써 계산될 수 있다. 높은 분사 속도는 적절한 노즐 설계에 의해 달성될 수 있다. 분사 속도(V_jet)는 부양 속도(V_buoy)보다 크게 구성될 수 있다. V_buoy는 이하의 등식에 의해 계산될 수 있다.

V_buoy = (2 g D_ladle △T/T_flame)^1/2

여기서, g는 중력 상수이고, D_ladle는 래들의 직경이며, △T는 화염과 래들 벽 간의 온도차이고, T_flame은 화염 온도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 예시적 버너 조립체(55)는 연료 노즐(16)과 산화제 노즐(17)가 버너 축(56) 둘레에서 원주 방향 배열에 배치되는 기하학적 형태를 이용한다. 다른 실시예에서, 연료 노즐(16)이 버너 축으로부터 다양한 반경 방향 거리에 배치되고, 그리고/또는 산화제 노즐(17)이 버너 축(56)으로부터 다양한 반경 방향 거리에 배치되는 비원형 배열이 사용될 수 있다. 연료 노즐(16)과 산화제 노즐(17)의 윤곽은 화염(62)이 고정하게 되는 영역을 획정하고, 이 영역은 버너면(64)으로서 정의될 수 있다. 버너면(64)은 연료 노즐 및/또는 산화제 노즐이 축 둘레에서 정방형, 장방형, 또는 임의의 기타 비원형 배향으로 배치되는 정방형, 장방형, 또는 기타 비원형 형태를 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 큰 크기를 갖는 화염(62)을 이용함으로써 공기 진입이 감소 또는 제거될 수 있다. 구체적으로, 간극 크기와 화염 크기로서 정의되는 버너 구성비 "a"를 예정된 범위 내에서 a = A_gap/(200 A_bf)를 유지함으로써 공기 진입을 조절할 수 있는데, 바람직하게는 a는 2.5 미만이다.

공기 진입은 또한 화염 속도를 증가시킴으로써 감소 또는 제거될 수 있다. 구체적으로, 부양 속도와 분사 속도의 비로서 정의되는 버너 작동비 "b"를 예정된 범위 내에서 b = 3V_buoy/V_jet로 유지함으로써 공기 진입을 조절할 수 있는데, 바람직하게는 b는 2.5 미만이다. V_buoy는 이하의 등식에 의해 계산될 수 있다.

V_buoy = (2 g D_ladle △T/T_flame)^1/2

일실시예에서, 공기 동반은 이하의 등식에 따라 버너 조립체(55)의 작동을 유지함으로써 원하는 레벨로 조절될 수 있다.

a + b ＜ 2.5

대안적으로, a + b ＜ 2

다른 실시예에서, 가열 시간은 이하의 등식에 따라 버너 조립체(55)의 작동을 유지함으로써 원하는 레벨로 조절될 수 있다.

a + b ＜ 2.5

대안적으로, a + b ＜ 2

본 발명은 또한 전술한 파라미터들(a와 b)을 적절한 범위 내에서 조합함으로써 보다 효율적으로 감소될 수 있다.

예

높은 운동량의 대규모 산소-연료 버너(도 5 내지 도 7에서 "B" 버너로서 칭함)와 도 4에 도시된 전통적인 파이프 인 파이프 산소-연료 버너(45)(도 5 내지 도 7에서 "A" 버너로서 칭함)의 성능을 래들 예열을 위해 분석하였다. 파이프 인 파이프 산소-연료 버너(45)는 연료 출구(47)와 산화제 출구(48)를 포함한다. 분석은 3개의 상이한 크기의 래들을 포함한다. 래들의 뚜껑과 래들의 림 사이의 간극은 1 인치 내지 10 인치의 범위 내에서 변동한다. 분석은 당업계에 일반적으로 사용되는 가정을 이용하는 전산 유체 역학(CFD; computational fluid dynamics) 소프트웨어 Fluent(ANSYS/Fluent, 2008)를 이용하여 달성하였다.

CFD 결과는 "A" 버너를 발화시킬 때에 주위 공기가 간극을 통해 래들 내로 인입된다는 것을 보여준다. 일반적으로, 공기 동반은 래들이 가장 차갑고 부양력이 가장 강할 때에, 가열 프로세스의 시작시에 가장 심각하다. 예상된 바와 같이, 공기 동반은 또한 간극 크기에 의해 증가한다. 종래의 산소 버너의 경우, 공기 동반은 간극 크기가 1 인치일 때에는 전체 프로세스 중에 무시해도 좋다. 동반은 간극 크기가 2 인치로 증가할 때에 많아지고, 처음 3시간 동안 지속된다(도 5). 동반은 6 인치 간극의 경우에 매우 커지고 전체 프로세스 중에 계속된다.

본 발명에 따른 높은 운동량의 "B" 버너를 이용할 때에 공기 동반은 시간 및 간극 관점에서 추세가 유사하지만, 크기가 상당히 감소된다. 도 5와 도 6을 비교하면, 공기 동반이 모든 간극 크기에 대해 적어도 100배 만큼 감소된다. 이 공기 동반의 감소는 래들의 가열 시간을 크게 감소시킨다.

내화물 라이닝의 원하는 온도에 도달하는 데에 필요한 가열 시간은 래들 뚜껑의 내부면 온도 대 가열 시간의 변동을 나타내는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서 "B" 버너 또는 "A" 버너의 발화 속도는 비교를 위해 6 MMBtu/hr로 고정된다. 도 7에 나타낸 래들의 뚜껑과 래들 림 간의 평균 간극은 4 인치와 6 인치이다. 종래의 산소-연료 버너를 이용하면, 래들을 2000 K로 가열하는 데에 필요한 시간은 4 인치 및 6 인치의 간극 크기의 경우에 각각 9 및 12.5 시간이다. 본 발명을 이용하면, 필요한 가열 시간은 4 인치와 6 인치 간극 모두의 경우에 약 8 시간이다.

도 8은 작동 파라미터 "a"와 "b"의 상이한 조합을 이용한 공기 동반을 도시하고 있다. 공기 동반은 "a" 또는 "b"를 감소시킴으로써 감소 또는 제거될 수 있다는 것을 명백하다. 이 예에서, 분사 속도는 종래의 산소-연료 버너의 경우에 약 30 m/s이고 높은 운동량 버너의 경우에 100 m/s이다. 버너면은 종래의 버너의 경우에 직경이 약 3.3 인치이고 높은 운동량 버너의 경우에 4.2 인치이다.

도 9는 작동 파라미터 a와 b의 상이한 조합을 이용하여 래들을 1400 K로 가열하는 데에 필요한 전체 시간을 도시하고 있다. 다시, 분사 속도는 종래의 산소-연료 버너의 경우에 약 30 m/s이고 높은 운동량 버너의 경우에 100 m/s이다. 버너면은 종래의 버너의 경우에 직경이 약 3.3 인치이고 높은 운동량 버너의 경우에 4.2 인치이다.

본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 등가물이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 그 요소에 대체될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 게다가, 많은 수정이 그 본질적인 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 에상되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되도록 의도되는 것은 아니고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 실시예를 포함할 것이다.

52: 용기 53: 뚜껑
54: 뚜껑 구조체 55; 버너 조립체
57: 간극 59: 측면

Claims (21)

1. 용기 가열 방법으로서, 상기 용기는 밀폐된 공간이 내부에 있고 상기 밀폐된 공간 내로 간극을 통한 공기 진입을 조절하며, 상기 방법은,
   밀폐된 공간을 갖는 용기를 위한 뚜껑 구조체를 마련하는 단계로서, 상기 뚜껑 구조체는 버너 조립체가 내부에 장착되어 있는 것인 단계와,
   상기 버너 조립체를 예정된 화염 직경을 제공하도록 구성하는 단계와,
   상기 간극이 용기와 뚜껑 구조체 사이에 형성되도록 용기와 뚜껑 구조체를 일치시키는 단계와,
   예정된 화염 직경을 제공하고 상기 간극을 통해 밀폐된 공간으로부터 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기에 충분히 큰 화염 속도를 가하는 조건 하에서 버너 조립체로부터 연료와 산화제를 방출하여 연소시키는 단계
   를 포함하는 것인 용기 가열 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 버너 조립체는,
   (a)주변, 연소 구역에 인접한 방출 단부, 및 축을 갖는 세장형 본체로서, 상기 축은 연소 구역 내로 연장되는 것인 세장형 본체,
   (b)상기 세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 산화제를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐, 및
   (c)상기 세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 연료를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐
   을 포함하고, 상기 하나 이상의 산화제 노즐과 하나 이상의 연료 노즐은 상기 밀폐된 공간으로부터 상기 간극을 통해 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기 위한 버너 구성비와 버너 속도비를 제공하도록 구성되는 것인 용기 가열 방법.
3. 제2항에 있어서, a = A_gap/(200 A_bf)의 등식에 따라 결정되는 버너 구성비와,
   b = 3V_buoy/V_jet의 등식에 따라 결정되는 버너 속도비를 더 포함하는 것인 용기 가열 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 버너 구성비(a)와 버너 속도비(b)의 합은 2 미만인 것인 용기 가열 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 간극에 대한 평균 간극 크기를 결정하는 단계를 더 포함하는 것인 용기 가열 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 용기의 구성에 대응하는 부양 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것인 용기 가열 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 화염 속도는 평균 간극 크기, 부양 속도에 대응하는 것인 용기 가열 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 용기는 용융 금속을 주입하기 위한 래들인 것인 용기 가열 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 용기는 금속 용융을 위한 노인 것인 용기 가열 방법.
10. 제2항에 있어서, 상기 세장형 본체의 주변 내에 배치되고 상기 연료와 산화제를 연소시키도록 되어 있는 화염 안정제를 더 포함하고, 상기 산화제는 20.9 체적% 내지 99.5 체적% 초과의 산소 범위의 조성을 갖고 연소 부산물을 연소 구역 내로 방출하는 산소 함유 가스인 것인 용기 가열 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 20.9 체적% 초과의 산소를 함유하는 것인 용기 가열 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 버너 조립체는 상기 용기와 뚜껑 구조체 사이에 형성된 간극의 평균 간극 크기에 대응하는 운동량으로 작동하도록 조정되는 것인 용기 가열 방법.
13. 제1항에 있어서, 공기 진입이 실질적으로 방지되는 것인 용기 가열 방법.
14. 밀폐된 공간을 갖는 용기를 가열하고 상기 밀폐된 공간 내로 공기 진입을 제어하는 용기 가열 장치로서,
    버너 조립체가 내부에 장착된 뚜껑 구조체를 포함하고, 상기 용기와 뚜껑 구조체는 용기와 뚜껑 구조체 사이에 간극이 형성되도록 일치하며, 상기 버너 조립체는,
    (a)주변, 연소 구역에 인접한 방출 단부, 및 축을 갖는 세장형 본체로서, 상기 축은 연소 구역 내로 연장되는 것인 세장형 본체,
    (b)상기 세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 산화제를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 산화제 노즐, 및
    (c)상기 세장형 본체의 방출 단부에 배치되고 연료를 연소 구역 내로 방출하도록 된 하나 이상의 연료 노즐
    을 포함하고, 상기 버너 조립체는 예정된 화염 직경을 제공하고 상기 간극을 통해 밀폐된 공간으로부터 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기에 충분히 큰 화염 속도를 가하는 조건 하에서 버너 조립체로부터 연료와 산화제를 연소시키도록 구성되는 것인 용기 가열 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 산화제 노즐과 하나 이상의 연료 노즐은 상기 밀폐된 공간으로부터 상기 간극을 통해 외향 가스 유동을 생성하여 공기 진입을 제어하기 위한 버너 구성비와 버너 속도비를 제공하도록 구성되는 것인 용기 가열 방법.
16. 제15항에 있어서, a = A_gap/(200 A_bf)의 등식에 따라 결정되는 버너 구성비와,
    b = 3V_buoy/V_jet의 등식에 따라 결정되는 버너 속도비를 더 포함하는 것인 용기 가열 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 버너 구성비(a)와 버너 속도비(b)의 합은 2 미만인 것인 용기 가열 장치.
18. 제14항에 있어서, 상기 용기는 용융 금속을 주입하기 위한 래들인 것인 용기 가열 장치.
19. 제14항에 있어서, 상기 용기는 금속 용융을 위한 노인 것인 용기 가열 장치.
20. 제15항에 있어서, 상기 세장형 본체의 주변 내에 배치되고 상기 연료와 산화제를 연소시키도록 되어 있는 화염 안정제를 더 포함하고, 상기 산화제는 20.9 체적% 내지 99.5 체적% 초과의 산소 범위의 조성을 갖고 연소 부산물을 연소 구역 내로 방출하는 산소 함유 가스인 것인 용기 가열 장치.
21. 제14항에 있어서, 공기 진입이 실질적으로 방지되는 것인 용기 가열 장치.

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