(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のガス流から単一のコヒーレントガス流を形成するための方法であって、
（Ａ）各々先端にガスを通す噴出開口を有する複数のノズルを備えたランスを準備し、
（Ｂ）各ノズルの噴出開口からガスをジェットの形で噴射して、各々前記ランスの軸線に対して内向きの角度でノズル噴出開口から噴出する複数の初期コヒーレントガスジェットを形成し、
（Ｃ）前記ランスの先端から燃料とオキシダントを少くとも１つの流れとして噴射させて該燃料をオキシダントと共に燃焼させて前記複数の初期コヒーレントガスジェットの周りに火炎エンベロープを形成し、
（Ｄ）前記複数の初期コヒーレントガスジェットを一緒に流動させて該複数の初期コヒーレントガスジェットから単一のコヒーレントガスジェットを形成し、
（Ｅ）前記火炎エンベロープを、前記複数の初期コヒーレントガスジェットから前記単一のコヒーレントガスジェットを囲繞するような態様に延長させること、
から成る方法。
【請求項２】
前記ランスから前記燃料とオキシダントをそれぞれ同心の流れとして前記複数の初期コヒーレントガスジェットの周りに噴射させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記各初期コヒーレントガスジェットは、超音速速度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記単一のコヒーレントガスジェットは、超音速速度を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の初期コヒーレントガスジェットのうちの少くとも１つは、該複数の初期コヒーレントガスジェットのうちの他の少くとも１つとは異なるガスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
複数のガス流から単一のコヒーレントガス流を形成するための装置であって、
各々先端にランスの軸線に対して内向きの角度をなす軸線を有する複数のノズルを備えたランスと、
複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃料とオキシダントの少くとも１つを噴射するための噴射手段と、から成る装置。
【請求項７】
２ないし４つのノズルを有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃料とオキシダントを噴射するための前記噴射手段は、前記ランス面上で前記ノズルの周りにリング状に配置された燃料噴射のための第１穴配列体と、該ランス面上で該第１穴配列体の周りにリング状に配置されたオキシダント噴射のための第２穴配列体から成ることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃料とオキシダントを噴射するための前記噴射手段は、前記ランス面上で前記ノズルの周りにリング状に配置されたオキシダント噴射のための第１穴配列体と、該ランス面上で該第１穴配列体の周りにリング状に配置された燃料噴射のための第２穴配列体から成ることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃料とオキシダントの両方を噴射するための噴射手段を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス流に関し、特に、単一のランス（例えば溶融鋼の浴に加圧酸素などを吹き込むためのパイプ）から噴射する２つ以上のガスの流れをそれらのガスを収束させて単一のコヒーレントガスジェットとすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス流を必要とすることはしばしばある。例えば、いろいろな目的のためにガス流を液体内へ噴射又は注入することが必要とされることがある。その１例は、反応性ガスを液体中の１つ又はそれ以上の成分と反応させるために液体内へ噴射する例である。より具体的にいえば、溶融鉄内の炭素と反応させて溶融鉄から脱炭するとともに溶融鉄に熱を与えるために、溶融鉄内へ酸素ガスを注入する用例がある。酸素は、精錬の目的で銅、鉛、亜鉛等の他の溶融金属に注入されることもあり、又、酸化反応を行わせるために水溶液又は炭化水素液中に注入されることもある。更に、液体全体の例えば温度分布又は成分分布をより均一にするために液体を撹拌する目的で不活性ガスのような非酸化性ガスを液体内へ注入することもある。
【０００３】
多くの場合、２つ以上のガス流を用いることが望ましい。例えば、酸素のようなオキシダント流と、天然ガスのような燃料ガスを反応空間内又は液体内へ注入し、それらを燃焼させて熱を創生することができる。その場合、オキシダントと燃料を供給器から単一の混合流として供給することができるが、それは、一般に安全上の理由から好ましくない。
【０００４】
それらの複数のガス流を収束させて互いに反応させることができる。特に、それらのガス流が上述した場合のように可燃混合物を形成する場合は、それらのガスを供給器から想到に長い距離を通すことが望ましい。更に、複数のガス流からのガスが溶融金属又は水性溶液のような液体内で相互に反応する場合は、相互反応の効果を高めるためにガスを液体内深くにまで突き通すことが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、複数のガス流からのガスをそれらの供給器から長い距離に亘って通すことができるシステムを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、複数のガス流からのガスをそれらの供給器から長い距離に亘って通した後液体内へ効率的に通すことができるステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
上記課題を解決するために、本発明は、その一側面においては、複数のガス流から単一のコヒーレントガス流を形成するための方法であって、
（Ａ）各々先端にガスを通す噴出開口を有する複数のノズルを備えたランスを準備し、
（Ｂ）各ノズルの噴出開口からガスをジェットの形で噴射して、各々前記ランスの軸線に対して内向きの角度でノズル噴出開口から噴出する複数の初期コヒーレントガスジェットを形成し、
（Ｃ）前記ランスの先端から燃料とオキシダントを少くとも１つの流れとして噴射させて該燃料をオキシダントと共に燃焼させて前記複数の初期コヒーレントガスジェットの周りに火炎エンベロープを形成し、
（Ｄ）前記複数の初期コヒーレントガスジェットを一緒に流動させて該複数の初期コヒーレントガスジェットから単一のコヒーレントガスジェットを形成し、
（Ｅ）前記火炎エンベロープを、前記複数の初期コヒーレントガスジェットから前記単一のコヒーレントガスジェットを囲繞するような態様に延長させること、
から成る方法を提供する。
【０００８】
本発明は、他の側面においては、複数のガス流から単一のコヒーレントガス流を形成するための装置であって、
各々先端にランスの軸線に対して内向きの角度をなす軸線を有する複数のノズルを備えたランスと、
複数のノズルの外側周辺において前記ランスから燃料とオキシダントの少くとも１つを噴射するための噴射手段と、から成る装置を提供する。
【０００９】
ここで、「環状」とは、リング状という意味である。
「火炎エンベロープ」とは、少くとも１つの他のガス流を同心的に囲繞する燃焼流のことをいう。
「コヒーレントガスジェット」とは、直径が実質的にい一定に保たれるガス流のことをいう。
ガスジェットについていう「長さ」とは、ガスジェットの形成基点からガスジェットの所定の衝撃点までの距離をいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。すべての添付図を通して、共通の部品又は要素には同じ参照番号が付されている。
ランス１は、複数のノズル３を収容した先端部分即ちチップ部分（以下、単に「ランス端」又は「チップ」とも称する）２を有する。図１及び２は、各ノズルを末細／末広ノズル（流れの方向に従って径が小さくなり、次いで、大きくなっているノズル）とした本発明の好ましい実施形態を示す。導入開口４と噴出開口５を有している。
【００１１】
ノズルの噴出開口５は、図１及び２に示されるように、ランス面（ランスの先端面）７と面一にすることが好ましい。又、それらのノズルの噴出開口５は、円形とすることが好ましいが、楕円又はその他の形状とすることもできる。
【００１２】
各導入開口４は、ガス供給源に連通している。図１に示された実施形態では、各導入開口４は、それぞれ異なるガス供給源に連通している。例えば、導入開口４の１つをオキシダント供給源に連通させ、他の導入開口４を燃料供給源に連通させることができる。あるいは別法として、それらの導入開口４のうちの１つ又は複数の導入開口４を同じ供給源に連通させることもできる。
【００１３】
ノズルからガスを噴射するために本発明の実施に使用することができるガスの例としては、空気、酸素、酸素富化空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、ガス状炭化水素、その他のガス状燃料、及び、それらのうちの２つ以上の混合物等がある。
【００１４】
図１及び２に示されるように、ランス端２内の各ノズル３は、それらの軸線即ち中心線がランス１の軸線即ち中心線に対して内向き角Ａをなすように配向されている。内向き角Ａは、最高４５°までとすることができ、好ましくは０．５〜５°、より好ましくは０．５〜２°の範囲とすることができる。好ましくは、各ノズルのスロート（喉）の直径は、０．２〜２．０ｉｎの範囲とし、噴出開口５の直径は、０．３〜３．０ｉｎの範囲とする。
【００１５】
ガスは、各ノズルの噴出開口５から好ましくは超音速速度で、通常、５００〜１０，０００ｆｔ／ｓｅｃ（ｆｐｓ）の範囲内の速度で噴射させて複数のガスジェット２０を形成する。
【００１６】
ランス端２は、又、好ましくは前記複数のガスジェット２０の周りに同心的に囲繞するようにノズルから少くとも１つのガス流を噴射させるための少くとも１つの噴射手段、好ましくは環状噴射手段を有する。この噴射手段から噴射されるガス流は、任意の適当な形状とすることができる。１つの環状噴射手段を用いる場合は、その環状手段から噴射させる同心ガス流は、燃料とオキシダントの混合物とすることが好ましい。本発明の一実施形態では、この噴射手段からは燃料だけを噴射させ、火炎エンベロープを形成するために燃料と共に燃焼させるのに必要なオキシダントは、燃料流に連行又は帯同させた空気から得られるようにする。好ましい実施形態では、図１及び２に示されるように、ランス端２にランスから２つの同心流としてそれぞれ燃料とオキシダントを噴射させる第１噴射手段８と第２噴射手段９を設ける。
【００１７】
又、ランス端２の周縁に延長部分（ノズル面から突出した部分）３０を設けることが好ましい。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等の任意の流体燃料であってよい。オキシダントは、空気の酸素濃度より高い酸素濃度を有する流体であってよく、好ましくは少くとも３０モル％、最も好ましくは９０モル％の酸素濃度を有する流体である。
【００１８】
ノズルの少くとも１つから噴射されるガスが酸素である場合は、燃料を第１環状噴射手段８を通して供給し、オキシダントを第２環状噴射手段９を通して供給することが好ましい。ノズルから不活性ガスが噴射される場合は、オキシダントを第１環状噴射手段８を通して供給し、燃料を第２環状噴射手段９を通して供給することが好ましい。
【００１９】
環状噴射手段８，９の一方又は両方を燃料又はオキシダントが噴射されるランス面７に開口する連続したリングを形成するものとしてもよいが、図３及び４に示されるように第１及び第２環状噴射手段８，９の両方共、一連の個別開口、例えば円形の穴によって形成し、それらの開口から２つの同心の燃料流とオキシダント流が噴射されるようにすることが好ましい。これらの噴射手段は、必ずしもガスジェット２０の全周を取り巻くように燃料及びオキシダントを供給する必要はない。
【００２０】
第１環状噴射手段８は、ランス端面において複数のノズルの噴出開口５の周りにリング（複数の孔の環状配列体）３１を形成し、第２環状噴射手段９は、ランス端面において第１環状噴射手段８の周りにリング３２を形成する。第１環状噴射手段８と第２環状噴射手段９から噴射された燃料とオキシダントが燃焼して複数のガスジェット２０の周りに火炎エンベロープ２１を形成する。複数のガスジェット２０は、漸次収束して単一のコヒーレントガスジェット３５となる。ガスジェット３５は、超音速を有することが好ましく、その全長に亙って超音速を有することが最も好ましい。
【００２１】
燃料とオキシダントが噴射される環境がそれらの混合物を自己発火させるのに十分な高温高温でない場合は、燃焼を開始させるために別個の点火源が必要とされる。火炎エンベロープ２１は、ガスジェット２０の速度より遅い速度とすることが好ましく、通常、３００〜１０００ｆｐｓの範囲内の速度とする。
【００２２】
本発明の有効性を実証するために図１〜４に示されたものと同様の実施形態を用いてテストを実施した。図３に示された４ノズル構成の実施形態の場合、各ノズルの中心線のランス軸線からの内向き傾斜角を１．５°とし、４つのノズルのランス面における心間距離を１．５ｉｎとした。図４に示された２ノズル構成の実施形態の場合は、各ノズルの中心線のランス軸線からの内向き傾斜角を２°とし、２つのノズルのランス面における心間距離を０．７５ｉｎとした。図３に示された４ノズル構成の実施形態を用いたテスト結果は図５のグラフに示され、図４に示された２ノズル構成の実施形態を用いたテスト結果は図６のグラフに示されている。
【００２３】
各ノズルは、０．２７ｉｎのスロート直径と０．３９ｉｎの噴出開口直径を有する末細／末広ノズルとした。酸素を各ノズルを通して１０，０００ｆｔ3／ｈ（ＣＦＨ）の流量で、１５０ポンド／ｉｎ2（ゲージ圧）（ｐｓｉｇ）のノズル上流側供給圧で供給し、各々約１７００ｆｐｓの超音速を有する２つ又は４つのコヒーレントガスジェットを形成させた。
【００２４】
火炎エンベロープは、ランス面においてノズルを取り巻く２つのリング状穴配列体から天然ガスと酸素を噴射させることによって形成した。天然ガスは、内側リング状穴配列体（各々０．１５４ｉｎ径の１６個の穴の配列体とし、４ノズル構成の実施形態の場合は配列体の円の直径を２．５ｉｎとし、２ノズル構成の実施形態の場合は配列体の円の直径を２ｉｎとした）を通して５０００ＣＦＨの流量で供給し、酸素は、外側リング状穴配列体（各々０．１９９ｉｎ径の１６個の穴の配列体とし、４ノズル構成の実施形態の場合は配列体の円の直径を３．０ｉｎとし、２ノズル構成の実施形態の場合は配列体の円の直径を２．７５ｉｎとした）を通して４０００ＣＦＨの流量で供給した。これらの流量は、ＮＴＰ（常温）下での流量である。
【００２５】
図３の４ノズル構成の実施形態については、ランス面から２１．２５ｉｎのところと３６ｉｎのところにおける速度分布を測定し、図４の２ノズル構成の実施形態については、ランス面から２７ｉｎのところにおける速度分布を測定し、それぞれのテスト結果を図５及び６のグラフに示さした。
【００２６】
これらの速度分布は、ランスの軸線を通りランス面に対して垂直な平面（図３及び４に平面ＡＡとして示されている）と、ランス面に対して垂直で、かつ、平面ＡＡに対しても垂直な平面（図４に平面ＢＢとして示されている）測定した。複数の初期コヒーレントジェットが相互に作用し合って、図２にみられるように単一のコヒーレントジェットを形成した。４ノズル構成の実施形態の場合は、ランス面から２１．２５ｉｎのところでは複数個の個別のコヒーレントジェットがみられたが、ランス面から３６ｉｎのところでは単一のコヒーレントジェットに収束された（図５参照）。一方、２ノズル構成の実施形態の場合は、ランス面から２７ｉｎのところ（図６参照）では、断面が実質的に円形の単一のコヒーレントジェットがみられた。即ち、２つの収束する初期ジェットから形成された単一のジェットは、ランス面から２７ｉｎのところでコヒーレントとなり、そのジェットのコア部分の速度は超音速であった。
【００２７】
本発明は、例えば、溶融金属浴を効率的に加熱するための酸素又は天然ガスを供給するために用いることができる。その場合、初期ジェットのうちの１つ又は複数を天然ガスとし、初期ジェットのうちの１つ又は複数を酸素とすることができる。それらの初期ジェットが合流（収束）して酸素と天然ガスの両方を含有した単一のコヒーレントジェットを形成する。この単一のコヒーレントジェットを溶融金属に向けて噴射することができる。これらのジェットは、合流前も、合流後も、コヒーレントであるから、初期ジェットからのガスの混合及び燃焼は、単一のコヒーレントジェットが溶融金属浴内へ突き刺さるまでさいしょうげんにいじされる。溶融金属浴のところで、天然ガスと酸素が混合して燃焼する。これは、溶融金属浴を加熱するための極めて効率的な方法である。なぜなら、燃焼熱からの熱放出は、溶融金属浴に密に近接したところで起こるので、燃焼部から金属への熱伝達が極めて効率的になる。
【００２８】
本発明は、又、パウダーをを溶融金属浴内へ効率的に供給するのにも用いることができる。その場合、パウダーをランス面の中心軸線のところから噴射し、得られる単一のコヒーレントジェットの一部として溶融金属浴内へ供給する。
【００２９】
以上、本発明を実施形態に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形状に限定されるものではなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施に用いることができるランスの先端部分即ちチップ部分の一実施形態の断面図である。
【図２】図２は、図１に示されたランスの作動中の断面図である。
【図３】図３は、円形に配置された４つのノズルを有する、図１に示されたランスのチップ部分の正面図である。
【図４】図４は、２つのノズルを有する、図１に示されたランスのチップ部分の正面図である。
【図５】図５は、本発明を用いて得られたテスト結果のグラフである。
【図６】図６は、本発明を用いて得られた別のテストの結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ランス
２  ランス端
３  ノズル
４  導入開口
５  噴出開口
７  ランス面
８  環状噴射手段、噴射手段
９  環状噴射手段、噴射手段
２０  ガスジェット
２１  火炎エンベロープ
３２  リング
３５  ガスジェット
３５  コヒーレントガスジェット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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