(57)【要約】【課題】単一のランスを使用して互いに接近した複数の多重コヒーレントガスジェットを形成するためのランスを提供する。【解決手段】ランスは、（Ａ）入口開口及び出口開口を有する複数の先細／末広のノズルを備えた端面を有し、（Ｂ）各ノズルは他のノズルから離れるような角度で設けられ、（Ｃ）前記複数の各ノズルの入口開口は単一の共通のガスの源と連通し、そして各ノズル出口開口はランス端部の作用面に配置されること、（Ｄ）ランス端面にあって複数のノズル入口開口を包囲する少なくとも１つの噴出手段、及び（Ｅ）ランス端面から伸びる外延部であって、複数のノズル出口開口及び噴出手段の各々と連通する容積を形成する外延部を含む。【選択図】図２
2007056373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重コヒーレントガスジェットを形成するためのランスにおいて、（Ａ）入口開口及び出口開口を有する複数の先細／末広のノズルを備えた端面を有するランス、
（Ｂ）各ノズルは他のノズルから離れるような角度で設けられ、
（Ｃ）前記複数の各ノズルの入口開口は単一の共通のガスの源と連通し、そして各ノズル出口開口はランス端部の作用面に配置されること、
（Ｄ）ランス端面にあって複数のノズル入口開口を包囲する少なくとも１つの噴出手段、及び
（Ｅ）ランス端面から伸びる外延部であって、複数のノズル出口開口及び噴出手段の各々と連通する容積を形成する外延部、を含むランス。
【請求項２】
噴出手段が、ランスの端面にあって複数のノズル出口開口を包囲する第一環状噴出手段と、ランスの端面にあってその第一環状噴出手段を包囲する第二環状噴出手段とを含む請求項１記載のランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、ガスの流れに関する。本発明は、単一のランスから１つよりも多くのガス流れが別個の状態を維持しながら互いに接近して長い距離にわたって流れるようにすることを可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスの流れを確立又は形成することがしばしば望まれる。例えば、ガスの流れは、幾つかの理由のうちの１つ又はそれ以上のために液体中に注入される場合がある。反応性ガスを液体中に注入して液体中の１つ以上の成分と反応させること、例えば、酸素を溶融鉄中に注入してその溶融鉄中の炭素と反応させて鉄を脱炭し、且つ熱を溶融鉄に与えることができる。また、酸素を銅、鉛及び亜鉛のような他の溶融金属中に精錬又は精製目的で注入し、又は水性液体若しくは炭化水素液体中に注入して酸化反応を実施することができる。例えば、液体全体にわたる良好な温度分布又は良好な成分分布を促進させるために、不活性ガスのような非酸化性ガスを液体中に注入して液体を撹拌することができる。
【０００３】
しばしば、ガス流れを超音波速度のような高速度で長い距離にわたって流動させることが望ましい場合がある。これは、ガス流れを火炎エンベロープで包囲することによって行なうことができる。火炎エンベロープは周囲ガスがガス流れ中に吸引されるのを防止し、そしてこれは、ガス流れ速度のいかなる有意の低下も又はガス流れの直径の有意の減少も伴わずに長い距離にわたって流れることができるコヒーレントガス流れの形成をもたらす。
【０００４】
操作において１つよりも多くのガス流れを使用することが望ましい場合が多い。このガスはガス流れの全部について同じであってよく、又はガス流れの１つ若しくはそれ以上について異なるガスを使用することもできる。例えば、電気アーク炉又は塩基性酸素炉の応用例では、酸素を溶融金属中に単一の位置におけるよりも２つ又はそれ以上の位置において注入することが好ましい場合が多い。その上、電気アーク炉の応用例では、溶融金属へのガス注入のために１つ以上のガス流れを、更に、炉容器のヘッド空間に後燃焼のために酸素を供給するために１つ上のガス流れを使用することが望ましい場合がある。
【０００５】
かかる多重ガス流れの応用例においてガス流れもコヒーレント性であることが望まれるときには、これは、これまでは、各ガス流れに対して別個の注入ランスを使用しこれによってガス流れの各々に対して相当する火炎エンベロープ用のガス流れ及び流体を供給することによって達成されてきた。多重ランスを使用するかかる装置系は多重コヒーレントガス流れを効率的に提供するけれども、それは、使用するのがコスト高になり且つ困難である。これらの問題は、個々のランスの数が増加するにつれて増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、単一の噴射ランスを使用するだけで済む多重コヒーレントガスジェット（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｇａｓ  ｊｅｔ  ）装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明によれば、上記の目的及び他の目的（これらは、当業者には本発明の開示の通読時に明らかになるであろう）が達成される。
【０００８】
本発明の１つの面は、多重コヒーレントガスジェットを形成するためのランスにおいて、（Ａ）入口開口及び出口開口を有する複数の先細／末広のノズルを備えた端面を有するランス、（Ｂ）各ノズルは他のノズルから離れるような角度で設けられ、（Ｃ）前記複数の各ノズルの入口開口は単一の共通のガスの源と連通し、そして各ノズル出口開口はランス端部の作用面に配置されること、（Ｄ）ランス端面にあって複数のノズル入口開口を包囲する少なくとも１つの噴出手段、及び（Ｅ）ランス端面から伸びる外延部であって、複数のノズル出口開口及び噴出手段の各々と連通する容積を形成する外延部、を含むランスである。
【０００９】
好ましくは前記噴出手段は、ランスの端面にあって複数のノズル出口開口を包囲する第一環状噴出手段と、ランスの端面にあってその第一環状噴出手段を包囲する第二環状噴出手段とを含む。
【００１０】
本明細書において用語「環状」を使用するときには、それは、リングの形状にあることを意味する。
【００１１】
本明細書において用語「火炎エンベロープ」を使用するときには、それは、少なくとも１つの他のガス流れを同軸方向で包囲する燃焼流れを意味する。
【００１２】
本明細書においてガスジェットを説明するときに用語「長さ」を使用するときには、それは、ガスがガスジェットの意図する衝撃点に噴射されるところのノズルからの距離を意味する。
【００１３】
本明細書においてガスジェットを説明するときに用語「別個の」を使用するときには、それは、他のガスジェットと有意には相互作用しないことを意味する。
【００１４】
本明細書において用語「含有される酸素流量」を使用するときには、それは、酸化剤流量に酸化剤中の酸素％を掛けて１００で割ったものを意味する。例えば、１０，０００ＣＦＨ純酸素は１０，０００ＣＦＨの含有酸素を有し、そして１０，０００ＣＦＨ空気は約２，１００の含有酸素を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明の具体的な説明をここで、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図面における参照数字は、共通の部材に対しては同じである。先ず、図１及び２を説明すると、ランス１は、複数のノズル３を収容する端部又は先端部２を有する。図１は、ノズルがそれぞれ先細／末広ノズルであるところの本発明の好ましい具体例を例示するものである。ノズル３の各々は、入口開口４及び出口開口５を有する。好ましくは、これらの図面に示されるように、ノズルの出口開口は円形状であるけれども、楕円形ノズル開口のような多の形状を採用することもできる。
【００１６】
入口開口４はそれぞれ、ガスの源と連通している。図１に例示される具体例では、入口開口４の全部が同じガス源と連通しているが、その源はランス１内のガス通路６である。他の具体例として、入口開口４のうちの１つ又はそれ以上が他のガス源と連通することができよう。ノズルの全部に同じ組成を有するガスを供給することができ、又はノズルのうちの１つ又はそれ以上に異なるガスを供給することができる。実際に、ノズルの各々に異なるガスを供給することができる。本発明の実施においてノズルから噴射させるために使用することができるガスとしては、空気、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、ガス状炭化水素、他のガス状燃料、及びこれらの１種又はそれ上を含む混合物を挙げることができる。
【００１７】
ガスジェットは、ランスからの噴出時に任意の角度で出ることができる。図面には、本発明のある種の好ましい具体例が示されている。図１〜３を説明すると、ノズルは、ランスの端部においてそれらの中心線がランスの中心線と平行になるように配置することができる。図１に示されるように、ノズルは、ランスの端部においてそれらの中心線がランスの中心線に対して外向きの角度Ａをつけて配置される。角度Ａは６０度まで又はそれ以上であってよく、そして好ましくは０〜３０度、最も好ましくは０〜１５度の範囲内である。好ましくは、ノズルの喉の直径は０．２５〜３インチの範囲内であり、そして出口開口５の直径は０．３〜４インチの範囲内である。好ましくは、ノズルの中心線は、ランス端部２の作用面７の上に直径Ｄを有する円を描く。好ましくは、Ｄは少なくとも０．４インチでせいぜい１０インチであり、そして最も好ましくは０．５〜８インチの範囲内である。
【００１８】
所望ならば、ノズルは、１つ以上のジェットがランスからランスの中心線に対して内向きの角度で噴出されるように配置されることができる。
【００１９】
ガスは、ノズルの出口開口５の各々から、好ましくは超音波速度でそして一般には５００〜１０，０００ｆｔ／秒（ｆｐｓ）の範囲内の速度で噴出され、しかして複数のガスジェットが形成され、そして各々のガスジェットはノズルの出口開口から外向きに流れる。
【００２０】
また、ランス端部は、ノズルから少なくとも１つのガス流れを好ましくは複数のガスジェットの周囲で同心方向に送り出すために少なくとも１つの噴出手段好ましくは管状噴出手段を有する。噴出手段から出るガス流れは任意の効果的な形状であってよく、そして複数のガスジェットを完全に包囲して流れる必要はない。１つの管状噴出手段を採用するときには、同心状のガス流れは、燃料と酸化剤との混合物からなるのが好ましい。本発明の１つの具体例では、噴出手段は燃料だけを供給することができ、そして燃料と共に燃焼して火炎エンベロープを形成するのに要求される酸化剤は燃料流れ中に連行された空気から生じることができる。好ましくは、図１及び２に示されるように、ランス端部は、ランスからそれぞれ燃料及び酸化剤を２つの同心流れで送り出すために第一環状噴出手段８及び第二環状噴出手段９を有する。燃料は、メタン、プロパン、ブチレン、天然ガス、水素、コークス炉ガス、又は油のような任意の流体燃料であってよい。酸化剤は、空気、又は空気の酸素濃度を超えた酸素濃度を有する流体であってよい。好ましくは、酸化剤は、少なくとも３０モル％最も好ましくは少なくとも５０モル％の酸素濃度を有する流体である。好ましくは、燃料は第一環状噴出手段を経て供給され、そして酸素がノズルから噴出されるガスである場合には酸化剤は第二環状噴出手段を経て供給される。ノズルから不活性ガスが噴出される場合には、好ましくは、酸化剤は第一環状噴出手段を経て供給され、そして燃料は第二環状噴出手段を経て供給される。所望ならば、燃料及び酸化剤は、３つの環状噴出手段を使用して供給されることができ、かくして酸化剤は内部及び外部環状噴出手段から供給され、そして燃料は中央環状噴出手段から供給されることができる。環状噴出手段の片方又は両方がランス作用面７上に燃料又は酸化剤を噴出させる連続リング開口を形成することができるけれども、図２に示されるように、第一及び第二環状噴出手段の両方が燃料及び酸化剤の２つの同心流れを噴出させる一連の別個の開口、例えば、丸穴を形成するのが好ましい。噴出手段は、ガスジェットを完全に包囲して燃料及び酸化剤を供給する必要はない。
【００２１】
ランス端部の作用面にある第一環状噴出手段は複数のノズル出口開口を囲んでリングを形成し、そしてランス端面にある第二環状噴出手段は第一噴出手段を囲んでリングを形成する。第一及び第二環状噴出手段から放出された燃料及び酸化剤は、燃焼して複数のガスジェットの周囲に火炎エンベロープを形成する。燃料及び酸化剤を噴出させるエンベロープがその混合物を自己発火させるのに十分なだけ熱くない場合には、燃焼を開始させるのに別個の点火源が要求される。好ましくは、火炎エンベロープは、ガスジェットの各々の速度よりも低い速度でそして一般には１００〜１０００ｆｐｓの範囲内の速度で移動する。
【００２２】
図３は、コヒーレントガスジェット２０を包囲する火炎エンベロープの横断面を示す。ランス作用面の近くには、図３において火炎エンベロープ２１によって示されるように、コヒーレントガスジェットの全部が火炎エンベロープ内に収納されている単一の火炎エンベロープが存在する。ランスの設計及び操作条件に依存して、ランス作用面よりも更に下流側では、コヒーレントガスジェットの全部が内部に収容された単一の火炎エンベロープ及び／又はコヒーレントガスジェットの各々を包囲する個々の火炎エンベロープを観察することができる。図３には、例示の目的で、燃焼する流れ２１及び２２によって表わされるかかる個々の火炎エンベロープが示されている。
【００２３】
好ましくは、図２に示されるように、ランス端面７から一般には０．５〜６インチの範囲内の長さを有する外延部１０が伸びて容積１１を形成しており、これに複数のノズル出口開口５、第一環状噴出手段８及び第二環状噴出手段９の各々が連通し、そしてその内部で複数のガスジェット及び複数のガスジェットを包囲する火炎エンベロープの各々が初期において形成する。外延部１０によって形成される容積１１は、ガス流れ並びに燃料及び酸化剤をランス端部２からのそれらの流出時に直ちに保護し、かくして各ガスジェットに対してコヒーレント性を得るのを助ける働きをする保護帯域を形成する。この保護帯域は、ガスジェットの周囲でそしてある場合には個々の各ガスジェットの周囲で燃料及び酸化剤を循環させるのを誘発する。かくして、たとえ燃料及び酸化剤が初期においてガスジェットを完全に包囲して容積１１に供給されないとしても、保護帯域内での燃料及び酸化剤の循環は、各ガスジェットに対してコヒーレント性を得るように１つ又はそれ以上の有効な火炎エンベロープが形成されるのを確実にする働きをする。
【００２４】
各ガスジェットの流れは、かかるガスジェットがその目標に達するまでガスジェットの全長にわたってランス１のノズル出口開口から送り出される他のガスジェットの全部の流れとは別個のままである。かかる目標は、例えば、溶融金属若しくは水性液体のような液体プールの表面であってよく、又は固体状目標若しくはガスジェットが相互作用する他のガスジェットのようなガス状目標であってもよい。これは、従来のガスジェットが同じランスから噴出されるときに起こることとは著しく対照をなす。このような従来のガスジェットの場合には、ジェットは迅速に合流し又は一緒に流れて単一のガスジェットを形成する。ガスジェットは、少なくとも１０個のノズル出口直径典型的には少なくとも２０個のノズル出口直径の距離にわたってそして一般には２０〜１００個のノズル出口直径の範囲内の距離にわたって別個のままである。
【００２５】
ノズルから送り出されるガスジェットの全流量が増加するにつれて、火炎エンベロープを形成するために噴出手段から送り出される燃料及び酸化剤の全流量も増加するが、しかしガスジェット流量の増加よりは少ない速度で増加する。ノズルから送り出されるガスジェットの全流量が２０，０００〜１００，０００ＣＦＨの範囲内であるときには、火炎エンベロープを形成する燃料の全流量は２〜１５ミリオンＢＴＵ／時間（ＭＭＢＴＵ／ｈｒ）の範囲内であるのが好ましく、そして火炎エンベロープを形成する酸化剤中の含有酸素の全流量は２，０００〜１５，０００ＣＦＨの範囲内であるのが好ましい。ノズルから送り出されるガスジェットの全流量が４００，０００〜２，０００，０００ＣＦＨの範囲内であるときには、火炎エンベロープを形成する燃料の全流量は１０〜７０ＭＭＢＴＵ／ｈｒの範囲内であるのが好ましく、そして火炎エンベロープを形成する酸化剤中の含有酸素の全流量は１０，０００〜７０，０００ＣＦＨの範囲内であるのが好ましい。
【００２６】
本発明の有効性を例証するために、図１〜３に例示されるものと同様の本発明の具体例を使用しそしてノズルから送り出されるガスとして酸素を使用して試験を実施した。この試験及び結果を以下に説明し、そして比較試験の結果と一緒に図４に示す。これらの試験は例示又は比較目的のために報告されるものであって、いかなる点においても本発明を限定しようとするものではない。
【００２７】
ランス軸を包囲する円の周囲に４個のノズルを設置した。各ノズルは、先細／末広ノズルであって、それぞれ０．２７及び０．３９インチの喉直径及び出口直径を有していた。円直径は（Ｄ）は３／４インチであった。コヒーレントガスジェットとランス軸との間の角度（Ａ）は０度であり、そして各ジェットの周辺は隣接ジェットの周辺から０．１４インチの間隔を置かれていた。火炎エンベロープ用の天然ガス及び酸化剤を２つの穴リング、即ち、天然ガス用の内側リング（２インチ直径の円に０．１５４インチ直径の１６個の穴）及び酸化剤用の外側リング（２  ３／４インチ直径の円に０．１９９インチ直径の１６個の穴）を介して供給した。この場合に、酸化剤は、約９９．５モル％の酸素濃度を有する市販純酸素であった。ランスの端部には外延部（３  １／２インチ直径、２インチ長さ）を付設してガスの再循環を提供し、かくして火炎を安定化した。
【００２８】
ノズルから送り出される主酸素に対して１５０ｐｓｉｇの供給圧を使用して試験を実施した。ノズルの直ぐ上流側でのその圧力において、各ノズルを通る酸素の流量はすべての４つのノズルで４０，０００ＣＦＨの全流量について１０，０００立方フィート／時間（ＣＦＨ）であった。ノズル出口におけるコヒーレントガスジェットの計算された出口温度、速度及びマッチ数（Ｍａｃｈ  Ｎｕｍｂｅｒ）は、それぞれ、−１９３°Ｆ、１７００ｆｐｓ及びマッチ２．２３であった。内側及び外側の穴リングへの天然ガス及び酸素流量は、それぞれ、５，０００及び６，０００ＣＦＨであった。
【００２９】
４つの別個のコヒーレントガスジェットを視覚的に観察したが、各ジェット間に明確な相互作用は全くなかった。ノズル面から１８、２４及び３０インチのところで行なった図１に示される如き面Ｂ−Ｂでのピトー管による測定から計算した速度を図４において曲線Ａ、Ｂ及びＣとして示す。
【００３０】
緊密に接近した状態にある通常のガスジェットでは、連行によってジェットが一緒に引かれて、図４で曲線Ｄによって示されるように単一のジェットを形成する。この曲線は、４つのガスジェットの周囲に火炎エンベロープを形成せずに上記の試験を反復したときに得られた結果を示す。曲線Ｄに示されるピトー管による測定は、ノズル面から１０．２５インチのところで行なわれた。この連行は、ここに開示した本発明の試験では、たとえコヒーレントガスジェットが共に極めて密接しているとしても起こらなかった。これは、特に４つのコヒーレントガスジェットがランス軸に対して平行であり且つ各ジェットの周辺が隣接ジェットの周辺から１／４インチ未満離れている場合に極めて顕著であった。各ジェットは、あたかもそれが遊離空間においてノズル面からかなりの距離の間コヒーレント性のままである単一ジェットであるが如く動作した。多重コヒーレントガスジェットに対して火炎エンベロープを提供する極めて効果的な手段は、コヒーレントガスジェットの全部を包囲する２つの穴リング（天然ガス及び酸素用）によるものである。この配置は、ノズルの近くでガス循環を生じる外延部と一緒になって、各コヒーレントガスジェットの周囲で均一な火炎をもたらす。
【００３１】
図５は、図１に示されるものと同様の本発明の他の具体例で得られた結果を例示するが、但し、この具体例では２個のノズルが使用された。各ノズル開口はランス軸から５度の外向き角度で配置され、そしてそれらのノズル開口の中心線間の距離は０．８７５インチであった。２０，０００ＣＦＨの流量の酸素が各ノズルを通過し、そしてノズル出口ではノズル出口の周囲間の隔離は０．３２インチであった。天然ガス及び二次酸素は、それぞれ、穴の２つの環状リングから５，０００及び４０００ＣＦＨで流れ出た。２つの別個のコヒーレントガスジェットが形成され、そして１８インチ（曲線Ｅ）及び２４インチ（曲線Ｆ）における速度プロファイルを図５に示す。２つのジェット間に干渉は全くなく、そして各ジェットはそれがあたかも自由空間において単一ジェットである如く動作した。
【００３２】
図６は、図７に横断面図で示される本発明の他の具体例で得られた結果を例示する。この具体例では、ランス端部は、２つの穴又は出口開口を持つ２個のノズルを有し、そしてその穴の中心線間の距離は０．７２５インチであった。第一ノズルは３０，０００ＣＦＨ酸素用に設計され、そしてその軸はランス軸と平行であった。第二ノズルは１０，０００ＣＦＨ酸素用に設計され、そしてその軸はランス軸から外向きに５度の角をなしていた。出口において、隣接する穴の周囲間の離間は０．２０インチであった。穴のリング（図示されていない）への天然ガス及び二次酸素は、それぞれ、５，０００及び４，０００ＣＦＨであった。２つの先細／末広ノズルを通る流量は３倍ほど異なっていた。ランス作用面から３０、３４及び３８インチにおける速度プロファイルを図６に曲線Ｇ、Ｈ及びＩとして示す。高流量ジェット（３０，０００ＣＦＨ酸素）では、そのプロファイルは、ノズル面からの距離の範囲にわたって本質上同じであった。コヒーレントガスジェットは、ランス軸に対して平行のままであった。予測されるように、低流量ジェット（１０，０００ＣＦＨ酸素）は、ランス面から３０インチ超えたところでそのコヒーレント性を失い始めた。ピークの位置は、ジェットがランス軸から外向きに約５．５度の角をなしていたことを示す。この値は、ランス作用面における５度の角のものと接近していた。２つのジェット間に明らかな干渉はなかった。これらの結果は、多重穴コヒーレントガスジェットランスで可能な融通性を例示する。例えば、単一の多重ノズルランスを使用して酸素吹込（ランシング）及び後燃焼の両方用の酸素が可能になる。１つのジェットは酸素吹込のために溶融浴に向けることができ、これに対してそれよりも小さなジェットは後燃焼のために浴の上方に向けられる。これはすべて、多重コヒーレントガスジェットランスを使用して達成することができる。
【００３３】
塩基性酸素炉の操作において使用される本発明の１つの特に好ましい具体例では、３〜６個のガスジェットが互いに末広角度で且つそれぞれ超音波速度で使用され、この場合に各ジェットは同じガス組成を有し、そして火炎エンベロープは複数のガスジェットの周囲で燃料及び酸化剤の２つの同心流れを使用して形成される。
【００３４】
ある種の好ましい具体例に関して本発明を詳細に説明したけれども、当業者には、本発明の精神及び特許請求の範囲内に本発明の他の具体例が包含されていることが認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施において使用することができるランスの端部又は先端部の１つの好ましい具体例の横断面図である。
【図２】図１に示されるランス端部の頭部の図であって、ランスの端部又は先端部の作用面を示す。
【図３】図１に示されるランス端部の動作状態での横断面図である。
【図４】本発明を使用して得られる試験結果をいくつかの比較結果と共に示すグラフである。
【図５】本発明を使用して得られる試験結果をいくつかの比較結果と共に示すグラフである。
【図６】図７に部分横断面図で示される本発明の具体例を使用して得られる試験結果を示すグラフである。
【図７】本発明のランスの１つの具体例の部分断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ランス
２  端部
３  ノズル
４  入口開口
５  出口開口
６  ガス通路
７  作用面
８  第一環状噴出手段
９  第二環状噴出手段
１０  外延部
１１  容積
【図１】
2007056373.tif 000003
【図２】
2007056373.tif 000004
【図３】
2007056373.tif 000005
【図４】
2007056373.tif 000006
【図５】
2007056373.tif 000007
【図６】
2007056373.tif 000008
【図７】
2007056373.tif 000009