專利名稱：氣體和粉末的傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及相干噴射技術，同時還涉及粉末噴射技術。
氣體動力學領域近來的顯著進步是發(fā)展了相干噴射技術，其產(chǎn)生的激光狀噴射氣體可穿越很長的距離而仍然基本保持其所有的初始速度，并且其射流直徑僅有極小的增加。相干噴射技術的一個非常重要的工業(yè)應用為被用于將氣體引入液體(如熔融金屬)中，由此可將氣體噴槍放在離所述液體表面較遠的距離上，從而可更安全地操作，又因為大部分的氣體比傳統(tǒng)的作法更可能穿透進所述液體中，傳統(tǒng)的作法使多數(shù)的氣體偏離了所述液體表面而不是進入所述液體中，因而該技術可更有效地操作。
在工業(yè)方法(如金屬精煉)的實施中，經(jīng)常需要將粉末噴射入液體(如熔融金屬)中?？蓮乃鲆后w表面的下面或上面進行這種粉末噴射，然而一般優(yōu)選上表面噴射，因為其本質上更容易且一般更安全。通常通過將粉末夾帶于載氣中并從噴射器裝置提供所述載氣進入所述液體中來實施上表面粉末噴射。其中應用相干噴射技術以提供氣體進入液體中，使用已知的粉末噴射裝置也可實施粉末噴射。
人們希望能夠使用同一支噴槍以產(chǎn)生所述相干氣體噴射并實施粉末噴射。然而這種系統(tǒng)不是直接將者兩種系統(tǒng)結合而成，因為這兩種技術的接近實施會對彼此的功效產(chǎn)生有害的作用。
因此本發(fā)明的目標是提供一個系統(tǒng)，由此可有效地使用一支噴槍來實施相干噴射技術以將氣體噴射入液體中，還可實施粉末噴射以將粉末提供入液體中。
本發(fā)明實現(xiàn)了上述的和其它的目標，這些目標對于那些本領域的技術人員來說在閱讀本公開后將變得顯而易見，本發(fā)明的一個方面為
將粉末和氣體傳輸至液體的方法，該方法包括(A)使氣體穿過噴槍表面的氣體開口從噴槍噴射出形成氣體流；(B)使粉末和載氣的混合物穿過噴槍表面的粉末混合物開口從噴槍噴射出形成粉末混合物流，所述粉末混合物開口與所述氣體開口分開，(C)形成包圍所述氣體流和粉末混合物流的火焰的包圍物；和(D)將所述氣體流和粉末混合物流從所述噴槍的表面?zhèn)鬟f至液體中。
本發(fā)明的另一方面為用于提供粉末和氣體至液體的設備，包括(A)具有噴槍表面的噴槍；(B)所述噴槍里的氣體通道，所述氣體通道連通氣體源還連通噴槍表面的氣體開口；(C)所述噴槍里的粉末混合物通道，所述粉末混合物通道連通粉末和載氣源還連通噴槍表面的粉末混合物開口；所述粉末混合物開口與所述氣體開口分開；和(D)用于提供氣態(tài)燃料和氧化劑離開所述噴槍的裝置，該裝置呈環(huán)狀圍繞所述氣體開口和粉末混合物開口。
在這里所用的術語“相干噴射”是指從噴嘴噴射氣體形成的氣體射流，該氣體射流具有沿著其長度的速度和動量剖面(profile)，與在所述噴嘴噴射時的速度和動量剖面相似。
這里所用的術語“環(huán)狀”是指環(huán)的形式。
這里所用的術語“火焰的包圍物”是指主要與至少一種氣體流同軸的環(huán)狀燃燒流。
這里所用的術語“長度”當指相干氣體射流時是指離所述噴嘴的距離，從噴射出氣體的地方至所述相干氣體射流的目的著陸點或至所述氣體射流不再相干。


圖1是噴槍表面的一種實施方案的正視圖，圖2是具有這種噴槍面的噴槍的一種實施方案的截面圖，其將在本發(fā)明的實施中使用。
圖3說明本發(fā)明的一個實施方案在操作中的情景，顯示了不同的流動流和進入液體的通道。在附圖中的數(shù)字對于共同部件是一樣的。
圖4以圖表示在本發(fā)明的實施例和在對照實施例中得到的試驗結果。
本發(fā)明將參考附圖進行詳細的描述。
現(xiàn)在參見圖1、2和3，將氣體傳輸通過噴槍1的氣體通道60，隨后穿過噴嘴61，最好為縮／擴噴嘴，接著通過氣體開口11離開噴槍1形成相干氣體噴射流62。通常所述氣體流的速度在1000至8000英尺／秒(fps)的范圍。優(yōu)選所述氣體流的速度為當其在所述噴槍表面噴射形成時和當其接觸液體時是超聲速的。
可使用任何有效的氣體作為本發(fā)明實施的氣體。這些氣體包括氧氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、氫氣、氦氣、水蒸氣和烴氣體。還可使用含有兩種或多種氣體的混合物(如空氣)作為本發(fā)明實施的氣體。在本發(fā)明的實施中使用的特別有用的氣體為氣態(tài)氧，其可定義為含有氧濃度至少為25％(摩爾)的流體。
氣態(tài)燃料(如甲烷或天然氣)通過噴槍1的氣態(tài)燃料通道提供，該通道徑向分布在所述氣體通道周圍。如圖1所述，優(yōu)選所述氣態(tài)燃料穿過噴槍表面5上圍繞著氣體開孔11的圓環(huán)的孔9離開噴槍1。優(yōu)選所述氣態(tài)燃料以小于所述氣體的速度，一般以在100至1000fps的范圍的離開噴槍1的速度提供。在本發(fā)明的實施中有用的氣態(tài)燃料還可包括霧化的液體和粉末材料如夾帶于氣體中的粉煤。
所述氣態(tài)燃料與氧化劑一起燃燒形成圍繞和沿著所述氣體流、優(yōu)選整個相干射流62的長度的火焰包圍物63。所述氧化劑可為空氣、含有氧濃度超過空氣的富氧空氣，或含有氧濃度至少為99％(摩爾)的工業(yè)用氧氣。優(yōu)選所述氧化劑為含有氧濃度至少為25％(摩爾)的流體。可以任何有效的方式提供所述氧化劑與氣態(tài)燃料一起燃燒。如圖1所說明的，一種優(yōu)選的裝置包括通過噴槍1的通道提供氧化劑，隨后穿過圍繞氣體開口11的圓環(huán)孔10離開噴槍1，優(yōu)選這些孔10比圓環(huán)孔9離氣體開孔11更遠。這樣導致所述氣態(tài)燃料和氧化劑在它們各自從噴槍1噴射出后相互作用并燃燒以形成火焰包圍物63。
圍繞主氣體流的火焰包圍物63的作用是使周圍的氣體不至于被卷入氣體流62中，由此直至所述氣體流62到達目的著陸點(如熔融金屬65池的表面64)時對于所需的氣體流長度來說，不會使其速度顯著降低而其直徑明顯擴大。也就是，所述火焰包圍物的作用是在噴射長度中建立和保持氣體流62作為相干射流。
噴槍1里的氣體通道60連通氣體源，使得所述氣體可流進并穿過所述氣體通道并在噴槍表面5通過氣體開口11離開噴槍1，形成氣體流。同樣在噴槍表面5有粉末混合物開口20。噴槍1里的粉末混合物通道66連通粉末混合物源，使得所述粉末混合物可流過所述粉末混合物通道并在噴槍表面5通過粉末混合物開口20離開噴槍1，形成粉末混合物流67。氣體流62和粉末混合物流67均包含在氣態(tài)燃料和氧化劑燃燒產(chǎn)生的火焰包圍物里。優(yōu)選氣體流62和粉末混合物流67為仍然為不同的流直至它們分別著陸到目標上(如所述液體表面)。
氣體開口11的中心點應與噴槍表面5的中心點重合。然而，優(yōu)選氣體開口11在噴槍表面5的偏置上以使所述氣體開口完全在所述噴槍表面的半圓上，即所述氣體開口的周邊穿過所述噴槍表面的中心點或完全在所述噴槍表面的中心點和所述噴槍表面的周邊之間。后一種裝置在圖1中說明。所述粉末混合物開口在所述噴槍表面上與所述氣體開口分開放置?！胺珠_放置”是指具有相鄰的周邊或相距所述氣體開口的周邊有一定距離，如在圖1中顯示的距離L。
圖2說明用于向所述噴槍提供粉末混合物的一種優(yōu)選的裝置。在圖1中顯示的火焰遮蓋孔在圖2中不再顯示?，F(xiàn)在參見圖2，將粉末和載氣混合物40提供給內部管41。所述粉末一般從進料斗或其它貯存器中取出并由相對少量的載氣推動，一般為大約200立方英尺／小時(cfh，在60°F和1個大氣壓下)。優(yōu)選所述載氣為氮氣或空氣，但也可是其它氣體或如氧氣、甲烷、天然氣、氦氣、二氧化碳或氬氣的混合氣體。
可在本發(fā)明的實施中使用的許多粉末包括如碳、煤和焦炭的含碳物質、二氧化硅、氧化鎂、碳化鈣、碳酸鈣、氧化鈣(石灰)、爐灰和粉狀礦石。
另外的載氣42，優(yōu)選與在流40中用作載氣的氣體相同，優(yōu)選將其提供至外部管道43(內部管道41在其里面開口)，作為加速氣體以加速所述粉末混合物。外部管道43連通噴槍1的粉末混合物通道66，所述粉末混合物流流過該管道以最終通過粉末混合物開口20從所述噴槍噴射出。
提供以下測試結果以進一步舉例說明本發(fā)明。提供下列實施例和對照實施例均是為了說明目的而不是用于限定。本發(fā)明的實施例使用與在圖1和2中說明的相似設備進行。氣體的噴嘴為縮／擴噴嘴，其喉部直徑為0．55英寸且氣體開口的出口直徑為0．79英寸。所述氣體開口中心點距離所述噴槍表面中心點0．875英寸，所述粉末混合物開口中心點與所述噴槍表面中心點相距同樣的距離。所述氣體為具有氧濃度為大約100％(摩爾)的氣態(tài)氧，并通過氣體開口以40，000立方英尺／小時(CFH)的流速、以150磅／平方英寸(psig)的供應壓力從所述噴槍噴射出，形成氣體流作為相干氣體射流。所述氣態(tài)燃料為天然氣，從較里面的圓環(huán)的16個孔以流速5000cfh輸送出，每一個孔具有0．154英寸的直徑以直徑為2．5英寸的圓圍繞在噴槍表面上。與所述氣態(tài)燃料一起燃燒形成所述火焰包圍物的氧化劑為具有氧濃度為約100％(摩爾)的流體，從較外面的圓環(huán)的16個孔以流速4000cfh輸送出，每一個孔具有0．199英寸的直徑以直徑為3．0英寸的圓圍繞在噴槍表面上。所述噴槍在其外圍還具有2英寸長的延伸68以當氣體從所述噴槍噴射出時遮蔽所述氣體。所述相干氣體射流具有每秒大約1700英尺的超聲速。所述氣體開口的周邊與所述粉末混合物的周邊相距0．08英寸。所述氣體開口的直徑為0．79英寸，所述粉末混合物開口的直徑為0．805英寸。這個實驗的粉末為碾碎的胡桃殼，載氣和用作加速氣體的另外的載氣均為氮氣。提供所述粉末的流速為每分鐘大約15磅。
為了測試所述粉末的傳輸能力，將具有8英寸直徑開口的收集器放置在距離所述噴槍表面4英尺遠的地方，測定全部氮氣的各種流速的收集效率(收集到的粉末的量與噴射的量的比)，結果在圖4中的曲線A顯示。在圖4中，所述收集效率在垂直軸方向上表示，所有氮氣的流量在水平軸方向上表示。
為了對比的目的，將傳統(tǒng)的粉末噴射設備與相干噴射噴槍聯(lián)用，其中所述粉末噴射器的噴嘴置于距所述相干噴射噴嘴11英寸、角度11．4度處以使所述相干射流和粉末混合物流在所述收集器之前剛好會集。在這個對比實施例中，粉末流速為每分鐘11磅，氣體開口位于所述相干噴射噴槍表面的中心，在所述相干噴射噴槍表面的天然氣和氧化劑圓環(huán)孔為直徑分別為2．0和2．75英寸的圓環(huán)。測定不同加速氣體流速的收集效率，結果在圖4曲線B中報導。從這些實驗結果可見，本發(fā)明比傳統(tǒng)的方法更可能將顯著提高的百分數(shù)的粉末有效地傳輸?shù)侥繕松稀?br> 雖然參照一些優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明作了詳細的描述，那些在本領域的技術人員會認識到在本發(fā)明權利要求的宗旨和范圍內還有其它的實施方案。
權利要求
1．傳輸粉末和氣體至液體的方法，該方法包括(A)使氣體穿過噴槍表面的氣體開口從噴槍噴射出形成氣體流；(B)使粉末和載體氣體的混合物穿過噴槍表面的粉末混合物開口從噴槍噴射出形成粉末混合物流，所述粉末混合物開口與所述氣體開口分開，(C)形成包圍所述氣體流和粉末混合物流的火焰的包圍物；和(D)將所述氣體流和粉末混合物流從所述噴槍的表面?zhèn)鬟f至液體中。
2．權利要求1的方法，其中所述氣體流和所述粉末混合物流從所述噴槍表面至所述液體保持不同的流的形態(tài)。
3．權利要求1的方法，其中所述火焰的包圍物是通過以離開所述噴槍表面的分離的環(huán)狀流的形態(tài)提供氣態(tài)燃料和氧化劑并隨后將所述氣態(tài)燃料和氧化劑燃燒形成的。
4．權利要求1的方法，其中所述氣體為氣態(tài)氧。
5．權利要求1的方法，其中所述氣體流從所述噴槍表面至所述液體具有超聲速。
6．權利要求1的方法，其中所述粉末包括含碳物質。
7．權利要求1的方法，其中所述載氣為氮氣。
8．用于提供粉末和氣體至液體的設備，包括(A)具有噴槍表面的噴槍；(B)所述噴槍里的氣體通道，所述氣體通道連通氣體源還連通噴槍表面的氣體開口；(C)所述噴槍里的粉末混合物通道，所述粉末混合物通道連通粉末和載氣源還連通噴槍表面的粉末混合物開口；所述粉末混合物開口與所述氣體開口分開；和(D)用于提供氣態(tài)燃料和氧化劑離開所述噴槍的裝置，該裝置呈環(huán)狀圍繞所述氣體開口和粉末混合物開口。
9．權利要求8的設備，其中所述氣體通道含有縮／擴噴嘴。
全文摘要
一種設備,其中建立了貼緊粉末噴射系統(tǒng)的相干噴射,所述相干噴射不僅僅提供氣體的傳輸而且用于改進粉末噴射系統(tǒng)的粉末傳輸效率。
文檔編號C21C5/46GK1291528SQ0013315
公開日2001年4月18日 申請日期2000年10月10日 優(yōu)先權日1999年10月12日
發(fā)明者W·J·馬霍尼, J·E·安德森 申請人:普拉塞爾技術有限公司