(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の拡張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。【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２２、２３から成るリング２０の第１組口２２から燃料を、第２組口２３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）ランス面を有するランスに収容された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であって、前記ランス面が前記少なくとも一のノズルの周囲の複数の口から成るリングを有する当該工程と、
（Ｂ）前記リングの複数の口の内の第１組から燃料を流出させるとともに、該リングの複数の口の内の第２組から酸化剤を流出させる工程と、
（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、前記リングの複数の口の第１及び第２組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】
複数のガスジェットが前記ランスから流出される請求項１の方法。
【請求項３】
前記燃料及び酸化剤は、前記複数の口から成るリングにおいて交互となる第１組の複数口及び第２組の複数口それぞれから流出される請求項１の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一のガスジェットと燃料及び酸化剤は、ランスにおける拡張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請求項１の方法。
【請求項５】
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６】
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と、
（Ｂ）ランス面における一又は複数の前記ノズル開口の周囲の複数の口から成るリングと、
（Ｃ）前記リングの複数の口の内の第１組へ燃料を供給するための手段、及び、該リングの複数の口の内の第２組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７】
複数のノズルを有する請求項６のコヒーレントジェットランス。
【請求項８】
前記複数の口から成るリングは、ランス面における凹部内にある請求項６のコヒーレントジェットランス。
【請求項９】
前記第１組の複数口は、第２組の複数口と交互になる請求項６のコヒーレントジェットランス。
【請求項１０】
ランス面に隣接する再循環領域を形成する拡張の無い請求項６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焼燃料及び酸化剤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】
上記再循環拡張は、従前のコヒーレントジェットシステムに対し改善を成すことを通じて、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の拡張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】
本発明の一の側面は、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）ランス面（ランス正面）を有するランスに収容された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であって、前記ランス面が前記少なくとも一のノズルの周囲の複数の口から成るリングを有する当該工程と、
（Ｂ）前記リングの複数の口の内の第１組から燃料を流出させるとともに、該リングの複数の口の内の第２組から酸化剤を流出させる工程と、
（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、前記リングの複数の口の第１及び第２組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と、
（Ｂ）ランス面における一又は複数の前記ノズル開口の周囲の複数の口から成るリングと、
（Ｃ）前記リングの複数の口の内の第１組へ燃料を供給するための手段、及び、該リングの複数の口の内の第２組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」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。
【００１０】
ここで用いる「コヒーレントジェット」という用語は、ノズルからの噴出ガスによって形成され、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。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、図面に基づいて詳述される。
【００１３】
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のコヒーレントな（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、１〜６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。
【００１４】
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。
【００１５】
（複数）口から成るリング２０は、（一又は複数の）ノズル開口４の周囲のランス面に設置される。リング２０は、好ましくは、１．５〜１６インチ（３．８１ｃｍ〜４０．６４ｃｍ）の範囲の直径を有する円である。一般に、リング２０は、１２〜４８の口から成る。各口は、好ましくは、０．０５〜０．５インチ（０．１２７ｃｍ〜１．２７ｃｍ）の範囲の直径を有する円である。最も好ましくは、図示されるように、（複数）口から成るリングは、ランス面６における凹部又は溝２１にある。一般に、凹部２１は、０．０５インチ〜２インチの範囲の深さ、及び０．０５〜０．５インチの範囲の幅を有する。
【００１６】
燃料は、リング２０における第１組口２２に供給され、酸化剤は、リング２０における第２組口２３に供給される。好ましくは、図１に示されるように、第１組口２２は、リング２０において第２組口２３と交互となり、そのため、各燃料口２２は、各燃料口２２は、該燃料口の両側に隣り合う二つの酸化剤口２３を有し、各酸化剤口２３は、該酸化剤口の両側に隣り合う二つの燃料口２２を有する。燃料及び酸化剤は、ランス３のそれらのそれぞれの口から噴出空間７へと噴出される。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、音速以下であり得るが、好ましくは音速である。噴出された燃料及び酸化剤の音速は、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。
【００１７】
口２２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。口２３から噴出された酸化剤は、空気、空気の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。
【００１８】
ランス外に出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、ガス流５をコヒーレントジェットとして安定させ維持するように働く。
【００１９】
この発明の重要な利点は、ランスに拡張（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）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る。そのようなランス拡張の使用は、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、ランス拡張によって形成される保護された領域又は再循環領域を通過することなく、噴出空気内へと直接通され、それにもかかわらず、ランス拡張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。
【００２０】
本発明の有効性を評価するため、火炎の覆いガスの供給のための多くの異なる設計を用いて試験が行われた。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。
【００２１】
試験は、本発明の有効性を評価し、かつ、天然ガス（ＮＧ）及び酸化剤の口間隔の役割をより良く理解するためにに行われた。該試験は、覆いの口の数を、一定の計十六（ＮＧが八つで酸化剤が八つ）に維持する一方、口輪（リング）直径を変えることにより、（複数）口の間隔を変えながら行われた。主ノズル輪直径は、一定に保たれた。環状溝は、フレームの安定化を支援するように試験された。以下のランド比（ＬＲ）は、（複数）口径（口範囲）の合計で割られた（複数）口周囲間の間隔（ランド）、ＬＲ＝ランド／（ＲＳＯ＋ＲＮＧ）、として定義される。各試験において、燃料及び酸化剤は、（複数）ノズルの周囲の（複数）口から成る単一のリングにおける交互の口を通って供給された。
【００２２】
噴射器の設計
噴射器＃１は、計１６口の設計であった。輪（リング）の直径は、２．１２５インチ（５．３９７５ｃｍ）、ランド比ＬＲ＝０．６７であった。
噴射器♯２は、計１６口の設計であった。輪の直径は、３．２５インチ（８．２５５ｃｍ）、ＬＲ＝１．５６であった。
噴射器＃３は、計１６口の設計であった。輪の直径は、４．２５インチ（１０．７９５ｃｍ）、ＬＲ＝２．３４であった。
【００２３】
条件
主酸素＝４０，０００（標準状態における）立方フィート毎時（ｓｃｆｈ）酸素（１６５ｐｓｉｇ供給圧）
主ノズル＝０．３８インチ／０．２６インチ出口対スロート（のど）直径、外側への角度付け１２度
ＮＧ速度＝６７０ｆｐｓ（＠５，０００ｓｃｆｈ）
二次酸素速度＝３２０ｆｐｓ（＠４，０００ｓｃｆｈ）
再循環拡張無し
溝＝０．２８１インチ幅×０．２５インチ深さ
【００２４】
噴射器＃１：５，０００ｓｃｆｈの一定のＮＧ流では、従来の二リング設計の長さを超える概して２０インチ（５０．８ｃｍ）の優れたコヒーレントジェットが得られた。フレームは、条件の広範囲にわたって安定していた。この噴出器は、環状溝では試験しなかった。
【００２５】
噴射器＃２：溝無しで、コヒーレントジェット長は、噴射器＃１に比べわずかに短縮した。溝が付加された場合、コヒーレントジェット長は、噴射器＃１で得た結果を改善し超えた。
【００２６】
噴射器♯３：溝無しで、コヒーレントジェット長は、実質上短縮した。フレームは、リフトモード（浮上モード）で作動され、これは、より短いコヒーレントジェットをもたらした。溝の付加は覆いを安定させ、これは、コヒーレントジェット長の十分な回復をもたらした。
【００２７】
塩基性酸素炉における覆いの口閉塞をできる限り無くすことを目標に、該（複数）口が音速流状態で動作され得るか否かを観測するため、試験が行われた。いくつかの単一リング設計が試験された。天然ガス口及び二次酸素口は、天然ガス及び二次酸素の流量（流速）がそれぞれ５，０００ｓｃｆｈ及び４，０００ｓｃｆｈの際、マッハ１で動作するように大きさが設定された。異なる深さの環状溝が、火炎の覆いを安定化するために付加された。
【００２８】
噴射器の設計
噴射器＃４は、計３２の口を有する単一リング設計であった。ＮＧ及び二次酸素口直径は、０．１０インチであった。リング直径＝２．０インチ、及びＬＲ＝０．９６インチであった。
噴射器♯５は、計２４の口を有する単一リング設計であった。ＮＧ及び二次酸素口直径は、０．１１５インチであった。リング直径＝２．０インチ、及びＬＲ＝１．２８インチであった。
噴射器＃６は、計１６の口を有する単一リング設計であった。ＮＧ及び二次酸素口直径は、０．１４１インチであった。リング直径＝２．０インチ、及びＬＲ＝１．７９インチであった。
噴射器＃７は、計３２の口を有する単一リング設計であった。ＮＧ及び二次酸素口直径は、０．１０インチであった。リング直径＝２．７５インチ、及びＬＲ＝１．７０インチであった。
【００２９】
条件
主酸素＝４０，０００ｓｃｆｈ酸素（１６５ｐｓｉｇ供給圧）
（複数）ノズル＝０．３８インチ／０．２６インチ出口対スロート（のど）直径、外側への角度付け１２度
ＮＧ速度＝１３６４ｆｐｓ（マッハ１）（＠５，０００ｓｃｆｈ）
二次酸素速度＝９８２ｆｐｓ（マッハ１）（＠４，０００ｓｃｆｈ）
拡張無し
溝寸法＝様々（幅×深さ）
【００３０】
噴射器＃４：溝無しで、コヒーレントジェット長は乏しく、これは、分離したフレームの結果であった。良好なコヒーレントジェットは、ｌ．２５Ｄ×１．２５Ｄ及びｌ．２５Ｄ×２Ｄ（複数）溝に対して得られた。（溝表記＝幅×深さ；Ｄ＝口直径）
【００３１】
噴射器＃５：溝無しで、ランスは点火することが難しかった（不安定）。良好なコヒーレントジェットは、１Ｄ×１Ｄ、１Ｄ×１．５Ｄ及び１Ｄ×２Ｄ（複数）溝に対して得られた。
【００３２】
噴射器＃６：溝無しで、ランスは点火が非常に難しかった。コヒーレントジェット長は、本質的に覆いの無い値だった。溝は該覆い燃焼を安定化した。しかしながら、かなり深い１Ｄ×２Ｄ溝でさえ、比較的乏しいコヒーレントジェットが得られた。
【００３３】
噴射器＃７：溝無しで、乏しいコヒーレントジェットが得られた。良好なコヒーレントジェットは、１．２５Ｄ×１．２５Ｄ溝で得られた。
【００３４】
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
４　ノズル開口
５　ガスジェット
６　ランス面
７　噴出空間
２０　リング
２２　第１組口
２３　第２組口
２４　フレーム外被
【図１】
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【図２】
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【図３】
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