KR100478024B1 - 분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 장치 및 방법 - Google Patents

분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

분말 주입 시스템에 인접하여 응집성 분사가 수행되고, 상기 응집성 분사가 가스 전달을 제공할 뿐만아니라 분말 주입 시스템으로부터의 분말 전달 효과를 개선하는 장치.

Description

분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING BOTH POWDER AND GAS TO A LIQUID}
본 발명은 응집성 분사 기술분야 및 또한 분말 주입 기술분야에 관한 것이다.
기체 역학 분야에서의 최근의 상당한 진보는 가스의 초기 속도를 사실상 그대로 유지시키고 그 가스의 분사 직경이 거의 증가되지 않게 하면서 장거리를 이동할 수 있는 레이저와 유사하게 가스를 분사시킬 수 있는 응집성 분사 기술의 개발이다. 응집 분사 기술의 하나의 매우 중요한 상업적 용도는 용융 상태의 금속과 같은 액체내로 가스를 도입시켜(이에 의해, 가스 랜스가 액체의 표면으로부터 멀어질 수도 있다), 보다 효율적인 작동 뿐만 아니라 보다 안전한 작동을 가능하게 하는데, 그 이유는 다량의 가스가 액체의 표면으로부터 반사되어 액체내로 유입되지 않는 통상의 경우 보다 훨씬 더 많은 양의 가스가 액체내로 통과되기 때문이다.
금속 세공과 같은 산업 공정의 실시에서 종종, 분말을 액체 예를 들어, 용융된 상태의 금속내로 주입시키는 것이 요망된다. 비록, 표면위 주입이 본질적으로 보다 더 용이하고 통상 보다 더 안전하기 때문에 일반적으로 바람직함에도 불구하고, 이러한 분말 주입은 액체 표면의 위로부터 또는 아래로부터 수행될 수 있다. 일반적으로, 표면위 분말 주입은 분말을 운반체 가스내로 비말 동반시키고 주입 장치로부터 운반체 가스를 액체내로 제공함으로써 실시된다. 응집성 분사 기술이 가스를 액체내로 제공하는데 사용되는 경우, 분말 주입은 공지된 분말 주입 장치를 사용하여 실시될 수도 있다.
응집성 가스 분사물을 발생시키고 분말 주입을 실시하는데 동일한 랜스를 이용한다면 바람직할 것이다. 그러나, 상기 두 기술의 인접한 실시는 각각의 효능에 불리한 영향을 미칠 수 있기 때문에, 동일한 랜스를 이용하는 이러한 시스템은 상기 2가지 시스템의 단순한 조합이 아니다.
따라서, 본 발명의 목적은 가스를 액체내로 주입시키기 위한 응집성 분사 기술을 효과적으로 실시할 수 있고 또한 분말을 액체내로 제공하기 위한 분말 주입을 효과적으로 실시할 수 있는 단일 랜스를 이용하는 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 명세서를 숙지한 당업자에게는 자명하게 될 상기 및 그 밖의 목적은 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 일면에 따르면, 본 발명은,
(A) 랜스의 표면상에 있는 가스 개구를 통해 랜스로부터 가스를 배출시켜 가스 스트림을 생성시키는 단계;
(B) 랜스의 표면상에 있으며 가스 개구와 이격된 분말 혼합물 개구를 통해 랜스로부터 분말과 운반체 가스의 혼합물을 배출시켜 분말 혼합물 스트림을 생성시키는 단계;
(C) 가스 스트림과 분말 혼합물 스트림 모두의 주변에 불꽃 엔빌로우프 (envelope)를 형성시키는 단계; 및
(D) 가스 스트림 및 분말 혼합물 스트림을 랜스 표면으로부터 액체로 통과시키는 단계를 포함하는, 분말 및 가스 양자 모두를 전달하는 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 본 발명은,
(A) 랜스 표면을 갖는 랜스;
(B) 가스 공급원과 연통하고 또한 랜스 표면상의 가스 개구와도 연통하는 랜스내의 가스 통로;
(C) 분말 공급원 및 운반체 가스와 연통하고, 또한 랜스 표면상에 있는 분말 혼합물 개구와 연통하며, 가스 개구로부터 이격된 랜스내의 분말 혼합물 통로; 및
(D) 가스 개구 및 분말 혼합물 개구 주위의 링에서 가스상 연료 및 산화제를 랜스로부터 제공하기 위한 수단을 포함하는, 분말 및 가스 모두를 액체로 전달하기 위한 장치를 제공한다.
본원에서 사용되는 용어 "응집성 분사"는 가스를 노즐로부터 배출시킴으로써 형성되며, 가스의 길이를 따라서 노즐로부터의 배출시에 가스의 속도 및 운동량 프로파일과 유사한 속도 및 운동량 프로파일을 갖는 가스 분사를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "환상"은 링 형태를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "불꽃 엔빌로우프"는 하나 이상의 가스 스트림과 사실상 동축에 있는 환상 연소 스트림을 의미한다.
응집성 가스 분사를 언급할 때, 본원에서 사용되는 용어 "길이"는 가스가 분사되는 노즐로부터 응집성 가스 분사물의 의도된 충격 지점까지 또는 가스 분사의 응집성이 상실되는 지점까지의 거리를 의미한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다.
도 1, 2 및 3을 보면, 가스는 랜스(1)의 가스 통로(60) 및 이어서 노즐(61), 바람직하게는 수렴/발산 노즐을 통해 통과된 후, 랜스(1)로부터 가스 개구(11)를 통과하여 응집성 가스 분사 스트림(62)을 생성시킨다. 통상, 가스 스트림의 속도는 1000 내지 8000fps(feet per second; 초당 피트) 범위내에 속한다. 바람직하게는, 가스 스트림의 속도는 랜스 표면으로부터의 배출시에 형성될 때 및 또한 액체와 접촉하게 될 때 초음속이다.
어떠한 유효한 가스라도 본 발명에서 가스로서 사용될 수 있다. 이들 가스로는 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 스팀 및 탄화수소 가스들이 있다. 2종 이상의 가스, 예를 들어 공기를 포함하는 혼합물도 또한 본 발명에서 가스로서 사용될 수 있다. 본 발명을 실시할 때 가스로서 사용하는데 특히 유용한 가스는 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체로서 규정될 수 있는 가스 상태의 산소이다.
메탄 또는 천연 가스와 같은 가스 상태의 연료는 랜스(1)를 통해, 가스 통로로부터 반경방향으로 이격되어 있는 가스 연료 통로에 제공된다. 가스 상태의 연료는 도 1에 도시된 바와 같이 랜스(1)로부터, 바람직하게는 랜스 표면(5)의 랜스로부터 가스 개구(11) 주변에 있는 홀(9)의 링을 통해 외부로 통과된다. 가스 상태의 연료는 바람직하게는 가스의 속도보다 작은 속도, 일반적으로는 100 내지 1000fps의 속도로 랜스(1)로부터 외부로 배출된다. 본 발명의 실시에 유용한 가스 상태의 연료는 또한 분무형 액체, 및 가스내에 비말 동반된 분쇄된 석탄과 같은 분말형 물질을 포함할 수 있다.
가스 상태의 연료는 산화제와 함께 연소하여 가스 스트림 주위에 그리고 상기 스트림을 따라서, 바람직하게는 응집성 분사물(62)의 전체 길이에 대하여 불꽃 엔빌로우프(63)를 생성시킨다. 산화제는 공기, 또는 공기중의 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 갖는 산소 부화 공기, 또는 99몰% 이상의 산소 농도를 갖는 상업용 산소일 수도 있다. 바람직하게는, 산화제는 25몰% 이상의 산소 농도를 갖는 유체이다. 산화제는 유효한 방식으로 가스 상태의 연료와 연소되도록 제공될 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 하나의 바람직한 배열은 산화제를 랜스(1)내의 통로를 통해 제공한 후 랜스(1)로부터 가스 개구(11) 주변에 있는 홀(10)의 링, 바람직하게는 홀(9)의 링 보다 가스 개구(11)로부터 더 이격되어 있는 홀(10)의 링을 통해 외부로 배출시키는 것을 포함한다. 이것으로 인해 가스 상태의 연료와 산화제가 상호반응하고 연소하여 랜스(1)로부터 각각의 배출시에 불꽃 엔빌로우프(63)가 형성된다.
주가스 스트림 주위의 불꽃 엔빌로우프(63)는 주변 가스가 가스 스트림(62)내로 도입되지 못하게 함으로써, 가스 스트림이 용융된 금속(65) 푸울(pool)의 표면(64)과 같은 요망 충돌 지점에 도달할 때까지의 가스 스트림의 요망 길이에 걸쳐, 가스 스트림(62)의 속도가 현저하게 감소되지 않게 하고 가스 스트림(62)의 직경이 현저하게 증가되지 않게 한다. 즉, 불꽃 엔빌로우프는 분사 길이에 대해 응집성 분사물로서 가스 스트림(62)을 수립하고 유지시키는 역할을 한다.
랜스(1)중의 상기 가스 통로(60)는 가스 공급원과 연통하여, 가스가 가스 통로를 통해 유입되고, 가스 개구(11)를 통해 랜스 표면에서 랜스(1)로부터 배출되어 가스 스트림을 형성하도록 한다. 분말 혼합물 개구(20)가 랜스 표면상에 위치한다. 랜스(1)내의 분말 혼합물 통로(66)는 분말 혼합물 공급원과 연통하고 분말 혼합물로 하여금 분말 혼합물 통로를 통해 흐르게 하고 랜스 표면(5)에서 랜스(1)로부터 분말 혼합물 개구(20)를 통해 외부로 통과시켜 분말 혼합물 스트림(67)을 형성시킨다. 가스 스트림(62)과 분말 혼합물 스트림(67) 양자 모두 가스 상태의 연료 및 산화제를 연소시킴으로써 발생된 불꽃 엔빌로우프내에 수용되어 있다. 가스 스트림(62) 및 분말 혼합물 스트림(67)은 이들 각각이 표적 지점 예를 들어, 액체 표면에 충돌할 때까지 별개의 스트림으로서 지속되는 것이 바람직하다.
가스 개구(11)의 중심점은 랜스 표면(5)의 중심점과 일치할 수 있다. 그러나, 가스 개구(11)는 가스 개구 전체가 랜스 표면의 반원 범위내에 있도록, 즉, 가스 개구의 경계선이 랜스 표면 중점심을 통과하거나 또는 가스 개구 경계선 전체가 랜스 표면 중심점과 랜스 표면 경계선 사이에 존재하도록 랜스 표면(5)상의 한쪽으로 편향되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 편향 구성은 도 1에 도시되어 있다. 분말 혼합물 개구는 랜스 표면상에서 가스 개구로부터 일정 거리로 이격되어 있다. 본원에서 사용되는 용어 "이격된"은 가스 개구의 경계선으로부터 도 1에 도시된 거리 L과 같은 거리 만큼 인접한 또는 거리가 떨어진 경계선을 가짐을 의미한다.
도 2는 분말 혼합물을 랜스에 제공하기 위한 하나의 바람직한 배치를 도시하고 있다. 도 1에 도시되어 있는 불꽃 보호용 홀은 도 2에는 도시되어 있지 않다. 도 2를 보면, 분말과 운반체 가스의 혼합물(40)은 내측 관(41)내로 제공된다. 분말은 전형적으로 호퍼 또는 그 밖의 다른 저장 수단으로부터 취해지며 비교적 소량의 운반체 가스, 전형적으로는 약 200cfh (cubic feet per hour: 시간당 입방 피트, 60℉ 및 1기압)의 운반체 가스에 의해 유도된다. 운반체 가스로는 질소 가스 또는 공기가 바람직하지만 산소, 메탄, 천연 가스, 헬륨, 이산화탄소 또는 아르곤과 같은 또 다른 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다.
본 발명의 실시에 사용될 수 있는 많은 분말중에서도, 특히 탄소, 석탄 및 코크스와 같은 탄소질 물질, 실리카, 마그네시아, 칼슘 카바이드, 칼슘 카보네이트, 칼슘 옥사이드(석회), 로(furnace) 분진 및 분말화된 광석이 사용될 수 있다.
바람직하게는 스트림(40)에서 운반체 가스로서 사용되는 가스와 동일한 가스인 추가적인 운반체 가스(42)는, 분말 혼합물을 가속시키기 위한 가속화 가스로서, 내부관(41)으로 인해 개방된 외부관(43)으로 제공된다. 외부관(43)은 분말 혼합물 스트림이 분말 혼합물 개구(20)를 통한 랜스로부터의 최종 분출을 위해 유동하는 랜스(1)의 분말 혼합물 통로(66)와 연통되어 있다.
다음의 시험 결과는 본 발명을 더 예시하기 위해 제공된 것이다. 실시예 및 비교예는 설명 목적으로 제공되어진 것이며 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 도 1 및 2에 도시된 장치와 유사한 장치를 사용하여 수행했다. 가스용 노즐로는 입구 직경이 0.55인치이고 가스 개구에서의 출구 직경이 0.79인치인 수렴/발산 노즐을 사용하였다. 가스 개구 중심점은 랜스 표면 중심점으로부터 0.875인치 이격시켰고, 분말 혼합물 개구 중심점은 랜스 표면 중심점과 동일하였다. 가스로는 약 100몰%의 산소 농도를 갖는 가스 상태의 산소를 사용하였고, 상기 가스는 랜스로부터 가스 개구를 통해 150psig(pounds per square inch guage)에서 40,000CFH(cubic feet per hour)의 유속으로 분출되어 응집성 가스 분사로서 가스 스트림을 형성했다. 상기 가스상 연료를 각각 랜스 표면상의 2.5 인치 직경의 환상에 0.154 인치 직경을 갖는 보다 더 내부의 16개 홀의 링을 통해 5000cfh의 유속으로 전달시켰다. 가스상 연료와 연소하여 불곳 엔빌로우프를 형성하는 상기 산화제는 약 100몰% 산소 농도를 가지며, 각각 랜스 표면상의 3.0 인치 직경의 환상에 0.199 인치 직경을 갖는 보다 더 외부의 16개 홀의 링을 통해 4000cfh의 유속으로 전달시켰다
상기 랜스는 또한 랜스로부터 배출된 가스를 차폐시키기 위해, 그의 주변부에 2인치 길이의 연장부(68)를 갖는다. 상기 응집성 가스 분사는 1초당 약 1700 피트(feet)의 초음속이었다. 가스 개구의 경계부를 분말 혼합물 개구의 경계부로부터 0.08 인치 이격시켰다. 상기 가스 개구의 직경은 0.79 인치였으며, 분말 혼합물 개구의 직경은 0.805 인치였다. 상기 시험을 위한 분말은 분쇄시킨 호두 껍질이었으며, 사용된 운반체 가스 및 추가의 운반체 가스는 양자 모두 질소 가스였다. 상기 분말은 1분당 약 15 파운드의 유속으로 제공되었다.
분말 전달 능력을 측정하기 위해, 8 인치 직경의 개구를 갖는 수집기를 랜스 표면으로부터 4 피트 이격시켜 장착하고, 전체 질소 가스의 다양한 유속에 대해 수집 효율(분출된 양에 대한 수집된 분말의 양의 비율)을 측정했으며, 그 결과를 도 4중의 A 곡선으로 나타냈다. 도 4에서, 상기 수집 효율을 수직축 상에 표시했으며, 총 질소 가스의 유속은 수평축에 표시했다.
비교를 위해, 공지의 분말 주입 장치를 응집성 분사 랜스와 함께 사용했으며, 여기서 분말 주입 노즐을 11.4도의 각도로 응집성 분사 노즐로부터 11 인치 만큼 이격시켜, 응집성 분사 및 분말 혼합물 스트림을 수집기의 입구의 바로 앞에서 수렴시켰다. 상기 비교 실시예에서, 분말의 유속은 1분당 11 파운드였으며, 가스 개구는 응집성 분사 랜스 표면의 중심에 배치되며, 응집성 분사 랜스 표면상의 천연 가스 및 산화제 홀의 링은 각각 2.0 인치 및 2.75 인치 직경의 환상이었다. 상기 수집 효율을 다양한 가속 가스 유속에 대해 측정했으며, 그 결과를 도 4에 B 곡선으로 나타냈다. 이들 시험 결과로부터 알 수 있드시, 본 발명은 공지의 방법을 사용하는 것보다 현저히 높은 백분율로 분말을 표적에 효과적으로 전달시킬 수 있다.
비록 본 발명이 특정 바람직한 구체예를 참고로하여 기술되었으나, 당업자는 본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구체에가 있음을 인식할 것이다.
본 발명에 따르면, 응집성 가스 분사와 분말 주입이 인접하여 수행되므로써, 가스 및 분말 양자 모두를 효율적으로 전달할 수 있다.
도 1은 랜스 표면의 하나의 구체예를 도시하는 도면이며, 도 2는 본 발명을 실시할 때 사용될 수 있는 상기 랜스 표면을 갖는 랜스의 한 구체예를 도시하는 횡단면도이다.
도 3은 다양한 흐름 스트림 및 액체내로의 통과를 보여주는 작동중인 본 발명의 한 구체예를 도시하는 도면이다. 도면에 기재된 도면부호는 공통 요소들에 대해서는 동일하다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예로부터 얻은 시험 결과를 나타내는 그래프이다.

Claims (9)

  1. (A) 랜스의 표면상에 있는 가스 개구를 통해 랜스로부터 가스를 배출시켜 가스 스트림을 생성시키는 단계;
    (B) 상기 랜스의 표면상에 있으며 상기 가스 개구와 이격된 분말 혼합물 개구를 통해 상기 랜스로부터 분말과 운반체 가스의 혼합물을 배출시켜 분말 혼합물 스트림을 생성시키는 단계;
    (C) 상기 가스 스트림과 상기 분말 혼합물 스트림 모두의 주변에 불꽃 엔빌로우프 (envelope)를 형성시키는 단계; 및
    (D) 상기 가스 스트림 및 상기 분말 혼합물 스트림을 랜스 표면으로부터 액체로 통과시키는 단계를 포함하는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가스 스트림 및 상기 분말 혼합물 스트림이 상기 랜스 표면으로부터 액체에 이르기까지 별개의 스트림으로서 유지되는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 가스상 연료 및 상기 산화제를 분리된 환상 스트림으로서 랜스 표면으로부터 제공하고, 후속하여 상기 가스상 연료 및 산화제를 연소시킴으로써 상기 불꽃 엔빌로우프를 형성하는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 가스가 가스상 산소인,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 가스 스트림이 랜스 표면으로부터 액체에 이르기까지 초음속을 가지는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 분말이 탄소성 물질을 포함하는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 운반체 가스가 질소인,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하는 방법.
  8. (A) 랜스 표면을 갖는 랜스;
    (B) 가스 공급원과 연통하고, 또한 랜스 표면상의 가스 개구와 연통하는 랜스내의 가스 통로;
    (C) 분말 공급원 및 운반체 가스와 연통하고 랜스 표면상에 있는 분말 혼합물 개구와도 연통하며, 상기 가스 개구와 이격된 랜스내의 분말 혼합물 통로; 및
    (D) 가스 개구 및 분말 혼합물 개구 주위의 링에서 가스상 연료 및 산화제를 랜스로부터 제공하기 위한 수단을 포함하는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하기 위한 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 가스 통로가 수렴/발산 노즐을 포함하는,
    분말 및 가스 모두를 액체로 전달하기 위한 장치.
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