DE102017003388A1

DE102017003388A1 - Verfahren zum Flammrichten und Brenneranordnung hierfür

Info

Publication number: DE102017003388A1
Application number: DE102017003388.9A
Authority: DE
Inventors: Ernst Miklos; Ronald Steusloff
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US20180292086A1; PL3385618T3; EP3385618A1; EP3385618B1; US10955133B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flammrichten, wobei Acetylen mit Sauerstoff unter Ausbildung einer Flamme (25) mittels eines Brenners (20) verbrannt und die Flamme (25) auf ein Werkstück (10) gerichtet wird, um dieses zu erwärmen, wobei zwischen dem Brenner (20) und dem nichtschmelzenden Werkstück (10), soweit dieses elektrisch leitet, oder einer werkstückseitig angeordneten nichtschmelzenden Elektrode (24) ein elektrisches Feld angelegt wird, um eine NOx-Emission zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flammrichten sowie eine Brenneranordnung zum Flammrichten und schließlich eine Verwendung einer solchen Brenneranordnung.
Stand der Technik
Das Flammrichten („flame straightening“) ist ein gezieltes Flammwärmen (englisch „direct flame impingement heating“) meist von Metallkonstruktionen, bei dem engbegrenzte Bauteilbereiche auf eine Flammrichttemperatur erwärmt werden. Wenn Bauteile beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden werden, entstehen durch die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse Spannungen, die zum Verzug des Werkstücks führen können. Beim Flammrichten wird das Werkstück gezielt örtlich bis in den plastischen Bereich erwärmt. Schweißtechnischer Verzug, Verwerfungen, Verbiegungen oder Verdrehungen lassen sich mit der Flamme schnell und werkstoffschonend richten. Bei der Erwärmung ist nicht nur die Höhe der Flammrichttemperatur zu beachten, sondern auch die Flammeneinstellung, um den werkstoffspezifischen Eigenschaften gerecht zu werden. Es wird insbesondere eine hartbrennende Acetylen-Sauerstoff-Flamme eingesetzt, die je nach Werkstoff neutral, sauerstoff- oder acetylenüberschüssig eingestellt wird.
Acetylen-Sauerstoff-Flammen bewirken hohe Flammentemperaturen und hohe Flammen-Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Hierdurch lässt sich eine hohe Produktivität bei Anwendungen, wie das Vor- und Nachwärmen beim Schweißen, das Heißverformen, das Beschichtungsschmelzen, das Flammenlöten, das Flammbiegen etc., erreichen. Hohe Verbrennungstemperaturen können jedoch auch die Emission von Stickoxiden (NO, NO2; abgekürzt NOx) begünstigen.
Eine Acetylen-Sauerstoff-Verbrennung weist eine andere chemisch-physikalische Kinetik auf als etwa eine Methan-Luft-Verbrennung. In der Acetylen-Sauerstoff-Verbrennung ist N2 in dem Oxidant nicht vorhanden. Das Aufbrechen der Dreifachbindung bei Acetylen (C2H2) liegt energetisch in einer anderen Größenordnung (Faktor 2-3) als die Methan (CH4)-Dissoziation. Bei der CH4 (oder C3H8) Verbrennung mit Luft bildet sich der größte Teil der NOx Menge bereits in der Flamme, da dort hohe Temperaturen sowie die Bestandteile N und O vorhanden sind. Bei der C2H2-Verbrennung mit O2 (Sauerstoff) kann die Bildung von NOx nur im Bereich der Sekundärflamme und am äußeren Rand der Flamme stattfinden, wo nämlich Stickstoff (N2) aus der Umgebungsluft in die Reaktion eingezogen wird.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, auftretende NOx-Emissionen beim Flammrichten mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme zu unterdrücken oder ganz zu vermeiden.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flammrichten, wobei Acetylen mit Sauerstoff unter Ausbildung einer Flamme mittels eines Brenners verbrannt und die Flamme auf ein Werkstück gerichtet wird, um dieses zu erwärmen, sowie eine entsprechende Brenneranordnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilehafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird zwischen dem Brenner und dem nichtschmelzenden Werkstück, soweit dieses elektrisch leitet, ein elektrisches Feld angelegt, um eine NOx-Emission zu reduzieren. Alternativ wird das elektrische Feld zwischen dem Brenner und einer werkstückseitig angeordneten nicht schmelzenden Elektrode angelegt. Es hat sich gezeigt, dass bei geeigneter Einstellung der elektrischen Feldstärke sich die NOx Emission beim Flammrichten mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme insbesondere im Bereich der Sekundärflamme und am äußeren Rand der Flamme reduzieren lässt. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Form des erzeugten elektrischen Feldes insbesondere die genannten Bereiche der Sekundärflamme und des äußeren Randes der Acetylen-Sauerstoff-Flamme erfasst. Insbesondere kann die Form des elektrischen Feldes durch eine geeignete Form einer werkstückseitig angeordneten nicht schmelzenden Elektrode beeinflusst werden.
Das zwischen dem Brenner und der elektrisch leitenden Oberfläche eines nicht schmelzenden Werkstücks, das durch Flammrichten erwärmt wird, erzeugte elektrische Feld ändert die Verbrennungskinematik und die chemische Reaktionsdynamik in Richtung einer NOx-Reduktion. Dies wird verursacht durch lonentrennung im elektrischen Feld sowie durch Kollisionseffekte der entsprechenden ionisierten Teilchen. Bei dem elektrisch leitenden Werkstück kann es sich um ein metallisches Werkstück oder aber um ein nicht metallisches Werkstück, das beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist, handeln. Bei nicht elektrisch leitenden Werkstücken kann werkstückseitig eine nicht schmelzende Elektrode angeordnet werden. Die Elektrode wird hierbei vorzugsweise im Bereich der Flamme, vom Werkstück aus gesehen also flammenseitig, angeordnet. Eine besonders geformte, beispielsweise ringförmige Elektrode kann hierbei das elektrische Feld auf die oben erwähnten Bereiche (Sekundärflamme und äußerer Flammenrand) konzentrieren, in denen die NOx-Bildung begünstigt ist. In einer anderen Variation kann die Elektrode auch „unterhalb“ des nicht leitenden Werkstücks, vom Werkstück aus gesehen also auf der der Flamme abgewandten Seite angeordnet werden. Auch wenn es sich um ein elektrisch leitendes Werkstück handelt, kann die Verwendung einer werkstückseitig angeordneten Elektrode vorteilhaft sein, etwa wenn das Anlegen einer direkten Spannung an das Werkstück problematisch ist. In diesem Fall wird die zusätzliche Elektroden in den Bereich zwischen Brenner und Werkstück, also in den Bereich der Flamme eingebracht.
Das Verfahren lässt sich auch bei elektrisch leitenden Werkstücken anwenden, die mit elektrisch nicht leitenden Materialien beschichtet sind. In diesen Fällen kann das elektrische Feld zwischen dem Brenner und dem Substrat, also dem eigentlichen Werkstück, angelegt werden, wobei das elektrische Feld die dielektrische Barriere überwinden kann.
Bei dem elektrischen Feld kann es sich um ein Gleichspannungs- oder um ein Wechselspannungsfeld handeln. Es hat sich gezeigt, dass Gleichspannungsfelder günstiger für den genannten Effekt der NOx-Reduktion sind. Wechselspannungsfelder bieten hingegen eine höhere Flexibilität bezüglich der Beeinflussung der Flammeneigenschaften einerseits und der NOx-Reduktion andererseits. Es ist vorteilhaft, wenn die Polarität des elektrischen Feldes auf der Brennerseite negativ ist. Bei einem Wechselspannungsfeld kann dieses derart eingestellt werden, dass die Polarität auf der Brennerseite überwiegend negativ ist, so dass die positiven Phasen kürzer gewählt werden, als die negativen.
Das elektrische Feld kann zweckmäßigerweise mittels wenigstens einer elektrischen Leitung zu dem Brenner und/oder wenigstens einer elektrischen Leitung zu der Elektrode oder zu dem elektrisch leitenden Werkstück erzeugt werden. Das elektrische Feld kann aber auch mittels wenigstens einer in dem oder an dem Brenner angeordneten Batterie und wenigstens einer elektrischen Leitung zur Elektrode bzw. zum elektrisch leitenden Werkstück erzeugt werden. Die wenigstens eine Batterie kann an geeigneter Stelle des Brenners (Düse, Schaft, Halterung oder Zuführung) angeordnet werden.
Das angelegte elektrische Feld führt aufgrund von in der Flamme vorhandenen Ionen zu einem Stromfluss, wobei dieser Strom zwischen dem Brenner und der werkstückseitigen Elektrode bzw. dem Brenner und dem Werkstück detektiert oder gemessen und als Sicherheitshinweis verwendet werden kann, ob eine Flamme vorhanden ist. Sollte die Flamme erlöschen oder nicht zünden, kommt es zu einer Unterbrechung dieses Stroms. Aus der US 2016/0018812 A1 ist eine ähnliche Stromüberwachung für das Brennschneiden bekannt. Beim Brennschneiden wird hingegen das metallische Werkstück von der Flamme aufgeschmolzen. Dort zusätzlich zugeführter Schneidsauerstoff reagiert exotherm und geht eine Verbrennungsreaktion mit dem geschmolzenen Metall ein. Bei der erwähnten Schrift wird ein im Vergleich zur vorliegenden Erfindung wesentlich niedrigerer Strom nur für Messzwecke eingesetzt. Hierunter fällt beispielsweise die Überprüfung, ob eine Flamme brennt oder nicht.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brenneranordnung zum Flammrichten umfassend wenigstens einen Brenner mit wenigstens einer Sauerstoffzufuhr und wenigstens einer Acetylenzufuhr und mit Mitteln, um eine von dem Brenner erzeugte Flamme auf ein Werkstück zu richten. Hierbei ist wenigstens eine Spannungsquelle vorgesehen, die derart eingerichtet ist, dass zwischen dem Brenner und dem nicht schmelzenden Werkstück, soweit dieses elektrisch leitet, oder einer werkstückseitig angeordneten nicht schmelzenden Elektrode ein elektrisches Feld angelegt wird, um eine NOx Emission zu reduzieren. Hierbei kann die werkstückseitig angeordnete Elektrode eine separate, vom Brenner unabhängige Elektrode sein oder eine, die mechanisch mit dem eigentlichen Brenner verbunden ist.
Zu weiteren Ausgestaltungen und Vorteilen dieses Aspekts der Erfindung sei auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Die dortigen Ausführungen gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Brenneranordnung.
Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung der genannten Brenneranordnung zur Reduktion einer NOx-Emission beim Flammrichten mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Brenneranordnung zum Flammrichten und
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer Brenneranordnung zum Flammrichten.

Detaillierte Figurenbeschreibung
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine erste Ausführungsform einer Brenneranordnung zum Flammrichten mit einem Brenner 20 mit einer Sauerstoffzufuhr 22 und einer Acetylenzufuhr 21. Die Mittel, um die von dem Brenner 20 erzeugte Flamme 25 auf ein Werkstück 10 zu richten, sind hier nicht eigens dargestellt. Ein solcher Acetylenbrenner ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
Zur Reduzierung von NOx-Emissionen im Bereich der Sekundärflamme im Randbereich der Flamme 25 wird zwischen dem Brenner 20 und dem nicht schmelzenden Werkstück 10, das in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch leitet oder zumindest mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet ist, ein elektrisches Feld erzeugt. Hierzu ist eine Spannungsquelle 23 vorgesehen, deren erster Pol über eine Leitung 26 mit dem Brenner 20 und deren zweiter Pol über eine Leitung 28 mit dem Werkstück 10 verbunden ist. Durch Einstellung einer geeigneten Feldstärke des elektrischen Feldes über Einstellung einer Spannung an der Spannungsquelle 23 lassen sich NOx-Emissionen stark reduzieren. Bei bestimmten Aufgaben mit Wärme- oder Oberflächen - empfindlichen Bauteilen kann auch ein Betrieb mit gepulstem Strom oder gezieltem Wechselstromanteilen vorteilhaft sein.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Brenneranordnung zum Flammrichten wiederum mit einem Brenner 20 mit einer Sauerstoffzufuhr 22 und einer Acetylenzufuhr 21 und mit nicht dargestellten Mitteln, um eine vom Brenner 20 erzeugte Flamme 25 auf ein Werkstück 10 zu richten. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist dieses Werkstück nicht elektrisch leitend oder das Anlegen einer direkten Spannung an das Werkstück 10 ist problematisch. In diesem Fall wird das elektrische Feld zwischen dem Brenner 20 und einer werkstückseitig angeordneten nicht schmelzenden Elektrode 24 angelegt. Die Elektrode 24 ist somit zwischen Brenner 20 und Werkstück 10 im Bereich der Flamme 25 angeordnet. Eine ringförmige Elektrode 24 ist besonders zweckmäßig, um die Bereiche erhöhter NOx-Bildung durch das erzeugte elektrische Feld zu erfassen und dort die NOx-Emission zu reduzieren.
Zum Erzeugen des elektrischen Feldes ist wiederum eine Spannungsquelle 23 vorgesehen, die über eine erste Leitung 26 mit dem Brenner 20 und über eine zweite Leitung 27 mit der Elektrode 24 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 24 mechanisch mit dem Brenner 20 verbunden, wobei die Verbindung über ein Isolierstück 29 hergestellt wird.
In den dargestellten Ausführungsformen gemäß 1 und 2 kann die Spannungsversorgung auch über eine im oder am Brenner 20 angeordnete Batterie erfolgen, deren Pole entsprechend mit dem Brennergehäuse und der Elektrode 24 bzw. dem Werkstück 10 verbunden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2016/0018812 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Flammrichten, wobei Acetylen mit Sauerstoff unter Ausbildung einer Flamme (25) mittels eines Brenners (20) verbrannt und die Flamme (25) auf ein Werkstück (10) gerichtet wird, um dieses zu erwärmen, wobei zwischen dem Brenner (20) und dem nichtschmelzenden Werkstück (10), soweit dieses elektrisch leitet, oder einer werkstückseitig angeordneten nichtschmelzenden Elektrode (24) ein elektrisches Feld angelegt wird, um eine NOx-Emission zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als elektrisches Feld ein Gleichspannungsfeld verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Polarität auf der Brennerseite negativ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als elektrisches Feld ein Wechselspannungsfeld verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrische Feld mittels wenigstens einer elektrischen Leitung (26) zum Brenner (20) und/oder wenigstens einer elektrischen Leitung (27; 28) zur Elektrode (24) oder zum elektrisch leitenden Werkstück (10) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elektrische Feld mittels wenigstens einer im oder an dem Brenner angeordneten Batterie und wenigstens einer elektrischen Leitung (27; 28) zur Elektrode (24) oder zum elektrisch leitenden Werkstück (10) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Strom zwischen dem Brenner (20) und der werkstückseitigen Elektrode (24) oder dem Brenner (20) und dem Werkstück (10) gemessen wird und als Sicherheitshinweis verwendet wird, ob eine Flamme (25) vorhanden ist.
Brenneranordnung zum Flammrichten, umfassend wenigstens einen Brenner (20) mit wenigstens einer Sauerstoffzufuhr (22) und wenigstens einer Acetylenzufuhr (21) und mit Mitteln, um eine vom Brenner (20) erzeugte Flamme (25) auf ein Werkstück (10) zu richten, und mit wenigstens einer Spannungsquelle (23), die dazu eingerichtet ist, um zwischen dem Brenner (20) und dem nicht schmelzenden Werkstück (10), soweit dieses elektrisch leitet, oder einer werkstückseitig angeordneten nicht schmelzenden Elektrode (24) ein elektrisches Feld zu erzeugen, um eine NOx-Emission zu reduzieren.
Brenneranordnung nach Anspruch 8, wobei die werkstückseitig angeordnete Elektrode (24) von einer mit dem Brenner (20) mechanisch verbunden Elektrode gebildet ist.
Verwendung der Brenneranordnung nach Anspruch 8 oder 9 zur Reduktion einer NOx-Emission beim Flammrichten mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme (25).