ES2553991T3 - Método para formar un chorro coherente - Google Patents

Abstract

Un método para formar y mantener un chorro coherente de gas dentro de un recipiente que comprende la inyección de gas en una corriente de gas a una velocidad supersónica desde un dispositivo de inyección en el recipiente en el que se establecen condiciones de vacío, proporcionando el combustible y el oxidante a una velocidad subsónica al recipiente alrededor de dicha corriente de gas, y quemando dicho combustible y oxidante para formar una envoltura de llama alrededor de dicha corriente de gas para formar y mantener dicha corriente de gas como un chorro de gas coherente.

Description

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DESCRIPCION

Metodo para formar un chorro coherente Campo tecnico

La presente invencion se refiere en general a tecnolog^a de chorro coherente o supersonico.

Tecnica anterior

Un avance significativo reciente en el campo de la dinamica de gases, es el desarrollo de tecnologfa de chorro coherente, por ejemplo en la Patente estadounidense No. 5.814.325 - Anderson et al., Patente estadounidense No 6,171.544 - Anderson et al. y en el documento US 2004/135296. En la practica de esta tecnologfa uno o mas chorros de gas de alta velocidad expulsados desde una o mas boquillas en una lanza se mantienen coherentes a traves de una distancia relativamente larga por el uso de una envoltura de llama alrededor y a lo largo del chorro de gas a alta velocidad. La envoltura de llama se forma por combustion de combustible y oxidante expulsado de la lanza a partir de uno o mas anillos de los puertos alrededor de la boquilla. El combustible y el oxidante en combustion en condiciones de presion atmosferica para formar la envoltura de llama. El funcionamiento de esta tecnologfa en condiciones de presion subatmosfericas sena deseable. Sin embargo, es problematico debido a los efectos negativos del apagado de llama y reventon experimentado en tales condiciones.

Compendio de la invencion

Un aspecto de la presente invencion es:

Un metodo para formar y mantener un chorro de gas coherente dentro de un recipiente que comprende la inyeccion de gas en una corriente de gas a una velocidad supersonica a partir de un dispositivo de inyeccion en el recipiente en el que se establecen condiciones de vado, proporcionando combustible y oxidante a una velocidad subsonica en el recipiente alrededor de dicha corriente de gas, y quemando dicho combustible y oxidante para formar una envoltura de llama alrededor de dicha corriente de gas para formar y mantener dicha corriente de gas como un chorro de gas coherente.

Otro aspecto de la presente invencion es:

Un metodo para hacer funcionar un recipiente metalurgico que contiene metal fundido y que tiene un espacio de cabeza por encima del metal fundido, comprendiendo dicho metodo la inyeccion de gas en una corriente de gas a una velocidad supersonica desde un dispositivo de inyeccion en el espacio de cabeza en el que se establecen condiciones de vado, suministrar combustible y oxidante a una velocidad subsonica en el espacio de cabeza alrededor de dicha corriente de gas, quemar dicho combustible y oxidante para formar una envoltura de llama alrededor de dicha corriente de gas y pasar dicha corriente de gas como un chorro de gas coherente a dicho metal fundido.

Tal como se utiliza en la presente memoria el termino "condiciones de vado" significa una presion inferior a la presion atmosferica ambiente, y para un recipiente metalurgico, preferiblemente dentro del intervalo de 13 mbar a 400 mbar (de 10 a 300 Torr), mas preferiblemente dentro de el intervalo de 47 mbar a 200 mbar (de 35 a 150 Torr).

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 es una vista frontal de una realizacion preferida de la cara de un dispositivo de inyeccion y la Figura 2 es una vista en seccion transversal de una realizacion preferida de un dispositivo de inyeccion que tiene dicha cara que se puede usar en la practica de esta invencion.

La Figura 3 ilustra una realizacion de la invencion en funcionamiento en un recipiente metalurgico. Los numeros en los dibujos son los mismos para los elementos comunes.

La Figura 4 es una representacion grafica de los resultados obtenidos con la practica de la invencion en comparacion con los resultados sin la practica de la invencion.

Descripcion detallada

La invencion se describira en detalle con referencia a los dibujos

Con referencia ahora a las figuras, el gas como se muestra por la flecha de flujo 1, se hace pasar a traves de al menos una boquilla 2, preferiblemente una boquilla convergente/divergente, y luego hacia fuera del dispositivo de inyeccion 3 a traves de una abertura de boquilla 4 en la cara 6 para formar una corriente de gas coherente 5 que tiene una velocidad supersonica dentro del intervalo mayor que Mach 1 a aproximadamente Mach 6, preferiblemente dentro del intervalo de Mach 3 a Mach 4,5 y puede tener una velocidad de flujo de hasta aproximadamente 0,79 m3/s (aproximadamente 100.000 scfh) o mas. El numero de chorros de gas expulsado a traves de las respectivas

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boquillas en la practica de esta invencion puede estar dentro del intervalo de 1 a 6. El volumen de inyeccion en el que los chorros de gas coherentes se inyectan puede ser una estacion de tratamiento de metal tal como una estacion de tratamiento al vado. Cuando se emplea una pluralidad de boquillas, cada boquilla puede estar alejada en angulo una de otra y del eje central de la lanza.

Cualquier gas eficaz puede ser utilizado como gas para formar el chorro o chorros coherente/s en la practica de esta invencion. Entre tales gases se pueden nombrar oxfgeno, nitrogeno, argon, dioxido de carbono, hidrogeno, helio, vapor y gases de hidrocarburos. Preferiblemente, el gas es oxfgeno comercialmente puro. Tambien se pueden utilizar como tal gas mezclas que comprenden dos o mas gases, por ejemplo, aire, tal como en la practica de esta invencion.

Un anillo 20 de los puertos esta situado en la cara 6 alrededor de la abertura o aberturas de la boquilla 4. El anillo 20 es preferentemente un drculo que tiene un diametro dentro del intervalo de 1,9 cm a 50 cm (de 0,75 a 20 pulgadas). Generalmente el anillo 20 comprendera de 6 a 48 puertos. Cada salida de puerto es preferentemente un drculo que tiene un diametro dentro del intervalo de 0,3 cm a 7,6 cm (de 0,125 a 3 pulgadas). Sin embargo, los puertos pueden tener una forma no circular tal como una forma rectangular o una forma elfptica. El anillo de los puertos puede estar en un receso o ranura en la cara de lanza 6 para ayudar a apoyar la estabilizacion de la llama. Tfpicamente un receso tal tiene una profundidad dentro del intervalo de 0,3 cm a 61 cm (de 0,125 pulgadas a 24 pulgadas) y un ancho dentro del intervalo de 0,3 cm a 7,6 cm (de 0,125 a 3 pulgadas). Los parametros para cualquier diseno de dispositivo de inyeccion en particular dependeran de la velocidad de flujo de el/los chorro/s de gas supersonico.

Una envoltura de llama se forma alrededor y a lo largo de la/s corriente (s) de gas supersonico quemando el combustible y oxidante proporcionado desde los puertos. El combustible y el oxidante pueden proporcionarse desde los puertos como una mezcla, es decir, en una disposicion de premezclado, o pueden proporcionarse por separado y se mezclan despues de la inyeccion en el volumen de inyeccion del dispositivo de inyeccion. Se prefiere el ultimo metodo, y se describe mas completamente a continuacion.

El combustible es proporcionado a un primer conjunto de puertos 22 en el anillo 20 y el oxidante se suministra a un segundo conjunto de puertos 23 en el anillo 20. Preferiblemente, como se ilustra en la Figura 1, el primer conjunto de puertos 22 se alterna con el segundo conjunto de puertos 23 en el anillo 20 de manera que cada puerto de combustible 22 tiene dos puertos de oxidante 23 adyacentes a cada lado de dicho puerto de combustible, y cada puerto de oxidante 23 tiene dos puertos de combustible 22 adyacentes a cada lado de dicho puerto de oxidante. El combustible y el oxidante se expulsan desde el dispositivo de inyeccion a partir de sus respectivos puertos en el volumen de inyeccion. La velocidad del combustible y oxidante expulsados desde el anillo de puertos tiene una velocidad subsonica, preferiblemente dentro del intervalo de 61 m/s a 305 m/s (de 200 a 1.000 pies por segundo).

El combustible expulsado desde los puertos 22 es preferiblemente gaseoso y es un combustible que contiene hidrogeno. Entre tales combustibles se pueden nombrar hidrogeno, metano, gas natural, gas de coque, gas de smtesis, gas de petroleo, propano, butano y aceites combustibles gasificados o vaporizados. El oxidante expulsado desde los puertos 23 puede ser aire, aire enriquecido con oxfgeno que tiene una concentracion de oxfgeno superior a la del aire, u oxfgeno comercial que tenga una concentracion de oxfgeno de al menos 90 por ciento en moles. Preferiblemente, el oxidante es un fluido que tiene una concentracion de oxfgeno de al menos 25 por ciento en moles.

El combustible y el oxidante pasados afuera desde el dispositivo de inyeccion forman una envoltura de gas alrededor de chorro de gas 5 que se quema para formar una envoltura de llama o llama, cubierta alrededor de el/los chorro/s de gas dentro del volumen de inyeccion. La envoltura de llama 24 alrededor de la corriente de gas sirve para evitar que el gas ambiente sea arrastrado en la corriente o corrientes de gas, evitando asf que la velocidad de la corriente o corrientes de gas de disminuya significativamente y evitando que el diametro de la corriente o corrientes de gas aumente significativamente sirviendo asf para establecer y mantener la corriente de gas 5 como un chorro coherente.

Alternativamente, el combustible y el oxidante pueden proporcionarse respectivamente a partir de dos anillos de puertos en la cara, un anillo interior de los puertos alrededor de y mas cercano a la/s boquilla/s central/es 4, y un anillo exterior de los puertos espaciados radialmente desde y alrededor del anillo interior de los puertos. Preferiblemente, el combustible es suministrado desde el anillo interior de los puertos y el oxidante se proporciona desde el anillo exterior de los puertos. Los puertos en el anillo exterior de los puertos pueden estar alineados con o desplazados entre los puertos en el anillo interior de los puertos.

El oxidante y combustible de cubierta de llama se pueden expresar como una relacion estequiometrica. La definicion relacion estequiometrica es la relacion operativa de combustible y oxfgeno (F/O) dividido por el F/O requerida para una combustion completa. Por ejemplo, cuando el combustible es metano y el F/O operativo es 1,25, ya que la estequiometrica para la combustion completa de metano y oxfgeno es 0,5, la relacion estequiometrica en este ejemplo es 1,25 / 0,5 o 2,5. Preferiblemente, en la practica de esta invencion, la relacion estequiometrica del combustible de cubierta de llama y oxfgeno es superior a 2.

La extension 15 se extiende desde la cara para formar una zona de recirculacion 16 en la que se inyectan inicialmente la corriente de gas y los gases de envoltura de llama. Tfpicamente, la extension sera de forma cilmdrica,

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aunque son posibles otras formas, y tendra una longitud dentro del intervalo de 1,3 cm a 61 cm (de 0 a 24 pulgadas) y un diametro dentro del intervalo de 2,5 cm a 61 cm (de 1,0 a 24 pulgadas). La zona de recirculacion l6 formada por la extension 15 sirve para ayudar a la formacion inicial de la envoltura de llama alrededor de la corriente de gas y para anclar la envoltura de llama a la cara del dispositivo de inyeccion en las condiciones de vado del recipiente. Los parametros particulares de la extension dependeran de la velocidad de flujo de gas principal.

La invencion puede ponerse en practica con la extension y/o las ranuras de puerto de envoltura de llama debatidos anteriormente para ayudar a la estabilizacion de la llama de soporte. La extension puede ser parte del propio dispositivo de inyeccion o puede ser formada por separado.

La velocidad subsonica de combustible y oxidante y la envoltura de llama alrededor de la/s corriente/s de gas resultante/s de la combustion del combustible y el oxidante junto con la recirculacion de gas adyacente a la cara sirve para mantener la envoltura de llama unida o anclada a la cara en condiciones de vado, evitando asf el despegue de la llama y el reventon. La integridad resultante de la envoltura de llama sirve para mantener la corriente de gas o de chorro coherente. Esto permite que la corriente de gas recorra una distancia mas larga de lo que sena el caso mientras se mantiene una velocidad supersonica. Esto es particularmente ventajoso en una aplicacion metalurgica porque el dispositivo de chorro coherente no tiene que sobresalir en la camara de tratamiento en comparacion con los dispositivos convencionales de lanza que deben sobresalir significativamente en la camara durante el tratamiento. Como resultado, en el caso convencional, el equipo de elevacion y juntas deslizantes especiales deben ser montados en la parte superior del recipiente para retraer la lanza convencional desde el recipiente cuando el tratamiento ha terminado. Tambien el dispositivo de chorro coherente no sufrira dano que se produce a una lanza convencional y juntas deslizantes

Una aplicacion importante para la practica de esta invencion es en un recipiente metalurgico que funciona a presion subambiente, tal como el proceso de refinado al vado que se ilustra en la Figura 3. En esta practica en particular, el recipiente metalurgico 30 comprende una camara 31 y una cuchara de colada 32 que contiene un metal fundido 35. Se establecen condiciones de vado dentro del espacio de cabeza 33 del recipiente 30, tal como por evacuacion de la atmosfera del espacio de cabeza por medio de una bomba de vado a traves del canal 34. El gas en corriente de gas 5 se proporciona a continuacion en el espacio de cabeza 33 del dispositivo de inyeccion 3 y se forma la envoltura de llama 24 alrededor de la corriente de gas 5 como se ha descrito anteriormente. Preferiblemente el dispositivo de inyeccion 3, estara al ras con la cara refractaria del recipiente o se extendera por solo una corta distancia en el recipiente. El inyector en la practica de esta invencion puede ser un inyector de posicion fija o puede ser un inyector de posicion variable que se puede insertar en el recipiente y que puede moverse a diversas posiciones. El gas en la corriente de gas 5, por ejemplo, oxfgeno, se pasa desde el dispositivo de inyeccion 3 y entra en contacto con el metal fundido, por ejemplo, acero, que, debido a las condiciones del proceso de refinado de vado, es inducido a fluir en la trayectoria que se muestra en la Figura. 3. El gas puede ser empleado para descarburar el metal fundido y/o para otros propositos tal como el calentamiento del metal fundido mediante la oxidacion de combustibles de alta energfa adicionales, tal como aluminio, silicio y similares.

Con el uso de esta invencion, el dispositivo de inyeccion de chorro coherente o la cara del inyector puede estar situado sustancialmente arriba de donde la cara de una lanza convencional se posicionana, incluyendo el ser posicionado al ras con la cara refractaria dentro de la parte superior del vaso. Preferiblemente, tal distancia sena de aproximadamente 7,6 m (aproximadamente 25 pies) o en el intervalo de 4,5 m a 12 m (de 15 a 40 pies) en el caso de la mayona de los recipientes construidos en los ultimos anos. En el caso de los viejos recipientes mas cortos la distancia puede ser menor, pero el dispositivo de chorro coherente o la cara del inyector todavfa estanan al ras de la superficie refractaria superior interna. Puede concebiblemente haber casos donde la cara del inyector de chorro coherente podna tener que extenderse desde 0,6 m a 1,5 m (de 2 a 5 pies) dentro del recipiente para colocarlo a la distancia requerida por encima de la superficie del metal fundido. Sin embargo, incluso con tal posicion alta por encima de la superficie del metal fundido, la invencion es capaz de proporcionar gas tal como oxfgeno en el metal fundido con una mejor eficiencia que la que se puede lograr con la practica convencional.

Para fines ilustrativos y comparativos se llevaron a cabo pruebas con la practica de la invencion y sin la practica de la invencion, y los resultados se presentan en la Figura 4. Las pruebas se presentan con fines ilustrativos y comparativos y no se pretende que sean limitativas.

Se realizaron experimentos para ilustrar el efecto de la cubierta de llama sobre las caractensticas de preservacion de chorro agotando los chorros en una camara de vado experimental. Los experimentos se llevaron a cabo en una camara de presion de 67 mbar (50 Torr) y se presentan como un ejemplo. Una boquilla convergente-divergente conica fue disenada para admitir 14,1 m3/h (500 pies cubicos estandar por hora (scfh)) de oxfgeno cuando se suministra con calibre de 10,3 bares (150 libras por pulgada cuadrada (psig)) aguas arriba de la entrada de la boquilla y escapando en una camara de presion absoluta de 0,6 m hasta 15 m (50 Torr) (-13,73 psig)) aguas abajo de la salida de la boquilla. El diametro de la garganta de la boquilla era de 1,5 mm (0,0605 pulgadas) y el diametro de salida era de 5,2 mm (0,2061 pulgadas). La longitud de la garganta era igual al diametro de la garganta y el angulo medio de divergencia de la boquilla fue de 5 grados. En las condiciones de flujo, el chorro de oxfgeno completamente expandido salio de la boquilla con un numero de Mach de 4,08 (2110 pies por segundo).

La cubierta de llama fue formada circundando la boquilla convergente-divergente con un anillo simple de combustible

igualmente espaciado y alterna y puertos de ox^geno secundarios. Ocho puertos de gas natural y ocho puertos de oxfgeno secundario se colocaron en un drculo de 2,5 cm (1 pulgada) de diametro. Todos los puertos de la cubierta eran perforaciones con paredes resistentes cada uno con un diametro de 0,32 cm (0,125 pulgadas). El caudal de gas natural fue admitido en un total de 2,8 m3/h (100 scfh) (20 por ciento del flujo de oxfgeno principal) y el flujo de 5 oxfgeno secundaria fue un total de 2,3 m3/h (80 scfh). Se empleo una extension de recirculacion situada en la salida de la boquilla para estabilizar la combustion para asegurar que la llama estaba anclada a la salida de la boquilla. Esta extension tema una longitud de 1,6 cm (0,625 pulgadas) y un diametro de 32 cm (1,25 pulgadas)

Las mediciones del tubo de Pitot tomadas del chorro en la lmea central axial se registraron como una funcion de la distancia desde la salida de la boquilla. Las mediciones se registraron sin la cubierta de llama y con la cubierta de 10 llama. Los resultados se muestran en la Figura 4 que muestra la velocidad de la lmea central del chorro calculada (normalizada por la velocidad de salida de boquilla) frente a la distancia axial (normalizada por el diametro de salida de boquilla). Sin la cubierta de llama, la distancia a la que la velocidad habfa decafdo a la mitad de la velocidad inicial (V/V (0) = 0,5) fue de 50 diametros de la boquilla (X/D = 50). Con la cubierta de la llama, la distancia a la que la velocidad habfa decafdo a la mitad de la velocidad inicial (V/V / (0) = 0,5) se encontro que era 260 diametros de 15 boquilla (X/D = 260). Esto representa un aumento en la longitud del chorro por un factor de 5,2 (520 por ciento).

Aunque la invencion ha sido descrito en detalle con referencia a ciertas realizaciones preferidas, los expertos en la tecnica reconoceran que hay otras realizaciones de la invencion dentro del alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo la extension de recirculacion se puede disenar en el propio dispositivo de inyeccion o, lanza o estar formado como parte de un ensamblaje separado, por ejemplo, la insercion de la lanza en un receso formado por la pared 20 refractaria del recipiente o un panel disenado por separado que alberga la lanza. Preferiblemente, la invencion se practica con chorros supersonicos totalmente expandidos con boquillas convergentes/divergentes disenadas adecuadamente. Sin embargo, la invencion tendra algun grado de efectividad si se emplea un bajo chorro expandido a partir de una boquilla convergente sonica o una boquilla convergente/divergente.

Claims (10)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para formar y mantener un chorro coherente de gas dentro de un recipiente que comprende la inyeccion de gas en una corriente de gas a una velocidad supersonica desde un dispositivo de inyeccion en el recipiente en el que se establecen condiciones de vado, proporcionando el combustible y el oxidante a una velocidad subsonica al recipiente alrededor de dicha corriente de gas, y quemando dicho combustible y oxidante para formar una envoltura de llama alrededor de dicha corriente de gas para formar y mantener dicha corriente de gas como un chorro de gas coherente.
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en donde la relacion estequiometrica de combustible y oxidante es mayor que 2.
3. 3. El metodo de la reivindicacion 1 en el que el gas comprende oxfgeno.
4. 4. El metodo de la reivindicacion 1 en el que el combustible y oxidante se proporcionan en el recipiente desde un anillo simple de puertos en el dispositivo de inyeccion.
5. 5. El metodo de la reivindicacion 1 en el que el gas, combustible y oxidante se hacen pasar inicialmente en un volumen de recirculacion formado por una extension en el dispositivo de inyeccion y, posteriormente, se hacen pasar al interior del recipiente.
6. 6. Un metodo para hacer funcionar un recipiente metalurgico que contiene metal fundido y que tiene un espacio de cabeza por encima del metal fundido, comprendiendo dicho metodo la inyeccion de gas en una corriente de gas a una velocidad supersonica desde un dispositivo de inyeccion en el espacio de cabeza en el que se establecen condiciones de vado, la provision de combustible y oxidante a una velocidad subsonica en el espacio de cabeza alrededor de dicha corriente de gas, la combustion de dicho combustible y oxidante para formar una envoltura de llama alrededor de dicha corriente de gas, y el paso de dicha corriente de gas como un chorro de gas coherente a dicho metal fundido.
7. 7. El metodo de la reivindicacion 6 en el que la relacion estequiometrica de combustible y oxidante es mayor que 2.
8. 8. El metodo de la reivindicacion 6 en el que el gas comprende oxfgeno.
9. 9. El metodo de la reivindicacion 6 en el que el combustible y oxidante se proporcionan en el recipiente de un anillo simple de puertos en el dispositivo de inyeccion.
10. 10. El metodo de la reivindicacion 6 en el que el gas, combustible y oxidante se hacen pasar inicialmente en un volumen de recirculacion formado por una extension en el dispositivo de inyeccion y, posteriormente, se hacen pasar al espacio de cabeza.