СПОСОБ ИНЖЕКЦИИ КИСЛОРОДА
OXYGEN INJECTION METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к способу инжекции сверхзвуковых струй кислорода в расплав, размещенный внутри металлургической печи, в котором струю кислорода выпускают из сужающегося-расширяющегося канала сопла при сверхзвуковой скорости в качестве части структурированной струи, имеющей внешнюю периферийную область, состоящую из смеси топлива и кислорода, которая самовоспламеняется и сгорает в печной атмосфере, а не внутри сопла, образуя пламенную оболочку для сдерживания снижения скорости и снижения концентрации струи кислорода.
Предпосылки изобретения
[0002] Кислород обычно инжектируют в ванны расплавленного металла для таких целей, как рафинирование стали. Например, сталь рафинируют в электродуговых печах (ЭДП) и кислородных конвертерах (КК) посредством инжекции кислорода в расплав, который содержит чугун и лом. Инжектируемый кислород реагирует с углеродом, кремнием, марганцем, железом и примесями, которые включают фосфор, регулируя содержание углерода в расплаве и удаляя примеси. В результате реакций окисления поверх расплава образуется слой шлака. Кислород инжектируют также для других целей, например для целей выплавки меди, свинца и цинка.
[0003] Важно, чтобы кислород проникал внутрь ванны расплавленного металла. В КК реакция избыточного кислорода в слое шлака вызывает неконтролируемое вспенивание, приводящее к бесполезному выбрасыванию материала из конвертера, явлению, которое называется «выбросом». В ЭДП слабое проникновение кислорода может приводить к нежелательному окислению угольных электродов, что обусловливает повышенные производственные затраты. Кроме того, глубокое проникновение кислорода из металлургической фурмы будет обеспечивать полезное перемешивающее действие на расплавленный металл.
[0004] Чтобы достигнуть глубокого проникновения, металлургические фурмы размещали как можно ближе к поверхности расплава. Возникающая при этом проблема заключается в том, что срок службы фурмы становится очень коротким вследствие интенсивного тепловыделения на поверхности расплавленного металла. Другой проблемой является увеличенный риск попадания в печь охлаждающей воды вследствие перегревания фурмы, что может привести к бурным и опасным реакциям с расплавом. Помимо этого, на фурме образуются отложения из расплавленного металла, что уменьшает срок ее службы. Другим вредным эффектом является то, что расплавленный металл и шлак могут расплескиваться, приводя к потере продукта и проблемам при эксплуатации и техническом обслуживании печи.
[0005] Чтобы избежать размещения металлургической фурмы вблизи поверхности расплава, желательно, чтобы кислород выпускался из металлургической фурмы с максимально возможной скоростью с тем, чтобы кислород мог проникать в расплавленный металл при одновременной возможности позиционирования фурмы на некотором расстоянии над расплавом. Однако, когда кислородная струя выпускается из металлургической фурмы, эта струя будет взаимодействовать с печной атмосферой. Такое взаимодействие вызывает снижение скорости струи и концентрации в ней кислорода и обусловленное этим снижение способности кислородной струи к проникновению в ванну расплавленного металла.
[0006] Для преодоления этой проблемы известно обеспечение пламенной оболочки или завесы, которая окружает струю кислорода, сдерживая снижение скорости. Например, в патенте США 3427151 кислород вводят в сопло, которое снабжено центральным каналом, имеющим сужение, чтобы достигнуть в данном сужении звуковой скорости, и из сопла струя кислорода выбрасывается со звуковой скоростью. Дополнительные кислород и топливо выпускают из концентрических кольцеобразных каналов для кислорода и каналов для топлива, которые окружают центральный канал, чтобы получить пламенную оболочку, окружающую центральную струю кислорода.
[0007] Патент США 5599375 раскрывает горелку/инжектор, имеющую центральный сужающийся-расширяющийся канал для инжекции кислорода в камеру сгорания. Вокруг сужающегося-расширяющегося канала находятся топливные проходы для инжекции топлива в камеру сгорания. Вокруг топливных проходов находятся вторичные кислородные проходы для введения вторичного газообразного окислителя в камеру сгорания. Когда горелка/инжектор функционирует в режиме горения топлива, топливо сжигается внутри камеры сгорания вместе с инжектированным из центрального канала кислородом и вторичным газообразным окислителем. Это создает нагревающее и плавящее лом пламя, направленное через камеру сгорания к подлежащему плавлению лому. После того как небольшая часть лома расплавлена, поток топлива уменьшают и увеличивают поток кислорода, создавая высокоокислительное пламя, которое быстро реагирует с предварительно нагретым ломом, расплавляя дополнительный лом за счет тепла, выделяющегося вследствие экзотермического окисления. Поток топлива затем еще уменьшают или полностью устраняют, а поток кислорода, выпускаемый из сужающегося-расширяющегося сопла, еще существенно увеличивают, предпочтительно до сверхзвуковой скорости, для реагирования с дополнительной частью предварительно нагретого лома, размещенного вдали от горелки/инжектора.
[0008] Как может быть понятно, патент США 3427151, имеющий лишь суженный канал, а не сужающийся-расширяющийся канал, неспособен к выбросу сверхзвуковой струи кислорода. И хотя в патенте 5599375 используется сужающийся-расширяющийся канал для получения сверхзвуковой струи кислорода, там не используется пламенная оболочка, поскольку инжектируется мало топлива или оно не инжектируется, и поэтому сверхзвуковая струя кислорода будет быстро ослабляться вследствие взаимодействия струи с печной атмосферой.
[0009] Для разрешения этих проблем патент США 5814125 предусматривает способ инжекции газа в жидкий расплав, такой как расплавленный чугун. В соответствии с данным способом сверхзвуковую струю кислорода создают внутри сопла, имеющего сужающийся-расширяющийся канал. Эту сверхзвуковую струю кислорода окружают пламенной оболочкой, которую получают за счет выбрасывания топлива и кислорода из внутреннего и внешнего концентрического набора каналов, окружающих центральный сужающийся-расширяющийся канал. Такая пламенная завеса сдерживает снижение скорости сверхзвуковой струи кислорода и обеспечивает сталкивание кислорода с поверхностью жидкого расплава на расстояниях в 20 диаметров сопла или более со сверхзвуковой скоростью. В патенте США 6604937 газ, такой как кислород, может пропускаться через множество наклоненных наружу сужающихся-расширяющихся сопел, чтобы получить струи со сверхзвуковой скоростью для инжекции в расплавленный металл для целей его рафинирования. Вокруг сужающихся-расширяющихся сопел находится кольцо отверстий для поочередного выбрасывания топлива и окислителя для поддержания сгорания топлива. Такое сгорание дает единственную пламенную оболочку, чтобы окружать струи и тем самым сдерживать снижение скорости струй.
[0010] Даже в том случае, когда из инжектора или фурмы выбрасывают сверхзвуковую струю кислорода под завесой пламени, как это, например, описано выше в патентах США 5814125 или 6604937, расплавленный металл и шлак могут образовывать отложения, известные как настыль, которые могут забивать отверстия каналов, из которых выбрасываются топливо и кислород. Такие наросты могут мешать образованию пламенной завесы и тем самым ухудшать полезность струи или делать ее неэффективной. Для того чтобы разрешить эту проблему, опубликованная заявка на патент Японии 2002-288115 раскрывает водоохлаждаемую фурму в сборе, имеющую сужающийся-расширяющийся канал для выбрасывания сверхзвуковой струи кислорода из головки фурмы. Сверхзвуковая струя кислорода окружена пламенем, полученным внутри центрального сужающегося-расширяющегося канала посредством внутренней инжекции внутри канала топлива, которое сжигается внутри этого канала. Для того чтобы стабилизировать пламя, прямолинейная секция сопла, которая устанавливает сообщение между концом расширяющейся секции канала и передним концом сопла, снабжена периферийной канавкой, в которой топливо и кислород собираются, замедляются и сжигаются при воспламенении.
[0011] Вследствие сгорания, протекающего внутри сопла, могут возникать потенциальные проблемы с безопасностью и функционированием. Сгорание топлива является экзотермической реакцией окисления, которая может повреждать само сопло, приводя к постепенному выходу из строя или же быстрому катастрофическому отказу. Такие повреждения могут отрицательно влиять на срок службы фурмы и увеличивать риск попадания в печь охлаждающей воды, которая может бурно реагировать с расплавом. Имеются также угрозы безопасности, связанные со смешиванием углеводородов и кислорода в пределах ограниченного пространства, в котором может быть создана горючая, если не взрывчатая, смесь. Специалистам в данной области техники будут понятны трудности, связанные с требуемыми процедурами воспламенения, стабилизации сгорания и контроля пламени.
[0012] Как будет обсуждено далее, данное изобретение предоставляет способ инжекции сверхзвуковых струй кислорода в расплав (расплавленный металл), который превосходит известный уровень техники и фактически минимизирует, если не устраняет, обсуждавшиеся выше проблемы, выявленные в известных из уровня техники устройствах.
Сущность изобретения
[0013] Данное изобретение предоставляет способ инжекции сверхзвуковых струй кислорода в расплав, размещенный внутри металлургической печи, имеющей нагретую печную атмосферу.
[0014] В соответствии с этим способом вводят поток кислорода в сопло, имеющее канал с сужающейся-расширяющейся конфигурацией. Следует заметить, что весь канал в целом не должен иметь сужающуюся-расширяющуюся конфигурацию, и фактически канал в соответствии с данным изобретением может иметь участок с сужающейся-расширяющейся конфигурацией, за которым следует прямолинейный цилиндрический участок, простирающийся до переднего конца сопла. Кроме того, термин «поток кислорода», использованный здесь и в формуле изобретения, охватывает равномерно перемешанные потоки, имеющие содержание кислорода по меньшей мере примерно 35 процентов по объему, остальное - инертный газ, такой как аргон. Однако в сталеплавильном производстве с продувкой кислородом предпочтительными являются концентрации кислорода в примерно 90 процентов и более. Топливо, содержащее водородсодержащее вещество, инжектируют в этот поток кислорода на внутренних окружных участках канала, которые расположены полностью внутри канала. При этом термин «водородсодержащее вещество» означает молекулярный водород или молекулы, содержащие водород, или любое вещество, содержащее атомы водорода, или же их комбинации. В результате внутри канала образуется объединенный топливо- и кислородсодержащий поток, имеющий структуру, состоящую из внешней периферийной области, содержащей смесь кислорода и топлива, и внутренней центральной области, окруженной внешней периферийной областью и содержащей кислород и по существу без топлива.
[0015] Поток кислорода вводят в сужающуюся впускную секцию канала при критическом давлении или выше него. В результате в центральной горловинной секции канала устанавливается режим течения со сверхкритическим перепадом давления, объединенный топливо- и кислородсодержащий поток ускоряется до сверхзвуковой скорости внутри расширяющейся выпускной секции канала, и этот объединенный топливо- и кислородсодержащий поток выпускается в виде структурированной струи из сопла в печную атмосферу. Структурированная струя имеет при выпуске из сопла структуру объединенного топливо- и кислородсодержащего потока и сверхзвуковую скорость.
[0016] При этом канал выполнен с внутренней поверхностью, не имеющей нарушений сплошности, способствующих замедлению внешней периферийной области объединенного топливо- и кислородсодержащего потока и воспламенению и сгоранию топлива внутри канала. Иными словами, предотвращают воспламенение и сгорание топлива при его нахождении внутри канала за счет невведения источника воспламенения и снабжения канала внутренней поверхностью, не прерываемой какими-либо нарушениями сплошности, на которых внешняя периферийная область могла бы в противном случае замедляться и предоставлять место для стабильного сгорания топлива.
[0017] Получают пламенную оболочку, которая окружает струю кислорода, образовавшуюся из внутренней центральной области структурированной струи, и которая первоначально имеет сверхзвуковую скорость. Пламенная оболочка сдерживает снижение скорости и снижение концентрации струи кислорода. Скорость могла бы в противном случае, без пламенной оболочки, снижаться вследствие взаимодействия струи кислорода с печной атмосферой. Такое взаимодействие также вызывает разбавление струи кислорода, давая снижение концентрации. Использованный здесь и в формуле изобретения термин «пламенная оболочка» означает пламя, которое окружает струю кислорода и распространяется вдоль ее длины за счет активного сгорания топлива и любых реагентов, которые могут присутствовать в пределах нагретой печной атмосферы, при этом такое сгорание поддерживается полностью или частично кислородом, поставляемым струей кислорода. В данном изобретении пламенную оболочку получают полностью вне сопла посредством соприкосновения внешней периферийной области структурированной струи с нагретой печной атмосферой. Это соприкосновение создает зону сдвигового перемешивания, содержащую горючую смесь, состоящую из топлива, кислорода и нагретой печной атмосферы, и самовоспламенение этой горючей смеси посредством тепла, поставляемого нагретой печной атмосферой.
[0018] Струю кислорода направляют в расплав, будучи окруженной пламенной оболочкой. При этом термин «расплав», использованный здесь и в формуле изобретения по отношению к сталеплавильной печи, ЭДП или КК, означает как слой шлака, так и расположенную ниже расплавленную ванну металла. В результате, в такой печи струя кислорода будет первоначально проникать в слой шлака. В случае металлургической печи, в которой не образуется слой шлака, «расплав», в который вводится струя кислорода, будет образован расплавленным металлом. Примером этого может являться емкость для рафинирования цветных металлов.
[0019] Хотя это не известно из уровня техники, выпуск структурированной струи, такой как описано выше, при соприкосновении с нагретой печной атмосферой будет давать область внутри внешней зоны сдвигового перемешивания, которая будет воспламеняться с образованием пламенной оболочки, которая будет окружать ее и сдерживать снижение скорости и снижение концентрации сверхзвуковой струи кислорода, образованной внутренней центральной областью структурированной струи. Это обеспечивает возможность позиционирования сопла по данному изобретению на некотором расстоянии от расплава и позволяет усилить выгодное перемешивающее действие на расплав.
[0020] Как указано выше и как известно из уровня техники, получение и инжекция струи кислорода, находящейся при сверхзвуковой скорости, предоставляет преимущество максимального увеличения количества кислорода, которое может реагировать с содержащимися в расплаве окисляемыми веществами в целях рафинирования, в то же самое время оказывая энергичное перемешивающее действие на расплав. В дополнение к этому, отсутствуют внешние топливные проходы, которые могут засоряться, что требует снятия фурмы с эксплуатации и удаления отложений, известных как настыль, с переднего конца сопла. Кроме того, как можно видеть из представленного выше описания, посредством данного изобретения устраняются недостатки, связанные со смешиванием, воспламенением и сгоранием кислород- и топливосодержащего потока в общем пространстве, поскольку предотвращается воспламенение и сгорание смеси топлива и кислорода при ее нахождении внутри сопла.
[0021] Объединенный топливо- и кислородсодержащий поток может быть полностью расширен при его выпуске в виде структурированной струи из сопла. Топливо может быть введено в поток кислорода при его нахождении внутри расширяющейся выпускной секции сопла. В качестве меры безопасности, объединенный топливо- и кислородсодержащий поток может быть перерасширен при его выпуске в виде структурированной струи из сопла, так что поток кислорода имеет при его нахождении внутри расширяющейся выпускной секции сопла давление ниже окружающего. Топливо может быть введено в поток кислорода на таком участке внутри расширяющейся выпускной секции, на котором поток кислорода находится при давлении ниже окружающего. В результате, при отказе системы подачи топлива кислород не будет протекать в обратном направлении через топливные проходы, создавая потенциально опасное состояние. Другим положительным результатом является то, что системе доставки топлива не требуется преодолевать избыточное противодавление кислорода, посредством чего минимизируется давление подачи, требуемое для доставки топлива в сопло.
[0022] Расширяющаяся выпускная секция сопла может простираться от центральной горловинной секции до переднего конца сопла, подвергающегося воздействию нагретой печной атмосферы. Другие возможности станут очевидными из подробного описания, представленного ниже.
[0023] Предпочтительно, сверхзвуковая скорость структурированной струи объединенных топлива и кислорода составляет по меньшей мере примерно 1,7 Маха.
[0024] Металлургическая печь может быть электродуговой печью. В таком случае топливо предпочтительно вводят в поток кислорода при коэффициенте избытка топлива между примерно 0,02 и примерно 0,14. В качестве альтернативы, металлургическая печь может быть кислородным конвертером. В таком случае топливо предпочтительно вводят в поток кислорода при коэффициенте избытка топлива между примерно 0,01 и примерно 0,06. При любом типе печи нагретая печная атмосфера будет содержать монооксид углерода, и горючая смесь, используемая при формировании пламенной оболочки, будет, в свою очередь, содержать монооксид углерода. Когда металлургическая печь является кислородным конвертером, сопло может быть установлено в водоохлаждаемой фурме на головке такой водоохлаждаемой фурмы. Понятно, однако, что применение данного изобретения не ограничивается такими печами и фактически оно может быть использовано в печи с нагретой печной атмосферой, которая не содержит монооксида углерода или любого другого вещества, которое может служить частью горючей смеси, используемой при формировании пламенной оболочки. Все, что необходимо в отношении «нагретой печной атмосфере», заключается в том, чтобы она обладала температурой, достаточной для того, чтобы вызвать самовоспламенение горючей смеси.
[0025] В любом варианте осуществления данного изобретения топливо может быть введено в поток кислорода на внутренних окружных участках канала посредством инжекции топлива в пористый металлический кольцевой элемент, имеющий внутреннюю кольцевую поверхность. Эта внутренняя кольцевая поверхность образует часть центральной горловинной секции или расширяющейся выпускной секции сужающегося-расширяющегося канала.
[0026] В другом аспекте способа по данному изобретению, применяемом к инжекции кислорода в расплав, размещенный внутри металлургической печи с нагретой печной атмосферой, содержащей монооксид углерода, потоки кислорода могут быть введены в сопла, имеющие каналы с сужающейся-расширяющейся конфигурацией, при этом сопла расположены на головке водоохлаждаемой фурмы и отклонены наружу от центральный оси водоохлаждаемой фурмы. Такая металлургическая печь может быть кислородным конвертером. Топливо, включающее водородсодержащее вещество, инжектируют в эти потоки кислорода вышеуказанным образом, формируя структурированные струи, пламенные оболочки и отдельные струи кислорода, которые первоначально имеют сверхзвуковую скорость. Водоохлаждаемая фурма может быть расположена внутри кислородного конвертера, и струи кислорода направлены в расплав.
[0027] В фурмах кислородных конвертеров имеется обычно от 3 до 6 сопел, и эти сопла отклонены наружу под углом между примерно 6 градусами и примерно 20 градусами от центральной оси. Как указано выше, в случае кислородного конвертера топливо может быть введено в потоки кислорода при коэффициенте избытка топлива между примерно 0,01 и примерно 0,06, и сверхзвуковая скорость каждой из структурированных струй объединенных топлива и кислорода может составлять по меньшей мере примерно 1,7 Маха. В частном варианте осуществления топливо может быть введено в топливную камеру, и сопла расположены проходящими через эту топливную камеру. Топливо вводят в каналы через топливные проходы, размещенные внутри головки фурмы и устанавливающие сообщение между внутренними окружными участками каналов и топливной камерой. При этом на каждый из каналов может иметься от примерно 4 до примерно 12 топливных проходов. Следует заметить, что может быть использовано меньше или больше топливных проходов.
Краткое описание чертежей
[0028] Несмотря на то что данное описание завершается формулой изобретения, ясным образом указывающей тот предмет, который заявители рассматривают в качестве своего изобретения, предполагается, что изобретение будет лучше понято при рассмотрении совместно с сопутствующими чертежами, на которых:
[0029] Фиг.1 представляет собой схематический вид в сечении сопла, создающего свободную струю кислорода в соответствии со способом уровня техники;
[0030] Фиг.2 представляет собой схематический вид в сечении сопла для проведения способа в соответствии с данным изобретением;
[0031] Фиг.3 является графическим представлением распределения осевого статического давления, которое развивается внутри сужающегося-расширяющегося канала, в котором внутренний поток полностью расширен при выходе из сопла.
[0032] Фиг.4 является графическим представлением распределения осевого статического давления внутри сужающегося-расширяющегося канала, в котором расширяющаяся выпускная секция сконструирована так, что кислород выталкивается из сопла в перерасширенном состоянии;
[0033] Фиг.5 является графическим представлением распределения осевого статического давления внутри сужающегося-расширяющегося канала, использующего цилиндрический удлинитель, который простирается от расширяющейся выпускной секции до переднего конца сопла, так что кислород выталкивается из сопла в недорасширенном состоянии;
[0034] Фиг.6 является графическим представлением количества топлива, требующегося для того, чтобы сформировать пламенную оболочку для струи кислорода с числом Маха 2, образованной соплом проиллюстрированного на Фиг.2 типа, в зависимости от длины струи, имеющей при этом сверхзвуковую скорость и осевую скорость в центре, составляющую примерно 92 процента от первоначальной скорости;
[0035] Фиг.7 является графическим представлением количества топлива, требующегося для того, чтобы сформировать пламенную оболочку для струи кислорода с числом Маха 2, образованной соплом проиллюстрированного на Фиг.12 типа, в зависимости от длины струи, имеющей при этом сверхзвуковую скорость и осевую скорость в центре, составляющую примерно 92 процента от первоначальной скорости;
[0036] Фиг.8 является графическим представлением радиального распределения давления торможения и концентрации газов в структурированной струе с числом Маха 2, сформированной способом в соответствии с данным изобретением;
[0037] Фиг.9 является графическим представлением концентрации газов и радиального распределения давления торможения в струе кислорода, окруженной пламенной оболочкой, сформированной способом в соответствии с данным изобретением, которую измеряли на таком расстоянии от переднего конца сопла, на котором осевая скорость в центре струи снизилась до примерно 92 процентов от первоначальной скорости в 2 Маха или 1600 футов в секунду на выходе из сопла;
[0038] Фиг.10 иллюстрирует схематическое изображение электродуговой печи с использованием кислородного инжектора для инжектирования струи кислорода при сверхзвуковой скорости в ванну расплавленного металла посредством применения способа в соответствии со способом по данному изобретению;
[0039] Фиг.11 иллюстрирует кислородный инжектор, использованный на Фиг.9;
[0040] Фиг.12 иллюстрирует альтернативный вариант кислородного инжектора по Фиг.11;
[0041] Фиг.13 иллюстрирует схематическое изображение кислородного конвертера с использованием водоохлаждаемой фурмы для инжектирования струй кислорода при сверхзвуковой скорости в ванну расплавленного металла посредством применения способа в соответствии со способом по данному изобретению;
[0042] Фиг.14 представляет собой схематическое изображение в сечении водоохлаждаемой фурмы, используемой на Фиг.13;
[0043] Фиг.15 представляет собой увеличенное изображение в сечении головки водоохлаждаемой фурмы, показанной на Фиг.14;
[0044] Фиг.16 представляет вид в поперечном сечении по Фиг.15 вдоль линии 15-15 на Фиг.15.
Подробное описание
[0045] Со ссылками на Фиг.1 и 2 функционирование известного из уровня техники сопла 1, которое используется для инжекции сверхзвуковой струи в металлургической печи, сравнивается с функционированием сопла 2 в соответствии с данным изобретением.
[0046] Сопло 1 имеет канал 10 с сужающейся-расширяющейся конфигурацией, который включает в себя сужающуюся впускную секцию 12, центральную горловинную секцию 14 и расширяющуюся выпускную секцию 16, заканчивающуюся на переднем конце 18 сопла. Когда поток кислорода инжектируется из подающего канала 19 в сужающуюся впускную секцию 12 канала 10, он претерпевает первоначальное расширение. Если давление кислорода вводимого в сопло 10 потока кислорода выше величины, называемой в данной области техники «критическим давлением» или «давлением расширения при 1 Махе», то в центральной горловинной секции 14, в которой кислород достиг звуковой скорости, достигается режим течения со сверхкритическим перепадом давления. Термин «звуковая скорость», используемый здесь и в формуле изобретения, означает скорость, которая имеет величину скорости звука. При режиме течения со сверхкритическим перепадом давления любое увеличение давления не будет увеличивать скорость кислорода внутри центральной горловинной секции 14. Внутри расширяющейся выпускной секции 16 сопла 10 течение кислорода становится сверхзвуковым по мере того, как кислород все более расширяется в этой секции. Как указано выше, хотя увеличение давления кислорода выше по течению относительно сужающейся впускной секции 12 сопла не будет увеличивать скорость кислорода внутри центральной горловинной секции 14, такое увеличение давления будет увеличивать скорость внутри расширяющейся выпускной секции 16 сопла 10.
[0047] На переднем конце 18 сопла струя кислорода 22 выпускается из сопла 10 в высокотемпературную печную атмосферу, которая находится обычно несколько выше атмосферного давления. В случае кислородного конвертера такое давление, как правило, примерно на 25 процентов выше атмосферного давления. При выпуске из переднего конца 18 сопла струя кислорода 22 первоначально имеет сверхзвуковую скорость.
[0048] В печи, которая используется для обработки стали, печная атмосфера содержит высокую концентрацию монооксида углерода вследствие реакции кислорода с углеродом, содержащимся в расплаве. По мере того как струя кислорода 22 простирается наружу из переднего конца 18 сопла, ее внешняя периферийная область будет иметь тенденцию взаимодействовать с печной атмосферой в зоне, которую называют зоной 24 сдвигового перемешивания, в которой печная атмосфера смешивается с кислородом, содержащимся в струе кислорода 22, посредством образования микрозавихрений. Несмотря на то что в зоне 24 сдвигового перемешивания может происходить сгорание присутствующего в печной атмосфере монооксида углерода, скорость такого сгорания монооксида углерода довольно низка и неэффективна для образования пламенной оболочки обсужденным выше образом. Фактически, существенное сгорание будет происходить лишь на некотором расстоянии от переднего конца 18 сопла, которое обычно превышает 6 диаметров сопла от переднего конца 18 сопла. Это расстояние перед сгоранием делает какое-либо окружение пламенем струи кислорода 22 неэффективным для предотвращения снижения скорости и снижения концентрации струи кислорода 22 таким образом, как это предполагается данным изобретением. Смешивание кислорода и печной атмосферы, которое происходит внутри зоны 24 сдвигового перемешивания, увеличивается вдоль длины струи кислорода 22, если смотреть от переднего конца 18 сопла, давая коническую область 25, в которой поток не подвергается процессу смешивания и фактически имеет такие же свойства, что и свойства, существующие на переднем конце 18 сопла. В данной области техники эту область называют потенциальной сердцевиной. Область течения за потенциальной сердцевиной 25 является той точкой, в которой скорость сверхзвуковой струи кислорода 22 впервые начинает снижаться ниже ее скорости на переднем конце сопла 18. Специалистам в данной области техники будет очевидно существование сверхзвуковой сердцевины 26, которая простирается вперед и включает в себя потенциальную сердцевину 25, в которой во всех точках скорость течения выше или равна 1 Маху. За пределами сверхзвуковой сердцевины скорость течения является субзвуковой во всех точках 27. По мере того как зона сдвигового перемешивания и реакции в конечном счете достигает оси струи, происходит переход к полностью развитой турбулентной и горящей струе.
[0049] Обращаясь к Фиг.2, на ней представлено сопло 2, которое сконструировано для проведения способа в соответствии с данным изобретением. Сопло 2 включает сужающийся-расширяющийся канал 28, в котором поток кислорода вводится из подающего канала 29 в сужающуюся впускную секцию 30, достигая звуковой скорости внутри центральной горловинной секции 32 при условиях течения со сверхкритическим перепадом давления. Сверхзвуковые скорости достигаются внутри расширяющейся выпускной секции 34, которая простирается от центральной горловинной секции 32 и заканчивается на переднем конце 36 сопла.
[0050] Топливо инжектируется на внутренних окружных участках 38 и 40 расширяющейся выпускной секции 34 посредством топливных проходов 42 и 44. Как будет понятно специалистам в данной области техники, топливные проходы 42 и 44 и, соответственно, внутренние окружные участки инжекции будут располагаться с постоянными интервалами внутри расширяющейся выпускной секции 26. Например, если желательны 4 точки инжекции, то будет 4 окружных участка, таких как 38 или 40, с угловым интервалом в 90 градусов один относительно другого, как это видно в поперечном направлении. При этом окружные участки, такие как 38 или 40, не должны находиться в одной и той же осевой плоскости. Они могут быть расположены в шахматном порядке.
[0051] Инжекция топлива дает объединенный топливо- и кислородсодержащий поток внутри сужающегося-расширяющегося канала 28, который продолжает ускоряться от точек инжекции, а именно внутренних окружных участков 38 и 40, по мере того как течение продолжает расширяться внутри расширяющейся выпускной секции 34. Установив условия течения со сверхкритическим перепадом давления, струя кислорода перед инжекцией топлива будет иметь сверхзвуковую скорость, и объединенный топливо- и кислородсодержащий поток будет далее ускоряться до более высоких сверхзвуковых скоростей по мере того, как течение приближается к переднему концу 36 сопла.
[0052] Инжекция топлива на окружных участках, например 38 и 40, придает такую структуру объединенному топливо- и кислородсодержащему потоку внутри сопла 2, которая имеет внешнюю периферийную область 46 и внутреннюю центральную область 48. Внешняя периферийная область образована смесью кислорода и топлива. Внутренняя центральная область 48 образована кислородом и по существу не содержит топлива.
[0053] Следует заметить, что хотя окружные участки, например 38 и 40, показаны размещенными внутри расширяющейся выпускной секции 34, они могут также быть размещены внутри центральной горловинной секции 32 или даже сужающейся впускной секции 30. Из практических соображений и по соображениям безопасности, предпочтительное место расположения топливного инжектора находится в расширяющейся выпускной секции 34. Однако изобретение было бы эффективным, если бы топливные инжекторы были размещены в верхнем течении потока кислорода вокруг входа в сужающееся-расширяющееся сопло. Однако такое размещение было бы неблагоприятным с точки зрения безопасности и ограничений давления топлива.
[0054] В отличие от уровня техники, не происходит воспламенения и сгорания внутри сопла 2. Однако существует опасность такого сгорания вследствие высоких температур печи и того факта, что кислород и топливо смешиваются внутри очень ограниченного пространства. Поэтому, как указано выше, наиболее безопасным решением является инжекция топлива в той точке, где достигаются низкие температуры и высокие скорости вследствие расширения течения. Следовательно, наиболее безопасные точки инжекции топлива будут находиться в расширяющейся выпускной секции 34 вследствие того, что в этой секции достигаются наименьшие температуры и наибольшие скорости из-за расширения кислорода и продолжающегося расширения объединенного топливо- и кислородсодержащего потока.
[0055] На переднем конце 36 сопла объединенный топливо- и кислородсодержащий поток выпускается в виде структурированной струи 50, которая имеет такую же структуру, что и объединенный топливо- и кислородсодержащий поток, протекающий внутри сужающегося-расширяющегося канала 28 сопла 2. Как и в свободной струе, полученной с помощью сопла 1, внешняя периферийная область структурированной струи 50 начнет взаимодействовать с нагретой печной атмосферой, образуя зону 52 сдвигового перемешивания, в которой будут смешиваться топливо, кислород и нагретая печная атмосфера. Это смешивание вместе с теплом, предоставляемым нагретой печной атмосферой, будет вызывать самовоспламенение и истечение возникающей в результате этого пламенной оболочки 54 из переднего конца 36 сопла. Вследствие воспламенения зона 52 сдвигового перемешивания будет также содержать нагретые продукты сгорания. Следует заметить, что пламенная оболочка 54 не обязательно должна соединяться с передним концом 36 сопла, чтобы быть эффективной. Пламенная оболочка 54 должна, однако, формироваться по меньшей мере в непосредственной близости к переднему концу 36 сопла, например в пределах между примерно 1 и примерно 2 диаметрами сопла. Как указано выше, печная атмосфера не должна обязательно содержать монооксид углерода или любое другое вещество, которое реагировало бы с образованием пламени. Все, что необходимо иметь, это температура, чтобы вызвать самовоспламенение.
[0056] Пламенная оболочка 54 будет служить сдерживанию снижения скорости и снижения концентрации струи кислорода 56, которая образована из внутренней центральной области 48 объединенного топливо- и кислородсодержащего потока. В случае сопла 2 пламенная оболочка простирается от переднего конца 36 сопла или, по меньшей мере, от зоны в непосредственной близости от него, вследствие того что топливо, используемое при образовании пламенной оболочки 54, содержит водородсодержащее вещество, которое реагирует намного быстрее, чем топливо, которое может присутствовать в нагретой печной атмосфере, такое как один лишь монооксид углерода. Типичными видами газообразного топлива могут быть водород, природный газ, метан, пропан, нефтяной газ, коксовый газ, синтез-газ, ацетилен или испаренное и/или пиролизованное жидкое или газообразное топливо или его смеси с инертным газом и/или монооксидом углерода. Типичными видами жидкого топлива может быть углеводородное топливо - жидкие нефтепродукты, керосин или бензин, которое было предварительно распылено до газа или пара, содержащего капельки топлива, или же распылено под действием самого потока кислорода. Другие газообразные и жидкие водородсодержащие неуглеводородные топлива также могут быть пригодны для использования в данном изобретении и включают в качестве примеров спирт и аммиак.
[0057] По сравнению со струей, полученной с помощью сопла 1, потенциальная и сверхзвуковая сердцевины 55 и 56, полученные с помощью сопла 2, много длиннее, а значит, струя кислорода, сформированная в соответствии с данным изобретением, позволит разместить сопло 2 на большем расстоянии от поверхности расплава и увеличить степень перемешивания расплава по сравнению с тем, что возможно при использовании инжекции одного лишь кислорода. Вместе с этим, поскольку уже нет дополнительных отверстий в переднем конце 36 сопла, из которых инжектируются топливо и кислород, то отсутствует потенциальная возможность забивания таких отверстий.
[0058] Как указано выше, не происходит сгорания внутри сопла 2. Как проиллюстрировано, ниже по течению относительно внутренних окружных участков 38 и 40, на внутренней поверхности расширяющейся выпускной секции 34 нет никаких нарушений сплошности (от англ. «discontinuities»), которые могли бы способствовать замедлению смеси топлива и кислорода, содержащихся в объединенном топливо- и кислородсодержащем потоке, и которые могли бы предоставлять место для протекания стабильного сгорания топлива в случае, если смесь воспламенена. При этом замедление объединенного топливо- и кислородсодержащего потока будет вызывать циркуляцию посредством завихрений и поэтому дополнительное перемешивание топлива и кислорода и потенциальную возможность сгорания смеси.
[0059] Потенциальная возможность воспламенения топлива и кислорода существует тогда, когда расход кислорода уменьшается таким образом, что сопло 2 находится, как говорят, в режиме «недодува». Эта ситуация может возникнуть при нештатных условиях работы, обусловленных недостаточной подачей кислорода, или при других обстоятельствах, при которых поток кислорода преднамеренно уменьшается во время процесса рафинирования. В результате уменьшения расхода кислорода может происходить отделение течения объединенного топливо- и кислородсодержащего потока от внутренней поверхности сужающегося-расширяющегося канала 28. Это приведет к образованию зазора, создавая пространство для того, чтобы нагретая печная атмосфера проникала в сопло 2, смешивалась с топливом и кислородом и предоставляла достаточно тепла для воспламенения смеси. Этот режим недодува также дает перерасширенную струю, что, как будет рассмотрено ниже, может быть полезным. Однако, даже когда происходит рассмотренный выше процесс, нет мест, на которых следует стабилизировать пламя внутри сопла, из-за отсутствия нарушений сплошности внутренней поверхности внутри сопла, таких как канавки, используемые в уровне техники для стабилизации пламени.
[0060] Обращаясь к Фиг.3, там показано полученное экспериментальным путем распределение статического давления внутри сужающегося-расширяющегося сопла, в котором выходящий из сопла поток полностью расширен. Результаты измерений были получены на сужающемся-расширяющемся сопле с диаметром выхода 0,81 дюйма и диаметром горловины 0,62 дюйма. Сопло было сконструировано для обеспечения расхода примерно 36000 стандартных кубических футов в час (scfh) при подаче под давлением примерно 100 фунтов на кв. дюйм избыточного давления (psig), и при этом струя кислорода, выпускаемая в окружающий воздух, выходит из сопла полностью расширенной при скорости 2 Маха и 1600 футов в секунду (fps). Термин «полностью расширенный», использованный здесь и в формуле изобретения, означает, что поток, выпущенный из сопла, имеет внутреннее статическое давление, которое примерно равно окружающему давлению в металлургической печи. Обращаясь к Фиг.4, на ней показано полученное экспериментальным путем распределение статического давления для случая, в котором выходящая из сопла струя является перерасширенной. Термин «перерасширенный», использованный здесь и в формуле изобретения, означает, что выходящая из сопла струя имеет более низкое внутреннее статическое давление, чем окружающая атмосфера печи. Хотя внутреннее статическое давление струи уменьшилось, выходящая из сопла струя остается сверхзвуковой. Будет ли выходящая из сопла струя полностью расширенной или перерасширенной, зависит от конструкции сопла и разности давления между подаваемым кислородом и печной атмосферой. В перерасширенном случае, показанном на Фиг.4, длина расширяющейся выпускной секции была увеличена посредством предусматривания удлинителя на вышеуказанном сопле и увеличенного до 0,89 дюйма диаметра выхода. Такие конструктивные соображения хорошо известны специалистам в данной области техники.
[0061] Обращаясь к Фиг.5, канал сопла, проиллюстрированного на Фиг.2, снабжен цилиндрическим удлинителем, который простирается от расширяющейся выпускной секции до переднего конца сопла. Влияние данного удлинителя заключается в увеличении статического давления выпускаемого из сопла потока на переднем конце сопла. Поскольку внутреннее статическое давление течения внутри сопла, проиллюстрированного на Фиг.5, выше давления в печной атмосфере, то струя выталкивается, как говорят, недорасширенной. Изобретение может быть реализовано на практике при использовании такой недорасширенной струи.
[0062] Как очевидно из фигур, соответствие между изоэнтропическими расчетами (не принимая во внимание фрикционные эффекты), расчетами методом Фанно (на Фиг.5 приняты во внимание фрикционные эффекты для сверхзвукового течения) и измерениями фактического давления, проведенными посредством измерения давления в точке отбора («P-tap»), является очень близким. Добавление топлива с получением структурированной струи, такой как структурированная струя 50, имело бы небольшое влияние на результаты расчетов и измерений, представленные на фигурах. Поэтому сопло в соответствии с данным изобретением может быть рассчитано на получение структурированной струи, которая является полностью расширенной, перерасширенной или недорасширенной, и может включать цилиндрический или конический удлинители расширяющейся выпускной секции с тем, чтобы формировать соответственно недорасширенный и перерасширенный потоки.
[0063] Перерасширенный случай, представленный на Фиг.4, может быть использован таким образом, что поток кислорода и объединенный топливо- и кислородсодержащий поток могут иметь давление ниже окружающего на участках внутри расширяющейся выпускной секции сужающегося-расширяющегося канала сопла. Расширяющаяся выпускная секция 34 сопла 2 может быть спроектирована обеспечивать перерасширенную структурированную струю. Преимущество такого варианта осуществления заключается в том, что окружные участки могут быть расположены на таком участке с давлением ниже окружающего, так что если по каким-либо причинам имеет место прерывание подачи топлива вследствие отказа оборудования, то поток кислорода не будет проникать в каналы 42 и 44, создавая потенциальную возможность сгорания топлива вне сопла и внутри оборудования, использованного для подачи топлива под давлением. Другим преимуществом этого варианта осуществления является то, что источнику подачи топлива не требуется преодолевать избыточное противодавление кислорода, посредством чего устраняется необходимость в сжатии топлива выше давления, под которым оно обычно поступает с промышленных топливозаправочных станций.
[0064] Обращаясь к Фиг.6, были проведены эксперименты для исследования влияния скорости инжекции топлива на сохранение сверхзвуковой струи кислорода. Метан и кислород подавали в сопло того типа, который проиллюстрирован соплом, представленным на Фиг.2, при следующих экспериментальных условиях. Сопло функционировало внутри установки лабораторной печи, в которой была создана окружающая среда, состоящая из газовой смеси нагретого и сухого (безводородного) монооксида углерода (примерно 70 объемных процентов) и диоксида углерода (примерно 30 объемных процентов) при примерно 3000°F («Испытание в печи А»). Сужающееся-расширяющееся сопло было рассчитано выдавать полностью расширенную структурированную струю с расходом кислорода 4000 стандартных кубических футов в час при подаче кислорода под избыточным давлением 100 фунтов на кв. дюйм. Сопло имело диаметры выхода и горловины соответственно 0,266 дюйма и 0,203 дюйма. Общая длина сопла составляла 0,75 дюйма, а суммарная длина сужающейся впускной и центральной горловинной секций составляла 0,203 дюйма. Диаметр канала выше по течению относительно сопла составлял примерно 0,38 дюйма. При этих условиях подачи струя выходила из сопла со скоростью примерно 2 Маха и примерно 1600 футов в секунду. Метан инжектировали в 4 расположенных с равным интервалом просверленных отверстия, каждое из которых имело диаметр 0,031 дюйма и было наклонено по отношению к оси основного кислородного сопла на примерно 42 градуса. Метан инжектировали в расширяющуюся выпускную секцию сопла в месте, которое давало противодавление кислорода примерно 12 фунтов на кв. дюйм изб. давления. Метан инжектировали в поток кислорода и изменяли его расход от 0 до примерно 4,5 процента от расхода кислорода. Для подачи 2 процентов метана требовалось давление подачи примерно 15 фунтов на кв. дюйм изб. давления, и это приводило к скорости метана примерно 590 футов в секунду и примерно 0,4 Маха. Трубку Пито использовали для измерения осевого давления торможения в центре струи, соответствующего произвольному расстоянию от выхода из сопла «L». Эта длина была установлена соответствующей тому расстоянию от выхода из сопла, на котором осевая скорость в центре струи уменьшилась до примерно 1,74 Маха, что соответствовало скорости примерно 1470 футов в секунду или примерно 92% от скорости на выходе из сопла. Измеренные значения затем делили на диаметр выхода из сопла, «D», чтобы вычислить параметр «L/D», представленный на оси ординат (оси y) графика на Фиг.6. Параметр «L/D» характеризует то местоположение на центральной осевой линии струи, которое находится вне потенциальной сердцевины и внутри сверхзвуковой сердцевины. Как можно видеть на Фиг.3, с увеличением расхода инжектируемого метана длина струи возрастает и достигает примерно в 1,9 раза большего значения по сравнению с первоначальной длиной, относящейся к нагретой и реакционно-способной окружающей среде при отсутствии инжекции топлива. На графике Фиг.6 также имеется величина «L/D», измеренная в окружающем воздухе при тех же самых условиях функционирования сопла.
[0065] Следует заметить, что эксперименты подтвердили, что инжекция топлива таким образом, который минимизирует нарушение струи кислорода (т.е. плавная инжекция), является наиболее эффективным способом получения структурированных струй, которые способны давать наиболее длинные струи для заданного расхода топлива. В этом отношении, обращаясь к Фиг.7, были проведены эксперименты для исследования влияния скорости инжекции топлива на сохранение сверхзвуковой струи кислорода в отношении сопла того типа, который показан на Фиг.12. Такое сопло включает инжекцию топлива через пористый металл и приводит к наименьшему нарушению струи кислорода вследствие инжекции топлива. Такие эксперименты проводились при следующих условиях. Сопло функционировало внутри установки лабораторной печи, в которой была создана окружающая среда, состоящая из газовых смесей нагретого и сухого (безводородного) монооксида углерода (примерно 70 объемных процентов) и диоксида углерода (примерно 30 объемных процентов) при примерно 3000°F («Испытание в печи»). Все «Испытания в печи», представленные на Фиг.7, проводили при идентичных условиях с тем, чтобы быть уверенным, что полученные результаты были точными и воспроизводимыми. Сужающееся-расширяющееся сопло было рассчитано выдавать полностью расширенную структурированную струю с расходом кислорода 4000 стандартных кубических футов в час при подаче кислорода под избыточным давлением 100 фунтов на кв. дюйм. Сопло имело диаметры выхода и горловины соответственно 0,266 дюйма и 0,203 дюйма. Общая длина сопла составляла 0,75 дюйма, а суммарная длина сужающейся впускной и центральной горловинной секций составляла 0,203 дюйма. Диаметр канала выше по течению относительно сопла составлял примерно 0,38 дюйма. При этих условиях подачи струя выходила из сопла со скоростью 2 Маха и примерно 1600 футов в секунду. Метан инжектировали в поток кислорода и изменяли его расход от 0 до примерно 7,25 процента от расхода кислорода. Трубку Пито использовали для измерения осевого давления торможения в центре струи, соответствующего произвольной шкале длины «L» на Фиг.8. Шкала длины «L» была установлена соответствующей тому расстоянию от выхода из сопла, на котором осевая скорость в центре струи уменьшилась до примерно 1,74 Маха, что соответствовало скорости 1470 футов в секунду или примерно 92% от скорости на выходе из сопла. Измеренные значения затем делили на диаметр выхода из сопла, «D», чтобы вычислить параметр «L/D», представленный на оси ординат (оси y) графика на Фиг.7. Расстояние «L/D» характеризует то местоположение вдоль центральной осевой линии струи, которое находится вне потенциальной сердцевины и внутри сверхзвуковой сердцевины.
[0066] Как очевидно из Фиг.6 и 7, расход метана оказывает влияние на длину струи кислорода лишь до точки в примерно 5 процентов от расхода кислорода. В этой точке добавление дополнительного топлива не оказывало влияния на длину сверхзвуковой струи кислорода. Ниже примерно 2,5 процента длина сверхзвуковой струи кислорода сильно зависела от расхода инжектируемого метана. Следовательно, инжекция метана с расходом между примерно 2,5 процента и примерно 5 процентами эффективна для максимального увеличения длины сверхзвуковой струи кислорода. Однако, как может быть понятно специалистам в данной области техники, «захватывание водорода», вызванное инжекцией водорода или углеводородов в содержащий сталь расплав, когда требуется регулирование химического состава расплава посредством добавления кислорода, нежелательно. Соответственно, в кислородном конвертере примерно от 1,5 процентов метана до примерно 3 процентов метана дают среднее между потребностью в увеличении длины струи без инжекции излишнего топлива в расплав.
[0067] Поскольку фактические расходы топлива и кислорода будут изменяться с конструкцией сопла, требуемыми условиями рафинирования, например размером печи, и конкретным используемым топливом, то полагают, что результаты вышеизложенных экспериментов могут быть обобщены, будучи переведенными в коэффициент избытка топлива (отношение эквивалентности), то есть отношение фактически используемых топлива к кислороду, разделенное на отношение топлива к кислороду, требуемое для достижения стехиометрического сгорания. При этом для электродуговой печи коэффициент избытка топлива предпочтительно находится между примерно 0,02 и примерно 0,14. Для кислородного конвертера коэффициент избытка топлива должен составлять между примерно 0,01 и примерно 0,06.
[0068] Другим важным моментом является то, что сопло или фурма, содержащая это сопло, предпочтительно позиционируется по отношению к расплаву таким образом, что струя кислорода при входе в расплав находится в сверхзвуковой сердцевине. Более конкретно, струя кислорода при входе в расплав предпочтительно имеет скорость примерно 90 процентов от скорости струи при истечении из сопла или сопел. Сопло или фурма могут быть позиционированы на большем расстоянии по отношению к расплаву и тем самым иметь меньшую скорость при входе в расплав или же на меньшем расстоянии от него и тем самым иметь более высокую скорость при входе в расплав. Однако чем ближе фурма располагается к расплаву, тем короче срок службы данной фурмы. Для электродуговой печи данные на Фиг.6 и 7, в случае конкретных конструкций сопла и инжекции топлива, могли бы быть использованы для позиционирования сопла по отношению к расплаву. При этом следует сделать соответствующие корректировки на фактические условия эксплуатации, например высоту расплава внутри печи. В печи-кислородном конвертере (КК) существует профиль дутья, который основан на многих известных факторах, в котором изменяется положение фурмы. Поэтому в случае КК такие данные могли бы быть использованы в качестве руководства для выполнения работ, при которых максимизируется скорость струи при входе в расплав и т.п., при этом большей частью струя кислорода будет находиться в виде сверхзвуковой сердцевины при входе в расплав и иногда фурма будет позиционирована таким образом, что струя кислорода будет находиться за пределами сверхзвуковой сердцевины. Например, если случается выброс, то фурма может быть отведена назад от расплава.
[0069] Обращаясь к Фиг.8, структура структурированной струи графически проиллюстрирована для сопла, такого как в варианте осуществления, представленном на Фиг.12, наблюдавшаяся на осевом расстоянии от переднего конца сопла, составляющем 1 диаметр сопла. Для целей этого эксперимента сопло функционировало внутри установки лабораторной печи, которая могла создавать окружающую среду, состоящую из газовых смесей нагретого и сухого (безводородного) монооксида углерода (примерно 70 объемных процентов) и диоксида углерода (примерно 30 объемных процентов) при примерно 3000°F («Испытание в печи»). Сужающееся-расширяющееся сопло было рассчитано выдавать полностью расширенную структурированную струю с расходом кислорода 4000 стандартных кубических футов в час при подаче кислорода под избыточным давлением 100 фунтов на кв. дюйм. При этих условиях подачи струя выходила из сопла со скоростью примерно 2 Маха и примерно 1600 футов в секунду. Сопло имело диаметры выхода и горловины соответственно 0,266 дюйма и 0,203 дюйма. Общая длина сопла составляла 0,75 дюйма, а суммарная длина сужающейся впускной и центральной горловинной секций составляла 0,203 дюйма. Диаметр канала выше по течению относительно сопла составлял 0,38 дюйма. Метан инжектировали в поток кислорода через пористый металлический распределитель (такой как будет рассмотрен ниже в отношении варианта осуществления, представленного на Фиг.11) при расходе примерно 3,4 процента от расхода кислорода. Трубку Пито использовали для измерения радиального профиля давления торможения структурированной струи. Трубку Пито также использовали в качестве зонда засасывания, а также измеряли радиальный профиль состава структурированной струи. Таким образом, локальное давление торможения струи могло быть затем непосредственно сопоставлено с локальным составом потока. Пробы газа анализировали на содержание кислорода, монооксида углерода, диоксида углерода, метана и водорода.
[0070] На внешней периферии струи r/R=1 (где «r» - местоположение трубки Пито и «R» - радиус выпускного отверстия на переднем конце сопла) имеет место наибольшая концентрация метана, указывающая на то, что топливо сконцентрировано во внешней периферийной области струи в виде смеси метана и кислорода. Эта область соответствует внешней периферийной области 46 структурированной струи 50, показанной на Фиг.2. В местоположениях r/R>1 печная атмосфера начинает смешиваться с топливо- и кислородсодержащей смесью в зоне 52 сдвигового перемешивания и реакции, на что указывает присутствие монооксида углерода и диоксида углерода, а также уменьшение концентрации метана и кислорода. Внутрь от внешней периферии сопла в направлении, взятом от r/R=1 до центральной оси сопла, r/R=0, концентрация кислорода подскакивает до примерно 100 процентов. Сгорания внутри сопла 0<r/R<1 не происходит, на что указывает отсутствие обнаружения монооксида углерода и диоксида углерода. Эта область соответствует внутренней центральной области 56 структурированной струи 50. В то же время измеренное давление торможения струи приближается к величине, ожидаемой для струи кислорода с числом Маха 2, принимая во внимание потерю давления, связанную с присутствием ударной волны, формирующейся выше по течению относительно трубки Пито.
[0071] Обращаясь к Фиг.9, на большем осевом расстоянии, составляющем примерно 41 диаметр сопла, давление торможения в центре струи уменьшилось до примерно 50 фунтов на кв. дюйм изб. давления, и в этой точке число Маха снизилось до примерно 1,74, а скорость снизилась до примерно 1470 футов в секунду или примерно 92% от первоначальной скорости струи. В этом местоположении осевой поток находится вне потенциальной сердцевины и внутри сверхзвуковой сердцевины. Как можно видеть, радиальный профиль давления снижается от центральной оси струи. На расстоянии примерно 41 диаметр сопла струя образована в основном кислородом в местоположениях примерно 0<r/R<1,5. По мере того как сверхзвуковая струя кислорода замедляется, струя кислорода расширяется, на что указывает количество кислорода, обнаруженное в радиальных местоположениях 1,5<r/R<7,5. На таком расстоянии от выхода из сопла имеется очень мало метана вследствие того, что метан был окислен перед этой точкой, на что указывает присутствие монооксида углерода и диоксида углерода.
[0072] Обращаясь к Фиг.10, на ней проиллюстрирована электродуговая печь 60, которая сконструирована для плавления и рафинирования стального лома. Стальной лом загружают путем его завалки в электродуговую печь 60 через верх. Угольные электроды 62 выступают в печь, чтобы образовать дугу, которая плавит лом и нагревает получающуюся расплавленную ванну металла 64.
[0073] В печах для рафинирования железа, таких как проиллюстрированная электродуговая печь 60 или кислородный конвертер, который будет описан ниже, кислород, введенный в расплав, окисляет небольшую часть железа, а углерод объединяется с окисленным железом с образованием монооксида углерода. Монооксид углерода в основном образуется растворенным углеродом, объединяющимся с кислородом. Некоторая часть монооксида углерода, в свою очередь, окисляется с образованием диоксида углерода. Пузырьки монооксида углерода поднимаются к поверхности расплавленной ванны металла 64, где они поступают в слой шлака 66. Слой шлака 66 образуется за счет окисления примесей и металлических элементов в расплаве, например фосфора, железа, кремния и марганца, и растворения образовавшихся оксидов флюсующими материалами, такими как известь и доломит, которые добавляют в печь, как известно в данной области техники. Обычно нагретая печная атмосфера, расположенная выше расплавленной ванны металла 64, содержит монооксид углерода, диоксид углерода и может иметь температуру между примерно 2500°F и примерно 3500°F.
[0074] Окисление углерода, монооксида углерода и шлакообразующих элементов происходит за счет инжекции кислорода посредством кислородного инжектора 68, который инжектирует струю кислорода 70, обладающую сверхзвуковой скоростью, в расплавленную ванну шлака и металла 64. Как будет обсуждаться ниже, кислородный инжектор 68 включает в себя сопло, которое функционирует таким же образом, что и рассмотренное выше сопло 2, образуя пламенную оболочку 72, которая окружает струю кислорода 70 и фактически соприкасается с поверхностью расплавленной ванны шлака и металла 64. Обычно в конце процесса рафинирования газообразный кислород объединяется с углеродом внутри ванны расплавленного металла 64 с получением стали с требуемым содержанием углерода, и оно может составлять менее примерно 0,02 процента для низкоуглеродистых сталей.
[0075] Хотя это не проиллюстрировано, но, как известно в данной области техники, кислородный инжектор 68 установлен внутри блока в стенке 74 печи, которая охлаждается водой. Также, хотя и это не проиллюстрировано, может быть предусмотрено сопло для инжекции кислорода, чтобы объединить его с монооксидом углерода в нагретой печной атмосфере. Частицы углерода также могут быть инжектированы способом, известным в данной области техники, чтобы регулировать свойства шлака и дополнительно регулировать содержание углерода в стали.
[0076] Обращаясь к Фиг.11, на ней проиллюстрирован кислородный инжектор 68. Кислородный инжектор 68 обладает цилиндрической конфигурацией и имеет головку 80 фурмы, которая расположена на конце топливопровода 82. Предпочтительно головка 80 фурмы изготовлена из меди. Топливопровод 82 имеет топливный впуск 84 для поступления топлива, такого как природный газ, и, как проиллюстрировано, может включать резьбовой фитинг для присоединения к топливному шлангу или другому трубопроводу для подачи топлива. По центру внутри топливопровода 82 расположен кислородопровод 86, имеющий кислородный впуск 87 для подачи кислорода. Кислородный впуск 87 может также быть в виде резьбового фитинга для присоединения к шлангу или другому трубопроводу для подачи кислорода. Топливо протекает через кольцевое пространство 88, образованное между топливопроводом 82 и кислородопроводом 86, а кислород протекает внутри кислородопровода 86 в сужающийся-расширяющийся канал 90.
[0077] Сужающийся-расширяющийся канал 90 имеет сужающуюся впускную секцию 92, сформированную внутри конца кислородопровода 86, центральную горловинную секцию 94 и расширяющуюся выпускную секцию 96, которая заканчивается на переднем конце 98 сопла головки 80 фурмы. Разность давления между подаваемым кислородом и печной атмосферой, имеющейся на переднем конце 98 сопла, такова, что внутри центральной горловинной секции 94 сужающегося-расширяющегося канала 90 может быть установлен режим течения со сверхкритическим перепадом давления.
[0078] Топливо протекает из кольцевого пространства 88 в топливные проходы, каждый из которых имеет секции 100 и 101, которые заканчиваются внутри расширяющейся выпускной секции 96 сужающегося-расширяющегося канала 90 на внутренних окружных участках, определенных отверстиями 102, через которые топливо инжектируется в кислород, протекающий внутри расширяющейся выпускной секции 96. В частном варианте осуществления имеется 4 топливных прохода, завершающихся в 4 расположенных с равным интервалом отверстиях 102, как это видно в направлении, перпендикулярном переднему концу 98 сопла.
[0079] Следует подчеркнуть, что хотя фурма 68 проиллюстрирована в связи с использованием в электродуговой печи, она может быть также использована и в других металлургических печах, таких как, например, емкости для выплавки и рафинирования цветных металлов.
[0080] Обращаясь к Фиг.12, на ней проиллюстрирована головка 80' фурмы, которая является модификацией головки 80 фурмы, представленной на Фиг.11. Головка 80' фурмы может быть образована двумя секциями 80а и 80b. Хотя это и не проиллюстрировано, секция 80b может быть прикреплена к секции 80а посредством резьбовых соединителей, таких как крепежные винты, или другими способами, например сваркой. Кислород подается в сужающийся-расширяющийся канал таким же образом, что и в инжекторе, представленном на Фиг.11. Кроме того, секция 101 топливного прохода направляет топливо в углубление 104, образованное внутри секции 80а с кольцевой конфигурацией. Внутри этого углубления 104 установлен кольцевой металлический пористый элемент 106 для подачи топлива в расширяющуюся выпускную секцию 96 сужающегося-расширяющегося канала 90. Использование таких пористых металлических элементов для инжекции топлива обладает преимуществом получения чрезвычайно однородной смеси топлива и кислорода во внешней периферийной области структурированной струи при одновременном обеспечении способа инжекции топлива при низкой скорости с тем, чтобы минимально нарушать поток кислорода. Такие пористые металлические элементы также известны как пористые металлы, спеченные металлы и металлические пены и могут быть получены в продаже. Такого рода инжекция может быть использована в любом варианте осуществления данного изобретения.
[0081] Обращаясь к Фиг.13, на ней проиллюстрирован кислородный конвертер 110, в котором чугун, содержащийся в ванне расплавленного металла 112, должен быть рафинирован до стали. Для этих целей предусмотрена водоохлаждаемая фурма 114, чтобы инжектировать сверхзвуковые струи кислорода 116 в ванну расплавленного металла 112. Струи кислорода 116 инжектируются, будучи окруженными отдельными пламенными оболочками 120, которые сформированы способом в соответствии с данным изобретением, как рассмотрено выше.
[0082] В кислородно-конвертерном процессе расплавленный чугун, обычно транспортируемый из доменной печи, загружается вместе с ломом в кислородный конвертер 110. Струи кислорода 116 инжектируются в конвертер для обезуглероживания жидкого чугуна и генерации теплоты реакции, требующейся для плавления лома. Кислород окисляет углерод, часть железа и примеси, присутствующие в ванне расплавленного металла 112, такие как кремний, марганец и фосфор, с образованием нарастающего слоя шлака 124.
[0083] Обращаясь к Фиг.14, на ней проиллюстрированы подробности конструкции фурмы 114. Следует подчеркнуть, что хотя фурма 114 проиллюстрирована в связи с использованием в кислородном конвертере, она может быть также использована в других металлургических печах, таких как, например, электродуговые печи, емкости для выплавки и рафинирования цветных металлов и печи с вращающимся подом. Фурма 114 снабжена центральным кислородопроводом 130, который простирается от впуска, не показан, до головки 134 фурмы. Кислородопровод 130 подает кислород к соплам 136, имеющим сужающиеся-расширяющиеся каналы 138, которые заканчиваются на переднем конце 140 сопла, находящемся в головке 134 фурмы. Внутри кислородопровода 130 соосно ему расположен топливопровод 142, который заканчивается топливной камерой 144.
[0084] Дополнительно обращаясь к Фиг.15 и 16, топливные проходы 146 устанавливают сообщение между топливной камерой 144 и отверстиями 145, образованными внутри расширяющихся выпускных секций 148 сужающихся-расширяющихся каналов 138, чтобы инжектировать топливо в поток кислорода, ускоренный до сверхзвуковых скоростей внутри сужающихся-расширяющихся каналов 138. При этом каждый из сужающихся-расширяющихся каналов 138 имеет сужающуюся впускную секцию 150, центральную горловинную секцию 152 и расширяющуюся выпускную секцию 148, в которую инжектируется топливо. Отверстия 145 являются поэтому внутренними окружными участками для инжекции топлива в сужающиеся-расширяющиеся каналы 138, чтобы сформировать структурированные струи, которые взаимодействуют с печной атмосферой предусмотренным в соответствии с данным изобретением образом, с получением струй кислорода 116, окруженных отдельными пламенными оболочками 120. В проиллюстрированном варианте осуществления, поскольку имеется 4 сопла 136, получают 4 струи кислорода 116, которые окружены 4 отдельными пламенными оболочками 120.
[0085] В проиллюстрированном варианте осуществления имеется 8 топливных проходов 146 и поэтому 8 отверстий 145 для каждого из сопел 136. Варианты осуществления данного изобретения предпочтительно имеют, тем не менее, от примерно 4 до примерно 12 топливных проходов на каждое сопло. Кроме того, имеется 4 сопла 136, находящихся внутри головки 134 фурмы. В зависимости от размера кислородного конвертера, а значит, и размера фурмы, типичные устройства будут включать от 3 до 6 сопел. При этом сопла, опять же в зависимости от размера печи, будут обычно отклонены наружу под углом между примерно 6 градусами и примерно 20 градусами от центральной оси фурмы. Тем не менее, возможно сконструировать водоохлаждаемую фурму с единственным соплом, таким как сопло 136, чтобы получить единственную струю кислорода и единственную пламенную оболочку для сдерживания ослабления струи кислорода.
[0086] При дополнительном обращении к Фиг.13 и продолжающемся обращении к Фиг.14 и 15, топливопровод 142 поддерживается в заданном положении рядом распорных элементов 156, которые проходят радиально наружу от топливопровода 142 до кислородопровода 130. Может быть предусмотрен обратный клапан 158 с тем, чтобы предотвратить противоток кислорода в топливо в случае отказа оборудования, которое используется для введения топлива в топливопровод 142.
[0087] Фурма 114 охлаждается водой и снабжена наружной рубашкой со сформированными в ней внутренним водоподводящим проходом 160, образованным между водопроводом 162 и кислородопроводом 130, и водоотводящим проходом 164, образованным между водопроводом 162 и внешней оболочкой 166 фурмы 114. Вода подается в фурму 114 через впуск 168 воды и протекает через водоподводящий проход 160 в направлении, указанном стрелкой «А», к водоотводящему проходу 164 в направлении, указанном стрелкой «В», после чего вода выпускается из выпуска 170 воды.
[0088] Как можно лучше видеть на Фиг.13, кислородопровод 138 снабжен передней оконечной секцией 172, которая поддерживается на месте кольцевыми высокотемпературными уплотнениями 172. Аналогичным образом, топливопровод 142 снабжен передней оконечной секцией 175, которая уплотнена по отношению к остальной части топливопровода 142 кольцевыми уплотнениями 176. Таким же образом, водопровод 162 также имеет переднюю оконечную секцию 178, которая уплотнена кольцевыми уплотнениями 180. Конструкция уплотнений обеспечивает возможность съема и замены головки 134 фурмы, которая в процессе эксплуатации будет изнашиваться и нуждаться в замене. Предпочтительно и за исключением пористых металлических элементов, компоненты головки 134 фурмы изготовлены из меди или медных сплавов и собраны с использованием пайки электронным пучком или других методик соединения. Пористые металлические элементы могут быть выполнены из любого металла, включая стали.
[0089] Хотя изобретение было описано здесь со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления, как будет очевидно специалистам в данной области техники, могут быть сделаны многочисленные изменения, добавления и исключения без отклонения от сущности и объема данного изобретения.