(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝集噴流の長さを変更する方法であって、
（Ａ）主気体流量における主気体流れにおいて主気体を提供し、第１気体状燃料流量において気体状燃料を提供し、そして気体状燃料と酸化体とを燃焼せしめて主気体流れと同軸の火炎包囲体を形成して、第１長さを有する、主気体からなる凝集噴流を確立する段階と、
（Ｂ）主気体流量における主気体流れにおいて主気体を提供し、第１気体状燃料流量とは異なる第２気体状燃料流量において気体状燃料を提供し、そして気体状燃料と酸化体とを燃焼せしめて主気体流れと同軸の火炎包囲体を形成して、第１長さとは異なる第２長さを有する、主気体からなる凝集噴流を確立する段階とを包含し、
不活性気体が第２気体状燃料流量において提供された気体状燃料に添加されることを特徴とする凝集噴流の長さを変更する方法。
【請求項２】
第２気体状燃料流量が第１気体状燃料流量より大きく、そして第２長さが第１長さより長い請求項１の方法。
【請求項３】
第２気体状燃料流量が第１気体状燃料流量より小さく、そして第２長さが第１長さより短い請求項１の方法。
【請求項４】
主気体が気体状酸素である請求項１の方法。
【請求項５】
不活性気体が窒素気体である請求項１の方法。
【請求項６】
不活性気体が、不活性気体流量及び第２気体状燃料流量の合計が第１気体状燃料流量に等しいような不活性気体流量において提供される請求項１の方法。
【請求項７】
前記第２気体状燃料流量において提供された気体状燃料に添加される前記不活性気体が第２不活性気体流量において添加され、第１不活性気体流量における不活性気体が第１気体状燃料流量において提供された気体状燃料に添加される請求項１の方法。
【請求項８】
複数の凝集噴流が使用されそして凝集噴流の各々に対する気体状燃料流量が変更されて各凝集噴流の長さを変更する請求項１の方法。
【請求項９】
火炎包囲体を形成するための気体状燃料との燃焼のための酸化体が段階（Ａ）中、段階（Ｂ）中提供された流量と同じ流量において提供される請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に凝集噴流技術に関するものであり、特には気体状燃料を使用して発生せしめられた火炎包囲体を使用して凝集噴流を確立し、そして気体状燃料の流量を変更することにより凝集噴流の長さを変更する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体動力学の分野における最近の顕著な進歩は、長い距離を、初期速度の実質上すべてを尚保持しつつそして噴流の直径の増加がほとんどなく移行しうる、気体のレーザ状噴流を生成する凝集性若しくは集束性の噴流（以下、凝集噴流と云う）の開発である。凝集噴流技術の非常に重要な工業的用途の一つは、溶融金属のような液体中への気体の導入のためのものであり、それにより気体噴射器を液体の表面から大きな距離に離間して設置できるようになるから安全な操作が可能となり、また気体の大半が液体の表面から外れて偏向し、液体に侵入しない従来実施方法を使用して可能であるよりはるかに大量の気体が液体中に貫通しうるから一層効率的な操作が可能となる。
【０００３】
幾つかの状況において、気体噴射器から液体表面までの長さのような凝集性噴流の長さを変更することが所望される。これは、気体噴射器の高さを変える、すなわち液体表面に近づけて若しくは離して移動することにより為し得るが、これは厄介で、時間を食う作業である。気体噴射器のノズルの寸法を変更することによってもまた凝集噴流の長さを変更することが可能であるが、これも又不便である。
【０００４】
更に、凝集噴流を構成する気体の流量を変更することにより凝集噴流の長さを変更することが可能である。しかし、そうした実施方法は、凝集噴流技術が使用されている例えば金属精錬のような全体プロセスに潜在的に悪影響を与える恐れがあるから所望されない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、凝集噴流を生成するのに使用される設備を変更する必要なくまた凝集噴流を構成する気体の流量のような他の様相を何ら変更する必要なく、凝集噴流の長さを変更するための方法を開発することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以下の説明から明らかになるように、上記のまた別の目的は、凝集噴流の長さを変更する本発明方法により達成される。本発明は、気体状燃料を使用して発生せしめられた火炎包囲体を使用して凝集噴流を確立し、そして気体状燃料の流量を変更することにより凝集噴流の長さを変更しうるとの知見に基づいて、
（Ａ）主気体流量における主気体流れにおいて主気体を提供し、第１気体状燃料流量において気体状燃料を提供し、そして気体状燃料と酸化体とを燃焼せしめて主気体流れと同軸の火炎包囲体を形成して、第１長さを有する、主気体からなる凝集噴流を確立する段階と、
（Ｂ）主気体流量における主気体流れにおいて主気体を提供し、第１気体状燃料流量とは異なる第２気体状燃料流量において気体状燃料を提供し、そして気体状燃料と酸化体とを燃焼せしめて主気体流れと同軸の火炎包囲体を形成して、第１長さとは異なる第２長さを有する、主気体からなる凝集噴流を確立する段階とを包含し、
不活性気体が第２気体状燃料流量において提供された気体状燃料に添加されることを特徴とする凝集噴流の長さを変更する方法を提供する。
【０００７】
（用語の定義）
ここで使用するものとしての用語「凝集噴流」とは、噴出地点からかなりの距離にわたって噴流がノズルからの噴出に際して有する速度分布輪郭、プロフィールに同様の速度分布プロフィールを有する気体噴流を意味する。
ここで使用するものとしての用語「環状」とは、リングの形態にあることを意味する。
ここで使用するものとしての用語「火炎包囲体」とは、主気体流れと同軸の環状の燃焼流れを意味する。
凝集気体噴流に言及して、ここで使用するものとしての用語「長さ」とは、気体が噴出されるノズルから凝集気体噴流の意図する衝突点までの或いは気体噴流が凝集性を失う地点までの距離を意味する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照して詳しく説明する。
図１及び２を参照すると、主気体は、凝集噴流ランス１の中央通路２を通り、そして後収斂／末広型ノズル５０を通り、そして後ノズル開口１１を通してランス１から流出して主気体流れを形成する。代表的に、主気体流れの速度は、３００〜２４００ｍ／秒（１０００〜８０００ｆｔ／秒（ｆｐｓ））の範囲にありそして主気体流れの流量は２８０〜５６，０００ｍ3／時間（１０，０００〜２，０００，０００ｆｔ3／時間（ＣＦＨ））の範囲内にある。
【０００９】
本発明の実施において、主気体として任意の有効な気体を使用することができる。そうした気体の例として、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、水素、ヘリウム、スチーム及び炭化水素気体を挙げることができる。また、２種以上の気体を含む混合物、例えば空気が本発明における主気体として使用できる。本発明の実施における主気体として使用のための特に有用な気体は、少なくとも２５モル％の酸素濃度を有する流体として定義されうる気体状酸素である。気体状酸素は、９０モル％を超える酸素濃度を有することができそして実質上純酸素である工業用酸素でありうる。
【００１０】
メタン、天然ガス、或いは霧化液体、例えば霧化燃料油のような気体状燃料がランス１を通して通路３若しくは通路４いずれかにおいて供給される。通路３及び通路４の各々は、中央通路２から半径方向に離間され且つそれと同軸である。好ましくは、気体状燃料は、内側に近い同軸通路３を通して供給される。気体状燃料は、ランス１から、好ましくは、図１に示されるようにランス面５においてノズル５０の開口と同一面としたノズル７若しくは８のいずれかを通して流出する。ノズル７若しくは８の開口は、各々開口１１を取り巻く環状の開口とされうるし、或いは好ましくは図２に示されるように各々、ノズル開口１１を取り巻くリング状に連なった開口群である。気体状燃料は、好ましくは主気体の速度より低い速度でランス１から出て供給されそして一般に３０〜３００ｍ／秒（１００〜１０００ｆｐｓ）の範囲にある。
【００１１】
気体状燃料は、酸化体と燃焼して、好ましくは凝集噴流の全長にわたり、主気体流れを取り巻きそしてそれに沿う火炎包囲体を形成する。酸化体は、空気、空気より高い酸素濃度を有する酸素富化空気或いは少なくとも９９モル％の酸素濃度を有する工業用酸素となしうる。好ましくは、酸化体は、少なくとも２５モル％の酸素濃度を有する流体である。酸化体は、気体状燃料との燃焼のために任意の効果的な態様で供給されうる。図１及び２に例示される一つの好ましい構成は、気体状燃料の供給に使用されない方の同軸通路である、通路３若しくは４いずれかを通しての酸化体の供給と関与する。これは、気体状燃料と酸化体とがランスからのそれぞれの放出に際して相互作用しそして燃焼して火炎包囲体を形成する結果をもたらす。
【００１２】
主気体流れを取り巻く火炎包囲体は、周囲気体が主気体流れ中に吸引されないようする役目を果たし、それにより主気体流れの速度が著しく減少しそして主気体流れの直径が著しく増大することを防止し、それにより主気体流れが溶融金属浴表面のような所望の衝突地点に達するまで主気体流れの所望の長さを与える。すなわち、火炎包囲体は、主気体流れを凝集流れとして確立しそして噴流長さにわたりそれを維持する役目を果たす。
【００１３】
本発明は、主気体ノズルを変更したり或いはランスチップと所望の衝突地点との間の距離を変えると云った設備上の変更を何ら為す必要なく、また主気体の流量を変更する必要なく、凝集噴流の長さを変えることを可能ならしめる。本発明の実施において、凝集噴流の長さを既存の長さすなわち第１長さから別の長さすなわち第２の長さに変更することを所望するとき、必要なことは、気体状燃料の流量を第１長さと関連する火炎包囲体を生成するのに使用した流量、すなわち第１気体状燃料流量から第２気体状燃料流量へと変更するだけである。第１気体状燃料流量から第２気体状燃料流量への気体状燃料流量の増大は、凝集噴流の長さを第１長さから第２長さへと長くし、そして第１気体状燃料流量から第２気体状燃料流量への気体状燃料流量の減少は、凝集噴流の長さを第１長さから第２長さへと短くする。
【００１４】
図３及び４は、本発明の操作例を示し、ここでは凝集噴流２０は、図３に示す第１長さを有し、これは図４に示すその第２長さより長い。一般に、凝集噴流の長さは、気体状燃料流量の平方根におおよそ比例する。図３及び４はまた、火炎包囲体２３の形成を助成するのに延長体を使用する特に好ましい具体例を例示する。一般に１．２７〜１５．２ｃｍ（０．５〜６インチ）の範囲内にある長さを有する延長体２１は、ランス端面５から突出して、ノズル出口開口１１と環状放出手段７及び８が連通しそして主気体噴流２０を取り巻く気体噴流と火炎包囲体各々が最初に内部で生じる内容部２２を形成する。延長体２１により形成される内容部２２は、主気体流れ並びに燃料及び酸化体をランスからのそれらの流出に際してすみやかに保護する役目を為し、従って主気体噴流に対する凝集を実現するのを助ける保護帯域を確立する。保護帯域は、主気体噴流を取り巻いての燃料及び酸化体の循回運動を誘起する。
【００１５】
【実施例】
次の試験結果は、本発明を更に例示するための例として呈示される。これらは限定を意図するものではない。これらの例において、図３及び４に例示したのと同様のランスを凝集噴流を確立するのに使用した。主気体用のノズルは、１６ｍｍ（０．６２インチ）のスロート部（喉部）直径と２１ｍｍ（０．８１インチ）の出口直径とを有する収斂／末広型ノズルであった。主気体は工業用酸素でありそして６９０ｋＰａゲージ圧（１００ｐｓｉｇ）の供給圧力において１００８ｍ3／時間（３６，０００ＣＦＨ）の流量でランスから放出した。気体状燃料は天然ガスであり、内側に近い方の通路を通して送給しそして１６の穴を通してランスから放出せしめた。各穴は、ランス面において５．１ｃｍ（２インチ）直径の円に載る３．９ｍｍ（０．１５４インチ）直径を有した。火炎包囲体を形成するべく気体状燃料と燃焼する酸化体は、工業用酸素でありそして外側の方の通路を通して送給しそして１６穴を通してランスから放出せしめた。各穴は、ランス面において７ｃｍ（２．７５インチ）直径の円に載る５．０５ｍｍ（０．１９９インチ）直径を有した。この酸素の流量は、気体状燃料の流量を変更するに際して試験中一定とした。ランスはまた、気体がランスから流出するに際して気体を遮蔽するようその周辺において５．１ｃｍ（２インチ）長さの延長体を有した。凝集噴流は、約４８０ｍ／秒（１６００ｆｔ／秒）の超音速を有した。
【００１６】
上記のパラメータにより確立された凝集噴流の長さを与えられた気体状燃料流量に対して測定しそして結果を記録した。その後、気体状燃料流量を変更し、すなわち第２気体状燃料流量に変えそして凝集噴流の新たな長さ、すなわち第２長さ測定し、記録した。結果を図５に曲線Ａとして示す。図５において、凝集噴流長さを縦軸にそして気体状燃料流量を横軸に示す。曲線Ａからわかるように、気体状燃料流量を増加することにより凝集噴流の長さを長くすることができ、他方気体状燃料流量を減少することにより凝集噴流の長さを短かくすることができる。
【００１７】
天然ガス流量をゼロから１４０ｍ3／時間（５０００ＣＦＨ）へと増加するに際して、凝集噴流における長さの増加は、最初急激でありそして後斬増するようになる。天然ガス流量をゼロから２８ｍ3／時間（１０００ＣＦＨ）へと増加すると、凝集気体長さは２３ｃｍ（９インチ）から７１ｃｍ（２８インチ）へと増加し、４８ｃｍ（１９インチ）の増加である（２００％を超える）。１１２ｍ3／時間（４０００ＣＦＨ）の天然ガス量の追加でもって（２８ｍ3／時間（１０００ＣＦＨ）から１４０ｍ3／時間（５０００ＣＦＨ）への天然ガスの増加）、凝集気体長さは７１ｃｍ（２８インチ）から１１７ｃｍ（４６インチ）へと増加し、４６ｃｍ（１８インチ）の増加である（約６５％強）。
【００１８】
図５はまた、本発明の好ましい具体例を使用して得られた結果をも示す。これはまた本発明の予想外の結果をも示す。上述した過程を繰り返したが、但し気体状燃料流量が１４０ｍ3／時間（５０００ＣＦＨ）未満であるように減少されたとき、不活性気体（この例では窒素）を気体状燃料と不活性気体の合計流量が１４０ｍ3／時間（５０００ＣＦＨ）に等しくなるよう燃料に添加した。この試験組の結果を図５に曲線Ｂとして示す。曲線Ｂからわかるように、不活性気体の補給を使用しての本発明の操作に対する結果は、不活性気体が使用されない場合の結果と実質上同じである。これは、主気体流れに隣り合って流れる流体の流量が一定に維持されるとき同じ効果が実現されるから（曲線Ｂ）、気体状燃料流量の調整による凝集噴流の長さの制御が主気体流れに隣り合って流れる流体の流量変化により生じる単に物理的作用効果ではないことをしめす。
【００１９】
図５の曲線Ｂに示される結果は、本発明の予想外の性質を示す役目をするのみならず、本発明の好ましい具体例を例示する役目もなす。気体状燃料の流量が低い場合、燃料が噴出される穴は詰まったり或いは別様に閉塞されるようになる。気体状燃料と共に補給不活性気体を使用することにより、燃料及び不活性気体の高い合計流量を維持することができ、図５に報告した試験により示されるように、凝集噴流長さの制御を何ら犠牲とすることなく、閉塞の可能性を排除する。
【００２０】
本発明の実施において、任意の適当な数の凝集噴流が使用されうる。工業用途において複数の凝集噴流が使用されるとき、本発明方法は、これら凝集噴流の一つ或いは全部を含めて任意の数の凝集噴流の長さを変更するのに使用されうる。例えば、４つの凝集噴流を使用する塩基性酸素炉において、凝集噴流のすべての長さを同時に変更するように、すべてのランスへの気体状燃料流量が変化されうる。
【００２１】
【発明の効果】
発明の使用でもって、設備上の変更を為す必要なくまた凝集噴流を構成する気体の流量を変更する必要なく、凝集噴流の長さを迅速に且つ精確に変化させることが可能となる。
【００２２】
本発明を好ましい具体例を参照して詳しく説明したが、当業者は、本発明の精神内で本発明を別様に具現しうることを認識しよう。例えば、使用される気体状燃料が霧化液体である場合、燃料に霧化用気体を供給するための手段がまた使用されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施において気体噴出器として使用されうる、ランスチップの一具体例の断面図である。
【図２】図１のランスチップの一具体例の平面図である。
【図３】凝集噴流長さを変更する本発明の操作を例示する説明図である。
【図４】凝集噴流長さを変更する本発明の操作を例示する説明図である。
【図５】本発明の操作を実証する実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  凝集噴流ランス
２  中央通路
３、４  通路
５  ランス端面
７、８  ノズル
１１  ノズル開口
２０  凝集噴流
２１  延長体
２２  内容部
２３  火炎包囲体
５０  収斂／末広型ノズル
【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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