專利名稱：凝聚射流噴射器噴槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及用于產(chǎn)生氣流的設(shè)備。本發(fā)明特別適用于產(chǎn)生引入諸如熔融金屬的液體中的氣流，而該熔融金屬將對(duì)氣體噴射裝置造成苛刻環(huán)境。
建立氣流是常常希望的。例如出于一種或者多種理由可將氣流噴射入液體中。一種反應(yīng)氣體可以噴射入一種液體中，以便與液體的一種或者多種成分發(fā)生反應(yīng)，例如氧氣噴射入熔融鐵中以便與熔融鐵中的碳發(fā)生反應(yīng)使鐵脫碳并向熔融鐵提供熱量。出于熔化目的，氧氣可以噴射入例如銅，鉛，和鋅的其它熔融金屬中。諸如惰性氣體的非反應(yīng)氣體可以噴射入液體中，以便攪拌液體，例如促進(jìn)更好的溫度分布或者促進(jìn)整個(gè)液體中更好的成分分布。
液體常常盛裝在諸如反應(yīng)器或者熔煉容器的容器中，其中，液體在容器內(nèi)形成貼合在容器底部和一定長(zhǎng)度側(cè)壁上并具有頂部表面的池子。當(dāng)向液體池噴射氣體時(shí)，希望使盡可能多的氣體流入液體中，以便實(shí)現(xiàn)氣體噴射的目的。因此，氣體從氣體噴射裝置噴射入液體表面之下的液體中。如果一個(gè)通常的氣體噴射器的噴嘴在液體表面上方與之隔開(kāi)一定距離，那么撞擊在液體表面上的許多氣體將在液體表面反射回來(lái)而不能進(jìn)入液體池。此外，這種作用會(huì)造成液體的飛濺，而這會(huì)導(dǎo)致材料的損失和運(yùn)行問(wèn)題。
采用底壁或者側(cè)壁安裝的氣體噴射裝置將氣體潛射入液體中雖然非常有效，但是當(dāng)液體是腐蝕性液體或者其溫度很高時(shí)將會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行問(wèn)題，因?yàn)檫@些條件可能造成氣體噴射裝置的迅速損壞和容器襯材的局部損耗，導(dǎo)致需要復(fù)雜的外部冷卻系統(tǒng)和經(jīng)常的維護(hù)停爐以及很高的運(yùn)行成本。一種權(quán)宜方法是將氣體噴射裝置的頂部或者噴嘴靠近液體池的表面，而避免與液體表面相接觸，并將氣體從氣體噴射裝置以高速噴射，以便使氣體的絕大部分通入液體中。然而，這種權(quán)宜方法仍然不能令人滿意，因?yàn)闅怏w噴射裝置頂部與液體表面接近仍然會(huì)導(dǎo)致該設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。另外，在液體表面不是靜止的情況下，噴嘴必須顧及該移動(dòng)表面而不斷地移動(dòng)，以便氣體噴射可在理想位置發(fā)生和保持噴槍頂部與池表面之間的理想距離。對(duì)于電弧熔爐，這要求復(fù)雜的液壓驅(qū)動(dòng)噴槍控制器，其是非常昂貴的并要求廣泛的維護(hù)。
另一個(gè)權(quán)宜方法是采用通過(guò)液體池表面伸入的管子。例如非水冷的管子常常用來(lái)將氧氣噴射入電弧熔爐中的熔融鋼池中。然而，這種權(quán)宜方法還是不能令人滿意，因?yàn)?，管子的迅速損耗要求使用復(fù)雜的液壓驅(qū)動(dòng)的管子控制器以及管子進(jìn)給設(shè)備，以便補(bǔ)償管子的迅速損耗率。此外，必須予以不斷更換的管子的損失是費(fèi)用很高的。
如果可以建立起一種凝聚射流，則可以解決這些問(wèn)題。凝聚氣體射流在噴射之后可以將其直徑和速度比通常的氣體射流保持長(zhǎng)久的多。利用凝聚射流，噴射器頂部可以布置得大大遠(yuǎn)離液體表面，而仍然基本上能夠使在凝聚氣體射流中的全部氣體穿過(guò)液體表面。
另外，凝聚射流將可在諸如目前采用氣體射流的燃燒應(yīng)用場(chǎng)合的其它應(yīng)用場(chǎng)合得到應(yīng)用。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種將氣體噴射入一個(gè)容積中的設(shè)備，使得噴射的氣體可以形成一種凝聚的氣體射流。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員閱讀了本公開(kāi)內(nèi)容以后將一目了然的上述的和其它目的將可由本發(fā)明達(dá)到，本發(fā)明為一種凝聚射流噴射器噴槍，它包括(A)一個(gè)噴射器總成，它具有(1)一個(gè)主要通道，一個(gè)噴射空間和一個(gè)噴嘴，該噴嘴具有一個(gè)與主要通道相連通的進(jìn)口和一個(gè)與噴射空間相連通的出口；(2)一個(gè)與主要通道徑向隔開(kāi)并且與噴射空間相連通的第一次要通道；
(3)一個(gè)與第一次要通道徑向隔開(kāi)并且與噴射空間相連通的第二次要通道；(B)一個(gè)覆蓋著噴射器總成的襯套，所述的襯套伸過(guò)噴嘴出口而限定了該噴射空間。


圖1是本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍的一個(gè)較佳實(shí)施例的橫截面圖。
圖2是本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍的另一個(gè)較佳實(shí)施例的橫截面圖。
圖3是放置在容器側(cè)壁的本發(fā)明的凝聚射流噴槍的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面圖。
圖4是本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化頂視圖，其具有在襯套中的附加噴射通道，可噴射發(fā)散射流。
圖5是本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化頂視圖，其具有在襯套中的附加噴射通道，可噴射會(huì)聚射流。
附圖中相同的零件標(biāo)號(hào)相同。
現(xiàn)在參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖1，凝聚射流噴射器1包括一個(gè)噴射器總成和一個(gè)外部襯套。噴射器總成包括一個(gè)與一個(gè)主要?dú)怏w源(未示出)相連通的主要通道2。主要?dú)怏w可以是任何希望構(gòu)成凝聚射流的氣體。這種氣體的實(shí)例包括氧氣，氮?dú)?，氬氣，氫氣，氦氣，碳?xì)錃怏w燃料和包括其兩種或者多種的混合物。主要通道2還與噴嘴3相連通。最好是在至少其長(zhǎng)度的一部分上，噴嘴3具有一個(gè)小于主要通道2的直徑和小于噴射空間6的直徑的直徑。更為最好的是，如圖1所示，噴嘴3是一個(gè)會(huì)聚/發(fā)散噴嘴。會(huì)聚/發(fā)散噴嘴3具有一個(gè)與主要通道2相連通的進(jìn)口4和一個(gè)與噴射空間6相連通的出口5。
與主要通道2徑向隔開(kāi)的是第一次要通道7，而與第一次要通道7徑向隔開(kāi)的是第二次要通道8。第一和第二次要通道之一與一個(gè)氧化劑源(未示出)相連通，而第一和第二次要通道中的另一個(gè)與一個(gè)燃料源(未示出)相連通。當(dāng)氧氣是主要?dú)怏w時(shí)，第一次要通道7最好是與一個(gè)燃料源相連通而第二次要通道8與一個(gè)氧化劑源相連通。氧化劑最好是其含有至少30克分子百分?jǐn)?shù)氧氣，最為可取的是含有至少90克分子百分?jǐn)?shù)氧氣的流體。氧化劑可以是具有99.5克分子百分?jǐn)?shù)或者更多克分子百分?jǐn)?shù)的氧氣濃度的技術(shù)上的純氧氣。燃料可以是諸如甲烷，丙烷，丁烯，天然氣，氫氣，焦炭爐氣，或者油料的任何流體燃料。
每個(gè)第一和第二次要通道與噴射空間6相連通，最好是，如圖1所示，與會(huì)聚/發(fā)散噴嘴3的出口5齊平。圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例，其中，每個(gè)第一和第二次要通道成為多個(gè)單獨(dú)的通道，使得每個(gè)第一和第二次要通道作為一個(gè)圍繞出口5的許多孔的環(huán)而與噴射空間6相連通?；蛘?，第一和第二次要通道之一或者兩者作為出口5的一個(gè)圓環(huán)而與噴射空間6相連通。
噴射器總成由一個(gè)襯套9所覆蓋，該襯套9沿著噴射器總成的長(zhǎng)度延伸并且具有一個(gè)伸過(guò)噴嘴出口5而限定噴射空間6的襯套延伸部分10。襯套延伸部分10具有一個(gè)一般可長(zhǎng)達(dá)12英寸而最好是在O.5-7英寸范圍內(nèi)的長(zhǎng)度。襯套延伸部分圍繞整個(gè)噴射器總成不必有相等的的長(zhǎng)度，因而其在噴射器總成一側(cè)的長(zhǎng)度可以超過(guò)其在噴射器總成另外一側(cè)的其長(zhǎng)度。在圖2中示出了這樣一個(gè)實(shí)施例。這樣的實(shí)施例當(dāng)在容器的側(cè)壁上傾斜安裝時(shí)是特別有利的。襯套9可以由在冷卻劑流入通道11和冷卻劑流出通道12中循環(huán)的諸如水的冷卻劑來(lái)冷卻。由襯套延伸部分1O形成的噴射空間即容積6建立一個(gè)保護(hù)區(qū)，該保護(hù)區(qū)用于保護(hù)剛剛流出主要和次要通道的氣流。這通過(guò)為凝聚射流的初始形成提供了一個(gè)傳導(dǎo)環(huán)境而可改善了其整體性。
通常，本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍布置在諸如熔爐的容器的壁上或者頂部并且用來(lái)將作為凝聚氣體射流的氣流噴射入容器中。圖3示出了一種這樣的的裝置，其中，凝聚射流噴射器噴槍傾斜地安裝在諸如電弧熔爐的容器的側(cè)壁20上，一般將氣體噴射入容器的內(nèi)部25。在圖3中，噴射器總成由黑色矩形體22來(lái)表示。
在工作時(shí)，主要?dú)怏w從噴槍1噴射出來(lái)，形成通常有100O英尺/每秒(fps)或者更高速度的主要?dú)饬?。燃料和氧化劑從噴?噴射出來(lái)，形成環(huán)形流，它們剛從噴槍1噴射出來(lái)就立刻開(kāi)始混合和燃燒，形成圍繞主要?dú)饬鞯幕鹧姘鼑?。如果本發(fā)明用于諸如金屬熔爐的熱環(huán)境中，不需要用于燃料和氧化劑的單獨(dú)的點(diǎn)火源。如果本發(fā)明不是用于燃料和氧化劑將自動(dòng)點(diǎn)火的環(huán)境中，則諸如火花點(diǎn)火器的點(diǎn)火源將是需要的。最好是，火焰包圍物的速度小于主要?dú)饬鞯乃俣炔⑶掖笾略?0-1000英尺/每秒的范圍內(nèi)?；鹧姘鼑镄纬梢粋€(gè)圍繞主要?dú)饬鞯牧黧w屏障。該屏障可以大大減少被挾帶入高速主要?dú)饬髦械沫h(huán)境氣體的量，因此，可以用于在主要?dú)饬鲝膰姌寚娚湟院髮⒅饕獨(dú)饬髂郾３忠粋€(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的距離。這便可使噴槍這樣放置，使得噴槍頂部距主要?dú)怏w撞擊或者接觸其它流體或者固體之處隔開(kāi)一個(gè)較大的距離，因此可以提高噴槍的安全性和更好地保持它的整體性。
通常，從噴槍提供的燃料和氧化劑的量對(duì)于主要?dú)饬鞯牡睦硐腴L(zhǎng)度只是足以形成一個(gè)有效的火焰包圍物。然而有的時(shí)候希望相當(dāng)多的燃料和氧化劑從噴槍噴射出來(lái)，以便火焰包圍物不僅用于阻止主要?dú)饬鞅粧稁氕h(huán)境氣體而且還用于向容器提供相當(dāng)大的熱量。也就是說(shuō)，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，噴槍還可起著一個(gè)燃燒器的作用。
本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍的襯套可以含有一個(gè)或者多個(gè)附加通道，用于向向其噴射凝聚主要?dú)怏w射流的容器中提供一股或者多股附加流體或者提供一股或者多股固體顆粒流。在圖3中示出了具有噴射開(kāi)口24的附加通道21。一個(gè)或者多個(gè)附加通道21可以有利地用于本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍，以便向電弧熔爐提供后燃氧氣，用于實(shí)施在授予Mathur等人的美國(guó)專利5572444中公開(kāi)和要求保護(hù)的后燃方法，而噴射器總成用來(lái)向熔融金屬提供主要氧氣。一個(gè)或者多個(gè)附加通道可以以一股或者多股平行于凝聚的主要?dú)怏w射流或者以一股或者多股向著或者背離凝聚的主要?dú)怏w射流傾斜的射流來(lái)提供附加流體或者顆粒流。圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其可以用來(lái)提供兩股附加發(fā)散氣流。而圖5示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其可以用來(lái)提供兩股來(lái)自噴槍的附加氣流，使得這兩股氣流在噴槍的下游交叉，即這兩股氣流是會(huì)聚的。通道的或者氣體射流的軸線是通過(guò)通道中心的或者氣體射流的沿著其長(zhǎng)度延伸的假想線。主要通道的軸線示于圖1中。
下面是本發(fā)明的凝聚射流噴射器噴槍設(shè)計(jì)的較佳規(guī)范。
(1)通過(guò)主要通道的流量在額定溫度和壓力下(NTP),20-150平均立方英尺/小時(shí)(MCFH)供應(yīng)壓力(噴嘴上游)50-300磅/英寸2(psig)會(huì)聚-發(fā)散噴嘴的喉部直徑D=K(Q/P)1/2D-喉部直徑-英寸Q-立方英尺/小時(shí)(CFH)，在額定溫度和壓力下主要?dú)怏w流量P-絕對(duì)壓力(psig)K=0.03-0.04D=1/4”-2”(2)至圍繞噴嘴的多孔環(huán)通道或者環(huán)形通道的氧氣Deq=CQ1/4Deq=相當(dāng)于多孔環(huán)或者環(huán)形通道橫截面積的管的直徑Deq=[多孔環(huán)或者環(huán)形通道橫截面積(平方英寸)除以(π/4)]的平方根Q-立方英尺/小時(shí)(CFH)在額定溫度壓力下主要?dú)怏w流量C-0.013-0.16
(3)至圍繞噴嘴的多孔環(huán)或者環(huán)形通道的燃料Deq=JQ1/4/H1/2Q-CFH在額定溫度壓力下主要?dú)怏w流量H-燃料熱值-英熱量單位/立方英尺(BTU/CF)，(在額定溫度壓力下)J=0.4-5.0現(xiàn)在當(dāng)采用本發(fā)明時(shí)，則可以有效地確定作為凝聚氣體射流的氣體流量。雖然本發(fā)明參照某些較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)還可以有其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1．一種凝聚射流噴射器噴槍，它包括(A)一個(gè)噴射器總成，它具有(1)一個(gè)主要通道，一個(gè)噴射空間和一個(gè)噴嘴，該噴嘴具有一個(gè)與主要通道相連通的進(jìn)口和一個(gè)與噴射空間相連通的出口；(2)一個(gè)與主要通道徑向隔開(kāi)并且與噴射空間相連通的第一次要通道；(3)一個(gè)與第一次要通道徑向隔開(kāi)并且與噴射空間相連通的第二次要通道；(B)一個(gè)覆蓋著噴射器總成的襯套，所述的襯套伸過(guò)噴嘴出口而限定了該噴射空間。
2．如權(quán)利要求1所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，噴嘴是一個(gè)會(huì)聚/發(fā)散噴嘴。
3．如權(quán)利要求1所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，襯套在噴射器總成的一側(cè)比在其另外一側(cè)伸過(guò)噴嘴出口一個(gè)較大的距離。
4．如權(quán)利要求1所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，其安裝在容器的側(cè)壁上。
5．如權(quán)利要求3所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，其傾斜地安裝在容器的側(cè)壁上。
6．如權(quán)利要求1所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，襯套包括至少一個(gè)附加通道，用于提供包括至少流體或者顆粒之一的射流。
7．如權(quán)利要求6所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，至少一個(gè)在襯套內(nèi)的附加通道具有一個(gè)與主要通道傾斜的軸線。
8．如權(quán)利要求6所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，它包括至少兩個(gè)在襯套內(nèi)的附加通道，其定向使得從所述的附加通道噴射出來(lái)的流體射流的軸線交叉。
9．如權(quán)利要求6所述的凝聚射流噴射器噴槍，其特征在于，它包括至少兩個(gè)在襯套內(nèi)的附加通道，其定向使得從所述的附加通道噴射出來(lái)的流體射流的軸線發(fā)散。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生長(zhǎng)的凝聚氣體射流的噴槍,它包括一個(gè)帶有一個(gè)會(huì)聚/發(fā)散噴嘴的主要通道和兩個(gè)徑向隔開(kāi)的用于產(chǎn)生火焰屏障的次要通道,每個(gè)通道都與由一個(gè)保護(hù)襯套限定的噴射空間相連通。
文檔編號(hào)C21C5/00GK1217954SQ9812267
公開(kāi)日1999年6月2日 申請(qǐng)日期1998年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月20日
發(fā)明者J·E·安德森, P·C·馬蘇爾, R·J·瑟利內(nèi)斯 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司