Способ создания кумулятивной струи и безнадставочная система для создания кумулятивной струи, имеющая выровненные каналы для создания огневой оболочки

Способ создания кумулятивной струи и безнадставочная система для создания кумулятивной струи, имеющая выровненные каналы для создания огневой оболочки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится в основном к технологии создания когерентной струи.

Предшествующий уровень техники

Значительным достижением последних лет в области продувки газом является разработка технологии создания когерентных струй, описанной в патенте США №5814125, выданном Андерсону (Anderson) и др., а также в патенте США №6171544, выданном Андерсону и др. При воплощении этой технологии на практике одна или более высокоскоростных газовых струй, испускаемых из одного или более сопел в фурме, поддерживаются когерентными на относительно большом расстоянии за счет использования огневой оболочки вокруг и вдоль высокоскоростной газовой струи (высокоскоростных газовых струй). Огневая оболочка образуется за счет сгорания горючего и окислителя, испускаемых, соответственно, из имеющихся в фурме двух колец отстоящих друг от друга каналов, т.е. внутреннего кольца и внешнего кольца, расположенных вокруг сопла (сопел) для создания газовой струи (газовых струй). Как правило, горючее для огневой оболочки испускается из внутреннего кольца отверстий, а окислитель для огневой оболочки выпускается из внешнего кольца отверстий. Надставка по периметру фурмы образует защищенную зону рециркуляции, в которую высокоскоростная газовая струя (высокоскоростные газовые струи) и текучие среды огневой оболочки попадают из сопла (сопел) и каналов. Эта зона рециркуляции обуславливает некоторую рециркуляцию испускаемых текучих сред, обеспечивая улучшенное воспламенение и повышенную устойчивость огневой оболочки и тем самым увеличивая когерентность, а значит, - и длину высокоскоростной газовой струи (высокоскоростных газовых струй). Когерентную струю (когерентные струи) можно использовать для подачи газа в жидкость, такую как расплавленный металл, с относительно большого расстояния над поверхностью жидкости. Одним очень важным приложением этой технологии создания когерентных струй является подача кислорода с целью его использования на операциях производства стали, например, в дуговых электропечах и основных сталеплавильных печах с подачей кислорода в факел или ванну.

Хотя рециркуляционная надставка и является усовершенствованием по сравнению с ранее разработанными системами для создания когерентных струй, она создает некоторые проблемы, связанные с конструкцией фурмы и сроком службы фурмы, поскольку необходимо водяное охлаждение наконечника. Эти проблемы возникают, в частности, когда система для создания когерентных струй используется в очень жестких внешних условиях, например, таких, как в кислородном конвертере.

Следовательно, задача этого изобретения заключается в том, чтобы разработать систему, которая может создавать эффективные когерентные газовые струи без необходимости применения надставки фурмы или другого элемента для установления зоны рециркуляции газов, испускаемых из фурмы.

Краткое изложение сущности изобретения

Вышеупомянутая задача, а также другие задачи, которые станут очевидны для специалистов в данной области техники после ознакомления с этим описанием, решаются с помощью настоящего изобретения, в одном аспекте которого предложен способ создания, по меньшей мере, одной когерентной газовой струи, заключающийся в том, что:

(A) выпускают, по меньшей мере, одну газовую струю, по меньшей мере, из одного сопла, заключенного в фурме, имеющей наружную поверхность фурмы, причем наружная поверхность фурмы имеет первое кольцо отверстий вокруг упомянутого, по меньшей мере, одного сопла и второе кольцо отверстий, расположенных вокруг упомянутого, по меньшей мере, одного сопла и отстоящих в радиальном направлении от упомянутого первого кольца отверстий, при этом каждое отверстие упомянутого второго кольца отверстий расположено соосно с некоторым отверстием первого кольца отверстий,

(B) выпускают горючее из одного из колец отверстий и выпускают окислитель из другого кольца отверстий, при этом упомянутая, по меньшей мере, одна газовая струя и горючее с окислителем выпускаются из фурмы непосредственно в инжекционный объем, не проходя через зону рециркуляции, образованную надставкой на фурме, и

(C) сжигают горючее и окислитель, выпускаемые из первого и второго колец отверстий, для получения огневой оболочки вокруг упомянутой, по меньшей мере, одной газовой струи.

В другом аспекте изобретения предложена фурма для создания когерентных газовых струй, содержащая:

(A) фурму, имеющую наружную поверхность фурмы и имеющую, по меньшей мере, одно сопло, имеющее отверстие на наружной поверхности фурмы, и не имеющую надставки для образования зоны рециркуляции рядом с наружной поверхностью фурмы,

(B) первое кольцо отверстий вокруг отверстия сопла (отверстий сопел) и второе кольцо отверстий, отстоящих в радиальном направлении от первого кольца отверстий и расположенных вокруг отверстия сопла (отверстий сопел), при этом каждое отверстие второго кольца отверстий расположено соосно с некоторым отверстием первого кольца отверстий, и

(C) средства для подачи горючего к одному из колец отверстий и средства для подачи окислителя к другому кольцу отверстий.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «радиус наружной поверхности фурмы» означает воображаемую линию, проходящую от центра наружной поверхности фурмы до периметра наружной поверхности фурмы.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «расположенные соосно» (отверстия) означает «пересекающие один и тот же радиус наружной поверхности фурмы».

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «надставка» означает любую конструкцию, физически соединенную или не соединенную с фурмой и служащую для образования защищенного объема или зоны рядом с наружной поверхностью фурмы.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «наружная поверхность фурмы» означает поверхность фурмы, примыкающую к инжекционному объему.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «когерентная струя» означает газовую струю, образованную газом, испускаемым из сопла, и имеющую профиль скорости и количества движения, который на расстоянии, по меньшей мере, 20d, где d - выходной диаметр сопла, от поверхности фурмы аналогичен профилю скорости и количества движения упомянутой струи при испускании ее из сопла. Согласно другому определению, когерентная струя - это газовая струя, диаметр которой претерпевает малое изменение или вообще не изменяется на расстоянии, по меньшей мере, 20d.

В том смысле, в каком он употребляется в этом описании, термин «длина» применительно к когерентной газовой струе означает расстояние от сопла, из которого испускается газ, до предназначенной точки ударного воздействия когерентной газовой струи, или до той точки, где газовая струя перестает быть когерентной.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена фронтальная проекция одного предпочтительного конкретного варианта осуществления наружной поверхности фурмы,

На фиг.2 представлен поперечный разрез одного предпочтительного конкретного варианта осуществления фурмы, имеющей такую наружную поверхность фурмы, которую можно использовать при практическом осуществлении этого изобретения.

На фиг.3 изображен конкретный вариант осуществления изобретения, показанного на фиг.1 и 2, в процессе эксплуатации.

Одинаковые элементы на всех чертежах обозначены одними и теми же позициями.

Подробное описание

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи.

Обращаясь теперь к фиг.1-3, отмечаем, что, как показывает стрелка 1 направления потока, газ пропускается, по меньшей мере, через одно сопло 2, предпочтительно - суживающееся и расширяющееся сопло, а потом выпускается из фурмы 3 через отверстие или отверстия 4 сопла (сопел), находящиеся на наружной поверхности 6 фурмы, и образует когерентный газовый струйный поток или когерентные газовые струйные потоки 5 в инжекционном объеме 7. В типичном случае скорость газового потока (газовых потоков) 5 находится в диапазоне от 700 до 3000 футов в секунду (фт/с). Скорость газового потока (газовых потоков) 5 предпочтительно является сверхзвуковой, когда этот поток формируется (эти потоки формируются) при испускании из наружной поверхности фурмы, и остается сверхзвуковой на расстоянии, по меньшей мере, 20d. Хотя на чертежах показан конкретный вариант осуществления, в котором используются четыре когерентные газовые струи, соответственно испускаемые из фурмы через четыре сопла, количество газовых струй, испускаемых с поверхности фурмы через соответствующие сопла, на практике может находиться в диапазоне от 1 до 6. Инжекционный объем, в который инжектируются когерентные газовые струи, представляет собой печь для производства металла, такую как сталеплавильная печь. В наиболее предпочтительном варианте, когда применяется множество сопел, каждое сопло направлено под углом от других сопел и от центральной оси фурмы.

При осуществлении этого изобретения на практике, в качестве газа для формирования когерентной струи или когерентных струй можно использовать любой рабочий газ. Среди таких газов можно назвать кислород, азот, аргон, диоксид углерода, водород, гелий, водяной пар и газообразные углеводороды. В качестве такого газа при осуществлении этого изобретения на практике можно также использовать смеси, содержащие два или более газов, например воздух.

Первое кольцо 30 отверстий расположено в фурме вокруг отверстия или отверстий 4 сопла или сопел, а второе кольцо 31 отверстий расположено в фурме вокруг отверстия или отверстий 4 сопла или сопел, причем отверстия этого кольца отстоят в радиальном направлении наружу от первого кольца 30 отверстий. Кольцо 30 предпочтительно определяется окружностью, имеющей диаметр в диапазоне от 1,5 до 20 дюймов, а кольцо 31 предпочтительно определяется окружностью, имеющей диаметр от 1,75 до 23 дюймов. Каждое из колец 30 и 31 будет в общем случае содержать от 4 до 48 отверстий, а каждое отверстие предпочтительно ограничено окружностью, имеющей диметр в диапазоне от 0,05 до 1, 25 дюйма. Каждое отверстие второго кольца 31 отверстий расположено соосно с некоторым отверстием первого кольца 30 отверстий, хотя эффективность изобретения не будет утеряна и в случае, если либо первое кольцо 30, либо второе кольцо 31, либо оба эти кольца 30 и 31 будут содержать одно или некоторое малое количество отверстий, которые не расположены соосно с некоторым отверстием в другом кольце. Горючее подается к одному из двух колец отверстий, предпочтительно - к внутреннему или первому кольцу 30, а окислитель подается к другому кольцу отверстий, предпочтительно - к внешнему или второму кольцу 31. Горючее и окислитель испускаются из фурмы 3 - из ее соответствующего кольца отверстий - в инжекционный объем 7. Скорость горючего и окислителя, испускаемых из кольца отверстий, может быть дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой. Звуковая и сверхзвуковая скорость испускаемого горючего и окислителя увеличивает отклоняющую силу, воздействующую на инородные вещества, препятствуя их проникновению в отверстия и закупориванию последних, что особенно важно, когда настоящее изобретение применяется в жестких внешних условиях, например в сталеплавильной печи. Если это желательно, то скорость инжектируемого горючего и окислителя может быть сверхзвуковой и находится в диапазоне, нижний предел которого превышает значение скорости, соответствующее числу Маха, равному 1, а верхний предел достигает значения скорости, соответствующего числу Маха, равному 2.

Горючее, испускаемое из отверстий, предпочтительно является газообразным и может быть любым горючим, таким как метан или природный газ. Окислитель, испускаемый из отверстий в другом кольце, может быть обыкновенным воздухом, причем это может быть и воздух, обогащенный кислородом, т.е. имеющий концентрацию кислорода, превышающую концентрацию кислорода в обычном воздухе, или это может быть технический кислород, имеющий концентрацию кислорода, по меньшей мере, 90 молярных процентов. Окислитель предпочтительно представляет собой текучую среду, которая имеет концентрацию кислорода, по меньшей мере, 25 молярных процентов.

Горючее и окислитель, выпускаемые из фурмы, образуют газовую оболочку вокруг газообразной струи (газообразных струй) 5, сгорающую с образованием огневой оболочки или огневого кожуха 24 вокруг газообразной струи (газообразных струй) 5 в пределах инжекционного объема, например, печи с расплавленным металлом. Огневая оболочка 24 вокруг газовых потоков 5 служит для предотвращения всасывания окружающего газа в упомянутые газовые потоки, тем самым предотвращая значительное уменьшение скорости газовых потоков и предотвращая значительное увеличение диаметра газовых потоков, по меньшей мере, на расстоянии 20d от выхода из соответствующего сопла. То есть огневая оболочка или огневой кожух 24 служит для создания и поддержания газовых потоков 5 в форме когерентных струй на расстоянии, по меньшей мере, 20d от выхода из соответствующего сопла.

Важным аспектом и значительным преимуществом этого изобретения является возможность формирования эффективных когерентных газовых струй из фурмы без необходимости использования надставки на фурме. До сих пор надставку на фурме использовали для формирования защищенной зоны рециркуляции рядом с наружной поверхностью фурмы, чтобы улучшить воспламенение и горение газов огневого кожуха, инжектируемых в эту защищенную зону рециркуляции, и тем самым улучшить когерентность газовых струй. Хотя использование такой надставки фурмы и является значительным преимуществом при практической реализации исходных когерентных газовых струй, в связи с использованием такой насадки возникают проблемы. При осуществлении этого изобретения на практике газы, испускаемые из фурмы, проходят прямо в инжекционный объем, не проходя через защищенную зону или зону рециркуляции, образуемую надставкой фурмы, хотя результаты наблюдений показывают, что при использовании надставки фурмы по-прежнему достигается повышенная когерентность.

Для оценки эффективности изобретения были проведены испытания, а для демонстрации преимуществ изобретения были проведены сравнительные испытания. Горючим, использовавшимся при испытаниях, был природный газ, а окислитель, использовавшийся при испытаниях, имел концентрацию кислорода 99 молярных процентов и далее именуется вспомогательным кислородом. При каждом испытании фурма имела четыре сопла для обеспечения газовых струй. Газом для газовых струй был кислород, имевший чистоту 99 молярных процентов, который далее именуется основным кислородом. Результаты испытаний описаны ниже и представлены в целях иллюстрации, а не носят ограничительный характер.

Каждое из четырех сопел было предназначено для введения 10000 стандартных кубических футов в час (ст.куб.фт/час) основного кислорода при избыточном давлении подачи 165 фунтов-сил на квадратный дюйм (фн-с/кв.д) для обеспечения суммарной подачи основного кислорода в количестве 40000 ст.куб.фт/час. Каждое сопло имело выходной и горловинный диаметры, соответственно составлявшие 0,38 и 0,26 дюйма, а также было отклонено под углом 12 градусов наружу от осевой линии фурмы. Горючее подавалось к внутреннему кольцу, в котором располагались 16 отверстий, каждое из которых имело диаметр 0,154 дюйма, при этом диаметр упомянутого кольца составлял 1,56 дюйма. В целях сравнительного испытания подавали вспомогательный кислород к внешнему кольцу, в котором располагались 12 отверстий, каждое из которых имело диаметр 0,23 дюйма, при этом диаметр упомянутого кольца составлял 2,125 дюйма, а его отверстия были смещены или расположены в шахматном порядке относительно отверстий внутреннего кольца. Потоки горючего и дополнительного кислорода соответственно характеризовались параметрами 5000 и 4000 ст.куб.фт/час, что приводило к скоростям 670 и 320 фт/с, соответственно. Фурма имела рециркуляционную надставку длиной 0,5 дюйма. Эта обычная конструкция позволила получить приемлемые когерентные струи длиной примерно 18 дюймов, но при уменьшении длины рециркуляционной надставки до 0,25 дюйма длина струй падала до 16 дюймов, а при уменьшении длины рециркуляционной надставки до 0,1 дюйма падала еще значительнее - до 14 дюймов. В отсутствие рециркуляционной надставки огневая оболочка становилась неустойчивой, а газовая струя утрачивала когерентность. Испытание повторили, но с использованием изобретения, и при этом внешнее кольцо имело 16 отверстий диаметром 0,166 дюйма, а каждое из отверстий было расположено соосно с некоторым отверстием во внутреннем кольце. Уменьшение длины когерентных струй не наблюдалось, и даже при отсутствии надставки на фурме когерентные струи были устойчивыми и имели длину 18 дюймов.

Помимо вышеописанных испытаний, при которых использовали конструкцию с четырьмя соплами, аналогичную той, которая изображена на чертежах, проводили испытания и сравнительные испытания, аналогичные вышеописанным, с фурмой, имевшей единственное сопло, а также внутреннее кольцо, имевшее диаметр 2,0 дюйма и имевшее 16 отверстий диаметром 0,154 дюйма, и внешнее кольцо, имевшее диаметр 2,75 дюйма и имевшее 16 отверстий диаметром 0,199 дюйма. В одной серии опытов отверстия внешнего кольца были смещены относительно отверстия внутреннего кольца, а в другой серии опытов отверстия внешнего кольца были расположены соосно с отверстиями внутреннего кольца. Сопло имело выходной и горловинный диаметры, соответственно составлявшие 0,81 и 0,62 дюйма, а основной кислород подавали в количестве 36000 ст.куб.фт/час под избыточным давлением 100 фн-с/кв.д. Расходы и скорости горючего и вспомогательного кислорода были такими же, как при вышеописанных испытаниях. Когда длину надставки уменьшили до величины менее 0,5 дюйма, огневой кожух проявил неустойчивость в виде выбросов газа в атмосферу, имевших место при конфигурации, предусматривавшей смещенные или не расположенные соосно отверстия, а длина когерентной струи падала в значительной степени - от менее, чем около 50 дюймов, до менее, чем около 40 дюймов. Однако при конфигурации, предусматривавшей расположенные соосно отверстия, огневая оболочка оставалась устойчивой, а длина когерентной струи сохранялась на уровне около 50 дюймов даже при отсутствии надставки на фурме.

Хотя изобретение было подробно описано со ссылками на некоторые предпочтительные конкретные варианты его осуществления, для специалистов в данной области техники ясно, что в рамках объема притязаний, определяемого нижеследующей формулой изобретения, возможны и другие конкретные варианты осуществления.

1. Способ создания по меньшей мере одной когерентной струи, включающий выпуск по меньшей мере одной газовой струи из по меньшей мере одного сопла, заключенного в фурме, наружная поверхность которой имеет первое кольцо отверстий вокруг упомянутого по меньшей мере одного сопла и второе кольцо отверстий, расположенных вокруг упомянутого по меньшей мере одного сопла и отстоящих в радиальном направлении от первого кольца отверстий, выпуск горючего из одного из колец отверстий и выпуск окислителя из другого кольца отверстий, сжигание горючего и окислителя, выпускаемых из первого и второго колец отверстий, для получения огневой оболочки вокруг упомянутой по меньшей мере одной газовой струи, отличающийся тем, что каждое отверстие второго кольца отверстий располагают соосно с некоторым отверстием первого кольца отверстий, при этом упомянутую по меньшей мере одну газовую струю и горючее с окислителем выпускают из фурмы непосредственно в инжекционный объем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовая струя или струи, выпускаемые из фурмы, имеют сверхзвуковую скорость.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из фурмы выпускают множество газовых струй.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость горючего и окислителя, выпускаемых из первого и второго колец отверстий, является звуковой.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость горючего и окислителя, выпускаемых из первого и второго колец отверстий, является сверхзвуковой.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что инжекционный объем представляет собой печь с расплавленным металлом.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая по меньшей мере одна или каждая газовая струя проходит на расстояние, по меньшей мере, 20d, где d - выходной диаметр сопла, из которого выпускают газовую струю, при этом диаметр упомянутой газовой струи поддерживают, по существу, постоянным.

8. Фурма для создания когерентных газовых струй, содержащая по меньшей мере одно сопло, имеющее отверстие на наружной поверхности фурмы, первое кольцо отверстий вокруг отверстия сопла или отверстий сопел и второе кольцо отверстий, отстоящих в радиальном направлении от первого кольца отверстий и расположенных вокруг отверстия сопла или отверстий сопел, и средства для подачи горючего к одному из колец отверстий и средства для подачи окислителя к другому кольцу отверстий, отличающаяся тем, что каждое отверстие второго кольца отверстий расположено соосно с некоторым отверстием первого кольца.

9. Фурма по п.8, отличающаяся тем, что она имеет множество сопел.

10. Фурма по п.9, отличающаяся тем, что каждое сопло наклонено под углом от осевой линии фурмы.