DE2018044B2 - Verfahren und vorrichtung zum thermochemischen flaemmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermochemischen Flämmen von Werkstücken aus Eisenmetallen, bei dem eine quer über die Werkstückoberfläche reichende Zone mittels Flammen vorgewärmt wird, die durch die Verbrennung eines Brenngases erzeugt werden, das mindestens in den oberen Teil eines mit verhältnismäßig niedriger Durchflußmenge gegen die Werkstückoberfläche gerichteten, flächigen Flämmsauerstoffstromes hineingeleitet wird, wodurch ein quer über die Werkstückoberfläche verlaufender Bereich des Werkstücks auf die Sauerstoffzündtemperatur vorgewärmt wird, bei dem der Flämmsauerstoffstrom unter Bildung eines Bades von geschmolzenem, durch den Flämmsauerstoffstrom auseinandergetriebenen Werkstoff mit einer größeren Durchflußmenge gegen den erhitzten Bereich gerichtet wird und bei dem für eine Relativbevvegung zwischen dem Sauerstoffstrom und dem Werkstück ir Flämmrichtung gesorgt wird. Die Erfindung befaßt sich ferner mit einer zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmten Vorrichtung mit einer Flämmeinheit und einer Vorschubeinrichtung, die für eine Relativbewegung zwischen der Flämmeinheit und dem zu flammenden Werkstück in der Flämmrichtung sorgt, wobei die Flämmeinheit einen schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanal, der über eine Durchflußsteuereinrichtung mit einer Sauerstoffquelle in Verbindung steht, eine Reihe von Brenngasauslaßkanälen, die mindestens entlang der Oberseite des Sauerstoffauslaßkanals angeordnet und in spitzem Winkel gegen eine sich quer über die projizierte Ebene des Sauerstoffauslaßkanals erstreckende Zone gerichtet sind, und eine Reihe von zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanälen aufweist, die über der Reihe der Brenngasauslaßkanäle liegen und ebenfalls in einem spitzen Winkel gegen die projizierte Ebene des schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkana's gerichtet sind. Bei dem gegenwärtig üblichen, mit Nachvermischung arbeitenden Flämmprozeß wird eine Flämmreaktion dadurch verursacht, daß zunächst die Temperatur der zu flammenden Metalloberfläche auf die Zündtemperatur des Metalles in einer Sauerstoffatmosphäre erhöht wird. Diese Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt des Metalls in Luft liegen kann, wird als Reaktionstemperatur bezeichnet. Wenn die Reaktionstemperatur bei Vorhandensein eines hohen Anteils an Sauerstoff erreicht ist, wird ein Bad aus geschmolzenem Werkstoff gebildet. Durch die Kraft eines auf das Schmelzbad auftreffenden Sauerstoffstromes wird dieser Werkstoff beseitigt, d. h. wird die thermochemische Flämmoperation zum Ablauf gebracht. Mit anderen Worten, um die Flämmoperation einzuleiten, muß ein Schmelzbad gebildet werden, bevor der fortschreitende Abtrag von Metall durch den raschen Flämmsauerstoffstrom stattfinden kann.

Ein vollständiger Flämmzyklus besteht aus vier Schritten. In einem ersten Schritt wird das Werkstück so positioniert, daß es mit der Flämmaschine ausgerichtet ist. In dem zweiten Schritt werden die Flämmeinheiten entweder automatisch oder von Hand um alle Seiten des Werkstückes herum geschlossen, die

ßsflämmt werden sollen. In dem dritten Schritt wird den zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanälen zugeführfjir ein Vorwärmen des Werkstückes mittels Brenn- ten Sauerstoffs unabhängig von der dem schhtzfonnistoff-Sauerstoff-Vorwärmflammen gesorgt, wobei ein gen Sauerstoffauslaßkanal zugeleiteten Sauerstoti-Bad aus geschmolzenem Metall in Gegenwart von menge vorgibt. .

Sauerstoff gebildet wird. In dem vierten Schritt wird 5 Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines die Flämmoperation als solche vorgenommen, indem Ausfuhrungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichder Flämmsauerstoffstrom eingeschaltet wird. Wenn nungen näher erläutert. Es zeigt beispielsweise eine 9 m lange Bramme bei 1093^: C Fig. 1 eine Seitenansicht einer Flämmeinheit nach

oeflammt wird, erfordert das Positionieren ungefähr der Erfindung, die mit einer Reihe von Fangsauer-5 Sekunden das Schließen ungefähr 5 Sekunden, das io Stofföffnungen versehen ist, die sich im oberen Vor-Vorwärmen ungefähr 10 Sekunden und das Flämmen wärmblock oberhalb der Vorwärmbrenngasoffnunder Bramme auf voller Länge ungefähr 20 Sekunden. gen befinden, _ . -

Für den gesamten Flämmzyklus sind also bei der 9 m F i g. 2 eine Ansicht der Flämmeinheit nach trig, ι

lanzen Bramme näherungsweise 38 Sekunden erfor- von vorne und

derfich. ^l5 F i g. 3 eine grafische Darstellung, in der die Vor-

D^:e für einen vollständigen Flämmzyklus aufzu- wärmzeiten, die bei der erfindungsgemäßen Verwenwendende Zeitspanne ergibt eine Flämmgeschwindig- dung des Fangsauerstoffstromes erhalten werden, keit die in einigen Fällen unter der Geschwindigkeit den Vorwärmzeiten einer Flämmeinheit ohne einen lie<n. mit der Stahl in einem herkömmlichen Walz- derartigen Fangsauerstoffstrom gegenübergestellt we^k cewalzt wird. Es ist infolgedessen erwünscht, *u sind. . ,

die für die Durchführung eines FlämnvyWus erfor- Bei den bekannten Flämmverfahren und -vorncn-

derliche Zeitspanne herabzusetzen, damit die tungen werden zur Erzielung einer großtrnogLictien Flämmoperation mit der Produktionsgeschwindigkeit Wärmezufuhr zum Werkstück im Bereich der KeaK-de< Walzwerkes Schritt halten kann. Es versteht tionszone der obere und der untere Vorwarmbrennsich daß die Verringerung der Flämmdauer erzielt 25 gasstrom 11 und 12 (F i g. 1) ebenso wie der aus dem werden kann, indem die Zeitspanne herabgedrückt Mittelschlitz 8 austretende Flämmsauerstottstrorn ν wird die für einen der obenerwähnten vier Schritte in der Weise gerichtet, daß ihre geradlinigen ^rojeK-erfordcrlich ist, die während eines vollständigen tionen sich an der Stelle A auf der Oberflache des Flämmzvklus erfolgen müssen. Da das Positionieren Werkstückes W treffen. Wegen der aerodynamischen und Schließen insgesamt nur ungefähr 8 Sekunden 30 Eigenschaften des Systems, die auf das Strömen von erfordern ist die bei diesen beiden Schritten erziel- heißen reagierenden Gasen und die Kuhlwirkung des hare Verbesserung vergleichsweise gering. Für die Er- umgebenden Bereiches sowie auf den durch die rasen hfthune der Flämmgeschwindigkeit bieten sich infol- strömenden Gase bewirkten Druckabfall ™™«ζιι-opriessen der Vorwärmvoreang und/oder der eigent- führen sind, bildet sich jedoch das Schmelzbad ZU ficheFlammvorgangan. " 35 nicht an der Stelle A, sondern bezogen auf die

nie scheinbar einfache Maßnahme, die Durchfluß- Flämmrichtung mehrere Zentimeter dahinter an der meneen von Brennstoff und Sauerstoff zu erhöhen, Stelle B. Bei dem bekannten Verfahren war es infolnm die Vorwärmzeit herabzusetzen und die Flamm- gedessen notwendig, die Flämmeinheit oder das Tschwindigkeit zu vergrößern, führt nicht zum Ziel, Werkstück mehrere Zentimeter zuruckzu fahren, beweü bei einem mit Nachvermischung arbeitenden Sy- 40 vor der Flämmsauerstoffstrom eingeschaltet wurde, Tem die überschüssigen Mengen an Sauerstoff und damit der Flämmsauerstoffstrom dann anl das Brennstoff nicht wirksam gemischt und verbrannt Schmelzbad und nicht auf eine davor legende Stelle werden können traf. Dieses Zurückstellen der Flämmeinheit oder des

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zur Werkstückes zwischen dem Vorwannen und dem EiSung des Flämmvorganges erforderliche Zeit- 45 Einleiten der Flämmreaküon war zum,TeJIfar die Sänneund damit die für die Durchführung des ge- große Zeitdauer verantwortlich, d.e das Vorwarmen sUn Flämmzyklus benötigte Zeitdauer zu vcrkür- «^«^ ^^ ^ _y

"'Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- brenngasströme ausgebildete ^fl?<^e Sauerstofflos? daß And der FlämmsaueLoffstrom >r.it der ₅o strom^oder -vorhang läßt «χ^¹^¹^"^ verhältnismäßig niedrigen Durchflußmenge strömt, zwischen sich und der Oberfläche des geracK fe 'fn zusätzHcher flächiger Sauerstoffstrom von ober- flammten Werkstückteiles entstehen. Der Sauerstoff halb d Vonvärmflammen aus derart gegen die vorhang wird durch das Zusammens romcn von lückoberfläche gerichtet wird, daß er zusam- mehreren Sauerstoffstromen gebildet die aus einer it der^Werkstückoberfläche einen keilförmigen 55 Reihe von Sauerstofföffnungen » |Uj£ten^e übe bildet, innerhalb dessen der Vorwärmbrenn- den Vorwännbrenngasoffnungen 15 des oberen Vor und der Flämmsauerstoffstrom gehalten wärmblockes hegen. Rasch strömendes Brenngas,

kennzeichnet, daß die zusätzlichen Sauerstoffauslaß- Verbrennung <; J^^Jf™^ ^₃Ja_n der ge-Vinäle mit einer eesonderten Durchflußsteuereinnch- wahrend der Ort des SchmelzDaoes gen«· tung veTbunden S die die Durchflußmenge des wünschten Stelle festgehalten w.rd.

Der Sauerstoffvorhang hat eine zweifache Wirkung. Zum einen wirkt er als physikalische Sperre, die den Brennstoff zwecks wirksamer Mischung mit dem Sauerstoff einfängt oder festhält; zum anderen gestattet er infolge der verbesserten Durchmischung von Brennstoff und Sauerstoff eine Erhöhung der Gesamtmenge des brennbaren Gemisches, so daß eine heißere Flamme erzeugt wird. Die Kombination dieser beiden Effekte verbessert den Wärmeübergang auf das Werkstück und die Wärmekonzentration an einer bestimmten Stelle.

Eine unerwartete, jedoch sehr vorteilhafte Folge der erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, daß das Schmelzbad nicht an der Stelle B hinter der Stelle A, sondern an einer Stelle C vor der Stelle Λ gebildet wird. Weil diese Stelle C unmittelbar vor der geradlinigen Projektion des Flämmsauerstoffstromes9 liegt, ist ein Zurückstellen des Werkstückes oder der Flämmeinheit vor dem Einschaljten des Schneidsauerstoffstromes nicht mehr erforderlich. Dies hat seinerseits einen zusätzlichen günstigen Einfluß auf die Vorwärmgeschwindigkeit.

Wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht, besteht die Flämmeinheit aus dem oberen Vorwärmblock 1, dem unteren Vorwärmblock 2, einem Kopf 3 und einem Unterteil 4, das auf Kufen 5 läuft. Die Unterseite 6 des oberen Vorwärmblocks 1 und die Oberseite 7 des unteren Vorwärmblocks 2 bilden den durchgehenden schlitzförmigen Kanal 8 für den Sauerstoffstrom 9. Das hintere Ende 10 des Sauerstoffkanals 8 steht mit einer nicht veranschaulichten Sauerstoffquelle in Verbindung. Während des Vorwärmens liefert der Kanal 8 den Sauerstoff für die Verbrennung des oberen und des unteren Vorwärmbrenngasstromes 11 bzw. 12. Nachdem das Schmelzbad 13 gebildet ist, wird die Sauerstoffdurchflußmenge im Strom 9 so weit erhöht, daß ausreichend Sauerstoff für die Flämmoperation zur Verfugung steht. Der obere Vorwärmblock 1 ist mit mehreren Vorwärmbrenngaskanälen 14 ausgestattet, die an der vorderen Stirnfläche des Vorwärmblocks 1 in einer Reihe von Brenngasöffnungen 15 enden. Die Gaskanäle 14 stehen mit einer Brenngassammelleitung 24 im Kopf 3 in Verbindung und werden von dort aus mit Brenngas gespeist. Als Brenngas wird vorzugsweise Erdgas verwendet, doch können auch andere Brenngase benutzt werden, beispielsweise Methan, Propan oder Koksofengas. Der untere Vorwärmblock 2 weist mehrere Brenngaskanäle 17 auf, die mit einer Sammelleitung 18 im Kopf 3 verbunden sind und von dort mit Brenngas versorgt werden. Die Kanäle 17 enden an der vorderen Stirnfläche des unteren Vorwärmblocks 2 in einer Reihe von unteren Vorwärmbrenngasöffnungen 19. Sowohl die oberen Vorwärmbrenngasoffmingen 15 als auch die unteren Vorwärmbrenngasöffnungen 19 sind derart gerichtet, daß sich die geradlinigen Projektionen der aus ihnen austretenden Gasströme 11 und 12 mit der geradlinigen Projektion des flächigen Sauerstoffstromes 9 an der Stelle A auf der Oberfläche des metallischen Werkstückes W treffen. Infolge des oben erläuterten aerodynamischen Einflusses der heißen Gasströme wird bei den bekannten Verfahren, d.h. ohne Verwendung des Fangsauerstoffstromes 21, das Schmelzbad 20 an der Stelle B auf der Oberfläche des Werkstückes W gebildet

Erfindungsgemäß ist der obere Vorwärmblock 1 mit mehreren Sauerstoffkanälen 22 ausgestattet, die

an der vorderen Stirnfläche des Vorwärmblockes in einer Reihe von Fangsauerstofföffnungen 23 enden. Sauerstoff wird den Kanälen 22 von einer Sauerstoffsammelleitung 16 im Kopf 3 aus zugeführt. Die aus den öffnungen 23 austretenden Fangsauerstoffströme 21 sind ebenfalls so gerichtet, daß sie mit den Brenngasstromprojektionen 11 und 12 und der Sauerstoffstromprojektion 9 an der Stelle A zusammentreffen. Der von den Fangsauerstoffströmen 21

ίο gebildete Sauerstoffvorhang begrenzt zwischen sich und der Oberfläche des Werkstückes W einen keilförmigen Raum, innerhalb dessen die Vorwärmgasströme 11 und 12 und der Sauerstoffstrom 9 gehalten werden. Wegen der aerodynamischen Eigenschaften des Systems folgen die Brenngasströme und der mit Vorwärmdurchflußmenge zugeleitete Sauerstoffstrom nicht den geradlinigen Projektionen 9, 11, 12 und 21, sondern einer Bahn, die durch die Strömungslinien F angedeutet ist. Wenn folglich die Flämmreaktion beginnen soll, nachdem das Schmelzbad 13 an der Stelle C gebildet wurde, wird die Durchflußmenge des Sauerstoffstromes 9 einfach auf die für das Flämmen erforderliche Durchflußmenge gesteigert, wodurch der Sauerstoffstrom im wesentlichen die Richtung der geradlinigen Projektion 9 annimmt. Dann wird das Werkstück W nach rechts in Bewegung gesetzt, wie dies durch den Pfeil angedeutet ist, ohne daß das Werkstück oder die Flämmeinheit zurückgestellt werden müssen. Letzteres wäre erforderlich, wenn das Schmelzbad an der Stelle B gebildet worden wäre, damit die Flämmoperation in der Weise beginnen kann, daß der Flämmsauerstoffstrom 9 auf das Schmelzbad trifft. Nachdem das Vorwärmen abgeschlossen und die Flämmoperation eingeleitet ist,

kann der Fangsauerstoffstrom eingeschaltet bleiben, vollständig abgeschaltet werden oder auf einen geringen Wert abgesenkt werden, um zu verhindern, daß die öffnungen 23 durch schmelzflüssige Metall- und Schlackespritzer verstopft werden. Dadurch, daß der Fangsauerstoff während des Flämmens auf voller Durchflußmenge gehalten wurde, ließen sich keine vorteilhaften Wirkungen erzielen.

In der grafischen Darstellung nach F i g. 3 ist die Vorwärmzeit bei Verwendung einer bekannten, mit Nachvermischung arbeitenden Brennstoff-Sauerstoff-Flämmeinheit der Vorwärmdauer gegenübergestellt, die erhalten wird, wenn die Flämmeinheit erfindungsgemäß über den oberen Vorwärmbrenngasöffnungen eine Reihe von Fangsauerstofföffnungen besitzt, mittels deren der Sauerstoffvorhang nach der Erfindung gebildet wird. Die Durchflußmengen an Vorwärmbrenngas (Erdgas) lagen in beiden Fällen bei ungefähr 99 m^s/h. Auch die Gesamtmenge an Sauerstoff stimmte in beiden Fällen überein; sie betrug ungefähr 212mtyh. Die Verteilung des Sauerstoffes war jedoch unterschiedlich. Bei der bekannten Flämmeinheit strömte der gesamte Sauerstoff durch den Mittelschlitz aus, während im Falle der Flämmeinheit nach der Erfindung ungefähr die Hälfte des Sauerstoffes aus dem Mittelschlitz und die andere Hälfte aus den Fangsauerstofföffnungen ausströmte. Die grafische Darstellung läßt erkennen, daß die Vorwärmdauer von der Temperatur der Stahlwerk-Stückoberfläche abhängt und daß die Vorwärmdauer um so kürzer wird, je heißer die Werkstückoberfläche ist. Die Kurve X zeigt die Ergebnisse bei Verwendung einer Flämmeinheit nach der Erfindung, wäh-

fi»

rend die Kurve Y die Ergebnisse bei Verwendung einer herkömmlichen bekannten Flämmeinheit mit Nachvermischung veranschaulicht. Aus einem Vergleich der Kurven Λ" und Y folgt, daß bei einer Werkstückanfangstemperatur von 1093° C nur ungefähr 3 Sekunden erforderlich waren, um das Werkstück mittels der Flämmeinheit nach der Erfindung auf die Reaktionstemperatur vorzuwärmen, während das Vorwärmen des Werkstückes mit der bekannten Flämmeinheit 10 Sekunden erforderte. Dies stellt eine Verkürzung von ungefähr 7 Sekunden oder eine mehr als dreifache Verbesserung dar. Ein ähnliches Ergebnis kann bei einer Werkstückanfangstemperatur von 816° C beobachtet werden, wo das erfindungsgemäße Vorwärmen ungefähr 5 Sekunden erforderte, während mit der bekannten Flämmeinheit ungefähr 27 Sekunden notwendig waren.

Die Bedeutung der erfindungsgemäß erzielten kürzeren Vorwärmdauer besteht darin, daß beispielsweise durch eine Verkürzung der Vorwärmzeit für einen Knüppel von 1093° C um ungefähr 7 Sekunden der Flämmzyklus, der nach den obigen Feststellungen 38 Sekunden erforderte, auf ungefähr 30 Sekunden verkürzt wird. Dies stellt bezogen auf den Flämmzyklus eine Verbesserung von mehr als 20 ⁰Zu dar, was dafür ausreicht, daß die Flämmaschine mit

ίο einer höheren Produktionsgeschwindigkeit Schritt halten kann, als dies bisher möglich war. Zusätzlich zu der aus Fig.3 zu entnehmenden Verkürzung der Vorwärmdauer wird mit der Erfindung eine weitere Herabsetzung der Vorwärmzeit dadurch erzielt, daß das Werkstück oder die Flämmeinheit vor dem Beginn der Flämmoperation nicht mehr zurückgestellt werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309524/76

Claims (4)

Patentansprüche·

1. Verfahren zum thermochemischen Flämmen von Werkstücken aus Eisenmetallen, bei dem eine quer über die Werkstückoberfläche reichende Zone mittels Flammen vorgewärmt wird, die durch die Verbrennung eines Brenngases erzeugt werden, das mindestens in den oberen Teil eines mit verhältnismäßig niedriger Durchflußmenge gegen die Werkstückoberfläche gerichteten, flächigen Flämmsauerstoffstromes hineingeleitet wird, wodurch ein quer über die Werk-Stückoberfläche verlaufender Bereich des Werk-Stücks auf die Sauerstoffzündtemperatur vorgewärmt wird, bei dem der Flämmsauerstoffstrom unter Bildung eines Bades von geschmolzenem, durch den Flämmsauerstoffstrom auseinandergetriebenen Werkstoff mit einer größeren Durchflußmenge gegen den erhitzten Bereich gerichtet wird und bei dem für eine Relativbewegung zwischen dem Sauerstoffstrom und dem Werkstück in Flämmrichtung gesorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Flammsauerstoffstrom mit der verhältnismäßig niedrigen Durchflußmenge strömt, ein zusätzlicher flächiger Sauerstoffstrom von oberhalb der Vorwärmflammen aus derart gegen die Werkstückoberfläche gerichtet wird, daß er zusammen mit der Werkstückoberfläche einen keilförmigen Raum bildet, innerhalb dessen der Vorwärmbrenngasstrom und der Flämmsauerstoffstrom gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche flächige Sauerstoffstrom durch das Zusammentreffen einer Reihe von dicht benachbarten Strömen gebildet wird, die im wesentlichen parallel zueinander gerichtet sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit einer Flämmeinheit und einer Vorschubeinrichtung, die für eine Relativbewegung zwischen der Flämmeinheit und dem zu flammenden Werkstück in der Flammrichtung sorgt, wobei die Flämmeinheit einen schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanal, der über eine Durchflußsteuereinrichtung mit einer Sauerstoffquelle in Verbindung steht, eine Reihe von Brenngasauslaßkanälen, die mindestens entlang der Oberseite des Sauerstoffauslaßkanals angeordnet und in spitzem Winkel gegen eine sich quer über die projizierte Ebene des Sauerstoffauslaßkanals erstreckende Zone gerichtet sind, und eine Reihe von zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanälen aufwtist, die über der Reihe der Brenngasauslaßkanäle liegen und ebenfalls in einem spitzen Winkel gegen die projizierte Ebene des schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanals gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanäle (22, 23) mit einer gesonderten Durchflußsteuereinrichtung verbunden sind, die die Durchflußmenge des den zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanälen zugeführten Sauerstoffs unabhängig von der dem schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanal (8) zugeleiteten Sauerstoffmenge vorgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanäle (22, 23) gegen die gleiche Zone der projezierten Ebene des schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanals (8) gerichtet sind wie die Brenngasauslaßkanäle (14,15,17,19).