Способ инжекции кислорода

Способ инжекции кислорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 жи