(57)【要約】【課題】ランスから噴出されるガスに対する再循環領域を確立するランス拡張部又は他の構成要素を要することなく、効果的なコヒーレントガスジェットを作り出すことができるコヒーレントジェットシステムを提供する。【解決手段】ランス面６を有するランス３に収容されたノズル２からガスジェット５を流出させ、ランス面６のノズル２の周囲の複数の口から成る第１リング３０から燃料を流出させるとともに、第１リング３０の外側において第１リング３０の各口に整列された複数の口から成る第２リング３１から酸化剤を流出させ、これら燃料及び酸化剤を燃焼させ、ガスジェット５の周囲にフレーム外被２４を作り出す。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一のコヒーレントガスジェットを確立するための方法であって、
（Ａ）少なくとも一のノズルの周囲の複数の口から成る第１リングと、該少なくとも一のノズルの周囲で複数の口から成る第１リングから半径方向に離隔した複数の口から成る第２リングとを有し、かつ、複数の口から成る第２リングの各口が複数の口から成る第１リングの口と整列されるランス面を有するランスに収容された前記少なくとも一のノズルから少なくとも一のガスジェットを流出させる工程と、
（Ｂ）前記複数の口から成る第１及び第２リングの一方から燃料を流出させるとともに、複数の口から成る他方のリングから酸化剤を流出させる工程であって、前記少なくとも一のガスジェット並びに燃料及び酸化剤が、該ランスにおける拡張部によって形成される再循環領域を通過することなく、ランスから噴出空間へと直接流出される当該工程と、
（Ｃ）前記少なくとも一のガスジェットの周囲にフレーム外被を作り出すため、複数の口から成る第１及び第２リングから流出された燃料及び酸化剤を燃焼させる工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ランスから流出されたガスジェットは超音速である請求項１の方法。
【請求項３】
複数のガスジェットがランスから流出される請求項１の方法。
【請求項４】
前記複数の口から成る第１及び第２リングから流出された燃料及び酸化剤の速度は音速である請求項１の方法。
【請求項５】
前記複数の口から成る第１及び第２リングから流出された燃料及び酸化剤の速度は超音速である請求項１の方法。
【請求項６】
前記少なくとも一のガスジェット並びに燃料及び酸化剤は、ランスから溶融金属炉へと流出される請求項１の方法。
【請求項７】
前記少なくとも一のガスジェット各々は、該ガスジェットの直径を実質上一定に維持しつつ、少なくとも２０ｄの距離を進行し、ここで、ｄは、前記ガスジェットが通される前記ノズルの出口直径である請求項１の方法。
【請求項８】
コヒーレントジェットランスであって、
（Ａ）ランス面を有するとともに、ランス面に開口を持つ少なくとも一のノズルを有するランスであって、ランス面に隣接する再循環領域を形成する拡張部を全く有しないランスと、
（Ｂ）前記ノズルの開口の周囲の複数の口から成る第１リング、及び、該ノズルの開口の周囲の複数の口から成る第１リングから半径方向に離隔した複数の口から成る第２リングであって、複数の口から成る第２リングの各口が複数の口から成る第１リングの口と整列される第１リング及び第２リングと、
（Ｃ）複数の口から成る第１及び第２リングの一方へ燃料を供給するための手段、及び、複数の口から成る他方のリングへ酸化剤を供給するための手段とを備えることを特徴とするコヒーレントジェットランス。
【請求項９】
複数のノズルを有する請求項８のコヒーレントジェットランス。
【請求項１０】
各ノズルはランスの中心線から離れるように角度付けされる請求項９のコヒーレントジェットランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般にコヒーレント（（可）干渉性）技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のガス（気体）ランスの分野における著しい進展は、例えばＡｎｄｅｒｓｏｎ等の米国特許第５，８１４，１２５号及び米国特許第６，１７１，５４４号に開示されたコヒーレントジェット技術である。この技術の実施において、あるランスにおける一又は複数のノズルから噴出された一又は複数の高速ガスジェットは、該高速ガスジェットの周囲にかつ該ジェットに沿ってフレーム（火炎）の外被（包被／エンベロープ）を使用することにより、比較的長距離にわたってコヒーレント性（干渉性）が維持される。該フレーム外被は、該ランスの、高速ガスジェットノズルの周囲の複数のオフセット口から成る二つのリング、すなわち内側リング及び外側リングそれぞれから噴出された燃料及び酸化剤を燃焼することによって形成される。一般に、フレーム外被のための燃料は、複数の口から成る内側リングから噴出され、また、フレーム外被のための酸化剤は、複数の口から成る外側リングから噴出される。該ランス外周の拡張（拡張部（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ））は、ノズル及び口から高速ガスジェット及びフレーム外被流体が供給される保護された再循環（再流通）領域（ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｚｏｎｅ）を形成する。この再循環領域は、噴出された流体のいくらかの再循環を可能にし、改善された点火（燃焼）及び改善されたフレーム外被の安定性を与え、従ってコヒーレント性を高め、高速ガスジェットの長さを増長する。該コーヒーレントジェットは、溶融金属等の液体内に該液体の表面上の比較的長距離からガスを送出するために使用され得る。このコヒーレントジェット技術の一つの非常に重要な用途は、電気アーク炉及び塩基性酸素炉等の製鉄作業における使用のために酸素を供給することである。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，８１４，１２５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，１７１，５４４号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記再循環拡張部は、従前のコヒーレントジェットシステムと比較して改善を成すが、チップ（先端部）を水冷する必要があることによるランス設計及びランス寿命に関するある問題を提起する。これらの問題は、コヒーレントジェットシステムが、塩基性酸素炉のような非常に過酷な環境で使用される場合、特に重要である。
【０００５】
従って、この発明の目的は、ランスから噴出されるガスに対する再循環領域を確立するランス拡張部又は他の構成要素を要することなく、効果的なコヒーレントガスジェットを作り出すことができるシステムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的、及びこの開示から当業者には明白となる他の目的は、本発明によって実現される。
【０００７】
本発明の一側面は、少なくとも一のコヒーレントガスジェットを確立するための方法であって、
（Ａ）少なくとも一のノズルの周囲の複数の口から成る第１リングと、該少なくとも一のノズルの周囲で該複数の口から成る第１リングから半径方向に離隔した複数の口から成る第２リングとを有し、かつ、複数の口から成る第２リングの各口が複数の口から成る第１リングの口と整列されるランス面を有するランスに収容された前記少なくとも一のノズルから少なくとも一のガスジェットを流出させる工程と、
（Ｂ）前記複数の口から成る第１及び第２リングの一方から燃料を流出させるとともに、複数の口から成る他方のリングから酸化剤を流出させる工程であって、前記少なくとも一のガスジェット並びに燃料及び酸化剤が、該ランスにおける拡張部によって形成される再循環領域を通過することなく、ランスから噴出空間へと直接流出される当該工程と、
（Ｃ）前記少なくとも一のガスジェットの周囲にフレーム外被を作り出すため、複数の口から成る第１及び第２リングから流出された燃料及び酸化剤を燃焼させる工程とを含む。
【０００８】
本発明の別の側面は、コヒーレントジェットランスであって、
（Ａ）ランス面を有するとともに、ランス面に開口を持つ少なくとも一のノズルを有するランスであって、ランス面に隣接する再循環領域を形成する拡張部を全く有しないランスと、
（Ｂ）前記ノズルの開口の周囲の複数の口から成る第１リング、及び、該ノズルの開口の周囲の複数の口から成る第１リングから半径方向に離隔した複数の口から成る第２リングであって、複数の口から成る第２リングの各口が複数の口から成る第１リングの口と整列される第１リング及び第２リングと、
（Ｃ）複数の口から成る第１及び第２リングの一方へ燃料を供給するための手段、及び、複数の口から成る他方のリングへ酸化剤を供給するための手段とを備える。
【０００９】
ここで用いる「ランス面半径」という用語は、ランス面の中心からランス面の周囲（外周）へと走る想像線を意味する。
【００１０】
ここで用いる「整列（された）」という用語は、同じランス面半径と交差することを意味する。
【００１１】
ここで用いる「拡張（部）」という用語は、ランスに物理的に結合されようとされまいと、ランス面に隣接する保護された空間又は領域を形成する役割を果たす何らかの構造
（構成）を意味する。
【００１２】
ここで用いる「ランス面」という用語は、噴出空間と境を接するランスの表面を意味する。
【００１３】
ここで用いる「コヒーレントジェット」という用語は、ノズルからガスを噴出することによって形成され、かつ、ノズルからの噴出直後の速度及び運動量分布と同様の速度及び運動量分布を少なくとも２０ｄの長さに沿って有するガスジェットを意味する。ここで、ｄは、ノズルの出口直径である。コヒーレントジェットの別の説明法では、少なくとも２０ｄの距離の間、その直径がほとんど又は全く変化しないガスジェットである。
【００１４】
ここで用いる「長（さ）」という用語は、コヒーレントガスジェットについて言う場合、ガスが噴出されるノズルから、コヒーレントガスの意図された衝撃地点までの距離、又は、該ガスジェットがコヒーレントでなくなるまでの距離を意味する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、図面に基づいて詳述される。
【００１６】
図１、２及び３を参照して、流れ矢印１で示されるガス（気体）は少なくとも一つのノズル２、好ましくは収束／発散ノズルに通され、次に、ランス面６における（一又は複数の）ノズル開口４を通ってランス３から外に出され、噴出空間７においてコヒーレントな（一又は複数の）ガスジェット流５を形成する。一般に、ガス流５の速度は、７００〜３０００フィート／秒（ｆｐｓ）（２１３．３６ｍ／秒〜９１４．４ｍ／秒）の範囲である。好ましくは、ガス流５の速度は、ランス面からの噴出直後のその形成時に超音速であり、少なくとも２０ｄの距離の間、超音波のままである。図面は、それぞれ四つのノズルを通って該ランスから噴出された四つのコヒーレントガスジェットを使用する実施形態を例示するが、この発明の実施におけるそれぞれのノズルを通ってランスから噴出されるガスジェットの数は、一から六の範囲であり得る。好ましくは、コヒーレントガスジェットが噴出される噴出空間は、製鉄炉等の金属製造炉である。最も好ましくは、複数のノズルが使用される場合、各ノズルは、互いから及びランスの中心軸から離れるように角度が付けられる。
【００１７】
どのような有効なガスも、この発明の実施における（一又は複数の）コヒーレントジェットを形成するためのガスとして使用され得る。そのようなガスの中で、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、蒸気、及び炭化水素ガスを指定することができる。二又はそれを上回るガスから成る混合物、例えば空気も、この発明の実施におけるそのようなガスとして使用され得る。
【００１８】
複数の口から成る第１リング３０は、ランス面における（一又は複数の）ノズル開口４の周囲に設置され、また、複数の口から成る第２リング３１は、ランス面における（一又は複数の）ノズル開口４の周囲に、複数の口から成る第１リング３０から半径方向外側に離隔して設置される。リング３０は、好ましくは、１．５〜２０インチ（３．８１ｃｍ〜５０．８ｃｍ）の範囲の直径を有する円であり、また、リング３１は、好ましくは、１．７５〜２３インチ（４．４４５ｃｍ〜５８．４２ｃｍ）の範囲の直径を有する円である。一般に、各リング３０及び３１は、四から四十八の口から成る。各口は、好ましくは、０．０５〜１．２５インチ（０．１２７ｃｍ〜３．１７５ｃｍ）の範囲の直径を有する円である。複数の口から成る第２リング３１の各口は、複数の口から成る第１リング３０の口と整列されるが、第１リング３０又は第２リング３１のいずれか一方又は両方が、他のリングにおける口と整列されない一又は小さい数の追加の口を含んでも、本発明の有効性は失われない。燃料は、複数の口から成る第１及び第２リングの一方、好ましくは内側すなわち第１リング３０に供給され、酸化剤は、複数の口から成る他方のリング、好ましくは外側すなわち第２リング３１に供給される。燃料及び酸化剤は、ランス３の、それらの複数の口から成るそれぞれのリングから噴出空間７へと噴出される。複数の口から成るリングから噴出された燃料及び酸化剤の速度は、音速以下、音速又は超音速であり得る。音速及び超音速の噴出された燃料及び酸化剤は、異物が口に入って塞ぐことに対する阻止力を高める。この点は、本発明が、製鉄炉のような過酷な環境で使用される場合、特に重要である。所望により、噴出された燃料及び酸化剤の速度は、マッハ１を超えてマッハ２までの速度の超音速であり得る。
【００１９】
複数の口から噴出された燃料は、好ましくはガス状であり、また、メタンガス又は天然ガスといったどのような燃料でもあり得る。他方のリングにおける複数の口から噴出された酸化剤は、空気、空気の酸素濃度を超える酸素濃度を有する酸素富化空気、又は少なくとも９０モル％の酸素濃度を有する工業用酸素であり得る。好ましくは、酸化剤は、少なくとも２５モル％の酸素濃度を有する流体である。
【００２０】
ランスから流出した燃料及び酸化剤は、（一又は複数の）ガスジェット５の周囲にガス外被を形成する。これは、燃料を燃やして、溶融炉のような噴出空間内の（一又は複数の）ガスジェット５の周囲にフレーム外被すなわち火炎の覆い２４を形成する。ガス流５の周囲のフレーム外被２４は、周囲の気体がガス流中に引き込まれることを防ぐように働き、そのため、それぞれのノズル出口から少なくとも２０ｄの距離の間、ガス流の速度が著しく低下するのを防ぎ、かつ、ガス流の直径が著しく拡大するのを防ぐ。すなわち、フレーム外被すなわち火炎の覆い２４は、それぞれのノズル出口から少なくとも２０ｄの距離の間、コヒーレントジェットとしてのガス流５を確立し維持するように働く。
【００２１】
この発明の重要な側面及び利点は、ランスに拡張部を用いる必要性なしに、ランスから効果的なコヒーレントジェットを形成する能力である。従来は、ランス面に隣接する保護された再循環領域を形成するためにランス拡張部が用いられており、この保護再循環領域へと噴出される火炎の覆いガスの点火（発火）及び燃焼を改善し、従って、ガスジェットのコヒーレント性を高めた。そのようなランス拡張部の使用は、初期のコヒーレントガスジェットの実施に対する著しい改善ではあるが、そのような拡張部の使用には問題がある。この発明の実施において、ランスから噴射されたガスは、ランス拡張部によって形成される保護領域又は再循環領域を通過することなく、噴出空間内へと直接通され、それにもかかわらず、ランス拡張部の使用で観測された改善されたコヒーレント性が従前どおり達成される。
【００２２】
本発明の有効性を評価するため試験が行われ、また、本発明の利点を実証するために比較試験が行われた。該試験に使用した燃料は天然ガスであり、また、試験に使用した酸化剤は９９モル％の酸素濃度を有して二次酸素と呼ばれる。各試験において、ランスは、ガスジェットの供給のための四つのノズルを有していた。該ガスジェット用のガスは、９９モル％の純度を有する酸素であり、主酸素と呼ばれる。該試験は、以下に報告され、説明目的のために提供されるが、限定することは意図されない。
【００２３】
四つのノズル各々は、４０，０００ｓｃｆｈの総計主酸素供給に対し、１６５ゲージｐｓｉ（ｐｓｉｇ）の供給圧力で１０，０００（標準状態における）立方フィート毎時（ｓｃｆｈ）の主酸素を受け入れるように設計される。各ノズルは、直径０．３８インチ（０．９７ｃｍ）の出口と０．２６インチ（０．６６ｃｍ）のスロート（のど）とを有し、ランス中心軸線から１２度だけ外側に角度付けられた。燃料は、十六の口から成る内側リングに供給された。各口は直径が０．１５４インチ（０．３９ｃｍ）であり、当該リングの直径は１．５６インチ（３．９６ｃｍ）である。比較試験の目的で、二次酸素が、十二の口から成る外側リングに供給された。各口の直径は０．２３インチで、当該リングの直径は２．１２５インチであり、該口は、内側リングの口に対しオフセットすなわち互い違い（千鳥）であった。燃料流及び二次酸素流は、それぞれ５０００ｓｃｆｈ及び４０００ｓｃｆｈであり、これらは、６７０ｆｐｓ及び３２０ｆｐｓの速度をそれぞれもたらした。ランスは、長さ０．５インチ（１．２７ｃｍ）の再循環拡張部を有していた。この慣用の設計は、長さ約１８インチ（４５．７２ｃｍ）の良好なコヒーレントジェットを作り出した。しかし、該長さは、再循環延長部の長さが０．２５インチまで縮小された場合の１６インチにあたり、また、再循環延長部の長さが０．１インチまで縮小された場合の１４インチにもあたった。少しの再循環延長部もないと、フレーム外被は不安定になり、ガスジェットはコヒーレント性を失った。該試験は繰り返えされたが、これは本発明を用いて行われた。本発明では、外側リングが、内側リングの口とそれぞれ整列された十六の口を有し、該各口の直径は０．１９９インチ（０．５０５ｃｍ）であった。コヒーレントジェットの長さに縮小は全くなく、ランスに延長部が全くなくても、コヒーレントジェットは安定し、長さが１８インチであった。
【００２４】
図示されるものと同様に四つのノズル配列を用いた上記試験に加え、上記同様の試験及び比較試験が、次のようなランスを用いて行われた。すなわち、該ランスは、単一のノズルと、直径０．１５４インチ（０．３９１ｃｍ）の十六の口から成る直径２．０インチ（５．０８ｃｍ）の内側リングと、直径０．１９９インチ（０．５０５ｃｍ）の十六の口から成る直径２．７５インチ（６．９９ｃｍ）の外側リングとを有していた。一の連続試験において、外側リングの口は、内側リングの口に対しオフセットとされ、別の連続試験において、外側リングの口は内側リングの口と整列された。ノズルは、直径０．８１インチの出口と、直径０．６２インチののどとを有し、主酸素は、３６，０００ｓｃｆｈ及び１００ｐｓｉｇで供給された。燃料及び二次酸素の流量及び速度は、既述した試験と同じであった。拡張部の長さが０．５インチ未満まで縮小された場合、オフセットすなわち非整列配置構成では、フレーム外被は、突然現れたり消えたりする不安定さを提示し、コヒーレントジェット長は、約５０インチから４０インチ未満へと著しく低下した。しかしながら、本発明の整列された配置構成では、フレーム外被は安定したままで、コーヒーレント長は、ランスに全く延長部がなくても、約５０インチのままであった。
【００２５】
本発明は、ある好ましい実施形態を参照して詳述されたが、当業者は、特許請求の範囲の精神及び範囲内で本発明の他の実施形態が存在することを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランス面の一つの好ましい実施形態の表面図である。
【図２】本発明の実施に使用され得る、ランス面を有するランスの一つの好ましい実施形態の断面図である。
【図３】作動中にある図１及び２に示された本発明の実施形態を示す。
【符号の説明】
２　ノズル
３　ランス
５　ガスジェット
６　ランス面
７　噴出空間
２４　フレーム外被
３０　第１リング
３１　第２リング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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