DE2300265B2

DE2300265B2 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Bohren und Lochstechen

Info

Publication number: DE2300265B2
Application number: DE19732300265
Authority: DE
Inventors: Rudolf 5882 Meinerzhagen Kallenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-04
Filing date: 1973-01-04
Publication date: 1975-01-30
Also published as: DE2300265A1; DE2300265C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Bohren und Lochstechen durch einen angewandten Oxydations-Reduktionsprozeß mittels stückförmiger Leichtmetalle.

Bekannt ist die Verwendung von Kernlanzen als Brennelemente, die aus einem Stahlrohr mit einer Stahldrahtfüllung bestehen, zum thermischen Lochstechen in Stahl und Gestein. Sie verbrennen im zügeführten Sauerstoffstrom mit einer Wärmeabgabe von etwa 1700kcal/kg Fe. (Lit.: Elliot, I. F., und M. G 1 e i s e r: Thermochemistry for Steelmaking, Addison Publishing Comp. Reading Massachusetts, 1960, auch: Stahleisenkalender 1970, S. 159). δ₅

Bei einer Brenngeschwindigkeit von etwa 1000 mm/ min wird nur eine geringe Wärmeleistung erreicht, die durch eine große Baulänge ausgeglichen wird.

Durch einen nur einmal ablaufenden Oxydationsprozeß wird der eingebrachte Sauerstoff wenig genutzt und muß als hohes Angebot eingebracht werden. Redoxreaktionen sind bei diesem Verfahren zufallsbedingt und können nicht voll stöcbiometnsch gefuhrt

werden. ,, , . . ,

Nach einem anderen bekannten Verfahren wird mit Metallpulvern gearbeitet, die als zusätzlicher Brennstoff mittels einer aufwendigen Einrichtung zugeführt werden. Hierbei nutzbare Redoxreaktionen sind durch Abkühlungsvorgänge in der Brennschmelze begrenzt, sobald der Anteil des Aluminiums in den Pulvermischungen gesteigert wird. .... ...

Aufgabe der Erfindung ist es, em einfach zu bedienendes Brennelement vorzuschlagen, das sich durch eine hohe Streckenenergie auszeichnet, das bei kleinen Lochdurchmessern zuverlässig arbeitet und wegen erhöhter Leistung in seinen Abmessungen sehr klein gehalten werden kann. Ein solches Brennelement soli auch maschinell anwendbar sein.

Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, in Verbindung mit einem hohen Leichtmetallangebot einen Oxydations-Reduktionskreis zu bewirken, bei dem die Leichtmetalle in Stückform fest eingebracht werden können, ohne zwingend die Pulverform anwenden zu müssen. Stahl dient hierbei zusätzlich als Oxydationsträger und Schlackebildner.

Der Reduktionswerkstoff Aluminium soll aus dieser Stückform heraus durch eine Stahl-, Titan- oder Magnesiumoxydation so hoch vorgeheizt werden, daß das entstehende Schlackenbad nicht vor der einsetzenden Reduktion abgekühlt wird, sondern die Reduktionsenthalpie schlagartig freisetzt. Titan dient hierbei als Oxydationsträger durch seine Brennbarkeit im gasförmigen Sauerstoff und ebenso als Reduktionsmitte! durch seine Bindefähigkeit mit dem Sauerstoff der Stahloxide, die hierbei reduziert werden.

Aufgabe der Erfindung is·' es au li, schnellbrennende Titanteile in zerkleinerter Form als Metall, Legierung oder Verbindung zu verwenden und außerdem den Sauerstoffbedarf durch mehrmalige Nutzung erheblich einzuschränken.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, Leichtmetalle in einer Anordnung mit Stahl und Titan im Sauerstoffstrom zu einer thermischen Wirkung zu bringen, so, daß der Stahl die Schlacke liefert, die von den Leichtmetallen fortlaufend reduziert wird. Dem Titan fälit hierbei die Aufgabe zu, durch seine hohe Brenngeschwindigkeit in kurzer Zeit eine große Wärmemenge freizusetzen und dabei angelagertes Aluminium zur Reduktion der Stahlschlacke vorzuheizen. Es fällt ihm aber auch gleichzeitig die Aufgabe zu, wie die übrigen Leichtmetalle, als Reduktionsmittel für die Stahlschlacke zu dienen.

Dieser Prozeß setzt somit die Oxydationswärme des Stahles frei, die zusätzlich mit der Reduktionswärme der Leichtmetalle substituiert wird, wobei der Reduktionsprozeß ohne zusätzlichen Sauerstoffbedarf abläuft.

Währenddessen werden im Gegensatz hierzu beim Oxydationsvorgang der bekannten Sauerstofflanzen, siehe auch: »Schweißen und Schneiden«, 1954, H. 3, S. 102 bis 105, im Höchstfalle 1756 kcal pro kg Fe freigesetzt. Je nach Oxydationsgrad fallen an:

Fe + V₂O₂ -* FeO +1137 kcal/kg (1) 3 Fe + 2 O₂ -> Fe₃O₁ + 1592 kcal/kg (2) 2 Fe + ³/₂ O₂ -+ Fe₂O₃ + 1756 kcal/kg (3)

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Ut.: Stahleisenkalender, 1970, Kubaschews -Ι i, O„ und E, L. Evans: Metallurgische Thermochemie. Dt. Bearb. W. Knaul, Berlin, S. 368, UUi ot,J.E,, M, Gleiser, V. Ramakrishro: Thermochemistry for Steelmaking, Addison Wesley Publishing Comp. Reading, Massachusetts, USA.,

Nach den gleichen Lit.-Angaben wird jedoch beim erfindungsgemäßen Gegenstand als Zusammenstellun gen für Redoxreaktionen für die thermochemischen Umsetzungen wirksam und nutzbar gemacht:

Fe-Ti pro kg Ausgangsstoff Redoxreaktion:

3 Fe + 2 O₂ -> Fe₃O₄ + 1592 kcal (I)

Fe₃O₄ + 2Ti -^- 2TiO₂ + 3 Fe + 4713 kcal (II)

Nutzbare Enthalpie: 6305 kcal neg. T.

dazu: 1 kg 3 Fe erneut oxydationsbereit oder nach Titanzusatz die

Fe-Al Redoxreaktion:

2 Fe + ²I-Z O₂ - Fe₂O₃ Fe₂O₃ + Al -> Al₂O₃

Nutzbare Enthalpie:

1756 kcal 7424 kcal

(HD (SV)

9180 kcal neg. T.

dazu: 1 kg 2 Fe erneut oxydationsbereit.

In der gleichen Art verlaufen auch die Redoxreaktionen der verwendeten Metalle Magnesium und SiIi-

Als reine Leichtmetallsauerstofflanze zum Einstechen in Stahlwerkstoffe reagiert aber auch:

Ti-Al, und mit dem Grundwerkstoff Fe exotherm und redoxreaktiv:

Ti + O₂ -> Ti O₂

(V)

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als Einleitung und unter Freisetzung von 4713 kcal, dazu: Oxydation des Fe nach Formeln 1, 2 und 3, mit Redoxreaktionen nach Formeln II und IV.

Es ist der besondere Vorteil dieser Erfindung, daß die verwendeten Stoffe als Oxydationsmittel oder als Reduktionsmittel in bezug auf ihren jeweiligen Partner gewählt werden können.

Bezogen auf den jeweiligen Grundwerkstoff, der zur Bearbeitung vorliegt, findet bei Mineralien, die Siliziumdioxid führen und bei Verwendung eines Mg-haltigen Lanzenkernes zusätzlich folgende Reduktion statt:

2SiO₂ + 2Mg -> 2MgO + Si + 5 913 kcal/kg (VI) Si + O₂ -> SiO₂ + 7 475 kcal/kg (VII)

Nutzbare Enthalpie: 13 388 kcal

neg. Tönung

Auch bei der Al-Verwendung erfolgt nach Ablauf der Formeln III und IV als dritter Re:iktionsprozeß diese Silikatbildung:

Al₈O₃ + SiO₂ -> Al₂O₃ · SiO₂ SiI -f- 451 kca!/kg

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Durch das Hinzufügen von Aluminium zu den Kerndrähten und Pulvern bekannter Lanzen soll durch diese Maßnahme die Brennleistung gesteigert werden. Dies ist nur in geringem Verhältnis anwendbar, weil durch die starke Wärmeableitung des Aluminiums die

Brennflamme bis zum Erloschen abgekühlt wird. Der 65 gemäßen Anordnung kann der prozentuale Anteil kann daher der Wert von etwa 20 % kerne s 5 vom Sauerstoffstrom 7

seiner Oxydation im Sauerstoffstrom das angelagerte Aluminium zur nachfolgenden Reduktion aufheizt, so, daß eine größere Aluminiummenge eingebracht werden kann. Somit ist es möglich, einen Aufschluß der Oxide in vollem stöchiometrischen Verhältnis zu erzielen.

Durch Versuche wurde bestätigt: Beim Abbrennen von Titan im Kern oxydiert dieses freibrennend in der Lanzenpackuug und geht gleichzeitig und anschließend an seine Entzündung brennend und losgetrennt in Stücken in die Fe-Schlacke über. Hierbei wird das benachbart angelagerte Aluminium bis zur flüssigen Form aufgeheizt und dann in die heiße Stahlschlacke geführt.

Als reaktionsfördernde Maßnahme ist auch anzusehen, daß das Aluminium stückförmig verwendet wird. Dadurch, daß keine zusammenhängende Masse die Wärmeableitung physikalisch fördern kann, ist eine leichtere Aufheizung möglich.

Von besonderer Bedeutung ist die Anordnung der Metalle und Zusätze im Brennkern.

Verwendet wird ein Brennkern, ά.'-; hohl ist. Dieser enthält die Metalle und Zusätze. Beim Gebrauch einer solchen Anordnung in einem Brennrohr ist es nicht möglich, daß der Inhalt vom Sauerstoffstrom ausgetrieben wird.

Ein soieher Brennkern kann auch verschiebbar im Brennrohr angeordnet sein und wird dazu durch ein Griffstück hindurchgefiihrt.

An den abgebildeten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung weiter erläutert. Es stellen dar

Fig. 1 die schematische Anwendung des Verfahrens.

F i u. 2 der Schnitt durch die Spitze eines Brennelementes an einer Brennstelle.

F i g. 3 die Schnitte von Brennrohren, F i g. 4 den Schnitt eines Brennrohres mit hohlem Brennkern,

F i g. 5 ein Brennclement mit selbsttätiger Zustellung des Brennkernes,

Fig. 6 den mechanischen Vorschub bei einem Brennelement.

Zunächst zeigt die F i g. 1 die Anordnung eines Brennelementes 6 mit dem Brennrohr 2 und dem Brennkern 5 zum Lochstechen in den Grundwerkstoff 1. Hierbei kann der Brennkern 5 bei Bedarf in das Brennrohr 2 nach- und vorgeschoben werden.

In F i g. 2 wird der Brennvorgang mit einer Anlagerung von Aluminium 4 veranschaulicht. Dabei verbrennt im Sauerstoffstrom 7 der mit dem Brennrohr 2 eingebrachte Stahlwerkstoff unter Wärmeabgabe zu Schlacke 8, Das Titan 3 brennt gleichzeitig im Saüer-5.toffstrcm 7 und heizt dabei das Aluminium 4 auf. das dann bereits reak'ionsbereit in die Schlacke 8 getragen wird.

Auf dem gleichen Wege gelangt Titan 3 brennend in die Schlacke 8. Durch Jie fortlaufende Reduktion der Schlacke 8 entsteht hier eine Hochtemperatur, die den Bohrprozeß beschleunigt.

Die F i g. 3 zeigt verschiedene Anordnungen in einem Brennrohr 2 mit Titan 3 und Aluminium 4, die in Stückform angeordnet sind.

In der F i g. 4 ist ein Brennkern 5 in einem Brennrohr angeordnet. Der Brennkern 5 ist hohl und mit Metallen und Zusätzen gefüllt. Bei dieser erfindungs-

Inhalt des Brennnicht ausgetrieben

nicht überschreiten.
Es ist der Vorteil der Erfindung, daß das Titan bei werden.
Der Brennkern 5 kann

in einem besonderen Falle

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verschiebbar angeordnet sein. Nach F i g. 5 ist im Griffstück 35 ein Ventil angeordnet. Dieses Ventil 12 ermöglicht das Hindurchführen des Brennkernes 5 durch das Griffstück 35 in das Brennrohr 2 hinein. In diesem Falle sind auf dem Brennkern 5 Verstärkungen 14 angeordnet. Dadurch wird der Brennkern 5 vom Sauerstoffstrom 7 nach vorne bewegt.

Die F i g. 6 zeigt den Vortrieb eines Brennrohres 2 und des Brennkernes 5 in Verbindung mit einer mechanischen Vortriebseinrichtung 30 und 31.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

23 OO Patentansprüche;

1. Verfahren zum thermischen Bohren und Lochstechen durch einen Oxydations-Redoxreaktionsprozeß mittels eines sauerstoffbeaufschlagten Brennelementes, dadurch gekennzeichnet, daß Titan oder Titanlegierungen oder -verbindungen gemeinsam mit Eisen in einem Brennelement, gegebenenfalls mit Zusätzen von Leichtmetallen verwendet werden, die in fester Stückform eingebracht werden, und wobei im Falle des Bohrens in eisenhaltigen Grundwerkstoffen ein eisenfreies Brennelement benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium oder Magnesium oder Silizium zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Aluminium, Magnesium und Silizium zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem eisenfreien Brennelement bei Grundwerkstoffen, die Eisen enthalten, Leichtmetalle zugesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Jas Titan und gegebenenfalls die Leichtmetalle miteinander zum Eisen in einem angenäherten stöchiometrischen Verhältnis stehen.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennfcern (b), der zur Einbringung von Metallen und Zusätze: hohl ist, fest oder gegebenenfalls nachschiebbar im Brennrohr (2) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Griffstück (35) ein Ventil (12) zum Nachschieben des Brennkernes (5) mit Abdichtverstärkungen (14) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Vortriebseinrichtung (30, 31) für den durch das Brennrohr (2) und das Griffstück (35) hindurchgeführten Brennkern (5) vorgesehen ist.

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