专利名称：气体和粉末的传输系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及相干喷射技术，同时还涉及粉末喷射技术。
气体动力学领域近来的显著进步是发展了相干喷射技术，其产生的激光状喷射气体可穿越很长的距离而仍然基本保持其所有的初始速度，并且其射流直径仅有极小的增加。相干喷射技术的一个非常重要的工业应用为被用于将气体引入液体(如熔融金属)中，由此可将气体喷枪放在离所述液体表面较远的距离上，从而可更安全地操作，又因为大部分的气体比传统的作法更可能穿透进所述液体中，传统的作法使多数的气体偏离了所述液体表面而不是进入所述液体中，因而该技术可更有效地操作。
在工业方法(如金属精炼)的实施中，经常需要将粉末喷射入液体(如熔融金属)中。可从所述液体表面的下面或上面进行这种粉末喷射，然而一般优选上表面喷射，因为其本质上更容易且一般更安全。通常通过将粉末夹带于载气中并从喷射器装置提供所述载气进入所述液体中来实施上表面粉末喷射。其中应用相干喷射技术以提供气体进入液体中，使用已知的粉末喷射装置也可实施粉末喷射。
人们希望能够使用同一支喷枪以产生所述相干气体喷射并实施粉末喷射。然而这种系统不是直接将者两种系统结合而成，因为这两种技术的接近实施会对彼此的功效产生有害的作用。
因此本发明的目标是提供一个系统，由此可有效地使用一支喷枪来实施相干喷射技术以将气体喷射入液体中，还可实施粉末喷射以将粉末提供入液体中。
本发明实现了上述的和其它的目标，这些目标对于那些本领域的技术人员来说在阅读本公开后将变得显而易见，本发明的一个方面为
将粉末和气体传输至液体的方法，该方法包括(A)使气体穿过喷枪表面的气体开口从喷枪喷射出形成气体流；(B)使粉末和载气的混合物穿过喷枪表面的粉末混合物开口从喷枪喷射出形成粉末混合物流，所述粉末混合物开口与所述气体开口分开，(C)形成包围所述气体流和粉末混合物流的火焰的包围物；和(D)将所述气体流和粉末混合物流从所述喷枪的表面传递至液体中。
本发明的另一方面为用于提供粉末和气体至液体的设备，包括(A)具有喷枪表面的喷枪；(B)所述喷枪里的气体通道，所述气体通道连通气体源还连通喷枪表面的气体开口；(C)所述喷枪里的粉末混合物通道，所述粉末混合物通道连通粉末和载气源还连通喷枪表面的粉末混合物开口；所述粉末混合物开口与所述气体开口分开；和(D)用于提供气态燃料和氧化剂离开所述喷枪的装置，该装置呈环状围绕所述气体开口和粉末混合物开口。
在这里所用的术语“相干喷射”是指从喷嘴喷射气体形成的气体射流，该气体射流具有沿着其长度的速度和动量剖面(profile)，与在所述喷嘴喷射时的速度和动量剖面相似。
这里所用的术语“环状”是指环的形式。
这里所用的术语“火焰的包围物”是指主要与至少一种气体流同轴的环状燃烧流。
这里所用的术语“长度”当指相干气体射流时是指离所述喷嘴的距离，从喷射出气体的地方至所述相干气体射流的目的着陆点或至所述气体射流不再相干。
图1是喷枪表面的一种实施方案的正视图，图2是具有这种喷枪面的喷枪的一种实施方案的截面图，其将在本发明的实施中使用。
图3说明本发明的一个实施方案在操作中的情景，显示了不同的流动流和进入液体的通道。在附图中的数字对于共同部件是一样的。
图4以图表示在本发明的实施例和在对照实施例中得到的试验结果。
本发明将参考附图进行详细的描述。
现在参见图1、2和3，将气体传输通过喷枪1的气体通道60，随后穿过喷嘴61，最好为缩／扩喷嘴，接着通过气体开口11离开喷枪1形成相干气体喷射流62。通常所述气体流的速度在1000至8000英尺／秒(fps)的范围。优选所述气体流的速度为当其在所述喷枪表面喷射形成时和当其接触液体时是超声速的。
可使用任何有效的气体作为本发明实施的气体。这些气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳、氢气、氦气、水蒸气和烃气体。还可使用含有两种或多种气体的混合物(如空气)作为本发明实施的气体。在本发明的实施中使用的特别有用的气体为气态氧，其可定义为含有氧浓度至少为25％(摩尔)的流体。
气态燃料(如甲烷或天然气)通过喷枪1的气态燃料通道提供，该通道径向分布在所述气体通道周围。如图1所述，优选所述气态燃料穿过喷枪表面5上围绕着气体开孔11的圆环的孔9离开喷枪1。优选所述气态燃料以小于所述气体的速度，一般以在100至1000fps的范围的离开喷枪1的速度提供。在本发明的实施中有用的气态燃料还可包括雾化的液体和粉末材料如夹带于气体中的粉煤。
所述气态燃料与氧化剂一起燃烧形成围绕和沿着所述气体流、优选整个相干射流62的长度的火焰包围物63。所述氧化剂可为空气、含有氧浓度超过空气的富氧空气，或含有氧浓度至少为99％(摩尔)的工业用氧气。优选所述氧化剂为含有氧浓度至少为25％(摩尔)的流体。可以任何有效的方式提供所述氧化剂与气态燃料一起燃烧。如图1所说明的，一种优选的装置包括通过喷枪1的通道提供氧化剂，随后穿过围绕气体开口11的圆环孔10离开喷枪1，优选这些孔10比圆环孔9离气体开孔11更远。这样导致所述气态燃料和氧化剂在它们各自从喷枪1喷射出后相互作用并燃烧以形成火焰包围物63。
围绕主气体流的火焰包围物63的作用是使周围的气体不至于被卷入气体流62中，由此直至所述气体流62到达目的着陆点(如熔融金属65池的表面64)时对于所需的气体流长度来说，不会使其速度显著降低而其直径明显扩大。也就是，所述火焰包围物的作用是在喷射长度中建立和保持气体流62作为相干射流。
喷枪1里的气体通道60连通气体源，使得所述气体可流进并穿过所述气体通道并在喷枪表面5通过气体开口11离开喷枪1，形成气体流。同样在喷枪表面5有粉末混合物开口20。喷枪1里的粉末混合物通道66连通粉末混合物源，使得所述粉末混合物可流过所述粉末混合物通道并在喷枪表面5通过粉末混合物开口20离开喷枪1，形成粉末混合物流67。气体流62和粉末混合物流67均包含在气态燃料和氧化剂燃烧产生的火焰包围物里。优选气体流62和粉末混合物流67为仍然为不同的流直至它们分别着陆到目标上(如所述液体表面)。
气体开口11的中心点应与喷枪表面5的中心点重合。然而，优选气体开口11在喷枪表面5的偏置上以使所述气体开口完全在所述喷枪表面的半圆上，即所述气体开口的周边穿过所述喷枪表面的中心点或完全在所述喷枪表面的中心点和所述喷枪表面的周边之间。后一种装置在图1中说明。所述粉末混合物开口在所述喷枪表面上与所述气体开口分开放置。“分开放置”是指具有相邻的周边或相距所述气体开口的周边有一定距离，如在图1中显示的距离L。
图2说明用于向所述喷枪提供粉末混合物的一种优选的装置。在图1中显示的火焰遮盖孔在图2中不再显示。现在参见图2，将粉末和载气混合物40提供给内部管41。所述粉末一般从进料斗或其它贮存器中取出并由相对少量的载气推动，一般为大约200立方英尺／小时(cfh，在60°F和1个大气压下)。优选所述载气为氮气或空气，但也可是其它气体或如氧气、甲烷、天然气、氦气、二氧化碳或氩气的混合气体。
可在本发明的实施中使用的许多粉末包括如碳、煤和焦炭的含碳物质、二氧化硅、氧化镁、碳化钙、碳酸钙、氧化钙(石灰)、炉灰和粉状矿石。
另外的载气42，优选与在流40中用作载气的气体相同，优选将其提供至外部管道43(内部管道41在其里面开口)，作为加速气体以加速所述粉末混合物。外部管道43连通喷枪1的粉末混合物通道66，所述粉末混合物流流过该管道以最终通过粉末混合物开口20从所述喷枪喷射出。
提供以下测试结果以进一步举例说明本发明。提供下列实施例和对照实施例均是为了说明目的而不是用于限定。本发明的实施例使用与在图1和2中说明的相似设备进行。气体的喷嘴为缩／扩喷嘴，其喉部直径为0．55英寸且气体开口的出口直径为0．79英寸。所述气体开口中心点距离所述喷枪表面中心点0．875英寸，所述粉末混合物开口中心点与所述喷枪表面中心点相距同样的距离。所述气体为具有氧浓度为大约100％(摩尔)的气态氧，并通过气体开口以40，000立方英尺／小时(CFH)的流速、以150磅／平方英寸(psig)的供应压力从所述喷枪喷射出，形成气体流作为相干气体射流。所述气态燃料为天然气，从较里面的圆环的16个孔以流速5000cfh输送出，每一个孔具有0．154英寸的直径以直径为2．5英寸的圆围绕在喷枪表面上。与所述气态燃料一起燃烧形成所述火焰包围物的氧化剂为具有氧浓度为约100％(摩尔)的流体，从较外面的圆环的16个孔以流速4000cfh输送出，每一个孔具有0．199英寸的直径以直径为3．0英寸的圆围绕在喷枪表面上。所述喷枪在其外围还具有2英寸长的延伸68以当气体从所述喷枪喷射出时遮蔽所述气体。所述相干气体射流具有每秒大约1700英尺的超声速。所述气体开口的周边与所述粉末混合物的周边相距0．08英寸。所述气体开口的直径为0．79英寸，所述粉末混合物开口的直径为0．805英寸。这个实验的粉末为碾碎的胡桃壳，载气和用作加速气体的另外的载气均为氮气。提供所述粉末的流速为每分钟大约15磅。
为了测试所述粉末的传输能力，将具有8英寸直径开口的收集器放置在距离所述喷枪表面4英尺远的地方，测定全部氮气的各种流速的收集效率(收集到的粉末的量与喷射的量的比)，结果在图4中的曲线A显示。在图4中，所述收集效率在垂直轴方向上表示，所有氮气的流量在水平轴方向上表示。
为了对比的目的，将传统的粉末喷射设备与相干喷射喷枪联用，其中所述粉末喷射器的喷嘴置于距所述相干喷射喷嘴11英寸、角度11．4度处以使所述相干射流和粉末混合物流在所述收集器之前刚好会集。在这个对比实施例中，粉末流速为每分钟11磅，气体开口位于所述相干喷射喷枪表面的中心，在所述相干喷射喷枪表面的天然气和氧化剂圆环孔为直径分别为2．0和2．75英寸的圆环。测定不同加速气体流速的收集效率，结果在图4曲线B中报导。从这些实验结果可见，本发明比传统的方法更可能将显著提高的百分数的粉末有效地传输到目标上。
虽然参照一些优选的实施方案对本发明作了详细的描述，那些在本领域的技术人员会认识到在本发明权利要求的宗旨和范围内还有其它的实施方案。
权利要求
1．传输粉末和气体至液体的方法，该方法包括(A)使气体穿过喷枪表面的气体开口从喷枪喷射出形成气体流；(B)使粉末和载体气体的混合物穿过喷枪表面的粉末混合物开口从喷枪喷射出形成粉末混合物流，所述粉末混合物开口与所述气体开口分开，(C)形成包围所述气体流和粉末混合物流的火焰的包围物；和(D)将所述气体流和粉末混合物流从所述喷枪的表面传递至液体中。
2．权利要求1的方法，其中所述气体流和所述粉末混合物流从所述喷枪表面至所述液体保持不同的流的形态。
3．权利要求1的方法，其中所述火焰的包围物是通过以离开所述喷枪表面的分离的环状流的形态提供气态燃料和氧化剂并随后将所述气态燃料和氧化剂燃烧形成的。
4．权利要求1的方法，其中所述气体为气态氧。
5．权利要求1的方法，其中所述气体流从所述喷枪表面至所述液体具有超声速。
6．权利要求1的方法，其中所述粉末包括含碳物质。
7．权利要求1的方法，其中所述载气为氮气。
8．用于提供粉末和气体至液体的设备，包括(A)具有喷枪表面的喷枪；(B)所述喷枪里的气体通道，所述气体通道连通气体源还连通喷枪表面的气体开口；(C)所述喷枪里的粉末混合物通道，所述粉末混合物通道连通粉末和载气源还连通喷枪表面的粉末混合物开口；所述粉末混合物开口与所述气体开口分开；和(D)用于提供气态燃料和氧化剂离开所述喷枪的装置，该装置呈环状围绕所述气体开口和粉末混合物开口。
9．权利要求8的设备，其中所述气体通道含有缩／扩喷嘴。
全文摘要
一种设备,其中建立了贴紧粉末喷射系统的相干喷射,所述相干喷射不仅仅提供气体的传输而且用于改进粉末喷射系统的粉末传输效率。
文档编号C21C5/46GK1291528SQ0013315
公开日2001年4月18日 申请日期2000年10月10日 优先权日1999年10月12日
发明者W·J·马霍尼, J·E·安德森 申请人:普拉塞尔技术有限公司