氧氣注入方法

專利名稱：氧氣注入方法
技術領域：
本發明涉及向位于冶金爐內的熔化物內注入超音速氧氣射流的方 法，其中氣氣射流從噴嘴的匯聚-發散通道以超音速的速度排出而作 為結構化射流的部分，結構化射流具有包括燃料和氧氣的混合物的外 圃周區域，混合物在爐內氣氛內且不在噴嘴內自動點燃且燃燒以形成 火焰包閨物來抑制氣氣射流的速度衰減和濃度衰減。
背景技術：
典型地將氣氣注入到熔融的金屬熔池內以用于例如鋼精煉的目
的.例如，在電孤爐(EAF)中和堿性氧氣爐(basic oxygen furnace) (BOF)中通過向包括鐵和廢料的熔化物中注入氧氣來精煉鋼.注入 的氧氣與碳、硅、錳、鐵和包括磷的雜質起反應，以調整熔化物的碳 含量且去除雜質.氣化反應在熔化物的頂上產生了爐渣層.為其他目 的注入氧氣，例如為熔煉銅、鉛和鋅的目的。
重要的是氧氣穿透熔融的金屬熔池.在BOF中，在爐渣層中過量 的氧氣的反應引起不受控的起泡，這導致了材料從轉爐中的浪費的噴 出，即稱為"濺溢"的現象。在EAF中，氧氣穿透不足可能引起不希 望的碳電極的氧化，這導致了增加的運行成本。另外，來自冶金噴槍 的深的氧氣穿透將產生有益的對熔融金屬的攪拌動作。
為實現深穿透，冶金噴槍必須放置為盡可能靠近熔化物的表面。 這帶來的問題是因為在熔融金屬表面處生成的強烈的熱導致噴槍的使 用壽命非常短.另一個問題是因為噴槍過熱而將水冷卻刑釋放到熔爐;
內的風險的增加，水冷卻劑可導致激烈的且危險的與熔化物的反應。 形成在熔融金屬噴槍上的沉積物也將降低噴槍的使用壽命。另 一個有 害的效杲是熔融金屬和爐法能飛濺，這導致了產品的損失和熔爐維護 的問題。
為避免將冶金噴槍靠近熔化物表面放置，希望的是氣氣從冶金噴 槍以盡可能高的速度排出，使得氧氣能穿透熔融金屬而同時噴槍可以
定位在熔化物上方處。然而，當從冶金噴槍排出氧氣射流時，氣氣射
流將與爐內氣氛相互作用。這樣的相互作用導致氧氣射流的速度和濃 度的衰減，和作為結果的氧氣射流穿透熔融金屬熔池的能力的下降。
為克服此問題，已知提供包圍了氧氣射流的火焰包圍物或火焰軍
來抑制速度衰減.例如，在美國專利US 3，427，151中將氧氣引入到提 供有中心通道的噴嘴內，中心通道具有收縮以實現在收縮處的音速速 度和從噴嘴排出的氧氣射流的音速速度。補充氧氣和燃料從閨繞中心 通道的氣氣通道和燃料通道的同心環噴出以產生圍繞中心氣氣射流的 火焰包閨物.
美國專利5，599，375披露了具有中心匯聚-發散通道的燃燒器/注 入器，以將氧氣注入到燃燒室內。燃料通路圍繞匯聚-發散通道以將 燃料注入到燃燒室內。次級氧氣通路圍繞燃料通路以在燃燒室內引入 第二氣化氣體。當燃燒器注入器以燃料燃燒模式運行時，燃料在燃燒 室內與在中心注入的氧氣和笫二氧化氣體一起燃燒。這造成了廢料加. 熱和熔融火焰通過燃燒室引導向待熔融的廢料。 一旦廢料的小部分熔 融，則降低燃料流且增加氧氣流以造成高度地氧化火焰，高度地氧化 火焰迅速地與已預熱的廢料反應以通過從放熱氧化中釋放的熱來熔融 另外的廢料。燃料流然后進一步降低或完全地消除，且從匯聚-發散 噴嘴排出的氧氣流進一步大體上增加，優選地增加到超音速速度，以 與位于更遠離燃燒器/注入器的已預熱的廢料的另外的部分反應。
如可認識到，僅具有收縮的通道且無匯聚-發散通道的美國專利 US 3,427,151不能發射超音速氧氣射流。雖然美國專利5,599,375利用 了匯聚-發散通道以產生超音速氧氣射流，但因為注入很少的燃料或 不注入燃料而不使用火焰包閨物，且因此超音速氧氣射流將因為射流 與爐內氣氛的相互作用而迅速地衰減。
為解決這些問題，美國專利US 5，814，125提供了將氣體注入到例 如熔融的鐵的液體熔化物中的方法。根據此方法，在具有匯聚-發散 通道的噴嘴內造成超音速氧氣射流。超音速氧氣射流被火焰包圍物圍 繞，火焰包圍物通過從圍繞了中心匯聚-發散通道的通路的內和外同 心布置噴出燃料和氣氣所生成。火焰軍抑制了超音速氧氣射流的速度 衰減，且允許氧氣以超音速速度沖擊到在20個噴嘴直徑或更遠處的液 體熔化物表面。在美國專利US 6，604，937中，例如氧氣的氣體可以通 過多個成向外的角度的匯聚-發散噴嘴，以生成具有超音速速度的射
流，用于為精煉目的注入到熔融金屬。端口環圍繞匯聚-發散噴嘴， 用于交替地噴出燃料和氧化劑，以支持燃料的燃燒。這樣的燃燒產生 了單個的火焰包閨物以圍繞射流，且因此抑制了射流的速度的表減。 即使當用火焰軍住的超音速氧氣射流從注入器或噴槍中噴出時，
例如以上在美國專利US 5，814，125或US 6，604，937中描述，熔融金屬和 爐渣也可以形成已知為渣殼的沉積物，渣殼能阻塞燃料和氧氣從中噴 出的通路的開口.這樣的增長能干擾火焰革的形成且因此降低射流的 用途或使射流無效。為解決此問題，在公開的日本專利申請2002-288,115中披露了具有匯聚-發散通道的水冷噴槍組件，以從噴槍尖端 噴出超音速氧氣射流。超音速氧氣射流被火焰圍繞，火焰在中心匯聚 -發散通道內通過在通道內內部注入的燃料產生，內部注入的燃料在 通道內燃燒。為穩定火焰，在通道的匯聚段的端部和噴嘴面之間連通 的噴嘴的直段提供有圃周溝槽，燃料和氧氣在溝槽內收集、減速且當 點燃時燃燒。
噴嘴內發生的燃燒可能引起潛在的安全性和運行問題。燃料的燃 燒是放熱氧化反應，該氧化反應能使噴嘴本身退化而最終引起或迅速 地引起災難性的故障。這樣的退化能負面地影響噴槍的壽命且增加將 能與熔化物劇烈地反應的水冷卻劑釋放到熔爐內的風險.存在與在受 限空間內混合碳氬化合物和氧氣相關的安全性危險，其中能造成即使 非爆炸性的也是可燃性的混合物。本領域技術人員將認識到與必要的 點燃、燃燒穩定性和火焰監控過程相關的困難。
如上所述，本發明提供了向熔融金屬內注入超音速氧氣射流的方 法，該方法優于現有技術，且實際上即使未消除也最小化了在以上所 述的現有技術設備中確定的問題。

發明內容
本發明提供了將氧氣注入到位于具有加熱的爐內氣氛的冶金爐內: 的熔化物內的方法.
根據本方法，將氧氣流引入到噴嘴內，噴嘴具有匯聚-發散構造 的通道。應注意的是，整個通道不必具有匯聚-發散構造，且實際上 根據本發明的通道可以具有匯聚-發散構造的部分，其后跟隨延伸到 噴嘴面的直圃柱部分。此外，在此處且在權利要求書中使用的術語"氧
氣流"包括均勻地共混的流，流的氧氣純度為至少大約35%體積百分 比，剩余的是例如氣的情性氣體。然而，在氧氣煉鋼中，氧氣濃度為 大約90%且更高是優選的。包括氫類的燃料在通道的內圓周位置處注 入到氣氣流內，通道的內圃周位置完全地位于通道內.在這點上，術 語"氦類"意味著分子氬或包括氫的分子或包括氫原子的任何物質， 或它們的組合。作為結果，包括組合的燃料和氧氣的流在通道內形成， 它具有包括外圃周區域和內中心區域的結構，外圓周區域包括氧氣和 燃料的混合物且內中心區域被外圓周區域包圍且包括氧氣而基本上無 燃料.
氧氣流以臨界壓力或高于臨界壓力引入到通道的入口段內。作為 結果，在通道的中心喉部段內建立了阻流條件，包括組合的燃料和氧 氣的流在通道的發散段內被加速到超音速速度，且包括組合的燃料和 氣氣的流作為結構化射流從噴嘴排出到爐內氣氛。結構化射流具有包 括組合的燃料和氧氣的流的結構，且當從噴嘴排出時具有超音速速 度.
通過不引入點燃源且為通道提供不被任何不連續部中斷的內表面 來防止燃料在通道內時的點燃和燃燒，否則在不連續部中外圓周區域 將可能減速且為燃料的穩定燃燒提供位置。
產生了火焰包圍物，它圍繞從結構化射流的內中心區域形成的氧 氣射流，且其最初具有超音速速度，火焰包圍物抑制了氧氣射流的速 度和濃度衰減.否則，無火焰包閨物，因氧氣射流與爐內氣氛的相互 作用，速度將襲減.這樣的相互作用也導致氧氣射流的稀釋，以產生 濃度衰減.如在此處和在權利要求書中所使用，術語"火焰包圍物" 意味著通過燃料和任何可能存在于加熱的爐內氣氛內的反應物的主動 燃燒圍繞氧氣射流且沿氧氣射流的長度傳播的火焰，其中這樣的燃燒 完全地或部分地由氧氣射流供給的氧氣支持。在本發明中，火焰包圍 物完全地在噴嘴外通過結構化射流的外圓周區域與加熱的爐內氣氛的 接觸產生.此接觸造成了包括可燃混合物的剪切混合區，可燃混合物 包括燃料、氧氣和加熱的爐內氣氛，且造成了通過由加熱的爐內氣氛 供給的熱的可燃混合物的自動點燃。
氧氣射流引導到熔化物內，同時被火焰包閨物圍繞。在這點上， 在此處和在權利要求書中關于煉鋼爐、EAF或BOF使用的術語"熔化物"意味著爐渣層和位于下方的熔融金屬熔池。作為結果，在這樣的 熔爐中，氣氣射流將首先進入爐渣層。在其中不產生爐渣層的冶金爐 的情況中，氣氣射流進入其內的"熔化物"將包括熔融金屬。其一個 例子是有色金屬精煉容器。
雖然在現有技術中未知，但如以上所述的結構化射流的排出當與 加熱的爐內氣氛接觸時將在外剪切混合區內產生區域，其將點燃以形 成火焰包閨物，火焰包閨物圍繞由結構化射流的內中心區域形成的超 音速氣氣射流，且抑制超音速氧氣射流的速度衰減和濃度衰減。這允 許本發明的噴嘴定位在離開熔化物 一段距離處，且允許有益的熔化物 攪拌作用被增強.
如上所指出且如在現有技術中已知，氧氣射流在超音速速度時的 產生和注入具有的優點是為精煉目的最大化了能與包括在熔化物內的 可氣化類反應的氧氣的量，同時產生了有力的熔化物攪拌動作.另外， 不存在可能要求將噴槍從使用中移開且從噴嘴面取出已知為渣殼的沉 積物的外燃料通路。此外，如可從以上的討論中認識到，包括氧氣和 燃料的流在組合的空間內的混合、點燃和燃燒的缺點通過本發明被避 免，因為防止了在噴嘴內時燃料和氧氣的混合物的點燃和燃燒。
當包括組合的燃料和氧氣的流作為結構化射流從噴嘴排出時可W 完全擴張.燃料在噴嘴的發散段內時可以引入到氧氣流中。作為安全 性措施，當包括組合的燃料和氧氣的流作為結構化射流從噴嘴排出時 可以過度擴張，使得氧氣流在噴嘴的發散段內時具有亞環境壓力。燃 料可以在其中氧氣流處于亞環境壓力下的發散段的位置處引入到氧氣 流內.作為結果，當燃料供給系統故障時，氧氣將不通過燃料通路回 流而造成潛在的危險狀況。另一個有利的結果是，不要求燃料運送系 統克服正的氧氣背壓，因此最小化了將燃料運送噴嘴內所需要的供給 壓力.
噴嘴的發散段可以從中心喉部段延伸到噴嘴的暴露于加熱的爐內 氣氛的噴嘴面.其他可能性從以下詳細討論中變得明顯'
優選地，組合的燃料和氧氣的結構化射流的超音速速度至少是大
約馬赫數為1.7.
冶金爐可以是電弧爐。在這樣的情況中，燃料優選地以大約0.02 至大約0.14之間的當量比引入到氧氣流內。替代地，冶金爐可以是堿
性氣氣爐.在這樣的情況中，燃料優選地以大約0.01至大約0.06之間 的當量比引入到氧氣流內。在兩類熔爐的任一個中，加熱的爐內氣氛 將包括一氣化碳，且用于形成火焰包圍物的可燃混合物將又包括一氧 化碳。當冶金爐為堿性氧氣爐時，噴嘴可以在水冷噴槍的噴槍尖端處 安裝在水冷噴槍內.然而應理解的是，本發明的應用不限制于這樣的 熔爐，且實際上本發明可以用在具有這樣的加熱的爐內氣氛的熔爐 中，即爐內氣氛不包括一氣化碳或能用作用于形成火焰包閨物的可燃 混合物的部分的任何其他物質。關于"加熱的爐內氣氛"所有必需的 是，它具有足夠的溫度以導致可燃混合物的自動點燃。
在本發明的任何實施例中，可以在通道的內圃周位置處通過將燃 料注入到具有內環形表面的多孔金屬環形元件內而將燃料引入到氧氣 流內.內環形表面形成了匯聚-發散通道的喉部段或發散段的部分.
在應用于將氣氣注入到位于具有包括一氧化碳的加熱的爐內氣氛 的冶金爐內的熔化物內的本發明的方法的進一步的方面中，氧氣流可 以引入到具有匯聚-發散構造的通道的噴嘴內，其中噴嘴位于水冷噴 槍的尖端處且從水冷噴槍的中心軸線向外地成角度。這樣的冶金爐可 以是堿性氧氣爐。包括氫類的燃料以以上略述的方式注入到氧氣流 內，以形成結構化射流、火焰包圍物和單獨的氧氣射流，氣氣射流最 初具有超音速速度.水冷噴槍可以位于堿性氧氣爐內且氧氣射流被引 導到熔化物內.
在堿性氧氣爐噴槍中，典型地存在3個到6個之間的噴嘴，且噴 嘴與中心軸線向外地成大約6度到大約20度之間的角度.如以上所指 出，在堿性氧氣爐的情況中，燃料可以以大約0.01至大約0.06之間的 當量比引入到氧氣流內，且組合的燃料和氧氣的結構化射流的每個的 超音速速度可以至少是馬赫數為1.7。在特定的實施例中，可以將燃料 引入到燃料室內且噴嘴定位為通過燃料室。通過位于噴槍尖端內且在 通道的內圃周位置和燃料室之間連通的燃料通路將燃料引入到通道 內，在這點上，對于每個通道存在大約4個到大約12個之間的燃料通 路.應注意的是，可以使用更多或更少的燃料通路。
附困說明
雖然說明書得出了清楚指出了被申請人認為是本發明的主題的杈利要求，但相信結合附困將更好地理解本發明，其中各圖為
困1是根據現有技術的方法產生了自由氧氣射流的噴嘴的示意性 截面視圖2是進行了根據本發明的方法的噴嘴的示意性截面視圖； 圖3是在匯聚-發散通道內建立的軸向靜態壓力分布的曲線困表 示，其中內部流當離開噴嘴時完全擴張；
困4是在匯聚-發散通道內的軸向靜態壓力分布的曲線圖表示，
其中發散出口段設計為使得氧氣以過度擴張的狀態從噴嘴射出；
圖5是在匯聚-發散通道內的軸向靜態壓力分布的曲線圖表示，
匯聚-發散通道使用了延伸至到噴嘴面的出口段的圃柱形延伸部，使 得氧氣以不足擴張的狀態從噴嘴射出；
困6是形成用于由圖2中圖示的類型的噴嘴產生的馬赫數為2的
表示，^有超音速速度和初始速度的大約;2%的軸向中心線速度；
圖7是形成用于由

圖12中圖示的類型的噴嘴產生的馬赫數為2的 氧氣射流的火焰包圍物所要求的燃料的量與射流長度的關系的曲線圖 表示，具有超音速速度和初始速度的大約92%的軸向中心線速度；
圖8是根據本發明的方法形成的馬赫數為2的結構化射流的徑向 停滯壓力分布和氣體濃度的曲線圖表示；
圖9是被根據本發明的方法形成的火焰包圍物圍繞的氧氣射流的 氣體濃度和徑向停滯壓力分布的曲線圖表示，其在距噴嘴面 一定距離 處測量，在該距離處射流的軸向中心線速度已衰減到大約在離開噴嘴 處初始馬赫數2， 1600英尺/秒速度的92 % ;
圖10圖示了使用氧氣注入器的電孤爐通過使用根據本發明的方法 的方法以超音速速度將氧氣射流注入到熔融金屬熔池內的示意性示；
圖11困示了在圖9中使用的氧氣注入器；
圖12圖示了圖11的氧氣注入器的替代實施例；
圖13圖示了使用了水冷噴槍的堿性氧氣爐通過使用根據本發明的
方法的方法以超音速速度將氧氣射流注入到熔融金屬熔池內的示意性
表示；
圖14是在困13中使用的水冷噴槍的示意性截面視困15是在困14中圖示的水冷噴槍的噴槍尖端的放大的截面視
圖；和
圖16是沿困15中的線15-15截取圖15的截面視圖。
具體實施例方式
參考圖1和困2，將用于向冶金爐內注入超音速氧氣射流的現有技 術噴嘴1的運行與根據本發明的噴嘴2的運行進行對比。
噴嘴1具有匯聚-發散構造的通道10，通道10包括匯聚入口段 12、中心喉部段14和終止于噴嘴面18的發散出口段16。當氣氣流從 供給通道19注入到通道10的匯聚入口段12內時，它經歷初始膨脹。 如果氣氣的壓力高于在引入噴嘴10內的氧氣流的本領域中被稱為"臨 界壓力"或"馬赫數l擴張壓力"的壓力，則在中心喉部段14內實現 阻流條件，其中氧氣實現音速速度。在此和在權利要求書中的使用的 術語"音速速度"意味著具有聲音速度的幅值的速度。在阻流條件下， 任何壓力的增加將不使中心喉部段14內的氧氣的速度增加。在噴嘴10
的發散出口段16內，氧氣流動變成超音速的，因為氧氣在該段進一步 擴張.如上所述，雖然增加噴嘴的匯聚入口段12的上游氧氣的壓力將 不增加在喉部段14內的氣氣的速度，但這樣的壓力增加將增加在噴嘴 10的發散出口段16內的速度.
在噴嘴面18處，氧氣射流22從噴嘴10排出到高溫爐內氣氛內， 爐內氣氛通常略高于大氣壓力。在堿性氧氣爐的情況中，這樣的壓力 一般地髙于大氣壓力大約25%。當從噴嘴面化排出時，氣氣射流22 最初具有超音速速度。
在用于處理鋼的熔爐內，因為氧與包含在熔化物內的碳的反應， 爐內氣氛包含高濃度的一氧化碳。當氧氣射流22從噴嘴面18向外延 伸時，氣氣射流22外圃周區域將趨向于與爐內氣氛在被稱為剪切混合 區24的區內相互作用，其中爐內氣氛與氧氣射流22中包括的氧氣通 過微渦流的形成而混合，雖然在剪切混合區24內的爐內氣氛中可能存 在一氧化破的燃燒，但一氡化碳的燃燒率處于充分地低的燃燒率，且 在以以上討論的方式形成火焰包圍物中無效。實際上，顯著的燃燒將 僅在距噴嘴面18 —段距離處典型地距噴嘴面l8超過6個噴嘴直徑的 距離處發生.此燃燒間距使得任何閨繞氧氣射流22的火焰以本發明預
期的方式對防止氣氣射流22的速度衰減和濃度衰減無效，從噴嘴面18 觀看，在剪切混合區24內發生的氧氣和爐內氣氛的混合沿氧氣射流22 的長度增加，以產生圃錐形區域25，其中流動不受混合過程的影響， 且實際上與存在于噴嘴面18處的流動具有相同的特性。在本領域中， 此區域被稱為等速核(potential core)。超過等速核25的流動區域是 超音速氣氣射流22的速度首先開始降低到低于其在噴嘴面18處的速 度的點。本領域技術人員應認識到的是，存在超音速核26，它延伸超 過且包括等速核25,其中在所有點處流動速度大于或等于馬赫數1。 超過超音速核，在所有點27處流動速度是亞音速的。因為剪切混合和 反應區最終到達射流軸線，發生了到完全地建立的湍流的和燃燒的射 流的過渡.
參考圖2，圖2圖示了為進行根據本發明的方法設計的噴嘴2.噴 嘴2包括匯聚-發散通道28，其中從供給通道29將氧氣流引入到匯聚 入口段30內，以實現處于阻流條件下的中心喉部段32內的音速速度。 超音速速度在發散出口段34內實現，發散出口段34從中心喉部段32 延伸且終止于噴嘴面36處。
燃料在發散出口段34的內圃周位置38和40處通過燃料通路42 和44注入。如本領域技術人員將理解，燃料通路42和44，且因此注 入的內圃周位置將放置在發散出口段26內的規則間隔處。例如，如果 希望4個注入點，將具有4個圃周位置，例如在橫向方向觀看時相互 分開90度的38或40。換言之，例如38或40的圃周位置將不必位于
相同的軸向平面內.它們可以是交錯的。
燃料的注入產生了在匯聚—發散通道28內的包含組合的燃料和氧 氣的流，當流動繼續以在發散出口段34內擴張時，流繼續從注入點處 加速，即從內圃周位置38和40處加速。給定阻流條件，在燃料注A 前，氧氣射流將具有超音速速度，且當流動向著噴嘴面36進行時，包 含組合的燃料和氧氣的流將進一步加速到更高的超音速速度。
在囷周位置，例如在38和40處的燃料注入為噴嘴2內的包括組合 的氣氣和燃料的流賦予了結構，其具有外圃周區域46和內中心區域 48.外圃周區域包括氧氣和燃料的混合物。內中心區域48包括氣氣且 基本上無燃料.
需要注意的是，雖然例如38和40的圃周位置圖示為位于發散出
口段34內，它們也可以位于喉部段32內或甚至位于匯聚入口段30內。 為實用和安全性原因，優逸的燃料注入位置在發散出口段34內。然而， 如果燃料注入器圍繞進入到匯聚-發散噴嘴上游的氧氣放置，則本發 明是有效的。然而，這樣的放置因為安全性和燃料壓力限制的原因是 不利的。
與現有技術不同，不存在發生于噴嘴2內的點燃和燃燒。然而， 因為熔爐的高溫以及氧氣和燃料在非常受限的空間內混合的亊實，存 在這樣的燃燒的危險。因此，如以上所指出，最安全的做法是將燃料 在因流動擴張而實現的低溫和高速度處的點處注入。因此，最安全的 燃料注入點將在發散出口段34內，因為在這樣的段內因為氧氣的擴張
和包括組合的燃料和氧氣的流的持續的擴張而實現了最低的溫度和最 高的速度。
在噴嘴面36處，包括組合的燃料和氧氣的流作為結構化的射流50 被排出，其具有與噴嘴2的匯聚-發散通道28內流動的包括組合的氧 氣和燃料的流相同的結構。如同在由噴嘴1產生的自由射流中，結構 化射流50的外圃周區域將開始與加熱的爐內氣氛相互作用，以形成剪 切混合區52，其中燃料、氧氣和加熱的爐內氣氛將混合。此混合與由
加熱的爐內氣氛提供的熱一起將導致自動點燃和隨后的火焰包閨物 54，以從噴嘴面36發射.因為點燃，剪切混合區52也將包括加熱的 燃燒產物.應注意的是，火焰包圍物54不需要附著到噴嘴面36才是 有效的.然而，火焰包圍物54必須至少緊靠噴嘴面36形成，例如在 大約1個和大約2個噴嘴直徑內。如以上指出，爐內氣氛不必包括一 氧化碳或將反應產生火焰的任何其他物質。需要的僅是導致自動點燃 的溫度.
火焰包圍物54將作用以抑制氧氣射流56的速度和濃度的衰減， 氧氣射流56由包括組合的燃料和氧氣的流的內中心區域48形成.在 噴嘴2的情況中，火焰包圍物從噴嘴面36或至少緊靠噴嘴面36延伸，: 原因是在形成火焰包圍物54中利用的燃料包括氫類的事實，它比例如 可能存在于加熱的爐內氣氛中的單獨一氧化碳的燃料反應快得多。典 型的氣態燃料可以是氫氣、天然氣、甲烷、丙烷、石油氣、焦爐煤氣、 合成氣、乙炔或汽化和/或熱解液體或氣態燃料，或它們與惰性氣體和/ 或一氧化碳的混合物。典型的液體燃料可以是碳氫化合物燃油、煤油 或汽油，它們已預先霧化為氣體或包括燃料小滴的蒸汽，或通過氣氣 流自身的作用霧化.包括氣態和液體氫的其他非碳氫化合物燃料也適 合于用在本發明中，且例如包括酒精和氨。
與由噴嘴l產生的射流相比，由噴嘴2產生的等速核55和超音速 核56更長，且因此以根據本發明的方式形成的氧氣射流將允許噴嘴2 放置在距熔化物表面更遠的距離處，且與只使用氧氣注入能實現的攪 拌率相比允許噴嘴2增加熔化物的撹拌率。同時，因為在噴嘴面36內 不存在燃料和氧氣從中注入的另外的開口 ，不存在這樣的開口的可能 的阻塞。
如上所述，在噴嘴2內不發生燃燒。如所圖示，內圃周位置30和 40的下游處不存在出口段34內表面的不連續部，該不連續部趨向于使
得包括在包括組合的氧氣和燃料的流中的燃料和氧氣混合物減速，其 提供了如果點燃混合物則發生燃料穩定燃燒的位置，在這點上，包括 組合的燃料和氧氣的流的減速將導致通過渦流發生循環，而因此進一 步混合燃料和氧氣，且導致混合物可能的燃燒。
當氧氣的流量減速到使得噴嘴2處于不足吹送(under-blown )時， 存在燃料和氧氣點燃的可能。在由氧氣供給的故障導致的擾動狀況期 間，或在其中氣氣流動在精煉過程期間有目的地被降低的其他情況期 間，此情況可能出現。作為氧氣流量降低的結果，可能發生包括組合 的燃料和氣氣的流的流動從匯聚—發散通道28的內表面的分離。這將 引起間隙，以提供用于加熱的爐內氣氛進入噴嘴2、與燃料和氧氣混合 且提供足夠的熱以點燃混合物的空間。此不足吹送狀況也產生了過度 擴張射流，這可以是有利的，如將在以下討論。然而，即使當上述過 程發生時，在噴嘴內也不存在穩定火焰的位置，因為在噴嘴內缺少內 表面不連續部，例如在現有技術中利用來穩定火焰的溝槽。
參考圖3，困3中示出了得自試驗的匯聚-發散噴嘴內靜態壓力分 布，其中離開噴嘴的流完全擴張。測量值從帶有離開口直徑為0.81 in 和喉部直徑為0.62 in的匯聚-發散噴嘴中獲得。噴嘴設計為當以大約 100 psig的壓力供給時接納大約36000 scfh，且其中排放到環境空氣, 的氣氣射流以馬赫數2和1600 fps的速度離開噴嘴而完全擴張。在此 處和在權利要求書中使用的術語"完全擴張"意味著從噴嘴排出的流 具有大約等于冶金爐內的環境壓力的內部靜態壓力。參考圖4，圖4示
出了得自試驗的靜態壓力分布，其中離開噴嘴的射流過度擴張。在此 處和在權利要求書中使用的術語"過度擴張"意味至離開噴嘴的射流 具有比熔爐環境氣氛壓力低的內部靜態壓力.即使射流的內部靜態壓 力已被降低，離開噴嘴的射流也保持超音速。離開噴嘴的射流是完全 擴張或是過度擴張將取決于噴嘴的設計以及供給的氧氣和爐內氣氛之
間的壓力差。在如圖4所示的過度擴張情況中，發散段的長度通過卑 前述的噴嘴上提供延伸部而增加，且離開口直徑增加到0.89 in。這^ 的設計考慮對本領域技術人員是熟知的。
參考圖5，在圖2中圖示的噴嘴的通道提供有圓柱形延伸部，圃柱
形延伸部從發散出口段延伸到噴嘴面.延伸部的效果是在噴嘴面處增 加從噴嘴排出的流的靜態壓力。因為圖5中圖示的在噴嘴內的流動的 內部靜態壓力高于爐內氣氛內的壓力，被射出的射流處于不足擴張。 本發明將通過使用這樣的不足擴張的射流來實現。
如從圖中顯見，在等熵計算(不考慮摩擦作用)、法諾(Faimo) 計算(圖5中對超音速流動考慮了摩擦作用)和通過"P-接頭(tap) 測量"給出的實際壓力測量值之間的對應非常接近。添加燃料以產生 結構化射流，例如結構化射流50對于圖中圖示的計算和實際結果具有 很小的效果。因此，根據本發明的噴嘴將設計為產生完全擴張、過度 擴張或不足擴張的任一個的結構化射流，且可以將圓柱形或圃錐形延 伸部合并到發散段，以分別形成不足擴張和過度擴張流。
可以使用在圖4中示出的過度擴張情況，使得氧氣流和包括組合
的燃料和氧氣的流在噴嘴的匯聚-發散通道的發散出口段內的位置處 可以具有亞環境壓力。噴嘴2的發散出口段34可以設計為提供過度擴
張的結構化射流。這樣的實施例的優點是圓周位置可以放置在這樣的 亞環境位置處，使得如果因為任何原因存在因設備故障的燃料供給中 斷，則氧氣流將不進入通道42和44以造成可能的噴嘴外部燃燒和在 用于供給壓力燃料的設備內的燃燒。此實施例的另一個優點是不要求 燃料供給源克服正的氧氣背壓，因此消除了將燃料壓縮到通過商用燃 料站典型地可獲得的壓力以上的需要。
參考圖6，進行了試驗以檢驗燃料注入率對超音速氧氣射流保持的 影響.甲烷和氧氣在如下的試驗條件下供應到如圖示為在圖2中示出 的噴嘴類型的噴嘴.噴嘴在實驗室熔爐設備內運行，實驗室熔爐設備
產生大約3000華氏度下包括加熱的且干燥(無氫)的一氧化碳(大約 70%的體積百分比)和二氧化碳氣體(大約30%的體積百分比)的混
合物的環境("熔爐測試A")。匯聚-發散噴嘴設計為運送完全擴 張的結構化射流，當供給壓力為100 psig的氧氣時，結構化射流具有 4000 scfh的氧氣流重。噴嘴的離開口直徑和喉部直徑分別為0.266 in 和0.203 in。總噴嘴長度為0.75 in，且匯聚段和喉部段的組合長度為 0.203 in.噴嘴上游的管道直徑為大約0.38in。在此供給條件下，離開 噴嘴的射流處于大約馬赫數為2，和1600fps。甲烷注入到4個等距分 開的鉆孔端口內，每個鉆孔端口具有0.031 in的直徑且相對于主氧氣噴 嘴的軸線成大約42度的角度。甲烷在產生氧氣背壓為大約12psig的位 置處注入到噴嘴的發散段內。甲烷注入到氧氣流內且從氧氣流量的0 %到大約4.5%變化.為供給2%的甲烷，要求的供給壓力為大約15 psig，且這引起了大約590 fps和大約馬赫數0.4的甲烷速度。皮托
(Pitot)管用于測量對應于距噴嘴離開口處任意距離"L"的軸向中心 線停滯壓力。此長度規定為對應于射流軸向中心線速度已衰減到大約 馬赫數為1.74的距噴嘴離開口的距離，馬赫數1.74對應于大約1470 fps 的速度，或大約噴嘴離開口速度的92%。然后將測量值除以噴嘴離開 口直徑"D"以計算參數"L/D"，如在圖6的曲線圖中示出為縱坐標
(y軸).參數"L/D"代表了軸向射流中心線上的位置，此位置在等 速核外且在超音速核內，如從圖3中可見，射流長度隨甲烷注入率增 加而增加，且相對于加熱的和反應的環境且無燃料注入，實現初始長 度的大約1.9倍.在困6的曲線圖上也示出了在相同的噴嘴運行條件下 在環境空氣中測量的"L/D"。
要注意的是試驗已證實，以最小化氧氣射流中斷的方式注入燃料
(即平穩注入)是產生能對于規定的燃料流量產生最長的射流的結構 化射流的最有效的方式。在這點上，參考圖7進行了試驗來檢驗關于 在圖12中示出的類型的噴嘴，燃料注入率對超音速氧氣射流保持的影 響.這樣的噴嘴合并了通過多孔金屬的燃料注入且引起了最小的因燃 料注入的氣氣射流中斷。這樣的試驗在如下的條件下進行。噴嘴在實 驗室熔爐設備內運行，實驗室熔爐設備產生大約3000華氏度下包括加 熱的且干燥(無氬)的一氣化碳(大約70%的體積百分比)和二氧化 碳氣體(大約30%的體積百分比)的混合物的環境("熔爐測試")。
所有在困7中闡述的"容量測試"在相同的條件下進行，以確保所獲 得結果是精確的和可重復的。匯聚-發散噴嘴設計為運送完全擴張的 結構化射流，當供給壓力為100 psig的氧氣時，結構化射流具有4000 scfh的氧氣流量.噴嘴的離開口直徑和喉部直徑分別為0.266 in和0.203 in.總噴嘴長度為0.75 in，且匯聚段和喉部段的組合長度為0.203 in。 噴嘴上游的管道直徑為大約0.38 in。在此供給條件下，離開噴嘴的射 流處于馬赫數為2和1600印s。甲烷注入到氧氣射流內且從氣氣流量的 0。/0到7.25%變化.皮托管用于測量對應于圖8中示出的任意長度尺度 "L"的軸向中心線停滯壓力。長度尺度"L"規定為對應于射流軸向 中心線速度已衰減到大約馬赫數為1.74的距噴嘴離開口的距離，馬赫 數1.74對應于大約1470印s的速度，或大約噴嘴離開口速度的92 % 。 然后將測量值除以噴嘴離開口直徑"D"以計算參數"L/D"，如在圖 7的曲線困中示出為縱坐標(y軸)。距離"L/D"代表了沿軸向射流 中心線的位置，此位置在等速核外且在超音速核內。
如從困6和困7中顯見，曱烷的流動對氧氣射流的長度的影響僅 達到粗略地大約5%氧氣流動的點。在這樣的點處，另外的燃料的添加 對超音速氣氣射流的長度無影響。在大約2.5%以下時，超音速氧氣射 流的長度對甲烷注入率高度地敏感。因此，在大約2.5%至大約5%之 間注入甲烷對于最大化超音速氣氣射流的長度是有效的。然而，如對 于本領域技術人員可理解，"氬攝取"導致氫或碳氫化合物注入到希 望通過添加氣氣來調整熔化物的化學性質的包括鋼的熔化物內是不希 望的，因此，在堿性氧氣爐中，粗略地1.5%到大約3%的甲烷在延伸 射流的長度的需要而不將不必要的燃料注入到熔化物內之間取得平 衡.
雖然燃料和氣氣的實際流動將隨噴嘴設計、例如熔爐的尺寸的精 煉要求和所使用的特定的燃料變化，但認為前述試驗的結果當相對于
當量比采用時可以一般化，當量比為實際燃料與使用的氣氣的比值除 以當實現按化學計量的燃燒時要求的燃料與氧氣的比值。在這點上， 對于電孤爐，當量比優選地在大約0.02至大約0.14之間.對于堿性氧 氣爐，當量比應在大約0.01至大約0.06之間。
另一點是噴嘴或包括噴嘴的噴槍優選地相對于熔化物定位為使得 氧氣射流進入到熔化物時在超音速核內。更特定地，氧氣射流當進入
熔化物時優選地具有從噴嘴噴出時的射流速度的大約90%的速度.噴 嘴或噴槍可以相對于熔化物定位在更遠的距離處且因此當進入到熔化 物內時具有更低的速度，或定位在更近的距離處以具有更高的速度。 然而，噴槍定位向熔化物越近則它的使用壽命越低。對于電孤爐，圖6 和圖7中的數據對于特定的噴嘴設計和燃料注入將用于相對于熔化物 定位噴嘴.對于實際運行狀況，例如熔化物在熔爐內的高度，將必須 進行調整.在BOF熔爐中，存在基于其中噴槍的位置變化的許多已知 的因素的吹送曲線.因此，在BOF熔爐的情況中，這樣的數據將用作 指導以允許其中當進入熔化物中射流速度被最大化的運行，且這樣雖 然對于大多數部分當進入到熔化物內時氧氣射流將處于超音速核內， 但有時噴槍將定位為使得氧氣射流將超過超音速核。例如，如果發生 栽溢，則噴槍能相當于熔化物收回。
參考圖8，困8中以曲線示了對于例如在圖12中示出的實施
例的噴嘴的結構化射流的結構，其中如在1個噴嘴直徑的軸向距離從 噴嘴面觀看。為此試驗的目的，噴嘴在實驗室熔爐設備中運行，實驗 室熔爐設備能產生大約3000華氏度下包括加熱的且干燥(無氫)的一 氧化碳(大約70%的體積百分比)和二氧化碳氣體(大約30%的體積 百分比)的混合物環境("熔爐測試")。匯聚-發散噴嘴設計為運送 完全擴展的結構化射流，當供給壓力為100 psig的氧氣時，結構化射 流具有4000scfh的氧氣流量。在此供給條件下，離開噴嘴的射流處于 大約馬赫數為2，和大約1600fps的速度。噴嘴的離開口直徑和喉部直 徑分別為0.266 in和0.203 in.總噴嘴長度為0.75 in,且匯聚段和喉部 段的組合長度為0.203 in。噴嘴上游的管道直徑為0.38in。甲烷從多孔
金屬分配器(例如將在下文中參考困11中示出的實施例討論)以大約 氧氣流量的3.4%的流量注入到氧氣流內。皮托管用于測量結構化射流 的徑向停滯壓力曲線。皮托管也用作抽吸探頭，且也測量了結構化射 流的徑向成分曲線.以此方式，然后直接地將局部射流停滯壓力與局 部流成分比較.氣體樣本對于氧氣、 一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氫 進行分析.
在射流的外周處，r/R=l，(其中"r"是皮托管的位置，且"R" 是噴嘴出口在噴嘴面處的半徑)，存在最大的甲烷濃度，這指示了燃 料集中在作為甲烷和氧氣的混合物的射流的外圃周區域處.此區域對
應于圖2中示出的結構化射流50的外圃周區域46。在位置r/R>l處， 爐內氣氛開始與包括燃料和氧氣的混合物在剪切混合和反應區52處混 合，這通過一氧化破和二氧化碳的存在來指示，且也通過甲烷和氧氣 濃度的降低來指示。從噴嘴的外周向內，在從r/R=l到r/R=0的噴嘴 中心軸線的方向，氧氣濃度升高到100%.在噴嘴(Xr/R〈1內無燃燒發 生，如通過未檢測到一氧化碳和二氧化碳來指示。此區域對應于結構 化射流50的內中心區域56。同時，當考慮到與形成在皮托管上游的沖 擊波的存在相關的壓力損失時，測量的射流停滯壓力接近對于馬赫數 為2的氣氣射流所預期的停滯壓力。
參考圖9，在更遠的軸向距離處，即在大約41個噴嘴直徑處，中 心線停滯壓力下降到大約50psig，在此點馬赫數衰減到大約1.74且速 度襲減到大約1470 fps或初始射流速度的大約92%。在此位置，中心
線流動在等速核外且在超音速核內。可見徑向壓力曲線從射流的中心 軸線袞減，在大約41個噴嘴直徑處，在0<r/R<1.5的位置射流主要地 包括氧氣.當超音速的氧氣射流減速時，氧氣射流發散，如通過在 1.5<r/R<7.5徑向位置處檢測到的氧氣的量所示出。假定曱烷已被氣化 的事實，在這樣的距噴嘴離開口的距離處存在非常少的甲烷，如通過 在此點前一氧化碳和二氧化碳的存在所指示。
參考圖10，圖10中圖示了設計為熔融且精煉廢鋼的電弧爐60。 通過經頂部將廢料加栽到電弧爐60內而裝載廢鋼。碳電極62突出 到熔爐內以產生電孤，電孤熔融廢料且加熱作為結果的金屬熔池 64.
在鐵精煉熔爐中，例如圖示的電孤爐60或將在下文中描述的堿性 氧氣爐，被引入到熔化物中的氧氣氧化了鐵的小部分且碳與已氧化的 鐵組合以產生一氧化碳. 一氧化碳主要地通過溶解的碳與氣的組合產 生。 一氣化碳的一些又被氧化以產生二氧化碳。 一氧化碳泡升起到熔 融金屬熔池64的表面，在此處它們形成到爐渣層66內。爐渣層66由
熔化物中的雜質和金屬元素，例如磷、鐵、硅和錳的氧化，且作為結
成，如在本領域中已知。 一般地，覆蓋在熔融金屬熔池64上方的加熱 的爐內氣氛包括一氣化碳和二氧化碳，且可以具有在大約2500華氏度 到大約3500華氏度之間的溫度。
碳、 一氧化碳和爐渣形成元素的氧化通過經由氧氣注入器68的氧 氣注入發生，氣氣注入器68將具有超音速速度的氧氣射流70注入到 爐法和金屬的熔池64內。如將討論，氧氣注入器68合并了噴嘴，噴 嘴以與以上所討論的噴嘴2相同的方式起作用以產生包圍了氧氣射流 70且實際上觸及了爐渣和金屬的熔池64的表面的火焰包圍物72.典 型地，在精煉過程結束時，氧氣與金屬熔池64內的碳結合以產生帶有 希望的碳含量的鋼，且對于低碳鋼碳含量可以低于大約0.02%.
雖然未困示，但如在本領域中已知，氧氣注入器68安放在熔爐壁 74內的塊內，其是水冷的。又未圖示，也可以為氧氣注入提供噴嘴以 與在加熱的爐內氣氛內的一氧化碳結合。也可以以從本領中已知的方 式注入碳微粒來調整爐渣的特性且進一步調整鋼的含碳量。
參考圖ll，圖11圖示了氧氣注入器68。氧氣注入器68具有圃柱 形構造，且具有位于燃料導管82端部的噴槍尖端80。噴槍尖端80優 選地由銅構成。燃料導管82具有燃料入口 84，用于供給例如天然氣, 燃料，且如圖示可以合并有螺紋的配件，用于接附到燃料軟管或其他 用于燃料的導管.具有氧氣入口 87以供給氧氣的氧氣導管S6位于燃 料導管82內的中心.氧氣入口 87也可以具有有螺紋的配件的形式， 以接附到軟管或其他用于供給氧氣的導管。燃料流過限定在燃料導管 82和氧氣導管86之間的環形空間，且氧氣在氧氣導管內流到匯聚-發 散通道90.
匯聚-發散通道90具有形成在氧氣導管86的端部內的匯聚入口 段92、中心喉部段94和終止于噴槍尖端80的噴嘴面卯的發散出口段 96.氣氣供給源與存在于噴嘴面98處的爐內氣氛之間的壓力差為使得 能在匯聚-發散通道90的中心喉部段94處建立阻流條件。
燃料從環形空間88流動到燃料通路，燃料通路每個具有在內圃周 位置處終止于匯聚-發散通道90的發散出口段96內的通路段100和 101，內圃周位罝由開口 102限定，通過開口 102燃料注入到在發散^ 口段96內流動的氧氣中。在特定的實施例中，存在4個燃料通路，如 在噴嘴面98的橫向方向觀察它們終止于4個等距分開的開口 102。
應指出的是，雖然噴槍68圖示為與電孤爐連接，但它也可以用于
其他冶金爐，例如有色金屬冶煉和精煉容器。
參考困12，圖12困示了噴槍尖端80'，噴槍尖端80'包括閨11中
示出的噴槍尖端80的修改。噴槍尖端80'可以形成為兩個段80a和 80b,雖然未圖示，但段80b可以通過例如機用螺釘的有螺紋的連接器 或通過例如烀接的其他方法接附到段80a。氧氣以與圖11中圖示的注
入器中相同的方式供應到匯聚-發散通道。此外，通道段101向限定 在環形構造的段80a內的凹陷104供以燃料。在凹陷104內安放了環形 金屬多孔元件106，以將燃料供應到匯聚-發散通道90的發散出口段 96內.將這樣的多孔金屬元件用于燃料注入具有的益處是在結構化射 流的外圃周區域內產生了高度均勻的燃料和氣氣的混合物，同時提供 了將燃料以低速度注入的方法，以最小地中斷氧氣流.這樣的多孔金 屬元件也已知為多孔金屬，燒結金屬和金屬泡沫，且可商業上獲得。 此注入方式可以用于本發明的任何實施例中。
參考圖13，圖13圖示了堿性氣氣爐110，其中熔融金屬熔池112 內包括的鐵待精煉為鋼。提供了水冷噴槍114用于這樣的目的，以將 超音速氧氣射流116注入到熔融金屬熔池112內。此氧氣射流116被注 入同時被單獨的火焰包圍物120圍繞，火焰包圍物120通過如以上所 略述的根據本發明的方法形成。
在堿性氧氣過程中， 一般地從鼓風爐運輸來的熔融的鐵與廢料" 起裝栽到堿性氧氣爐110內。氧氣射流116注入到熔爐內，用于對熱 的鐵除碳且生成熔融廢料所要求的反應熱。氧氣將的碳、 一些鐵和存 在于熔融金屬熔池112內的例如硅、錳和磷的雜質氧化，以產生升起 的廢料層124。
參考圖14，圖14中圖示了噴槍114的設計細節。應指出的是，雖 然噴槍114圖示為與堿性氧氣爐連接，但它也可用于其他冶金爐，例 如電孤爐、有色金屬冶煉和精煉容器和轉底爐。噴槍114提供有從未 示出的入口延伸到噴槍尖端134的中心氧氣導管130。氧氣導管130將 氣氣供應到具有匯聚-發散通道138的噴嘴136，匯聚—發散通道138 終止于位于噴槍尖端134內的噴嘴面140處。終止于燃料室144處的燃 料導管142與氣氣導管130同軸定位。
另外參考困1S和圖16，燃料通路146在燃料室l"和限定在匯聚 -發散通道138的發散出口段148內的開口 145之間連通，以將燃料注 入到在匯聚-發散通道138內加速到超音速速度的氧氣流內。在這點 上，匯聚-發散通道138的每個具有匯聚入口段150、中心喉部段l52和發散出口段148，燃料被注入到發散出口段148內。開口145因此是 內圃周位置，用于將燃料注入到匯聚-發散通道138內，以形成結構 化射流，結構化射流以根據本發明的方式與爐內氣氛相互作用，以產 生被單獨的火焰包閨物120圍繞的氧氣射流116。在圖示的實施例中， 因為存在4個噴嘴136，所以產生了 4個氧氣射流116且它們被4個單 獨的火焰包圍物120圍繞。
在困示的實施例中，存在8個燃料通路146且因此存在8個用于噴 嘴136的每個的開口 145。然而，本發明的實施例優選地對于每個噴嘴 具有大約4個和大約12個之間的燃料通路。此外，在噴槍尖端134內 存在4個噴嘴136.取決于堿性氧氣爐的尺寸且因此取決于噴槍的尺 寸，典型的裝備將包括3個到6個之間的噴嘴。在這點上，噴嘴又取 決于熔爐尺寸將典型地與噴槍中心軸線向外地成大約6度到大約20度 之間的角度.可是，可以構建帶有例如噴嘴136的單個的噴嘴的水冷 噴槍，以產生單個的氧氣射流和單個的火焰包圍物來抑制氧氣射流的
另外參考圖13且繼續參考圖14和圖15，通過一系列間隔件元件 156將燃料導管142維持到位，間隔件元件156徑向地從燃料導管142 向外延伸到氧氣導管130。可以提供止回閥l58以防止如果存在用于將 燃料引入到燃料導管142內的設備的故障而使氧氣回流到燃料內。
噴槍114是水冷的且提供有外部套，外部套由限定在水導管162 和氧氣導管130之間的內部供水通路160和形成在水導管162和噴槍 l"的外殼166之間的回水通路164形成。水通過水入口 168供應到噴 槍114且以箭頭"A"的方向流過供水通路160，以箭頭"B"的方向 流到回水通路164，然后水從水出口 170排出。
如從圖13中最佳地可見，氧氣導管138提供有通過0型圉類高溫 密封件172保持到位的尖端段172。類似地，燃料>管142提供有通過 燃料導管142的剩余部分以O型團密封件176密封的尖端部分175。同 樣地，水導管162也具有通過O型圃密封件180密封的尖端段178。密 封裝置允許去除且更換被最終磨損且需要更換的噴槍尖端134。優選地 且除多孔金屬元件外，噴槍尖端134的部件由銅或銅合金制造且使用 電子釬焊或其他結合技術組裝在一起。多孔金屬元件可以由任何金屬 組裝，包括鋼.
雖然本發明已經參考如本領域技術人員想到的優選實施例描述， 但可以進行多種變化、添加和省略而不偏離本發明的精神和范閨.
權利要求
1.一種將氧氣注入到位于具有加熱的爐內氣氛的冶金爐內的熔化物內的方法，所述的方法包括將一個或多個氧氣流引入到具有一個或多個匯聚-發散構造的通道的一個或多個噴嘴內；將包括氫類的燃料在完全地位于一個或多個通道內的一個或多個通道的內圓周位置處注入到一個或多個氧氣流內，使得一個或多個包括組合的燃料和氧氣的流形成在一個或多個通道內，每個具有包括外圓周區域和內中心區域的結構，外圓周區域包括氧氣和燃料的混合物且內中心區域被外圓周區域包圍且包括氧氣而基本上無燃料；該一個或多個氧氣流在臨界壓力下或高于臨界壓力被引入到一個或多個通道的一個或多個入口段內，以因此產生在一個或多個通道的每個的中心喉部段內的阻流條件；在一個或多個通道的每個的發散段內將包括組合的燃料和氧氣的流加速到超音速速度；和將一個或多個包括組合的燃料和氧氣的流作為一個或多個結構化射流從噴嘴排放到爐內氣氛內，每個結構化射流具有包括組合的燃料和氧氣的流的結構，且從噴嘴排出時，具有超音速速度；通過為通道提供不被任何不連續部中斷的內表面來防止燃料在通道內的點燃和燃燒，否則在不連續部中外圓周區域將可能減速且為燃料的穩定燃燒提供位置；產生一個或多個圍繞了從一個或多個結構化射流的內中心區域形成且最初具有超音速速度的氧氣射流的火焰包圍物，以抑制該一個或多個氧氣射流的速度衰減和濃度衰減，通過結構化射流的外圓周區域與加熱的爐內氣氛的接觸來完全地在噴嘴外產生該一個或多個火焰包圍物，以產生剪切混合區，該剪切混合區包括包含燃料、氧氣和加熱的爐內氣氛的可燃混合物，且可燃混合物通過由加熱的爐內氣氛供給的熱自動點燃；和將一個或多個氧氣射流引入到熔化物內，同時被火焰包圍物圍繞。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中包括組合的燃料和氧氣的流當作為結構化射流從噴嘴中排出時完全擴張；和 當在噴嘴的發散段內時，將燃料引入到氧氣流中。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中包括組合的燃料和氧氣的流當作為結構化射流從噴嘴中排出時過 度擴張，使得當在噴嘴的發散段內時氧氣流具有亞環境壓力；和在氧氣流處于亞環境壓力下的發散段內的位置處將燃料引入到氣 氣流中。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其中噴嘴的發散段從中心喉部 段延伸到噴嘴的暴露于加熱的爐內氣氛的噴嘴面。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中氧氣射流的每個的超音速速度 至少是大約馬赫數為1.7.
6. 根據權利要求1所述的方法，其中冶金爐是電弧爐，且將燃料以 大約0.02到大約0.14之間的當量比引入到氧氣流內。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中冶金爐是堿性氧氣爐，且將燃 料以大約0.01到大約0.06之間的當量比引入到氧氣流內，
8. 根據權利要求1所述的方法，其中冶金爐是堿性氧氣爐，且噴嘴 在水冷噴槍的噴槍尖端處安裝在水冷噴槍內。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中通過將燃料注入到多孔金屬環 形元件內而將燃料在通道的內圃周位置處引入到氧氣流內，多孔金屬 環形元件具有形成了匯聚-發散通道的喉部段或發散段的部分的內環 形表面，
10. 根據權利要求7所述的方法，其中存在3個到6個之間的噴 嘴，且噴嘴與中心軸線向外地成大約6度到大約加度之間的角度，
11. 根據權利要求7所述的方法，其中對于每個通道存在大約4 個到大約12個之間的燃料通路.
全文摘要
將氧氣注入到位于具有加熱的爐內氣氛的冶金爐內的熔化物內的方法，其中氧氣和燃料在阻流條件下注入到具有匯聚-發散構造的通道的一個或多個噴嘴內以產生從通道排出的超音速射流或多個射流。燃料注入到通道的內圓周位置內，以賦予排放出的射流包括外圓周區域和中心區域的結構，外圓周區域包括氧氣和燃料的混合物且中心區域基本上包括氧氣。這樣的結構化射流當排出時與爐內氣氛相互作用，以造成外剪切混合區，其中外圓周層與加熱的爐內氣氛混合且自動點燃，以產生圍繞超音速氧氣射流的火焰包圍物。氧氣射流和火焰包圍物可以引導為朝向包括在冶金爐內的熔化物，用于將氧氣注入到熔化物內。
文檔編號F27D3/16GK101096718SQ20071007898
公開日2008年1月2日 申請日期2007年2月16日 優先權日2006年6月28日
發明者A·C·德尼斯, G·T·瓦迪安, M·F·賴利, S·A·曼利, W·J·馬霍尼 申請人:普萊克斯技術有限公司