[发明专利]暂态加热喷燃器和方法

说明书

技术领域

本申请涉及用于加热炉的喷燃器和方法，并且具体而言，涉及工业熔化炉，以提供增强的热传递，同时改进加热的均匀性，以及减少在熔料池表面处的可能的过热和氧化状况。

背景技术

在传统的系统中，静态火焰提供的热量不被引导向熔料，从而限制从火焰到熔料的热传递。此外，如果传统的系统被修改成将静态火焰引导向熔料，则金属可出现不合需要的过热和氧化。如美国专利No.5,554,022中教导的那样，用以避免过热的方法是将低动量火焰引导向熔料，并且然后使高动量射流冲击在低动量火焰上，从而使火焰移动。但是，在这个方法中，仍然很可能出现金属氧化和浮动火焰，浮动火焰可与炉的耐火材料相互作用且使炉耐火材料过热。

发明内容

一种暂态加热喷燃器和方法在炉中提供增强的火焰覆盖范围和视角因数。喷燃器的构造在空间和时间上实现最佳热通量输送，使得可在炉中实现和维持均匀的温度分配。均匀热通量通过将热通量引导到适当的位置达某个时间量来实现，例如通过算法确定、基于炉几何结构或基于来自一个或多个传感器的实时反馈。喷燃器和方法选择性地实现更长且更有穿透性的火焰，其可冲击炉中的填料，以提供改进的熔化，同时将氧化性熔料损失减到减小。具体而言，多个高动量火焰以循环的方式被引导向熔料。避免了过热，并且较均匀地将能量分配在熔料池上。喷燃器还能够通过选择性地调节多个火焰来产生旋涡。具体而言，喷燃器具有多个单独的喷燃器元件，其各自自己的火焰处于消极(passive)或积极(active)状态，可以多种型式和频率调节喷燃器元件，以实现期望的热通量分布。

描述了暂态加热喷燃器的多种实施例。喷燃器包括：至少两个喷燃器元件，其各自具有构造成流出燃料的分配喷嘴，以及环形喷嘴，环形喷嘴包围分配喷嘴且构造成流出第一氧化剂；以及至少一个分级喷嘴，其构造成流出第二氧化剂。控制器编程成独立地控制通往各个分配喷嘴的燃料流量，以及将分级比率控制成小于或等于大约75%。控制器控制流量，使得至少一个分配喷嘴积极，而至少一个分配喷嘴消极，其中积极分配喷嘴中的燃料流量大于通往分配喷嘴的平均燃料流量，而消极分配喷嘴中的燃料流量小于通往分配喷嘴的平均燃料流量。分级比率为包含在第二氧化剂流量中的氧与包含在第一和第二氧化剂流量中的氧的总和的比率。

喷燃器元件可沿外接圆基本均匀地间隔开，并且分级喷嘴定位在外接圆内。在一方面，喷燃器包括三个喷燃器元件，其各自与相邻的喷燃器元件间隔开120°。在另一方面，喷燃器包括四个喷燃器元件，其各自与相邻的喷燃器元件间隔开90°。在另外的方面，喷燃器可包括五个或六个喷燃器元件，它们围绕外接圆均匀地间隔开。

在一方面，至少一个喷燃器元件相对于外接圆沿径向向外以角度α成角度。喷燃器元件都可以相同角度α成角度，或各个喷燃器元件n可沿径向向外以不同的角度α_n成角度。角度α优选小于或等于大约60°，并且更优选为大约10°至大约40°。

在另一方面，至少一个喷燃器元件相对于外接圆沿切向以角度β成角度。角度β优选小于或等于大约60°，并且更优选为大约10°至大约40°。

在喷燃器的另一个实施例中，喷燃器元件和分级喷嘴定位成大体共线，各个分级喷嘴大致等距地位于两个喷燃器元件之间。在一方面，喷燃器具有包括中心分级喷嘴的至少三个分级喷嘴，以及与分级喷嘴交替地定位的至少四个喷燃器元件。在另一方面，在中心分级喷嘴的两侧的喷燃器元件和分级喷嘴相对于中心分级喷嘴以角度γ成角度。

在喷燃器的另一个实施例中，喷燃器元件的分配喷嘴和环形喷嘴各自具有横截面，横截面具有短轴和为短轴的至少1.5倍长的长轴。至少两个分级喷嘴定位成大体共线且基本平行于长轴，并且邻近各个喷燃器元件。

在喷燃器的另一个实施例中，分级喷嘴具有横截面，横截面具有短轴和为短轴的至少1.5倍长的长轴，并且至少两个喷燃器元件定位成共线，以及邻近分级喷嘴且基本平行于长轴。在一方面，喷燃器元件相对于分级喷嘴的短轴以小于大约45°的角度?向外成角度。

控制器编程成将通往消极分配喷嘴的燃料流量控制成大于零且小于或等于积极分配喷嘴的流率的一半。在一个实施例中，控制器编程成将分级比率控制成小于或等于大约40%。

在另一个实施例中，离开积极分配喷嘴的燃料具有积极射流速度，而离开分级喷嘴的氧化剂具有分级射流速度，并且控制器编程成将分级射流速度与积极射流速度的比率控制成至少大约0.05和小于1。优选地，分级射流速度与积极射流速度的比率被控制成大约0.1至大约0.4。