专利名称：改变相干喷射长度的方法
技术领域：
本发明通常涉及相干喷射技术。
气体动力学领域近来的重大进度是发展了相干喷射技术，该技术能产生气体的类激光喷射，其传输距离长，同时仍基本上保留其起始速度，其喷射直径增加极小。相干喷射技术的一个非常重要的工业应用是将气体引入液体如熔融金属中，由此气体喷射器能离液体表面有大的距离，以保安全操作及更有效地操作，这是因为气体向液体中的穿透比常规方法的穿透大得多，在常规方法中，很多气体由液体表面偏转开并未进入液体。
在某些情况下，希望改变相干喷射的长度，如从气体喷射器到液体表面的长度。通过改变气体喷射器的高度，即使它更接近或远离液体表面可实现改变相干喷射的长度，但这操作很麻烦，又耗费时间。也可通过改变气体喷射器喷嘴的尺寸来改变相干喷射的长度，但这也很不方便。此外，可通过改变构成相干喷射的气体的流量来改变相干喷射的长度。但这些办法都是不希望的，因为它对采用相干喷射技术的整个工艺如金属精炼会有潜在的不利影响。
因此，本发明的目的是提供一种用于改变相干喷射的方法，同时无需改变用以产生相干喷射的设备，也无需改变任何其它方面，如形成相干喷射的气体的流量。
在阅读本发明内容后，本领域专业人员会成为显而易见的上述目的和其它目的能由本发明实现。
一种用于改变相干喷射长度的方法，它包括(A)以主气流量提供主气物流中的主气，以第一气体燃料流量提供气体燃料，用氧化剂燃烧气体燃料以形成与主气物流同轴的火焰包封，从而建立有第一长度的相干喷射；其后(B)以主气流量提供主气物流中的主气，以与第一气体燃料流量不同的第二气体燃料流量提供气体燃料，用氧化剂燃烧气体燃料以形成与主气物流同轴的火焰包封，从而形成与第一长度不同的第二长度的相干喷射。
这里所用术语“相干喷射”意指从气体喷射的喷嘴到其下游的相当大的距离有一速度分布的气体喷射，该速度分布与喷嘴喷射时的速度分布相似。
这里所用术语“环状的”意指环的形式。
这里所用术语“火焰包封”意指与主气物流同轴的环状的燃烧物流。
这里所用术语“长度”在涉及相干气体喷射时意指从气体喷出的喷嘴到相干气体喷射所预定的冲击点的距离。
图1为可用于本发明的喷射器的喷枪喷嘴的截面图，图2为其顶视图。
图3和4说明本发明的操作，由此可改变相干喷射的长度。图中的共同元件用相同数字表示。
图5为论证本发明操作的实验结果的图示描述。
将参考附图对本发明进行详述。
参看图1和图2，主气通过相干喷射喷枪的中心通道2，然后通过会聚/发散喷嘴50并通过喷嘴口11从喷枪1喷出，以形成主气物流。通常主气物流的速度为1000-8000英尺/秒(fps)，主气物流的流量为10000-2000000立方英尺/时(CFH)。
任何能用的气体都可作为本发明实施中的主气。其中可提及氧、氮、氩、二氧化碳、氢、氦、蒸汽和烃气体。也可使用含两种或更多种气体的混合物，如空气作为本发明实施中的主气。在本发明实施中，特别有用的作为主气的气体是气态氧，它可界定为氧浓度至少为25％(摩尔)的流体。气态氧的氧浓度可超过90％(摩尔)，并可是基本上为纯氧的市售氧。
气体燃料，如甲烷、天然气或雾化的液体如雾化的燃油通过喷枪1的通道3或通道4，每一通道均与中心通道2同轴径向配置。优选是气体燃料通过更里面的同轴通道3。如图1所示，气体燃料通过最好与喷嘴50的开口齐平的喷枪面5上的喷嘴7或8中喷出，喷嘴7和8每一个都可是围绕开口11的环状开口，优选如图2所示均为围绕喷嘴开口11的由孔9和孔10形成的环。气体燃料从喷枪1喷出的速度最好小于主气的速度，通常为100-1000fps。
气体燃料与氧化剂燃烧，以形成围绕和沿主气物流的火焰包封，优选对于相干喷射的整个长度。氧化剂可以是空气、氧浓度超过空气氧浓度的富氧空气或氧浓度至少为99％(摩尔)的市售氧。氧化剂优选为氧浓度至少为25％(摩尔)的流体。氧化剂可以任何有效方式供气体燃料燃烧。图1和图2的优选结构包括使氧化剂通过未用于提供气体燃料的同轴通道3或通道4。这就导致气体燃料和氧化剂相互作用和燃烧，以在其分别从喷枪1喷射时形成火焰包封。
围绕主气物流的火焰包封用于使环境气体不被吸进主气物流中，由此使主气物流的速度不地明显降低以及使主气物流直径不会明显增加，以保持主气物流的所需长度，直到该主气物流到达所需的冲击点，如熔融金属池的表面。这样火焰包封用于形成和维持作为相干喷射的主气物流达该喷射长度。
本发明能改变相干喷射的长度而无需对设备作任何变更，如改变主气喷嘴或改变喷枪喷嘴到所需冲击点的距离，也无需改变主气流量。在本发明的实施中，当需改变相干喷射的长度，即从当时的长度即第一长度改变成另一长度即第二长度时，所需作的是将气体燃料的流量从用于产生与第一长度有关的火焰包封的流量，即第一气体燃料流量改变成第二气体燃料流量。气体燃料的流量从第一气体燃料流量增加到第二气体燃料流量将使相干喷射的长度从第一长度增加到第二长度，气体燃料从第一气体燃料流量降低到第二气体燃料流量将使相干喷射的长度从第一长度降低到第二长度。
图3和4说明本发明的操作，其中相干喷射20有图3所示的第一长度，它超过图4所示的其第二长度。通常，相干喷射的长度近似正比于气体燃料流量的平方根。图3和4也说明一种特别优越实施方案，其中伸出部分用于有助于火焰包封的形成。伸出部分21的长度通常为0.5-6英寸，从喷枪端面5延伸形成体积22，喷嘴出口开口11和环状喷射部件7和8一开始就围绕主气喷射20形成。由伸出部分21形成的体积22产生了保护区，它保护主气物流和燃料和氧化剂在紧接其流出时不受喷枪的影响，因此有助于实现主气喷射的相干作用。该保护区引起围绕主气喷射的燃料和氧化剂的回流。
下面的试验结果用以例证和进一步说明本发明。这些结果并不是限制性的。在这些实施例中，使用类似图3和4所示的喷枪来形成相干喷射。主气喷嘴是会聚/发散喷嘴，其窄口直径为0.62英寸，出口直径为0.81英寸。主气为市售氧，以36000英寸3/时(CFH)的流量从喷枪喷出，其供料压力为100磅/英寸2表压(psig)。气体燃料为天然气，通过较里面的通道输送，并通过16个孔从喷枪喷出，孔径为0.154英寸，并在喷枪端面上以直径为2英寸的圆周分布。与气体燃料燃烧以形成火焰包封的氧化剂是市售氧，它通过较外面的通道输送，并通过16个孔从喷枪喷出，孔径为0.199英寸，并在喷枪端面上以直径为2.75英寸的圆周分布。试验中当气体燃料的流量改变时，氧的流量保持不变。在喷枪周边也有2英寸长的伸出部分，以保护气体在喷射时不受喷枪影响。相干喷射的超声速度约为1600英尺/秒。
对给定气体燃料，测定由上述的参数形成的相干喷射的长度，并记录其结果。然后改变气体燃料流量，即达第二气体燃料流量，并测定及记录相干喷射的新的长度，即第二长度。结果在图5以曲线A表示。在图5中，相干喷射长度示于垂直轴，气体燃料流量示于水平轴。如曲线A所示，增加气体燃料流量可增加相干喷射的长度，降低气体燃料流量可降低相干喷射的长度。
当天然气从0到5000 CFH变化时(图5)，相干喷射的长度的增加开始非常陡，然后变为平缓。当天然气从0到1000 CFH变化时，其相干喷射长度从9英寸增加到28英寸，增加19英寸(大于200％)。随再增加4000 CFH的天然气(从1000-5000 CFH天然气)，相干喷射长度从28英寸增加到46英寸，增加18英寸(约增加65％)。
图5也示出以本发明的优选实施方案所得之结果，它也用以说明本发明的意想不到的特性。重复上述程序，不同的是气体燃料流量降低到小于5000 CFH，并将惰性气体(本实施例中为氮气)加到燃料中，以使气体燃料和惰性气体的总流量等于5000 CFH。这组试验结果示于图5曲线B。正如所看到的，具有惰性气体补充的本发明的运行结果基本上与不用惰性气体的结果相同。这表明，利用变换气体燃料流量来控制相干喷射的长度并不单是由邻近主气物流流过的流体的流量变化引起的物理效应，因为当邻近主气物流流过的流体的流量保持恒定时也可达到同样的控制(曲线B)。
图5的曲线B所示的结果不仅用于论证本发明的意想不到的特性，也用于例证本发明的优选实施方案。在气体燃料的低流量下，燃料喷射出的孔会结污或堵塞。在气体燃料中补充的惰性气体，可维持燃料和惰性气体的总的高流量，以致减少任何结污的可能，如图5中的试验所论证的，不会损失任何相干喷射长度的控制。
在本发明的实施中可采用适宜数目的相干喷射。当在工业应用中采用1个以上的相干喷射时，本发明方法可用于改变一个或任何数目，包括全部的相干喷射。例如，在使用4个相干喷射的氧气顶吹转炉中，可以改变所有喷枪的气体燃料流量，以致同时改变所有相干喷射的长度。
由此，利用本发明，可快速和准确改变相干喷射的长度，同时无需对设备进行任何改变或无需改变形成相干喷射的气体的流量。虽然已对本发明在参考某些优选实施方案的基础上作了详述说明，但本领域技术人员应理解，在权利要求的实质和范围内还有其它的本发明的实施方案。例如，所采用的气体燃料是雾化的液体情况下，也可采用将雾化气体供入燃料的装置。
权利要求
1．一种用于改变相干喷射长度的方法，它包括(A)以主气流量提供主气物流中的主气，以第一气体燃料流量提供气体燃料，用氧化剂燃烧气体燃料以形成与主气物流同轴的火焰包封，从而建立有第一长度的相干喷射；其后(B)以主气流量提供主气物流中的主气，以与第一气体燃料流量不同的第二气体燃料流量提供气体燃料，用氧化剂燃烧气体燃料以形成与主气物流同轴的火焰包封，从而建议与第一长度不同的第二长度的相干喷射。
2．权利要求1的方法，其特征在于，第二气体燃料流量大于第一气体燃料流量，并且第二长度大于第一长度。
3．权利要求1的方法，其特征在于，第二气体燃料流量小于第一气体燃料流量，并且第二长度小于第一长度。
4．权利要求1的方法，其特征在于，主气是气态氧。
5．权利要求1的方法，其特征在于，将惰性气体加到以第二气体燃料流量送入的气体燃料中。
6．权利要求5的方法，其特征在于，惰性气体是氮气。
7．权利要求5的方法，其特征在于，以惰性气体流量提供惰性气体，以使惰性气体流量与第二气体燃料流量的总和基本上等于第一气体燃料流量。
8．权利要求1的方法，其特征在于，以第一惰性气体流量将惰性气体加到以第一气体燃料流量送入的气体燃料中，并以第二惰性气体流量将惰性气体加到以第二气体燃料流量送入的气体燃料中。
9．权利要求1的方法，其特征在于，使用多个相干喷射，并改变用于每一相干喷射的气体燃料流量，以使每一相干喷射的长度被改变。
10．权利要求1的方法，其特征在于，用于与气体燃料燃烧以形成火焰包封的氧化剂以步骤(A)期间的流量提供，该流量基本上与步骤(B)期间被提供的流量相同。
全文摘要
本发明涉及用于改变相干喷射长度的方法,它是利用由气体燃料产生的火焰包封并改变气体燃料的流量达到的,优选采用惰性气体补充以维持燃料和情性气体的总流量恒定。
文档编号F23D14/84GK1287024SQ0012688
公开日2001年3月14日 申请日期2000年9月1日 优先权日1999年9月2日
发明者J·E·安德森, B·萨马, W·J·马霍尼 申请人:普拉塞尔技术有限公司