形成单一连贯喷气流的装置 本发明总的涉及气体的流动。本发明能够使来自单一喷枪的一股以上的气流流动会聚在一起组成一股单一的连贯性喷气流。
常常需要形成一股气流，例如，一股可喷入一种液体中以达到一个或多个目的的气流。可将一种活性气体喷入一种液体中与该液体中的一个或多个组分起反应，例如，将氧喷入熔融铁液内与其中的碳起反应而使铁脱碳，并放出热量使熔融铁液升温。也可将氧喷入其他的熔融金属(例如铜、铅和锌)内使之熔化或精炼，或者将氧喷入含水的液体或碳氢化含物液体内以进行氧化反应。可将非氧化性气体例如惰性气体喷入一种液体内进行搅动，以使整个液体中温度分布更均匀且组元分布更均匀。
在作业过程中常常需要使用一股以上的气体，例如可将一股氧化剂流(例如氧流)和一股燃料流(例如天然气流)供入反应区内或供入一种液体中，使氧化剂与燃料烧而产生热。虽然氧化剂和燃料可从供气装置按一股单一的混合气流供入，但是，从安全方面来说，上述方法通常不是最佳的选择。
多股气流可以会聚并相互作用。具体地说，在多股气流组成一股可燃性混合物的情况(例如在上面所述的情况)下，最好是上述的多股气流从供气装置起通过一段很长的距离。另外，在来自多股气流地各种气体在一种液体(例如熔融金属或含水的溶液)内相互作用的情况下，最好是这些气体深深地穿入液体内以增强它们相互作用的效果。
因此，本发明的目的是提供一种可使来自多股气流的气体从提供该多股气流的装置起通过一段长的距离的装置。
本发明的另一个目的是提供一种可使来自多股气流的气体在从提供该多股气流的装置起通过一段长的距离后有效地进入一种液体内的装置。
按照本发明可以达到上述的和其他的目的熟悉本技术的人们在阅读本发明书后将会明白这些目的，本发明的一个方面是：
由多股气流组成一股单一连贯喷气流的方法，该方法包含如下步骤：
(A)制备一种具有一轴线并具有一个带有多个喷嘴的端部的喷枪，每个上述喷嘴具有一个供喷出气体之用的出口；
(B)从每个喷嘴出口喷出一股气流，形成多初始连贯喷气流，每股初始连贯喷气流从一个与喷枪轴线成一向内角度的喷嘴出口流出；
(C)从喷枪端部喷出至少一股燃料和氧化剂流，该燃料和氧化剂燃烧而成为一个包围上述多股初始连贯喷气流的火焰包围层；
(D)使多股初始连贯喷气流一起喷出，并由它们组成一股单一连贯喷气流；和
(E)自上述多股初始连贯喷气流周围延伸该火焰包围层从包围上述单一连贯喷气流。
本发明的另一个方面是：
一种产生由股气流组成的单一连贯喷气流的装置，该装置是一种具有一轴线和一个带有多个喷嘴的端部的喷枪，每个上述的喷嘴的轴线与喷枪的轴线成一向内角度，它还具有一个用于从上述多个喷嘴外围的喷枪喷出燃料和氧化剂中至少一种的装置。
本文所用的术语“环形”意指一圆环形。
本文所用的术语“火焰包围层”的意指是指燃烧着的气流同心地包围至少一个另外的气流。
本文所用的术语“连贯喷气流”的意思是指其直径基本上保持不变的气流。
本发明用的术语“长度”在涉及喷气流时意指从形成喷气流之处至喷气流的预定冲击点的距离。
图1是可用于实施本发明的喷枪的端部或者说尖部的一个最佳实施例的剖视图；
图2是图1所示喷枪端部正在工作时的剖视图；
图3是按图1所示的具有4个环形排到的喷嘴的喷枪端部的正视图；
图4是按图1所示的具有两个喷嘴的喷枪端部的正视图；
图5和6是应用本发明获得的试验结果的曲线图。
在上述各图中相同的标号代表相同的零件。
下面参看附图详细说明本发明。喷枪1具有一个容纳多个喷嘴3的端部或者说尖部2。图1和2示出本发明的最佳实施例，其中的喷嘴3分别是会聚/发散式喷嘴。每个喷嘴3具有一个入口4和一个出口5。如图1和2所示，喷嘴出口5最好与喷枪端面7齐平。喷嘴口最好是圆形的，但是其他的形状例如椭圆形也可以用。入口4分别与一个气源相连通，在图1所示的实施例中，每个入口4与不同的气源相连通。例如，其中一个入口与氧化剂源连通，而另一个入口与燃料源连通。也可以是一个或多个入口4与同一气源连通。可用于实施本发明从喷嘴喷出的气体包括：空气、氧、富氧的空气、氮、氩、二氧化碳、氢、氦、气态的碳氢化合物、其他的气态燃料以及含有上述的一种或多种气体的混合物。
如图1和2所示，喷嘴在喷枪端部的取向是它们的轴线或者说中心线相对于喷枪轴线或者说中心线呈一个向内的角度A。该角度可大至4.5°或更大，较好的是0.5°～5°，最好是0.5°～2°。喷嘴候部的直径为0.2～2.0英寸，出口5的直径为0.3～3.0英寸。
气体最好以超音速的速度从每个喷嘴出口5喷出(该速度通常为500～10000英尺/秒(fps))形成多股喷气流20。
喷枪端部还具有至少一个喷射装置(最好是环形的喷射装置)用于从喷嘴至少喷出一股气流，该气流最好同心地包围多股喷气流20。从上述喷射装置喷出的气流或多股气流可以是任何有效的形状。当使用一个环形的喷射装置时，同心的气流最好是燃料与氧化剂的混合物。在本发明的一个实施例中，喷射装置可只提供燃料，燃料燃烧形成火焰包围层所需的氧化剂可以来自燃料流中所夹带的空气。如图1和2所示，喷枪端部最好具有一个第一环形喷射装置8和一个第二环形喷射装置9以便按两股同心气流的形式从喷枪分别喷出燃料和氧化剂。喷枪端部的圆周上最好还具有一个伸长段30。上述的燃料可以是任何流体燃料例如：甲烷、丙烷、丁烯、天然气、氢、炼焦炉气、或油。上述的氧化剂可以是一种氧浓度高于空气中含氧量的流体。氧化剂最好是氧浓度至少为30摩尔％(最好至少为50摩尔％)的流体。如果从至少一个喷嘴喷出的是氧气。那么最好通过第一环形喷射装置8提供燃料，并通过第二环形喷射装置9提供氧化剂。如果从喷嘴喷出的是惰性气体，那么最好通过第一环形喷射装置8提供氧化剂，并通过第二环形喷射装置9供给燃料。虽然一个或两个环形喷射装置可在喷枪端面7上形成一个喷出燃料或氧化剂连续的环形通道，但是，最好是如图3和4所示，在第一和第二环形喷射装置上都形成一系列的不连续的孔例如环形分布的孔并由它们喷出两股同心的燃料流和氧化剂流。该喷射装置不必提供完整地包围喷气流的燃料和氧化剂流。
在喷枪端面7上的第一环形喷射装置8形成一个包围多个喷嘴出口5的圈31，在喷枪端面7上的第二环形喷气装置9形成一个包围第一环形喷气装置8的圈32。从第一和第二环形喷射装置喷出的燃料和氧化剂燃烧后形成一个包围多股喷气流20的火焰包围层21，上述多股喷气流20随后会聚成单一的连贯性喷气流35。该喷气流35的流速最好是超音速的，而且最好在其全长都保持超音速。如果喷入燃料和氧化剂的环境的温度不足以自动引燃上述的混合物，那么就需要一种独立的点火装置来引燃。火焰圈21最好按小于喷气流20的流速移动，其速度一般为300～1000英尺/秒。
采用类似于上述各图所示的实施例进行实验以证实本发明的效果。对于4个喷嘴的实施例。每个喷嘴的中心线相对于喷枪轴线的向内偏角1.5°，在喷枪端面上各喷嘴中心线之间的距离为1.5英寸。图5示出用图3所示的4个喷嘴的实施例所得到的试验结果，而图6示出用图4所示的两个喷嘴的实施例的试验结果。对于两个喷嘴的实施例，每个喷嘴的中心线相对于喷枪轴线的向内偏角为2°，而在喷枪端面上两喷嘴中心线间的距离为0.75英寸。每个喷嘴都是会聚/发散式喷嘴，其喉部直径为0.27英寸，出口直径为0.39英寸。在喷嘴上游供气压力为150磅/(英寸)2表压以及流量为10000(英尺)3/小时的情况下通过每个喷嘴喷出氧气形成两股或4股流速为超音速即1700英尺/秒左右的连贯性喷气流，从包围喷枪端面上的喷嘴的两圈孔流出的天然气和氧燃烧产生一个火焰包围层。天然气通过内圈的孔流出(共16个孔，每个孔的直径为0.154英寸，4个喷嘴的实施例的内圆圈直径为2.5英寸，两个喷嘴的实施例的内圆圈直径为2英寸)，流量为5000英尺3/小时，氧通过外圈的孔流出(共16个孔，每个孔的直径为1.999英寸，4个喷嘴的实施例的外圆圈直径为3.0英寸，两个喷嘴实施例的外圆圈直径为2.75英寸)，流量为4000英尺3/小时。流量的单位为标准大气压(NTP)下每小时立方英尺(CFH)。
图5示出图3所示实施例中从喷枪端面起至21.25和36英寸处的流速分布图，图6则示出图4所示实施例中以喷枪端面起至27英寸处的流速分布图。这些分布图是对垂直于喷枪端面并通过其轴线上的平面(如图3和4中以AA表示的平面)和垂直于喷枪端面和AA平面的平面(在图4中以BB表示的平面)取得的。随着初始的连贯性喷气流的相互作用，形成一股单一连贯喷气流，图5示出4个喷嘴的实施例中从喷枪端面起至21.25英寸处的各股连贯性喷气流，和一股从喷枪端面起至36英寸处的单一连贯喷气流。对于两个喷嘴的实施例，在从喷枪端面起27英寸处(图6)，单一的喷气流的横截面基本上是圆形的，由两股会聚的喷气流组成的单一喷气流是在喷枪端面起27英寸处会聚的，在喷气流心部的流速是超音速的。
本发明可用于例如供给高效地加热熔池的氧和天燃气。一股或多股初始喷气流可以是天然气，而其他的一股或多股初始喷气流可以是氧。这些喷气流合并组成含有氧和天燃气的单一喷气流。该单一喷气流直接喷向熔融金属池。由于上述喷气流在合并前和合并后都是连贯性的，所以在单一连贯喷气流穿入金属熔池之前初始喷气流中的各种气体的混合和燃烧是极少的，而在金属熔池处，天然气与氧混合并燃烧，这是加热金属熔池十分有效的方法。燃烧的热在十分靠近金属熔池处释放，所以由燃烧传至金属的热是十分有效的。
本发明还可用于例如将粉末有效地加入金属熔池内，在此情况下，粉末是和作为所形成的单一连贯喷气流之一部分沿喷枪的轴线喷出而进入金属熔池内的。
虽然在上面根据一些优选实施例详细说明了本发明，但是，熟悉本技术的人们会明白，在权利要求规定的精神的范围内还可有其他的实施例。