惰性气体注入方法
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1.一种将惰性气体注入位于具有经加热的熔炉气氛的冶金炉内的 熔融体中的方法，所述方法包括：
(a)将惰性气体流导入具有会聚-分叉结构通道的喷嘴；
(b)在完全位于通道之内的多处内圆周位置将氧气流注入惰性气体 流从而在通道形成含有混合的惰性气体和氧气的气流；
(c)在完全位于通道之内的多处内圆周位置将含有氢物种的燃料注 入惰性气体流从而在通道里形成含有混合的燃料、惰性气体和氧气的气 流，所述气流具有的结构由含有惰性气体、氧气和燃料的混合物的外周 区域和由外周区域所环绕的含有惰性气体而基本不含有燃料或氧气的内 部中心区域所构成；
(d)导入到通道入口部分的惰性气体流处于或者高于临界压力，由 此而产生：在通道的的中心喉部内的阻流条件；在通道的分叉部分内含 有混合的燃料、惰性气体和氧气的流被加速至超音速；并且将含有混合 的燃料、惰性气体和氧气的气流以结构化射流由喷嘴排放至熔炉气氛中， 所述结构化射流在从喷嘴排放时具有含有混合燃料、惰性气体和氧气的 气流结构和超音速；
(e)通过使通道具有不被任何断裂所中断的内表面从而防止燃料在 通道内被点燃和燃烧，否则在断裂处所述外周区域被减速并提供燃料稳 定燃烧的位点；
(f)形成火焰包封来包围由所述结构化射流的内部中心区域形成的 惰性气体射流，所述惰性气体射流最初具有超音速以防止惰性气体射流 的速度衰减和浓度衰减，通过将结构化射流的外周区域与经加热的熔炉 气氛相接触而形成含有可燃烧混合物的剪切-混合区域并且可燃烧混合物 由经加热的熔炉气氛所提供的热而自行点燃从而完全在喷嘴的外部形成 所述火焰包封，其中所述可燃烧混合物由燃料、惰性气体、氧气和经加 热的熔炉气氛构成；以及
(g)在被火焰包封来包围的同时将惰性气体射流导入熔融体。
2.将惰性气体注入位于具有经加热的熔炉气氛的冶金炉内的熔融体 中的方法，所述方法包括：
(a)将惰性气体流导入具有会聚-分叉结构通道的喷嘴；
(b)在完全位于通道之内的多处内圆周位置将氧气和含有氢物种的 燃料的预先混合流注入惰性气体流从而在通道里形成含有混合的燃料、 惰性气体和氧气的流，所述流具有的结构由含有惰性气体、氧气和燃料 的混合物的外周区域和由外周区域所环绕的含有惰性气体而基本不含有 燃料或氧气的内部中心区域所构成；
(c)导入到通道入口部分的惰性气体流处于或者高于临界压力，由 此而产生：在通道的的中心喉部内的阻流条件；在通道的分叉部分内含 有混合的燃料、惰性气体和氧气的流被加速至超音速；并且将含有混合 的燃料、惰性气体和氧气的流以结构化射流由喷嘴排放至熔炉气氛中， 所述结构化射流在从喷嘴排放时具有含有混合燃料、惰性气体和氧气的 流结构和超音速；
(d)通过使通道具有不被任何断裂所中断的内表面从而防止燃料在 通道内被点燃和燃烧，否则在断裂处所述外周区域被减速并提供燃料稳 定燃烧的位点；
(e)形成火焰包封来包围由所述结构化射流的内部中心区域形成的 最初具有超音速的惰性气体射流从而防止惰性气体射流的速度衰减和浓 度衰减，通过将结构化射流的外周区域与经加热的熔炉气氛相接触而形 成含有可燃烧混合物的剪切-混合区域并且可燃烧混合物由经加热的熔炉 气氛所提供的热而自行点燃从而完全在喷嘴的外部形成所述火焰包封， 其中所述可燃烧混合物由燃料、惰性气体、氧气和经加热的熔炉气氛构 成；以及
(f)在被火焰包封来包围的同时将惰性气体射流导入熔融体。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述惰性气体是氩气。
4.如权利要求1所述的方法，其中：
所述含有混合的燃料、惰性气体和氧气的流在其作为结构化射流从 喷嘴排出时完全膨胀；
氧气在喷嘴的分叉部分内导入惰性气体流；以及
燃料在喷嘴的分叉部分内导入惰性气体流。
5.如权利要求1所述的方法，其中：
所述含有混合的燃料、惰性气体和氧气的流在其作为结构化射流从 喷嘴排出时完全膨胀；
预先混合的燃料和氧气流在喷嘴的分叉部分内导入惰性气体流。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
所述含有混合的燃料、惰性气体和氧气的流在其作为结构化射流从 喷嘴排出时过度膨胀，从而使得惰性气体流在喷嘴的分叉部分内低于环 境压力；以及
燃料在分叉部分内的位置导入惰性气体流，在分叉部分内惰性气体 流低于环境压力。
7.如权利要求2所述的方法，其中：
所述含有混合的燃料、惰性气体和氧气的流在其作为结构化射流从 喷嘴排出时过度膨胀，从而使得惰性气体流在喷嘴的分叉部分内低于环 境压力；以及
预先混合的燃料和氧气流在分叉部分内的位置导入惰性气体流，在 分叉部分内惰性气体流低于环境压力。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中所述喷嘴的分叉部分由中心 喉部延伸至暴露于经加热的熔炉气氛的喷嘴的喷嘴面。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中所述冶金炉是电弧炉或氧气 顶吹转炉，所述经加热的熔炉气氛含有一氧化碳以及所述可燃烧的混合 物含有一氧化碳。
10.如权利要求1或2所述的方法，其中所述冶金炉是氧气顶吹转 炉并且所述喷嘴安装在水冷喷枪内并位于所述水冷喷枪的喷枪嘴。
11.如权利要求1所述的方法，其中通过将燃料注入多孔金属环状 器件从而在通道的内圆周多处位置将燃料导入到惰性气体流中，所述多 孔金属环状器件具有形成所述会聚-分叉通道的喉部或分叉部分的一部分 的内环面。
12.将惰性气体注入位于具有经加热的含有一氧化碳的熔炉气氛的 冶金炉内的熔融体中的方法，所述方法包括：
将惰性气体流导入具有会聚-分叉结构通道的喷嘴，所述喷嘴位于水 冷喷枪嘴并偏向外侧与水冷喷枪的中心轴成角度；
在完全位于通道之内的多处内圆周位置将氧气流注入所述惰性气体 流从而利用通道形成含有混合惰性气体和氧气的流；
在完全位于通道之内的多处内圆周位置将含有氢物种的燃料注入惰 性气体流从而在通道里形成含有混合的燃料、惰性气体和氧气的流，每 股流具有的结构由含有惰性气体、氧气和燃料的混合物的外周区域和由 外周区域所环绕的含有惰性气体而基本不含有燃料或氧气的内部中心区 域所构成；
导入到通道入口部分的惰性气体流处于或者高于临界压力，由此而 产生：在通道的的中心喉部内的阻流条件；在通道的分叉部分内含有混 合的燃料、惰性气体和氧气的流被加速至超音速；并且将含有混合的燃 料、惰性气体和氧气的流以结构化射流由喷嘴排放至熔炉气氛中，所述 结构化射流在从喷嘴排放时具有含有混合燃料、惰性气体和氧气的流结 构和超音速；
通过使通道具有不被任何断裂所中断的内表面从而防止燃料在通道 内被点燃和燃烧，否则在断裂处所述外周区域被减速并提供燃料稳定燃 烧的位点；
形成火焰包封来包围由所述结构化射流的内部中心区域形成的最初 具有超音速的惰性气体射流从而防止惰性气体射流的速度衰减和浓度衰 减，通过将结构化射流的外周区域与经加热的熔炉气氛相接触而形成含 有可燃烧混合物的剪切-混合区域并且可燃烧混合物由经加热的熔炉气氛 所提供的热而自行点燃从而完全在喷嘴的外部形成所述火焰包封，其中 所述可燃烧混合物由燃料、惰性气体、氧气和经加热的熔炉气氛构成； 以及
将水冷喷枪置于冶金容器中并在被火焰包封来包围的同时将惰性气 体射流导入熔融体。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述惰性气体是氩气。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述冶金炉是氧气顶吹转炉。
15.如权利要求14所述的方法，其中存在3至6个喷嘴并且所述喷 嘴偏向外侧与中心轴成约6度至约20度。
16.如权利要求14所述的方法，其中：
燃料导入到燃料室中而喷嘴穿过所述燃料室；以及
通过位于喷枪嘴并将通道内周位置和燃料室连通的燃料通路将燃料 导入通道。
17.如权利要求16所述的方法，其中对于每个通道存在约4至约 12个燃料通路。
18.用于权利要求1-17中任一项所述的方法的设备，所述设备包 括：
(a)具有喷枪体和喷枪嘴的喷射器或喷枪；
(b)至少一个将惰性气体、氧气和含有氢的燃料导入喷枪体的装置；
(c)所述喷枪嘴含有一个或多个会聚-分叉喷嘴用于产生超音速惰 性气体流；
(d)至少一个将氧气注入惰性气体流外周进入喷嘴的一部分的装 置；
(e)至少一个将含氢燃料注入惰性气体流外周进入喷嘴的任何部分 的装置。
19.如权利要求18所述的设备，其中用于注入氧气的装置和至少一 个用于注入含氢燃料的装置将氧气和燃料注入喷嘴的分叉部分。
20.用于权利要求1-17中任一项所述的方法的设备，所述设备包 括：
(a)具有喷枪体和喷枪嘴的喷射器或喷枪；
(b)至少一个将惰性气体、氧气和含有氢的燃料导入喷枪体的装置；
(c)所述喷枪嘴含有一个或多个会聚-分叉喷嘴用于产生超音速惰 性气体流；
(d)至少一个用于均匀分布含氢燃料和氧气的混合物的装置；以及
(e)至少一个将燃料和氧气的混合物注入惰性气体外周进入喷嘴的 任何部分的由多孔金属构成的装置。
21.如权利要求20所述的设备，其中至少一个用于注入含氢燃料和 氧气的混合物的装置将所述混合物注入喷嘴的分叉部分。
技术领域
本发明一般涉及将惰性气体(或者纯惰性气体或者高浓度惰性气体) 的超音速连贯射流注入位于冶金炉内的熔化金属浴中的方法。
背景技术
通常，现有技术教导了采用“外罩”技术，由此主要射流包括惰性 气体被外部形成的火焰罩所环绕。于2006年6月28日提交的美国专利 申请11/476,039，标题为“Oxygen Injection Method”(Mahoney等)，公开 了“内罩”技术以形成氧气连贯射流用于改进熔融金属浴的顶吹精炼工 艺(例如氧气顶吹炉(BOF)炼钢)。
Mahoney等描述的内罩技术具体体现为以下要素：
1.在会聚-分叉喷嘴中形成超音速氧气流；
2.将含有氢的燃料混合到位于喷嘴出口上流的氧气周界内；
3.将混合的超音速气流以射流排入高温下的熔炉例如氧气顶吹转炉 中；以及
4.在剪切(或混合)层中燃烧注入的燃料和氧气以形成连贯射流。
当该方法应用于纯惰性气体或高浓度惰性气体、补足氧气时出现问 题。由于射流剪切层中燃料燃烧的消失或者受抑制，所述内罩方法对于 产生惰性气体的连贯射流是无效的(即，在剪切层中燃烧注入的燃料和氧 气从而产生连贯射流是不可能的)。
因此，需要解决的是采用内罩技术产生含有纯的或高浓度惰性气体 尤其是氩气的连贯射流。需要解决的另一个问题是通过应用含有氩气的 内罩连贯射流改进熔融金属的精炼，尤其是氧气顶吹工艺。
日本专利申请JP2002-288115(JFE/Nippon)涉及管道内的火焰稳定工 艺。这是通过注入与一部分主要氧气流相混合的燃料而实现的。在点燃 时，火焰在位于气体通道壁中的环形沟内被稳定，所述环状沟用作火焰 支持器。结果，该技术不能应用于产生氩气连贯射流。日本专利申请 JP2003-0324856公开了能向铁的熔化/精炼中大范围提供火焰和氧气射流 的单燃烧器喷枪，但并没有讨论惰性气体的注入或内罩。
由于将内罩方法应用于惰性气体的困难，因此迄今为止并未能实现。 本发明使得现在能将内罩法相比外罩法的相对优势应用于惰性气体诸如 氩气。
发明内容
根据本方法，将惰性气体流导入具有会聚-分叉结构的通道的喷嘴中。 应当注意的是整个通道并非必须具有会聚-分叉结构，并且实际上，本发 明的通道可以在会聚-分叉结构部分之后具有延伸至喷嘴表面的直型圆柱 部分。此外，本文和权利要求中使用的术语“惰性气体流”涵盖具有至 少40体积％，并优选为至少70体积％的惰性气体浓度的均匀混合气流。 在完全位于通道之内的多处内圆周位置将氧气流注入惰性气体流从而在 通道内形成含有混合的惰性气体和氧气的气流。于此，“氧气流”指具 有至少75体积％的氧气浓度的气流并优选为至少90体积％的商用纯氧气 流。然后在完全位于通道之内的多处内圆周位置将含有氢物种的燃料注 入惰性气体流。于此，术语“氢物种”指分子氢或含有氢的分子或任何 含有氢原子的物质或其组合。结果，在通道里形成含有混合的燃料、惰 性气体和氧气的气流，所述气流具有的结构由含有惰性气体、氧气和燃 料的混合物的外周区域和由外周区域所环绕的含有惰性气体而基本不含 有燃料或氧气的内部中心(核心)区域所构成。
处于或者高于临界压力的惰性气体流被导入到通道的入口部分。结 果，在通道的的中心喉部内建立阻流条件，在通道的分叉部分内含有混 合的燃料、惰性气体和氧气的流被加速至超音速，并且将含有混合的燃 料、惰性气体和氧气的气流以结构化射流由喷嘴排放至熔炉气氛中。所 述结构化射流在从喷嘴排放时具有含有混合燃料、惰性气体和氧气的气 流结构和超音速。
通过不引入火源并提供具有不被任何断裂所中断的内表面(否则在断 裂处所述外周区域被减速并提供燃料稳定燃烧的位点)的通道从而防止燃 料在通道内被点燃和燃烧。
形成火焰包封来包围由所述结构化射流的内部中心区域形成的最初 具有超音速的惰性气体射流。所述火焰包封防止了惰性气体射流的速度 衰减和浓度衰减。否则没有火焰包封时，由于惰性气体射流与熔炉气氛 的相互作用，速度将衰减。这样的相互作用也导致惰性气体射流的稀释 从而造成浓度衰减。如本文和权利要求中所使用，术语“火焰包封”指 包围惰性气体射流并通过燃料和在经加热的熔炉气氛中所存在的任何反 应物的主动燃烧沿其长度方向传播的火焰，其中这样的燃烧全部地或者 部分地由惰性气体结构化射流所提供的氧气所支持。在本发明中，通过 将结构化射流的外周区域与经加热的熔炉气氛相接触从而完全在喷嘴的 外部形成所述火焰包封。该接触形成含有可燃烧混合物的剪切-混合区域 并且可燃烧混合物由经加热的熔炉气氛所提供的热而自行点燃，其中所 述可燃烧混合物由燃料、惰性气体、氧气和经加热的熔炉气氛构成。
在被火焰包封来包围的同时将惰性气体射流导入熔融体。于此，本 文和权利要求中所使用的关于炼钢炉、电弧炉(EAF)或BOF的术语“熔 融体”指熔渣层和位于其下的熔化金属汇积体。结果，在该炉中，惰性 气体射流将首先进入熔渣层。在其中不产生熔渣层的冶金炉的情况下， 惰性气体射流进入的“熔融体”将构成熔融金属。其例子可以是非铁精 炼容器。
尽管在现有技术中未知，但如上所述的结构化射流的排放在与经加 热的熔炉气氛相接触时将产生在外侧剪切-混合区域内的区域，所述区域 将点燃从而形成火焰包封从而包围由结构化射流的内部中心区域形成的 惰性气体超音速射流并防止其速度衰减和浓度衰减。这使得本发明的喷 嘴能置于距离熔融体一定距离并使得熔融体的有利搅拌作用得到增强。
如上所言明并且在本领域内已知，超音速下惰性气体射流的产生和 注入具有使得用于精炼目的的熔融体内含有的金属的任何氧化减至最 少，同时形成熔融体的剧烈搅拌作用。此外，没有外部燃料通道能插入 以要求喷枪停止工作并从喷嘴面上抽出被称之为壳(skull)的沉积物。此 外，由以上讨论将能理解，在混合空间(喷嘴)内含有氧气和燃料的气流在 高速下混合、点燃、稳定和燃烧的缺点可通过本发明而避免，因为燃料 和氧气的点燃、稳定和燃烧在喷嘴内被阻止。
含有混合的燃料、惰性气体和氧气的气流在其作为结构化射流从喷 嘴排出时完全膨胀。燃料在喷嘴的分叉部分内导入含有惰性气体和氧气 的气流。作为安全措施，所述含有混合的燃料、惰性气体和氧气的气流 在其作为结构化射流从喷嘴排出时过度膨胀，从而使得惰性气体流在喷 嘴的分叉部分内低于环境压力。燃料在分叉部分内的位置导入含有惰性 气体和氧气的气流，在分叉部分内含有惰性气体和氧气的气流低于环境 压力。结果，在燃料供应系统故障的时候，惰性气体和氧气将不会回流 通过燃料通道从而造成潜在的危险情况。另一个有利的结果是燃料输送 系统不要求超过喷嘴内的背压，由此将燃料输送至喷嘴所需的供应压力 降至最低。
喷嘴的分叉部分可由中心喉部延伸至暴露于经加热的熔炉气氛的喷 嘴的喷嘴面。由以下详细讨论可容易地预见到其他可能性。
优选为，混合的燃料、惰性气体和氧气的结构化射流的超音速为至 少约1.7马赫。
冶金炉可以是电弧炉(EAF)。另外一种方式，冶金炉也可以是氧气顶 吹转炉(BOF)。在这些情形下，优选为以特定当量比将燃料导入氧气流中。 包罩燃料(F)和氧气(O)之间的当量比定义为燃料/氧气比与化学计量燃料/ 氧气比之间的比例：
(F/O)/(F/O)化学计量 (等式1)
例如，由CH4和O2构成的包罩，F/O化学计量＝0.5。对于纯氩气，试 验指出包罩要求将约为F/O＝0.2至0.13(非常氧化性)。因此，当量比将 为0.26至0.4。然而，本发明在处于这些范围之外时依然可行。因此这些 范围是优选的，但并非必须的。对于纯氩气，优选的是注入氩气的约5 至15％的氧气作为包罩氧气，而对于氩气/氧气点燃射流则要求更小的比 例。
在任一类型的熔炉中，经加热的熔炉气氛将含有一氧化碳，而用以 形成火焰包封的可燃烧混合物也将由此含有一氧化碳。当冶金炉是氧气 顶吹转炉时，喷嘴可安装在水冷喷枪内并位于水冷喷枪的喷枪嘴。然而， 能理解的是本发明的应用并不局限于这些熔炉，并且实际上可用于具有 不含有一氧化碳或者任何其他能用作用于形成火焰包封的可燃烧混合物 的一部分的物质的经加热的熔炉气氛的熔炉中。关于“经加热的熔炉气 氛”所必须的是其具有足够的温度以引起可燃烧混合物的自燃。
在本发明的任何实施方式中，通过将燃料注入具有内环面的多孔金 属环状器件从而在通道的内圆周多处位置将燃料导入到含有惰性气体和 氧气的气流中。所述内环面形成所述会聚-分叉通道的喉部或分叉部分的 一部分。(包罩燃料和包罩氧气能一起注入惰性气体或者能分别注入)
在本发明的方法被应用于将惰性气体注入位于具有含一氧化碳的经 加热的熔炉气氛的冶金炉中的熔融体的另一方面，惰性气体流能引入具 有会聚-分叉结构通道的喷嘴中，其中所述喷嘴位于水冷喷枪嘴并偏向外 侧与水冷喷枪的中心轴成角度。这样的冶金炉可以是氧气顶吹转炉。含 有氢物种的燃料和氧气流能按照以上概述的方式注入惰性气体流中从而 形成结构化射流、火焰包封和独立的惰性气体射流，其最初具有超音速。 水冷喷枪可位于氧气顶吹转炉内而惰性气体流导入熔融体内。
在氧气顶吹转炉喷枪中，通常存在3至6个喷嘴并且所述喷嘴偏向 外侧与中心轴成约6度至约20度。如上所述，在氧气顶吹转炉的情况下， 可以以约0.26至0.4的当量比(尽管并非要求)将燃料导入氧气，而混合的 燃料、惰性气体和氧气的结构化射流的超音速可以是至少约1.7马赫。在 具体实施方式中，燃料能导入到燃料室中而喷嘴穿过所述燃料室。通过 位于喷枪嘴并将通道内周位置和燃料室连通的燃料通路将燃料导入通 道。于此，对于每个通道存在约4至约12个燃料通路。应当注意的是能 使用更多的或者更少的燃料通路。对于内罩氧气而言也相同，即，燃料 和氧气能注入相同的室或不同的室中。
附图说明
当说明书以明确指出发明人视为其发明的主题的权利要求书作为结 束时，应当认为联系附图能更好地理解本发明。
图1(a)和1(b)根据本发明的方法所使用的用于在超音速下将惰性气 体射流注入熔融体的喷射器的示意图，分别由喷射器面和横截面进行观 察。
图2是用于模拟热熔炉气体的设备的横截面示意图。
图3是根据本发明的方法所使用的用于在超音速下将惰性气体射流 注入熔融体的喷射器的横截面示意图。
图4是归一化连贯射流长度(L/D)相比在没有导入内罩气体的模拟熔 炉气体中正常射流长度的图示。
图5是利用没有内罩气体的2马赫纯氩气进行运行的试验性设备的 照片。
图6是在本发明条件下2马赫氩气射流的照片。
图7是对具有42％氩气、补足余量的氧气的初始组成的2马赫主要 射流的内罩效果的图示。
图8是对具有72％氩气的初始组成的2马赫主要射流的内罩效果的 图示。
图9是初始含有74.5％氩气的2马赫主要射流的图示。
图10、11和12是初始含有纯氩气的2马赫主要射流的图示。
图13(a)和13(b)分别是显示用于没有本发明的内罩的氩气射流的喷 射器和用于具有本发明的内罩的氩气射流的喷射器的横截面示意图。
图14是具有约10％内部氧气(相对于氩气流)和约2％内部甲烷(相对 于氩气流)的100％氩气射流在实行本发明时的放射性空速管压力和组成 特征的图示。
具体实施方式
熔炉氛围通过剪切(混合)层的形成接触射流并激起燃料和氧气之间 的燃烧从而导致形成氩气连贯射流。
相对于外罩，将燃料和氧气喷射器放入喷嘴(即内罩)的主要优点包括 以下一点或多点：
1.消除内罩气体出口的反向制动。因此出口通常在于高速流主喷嘴 内，反向制动倾向将非常小。
2.对于BOF外罩连贯射流喷枪，存在连贯射流长度对主要喷嘴分叉 角度(相对于喷枪轴)的非常大的依赖。将喷射器置于主要喷嘴之内有效地 使连贯射流长度独立于主要喷嘴角度。
3.对于BOF外罩连贯射流喷枪，存在枪嘴和喷枪壳(skull)(鼓出体) 形成对外罩燃料速率的非常大的依赖。即，喷枪壳增长率和组成依赖于 外部燃料速率。据认为外部燃料注入用作冷却剂(通过燃料分裂)，倾向于 在枪嘴上固化熔渣和金属，或者用作还原剂(在枪嘴上将FeO还原为Fe)。 结果，相比于正常BOF喷枪壳，喷枪壳越来越大并且金属性越来越强。 这样的情形导致越来越频繁和越来越困难的喷枪壳移除，由于增加的人 工和缩短的枪嘴寿命从而增加成本。将喷射器置于主要喷嘴里将通过避 免将纯燃料注入熔炉从而避免燃料分解和还原对喷枪嘴壳的作用。
4.对于BOF外罩连贯射流喷枪，这样的壳通过干扰形成火焰罩的过 程从而干扰连贯射流形成的过程。这将能导致所期望的连贯射流的益处 的变换和整体减少，或者使之不可能形成连贯射流的过程。
5.利用内罩连贯射流将改善顶部喷枪惰性气体吹射。
本发明的内罩方法是能将连贯射流原理应用于BOF转换器的技术， 这将提供与更多实际喷枪设计相关的加工获益。
改进惰性气体连贯射流，尤其是氩气连贯射流应当能获得每体积供 给的惰性气体更多的炼钢量并因此可能使对于BOF而言顶部喷枪氩气吹 射工艺是经济的。
内罩惰性气体连贯射流设备包括以下部件：
1.具有喷枪体和喷枪嘴的喷射器或喷枪；
2.一个将惰性气体、氧气和含有氢的燃料导入喷枪体的装置；
3.一个含有一个或多个会聚-分叉喷嘴用于产生超音速惰性气体流 的喷枪嘴；
4.将氧气注入氩气流外周，或者进入喷嘴的分叉部分或任何其他部 分的装置；
5.将含有氢的燃料注入氩气流外周，优选进入喷嘴的分叉部分的装 置。
在用于模拟热熔炉气体的设备中进行试验。在实施例1和2中使用 的设备如图2所示。热熔炉气体共轴地与内罩连贯射流喷嘴相互作用。 设备(20)包括包含在水冷护套(22)之中的用于主要惰性气体流的通道 (21)。预热燃烧器(23)提供Co和O2(标为P.H.CO和P.H.O2)。其他CO 流通过共轴通道(24)引入。水经过通道(25)引入到水冷护套之中。第一热 偶放置在主要通道的中点(26)(T.C.中点)而第二热偶放置在主要通道的 出口(27)(T.C.出口)。
实施例
实施例1：带有燃料的氩气连贯射流
进行试验以试图形成仅仅注入内罩燃料的纯氩气连贯射流。所使用 的内罩惰性气体连贯射流喷射器在图1(a)和1(b)中描述。图1(a)是具有均 等间隔的八个口(11)的喷射器的出口。这些口是钻孔且每个直径约1/16 英寸。图1(b)是喷射器(10)的侧面剖视图，显示了用于惰性气体的会聚- 分叉通道(12)和能用于燃料或燃料和氧气的混合物的通道(13)。
氩气以100psig和3795scfh注入而燃料为天然气(NG)。喷嘴出口(D) 和喉部(T)直径分别是0.38-in和0.26-in。在模拟熔炉气体中，燃料的内 部注入未导致射流长度的变化，如表1所示。
表1：伴有内部注入燃料的氩气
P.H. O2 (scfh) P.H. CO (scfh) CO 流 (scfh) 注入 NG (scfh) T.C. 出口 (°F) T.C. 中点 (°F) 射流长 度(in.) ％NG/ 主体 L/Lo 1248 650 5131 0.00 1892 1792 10.25 0.00 1.00 1248 650 5131 35.20 NT NT 10.50 0.93 1.02 1248 650 5131 58.10 1868 1789 10.25 1.53 1.00 1248 650 5131 80.60 1869 1783 10.25 2.12 1.00 1248 650 5131 103.10 1867 1797 10.00 2.72 0.98
P.H.O2＝预热燃烧器O2
P.H.CO＝预热燃烧器CO
注入NG＝天然气的注入
T.C.出口＝出口处模拟熔炉气体的温度(位置27，图2)
T.C.中点＝中点处模拟熔炉气体的温度(位置，图2)
射流长度＝喷射器外氩气连贯射流的长度
％NG/主体＝100*(scfh NG/scfh氩气)
L/Lo＝仅伴有燃料注入的氩气的射流长度和不伴有燃料注入的射 流长度之比
连贯射流长度定义为由喷嘴出口至空速管记录为50psig处(这对应 于约1.7马赫的超音速核心的位置)的轴中心线距离。
当经辐射损失校正以后，以上实验测量的温度得到实际模拟熔炉气 体温度接近商业溶液，在约3000°F的范围。
实施例2：带有氧气和燃料的氩气连贯射流
在这组试验中，使用与实施例1相同设计的喷射器，并且氧气和燃 料均预先混合并通过通道(13，14)注入内罩口以试图形成连续氩气流。然 而，仅仅注入内罩氧(相对于氩气流至多2％)和一并注入燃料(0.66％)和 氧气(0.97％)未导致射流长度变化(即，对于所有试验，即，L/Lo＝～1)，如 表2所示。
表2：伴有内部注入氧气和燃料的氩气
P.H. O2 (scfh) P.H. CO (scfh) CO 流 (scfh) 注入 NG (scfh) 注入 O2 (scfh) T.C. 出口 (°F) T.C. 中点 (°F) 射流 长度 (in.) ％NG/ 主要 ％O2/ 主要 L/Lo 1164 660 5131 0.00 0.00 1896 1812 9.88 0.00 0.00 1.00 1164 660 5131 0.00 37.90 NT NT 10.00 0.00 1.00 1.01 1164 660 5131 0.00 71.40 1868 1824 10.00 0.00 1.88 1.01 1164 660 5131 80.60 0.00 NT NT 10.00 0.78 0.00 1.01 1164 660 5131 103.10 36.80 NT NT 10.00 0.66 0.97 1.01
P.H.O2＝预热燃烧器O2
P.H.CO＝预热燃烧器CO
注入NG＝天然气的注入
T.C.出口＝出口处模拟熔炉气体的温度(位置27，图2)
T.C.中点＝中点处模拟熔炉气体的温度(位置，图2)
射流长度＝喷射器外氩气连贯射流的长度
％NG/主体＝100*(scfh NG/scfh Ar)
％O2/主体＝100*(scfh O2/scfh Ar)
L/Lo＝仅伴有燃料注入的氩气的射流长度和不伴有燃料注入的射流 长度之比
实施例3：利用多孔金属分配器进行注入
使用如图3所示的喷射器进行更多试验。该喷射器(30)使用单种多孔 金属(31)(通常为黄铜或青铜或铜，但也可以使用任何金属)从而在内罩气 体进入具有不同组成的氩气/氧气主射流(包括纯氩气)时均匀地分布“预 先混合的”燃料和氧气的混合物。喷射器(30)包括用于惰性气体(32)的会 聚/分叉通道和用于燃料和氧气形成内罩气体的其他通道(33)。这些实验 以单喷嘴试验进行，而会聚/分叉通道设计为允许4000scfh(100psig，2 马赫)的氧气流。在试验中，氩气和氧气以在100psig时3775-4000scfh 进行流动。进行试验的温度为大约2250°F(未对辐射损耗进行修正)。
图4是在模拟熔炉气氛中归一化的射流长度(长度/直径＝L/D)作为氩 气浓度的函数的图示，用氧气补足余量，未导入内罩气体。在环境空气 中获取的数值也已显示。
图5是利用没有内罩气体的2马赫纯氩气进行运行的试验性设备的 照片。氩气射流不可见，并在该试验中形成约38的L/D。
图6是在本发明条件下2马赫氩气射流的照片。内置氧气以占起始 主要氩气流的约13％进入而内部甲烷以占约3％进入。由于燃料、氧气和 来自模拟熔炉气体的一氧化碳的反应而是射流可见。射流长度增加至L/D ＝60。
图7是对具有42％氩气、补足余量的氧气的初始组成的主要射流的 内罩效果的图示。对于不同的内罩氧气速率，射流长度L/D对内罩燃料 速率进行作图。在此情况下，最初在主射流中存在的氧气量使得内部燃 料注射有效。然而，通过加入内罩氧气，射流长度相比仅仅加入燃料得 到实质上的改进。
图8是对具有72％氩气的初始组成的主要射流的内罩效果的图示。 对于不同的内罩氧气速率，射流长度L/D对内罩燃料速率进行作图。在 此情况下，最初在主射流中存在的氧气量不足于使得内部燃料注射过程 有效。然而，通过加入内罩氧气，射流长度相比最初的条件得到实质上 的改进。
图9是初始含有74.5％氩气的主要射流的图示。图10、11和12是初 始含有纯氩气的主要射流的图示。在所有这些情况下，仅仅加入燃料导 致射流长度的缩短。然而，同时加入燃料和氧气使之能形成长的连贯射 流。
在图13(b)中显示了利用两条独立的管道供应内罩燃料和氧气的另一 个实施方式。该实施方式利用两个多孔带子分别提供燃料和氧气。多孔 金属制造为喷嘴分叉部分的一部分。最可能的是，当喷嘴流体在较低压 力下燃料将在较低的带子中输送。与未同内罩一起喷射的氩气(如图13(a) 相比)相比，内罩提供了更长的超音速核心，导致更长的连贯射流。形成 组成上“结构化的”射流的概念应用于形成具有内罩技术的氩气连贯射 流。在本发明的条件下进行组成测定，并且所述组成提供了对燃料和氧 气注入经设计为2马赫的纯氩气射流的过程中混合和反应的观察了解。
图14是具有约10％内部氧气和约2％内部甲烷的100％氩气射流在实 行本发明时的放射性空速管压力和组成特征的图示。在距离喷嘴出口平 面约1个喷嘴直径的轴向位置进行测量。用于得到该数据的设计显示在 图3中。
图14中的数据图显示在模拟熔炉气体中运行的内罩氩气射流的“结 构”。该图包括空速管压力(psig)和气体组成(体积％)作为径向位置的函数。 氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳是仅被分析的气体；氩气不能被测量。
射流的中部核心由非常高速的纯氩气构成。在外周区域，所述气体 含有氧气、甲烷和氩气；由在-1至1(-1＜R/Rn＜1)范围内未检测到燃烧 产物可判定气体没有在喷嘴内燃烧。在约-1.5≤R/Rn≥1.5，由于与熔炉气 氛反应而生成二氧化碳和一氧化碳，甲烷和氧气峰急剧地下降。该位置 标明了火焰前沿的内沿。R是径向坐标，而Rn是喷嘴出口半价(Rn＝D/2)。
尽管参考某些优选实施方式详细地描述了本发明，但本领域技术人 员将认识到存在其他在权利要求精神和范围之内的实施方式。
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