氧气注入方法

专利名称：氧气注入方法
技术领域：
本发明涉及向位于冶金炉内的熔化物内注入超音速氧气射流的方 法，其中氣气射流从喷嘴的汇聚-发散通道以超音速的速度排出而作 为结构化射流的部分，结构化射流具有包括燃料和氧气的混合物的外 圃周区域，混合物在炉内气氛内且不在喷嘴内自动点燃且燃烧以形成 火焰包闺物来抑制氣气射流的速度衰减和浓度衰减。
背景技术：
典型地将氣气注入到熔融的金属熔池内以用于例如钢精炼的目
的.例如，在电孤炉(EAF)中和碱性氧气炉(basic oxygen furnace) (BOF)中通过向包括铁和废料的熔化物中注入氧气来精炼钢.注入 的氧气与碳、硅、锰、铁和包括磷的杂质起反应，以调整熔化物的碳 含量且去除杂质.氣化反应在熔化物的顶上产生了炉渣层.为其他目 的注入氧气，例如为熔炼铜、铅和锌的目的。
重要的是氧气穿透熔融的金属熔池.在BOF中，在炉渣层中过量 的氧气的反应引起不受控的起泡，这导致了材料从转炉中的浪费的喷 出，即称为"溅溢"的现象。在EAF中，氧气穿透不足可能引起不希 望的碳电极的氧化，这导致了增加的运行成本。另外，来自冶金喷枪 的深的氧气穿透将产生有益的对熔融金属的搅拌动作。
为实现深穿透，冶金喷枪必须放置为尽可能靠近熔化物的表面。 这带来的问题是因为在熔融金属表面处生成的强烈的热导致喷枪的使 用寿命非常短.另一个问題是因为喷枪过热而将水冷却刑释放到熔炉;
内的风险的增加，水冷却剂可导致激烈的且危险的与熔化物的反应。 形成在熔融金属喷枪上的沉积物也将降低喷枪的使用寿命。另 一个有 害的效杲是熔融金属和炉法能飞溅，这导致了产品的损失和熔炉维护 的问题。
为避免将冶金喷枪靠近熔化物表面放置，希望的是氣气从冶金喷 枪以尽可能高的速度排出，使得氧气能穿透熔融金属而同时喷枪可以
定位在熔化物上方处。然而，当从冶金喷枪排出氧气射流时，氣气射
流将与炉内气氛相互作用。这样的相互作用导致氧气射流的速度和浓 度的衰减，和作为结果的氧气射流穿透熔融金属熔池的能力的下降。
为克服此问题，已知提供包围了氧气射流的火焰包围物或火焰軍
来抑制速度衰减.例如，在美国专利US 3，427，151中将氧气引入到提 供有中心通道的喷嘴内，中心通道具有收缩以实现在收缩处的音速速 度和从喷嘴排出的氧气射流的音速速度。补充氧气和燃料从闺绕中心 通道的氣气通道和燃料通道的同心环喷出以产生围绕中心氣气射流的 火焰包闺物.
美国专利5，599，375披露了具有中心汇聚-发散通道的燃烧器/注 入器，以将氧气注入到燃烧室内。燃料通路围绕汇聚-发散通道以将 燃料注入到燃烧室内。次级氧气通路围绕燃料通路以在燃烧室内引入 第二氣化气体。当燃烧器注入器以燃料燃烧模式运行时，燃料在燃烧 室内与在中心注入的氧气和笫二氧化气体一起燃烧。这造成了废料加. 热和熔融火焰通过燃烧室引导向待熔融的废料。 一旦废料的小部分熔 融，則降低燃料流且增加氧气流以造成高度地氧化火焰，高度地氧化 火焰迅速地与已预热的废料反应以通过从放热氧化中释放的热来熔融 另外的废料。燃料流然后进一步降低或完全地消除，且从汇聚-发散 喷嘴排出的氧气流进一步大体上增加，优选地增加到超音速速度，以 与位于更远离燃烧器/注入器的已预热的废料的另外的部分反应。
如可认识到，仅具有收缩的通道且无汇聚-发散通道的美国专利 US 3,427,151不能发射超音速氧气射流。虽然美国专利5,599,375利用 了汇聚-发散通道以产生超音速氧气射流，但因为注入很少的燃料或 不注入燃料而不使用火焰包闺物，且因此超音速氧气射流将因为射流 与炉内气氛的相互作用而迅速地衰减。
为解决这些问題，美国专利US 5，814，125提供了将气体注入到例 如熔融的铁的液体熔化物中的方法。根据此方法，在具有汇聚-发散 通道的喷嘴内造成超音速氧气射流。超音速氧气射流被火焰包围物围 绕，火焰包围物通过从围绕了中心汇聚-发散通道的通路的内和外同 心布置喷出燃料和氣气所生成。火焰軍抑制了超音速氧气射流的速度 衰减，且允许氧气以超音速速度冲击到在20个喷嘴直径或更远处的液 体熔化物表面。在美国专利US 6，604，937中，例如氧气的气体可以通 过多个成向外的角度的汇聚-发散喷嘴，以生成具有超音速速度的射
流，用于为精炼目的注入到熔融金属。端口环围绕汇聚-发散喷嘴， 用于交替地喷出燃料和氧化剂，以支持燃料的燃烧。这样的燃烧产生 了单个的火焰包闺物以围绕射流，且因此抑制了射流的速度的表减。 即使当用火焰軍住的超音速氧气射流从注入器或喷枪中喷出时，
例如以上在美国专利US 5，814，125或US 6，604，937中描述，熔融金属和 炉渣也可以形成已知为渣壳的沉积物，渣壳能阻塞燃料和氧气从中喷 出的通路的开口.这样的增长能干扰火焰革的形成且因此降低射流的 用途或使射流无效。为解决此问题，在公开的日本专利申请2002-288,115中披露了具有汇聚-发散通道的水冷喷枪组件，以从喷枪尖端 喷出超音速氧气射流。超音速氧气射流被火焰围绕，火焰在中心汇聚 -发散通道内通过在通道内内部注入的燃料产生，内部注入的燃料在 通道内燃烧。为稳定火焰，在通道的汇聚段的端部和喷嘴面之间连通 的喷嘴的直段提供有圃周沟槽，燃料和氧气在沟槽内收集、减速且当 点燃时燃烧。
喷嘴内发生的燃烧可能引起潜在的安全性和运行问題。燃料的燃 烧是放热氧化反应，该氧化反应能使喷嘴本身退化而最终引起或迅速 地引起灾难性的故障。这样的退化能负面地影响喷枪的寿命且增加将 能与熔化物剧烈地反应的水冷却剂释放到熔炉内的风险.存在与在受 限空间内混合碳氩化合物和氧气相关的安全性危险，其中能造成即使 非爆炸性的也是可燃性的混合物。本领域技术人员将认识到与必要的 点燃、燃烧稳定性和火焰监控过程相关的困难。
如上所述，本发明提供了向熔融金属内注入超音速氧气射流的方 法，该方法优于现有技术，且实际上即使未消除也最小化了在以上所 述的现有技术设备中确定的问題。

发明内容
本发明提供了将氧气注入到位于具有加热的炉内气氛的冶金炉内: 的熔化物内的方法.
根据本方法，将氧气流引入到喷嘴内，喷嘴具有汇聚-发散构造 的通道。应注意的是，整个通道不必具有汇聚-发散构造，且实际上 根据本发明的通道可以具有汇聚-发散构造的部分，其后跟随延伸到 喷嘴面的直圃柱部分。此外，在此处且在权利要求书中使用的术语"氧
气流"包括均匀地共混的流，流的氧气纯度为至少大约35%体积百分 比，剩余的是例如氣的情性气体。然而，在氧气炼钢中，氧气浓度为 大约90%且更高是优选的。包括氢类的燃料在通道的内圆周位置处注 入到氣气流内，通道的内圃周位置完全地位于通道内.在这点上，术 语"氦类"意味着分子氩或包括氢的分子或包括氢原子的任何物质， 或它们的组合。作为结果，包括组合的燃料和氧气的流在通道内形成， 它具有包括外圃周区域和内中心区域的结构，外圓周区域包括氧气和 燃料的混合物且内中心区域被外圆周区域包围且包括氧气而基本上无 燃料.
氧气流以临界压力或高于临界压力引入到通道的入口段内。作为 结果，在通道的中心喉部段内建立了阻流条件，包括组合的燃料和氧 气的流在通道的发散段内被加速到超音速速度，且包括组合的燃料和 氣气的流作为结构化射流从喷嘴排出到炉内气氛。结构化射流具有包 括组合的燃料和氧气的流的结构，且当从喷嘴排出时具有超音速速 度.
通过不引入点燃源且为通道提供不被任何不连续部中断的内表面 来防止燃料在通道内时的点燃和燃烧，否則在不连续部中外圆周区域 将可能减速且为燃料的稳定燃烧提供位置。
产生了火焰包围物，它围绕从结构化射流的内中心区域形成的氧 气射流，且其最初具有超音速速度，火焰包围物抑制了氧气射流的速 度和浓度衰减.否则，无火焰包闺物，因氧气射流与炉内气氛的相互 作用，速度将袭减.这样的相互作用也导致氧气射流的稀释，以产生 浓度衰减.如在此处和在权利要求书中所使用，术语"火焰包围物" 意味着通过燃料和任何可能存在于加热的炉内气氛内的反应物的主动 燃烧围绕氧气射流且沿氧气射流的长度传播的火焰，其中这样的燃烧 完全地或部分地由氧气射流供给的氧气支持。在本发明中，火焰包围 物完全地在喷嘴外通过结构化射流的外圆周区域与加热的炉内气氛的 接触产生.此接触造成了包括可燃混合物的剪切混合区，可燃混合物 包括燃料、氧气和加热的炉内气氛，且造成了通过由加热的炉内气氛 供给的热的可燃混合物的自动点燃。
氧气射流引导到熔化物内，同时被火焰包闺物围绕。在这点上， 在此处和在权利要求书中关于炼钢炉、EAF或BOF使用的术语"熔化物"意味着炉渣层和位于下方的熔融金属熔池。作为结果，在这样的 熔炉中，氣气射流将首先进入炉渣层。在其中不产生炉渣层的冶金炉 的情况中，氣气射流进入其内的"熔化物"将包括熔融金属。其一个 例子是有色金属精炼容器。
虽然在现有技术中未知，但如以上所述的结构化射流的排出当与 加热的炉内气氛接触时将在外剪切混合区内产生区域，其将点燃以形 成火焰包闺物，火焰包闺物围绕由结构化射流的内中心区域形成的超 音速氣气射流，且抑制超音速氧气射流的速度衰减和浓度衰减。这允 许本发明的喷嘴定位在离开熔化物 一段距离处，且允许有益的熔化物 搅拌作用被增强.
如上所指出且如在现有技术中已知，氧气射流在超音速速度时的 产生和注入具有的优点是为精炼目的最大化了能与包括在熔化物内的 可氣化类反应的氧气的量，同时产生了有力的熔化物搅拌动作.另外， 不存在可能要求将喷枪从使用中移开且从喷嘴面取出已知为渣壳的沉 积物的外燃料通路。此外，如可从以上的讨论中认识到，包括氧气和 燃料的流在组合的空间内的混合、点燃和燃烧的缺点通过本发明被避 免，因为防止了在喷嘴内时燃料和氧气的混合物的点燃和燃烧。
当包括组合的燃料和氧气的流作为结构化射流从喷嘴排出时可W 完全扩张.燃料在喷嘴的发散段内时可以引入到氧气流中。作为安全 性措施，当包括组合的燃料和氧气的流作为结构化射流从喷嘴排出时 可以过度扩张，使得氧气流在喷嘴的发散段内时具有亚环境压力。燃 料可以在其中氧气流处于亚环境压力下的发散段的位置处引入到氧气 流内.作为结果，当燃料供给系统故障时，氧气将不通过燃料通路回 流而造成潜在的危险状况。另一个有利的结果是，不要求燃料运送系 统克服正的氧气背压，因此最小化了将燃料运送喷嘴内所需要的供给 压力.
喷嘴的发散段可以从中心喉部段延伸到喷嘴的暴露于加热的炉内 气氛的喷嘴面.其他可能性从以下详细讨论中变得明显'
优选地，组合的燃料和氧气的结构化射流的超音速速度至少是大
约马赫数为1.7.
冶金炉可以是电弧炉。在这样的情况中，燃料优选地以大约0.02 至大约0.14之间的当量比引入到氧气流内。替代地，冶金炉可以是碱
性氣气炉.在这样的情况中，燃料优选地以大约0.01至大约0.06之间 的当量比引入到氧气流内。在两类熔炉的任一个中，加热的炉内气氛 将包括一氣化碳，且用于形成火焰包围物的可燃混合物将又包括一氧 化碳。当冶金炉为碱性氧气炉时，喷嘴可以在水冷喷枪的喷枪尖端处 安装在水冷喷枪内.然而应理解的是，本发明的应用不限制于这样的 熔炉，且实际上本发明可以用在具有这样的加热的炉内气氛的熔炉 中，即炉内气氛不包括一氣化碳或能用作用于形成火焰包闺物的可燃 混合物的部分的任何其他物质。关于"加热的炉内气氛"所有必需的 是，它具有足够的温度以导致可燃混合物的自动点燃。
在本发明的任何实施例中，可以在通道的内圃周位置处通过将燃 料注入到具有内环形表面的多孔金属环形元件内而将燃料引入到氧气 流内.内环形表面形成了汇聚-发散通道的喉部段或发散段的部分.
在应用于将氣气注入到位于具有包括一氧化碳的加热的炉内气氛 的冶金炉内的熔化物内的本发明的方法的进一步的方面中，氧气流可 以引入到具有汇聚-发散构造的通道的喷嘴内，其中喷嘴位于水冷喷 枪的尖端处且从水冷喷枪的中心轴线向外地成角度。这样的冶金炉可 以是碱性氧气炉。包括氢类的燃料以以上略述的方式注入到氧气流 内，以形成结构化射流、火焰包围物和单独的氧气射流，氣气射流最 初具有超音速速度.水冷喷枪可以位于碱性氧气炉内且氧气射流被引 导到熔化物内.
在碱性氧气炉喷枪中，典型地存在3个到6个之间的喷嘴，且喷 嘴与中心轴线向外地成大约6度到大约20度之间的角度.如以上所指 出，在碱性氧气炉的情况中，燃料可以以大约0.01至大约0.06之间的 当量比引入到氧气流内，且组合的燃料和氧气的结构化射流的每个的 超音速速度可以至少是马赫数为1.7。在特定的实施例中，可以将燃料 引入到燃料室内且喷嘴定位为通过燃料室。通过位于喷枪尖端内且在 通道的内圃周位置和燃料室之间连通的燃料通路将燃料引入到通道 内，在这点上，对于每个通道存在大约4个到大约12个之间的燃料通 路.应注意的是，可以使用更多或更少的燃料通路。
附困说明
虽然说明书得出了清楚指出了被申请人认为是本发明的主题的杈利要求，但相信结合附困将更好地理解本发明，其中各图为
困1是根据现有技术的方法产生了自由氧气射流的喷嘴的示意性 截面视图2是进行了根据本发明的方法的喷嘴的示意性截面视图； 图3是在汇聚-发散通道内建立的轴向静态压力分布的曲线困表 示，其中内部流当离开喷嘴时完全扩张；
困4是在汇聚-发散通道内的轴向静态压力分布的曲线图表示，
其中发散出口段设计为使得氧气以过度扩张的状态从喷嘴射出；
图5是在汇聚-发散通道内的轴向静态压力分布的曲线图表示，
汇聚-发散通道使用了延伸至到喷嘴面的出口段的圃柱形延伸部，使 得氧气以不足扩张的状态从喷嘴射出；
困6是形成用于由图2中图示的类型的喷嘴产生的马赫数为2的
表示，^有超音速速度和初始速度的大约;2%的轴向中心线速度；
图7是形成用于由

图12中图示的类型的喷嘴产生的马赫数为2的 氧气射流的火焰包围物所要求的燃料的量与射流长度的关系的曲线图 表示，具有超音速速度和初始速度的大约92%的轴向中心线速度；
图8是根据本发明的方法形成的马赫数为2的结构化射流的径向 停滞压力分布和气体浓度的曲线图表示；
图9是被根据本发明的方法形成的火焰包围物围绕的氧气射流的 气体浓度和径向停滞压力分布的曲线图表示，其在距喷嘴面 一定距离 处测量，在该距离处射流的轴向中心线速度已衰减到大约在离开喷嘴 处初始马赫数2， 1600英尺/秒速度的92 % ;
图10图示了使用氧气注入器的电孤炉通过使用根据本发明的方法 的方法以超音速速度将氧气射流注入到熔融金属熔池内的示意性示；
图11困示了在图9中使用的氧气注入器；
图12图示了图11的氧气注入器的替代实施例；
图13图示了使用了水冷喷枪的碱性氧气炉通过使用根据本发明的
方法的方法以超音速速度将氧气射流注入到熔融金属熔池内的示意性
表示；
图14是在困13中使用的水冷喷枪的示意性截面视困15是在困14中图示的水冷喷枪的喷枪尖端的放大的截面视
图；和
图16是沿困15中的线15-15截取图15的截面视图。
具体实施例方式
参考图1和困2，将用于向冶金炉内注入超音速氧气射流的现有技 术喷嘴1的运行与根据本发明的喷嘴2的运行进行对比。
喷嘴1具有汇聚-发散构造的通道10，通道10包括汇聚入口段 12、中心喉部段14和终止于喷嘴面18的发散出口段16。当氣气流从 供给通道19注入到通道10的汇聚入口段12内时，它经历初始膨胀。 如果氣气的压力高于在引入喷嘴10内的氧气流的本领域中被称为"临 界压力"或"马赫数l扩张压力"的压力，则在中心喉部段14内实现 阻流条件，其中氧气实现音速速度。在此和在权利要求书中的使用的 术语"音速速度"意味着具有声音速度的幅值的速度。在阻流条件下， 任何压力的增加将不使中心喉部段14内的氧气的速度增加。在喷嘴10
的发散出口段16内，氧气流动变成超音速的，因为氧气在该段进一步 扩张.如上所述，虽然增加喷嘴的汇聚入口段12的上游氧气的压力将 不增加在喉部段14内的氣气的速度，但这样的压力增加将增加在喷嘴 10的发散出口段16内的速度.
在喷嘴面18处，氧气射流22从喷嘴10排出到高温炉内气氛内， 炉内气氛通常略高于大气压力。在碱性氧气炉的情况中，这样的压力 一般地髙于大气压力大约25%。当从喷嘴面化排出时，氣气射流22 最初具有超音速速度。
在用于处理钢的熔炉内，因为氧与包含在熔化物内的碳的反应， 炉内气氛包含高浓度的一氧化碳。当氧气射流22从喷嘴面18向外延 伸时，氣气射流22外圃周区域将趋向于与炉内气氛在被称为剪切混合 区24的区内相互作用，其中炉内气氛与氧气射流22中包括的氧气通 过微涡流的形成而混合，虽然在剪切混合区24内的炉内气氛中可能存 在一氧化破的燃烧，但一氡化碳的燃烧率处于充分地低的燃烧率，且 在以以上讨论的方式形成火焰包围物中无效。实际上，显著的燃烧将 仅在距喷嘴面18 —段距离处典型地距喷嘴面l8超过6个喷嘴直径的 距离处发生.此燃烧间距使得任何闺绕氧气射流22的火焰以本发明预
期的方式对防止氣气射流22的速度衰减和浓度衰减无效，从喷嘴面18 观看，在剪切混合区24内发生的氧气和炉内气氛的混合沿氧气射流22 的长度增加，以产生圃锥形区域25，其中流动不受混合过程的影响， 且实际上与存在于喷嘴面18处的流动具有相同的特性。在本领域中， 此区域被称为等速核(potential core)。超过等速核25的流动区域是 超音速氣气射流22的速度首先开始降低到低于其在喷嘴面18处的速 度的点。本领域技术人员应认识到的是，存在超音速核26，它延伸超 过且包括等速核25,其中在所有点处流动速度大于或等于马赫数1。 超过超音速核，在所有点27处流动速度是亚音速的。因为剪切混合和 反应区最终到达射流轴线，发生了到完全地建立的湍流的和燃烧的射 流的过渡.
参考图2，图2图示了为进行根据本发明的方法设计的喷嘴2.喷 嘴2包括汇聚-发散通道28，其中从供给通道29将氧气流引入到汇聚 入口段30内，以实现处于阻流条件下的中心喉部段32内的音速速度。 超音速速度在发散出口段34内实现，发散出口段34从中心喉部段32 延伸且终止于喷嘴面36处。
燃料在发散出口段34的内圃周位置38和40处通过燃料通路42 和44注入。如本领域技术人员将理解，燃料通路42和44，且因此注 入的内圃周位置将放置在发散出口段26内的规则间隔处。例如，如果 希望4个注入点，将具有4个圃周位置，例如在横向方向观看时相互 分开90度的38或40。换言之，例如38或40的圃周位置将不必位于
相同的轴向平面内.它们可以是交错的。
燃料的注入产生了在汇聚—发散通道28内的包含组合的燃料和氧 气的流，当流动继续以在发散出口段34内扩张时，流继续从注入点处 加速，即从内圃周位置38和40处加速。给定阻流条件，在燃料注A 前，氧气射流将具有超音速速度，且当流动向着喷嘴面36进行时，包 含组合的燃料和氧气的流将进一步加速到更高的超音速速度。
在囷周位置，例如在38和40处的燃料注入为喷嘴2内的包括组合 的氣气和燃料的流赋予了结构，其具有外圃周区域46和内中心区域 48.外圃周区域包括氧气和燃料的混合物。内中心区域48包括氣气且 基本上无燃料.
需要注意的是，虽然例如38和40的圃周位置图示为位于发散出
口段34内，它们也可以位于喉部段32内或甚至位于汇聚入口段30内。 为实用和安全性原因，优逸的燃料注入位置在发散出口段34内。然而， 如果燃料注入器围绕进入到汇聚-发散喷嘴上游的氧气放置，则本发 明是有效的。然而，这样的放置因为安全性和燃料压力限制的原因是 不利的。
与现有技术不同，不存在发生于喷嘴2内的点燃和燃烧。然而， 因为熔炉的高温以及氧气和燃料在非常受限的空间内混合的亊实，存 在这样的燃烧的危险。因此，如以上所指出，最安全的做法是将燃料 在因流动扩张而实现的低温和高速度处的点处注入。因此，最安全的 燃料注入点将在发散出口段34内，因为在这样的段内因为氧气的扩张
和包括组合的燃料和氧气的流的持续的扩张而实现了最低的温度和最 高的速度。
在喷嘴面36处，包括组合的燃料和氧气的流作为结构化的射流50 被排出，其具有与喷嘴2的汇聚-发散通道28内流动的包括组合的氧 气和燃料的流相同的结构。如同在由喷嘴1产生的自由射流中，结构 化射流50的外圃周区域将开始与加热的炉内气氛相互作用，以形成剪 切混合区52，其中燃料、氧气和加热的炉内气氛将混合。此混合与由
加热的炉内气氛提供的热一起将导致自动点燃和随后的火焰包闺物 54，以从喷嘴面36发射.因为点燃，剪切混合区52也将包括加热的 燃烧产物.应注意的是，火焰包围物54不需要附着到喷嘴面36才是 有效的.然而，火焰包围物54必须至少紧靠喷嘴面36形成，例如在 大约1个和大约2个喷嘴直径内。如以上指出，炉内气氛不必包括一 氧化碳或将反应产生火焰的任何其他物质。需要的仅是导致自动点燃 的温度.
火焰包围物54将作用以抑制氧气射流56的速度和浓度的衰减， 氧气射流56由包括组合的燃料和氧气的流的内中心区域48形成.在 喷嘴2的情况中，火焰包围物从喷嘴面36或至少紧靠喷嘴面36延伸，: 原因是在形成火焰包围物54中利用的燃料包括氢类的事实，它比例如 可能存在于加热的炉内气氛中的单独一氧化碳的燃料反应快得多。典 型的气态燃料可以是氢气、天然气、甲烷、丙烷、石油气、焦炉煤气、 合成气、乙炔或汽化和/或热解液体或气态燃料，或它们与惰性气体和/ 或一氧化碳的混合物。典型的液体燃料可以是碳氢化合物燃油、煤油 或汽油，它们已预先雾化为气体或包括燃料小滴的蒸汽，或通过氣气 流自身的作用雾化.包括气态和液体氢的其他非碳氢化合物燃料也适 合于用在本发明中，且例如包括酒精和氨。
与由喷嘴l产生的射流相比，由喷嘴2产生的等速核55和超音速 核56更长，且因此以根据本发明的方式形成的氧气射流将允许喷嘴2 放置在距熔化物表面更远的距离处，且与只使用氧气注入能实现的搅 拌率相比允许喷嘴2增加熔化物的撹拌率。同时，因为在喷嘴面36内 不存在燃料和氧气从中注入的另外的开口 ，不存在这样的开口的可能 的阻塞。
如上所述，在喷嘴2内不发生燃烧。如所图示，内圃周位置30和 40的下游处不存在出口段34内表面的不连续部，该不连续部趋向于使
得包括在包括组合的氧气和燃料的流中的燃料和氧气混合物减速，其 提供了如果点燃混合物则发生燃料稳定燃烧的位置，在这点上，包括 组合的燃料和氧气的流的减速将导致通过涡流发生循环，而因此进一 步混合燃料和氧气，且导致混合物可能的燃烧。
当氧气的流量减速到使得喷嘴2处于不足吹送(under-blown )时， 存在燃料和氧气点燃的可能。在由氧气供给的故障导致的扰动状况期 间，或在其中氣气流动在精炼过程期间有目的地被降低的其他情况期 间，此情况可能出现。作为氧气流量降低的结果，可能发生包括组合 的燃料和氣气的流的流动从汇聚—发散通道28的内表面的分离。这将 引起间隙，以提供用于加热的炉内气氛进入喷嘴2、与燃料和氧气混合 且提供足够的热以点燃混合物的空间。此不足吹送状况也产生了过度 扩张射流，这可以是有利的，如将在以下讨论。然而，即使当上述过 程发生时，在喷嘴内也不存在稳定火焰的位置，因为在喷嘴内缺少内 表面不连续部，例如在现有技术中利用来稳定火焰的沟槽。
参考图3，困3中示出了得自试验的汇聚-发散喷嘴内静态压力分 布，其中离开喷嘴的流完全扩张。测量值从带有离开口直径为0.81 in 和喉部直径为0.62 in的汇聚-发散喷嘴中获得。喷嘴设计为当以大约 100 psig的压力供给时接纳大约36000 scfh，且其中排放到环境空气, 的氣气射流以马赫数2和1600 fps的速度离开喷嘴而完全扩张。在此 处和在权利要求书中使用的术语"完全扩张"意味着从喷嘴排出的流 具有大约等于冶金炉内的环境压力的内部静态压力。参考图4，图4示
出了得自试验的静态压力分布，其中离开喷嘴的射流过度扩张。在此 处和在权利要求书中使用的术语"过度扩张"意味至离开喷嘴的射流 具有比熔炉环境气氛压力低的内部静态压力.即使射流的内部静态压 力已被降低，离开喷嘴的射流也保持超音速。离开喷嘴的射流是完全 扩张或是过度扩张将取决于喷嘴的设计以及供给的氧气和炉内气氛之
间的压力差。在如图4所示的过度扩张情况中，发散段的长度通过卑 前述的喷嘴上提供延伸部而增加，且离开口直径增加到0.89 in。这^ 的设计考虑对本领域技术人员是熟知的。
参考图5，在图2中图示的喷嘴的通道提供有圆柱形延伸部，圃柱
形延伸部从发散出口段延伸到喷嘴面.延伸部的效果是在喷嘴面处增 加从喷嘴排出的流的静态压力。因为图5中图示的在喷嘴内的流动的 内部静态压力高于炉内气氛内的压力，被射出的射流处于不足扩张。 本发明将通过使用这样的不足扩张的射流来实现。
如从图中显见，在等熵计算(不考虑摩擦作用)、法诺(Faimo) 计算(图5中对超音速流动考虑了摩擦作用)和通过"P-接头(tap) 测量"给出的实际压力测量值之间的对应非常接近。添加燃料以产生 结构化射流，例如结构化射流50对于图中图示的计算和实际结果具有 很小的效果。因此，根据本发明的喷嘴将设计为产生完全扩张、过度 扩张或不足扩张的任一个的结构化射流，且可以将圆柱形或圃锥形延 伸部合并到发散段，以分别形成不足扩张和过度扩张流。
可以使用在图4中示出的过度扩张情况，使得氧气流和包括组合
的燃料和氧气的流在喷嘴的汇聚-发散通道的发散出口段内的位置处 可以具有亚环境压力。喷嘴2的发散出口段34可以设计为提供过度扩
张的结构化射流。这样的实施例的优点是圆周位置可以放置在这样的 亚环境位置处，使得如果因为任何原因存在因设备故障的燃料供给中 断，则氧气流将不进入通道42和44以造成可能的喷嘴外部燃烧和在 用于供给压力燃料的设备内的燃烧。此实施例的另一个优点是不要求 燃料供给源克服正的氧气背压，因此消除了将燃料压缩到通过商用燃 料站典型地可获得的压力以上的需要。
参考图6，进行了试验以检验燃料注入率对超音速氧气射流保持的 影响.甲烷和氧气在如下的试验条件下供应到如图示为在图2中示出 的喷嘴类型的喷嘴.喷嘴在实验室熔炉设备内运行，实验室熔炉设备
产生大约3000华氏度下包括加热的且干燥(无氢)的一氧化碳(大约 70%的体积百分比)和二氧化碳气体(大约30%的体积百分比)的混
合物的环境("熔炉测试A")。汇聚-发散喷嘴设计为运送完全扩 张的结构化射流，当供给压力为100 psig的氧气时，结构化射流具有 4000 scfh的氧气流重。喷嘴的离开口直径和喉部直径分别为0.266 in 和0.203 in。总喷嘴长度为0.75 in，且汇聚段和喉部段的组合长度为 0.203 in.喷嘴上游的管道直径为大约0.38in。在此供给条件下，离开 喷嘴的射流处于大约马赫数为2，和1600fps。甲烷注入到4个等距分 开的钻孔端口内，每个钻孔端口具有0.031 in的直径且相对于主氧气喷 嘴的轴线成大约42度的角度。甲烷在产生氧气背压为大约12psig的位 置处注入到喷嘴的发散段内。甲烷注入到氧气流内且从氧气流量的0 %到大约4.5%变化.为供给2%的甲烷，要求的供给压力为大约15 psig，且这引起了大约590 fps和大约马赫数0.4的甲烷速度。皮托
(Pitot)管用于测量对应于距喷嘴离开口处任意距离"L"的轴向中心 线停滞压力。此长度规定为对应于射流轴向中心线速度已衰减到大约 马赫数为1.74的距喷嘴离开口的距离，马赫数1.74对应于大约1470 fps 的速度，或大约喷嘴离开口速度的92%。然后将测量值除以喷嘴离开 口直径"D"以计算参数"L/D"，如在图6的曲线图中示出为纵坐标
(y轴).参数"L/D"代表了轴向射流中心线上的位置，此位置在等 速核外且在超音速核内，如从图3中可见，射流长度随甲烷注入率增 加而增加，且相对于加热的和反应的环境且无燃料注入，实现初始长 度的大约1.9倍.在困6的曲线图上也示出了在相同的喷嘴运行条件下 在环境空气中测量的"L/D"。
要注意的是试验已证实，以最小化氧气射流中断的方式注入燃料
(即平稳注入)是产生能对于规定的燃料流量产生最长的射流的结构 化射流的最有效的方式。在这点上，参考图7进行了试验来检验关于 在图12中示出的类型的喷嘴，燃料注入率对超音速氧气射流保持的影 响.这样的喷嘴合并了通过多孔金属的燃料注入且引起了最小的因燃 料注入的氣气射流中断。这样的试验在如下的条件下进行。喷嘴在实 验室熔炉设备内运行，实验室熔炉设备产生大约3000华氏度下包括加 热的且干燥(无氩)的一氣化碳(大约70%的体积百分比)和二氧化 碳气体(大约30%的体积百分比)的混合物的环境("熔炉测试")。
所有在困7中阐述的"容量测试"在相同的条件下进行，以确保所获 得结果是精确的和可重复的。汇聚-发散喷嘴设计为运送完全扩张的 结构化射流，当供给压力为100 psig的氧气时，结构化射流具有4000 scfh的氧气流量.喷嘴的离开口直径和喉部直径分别为0.266 in和0.203 in.总喷嘴长度为0.75 in，且汇聚段和喉部段的组合长度为0.203 in。 喷嘴上游的管道直径为大约0.38 in。在此供给条件下，离开喷嘴的射 流处于马赫数为2和1600印s。甲烷注入到氧气射流内且从氣气流量的 0。/0到7.25%变化.皮托管用于测量对应于图8中示出的任意长度尺度 "L"的轴向中心线停滞压力。长度尺度"L"规定为对应于射流轴向 中心线速度已衰减到大约马赫数为1.74的距喷嘴离开口的距离，马赫 数1.74对应于大约1470印s的速度，或大约喷嘴离开口速度的92 % 。 然后将测量值除以喷嘴离开口直径"D"以计算参数"L/D"，如在图 7的曲线困中示出为纵坐标(y轴)。距离"L/D"代表了沿轴向射流 中心线的位置，此位置在等速核外且在超音速核内。
如从困6和困7中显见，曱烷的流动对氧气射流的长度的影响仅 达到粗略地大约5%氧气流动的点。在这样的点处，另外的燃料的添加 对超音速氣气射流的长度无影响。在大约2.5%以下时，超音速氧气射 流的长度对甲烷注入率高度地敏感。因此，在大约2.5%至大约5%之 间注入甲烷对于最大化超音速氣气射流的长度是有效的。然而，如对 于本领域技术人员可理解，"氩摄取"导致氢或碳氢化合物注入到希 望通过添加氣气来调整熔化物的化学性质的包括钢的熔化物内是不希 望的，因此，在碱性氧气炉中，粗略地1.5%到大约3%的甲烷在延伸 射流的长度的需要而不将不必要的燃料注入到熔化物内之间取得平 衡.
虽然燃料和氣气的实际流动将随喷嘴设计、例如熔炉的尺寸的精 炼要求和所使用的特定的燃料变化，但认为前述试验的结果当相对于
当量比采用时可以一般化，当量比为实际燃料与使用的氣气的比值除 以当实现按化学计量的燃烧时要求的燃料与氧气的比值。在这点上， 对于电孤炉，当量比优选地在大约0.02至大约0.14之间.对于碱性氧 气炉，当量比应在大约0.01至大约0.06之间。
另一点是喷嘴或包括喷嘴的喷枪优选地相对于熔化物定位为使得 氧气射流进入到熔化物时在超音速核内。更特定地，氧气射流当进入
熔化物时优选地具有从喷嘴喷出时的射流速度的大约90%的速度.喷 嘴或喷枪可以相对于熔化物定位在更远的距离处且因此当进入到熔化 物内时具有更低的速度，或定位在更近的距离处以具有更高的速度。 然而，喷枪定位向熔化物越近则它的使用寿命越低。对于电孤炉，图6 和图7中的数据对于特定的喷嘴设计和燃料注入将用于相对于熔化物 定位喷嘴.对于实际运行状况，例如熔化物在熔炉内的高度，将必须 进行调整.在BOF熔炉中，存在基于其中喷枪的位置变化的许多已知 的因素的吹送曲线.因此，在BOF熔炉的情况中，这样的数据将用作 指导以允许其中当进入熔化物中射流速度被最大化的运行，且这样虽 然对于大多数部分当进入到熔化物内时氧气射流将处于超音速核内， 但有时喷枪将定位为使得氧气射流将超过超音速核。例如，如果发生 栽溢，則喷枪能相当于熔化物收回。
参考图8，困8中以曲线示了对于例如在图12中示出的实施
例的喷嘴的结构化射流的结构，其中如在1个喷嘴直径的轴向距离从 喷嘴面观看。为此试验的目的，喷嘴在实验室熔炉设备中运行，实验 室熔炉设备能产生大约3000华氏度下包括加热的且干燥(无氢)的一 氧化碳(大约70%的体积百分比)和二氧化碳气体(大约30%的体积 百分比)的混合物环境("熔炉测试")。汇聚-发散喷嘴设计为运送 完全扩展的结构化射流，当供给压力为100 psig的氧气时，结构化射 流具有4000scfh的氧气流量。在此供给条件下，离开喷嘴的射流处于 大约马赫数为2，和大约1600fps的速度。喷嘴的离开口直径和喉部直 径分别为0.266 in和0.203 in.总喷嘴长度为0.75 in,且汇聚段和喉部 段的组合长度为0.203 in。喷嘴上游的管道直径为0.38in。甲烷从多孔
金属分配器(例如将在下文中参考困11中示出的实施例讨论)以大约 氧气流量的3.4%的流量注入到氧气流内。皮托管用于测量结构化射流 的径向停滞压力曲线。皮托管也用作抽吸探头，且也测量了结构化射 流的径向成分曲线.以此方式，然后直接地将局部射流停滞压力与局 部流成分比较.气体样本对于氧气、 一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氢 进行分析.
在射流的外周处，r/R=l，(其中"r"是皮托管的位置，且"R" 是喷嘴出口在喷嘴面处的半径)，存在最大的甲烷浓度，这指示了燃 料集中在作为甲烷和氧气的混合物的射流的外圃周区域处.此区域对
应于图2中示出的结构化射流50的外圃周区域46。在位置r/R>l处， 炉内气氛开始与包括燃料和氧气的混合物在剪切混合和反应区52处混 合，这通过一氧化破和二氧化碳的存在来指示，且也通过甲烷和氧气 浓度的降低来指示。从喷嘴的外周向内，在从r/R=l到r/R=0的喷嘴 中心轴线的方向，氧气浓度升高到100%.在喷嘴(Xr/R〈1内无燃烧发 生，如通过未检测到一氧化碳和二氧化碳来指示。此区域对应于结构 化射流50的内中心区域56。同时，当考虑到与形成在皮托管上游的冲 击波的存在相关的压力损失时，测量的射流停滞压力接近对于马赫数 为2的氣气射流所预期的停滞压力。
参考图9，在更远的轴向距离处，即在大约41个喷嘴直径处，中 心线停滞压力下降到大约50psig，在此点马赫数衰减到大约1.74且速 度袭减到大约1470 fps或初始射流速度的大约92%。在此位置，中心
线流动在等速核外且在超音速核内。可见径向压力曲线从射流的中心 轴线衮减，在大约41个喷嘴直径处，在0<r/R<1.5的位置射流主要地 包括氧气.当超音速的氧气射流减速时，氧气射流发散，如通过在 1.5<r/R<7.5径向位置处检测到的氧气的量所示出。假定曱烷已被氣化 的事实，在这样的距喷嘴离开口的距离处存在非常少的甲烷，如通过 在此点前一氧化碳和二氧化碳的存在所指示。
参考图10，图10中图示了设计为熔融且精炼废钢的电弧炉60。 通过经顶部将废料加栽到电弧炉60内而装载废钢。碳电极62突出 到熔炉内以产生电孤，电孤熔融废料且加热作为结果的金属熔池 64.
在铁精炼熔炉中，例如图示的电孤炉60或将在下文中描述的碱性 氧气炉，被引入到熔化物中的氧气氧化了铁的小部分且碳与已氧化的 铁组合以产生一氧化碳. 一氧化碳主要地通过溶解的碳与氣的组合产 生。 一氣化碳的一些又被氧化以产生二氧化碳。 一氧化碳泡升起到熔 融金属熔池64的表面，在此处它们形成到炉渣层66内。炉渣层66由
熔化物中的杂质和金属元素，例如磷、铁、硅和锰的氧化，且作为结
成，如在本领域中已知。 一般地，覆盖在熔融金属熔池64上方的加热 的炉内气氛包括一氣化碳和二氧化碳，且可以具有在大约2500华氏度 到大约3500华氏度之间的温度。
碳、 一氧化碳和炉渣形成元素的氧化通过经由氧气注入器68的氧 气注入发生，氣气注入器68将具有超音速速度的氧气射流70注入到 炉法和金属的熔池64内。如将讨论，氧气注入器68合并了喷嘴，喷 嘴以与以上所讨论的喷嘴2相同的方式起作用以产生包围了氧气射流 70且实际上触及了炉渣和金属的熔池64的表面的火焰包围物72.典 型地，在精炼过程结束时，氧气与金属熔池64内的碳结合以产生带有 希望的碳含量的钢，且对于低碳钢碳含量可以低于大约0.02%.
虽然未困示，但如在本领域中已知，氧气注入器68安放在熔炉壁 74内的块内，其是水冷的。又未图示，也可以为氧气注入提供喷嘴以 与在加热的炉内气氛内的一氧化碳结合。也可以以从本领中已知的方 式注入碳微粒来调整炉渣的特性且进一步调整钢的含碳量。
参考图ll，图11图示了氧气注入器68。氧气注入器68具有圃柱 形构造，且具有位于燃料导管82端部的喷枪尖端80。喷枪尖端80优 选地由铜构成。燃料导管82具有燃料入口 84，用于供给例如天然气, 燃料，且如图示可以合并有螺紋的配件，用于接附到燃料软管或其他 用于燃料的导管.具有氧气入口 87以供给氧气的氧气导管S6位于燃 料导管82内的中心.氧气入口 87也可以具有有螺紋的配件的形式， 以接附到软管或其他用于供给氧气的导管。燃料流过限定在燃料导管 82和氧气导管86之间的环形空间，且氧气在氧气导管内流到汇聚-发 散通道90.
汇聚-发散通道90具有形成在氧气导管86的端部内的汇聚入口 段92、中心喉部段94和终止于喷枪尖端80的喷嘴面卯的发散出口段 96.氣气供给源与存在于喷嘴面98处的炉内气氛之间的压力差为使得 能在汇聚-发散通道90的中心喉部段94处建立阻流条件。
燃料从环形空间88流动到燃料通路，燃料通路每个具有在内圃周 位置处终止于汇聚-发散通道90的发散出口段96内的通路段100和 101，内圃周位罝由开口 102限定，通过开口 102燃料注入到在发散^ 口段96内流动的氧气中。在特定的实施例中，存在4个燃料通路，如 在喷嘴面98的橫向方向观察它们终止于4个等距分开的开口 102。
应指出的是，虽然喷枪68图示为与电孤炉连接，但它也可以用于
其他冶金炉，例如有色金属冶炼和精炼容器。
参考困12，图12困示了喷枪尖端80'，喷枪尖端80'包括闺11中
示出的喷枪尖端80的修改。喷枪尖端80'可以形成为两个段80a和 80b,虽然未图示，但段80b可以通过例如机用螺钉的有螺紋的连接器 或通过例如烀接的其他方法接附到段80a。氧气以与图11中图示的注
入器中相同的方式供应到汇聚-发散通道。此外，通道段101向限定 在环形构造的段80a内的凹陷104供以燃料。在凹陷104内安放了环形 金属多孔元件106，以将燃料供应到汇聚-发散通道90的发散出口段 96内.将这样的多孔金属元件用于燃料注入具有的益处是在结构化射 流的外圃周区域内产生了高度均匀的燃料和氣气的混合物，同时提供 了将燃料以低速度注入的方法，以最小地中断氧气流.这样的多孔金 属元件也已知为多孔金属，烧结金属和金属泡沫，且可商业上获得。 此注入方式可以用于本发明的任何实施例中。
参考图13，图13图示了碱性氣气炉110，其中熔融金属熔池112 内包括的铁待精炼为钢。提供了水冷喷枪114用于这样的目的，以将 超音速氧气射流116注入到熔融金属熔池112内。此氧气射流116被注 入同时被单独的火焰包围物120围绕，火焰包围物120通过如以上所 略述的根据本发明的方法形成。
在碱性氧气过程中， 一般地从鼓风炉运输来的熔融的铁与废料" 起装栽到碱性氧气炉110内。氧气射流116注入到熔炉内，用于对热 的铁除碳且生成熔融废料所要求的反应热。氧气将的碳、 一些铁和存 在于熔融金属熔池112内的例如硅、锰和磷的杂质氧化，以产生升起 的废料层124。
参考图14，图14中图示了喷枪114的设计细节。应指出的是，虽 然喷枪114图示为与碱性氧气炉连接，但它也可用于其他冶金炉，例 如电孤炉、有色金属冶炼和精炼容器和转底炉。喷枪114提供有从未 示出的入口延伸到喷枪尖端134的中心氧气导管130。氧气导管130将 氣气供应到具有汇聚-发散通道138的喷嘴136，汇聚—发散通道138 终止于位于喷枪尖端134内的喷嘴面140处。终止于燃料室144处的燃 料导管142与氣气导管130同轴定位。
另外参考困1S和图16，燃料通路146在燃料室l"和限定在汇聚 -发散通道138的发散出口段148内的开口 145之间连通，以将燃料注 入到在汇聚-发散通道138内加速到超音速速度的氧气流内。在这点 上，汇聚-发散通道138的每个具有汇聚入口段150、中心喉部段l52和发散出口段148，燃料被注入到发散出口段148内。开口145因此是 内圃周位置，用于将燃料注入到汇聚-发散通道138内，以形成结构 化射流，结构化射流以根据本发明的方式与炉内气氛相互作用，以产 生被单独的火焰包闺物120围绕的氧气射流116。在图示的实施例中， 因为存在4个喷嘴136，所以产生了 4个氧气射流116且它们被4个单 独的火焰包围物120围绕。
在困示的实施例中，存在8个燃料通路146且因此存在8个用于喷 嘴136的每个的开口 145。然而，本发明的实施例优选地对于每个喷嘴 具有大约4个和大约12个之间的燃料通路。此外，在喷枪尖端134内 存在4个喷嘴136.取决于碱性氧气炉的尺寸且因此取决于喷枪的尺 寸，典型的装备将包括3个到6个之间的喷嘴。在这点上，喷嘴又取 决于熔炉尺寸将典型地与喷枪中心轴线向外地成大约6度到大约20度 之间的角度.可是，可以构建带有例如喷嘴136的单个的喷嘴的水冷 喷枪，以产生单个的氧气射流和单个的火焰包围物来抑制氧气射流的
另外参考图13且继续参考图14和图15，通过一系列间隔件元件 156将燃料导管142维持到位，间隔件元件156径向地从燃料导管142 向外延伸到氧气导管130。可以提供止回阀l58以防止如果存在用于将 燃料引入到燃料导管142内的设备的故障而使氧气回流到燃料内。
喷枪114是水冷的且提供有外部套，外部套由限定在水导管162 和氧气导管130之间的内部供水通路160和形成在水导管162和喷枪 l"的外壳166之间的回水通路164形成。水通过水入口 168供应到喷 枪114且以箭头"A"的方向流过供水通路160，以箭头"B"的方向 流到回水通路164，然后水从水出口 170排出。
如从图13中最佳地可见，氧气导管138提供有通过0型圉类高温 密封件172保持到位的尖端段172。类似地，燃料>管142提供有通过 燃料导管142的剩余部分以O型團密封件176密封的尖端部分175。同 样地，水导管162也具有通过O型圃密封件180密封的尖端段178。密 封装置允许去除且更换被最终磨损且需要更换的喷枪尖端134。优选地 且除多孔金属元件外，喷枪尖端134的部件由铜或铜合金制造且使用 电子钎焊或其他结合技术组装在一起。多孔金属元件可以由任何金属 组装，包括钢.
虽然本发明已经参考如本领域技术人员想到的优选实施例描述， 但可以进行多种变化、添加和省略而不偏离本发明的精神和范闺.
权利要求
1.一种将氧气注入到位于具有加热的炉内气氛的冶金炉内的熔化物内的方法，所述的方法包括将一个或多个氧气流引入到具有一个或多个汇聚-发散构造的通道的一个或多个喷嘴内；将包括氢类的燃料在完全地位于一个或多个通道内的一个或多个通道的内圆周位置处注入到一个或多个氧气流内，使得一个或多个包括组合的燃料和氧气的流形成在一个或多个通道内，每个具有包括外圆周区域和内中心区域的结构，外圆周区域包括氧气和燃料的混合物且内中心区域被外圆周区域包围且包括氧气而基本上无燃料；该一个或多个氧气流在临界压力下或高于临界压力被引入到一个或多个通道的一个或多个入口段内，以因此产生在一个或多个通道的每个的中心喉部段内的阻流条件；在一个或多个通道的每个的发散段内将包括组合的燃料和氧气的流加速到超音速速度；和将一个或多个包括组合的燃料和氧气的流作为一个或多个结构化射流从喷嘴排放到炉内气氛内，每个结构化射流具有包括组合的燃料和氧气的流的结构，且从喷嘴排出时，具有超音速速度；通过为通道提供不被任何不连续部中断的内表面来防止燃料在通道内的点燃和燃烧，否则在不连续部中外圆周区域将可能减速且为燃料的稳定燃烧提供位置；产生一个或多个围绕了从一个或多个结构化射流的内中心区域形成且最初具有超音速速度的氧气射流的火焰包围物，以抑制该一个或多个氧气射流的速度衰减和浓度衰减，通过结构化射流的外圆周区域与加热的炉内气氛的接触来完全地在喷嘴外产生该一个或多个火焰包围物，以产生剪切混合区，该剪切混合区包括包含燃料、氧气和加热的炉内气氛的可燃混合物，且可燃混合物通过由加热的炉内气氛供给的热自动点燃；和将一个或多个氧气射流引入到熔化物内，同时被火焰包围物围绕。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中包括组合的燃料和氧气的流当作为结构化射流从喷嘴中排出时完全扩张；和 当在喷嘴的发散段内时，将燃料引入到氧气流中。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中包括组合的燃料和氧气的流当作为结构化射流从喷嘴中排出时过 度扩张，使得当在喷嘴的发散段内时氧气流具有亚环境压力；和在氧气流处于亚环境压力下的发散段内的位置处将燃料引入到氣 气流中。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其中喷嘴的发散段从中心喉部 段延伸到喷嘴的暴露于加热的炉内气氛的喷嘴面。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中氧气射流的每个的超音速速度 至少是大约马赫数为1.7.
6. 根据权利要求1所述的方法，其中冶金炉是电弧炉，且将燃料以 大约0.02到大约0.14之间的当量比引入到氧气流内。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中冶金炉是碱性氧气炉，且将燃 料以大约0.01到大约0.06之间的当量比引入到氧气流内，
8. 根据权利要求1所述的方法，其中冶金炉是碱性氧气炉，且喷嘴 在水冷喷枪的喷枪尖端处安装在水冷喷枪内。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中通过将燃料注入到多孔金属环 形元件内而将燃料在通道的内圃周位置处引入到氧气流内，多孔金属 环形元件具有形成了汇聚-发散通道的喉部段或发散段的部分的内环 形表面，
10. 根据权利要求7所述的方法，其中存在3个到6个之间的喷 嘴，且喷嘴与中心轴线向外地成大约6度到大约加度之间的角度，
11. 根据权利要求7所述的方法，其中对于每个通道存在大约4 个到大约12个之间的燃料通路.
全文摘要
将氧气注入到位于具有加热的炉内气氛的冶金炉内的熔化物内的方法，其中氧气和燃料在阻流条件下注入到具有汇聚-发散构造的通道的一个或多个喷嘴内以产生从通道排出的超音速射流或多个射流。燃料注入到通道的内圆周位置内，以赋予排放出的射流包括外圆周区域和中心区域的结构，外圆周区域包括氧气和燃料的混合物且中心区域基本上包括氧气。这样的结构化射流当排出时与炉内气氛相互作用，以造成外剪切混合区，其中外圆周层与加热的炉内气氛混合且自动点燃，以产生围绕超音速氧气射流的火焰包围物。氧气射流和火焰包围物可以引导为朝向包括在冶金炉内的熔化物，用于将氧气注入到熔化物内。
文档编号F27D3/16GK101096718SQ20071007898
公开日2008年1月2日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年6月28日
发明者A·C·德尼斯, G·T·瓦迪安, M·F·赖利, S·A·曼利, W·J·马霍尼 申请人:普莱克斯技术有限公司