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Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Oberflächenschichten von Metallkörpern.
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geschält wurde. Fig. 11 ist eine Draufsicht auf einen Knüppel, welcher gemäss der Erfindung geschält wird und zeigt die Umrisse einer typischen Reaktionszone, welche bei der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung auftritt.
Zur Entfernung von Oberflächenmetall von Metallkörpern, insbesondere in Stahlwerken, z. B. von Ingots, Vorblöcken, Knüppeln usw. zwecks Beseitigung von Spannungsrissen, Rissen, Spalten und andern Fehlern in der Oberfläche hat man einen verhältnismässig starken Strom eines oxydierenden Gases mit geringer Geschwindigkeit im stumpfen Winkel auf die Oberfläche gerichtet und den Strahl dabei in Richtung seiner eigenen Fortbewegung weiterbewegt, Hiebei werden im allgemeinen Düsen mit zylindrischer Bohrung angewendet und mehrere Düsen dicht nebeneinander angeordnet und gemeinsam geführt, wenn breitere Schichten geschält werden sollen. Die Verwendung von im Abstand voneinander angeordneten einzelnen Düsen bedingte eine Entfernung des Oberflächenmetalls mit ungleichförmiger Tiefe, so dass eine mit parallelen Rillen versehene Oberfläche erhalten wurde.
Obwohl eine derartige Unebenheit der Oberfläche, z. B. in Form nebeneinanderliegender Wellen, bei der Wärmeaufnahme im Widererwärmungsprozess vorteilhaft ist, gibt es eine-Reihe von Verfahrensschritten, bei denen ein Knüppel mit praktisch fehlerloser ebener Oberfläche vorzuziehen ist. Ferner wird bei einer Schälung gleichmässiger Tiefe an Material gespart.
Düsen, welche so dicht angeordnet sind, dass die Gasströme sieh überschneiden, erfüllen nur teilweise diese Anforderungen und es treten trotzdem Rillen und Kanten auf. In manchen Fällen ist schon vorgeschlagen worden, die Sauerstoffdüsen zu verbreitern, jedoch arbeiteten derartige Düsen bisher nicht zufriedenstellend, um einen gleichmässigen Druck und eine gleichmässige Gesehwindigkeitsverteilung an allen Punkten des Austrittsquerschnittes sicherzustellen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile besitzt die Düse eine breite, aber dünne Öffnung, welche so angeordnet ist, dass die Breitenerstreckung -praktisch parallel ist zu der zu schälenden Oberfläche, so dass durch das Oxydationsgas eine gleichmässig breite, ebene, einheitliche Schlackenzone auf der zu schälenden Oberfläche erzeugt wird. Um die Schalung über die ganze Breite der Reaktionszone gleichförmig zu gestalten, muss die Massengesehwindigkeit des Schälgases konstant gehalten werden.
Dies erfordert, dass ein praktisch gleichförmiger Druck im Oxydationsgas an allen Stellen der Düsenmündung aufrechterhalten wird. Diese Druckverteilung wird mittels geeigneter Gasverteilungsvorrichtungen und der Düsenkonstruktion in Verbindung mit geeignet geformten Düsenkanälen erreicht. Diese Verteilungsorgane sind so ausgebildet, dass eine gleichmässige Druckhöhe an allen Punkten des Einlasses des Düsendurchganges herrscht. Als Folge hievon tritt das Oxydationsgas als ein ununterbrochener, glatter, bandartiger Strom aus, welcher praktisch gleiche Massengeschwindigkeit an allen Querschnitten der Bahn aufweist.
Der Ausdruck Massengeschwindigkeit"wird hier verwendet, um die Masse des Oxydationsgases zu kennzeichnen, welche an einer beliebigen Stelle der Düse pro Zeiteinheit und pro Einheit des
Querschnittes austritt, hat aber nicht die Dimension einer Bewegungsgrösse im gewöhnlichen mechanischen Sinn.
Die Vorheizflammen sind zweckmässig mit dem bandartigen Oxydationsgasstrom derart vereinigt, dass eine schnelle und ausreichende Erwärmung des Metalls an den Stellen, an denen der Sauerstoff auftrifft, bewirkt wird. Die Heizflammen sind so geformt und angeordnet, dass sie sich nicht mit den Sauerstoffströmen überschneiden.
In den Figuren, insbesondere in Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens dargestellt. B stellt einen oder mehrere Knüppel dar, welche auf geeigneten Trägern 10 gelagert sind. Die thermochemische Entfernung von Oberflächenmetall wird durch die bei R allgemein dargestellten Mittel durchgeführt, welche aus einer Vereinigung von Oxydationsgas-und Heizgasdüsen bestehen und welche durch einen herunterhängenden Balken 11 gehalten werden, der an dem Balken 12 befestigt ist, welcher selbst wieder an dem Fahrgestell 13 auf dem fahrbaren Rahmen F befestigt ist. Der Rahmen F wird beispielsweise von den Rädern 14 getragen und kann auf den neben den Trägern 10 liegenden Schienen 15 verfahren werden.
Die Brenner R bestehen, wie Fig. 2 zeigt, aus den zentral angeordneten Oxydationsgasdüsen 20, welche mit einer Gasverteilungsvorrichtung in Form der Kammer 21 in Verbindung steht, welche die Zufuhr von Gas geeigneten Druckes sicherstellt. Die Düse 20 ist (Fig. 3 und 4) verhältnismässig breit und flach ausgebildet und besitzt einen verhältnismässig breiten, jedoch in senkrechter Richtung engen inneren Kanal 23 von rechteckigem Querschnitt, durch welchen das Oxydationsgas von der Verteilungskammer 21 zur Mündung 24 strömt. Die Konstruktion der Düse kann beliebig sein. So z. B. kann man ein Paar im Abstand voneinander angeordneten Platten 20 a und 20 b genügender Dicke aus geeignetem Material, wie Kupfer oder Messing, verwenden. Der Abstand der Platten ist durch Abstandsglieder 25 und 25'an ihren Enden bestimmt, welche z.
B. durch Schrauben 26 befestigt sind. Die Abstandsglieder 25 und 25'sind in der Weise ausgebildet, dass sie einen rechteckigen sich keilförmig verjüngenden Kanal bilden, welcher mitwirkt, um die gewünschte gleichmässige Austrittsgeschwindigkeit des Gases zu erreichen. Diese Anordnung wird vorzugsweise so gewählt, dass der engste Querschnitt nahe bei, jedoch nicht genau am Einlass vorhanden ist, wodurch eine verengte Öffnung dicht hinter dem Einlass ausgebildet wird, von der aus der Kanal sieh gleichmässig gegen die
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Mündung erweitert. Die durch die keilförmige Form bedingte Expansion des Oxydationsgases dient dazu, die relativ hohen Gasgeschwindigkeiten auszugleichen, welche im allgemeinen an den Rändern eines parallelen Kanals auftreten, während die Geschwindigkeiten gegen die Mitte verhältnismässig gering sind.
Eine solche mit parallelen Kanalwänden verbundene Geschwindigkeitsverteilung neigt dazu, vertiefte Schnitte anstatt der gewünschten ebenen Schalung zu erzeugen. Mit einer geeigneten Erweiterung sowohl in der Ebene der grössten Erstreckung wie in der Ebene senkrecht hiezu werden die relativ geringen Geschwindigkeiten im inneren Teil vergrössert und verhältnismässig gleichmässige Geschwindigkeitswerte über den ganzen Querschnitt der rechteckigen Düsenmündung erreicht. Zu diesem Zweck werden beispielsweise die inneren Kanten der Glieder 25 und 25'in der Ebene der grössten Erstreckung mit einem Winkel von 2-5 gegen die Mittellinie geneigt (vgl. Fig. 4), während sie senkrecht hiezu um einen Winkel von zirka 0-5 zur Mittellinie geneigt sind.
Die Platten 20 a und 20 b werden am Einlass, bei 27 zweckmässig aufgebogen, um die Düse mittels Flanschen an der Verteilungskammer 21 befestigen zu können. An den unteren Enden der Platten 20 a und 20 b werden vorzugsweise Absätze 28 vorgesehen, welche die Anbringung der Heizdüsen in richtigem Abstand von der Mündung 24 erleichtern.
Die Verteilungskammer 21 kann jede beliebige Form besitzen, welche das Oxydationsgas zu dem rechteckigen Kanal in der Düse mit einheitlichem Druck längs des Kanaleinlasses liefert. Sie besteht vorzugsweise aus einer zylindrischen Kammer, welche verhältnismässig gross ist und mit dem rechteckigen Kanal ohne nennenswerten Widerstand verbunden wird. Die gewünschte Druckerteilung in der Kammer wird durch die Gaszufuhr 29 und 29'unterstützt, welche von einem Doppelkrümmer 29"zu den beiden Enden der Kammer führt.
Die Vorrichtungen zur Vorwärmung bestehen aus Düsen für Heizflammen, welche an beiden Seiten der Oxydationsgasdüsen angeordnet sind. Jede Heizdüse ist zweckmässig starr an einer Fläche 28 der Sauerstoffdüse, d. h. oberhalb und unterhalb der Düsenöffnung 24 (Fig. 2 und 3) befestigt. Die Heizvorrichtungen zu beiden Seiten der Hauptdüse können gleicher Art sein. Da sie jedoch ver- schiedene Wirkungen ausüben, ist es vorteilhaft, sie verschieden zu gestalten. Eine geeignete Form für die obere Heizvorriehtung ist in Fig. 5 gezeigt, während Fig. 6 eine geeignete Form der unteren Heizvorrichtung darstellt.
Die obere Vorwärmeeinrichtung besteht nach Fig. 5 aus einem durchbohrten Block 30, welcher das eine Ende eines keilförmigen Gehäuses 31 bildet, das auf der andern Seite durch einen andern Block 32 abgeschlossen ist. Letzterer hat eine mittlere Gaszufuhr-und Verteilungsbohrung 33, welche ein Gewinde besitzt, in welches die Zuleitung 34 von einer Gasmischkammer 35 eingeschraubt werden kann, in der das Heizgas, z. B. eine Mischung von Sauerstoff und Azetylen, hergestellt wird. Die Bohrung 33 ist am andern Ende durch eine Trennungswand geschlossen, welche in der Mitte eine konische Erhöhung 36 als Verteilungsvorriehtung besitzt, welche von einer Reihe kleiner, in dem Ringraum um den Konus herum durch die Trennwand gebohrter Öffnungen 37 umgeben ist.
Eine Reihe enger Rohre 38 führen von jeder Öffnung 37 durch das Gehäuse 31 zu einem der Düsenlöcher 39, welche geneigt und in gleichem Abstand voneinander längs des Blockes 30 angeordnet sind. Der äussere Teil der Bohrungen 39 ist bei 39'vorzugsweise verengt. Die Neigung der Bohrungen ist so gewählt, dass die Heizflammen sich in der Nähe des Oxydationsgasstromes befinden, welcher aus der rechteckigen Mündung 24 austritt, so dass sie in gewissem Masse Wärme an diesen Oxydationsgasstrom abgeben.
Die Vorwärmevorrichtung an der unteren Seite des Oxydationsgasstromes unterscheidet sich von der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung nach Fig. 6 in der Ausbildung des Mundstückes. In diesem Falle ist das mit Bohrungen versehene Mundstück 40 mit dem Gehäuse 41 verbunden, dessen oberes Ende durch einen Block 42 mit Bohrungen 43 versehen, verschlossen ist, in welche die Gaszuführungen 44 von der Mischkammer 45 her münden (Fig. 2). Die Bohrung 43 weist einen an der unteren Trennungswand befestigten Verteilungskegel 46 auf. Die Trennwand ist durchbohrt und besitzt Öffnungen 47, welche mittels der Rohre 48 mit den Gasdurchlässen 49 im Mundstück 40 verbunden sind.
Die Bohrungen 49 haben im vorliegenden Fall keinen verengten Teil, wie in Fig. 5, sondern stehen mit Kammer 49"in Verbindung, welche so geformt ist, dass eine Mehrzahl benachbarter bandartiger Heizflammen von einer Reihe schlitzartiger Mündungen 49 a, welche auf einer Linie längs der Vorderseite des Blockes angeordnet sind, austreten können. Um die geeignete Ausbildung der Kammer 49 im Block 40 zu erreichen, besteht er vorzugsweise aus zwei Teilen, die nach geeigneter Bearbeitung durch Schrauben 40 s verbunden werden. Die Gehäuse 31 und 41 besitzen, wie in Fig. 5 und 6 zeigen, zueinander passende aufgesetzte Flächen, so dass sie mit den verengten Teilen 28 der Sauerstoff düse zusammengefügt werden können.
Nachdem sie in die richtige Lage gebracht wurden, werden sie mittels der Klammer 50 gehalten, welche auf das Vorderende der Düsen passt und deren Unterseite 51 als Gleitschuh wirkt, wodurch bei der Bearbeitung der richtige Abstand der Düsen vom Werkstück sichergestellt wird.
Die Festigkeit der Konstruktion wird durch die Stützglieder 52, welche um die Klammern 35 und 45 herumgreifen, verbessert. Die Schäleinrichtung ist an dem Tragbock 11 so befestigt, dass die Düsenmündung 24 praktisch parallel zu der zu bearbeitenden Fläche liegt. Die Düse ist derart geneigt,
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dass der Sauerstoffstrahl auf die Oberfläche des Knüppels B mit einem stumpfen Winkel gegen die Tangente der Blockoberfläche in Richtung des Strahles auftrifft. Die Zahlenwerte liegen vorzugsweise z, vischen 135 und 1600.
Da die Mündungen der Vorwärmeeinrichtungen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ist es zweckmässig, sie beim Betrieb zu kühlen. Zu diesem Zweck wird ein Kühlmittel, z. B. Wasser, durch den freien Raum in den Gehäusen 31 und 41 um die Rohre 37 und 47 geleitet. Der Block 32 besitzt, wie Fig. 7 zeigt, ein Einlassmundstück 53 mit einer biegsamen Verbindung 54, um das Kühlmittel zuzuführen, welches dann durch den geformten Auslass 55 abgeleitet wird. Am Block 42 sind entsprechende Nippel 56 und 58 vorgesehen. Die Gaszuleitungen zu den Anschlüssen 29 und 29' bestehen, ebenso wie die Kühlmittelleitungen, vorzugsweise aus biegsamen Rohren, welche in der Nähe des Tragbalkens 11 durch bewegliche Träger befestigt sind.
Das oxydierende Gas, welches bei 29 und 29'zugeführt wird, kann reiner Sauerstoff oder eine Mischung von Sauerstoff mit einem neutralen Gas, z. B. mit Stickstoff oder Luft, sein ; der Druck beträgt beispielsweise zirka 3-5 at am Reduzierventil. Der Druck wird so eingestellt, dass das Oxydationsgas mit der richtigen Geschwindigkeit austritt. Gemäss der britischen Patentschrift Nr. 388639 soll bei derartigen. Schälverfahren bei Verwendung zylindrischer Düsen eine geringe Sauerstoffgeschwindigkeit angewendet werden, deren Wert zwischen 60 und 300 m/see liegt.
Die gleichen Geschwindigkeitsgrenzen gelten im wesentlichen für die Düsen gemäss der Erfindung, wobei es unter Umständen mit Rücksicht auf die besonderen Kanalformen zweckmässig sein kann, die obere Grenze etwas zu überschreiten.
Die Vorwärmevorrichtungen nach Fig. 2,3, 5 und 6 liefern verschiedene Art von Heizflammen oberhalb und unterhalb des bandartigen Sauerstoffstromes der Düsen 24. Bei der dargestellten Einrichtung liefert die Mündung 39'eine Mehrzahl kleiner Heizflammen, welche eine verhältnismässig starke Wärmewirkung auf das Metall unmittelbar vor dem Sauerstoffstrahl ausüben. Die bandartigen Heizflammen an der unteren Seite des Sauerstoffstrahles bewirken eine Heizung der Schlacke ohne Strommarken auf der Knüppaloberfläche zu hinterlassen. Auf diese Weise wird eine Schälung mit praktisch ebener, breiter und glatter Oberfläche erreicht.
Das Verfahren wird folgendermassen durchgeführt : Der Block wird mittels der Heizflamme bis auf Zündtemperatur vorgewärmt und dann der Sauerstoffstrahl angestellt. Wenn die Schälung richtig begonnen worden ist, kann die Relativbewegung von Sauerstoff strahl und Block mit praktisch gleichförmiger Geschwindigkeit über die ganze Länge des Blockes erfolgen, wenn Fortbewegunggeschwindigkeit, Gasgeschwindigkeit, Gasmenge und Winkel zwischen Gasstrom und Oberfläche so eingestellt sind, dass die Schlacke, welche sich vor der Reaktionszone bildet, praktisch beständig bleibt.
Die Schlacke, welche sich bei der neuen Arbeitsweise bildet, unterscheidet sich von der bisher erhaltenen.
Eine derartige Schlacke ist in Fig. 11 bei P dargestellt, in der die Oberfläche des Blockes B zusammen mit einem Teil der Vorrichtung R abgebildet ist, welche sich praktisch über die ganze Breite des Knüppels erstreckt. Der bandartige Sauerstoffstrom ist bei bei S angedeutet, die Reaktionszone durch die unterbrochene Linie in dem Gebiet, in dem der Sauerstoffströl auftrifft. Die Hauptmenge der Schlacke wandert vor dieser Zone her und ist durch das mittels der unregelmässigen, ausgezogenen Linie begrenzte Gebiet gekennzeichnet. Die Schlacke erstreckt sich also über die ganze Breite des Knüppels und ist doppelt so breit als lang. Dieses Merkmal ist kennzeichnend für die Schalung mit breiten Düsen und
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des zu entfernenden Metalls bei.
Bei der in den Fig. 2-4 dargestellten Anordnung beträgt der Querschnitt der Düsenmündung 24 einige Millimeter, während die Breitenausdehnung gewöhnlich mehr als 7-8 cm beträgt. So wurde beispielsweise in praktischen Versuchen gefunden, dass eine Mündung von 2-4 mm in der Querrichtung und 15 cm in der Breite geeignet ist, um eine ganze Seite eines Standard 6 Zoll-Knüppels in einem Gang mit gleichmässiger Tiefe von etwa 1. 6 mm zu schälen. Das Verfahren ist nicht auf die Sel älung horizontaler Flächen beschränkt, es können in gleicher Weise alle andern Flächen eines Blockes bearbeitet werden. Ebenso kann in der Düsenkonstruktion, z. B. in der Weise abgewichen werden, dass die Düse einen Teil eines Bogens darstellt.
Das neue Verfahren lässt sich sowohl zur Schalung kalter wie heisser
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Die Oberfläche eines nach dem neuen Verfahren geschälten Werkstückes unterscheidet sich von den bisher durch thermochemisehe Bearbeitung erhaltenen Oberflächen durch die gleichmässige Verteilung des Kohlenstoffgehaltes und die hohe Dukiilität neben der vollkommen ebenen Beschaffenheit. Diese Unterschiede sollen nachstehend an Hand der Mikrophotographien, Fig. 8-10, näher erläutert werden.
Fig. 8 zeigt eine Mikrophotographie von einer Stelle eines Knüppels, der in der bisher üblichen Weise mit einer Mehrzahl von Sauerstoffströmen geschält wurde. Die Stelle befand sich ungefähr 1-5 mm unterhalb der Oberfläche einer Kante zwischen zwei Rillen. Die hellen Stellen a kennzeichnen eine hauptsächlich aus Martensit bestehende Zusammensetzung, welche eine kleine Menge Troostit einschliesst, der durch die dunklen Stellen b angezeigt wird. Die Anwesenheit dieser Bestandteile und
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die weitgehende Abwesenheit von Ferrit zeigen eine Erhöhung des Kohlei ; stoffgehaltts in diesem Gebiet und damit eine Vergrösserung der Härte des Knüppels nach der Oberfläche zu. Diese Struktur bedingt eine hohe Sprödigkeit.
Die dunklere Zone c unmittelbar unter der oberen Zone weist auf Sorbitbildung hin. An einer Stelle etwa 0-5 mm unterhalb der Oberfläche oder Kante des Schnittes zeigt sich bei e Ferrit, welcher als weisse Fläche gezeichnet ist. Er tritt in der Zone d auf und seine Menge wächst nach unten zu gegen das Gebiet des unbeeinflussten Metalls. Der Ferrit ist von einigen dunklen Sorbitstellen umgeben. Wenn das Metall in diesem Gebiet langsamer abgekühlt worden wäre, so würden diese Stellen aus Perlit bestehen.
In Fig. 9 ist eine andere Mikrophotographie dargestellt, welche die Struktur des gleichen Knüppels in dem flachen Gebiet zwischen zwei Kanten zeigt. Sie sieht dem Bild von Fig. 8 mit der Ausnahme ähnlich, dass die äussere Zone t Pseudomartensit enthält an Stelle von Troostitmartensit. In der Nähe der Oberfläche ist kein Ferrit enthalten. Andere Versuche zeigen, dass dies mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt verbunden ist.
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Es zeigt sich, dass die Oberflächenschicht keiner oder einer nur geringen Aufkohlung unterworfen wurde. Eine merkliche Menge Ferrit g ist in der obersten Zone zusammen mit Pseudomartensit und Sorbit vorhanden. Der dunklere Hintergrund darf nicht mit Pseudomartensit verwechelt werden.
Die Tiefe der durch die Erwärmung beeinflussten Zone beträgt in diesem Falle etwa 1 mm. Unterhalb der obersten Zone enthält das Gebiet h Ferrit und Sorbit, die dunkleren Stellen i sind Sorbit. Das bedeutet, dass die Temperatur, welche in dem Gebiet entsprechend der Zone h erreicht wurde, genügend hoch und andauernd war, dass Austenit gebildet wurde und in dem Gebiet j und $, 0-15 mm tiefer, in Sorbit zerfiel. Das Metall wurde also entweder nicht bis zur Umwandlungstemperatur erwärmt oder die Erwärmung war zu kurz, um eine Ansammlung von Kohlenstoff im Austenit zu ermöglichen. Auf diese Weise wird eine Struktur von Perlit in Ferrit erhalten, welche die gewöhnliche und praktisch unveränderte Struktur von Stahl darstellt.
Ein Vergleich der Fig. 10 mit Fig. 8 und 9 zeigt, dass die Perlitgebiete gröber sind und sich mit dem Ferrit näher zur Oberfläche erstrecken. Parallel hiemit ist die Duktilität der Struktur von Fig. 10 grösser als diejenige nach Fig. 8 und 9. Darüber hinaus ist die in Fig. 10 dargestellte Oberflächenstruktur für die gesamte Oberfläche, die nach dem neuen Verfahren erhalten wurde, kennzeichnend, während die Oberfläche, welche man durch mehrere Sauerstoffströme erhielt, bemerkenswerte Schwankungen zwischen den Kanten und dem Grund der einzelnen Rillen aufweist. Dies wurde durch Härteprüfung mittels des Monotronhärteprüfers bestätigt, welche eine Härte von 100-425 an den Kanten und 270 auf dem Grunde der Rillen ergab.
Die Härte eines nach dem neuen Verfahren geschälten Blockes war an allen Stellen gleichmässig und im Mittel 185 Brinell Härtegrade. Dieses Ergebnis wurde erhalten, obwohl das Innere des letzteren Blockes eine ursprüngliche Härte von 112 im Verhältnis zu 107 des ersten Blockes zeigte.
Bei der Wiedererwärmung von Blöcken, die nach der neuen und alten Methode geschält worden waren, zeigte sich, dass die Oberfläche der mit einer Mehrzahl von Sauerstoffstrahlen geschälten Blöcke stärker oxydiert wurde. Insbesondere trat Oxydation an den Kanten zwischen zwei Rillen ein.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Entfernen von Oberflächenschichten von Metallkörpern mittels über die Oberfläche geführten, in stumpfem Winkel auf sie auftreffenden Sauerstoffstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Düse von etwa viereckigem Querschnitt ein dünner bandartiger Oxydationsgasstrom gegen die Oberfläche des Werkstückes gerichtet wird, dessen Druck längs der Düsenmündung praktisch konstant ist.