NO342338B1

NO342338B1 - Oksygeninjiseringsmetode

Info

Publication number: NO342338B1
Application number: NO20090359A
Authority: NO
Inventors: William Johan Mahoney; Michael Francis Riley; Adrian Christian Deneys; Gary Thomas Vardian; Stephen A Manley
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2018-05-07
Also published as: BRPI0700468B1; US7452401B2; CN101096718B; NO20090359L; WO2008002585A8; RU2449025C2; CN101096718A; AU2007265469A1; RU2009102641A; JP5346803B2; CA2654912A1; EP2047001B1; US20080000325A1; BRPI0700468A; CA2654912C; WO2008002585A1; ES2371200T3; MX2008016249A; ATE530673T1; KR101361889B1

Abstract

Det beskrives en fremgangsmåte for injisering av oksygen inn i en smelte lokalisert i en metallurgisk ovn med en oppvarmet ovnsatmosfære der oksygen og brennstoff injiseres i en eller flere dyser med passasjer med konvergerende-divergerende konfigurasjon under strupte strømningsbetingelser for derved å gi én eller flere supersoniske stråler som slippes ut fra passasjene. Brennstoff injiseres i indre omkretslokasjoner i passasjene for å gi strålene som slippes ut en struktur som har et ytre omkretsornråde inneholdende en blanding av brennstoff og oksygen og et sentralt område inneholdende i det vesentlige oksygen. En slik strukturert stråle interagerer ved utslipp med ovnsatmosfæren og skaper en ytre skjære-blandesone der det ytre omkretssjiktet blandes med den oppvarmede ovnsatmosfæren og selvantennes for å gi en flammeomhylling som omgir den supersoniske oksygenstrålen. Strålen av oksygen og flammeomhylling kan så rettes mot en smelte som inneholdes i den metallurgiske ovnen for injeksjon av oksygen i smelten.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for injisering av en supersonisk stråle av oksygen inn i en smelte lokalisert i en metallurgisk ovn der en stråle av oksygen slippes ut fra en konvergent-divergent passasje av en dyse under overlydshastighet som en del av en strukturert stråle med et ytre omkretsområde bestående av en blanding av brennstoff og oksygen som autoantennes og forbrenner i ovnsatmosfæren og ikke i dysen, for å danne en flammeomhylling for å inhibere hastighetsforringelse og konsentrasjonsforringelse for strålen av oksygen.

Oppfinnelsens bakgrunn

Oksygen blir typisk injisert i smeltede metallbad for formål som raffinering av stål. F.eks. blir stål raffinert i elektriske bueovner (EAF) og basisoksygenovner (BOF) ved injisering av oksygen i en smelte som inneholder jern og skrap. Injeksjonen av oksygen reagerer med karbon, silisium, mangan, jern og urenheter som inkluderer fosfor for å justere karboninnholdet i smelten og fjerne urenhetene. Oksidasjonsreaksjonen gir et slaggsjikt på toppen av smelten. Oksygen injiseres for andre formål, f.eks. kobber, bly og sink for smelteformål.

Det er viktig at oksygen penetrerer det smeltede vannbadet. Ved BOF forårsaker for mye oksygen reaksjon i slaggsjiktet ukontrollert skumming, noe som fører til en avfallsutstøting av materialet fra konverteren, et fenomen som kalles ”slopping”. Ved EAF kan dårlig oksygenpenetrering resultere i uønsket oksidasjon av karbonelektroden og resultere i økede driftsomkostninger. I tillegg vil dyp penetrering av oksygen, fra en metallurgisk lanse, gi en fordelaktig omrøringsvirkning i det smeltede metallet.

For å oppnå dyp penetrering, er metallurgiske lanser plassert så nær overflaten av smelten som mulig. Et problem med dette er at levetiden for lansen blir meget kort på grunn av den intense varmen som skapes ved overflaten av det smeltede metallet. Et annet problem er den økede risikoen for frigiving av vannkjølemiddel til ovnen, noe som kan føre til heftige og farlige reaksjoner med smelten på grunn av overheting av lansen. Videre dannes det avsetninger på den smeltede metallansen som reduserer dennes levetid. En ytterligere skadelig effekt er at smeltet metall og slagg kan sprute og resultere i tap av produkt og videre vedlikeholdsproblemer for ovnen.

For å unngå og plassere den metallurgiske lansen nær overflaten av smelten, er det ønskelig at oksygen slippes ut fra den metallurgiske lansen med så høy hastighet som mulig slik at oksygen kan penetrere det smeltede metallet mens lansen samtidig kan posisjoneres i en avstand over smelten. Når imidlertid en oksygenstråle slippes ut fra den metallurgiske lansen vil strålen interagere med ovnsatmosfæren. Slik interaksjon forårsaker en reduksjon av hastigheten og konsentrasjonen av oksygenstrålen og reduserer som en konsekvens evnen for oksygenstrålen til å penetrere det smeltede metallbadet.

For å overvinne dette problemet har det vært kjent å tilveiebringe en flammeomhylling eller tilsvarende som omhyller oksygenstrålen for å inhibere hastighetsreduksjon. F.eks. blir i US 3.427.151 oksygen innført i en dyse som er utstyrt med en sentral passasje med en begrensning for å oppnå en sonisk hastighet ved begrensning og en sonisk hastighet for oksygenstrålen som slippes ut fra dysen. Supplementært oksygen og brennstoff slippes ut fra konsentriske ringer av oksygenpassasjer og brennstoffpassasjer som omgir den sentrale passasjen for å gi flammeomhyllingen som omgir den sentrale oksygenstrålen.

EP 0584814 A2 og US 5.599.375 beskriver en brenner/injektor med en sentral konvergerende-divergerende passasje for å injisere oksygen inn i et forbrenningskammer. Rundt den konvergerende-divergerende passasjen er det brennstoffpassasjer for å injisere brennstoff inn i forbrenningskammeret. Rundt brennstoffpassasjene er det sekundære oksygenpassasjer for å innføre en andre oksiderende gass inn i forbrenningskammeret. Når brennerinjektoren arbeider i en brennstoffavbrenningsmodus, blir brennstoff forbrent i forbrenningskammeret sammen med sentralt injisert oksygen og den andre, oksiderende gassen. Dette skaper en skrapoppvarmings- og smelteflamme rettet gjennom forbrenningskammeret mot skrapet som skal smeltes. Når først en liten del av skrapet er smeltet, blir strømmen av brennstoff redusert og strømmen av oksygen øket for å skape en sterkt oksiderende flamme, som hurtig reagerer med forvarmet skrap for å smelte ytterligere skrap på grunn av varme som frigis fra den eksoterme oksidasjonen. Brennstoffstrømmen blir så ytterligere redusert eller fullstendig eliminert, og strømmen av oksygen som slippes ut fra den konvergerende-divergerende dysen blir øket ytterligere, fortrinnsvis til en overlydshastighet, for å reagere med en ytterligere del av det forvarmede skrapet som befinner seg lenger bort fra brenneren/injektoren.

Slik man vil erkjenne er US 3.427.151 med kun en begrenset passasje og ingen konvergerende-divergerende passasje, ikke i stand til å avgi en overlydsstråle av oksygen. Mens 5.599.375 benytter en konvergerende-divergerende passasje for å produsere en overlydsstråle av oksygen, er det ingen flammeomhylling som benyttes her fordi lite eller intet brennstoff injiseres, og derfor vil overlydsstrålen av oksygen hurtig reduseres på grunn av interaksjon mellom strålen og ovnsatmosfæren.

For å løse disse problemene tilveiebringer US 5.814.125 en metode for å injisere en gass inn i en flytende smelte som smeltet jern. I henhold til denne metoden blir en overlydsstråle av oksygen skapt i en dyse med en konvergerende-divergerende passasje. Overlydsstrålen av oksygen omgis av en flammeomhylling som dannes ved å avgi brennstoff og oksygen fra et indre og ytre konsentrisk arrangement av passasjer som omgir den sentrale konvergerende-divergerende passasjen. Flammeomhyllingen inhiberer hastighetsreduksjon for overlydsstrålen av oksygen og tillater at oksygen støter mot overflaten av den flytende smelten i en avstand på 20 dysediametre eller mer med overlydshastighet. I US 6.604.937 kan en gass som oksygen føres gjennom et antall utovervinklede, konvergerende-divergerende dyser for å gi stråler med overlydshastighet for injeksjon inn i smeltet metall for raffineringsformål. Rundt de konvergerende-divergerende dysene er det en ring av åpninger for alternativt å avgi brennstoff og et oksidasjonsmiddel for å understøtte forbrenning av brennstoffet. Slik forbrenning gir en enkel flammeomhylling rundt strålene og inhiberer derved reduksjon av hastigheten for strålene.

Selv når en flammeomhyllet overlydsstråle av oksygen avgis fra en injektor eller lanse, kan, slik det er beskrevet i US 5.814.125 eller US 6.604.937, smeltet metall og slagg danne avsetninger velkjent som skull, som kan stoppe til åpninger og passasjer hvorfra brennstoff og oksygen avgis. Slik dannelse kan interferere med dannelsen av flammeomhyllingen og derved forringe nytten av strålen eller gjøre den ineffektiv. For å løse dette problemet beskriver den japanske, publiserte søknaden 2002-288.115 en vannavkjølt lanseenhet med en konvergerende-divergerende passasje for å avgi en overlydsstråle av oksygen fra lansespissen. Overlydsstrålen av oksygen omgis av en flamme som produseres i den sentrale konvergerende-divergerende passasjen ved den indre injeksjonen av brennstoff i passasjen som forbrennes i denne. For å stabilisere flammen er en rett del av dysen som står i kommunikasjon med enden av den divergerende delen av passasjen og åpningen av dysen, utstyrt med et omkretsspor der brennstoff og oksygen samles, deselererer og forbrennes ved tenning.

Potensielle sikkerhets- og driftsproblemer kan oppstå fra forbrenningen som inntrer i dysen. Forbrenningen av brennstoff er en eksoterm oksidasjonsreaksjon som kan forringe dysen per se og i verste fall gi hurtig, katastrofal svikt. Slik nedbryting kan negativt påvirke lanselevetiden og øke risikoen for å frigi vannkjølemiddel til ovnen, et vann som kan reagere heftig med smelten. Det er sikkerhetsrisiki forbundet med blandingen av hydrokarboner og oksygen i et bekreftet rom dithen at det kan dannes en brennbar, hvis ikke eksplosiv, blanding. Fagmannen på området vil erkjenne vanskelighetene som er forbundet med den påkrevde tenning, forbrenningsstabilisering og flammeovervåking.

Slik det skal diskuteres nedenfor, tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for injisering av overlydsstråler av oksygen inn i smeltet metall som er overlegen den kjente teknikken og også minimaliserer, hvis ikke eliminerer, problemene identifisert i den kjente teknikken som diskutert ovenfor.

Oppsummering av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for injisering av oksygen inn i en smelte lokalisert i en metallurgisk ovn med en oppvarmet ovnsatmosfære som definert i krav 1 og 7.

I henhold til metoden blir en oksygenstrøm innført i en dyse med en passasje med konvergerende-divergerende konfigurasjon. Det skal påpekes at hele passasjen ikke nødvendigvis må ha en konvergerende-divergerende konfigurasjon, og at således en passasje ifølge oppfinnelsen kan ha en konvergerende-divergerende konfigurasjon fulgt av en rett, sylindrisk del som forløper til dysens munning. Videre omfatter uttrykket ”oksygenstrøm” som benyttet her og i kravene, enhetlig blandede strømmer med en oksygenrenhet på minst rundt 35 volum-% der resten er en inertgass som argon. Ved oksygenstålfremstilling er oksygenkonsentrasjoner rundt 90% og derover foretrukket. Et brennstoff inneholdende en hydrogenspecie injiseres i oksygenstrømmen ved indre omkretslokasjoner for passasjen som befinner seg helt inne i passasjen. I denne forbindelse betyr uttrykket ”hydrogenspecier” molekylært hydrogen eller et molekyl som inneholder hydrogen, eller en hvilken som helst substans som inneholder hydrogenatomer eller kombinasjoner derav. Som et resultat dannes en kombinert brennstoff- og oksygenholdig strøm i passasjen med en struktur bestående av et ytre omkretsområde inneholdende en blanding av oksygen og brennstoff, og et indre, sentralt område omgitt av det ytre omkretsområdet og inneholdende oksygen og i det vesentlige intet brennstoff.

Oksygenstrømmen innføres til en innløpsdel av passasjen ved eller over et kritisk trykk. Som et resultat blir en strupt strømningsbetingelse etablert i en sentral strupedel av passasjen, den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen akselereres til overlydshastighet i en divergerende del av passasjen, og den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen slippes ut som en strukturert stråle fra dysen inn i ovnsatmosfæren. Den strukturerte strålen har strukturen av kombinert brennstoff- og oksygenholdig strøm og overlydshastighet ved utslipp fra dysen.

Tenning og forbrenning av brennstoffet mens det befinner seg i passasjen forhindres ved ikke å innføre noen tenningskilde og å utstyre passasjen med en indre overflate som ikke er avbrutt av noen diskontinuitet, i hvilken det ytre omkretsområdet ellers kunne deselerere og gi et sete for stabil forbrenning av brennstoff.

Det produseres en flammeomhylling som omgir en stråle av oksygen dannet fra det indre, sentrale området av den strukturerte strålen og som i utgangspunktet har overlydshastighet. Flammeomhyllingen inhiberer hastighetsreduksjon og konsentrasjonsreduksjon for strålen av oksygen. Hastigheten ville ellers reduseres uten flammeomhylling på grunn av interaksjon mellom strålen av oksygen og ovnsatmosfæren. Slik interaksjon forårsaker også en fortynning av strålen av oksygen og gir en konsentrasjonsreduksjon. Som benyttet her og i kravene, betyr uttrykket ”flammeomhylling” en flamme som omgir strålen av oksygen og propagerer langs lengden av denne ved aktiv forbrenning av brennstoff og eventuelle reaktanter som kan være tilstede i den oppvarmede ovnsatmosfæren, der slik forbrenning understøttes helt eller delvis av oksygen som leveres oksygenstrålen. Ifølge oppfinnelsen blir flammeomhyllingen produsert helt og holdent på utsiden av dysen ved kontakt mellom det ytre omkretsområdet av den strukturerte strålen og den oppvarmede ovnsatmosfæren. Denne kontakten skaper en skjære-blandesone inneholdende en brennbar blanding bestående av brennstoff, oksygen og oppvarmet ovnsatmosfære og gir autotenning av den brennbare blandingen via varme som leveres av den oppvarmede ovnsatmosfæren.

Strålen av oksygen er rettet inn i smelten mens strålen er omgitt av flammeomhyllingen. I denne forbindelse betyr uttrykket ”smelte” som benyttet her og i kravene i forbindelse med en stålfremstillingsovn, EAF eller BOF, både slaggsjiktet og det underliggende, smeltede badet av metall. Som et resultat trer i en slik ovn strålen av oksygen først inn i slaggsjiktet. Når det gjelder en metallurgisk ovn der et slaggsjikt ikke fremstilles, vil ”smelten” som oksygenstrålen trer inn i, være det smeltede metallet. Et eksempel på dette vil være en ikke-jern raffineringsbeholder.

Selv om det ikke er kjent i teknikken, vil et utslipp av en strukturert stråle som beskrevet ovenfor, ved kontakt med den oppvarmede ovnsatmosfæren, gi et område innen en ytre skjære-blandesone som vil antennes og danne en flammeomhylling som vil omgi og inhibere hastighetsreduksjon og konsentrasjonsreduksjon for en overlydsstråle av oksygen som dannes av det indre, sentrale området av den strukturerte strålen. Dette tillater at en dyse ifølge oppfinnelsen kan posisjoneres i en viss avstand fra smelten og tillater at den fordelaktige omrøringsvirkningen av smelten kan forsterkes.

Som antydet ovenfor og som velkjent i teknikken, har produksjon og injeksjon av en stråle av oksygen mens den befinner seg ved overlydshastighet, fordelen av å maksimalisere den mengden oksygen som kan reagere med oksiderbare specier som inneholdes i smelten for raffineringsformål, mens det samtidig gis en heftig omrøringsvirkning på smelten. I tillegg er det ingen ytre brennstoffpassasje som kan stoppes til og krever fjerning av lansen fra drift og ekstrahering av avsetninger, kjent som skull, fra overflaten av dysen. Videre og slik man vil erkjenne fra diskusjonen ovenfor, blir manglene ved blanding, tenning og forbrenning av oksygen og brennstoffholdig strøm i et kombinert rom unngått ifølge oppfinnelsen, fordi tenning og forbrenning av blandingen av brennstoff og oksygen forhindres mens disse befinner seg i dysen.

Den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen kan fullt ekspanderes ved utslipp som strukturert stråle fra dysen. Brennstoffet kan innføres i oksygenstrømmen mens den befinner seg i den divergerende delen av dysen. Som en sikkerhetsforholdsregel kan den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen være overekspandert ved utslipp som strukturerte stråler fra dysen, slik at oksygenstrømmen har et underomgivelsestrykk mens den befinner seg i den divergerende delen av dysen. Brennstoffet kan innføres i oksygenstrømmen ved en lokasjon i den divergerende delen der oksygenstrømmen befinner seg ved underomgivelsestrykket. Som et resultat og ved svikt av brennstoffmatesystemet, vil oksygen ikke strømme tilbake gjennom brennstoffpassasjer og skape potensielle, farlige tilstander. Et annet, fordelaktig resultat er at brennstoffavleveringssystemet ikke må overvinne positivt oksygenreturtrykk, noe som derfor minimaliserer matetrykket som er nødvendig for brennstoffavlevering til dysen.

Den divergerende delen av dysen kan forløpe fra den sentrale strupedelen til en dysemunning på dysen, eksponert til den oppvarmede ovnsatmosfæren. Andre muligheter vil være åpenbare fra den detaljerte beskrivelsen nedenfor.

Fortrinnsvis er overlydshastigheten for den strukturerte strålen av kombinert brennstoff og oksygen, minst rundt mach 1,7.

Den metallurgiske ovnen kan være en elektrisk bueovn. I et slikt tilfelle blir brennstoffet innført i oksygenstrømmen ved et ekvivalensforhold mellom rund 0,02 og rundt 0,14. Alternativt kan den metallurgiske ovnen være en basisoksygenovn. I et slikt tilfelle blir brennstoffet fortrinnsvis innført i oksygenstrømmen ved et ekvivalensforhold mellom rundt 0,01 og rundt 0,06. I begge typer ovn vil den oppvarmede ovnsatmosfæren inneholde karbonmonoksid, og den brennbare blandingen som benyttes ved dannelse av flammeomhyllingen vil i sin tur inneholde karbonmonoksidet. Der den metallurgiske ovnen er en basisoksygenovn, kan dysen monteres i en vannavkjølt lanse ved lansespissen av den vannavkjølte lansen. Det skal imidlertid være klart at anvendelsen av oppfinnelsen ikke er begrenset til slike ovner og i realiteten kan benyttes i en ovn med en oppvarmet ovnsatmosfære som ikke inneholder karbonmonoksid eller andre stoffer som kan tjene som del av den brennbare blandingen som benyttes for å danne flammeomhyllingen. Alt som er nødvendig med henblikk på den ”oppvarmede ovnsatmosfære” er at den har en tilstrekkelig temperatur til å forårsake autotenning av den brennbare blandingen.

I enhver utførelsesform av oppfinnelsen kan brennstoffet innføres i oksygenstrømmen ved de indre omkretslokasjoner av passasjen ved å injisere brennstoffet inn i et porøst, ringformet metallelement med en indre ringoverflate. Den indre ringoverflaten utgjør en del av strupedelen eller den divergerende delen av den konvergerende-divergerende passasjen.

I et ytterligere aspekt av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen som anvendes for injisering av oksygen i smelte lokalisert i en metallurgisk ovn med en oppvarmet ovnsatmosfære inneholdende karbonmonoksid, kan oksygenstrømmer innføres i dyser med passasjer av konvergerende-divergerende konfigurasjon der dysene befinner seg ved en spiss av en vannavkjølt lanse og er vinklet utover fra en sentralakse av den vannavkjølte lansen. En slik metallurgisk ovn kan være en basisoksygenovn.

Brennstoffet inneholdende en hydrogenspecie injiseres i oksygenstrømmen på en måte som er skissert ovenfor for å gi strukturerte stråler, flammeomhyllinger og individuelle stråler av oksygen som i utgangspunktet har overlydshastighet. Den vannavkjølte lansen kan befinne seg i basisoksygenovnen og stråler av oksygen er rettet inn i smelten.

I basisoksygenovnslanser er det typisk mellom 3 og 6 dyser, og dysene er vinklet utover mellom rundt 6 grader og rundt 20 grader fra sentralaksen. Som antydet ovenfor og når det gjelder en basisoksygenovn, innføres brennstoffet i oksygenstrømmene ved et ekvivalensforhold rundt 0,01 og rundt 0,06, og overlydshastigheten for hver av de strukturerte strålene av kombinert brennstoff og oksygen kan være minst rundt mach 1,7. I en spesifikk utførelsesform kan brennstoffet innføres i et brennstoffkammer, og dysene er posisjonerte for å passere gjennom brennstoffkammeret. Brennstoffet innføres i passasjene gjennom brennstoffpassasjer lokalisert i lansespissen og setter de indre omkretslokasjonene av passasjene og brenselskammeret i kommunikasjon. I denne forbindelse kan det være mellom rundt 4 og rundt 12 brennstoffpassasjer for hver av passasjene. Det skal påpekes at flere eller færre brenselspassasjer kan benyttes.

Kort beskrivelse av figurene

Mens beskrivelsen konkluderer med krav som distinkt påpeker den gjenstanden søker anser som oppfinnelsen, antas det at oppfinnelsen vil forstås bedre i forbindelse med de vedlagte figurene, der:

Figur 1 er er skjematisk tverrsnitt av en dyse som gir en fri stråle av oksygen i henhold til en fremgangsmåte ifølge kjent teknikk;

Figur 2 er et skjematisk tverrsnitt av en dyse for å gjennomføre en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen;

Figur 3 er en grafisk presentasjon av den aksiale, statiske trykkfordelingen som utvikles i en konvergerende-divergerende passasje hvori den indre strømmen fullt er ekspandert ved uttreden fra dysen;

Figur 4 er en grafisk presentasjon av den aksiale, statiske trykkfordelingen i en konvergerende-divergerende passasje hvori den divergerende utløpsdelen er konstruert slik at oksygen støtes ut fra dysen i en overekspandert tilstand;

Figur 5 er en grafisk presentasjon av den aksiale, statiske trykkfordelingen i en konvergerende-divergerende passasje som benytter en sylindrisk forlengelse som forløper til utløpsdelen til dyseoverflaten slik at oksygen slippes ut fra dysen i en underekspandert tilstand;

Figur 6 er en grafisk presentasjon av mengden brennstoff som kreves for å danne en flammeomhylling for en mach 2-stråle av oksygen produsert av en dyse av den typen som er vist i figur 2 versus lengden av strålen mens den har overlydshastighet og en aksial senterlinjehastighet på rundt 92% av initialhastigheten;

Figur 7 er en grafisk presentasjon av mengden brennstoff som kreves for å danne en flammeomhylling for en mach 2-stråle av oksygen produsert av en dyse av den typen som er vist i figur 12 versus lengden av strålen mens den har overlydshastighet og en aksial senterlinjehastighet på rundt 92% av initialhastigheten;

Figur 8 er en grafisk presentasjon av den radiale stagneringstrykkfordelingen og gasskonsentrasjonen for en strukturert mach 2-stråle dannet ved en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen;

Figur 9 er en grafisk presentasjon av gasskonsentrasjonen og radialstagneringstrykkfordelingen for en stråle av oksygen omgitt av en flammeomhylling dannet ved en metode ifølge oppfinnelsen, og som er målt i en avstand fra dyseåpningen der den aksiale senterlinjehastigheten for strålen har sunket til rundt 92% av den initiale mach 2, 487,7 m/s (1.600 fps) hastighet ved dyseutgangen;

Figur 10 viser en skjematisk presentasjon av en elektrisk bueovn som benytter en oksygeninjektor for å injisere en stråle av oksygen ved overlydshastighet inn i en smeltet metalldam ved bruk av en metode ifølge foreliggende oppfinnelse;

Figur 11 viser oksygeninjektoren som benyttes i figur 9;

Figur 12 viser en alternativ utførelsesform av oksygeninjektoren i figur 11;

Figur 13 viser en skjematisk presentasjon av en basisoksygenovn som benytter en vannavkjølt lanse for å injisere stråler av oksygen ved overlydshastighet inn i en smeltet metalldam ved bruk av en metode ifølge oppfinnelsen;

Figur 14 er et skjematisk snitt av den vannavkjølte lansen som benyttes i figur 13;

Figur 15 er et forstørret tverrsnitt av en lansespiss for den vannavkjølte lansen som vises i figur 14;

Figur 16 er et snitt ifølge figur 15 langs linjen 15-15 i denne.

Detaljert beskrivelse

Under henvisning til figurene 1 og 2, blir driften av en kjent dyse 1 som benyttes for å injisere en overlydsstråle av oksygen inn i en metallurgisk ovn sammenlignet med driften av en dyse 2 ifølge oppfinnelsen.

Dyse 1 har en passasje 10 med konvergerende-divergerende konfigurasjon som inkluderer en konvergerende innløpsdel 12, en sentral strupedel 14 og en divergerende utløpsdel 16 som slutter ved en dysefront 18. Når en oksygenstrøm injiseres fra en matepassasje 19 til den konvergerende innløpsdelen 12 av passasjen 10, undergår den en initial ekspansjon. Hvis trykket i dette oksygenet ligger over det som i teknikken kalles ”kritisk trykk” eller et ”mach 1 ekspansjonstrykk” for oksygenstrømmen som innføres i dysen 10, oppnås det en strupt strømningstilstand i den sentrale strupedelen 14 der oksygenet har oppnådd en sonisk hastighet. Uttrykket ”sonisk hastighet” som benyttet her og i kravene, betyr en hastighet som har lydhastighetens størrelsesorden. Under en strupt strømningsbetingelse vil økninger i trykket ikke øke hastigheten for oksygenet gjennom den sentrale strupedelen 14. I den divergerende utløpsdelen 16 av dysen 10 blir oksygenstrømmen supersonisk, da oksygen ekspanderer ytterligere i denne delen. Som nevnt ovenfor vil dette, når man øker trykket i oksygenet oppstrøms den konvergerende innløpsdelen 12 av dysen, ikke øke hastigheten for oksygenet i strupedelen 14, en slik trykkøkning vil øke hastigheten i den divergerende utløpsdelen 16 av dysen 10.

Ved dysefronten 18 slippes en stråle av oksygen 22 ut fra dysen 10 inn i en høytemperaturovnsatmosfære som vanligvis befinner seg noe over atmosfæriske trykk. Når det gjelder en basisoksygenovn, er et slikt trykk generelt rundt 25% høyere enn atmosfæriske trykk. Ved utslipp fra dysefronten 18 har oksygenstrålen 22 i begynnelsen en supersonisk hastighet.

I en ovn som benyttes ved prosessering av stål inneholder ovnsatmosfæren en høy konsentrasjon av karbonmonoksid på grunn av omsetning av oksygen med karbon inneholdt i smelten. Når strålen av oksygen 22 forløper utover fra dysefronten 18, vil det ytre omkretsområdet av denne ha en tendens til å interagere med ovnsatmosfæren i det som angis som en skjære-blandesone 24 hvori ovnsatmosfæren blandes med oksygenet som inneholdes i strålen av oksygen 22 ved dannelse av mikrovirvler. Mens det kan være en forbrenning av karbonmonoksid i ovnsatmosfæren i skjæreblandesonen 24, er graden av forbrenning av karbonmonoksid ved en tilstrekkelig lav hastighet og er ineffektiv med henblikk på å danne en flammeomhylling på den måten som er beskrevet ovenfor. Således vil signifikant forbrenning kun inntre i en avstand fra dysefronten 18 som typisk er utover 6 dysediametre fra dysefronten 18. Denne avstanden for forbrenningen gjør enhver flamme som omhyller strålen av oksygen 22 ineffektiv når det gjelder å forhindre hastighetsreduksjon og konsentrasjonsreduksjon for strålen av oksygen 22 på en måte som foreliggende oppfinnelse tar sikte på å hindre. Blandingen av oksygen og ovnsatmosfære som inntrer i skjære-blandesonen 24 øker langs lengden av strålen av oksygen betraktet fra dysefronten 18 og gir et konisk område 25 hvori strømmen er upåvirket av blandeprosessen og således har de samme egenskapene som de som forelå ved dysefronten 18. I den kjente teknikk er dette området angitt som en potensiell kjerne. Strømningsområdet utenfor den potensielle kjernen 25 er det punktet der hastigheten for den supersoniske strålen av oksygen 22 først begynner å synke under hastigheten ved dysefronten 18. Fagfolk på området vil erkjenne eksistensen av en supersonisk kjerne 26 som forløper seg utover og inkluderer den potensielle kjernen 25, hvori ved alle punkter, strømningshastigheten er større enn eller lik mach 1. Utover den supersoniske kjernen er strømningshastigheten subsonisk ved alle punkter 27. Når skjære-blande- og reaksjonssonen til slutt når stråleaksen, inntrer overgangen til en fullt utviklet turbulent og forbrennende stråle.

Under henvisning til figur 2, vises det en dyse 2 som er konstruert for å gjennomføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Dysen 2 inkluderer en konvergerendedivergerende passasje 28 hvori en oksygenstrøm innføres fra en matepassasje 29 til en konvergerende innløpsdel 30 for å gi sonisk hastighet i en sentral strupedel 32 under strupte strømningsbetingelser. Supersoniske hastigheter oppnås i en divergerende utløpsdel 34 som forløper fra den sentrale strupedelen 32 og slutter ved dysefronten 36.

Brennstoff injiseres ved indre omkretslokasjoner 38 og 40 i den divergerende utløpsdelen 34 ved hjelp av brennstoffpassasjer 42 og 44. Slik man vil forstå er brennstoffpassasjene 42 og 44 og således de indre omkretslokasjoner for injeksjon, anbrakt i regulære intervaller i den divergerende utløpsdelen 26. Hvis f.eks.4 injeksjonspunkter er ønsket, vil det være 4 omkretslokasjoner, f.eks. som 38 eller 40, anbrakt 90 grader fra hverandre betraktet i tverretning. Når dette er sagt, behøver omkretslokasjonene som 38 og 40 ikke å ligge i samme aksialplan, de kan være plassert trinnet.

Injeksjonen av brennstoff gir en kombinert brennstoff- og oksygenholdig strøm i den konvergerende-divergerende passasjen 28 som fortsetter å akselerere fra injeksjonspunktene, altså indre omkretslokasjoner 38 og 40, når strømmen fortsetter å ekspandere i den divergerende utløpsdelen 34. Gitt de strupte strømningsbetingelsene vil oksygenstrålen, før injeksjon av brennstoff, ha en supersonisk hastighet, og den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen vil akselerere ytterligere til høyere, supersoniske hastigheter etter hvert som strømmen beveger seg mot dysefronten 36.

Injeksjonen av brennstoff ved omkretslokasjonene, f.eks. 38 og 40, gir en struktur til den kombinerte oksygen- og brennstoffholdige strømmen i dysen 2, som har et ytre omkretsområde 46 og et indre, sentralt område 48. Det ytre omkretsområdet består av en blanding av oksygen og brennstoff. Det indre, sentrale området består av oksygen og inneholder i det vesentlige intet brennstoff.

Det skal videre påpekes at selv om omkretslokasjonene, f.eks.38 og 40, er illustrert til å være lokalisert i den divergerende utløpsdelen 34, kan de også være lokalisert i strupedelen 32 eller sågar i den konvergerende innløpsdelen 30. Av praktiske og av sikkerhetsgrunner er den foretrukne brennstoffinjektorlokasjonen i den divergerende utløpsdelen 34. Imidlertid vil oppfinnelsen være effektiv hvis brennstoffinjektorene er plassert rundt oksygenoppstrømsinngangen til den konvergerende-divergerende dysen. Imidlertid vil en slik plassering være ufordelaktig både av sikkerhets- og brennstofftrykkbegrensninger.

Til forskjell fra den kjente teknikken skjer det ingen tenning eller forbrenning i dysen 2. Imidlertid foreligger det fare for slik forbrenning på grunn av de høye temperaturene i ovnen og det faktum at oksygen og brennstoff blandes innen et meget begrenset rom. Som antydet ovenfor er det sikrest å injisere brennstoff ved det punktet der lave temperaturer og høye hastigheter oppnås på grunn av strømmens ekspansjon. Som en konsekvens vil de sikreste punkter for injeksjon av brennstoff være i den divergerende utløpsdelen 34 fordi de laveste temperaturene og høyeste hastighetene oppnås i en slik del på grunn av ekspansjonen av oksygenet og den fortsatte ekspansjonen av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen.

Ved dysefronten 36 blir den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen sluppet ut som en strukturert stråle 50, som har samme struktur som den kombinerte oksygen- og brennstoffholdige strømmen som flyter i den konvergerende-divergerende passasjen 28 i dysen 2. Som i den frie strålen som fremstilles i dysen 1, vil det ytre omkretsområdet av den strukturerte strålen 50 begynne å interagere med den oppvarmede ovnsatmosfæren og danne en skjære-blandesone 52 hvori brennstoff, oksygen og oppvarmet ovnsatmosfære vil blandes. Denne sammenblandingen med den varmen som tilveiebringes av den oppvarmede ovnsatmosfæren vil forårsake autotenning og en etterfølgende flammeomhylling 54 for beskyttelse fra dysefronten 36. På grunn av tenningen vil skjære-blandesonen 52 også inneholde oppvarmede forbrenningsprodukter. Det skal være klart at flammeomhyllingen 54 ikke må være forbundet med dysefronten 36 for å være effektiv. Flammeomhyllingen 54 må imidlertid dannes minst nær dysefronten 36, f.eks. innen rundt 1 til rundt 2 dysediametre. Som påpekt ovenfor må ovnsatmosfæren ikke inneholde karbonmonoksid eller andre stoffer som vil reagere for å gi en flamme. Alt som trenges er temperaturen for å forårsake autotenning.

Flammeomhyllingen 54 vil bevirke forhindring av hastighets- og konsentrasjonsreduksjon for strålen av oksygen 56 som dannes fra det indre, sentrale området 48 av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen. Når det gjelder dysen 2, forløper flammeomhyllingen fra dysefronten 36 eller minst svært nær denne på grunn av det faktum at brennstoffet som benyttes for å danne flammeomhyllingen 34 inneholder en hydrokarbonspecie som reagerer meget hurtigere enn et brennstoff som karbonmonoksid alene, og som kan være tilstede i den oppvarmede ovnsatmosfæren. Typiske gassbrennstoffer kan være hydrogen, naturgass, metan, propan, petroleumgass, koksovngass, syntesegass, acetylen eller et fordampet og/eller pyrolisert flytende eller gassformig brennstoff, eller blandinger derav med inertgass og/eller karbonmonoksid. Typiske flytende brennstoffer kan være hydrokarbonbrenselsoljer, kerosen eller bensin som er for-forstøvet til en gass eller damp inneholdende brennstoffdråper, eller forstøvet ved innvirkning av selve oksygenstrømmen. Andre gassformige og flytende hydrogenholdige ikkehydrokarbonbrennstoffer kan også benyttes for anvendelse ifølge oppfinnelsen og inkluderer f.eks. alkohol og amoniakk.

Sammenlignet med den strålen som produseres av dysen 1 er de potensielle og supersoniske kjernene 55 og 56 som produseres av dysen 2 meget lenger, og derfor vil en stråle av oksygen som dannes i henhold til foreliggende oppfinnelse tillate at dysen 2 kan anbringes i større avstand fra overflaten av smelten og øke agiteringsgraden for smelten, enn det som er mulig kun ved bruk av oksygeninjeksjon alene. Samtidig og fordi det ikke er ytterligere åpninger i dysefronten 36 hvorfra brennstoff og oksygen injiseres, er det ingen mulighet for tilstopping av slike åpninger.

Som nevnt ovenfor skjer det ingen forbrenning i dysen 2. Som vist er det, nedstrøms de indre omkretslokasjonene 38 og 40, ingen diskontinuiteter i den indre overflaten av utløpsdelen 34 som kunne tendere til å deselerere blandingen av brennstoff og oksygen inneholdt i den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen som kunne gi noe sete for stabil forbrenning av brennstoffet hvis blandingen ble antent. I denne forbindelse vil en deselerasjon av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen forårsake at sirkulering inntrer på grunn av virvler og derfor ytterligere blanding av brennstoff og oksygen og en mulighet for forbrenning av blandingen.

Muligheten for tenning av brennstoff og oksygen foreligger når oksygenstrømningshastigheten synker slik at dysen 2 sies å være underblåst. Denne situasjonen kan opptre under sinkende betingelser forårsaket av svikt i oksygentilførselen eller under andre omstendigheter der strømmen av oksygen med hensikt reduseres under en raffineringsprosess. Som et resultat av reduksjonen av oksygenstrømningshastigheten kan det inntre en separering av strømmen av kombinert brennstoff- og oksygenholdig strøm fra den indre overflaten av den konvergerendedivergerende passasjen. Dette vil resultere i et gap og gir et rom der oppvarmet ovnsatmosfære kan tre inn i dysen 2, blande seg med brennstoff og oksygen og gi tilstrekkelig varme til å tenne blandingen. Denne underblåste tilstanden gir også en overekspandert stråle som, slik det skal diskuteres nedenfor, kan være fordelaktig. Selv når imidlertid prosessen ovenfor inntrer, er det intet sete ved hvilket flammen i dysen kan stabiliseres på grunn av mangelen på indre overflatediskontinuiteter i dysen, som sporet som benyttes i den kjente teknikken for å stabilisere flammen.

Under henvisning til figur 3, vises en forsøksavledet, statisk trykkfordeling i en konvergerende-divergerende dyse hvori strømmen som trer ut av dysen er fullt ekspandert. Målingene ble oppnådd fra en konvergerende-divergerende dyse med en utløpsdiameter på 2,06 cm (0,81 tommer) og en strupediameter på 1,57 cm (0,62 tommer). Dysen ble konstruert for å gi rundt 1019 m<3>/t (36.000 standard kubikkfot pr.

time (scfh)), matet til under et trykk på rundt 7,91 bar (100 psig) og hvoretter oksygenstrålen, sluppet inn i omgivelsesluft, trer ut av dysen fullt ekspandert ved mach 2 og 487,7 m/s (1.600 fps). Uttrykket ”fullt ekspandert” som benyttet her og i kravene, betyr at strømmen som slippes ut fra dysen har et indre, statisk trykk som er rundt lik det til omgivelsestrykket i en metallurgisk ovn. Under henvisning til figur 4, vises en forsøksavledet, statisk trykkfordeling hvori strålen som trer ut av dysen er overekspandert. Uttrykket ”overekspandert” som benyttet her og i kravene, betyr at strålen som trer ut av dysen har et lavere, indre statisk trykk enn den omgivende ovnsatmosfæren. Selv om det indre, statiske trykket for strålen er redusert, forblir strålen som trer ut av dysen supersonisk. Hvorvidt en stråle som trer ut av dysen er fullt ekspandert eller overekspandert, vil avhenge av konstruksjonen av dysen og trykkforskjellen mellom oksygen som mates til og ovnsatmosfæren. I det overekspanderte tilfellet som vist i figur 4, ble lengden av den divergerende delen øket ved å tilveiebringe en forlengelse på den ovenfor nevnte dysen og utløpsdiameteren øket til 2,26 cm (0,89 tommer). Slike konstruksjonsbetraktninger er velkjente for fagfolk.

Under henvisning til figur 5, tilveiebringes passasjen for dysen som vist i figur 2 med en sylindrisk forlengelse som forløper fra den divergerende utløpsdelen og til dysefronten. Effekten av forlengelsen er å øke det statiske trykket for strømmen som slippes ut fra dysen ved dysefronten. Fordi det indre, statiske trykket i strømmen i dysen som vist i figur 5 er over trykket i ovnsatmosfæren, blir strålen som avgis sagt å være underekspandert. Oppfinnelsen kan gjennomføres ved bruk av en slik underekspandert stråle.

Slik det fremgår av figurene, er korrespondansen mellom de isentropiske beregningene (som ikke regner med friksjonseffekter), Fanno-beregninger (figur 5 tar friksjonseffekter med i beregningen for supersonisk strøm) og de virkelige trykkmålingene gitt ved ”P-tap måling”, meget nær hverandre. Tilsetning av brennstoff for å gi en strukturert stråle, som f.eks. den strukturerte strålen 50, vil ha liten effekt på de beregnede og virkelige resultatene som er vist i figurene. Derfor kan en dyse ifølge oppfinnelsen konstrueres for å gi en strukturert stråle som enten er fullt ekspandert, overekspandert eller underekspandert, og kan inkorporere sylindriske eller koniske forlengelser til den divergerende delen for å danne underkespanderte, henholdsvis overekspanderte, strømmer.

Det overekspanderte tilfellet som er vist i figur 4, kan benyttes slik at oksygenstrømmen og den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen kan ha underomgivelsestrykk ved lokasjoner i en divergerende utløpsdel av en konvergerendedivergerende passasje av en dyse. Den divergerende utløpsdelen 34 av dysen 2 kan konstrueres for å gi en overekspandert, strukturert stråle. Fordelen ved en slik utførelsesform er at omkretslokasjonene kan anbringes ved en underomgivelseslokasjon slik at hvis det, av en eller annen grunn, foreligger et avbrudd i brennstoffet som mates til, f.eks. på grunn av utstyrssvikt, vil oksygenstrømmen ikke tre inn i passasjene 42 og 44 og skape muligheter for forbrenning utenfor dysen og i ustyret som benyttes for å mate til brennstoff under trykk. En annen fordel ved denne utførelsesformen er at brennstoffmatekilden ikke må overvinne et positivt oksygenreturtrykk, noe som eliminerer behovet for å komprimere brennstoffet over et trykk som typisk er tilgjengelig via kommersielle brennstoffstasjoner.

Under henvisning til figur 6, ble forsøk gjennomført for å undersøke effekten av brennstoffinjeksjonshastigheten på preservering av supersonisk oksygenstråle. Metan og oksygen ble matet til en dyse av den typen som er vist i figur 2 under de følgende forsøksbetingelser. Dysen 2 ble drevet inne i en laboratorieovnapparatur som ga en omgivelse bestående av en blanding av oppvarmet og tørr (hydrogenfri) karbonmonoksid (rundt 70 volum-%) og karbondioksid (rundt 30 volum-%) ved rundt 1.650ºC (”ovnstest A”). Den konvergerende-divergerende dysen ble konstruert for å avgi en fullt ekspandert, strukturert stråle med en oksygenstrømningshastighet på 113,3 m<3>/t (4.000 scfh) matet til med 7,91 bar (100 psig) oksygen. Dysen hadde utløps- og strupediametre på 0,68 cm (0,266 tommer), henholdsvis 0,52 cm (0,203 tommer). Den totale dyselengden var 1,91 cm (0,75 tommer), og den kombinerte lengden av de konvergerende- og strupedelene var 0,52 cm (0,203 tommer). Diameteren for kanalen oppstrøms dysen var rundt 0,97 cm (0,38 tommer). Under disse matebetingelsene forlot strålen dysen ved rundt mach 2 og rundt 487,7 m/s (1.600 fps). Metan ble injisert i 4 i lik avstand anordnede boreporter, hver med en diameter på 0,079 cm (0,031 tommer) og vinklet med henblikk på aksen for hovedoksygendysen ved rundt 42 grader. Metan ble injisert i den divergerende delen av dysen ved en lokasjon som ga et oksygenreturtrykk på rundt 1,84 bar (12 psig). Metan ble injisert i oksygenstrømmen og varierte fra rundt 0 til rundt 4,5% av oksygenstrømningshastigheten. For å mate til 2% metan var det nødvendig med et matetrykk rundt 2,05 bar (15 psig), og dette resulterte i en metanhastighet på rundt 180 m/s (590 fps) og rundt mach 0,4. Et Pitot-rør ble benyttet for å måle aksialsenterlinjestagneringstrykket tilsvarende en vilkårlig avstand fra dyseåpningen kalt ”L”. Denne lengden ble satt for å tilsvare avstanden fra dyseutløpet der den stråleaksiale senterlinjehastigheten hadde sunket til mach 1,74, noe som tilsvarer en hastighet på rundt 448,1 m/s (1.470 fps) eller rundt 92% av dyseutgangshastigheten. Målingene ble så dividert med dyseutløpsdiameteren ”D” for å beregne parameteren ”L/D”, vist som ordinat (y-akse) i grafen i figur 6. Parameteren ”L/D” representerer en lokasjon på den aksiale strålesenterlinjen som ligger utenfor den potensielle kjernen og innenfor den supersoniske kjernen. Slik man kan se i figur 3, øker strålelengden med metaninjeksjonshastigheten og når rundt 1,9 ganger utgangslengden i forhold til de oppvarmede og reaktive omgivelsene og ingen brennstoffinjeksjon. Videre er, på grafen i figur 6, L/D målt i omgivelsesluft under de samme dysearbeidsbetingelsene.

Det skal påpekes at forsøk har verifisert at injeksjonen av brennstoff på en måte som minimaliserer oppbryting av oksygenstrålen (dvs. jevn injeksjon), er den mest effektive måten for å produsere strukturerte strømmer som er i stand til å gi de lengste strålene for en satt strømningshastighet for brennstoff. I denne forbindelse og under henvisning til figur 7, ble forsøk gjennomført for å undersøke effekten av brennstoffinjeksjonshastigheten på supersonisk oksygenstrålebevaring i forbindelse med en dyse av den typen som er vist i figur 12. En slik dyse inkorporerer injeksjon av brennstoff gjennom porøst metall og resulterer i den minste oppbryting av oksygenstrålen på grunn av injeksjon av brennstoff. Slike forsøk ble gjennomført under de følgende betingelser. Dysen ble drevet i en laboratorieovnapparatur som ga en omgivelse bestående av blandinger av oppvarmet og tørr (hydrogenfri) karbonmonoksid (rundt 70 volum-%) og karbondioksid (rundt 30 volum-%) ved rundt 1.650ºC (”ovnstest”). Alle ”ovnstester” som angitt i figur 7 ble gjennomført under identiske betingelser for å sikre at resultatene som ble oppnådd var nøyaktige og reproduserbare. Den konvergerende-divergerende dysen ble konstruert for å gi en fullt ekspandert, strukturert stråle med en oksygenstrømningshastighet på 113,3 m<3>/t (4.000 scfh), matet til med 7,91 bar (100 psig) oksygen. Dysen hadde utløps-, henholdsvis strupediameter, på 0,68 cm (0,266 tommer), henholdsvis 0,52 cm (0,203 tommer). Den totale dyselengden var 1,91 cm (0,75 tommer), og den kombinerte lengden av de konvergerende- og strupedelene var 0,52 cm (0,203 tommer). Diameteren for kanalen oppstrøms dysen var 0,97 cm (0,38 tommer). Under disse matebetingelsene forlot strålen dysen ved mach 2 og 487,7 m/s (1.600 fps). Metan ble injisert i oksygenstrømmen og varierte fra 0 til rundt 7,25% av oksygenstrømningshastigheten. Et Pitot-rør ble benyttet for å måle det aksiale senterlinjestagneringstrykket tilsvarende en vilkårlig lengdeskala ”L” i figur 8. Lengdeskalaen ”L” ble satt for å tilsvare den avstanden fra dyseutløpet der stråleaksialsenterlinjehastigheten hadde sunket til rundt mach 1,74, noe som tilsvarer en hastighet på 448,1 m/s (1.470 fps) eller rundt 92% av dyseutløpshastigheten. Målingene ble så dividert med dyseutløpsdiameteren ”D” for å gi parameteren ”L/D” som ovenfor, vist som ordinat (y-akse) i grafen i figur 7.

Avstanden ”L/D” representerer en lokasjon langs den aksiale strålesenterlinjen som ligger utenfor den potensielle kjernen og innenfor den supersoniske kjernen.

Slik det fremgår av figurene 6 og 7, har strømmen av metan en innvirkning på lengden av strålen av oksygen kun opp til et punkt rundt regnet 5% av oksygenstrømmen. Ved et slikt punkt har tilsetningen av ytterligere brennstoff ingen innvirkning på lengden av den supersoniske strålen av oksygen. Under rundt 2,5% var lengden av den supersoniske strålen av oksygen meget sensitiv overfor metaninjeksjonsmengden.

Således er injeksjon av metan i en mengde mellom rundt 2,5% og rundt 5%, effektiv for å maksimalisere lengden av den supersoniske strålen av oksygen. Slik fagmannen imidlertid vil erkjenne, er ”hydrogen pick-up” forårsaket av injeksjon av hydrogen eller hydrokarboner inn i en stålholdig smelte der det er ønskelig å justere kjemien i smelten ved oksygentilsetning, uønsket. I en basisoksygenovn treffer således grovt 1,5% til rundt 3% metan et middel mellom behovet for å forlenge lengden av strålen uten å injisere unødvendig brennstoff inn i smelten.

Mens den virkelige strømmen av brennstoff og oksygen kan variere med dysekonstruksjon, raffineringskrav, f.eks. størrelse av ovn, og det spesielle brennstoffet som benyttes, antas det at resultatene av de foregående forsøkene kan generaliseres når de leses i forbindelse med ekvivalensforholdet, dvs. et forhold mellom det aktuelle brennstoffet og oksygenet som benyttes dividert med forholdet mellom brennstoff og oksygen som kreves for å oppnå støkimetrisk forbrenning. I denne forbindelse og for en elektrisk bueovn, er ekvivalensforholdet mellom rundt 0,02 og rundt 0,14. For en basisoksygenovn er ekvivalensforholdet mellom 0,01 og rundt 0,06.

Et ytterligere punkt er at dyse eller lansen som inneholder dysen, fortrinnsvis er posisjonert i forhold til smelten, slik at strålen av oksygen når den kommer inn i smelten, befinner seg i den supersoniske kjernen. Mer spesielt har strålen av oksygen når den trer inn i smelten, fortrinnsvis en hastighet rundt 90% av strålehastigheten ved utslipp fra dysen eller dysene. Dysen eller lansen kan posisjoneres ved en større avstand og derfor ha en lavere hastighet eller en nærmere avstand i forhold til smelten, for å ha høyere hastighet ved inngang i smelten. Desto nærmere lansen er posisjonert smelten, desto lavere er lansens brukbare levetid. For en elektrisk bueovn kan gitte data i figurene 6 og 7, for den spesielle dysekonstruksjonen og brennstoffinjeksjonen, benyttes for å posisjonere dysen i forhold til smelten. Justeringer vil måtte foretas for virkelige driftsbetingelser, f.eks. høyden av smelten i ovnen. I en BOF-ovn foreligger det en blåseprofil som er basert på mange kjente faktorer der posisjonen for dysen forandres. Når det gjelder en BOF-ovn, vil derfor slike data benyttes som rettesnor for å tillate drift der strålehastigheten ved inngang i smelten maksimaliseres og slik at, for det meste, strålen av oksygen vil befinne seg i den supersoniske kjernen ved inngang i smelten og hvorved, til tider, lansen vil posisjoneres slik at strålen av oksygen vil være utenfor den supersoniske kjernen. Hvis det f.eks. inntrer slopping, kan lansen trekkes tilbake i forhold til smelten.

Under henvisning til figur 8, er strukturen for den strukturerte strålen grafisk vist for en dyse som vist i figur 12 betraktet fra dyseflaten i en aksialavstand på 1 dysediameter. For dette forsøks formål ble dysen drevet inn i en laboratorieovnsapparatur som kan gi en omgivelse bestående av blandinger av oppvarmet og tørr (hydrogenfri) karbonmonoksid (rundt 70 volum-%) og karbondioksid (rundt 30 volum-%) ved rundt 1.650ºC (”ovnstest”). Den konvergerende-divergerende dysen ble konstruert til å avgi en fullt strukturert stråle med en oksygenstrømningshastighet på 113,3 m<3>/t (4.000 scfh), matet til under et oksygentrykk på 7,91 bar (100 psig). Under disse arbeidsbetingelsene forlot strålen dysen ved rundt mach 2 og en hastighet rundt 487,7 m/s (1.600 fps). Dysen hadde utløps- og strupediametre på 0,68 cm (0,266 tommer), henholdsvis 0,52 cm (0,203 tommer). Den totale dyselengden var 1,91 cm (0,75 tommer), og den kombinerte lengden av den konvergerende- og strupedelen var 0,52 cm (0,203 tommer). Diameteren for kanalen oppstrøms dysen var 0,97 cm (0,38 tommer). Metan ble injisert i oksygenstrømmen fra en porøs metallfordeler (slik det skal diskuteres nedenfor under henvisning til utførelsesformen i figur 11) i en mengde på rundt 3,4% av oksygenstrømmen. Et Pitot-rør ble benyttet for å måle den radiale stagneringstrykkprofilen for den strukturerte strålen. Et Pitot-rør ble også benyttet som en sugesonde, og radialsammensetningsprofilen for den strukturerte strålen ble også målt. På denne måten kunne det lokale strålestagneringstrykket sammenlignes direkte med den lokale strømsammensetningen. Gassprøver ble analysert med henblikk på oksygen, karbonmonoksid, karbondioksid, metan og hydrogen.

Ved den ytre periferi av strålen, r/R=1 (der ”r” er posisjonen for Pitot-røret og ”R” er radien for utløpet av dysen ved dysefronten), foreligger den største konsentrasjonen av metan, noe som indikerer at brennstoffet er konsentrert ved det ytre omkretsområdet av strålen som en blanding av metan og oksygen. Dette området tilsvarer det ytre omkretsområdet 46 av den strukturerte strålen 50 som vist i figur 2. Ved lokasjoner r/R>1, begynner ovnsatmosfæren å blande seg med brennstoff- og oksygenholdig blanding i en skjære-blande- og reaksjonssone 52 som antydet ved nærværet av karbonmonoksid og karbondioksid og også ved en reduksjon i konsentrasjonen av metan og oksygen. Innover fra den ytre periferi av dysen, i en retning tatt fra r/R=1, til den sentrale akse av dysen, r/R=0, stiger oksygenkonsentrasjonen til rundt 100%. Ingen forbrenning inntrer i dysen 0<r/R<1 som antydet ved den manglende detektering av karbonmonoksid og karbondioksid. Dette området tilsvarer det indre, sentrale området 56 av den strukturerte strålen 50. Samtidig nærmer det målte strålestagneringstrykket seg det som ventes for en mach 2 oksygenstråle, tatt i betraktning trykktapet assosiert med trykket av en sjokkbølge som dannes oppstrøms Pitot-røret.

Under henvisning til figur 9 har, ved større aksialavstand, ved rundt 41 dysediametre, senterlinjestagnasjonstrykket falt til rundt 4,46 bar (50 psig), på hvilket punkt machtallet har sunket til rundt 1,74 og hastigheten til rundt 448,1 m/s (1.470 fps) eller rundt 92% av den opprinnelige strålehastigheten. Ved denne lokasjonen ligger senterlinjestrømmen utenfor den potensielle kjernen og inne i den supersoniske kjernen. Radialtrykkprofilen kan sees å forringes fra den sentralaksen av strålen. Ved rundt 41 dysediametre består strålen hovedsakelig av oksygen i lokasjonene 0<r/R<1,5. Etter hvert som den supersoniske strålen av oksygen deselererer, divergerer oksygenstrålen som vist ved mengden av oksygen som detekteres ved radiallokasjoner 1,5<r/R<7,5. Ved en slik avstand fra dyseutløpet eksisterer det meget lite metan, gitt det faktum at metanet er oksidert, som antydet ved nærværet av karbonmonoksid eller karbondioksid, før dette punktet.

Under henvisning til figur 10, er det vist en elektrisk bueovn 60, som er konstruert for å smelte og raffinere skrapstål. Skrapstålet fylles i ved å fylle skrapet i den elektriske bueovnen 60 fra toppen. Karbonelektroder 62 rager inn i ovnen og kan gi en bue som smelter skrapet og varmer opp den resulterende dammen av metall 64.

I jernraffineringsovner som den viste, elektriske bueovn 60 eller en basisoksygenovn som skal beskrives nedenfor, oksiderer oksygen som innføres i smelten, en liten del av jernet, og karbonet kombineres med det oksiderte jernet og gir karbonmonoksid.

Karbonmonoksid produseres som regel ved oppløst karbon som kombineres med oksygen. Noe av karbonmonoksidet blir i sin tur oksidert til karbondioksid.

Karbonmonoksidbobler stiger til overflaten av den smeltede dammen av metall 64 og slipper ut inn i slaggsjiktet 66. Slaggsjiktet 66 dannes ved oksidasjon av urenheter og metalliske elementer i smelten, f.eks. fosfor, jern, silisium og mangan, og oppløsningen av de resulterende oksidene med flussmidler som kalk og dolomitt som settes til ovnen som i og for seg kjent. Generelt inneholder den oppvarmede ovnsatmosfæren som ligger over den smeltede dammen av metall 64, karbonmonoksid, karbondioksid og kan ha en temperatur mellom rundt 1.370ºC og 1.927ºC.

Oksidasjonen av karbon, karbonmonoksid og slaggdannende elementer skjer via oksygeninjeksjon ved hjelp av en oksygeninjektor 68, som injiserer en stråle av oksygen 70 med en supersonisk hastighet i den smeltede dammen av slagg og metall 64. Slik det skal diskuteres, inkorporerer oksygeninjektoren 68 en dyse som virker på samme måte som dysen 2 diskutert ovenfor, for å gi en flammeomhylling 72, som omhyller strålen av oksygen 70, og som også berører overflaten av den smeltede dammen av slagg og metall 64. Typisk er ved slutten av raffineringsprosessen oksygengassen kombinert med karbon i det smeltede metallbadet 64 for å gi stål med et ønsket karboninnhold, og kan være mindre enn rundt 0,02% for lavkarbonstål.

Selv om det ikke er vist, men slik det vil være kjent på området, er oksygeninjektoren 68 satt i en blokk i en ovnsvegg 74 som er vannkjølt. Videre og heller ikke vist, kan en dyse tilveiebringes for oksygeninjeksjon for kombinasjon med karbonmonoksid i den oppvarmede ovnsatmosfæren. Karbonpartikler kan også injiseres på i og for seg kjent måte, for å justere egenskapene i slagget og videre justere karboninnholdet i stålet.

Under henvisning til figur 11, er det vist en oksygeninjektor 68. Oksygeninjektoren 68 har en sylindrisk konfigurasjon og har en lansespiss 80, som befinner seg ved enden av en brennstoffledning 82. Fortrinnsvis er lansespissen 80 konstruert av kobber.

Brennstoffledningen 82 har et brennstoffinnløp 84 for tilmating av brennstoff som naturgass og kan, som vist, omfatte en gjenget tilpasning for festing til en brennstoffslange eller en annen ledning for brennstoff. Sentralt lokalisert i brennstoffledningen 82 er en oksygenledning 86 med et oksygeninnløp 87 for tilmating av oksygen. Oksygeninnløpet 87 kan også foreligge i form av en gjenget forbindelse for festing til en slange eller en annen rørledning for tilmating av oksygen. Brennstoff strømmer gjennom et ringrom 88, definert mellom brennstoffledningen 82 og oksygenledningen 86, og oksygenet strømmer i oksygenledningen til en konvergerendedivergerende passasje 90.

Den konvergerende-divergerende passasjen 90 har en konvergerende innløpsdel 92, dannet i enden av oksygenledningen 86, en sentral strupedel 94 og en divergerende utløpsdel 96 som slutter ved en dysefront 98 på lansespissen 80. En trykkforskjell mellom tilmating av oksygen versus ovnsatmosfæren som foreligger ved dysefronten 98, er slik at en strupt strømningsbetingelse kan etableres i en sentralstrupedel 94 av den konvergerende-divergerende passasjen 90.

Brennstoffet strømmer fra ringrommet 88 til brennstoffpassasjene, begge med passasjetverrsnitt 100 og 101, som slutter i den divergerende utløpsdelen 96 av den konvergerende-divergerende passasjen 90 ved indre omkretslokasjon definert ved åpninger 102 gjennom hvilke brennstoff injiseres i det oksygenet som strømmer i den divergerende utløpsdelen 96. I den spesifikke utførelsesformen er det 4 brennstoffpassasjer som slutter i 4 i lik avstand anordnede åpninger 102, slik man ser i tverretning til dysefronten 98.

Det skal påpekes at selv om lansen 68 er vist i forbindelse med en elektrisk bueovn, kan den også benyttes i andre, metallurgiske ovner som f.eks. ikke-jern smeltings- og raffineringsbeholdere.

Under henvisning til figur 12, er en lansespiss 80’ vist i form av en modifikasjon av lansespissen 80 som vist i figur 11. Lansespissen 80’ kan være dannet av to deler 80a og 80b. Selv om det ikke er vist, kan del 80b være festet til delen 80a ved hjelp av gjengede forbindelser som maskinskruer eller andre metoder som sveising. Oksygen mates til den konvergerende-divergerende passasje på samme måte som injektoren som vist i figur 11. Videre bringer en passasjedel 101 brennstoff til en utsparing 104 som er definert i delen 80a med ringkonfigurasjon. Anbrakt i utsparingen 104 er et ringformet, metallisk og porøst element 106, som mater brennstoffet til den divergerende utløpsdelen 96 av den konvergerende-divergerende passasjen 90. Bruken av slike porøse metallelementer for brennstoffinjeksjon har fordelen av å gi en meget enhetlig blanding av brennstoff og oksygen i det ytre omkretsområdet av den strukturerte strålen mens det tilveiebringes en metode for injisering av brennstoffet med lav hastighet for på minimal måte å bryte opp oksygenstrømmen. Slike porøse metallelementer er også kjent som porøse metaller, sintrede metaller og metalliske skum og kan oppnås kommersielt. Denne metoden for injeksjon kan benyttes i en hvilken som helst utførelsesform av oppfinnelsen.

Under henvisning til figur 13, vises en basisoksygenovn 110 der jern i en smeltet metalldam 112 raffineres til stål. En vannavkjølt lanse 114 tilveiebringes for dette formål for å injisere supersoniske stråler av oksygen 116 inn i den smeltede metalldammen 112. Strålene av oksygen 116 injiseres mens de omgis av individuelle flammeomhyllinger 120, som dannes ved en metode ifølge oppfinnelsen som skissert ovenfor.

I den basiske oksygenprosessen blir smeltet jern generelt transportert fra en masovn chargert med skrap til basisoksygenovnen 110. Strålen av oksygen 116 injiseres i ovnen for dekarburering av varmt jern og å sørge for reaksjonsvarmen som kreves for å smelte skrapet. Oksygenet oksiderer karbonet, noe jern og urenheter som er tilstede i den smeltede metalldammen 112, som silisium, mangan og fosfor, og gir et stigende slaggsjikt 124.

Under henvisning til figur 14, vises konstruksjonsdetaljer for lansen 114. Det skal påpekes at selv om lansen 114 er vist i forbindelse med en basisoksygenovn, kan den også benyttes i andre metallurgiske ovner, som f.eks. elektriske bueovner, ikke-jern smelte- og raffineringsbeholdere og rotasjonsherdeovner. Lansen 114 er utstyrt med en sentral oksygenledning 130 som forløper fra et ikke vist innløp til en lansespiss 134. Oksygenledningen 130 mater oksygen til dyser 136 med konvergerende-divergerende passasjer 138, som slutter ved en dysefront 140, som befinner seg i lansespissen 134. Koaksialt posisjonert i oksygenledningen 130 er en brennstoffledning 142, som slutter i et brennstoffkammer 144.

Under ytterligere henvisning til figurene 15 og 16, kommuniserer brennstoffpassasjene 146 mellom brennstoffkammer 144 og åpninger 145, som er definert i divergerende utløpsdeler 148 av de konvergerende-divergerende passasjer 138, for å injisere brennstoff inn i en oksygenstrøm som er akselerert til supersoniske hastigheter i de konvergerende-divergerende passasjer 138. I denne forbindelse har hver av de konvergerende-divergerende passasjene 138 en konvergerende innløpsdel 150, en sentral strupedel 152 og den divergerende utløpsdelen 148, inn i hvilken brennstoffet injiseres. Åpninger 145 er derfor de indre omkretslokasjoner for injeksjon av brennstoff inn i de konvergerende-divergerende passasjene 138 for å danne strukturerte stråler som interagerer med ovnsatmosfæren på en måte ifølge oppfinnelsen, for å gi stråler av oksygen 116 som er omgitt av individuelle flammeomhyllinger 120. I den viste utførelsesformen, og fordi det er 4 dyser 136, er 4 stråler av oksygen 116 tildannet og omgitt av 4 individuelle flammeomhyllinger 120.

I den viste utførelsesformen er det 8 brennstoffpassasjer 146 og derfor 8 åpninger 145 for hver av dysene 136. Utførelsesformer ifølge oppfinnelsen har fortrinnsvis imidlertid mellom 4 og rundt 12 passasjer for hver dyse. Videre er det 4 dyser 136 tilstede i lansespissen 134. Avhengig av størrelsen av basisoksygenovnen og derfor størrelsen av lansen, vil typiske installasjoner inkludere mellom 3 og 6 dyser. I denne forbindelse vil dysene, nok en gang avhengig av ovnsstørrelsen, typisk være utovervinklet mellom rundt 6 og rundt 20 grader fra den sentralaksen av lansen. Det er imidlertid også mulig å konstruere en vannavkjølt lanse med en enkel dyse, som dyse 136, for å gi en enkel stråle av oksygen og en enkel flammeomhylling for å inhibere forringelse av oksygenstrålen.

Under ytterligere henvisning til figur 13 og med fortsatt referanse til figurene 14 og 15, blir brennstoffledningen 142 holdt i posisjon ved hjelp av en serie avstandselementer 156, som forløper radialt utover fra brennstoffledningen 142 til oksygenledningen 130. En kontrollventil 158 kan tilveiebringes for å forhindre tilbakestrøm av oksygen inn i brennstoffet hvis det skulle være en svikt i utstyret som benyttes for å innføre brennstoffet inn i brennstoffledningen 142.

Lansen 114 er vannavkjølt og tilveiebrakt med en ytre kappe dannet av en indre vannmatepassasje 160, definert mellom en vannledning 162 og oksygenledningen 130, og en vannreturpassasje 164 tildannet mellom vannledningen 162 og det ytre skallet 166 av lansen 114. Vann mates til lansen 114 gjennom vanninnløpet 168 og strømmer gjennom vannmatepassasjen 160 i retning av pilen ”A” til vannreturpassasjen 164 i retning av pilen ”B”, hvoretter vannet slippes ut fra vannutløpet 170.

Slik man best ser i figur 13, er oksygenledningen 138 utstyrt med en spiss del 172, som holdes på plass av høytemperaturpakninger av o-ring typen 172. Tilsvarende er brennstoffledningen 142 utstyrt med en spiss del 175, som er forseglet gjennom resten av brennstoffledningen 142 ved hjelp av o-ring-pakninger 176. På samme måte har vannledningen 162 også en spiss del 178, som er forseglet med o-ring-pakninger 180. Forseglingsarrangementet tillater fjerning og erstatning av lansespissen 134, som etter hvert vil slites og trenge erstatning. Fortrinnsvis, og med unntak av de porøse, metalliske elementene, er komponentene i lansespissen 134 fremstilt fra kobber eller kobberlegeringer og satt sammen ved bruk av elektronlodding eller annen skjøteteknikk. De porøse, metalliske elementene kan være tildannet fra hvilket som helst metall inkludert stål.

Claims

Patentkrav

1.

Fremgangsmåte for injisering av oksygen i en smelte (64, 112) lokalisert i en metallurgisk ovn (60, 110) med en oppvarmet ovnsatmosfære, k a r a k -t e r i s e r t v e d at den omfatter:

- innføring av en oksygenstrøm i en dyse (2, 80, 136) med en passasje (28, 90, 138) med konvergerende-divergerende konfigurasjon;

- injisering av et brennstoff inneholdende en hydrogenspecie i oksygenstrømmen ved indre omkretslokasjoner (38, 102, 145) i passasjen som befinner seg helt i passasjen slik at det dannes en kombinert brennstoff- og oksygenholdig strøm i passasjen med en struktur bestående av et ytre omkretsområde inneholdende en blanding av oksygen og brennstoff og et indre, sentralt område omgitt av det ytre omkretsområdet og inneholdende oksygen og i det vesentlige intet brennstoff;

- idet oksygenstrømmen innføres i en innløpsdel (30, 92, 150) av passasjen ved eller over et kritisk trykk for derved å gi: en strupt strømningstilstand i den sentrale strupedelen (32, 94, 152) av passasjen; akselerering av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen til en supersonisk hastighet i en divergerende del av passasjen (34, 96, 148); og utslipp av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen som en strukturert stråle (50) fra dysen inn i ovnsatmosfæren, der den strukturerte strålen har strukturen av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen og supersonisk hastighet ved utslipp fra dysen;

- å forhindre tenning og forbrenning av brennstoffet i passasjen ved å utstyre passasjen med en indre overflate som ikke er avbrutt av noen diskontinuitet der det ytre omkretsområdet ellers kunne deselerere og gi et sete for stabil forbrenning av brennstoff;

- å tilveiebringe en flammeomhylling (54) som omgir en stråle (55, 56) av oksygen dannet fra det indre, sentrale området av den strukturerte strålen og i utgangspunktet har den supersoniske hastigheten for å inhibere hastighetsforringelse og konsentrasjonsforringelse av strålen av oksygen, idet flammeomhyllingen produseres helt og holdent utenfor dysen via kontakt mellom det ytre omkretsområdet for den strukturerte strålen og den oppvarmede ovnsatmosfæren, for derved å skape en skjære-blandesone (52) inneholdende en brennbar blanding bestående av brennstoff, oksygen og oppvarmet ovnsatmosfære, og autotenning av den brennbare blandingen via varme som tilføres fra den oppvarmede ovnsatmosfæren; og

- å rette strålen av oksygen inn i smelten mens den er omgitt av flammeomhyllingen,

- hvori den metallurgiske ovnen er en elektrisk bueovn (60) eller en basisoksygenovn (110), hvori, hvis den metallurgiske ovnen er en elektrisk bueovn, innføres brennstoffet i oksygenstrømmen ved et ekvivalensforhold mellom 0,02 og 0,14 og, hvis den metallurgiske ovnen er en basisoksygenovn, innføres brennstoffet i oksygenstrømmen ved et ekvivalensforhold mellom 0,01 og 0,06, og hvori ekvivalensforholdet er forholdet mellom det aktuelle brennstoffet og oksygenet som benyttes dividert med forholdet mellom brennstoff og oksygen som kreves for å oppnå støkimetrisk forbrenning.

2.

Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at:

- den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen er fullt ekspandert ved utslipp derav som strukturert stråle (50) fra dysen (2, 80, 136); og

- brennstoffet innføres til oksygenstrømmen mens den befinner seg i den divergerende delen (34, 96, 148) av dysen.

3.

Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at:

- den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen er overekspandert ved utslipp av denne som strukturert stråle (50) fra dysen (2, 80, 136), slik at oksygenstrømmen har et subomgivelsestrykk mens den befinner seg i den divergerende delen (34, 96, 148) av dysen; og

- brennstoffet innføres til oksygenstrømmen ved en lokasjon i den divergerende delen ved hvilken oksygenstrømmen befinner seg ved subomgivelsestrykk.

4.

Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den oppvarmede ovnsatmosfæren inneholder karbonmonoksid, og den brennbare blandingen inneholder karbonmonoksid.

5.

Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den metallurgiske ovnen er en basisoksygenovn (110) og at dysen (136) er montert i en vannavkjølt lanse (114) ved en lansespiss (134) av den vannkjølte lansen.

6.

Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at brennstoffet innføres i oksygenstrømmen ved den indre omkretslokasjonen (104) av passasjen (90) ved injisering av brennstoffet i et porøst metallringelement (106) med en indre ringoverflate som utgjør en del av strupedelen (94) eller den divergerende delen (96) av den konvergerende-divergerende passasjen.

7.

Fremgangsmåte for injisering av oksygen i en smelte lokalisert i en metallurgisk ovn (110) med en oppvarmet ovnsatmosfære inneholdende karbonmonoksid, k a r -a k t e r i s e r t v e d at den omfatter:

- innføring av oksygenstrømmer i dyser (136) med passasjer (138) med konvergerende-divergerende konfigurasjon, der dysene befinner seg ved spissen (134) av en vannavkjølt lanse (114) og er vinklet utover fra en sentralakse av den vannavkjølte lansen;

- injisering av et brennstoff inneholdende en hydrogenspecie i oksygenstrømmene ved indre omkretslokasjoner (145) av passasjene som befinner seg helt og holdent i passasjene, slik at kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmer dannes i passasjene, hver med en struktur bestående av et ytre omkretsområde inneholdende en blanding av oksygen og brennstoff og et indre, sentralt område omgitt av det ytre omkretsområdet og inneholdende oksygen og i det vesentlige intet brennstoff;

- idet oksygenstrømmene innføres i innløpsdelen (150) av passasjene ved eller over et kritisk trykk for derved å gi: en strupt strømningstilstand i den sentrale strupedelen (152) av passasjene; akselerering av den kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmen til en supersonisk hastighet i divergerende deler (148) av passasjene; og utslipp av de kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmene som strukturerte stråler (50) fra dysene inn i ovnsatmosfæren, idet de strukturerte strålene har strukturen til de kombinerte brennstoff- og oksygenholdige strømmene og supersonisk hastighet ved utslipp fra dysen;

- forhindring av tenning og forbrenning av brennstoffet i passasjene ved å utstyre passasjene med en indre overflate som ikke er avbrutt av noen diskontinuitet hvori det ytre omkretsområdet ellers kunne deselerere og gi et sete for stabil forbrenning av brennstoffet;

- å tilveiebringe flammeomhyllinger (54) som omgir individuelle stråler av oksygen (56) dannet fra det indre, sentrale området av de strukturerte strålene og i utgangspunktet har supersonisk hastighet for å inhibere hastighetsforringelse og konsentrasjonsforringelse for strålene av oksygen, der flammeomhyllingene helt og holdent dannes utenfor dysene ved kontakt mellom det ytre omkretsområdet av de strukturerte strålene med den oppvarmede ovnsatmosfæren, for å skape en skjære-blandesone (52) inneholdende en brennbar blanding bestående av brennstoff, oksygen og oppvarmet ovnsatmosfære; og autotenning av den brennbare blandingen på grunn av varme levert av den oppvarmede ovnsatmosfæren; og

- anbringe den vannavkjølte lansen i den metallurgiske beholderen og styre strålene av oksygen mot smelten mens de er omgitt av flammeomhyllingene, hvori den metallurgiske ovnen er en basisoksygenovn (110), hvori det er mellom 3 og 6 dyser, og dysene er vinklet utover mellom rundt 6 grader og rundt 20 grader fra sentralaksen, hvori brennstoffet innføres i oksygenstrømmen ved et ekvivalensforhold mellom rundt 0,01 og rundt 0,06, og hvori ekvivalensforholdet er forholdet mellom det aktuelle brennstoffet og oksygenet som benyttes dividert med forholdet mellom brennstoff og oksygen som kreves for å oppnå støkimetrisk forbrenning.

8.

Fremgangsmåte ifølge krav 7, k a r a k t e r i s e r t v e d at den supersoniske hastigheten for hver av strålene av oksygen (56) er minst rundt mach 1,7.

9.

Fremgangsmåte ifølge krav 8, k a r a k t e r i s e r t v e d at:

- brennstoffet innføres i et brennstoffkammer (144) og dysene (136) passerer gjennom brennstoffkammeret; og

- brennstoffet innføres i passasjene (138) via brennstoffpassasjer (146) lokalisert i lansespissen (134) og skaffer forbindelse mellom de indre omkretslokasjonene (145) i passasjene og brennstoffkammeret.

10.

Fremgangsmåte ifølge krav 9, k a r a k t e r i s e r t v e d at det er mellom 4 og 12 brennstoffpassasjer (146) for hver av passasjene (138).