DE2424541A1

DE2424541A1 - Verfahren und vorrichtung zum einleiten und unterhalten einer thermochemischen reaktion beim flaemmen der oberflaeche eines werkstuecks

Info

Publication number: DE2424541A1
Application number: DE2424541A
Authority: DE
Inventors: Ladislav Sipek; Erik Smars
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-21
Publication date: 1975-01-09
Also published as: AU6885974A; IT1012651B; SE373057C; JPS5019655A; SE373057B; FR2230447A1; BR7404134D0; GB1470834A; US3966504A; DE2424541B2; CA1027464A; FR2230447B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einleiten und Unterhalten einer thermochemischen Reaktion beim Flämmen der Oberfläche eines

Werkstücks

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einleiten und Unterhalten einer thermochemischen Reaktion beim Flämmen der Oberfläche eines Werkstücks zur Beseitigung von Oberflächenfehlern wie Sprüngen oder Rissen, bei dem eine Flämmfackel in kontinuierlicher Bewegung relativ zum Werkstück gehalten wird, wodurch zunächst ein Brennfleck auf der Werkstückoberfläche vorgeheizt und anschließend ein Teil des Werkstückmetalls in Sauerstoff oder einem anderen Reaktionsmedium abgebrannt wird, sowie auf zum Durchführen eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtungen.

Bei der Herstellung von Blechen, Bändern oder anderen Produkten aus Stahl ist es erforderlich, Oberflächenfehler wie Kratzer, Schuppen und Abschürfungen zu entfernen, bevor die Brammen oder Barren ausgewalzt werden. Diese Oberflächenfehler werden durch thermochemisches Flämmen beseitigt, wobei gleichzeitig starke Erhitzung und Sauerstoff zur Einwirkung auf die Oberfläche der Bramme oder des Barrens gebracht werden. Beim thermochemischen Flämmen eines metallischen Werkstücks wird dessen Oberfläche erschmolzen und ein Teil des geschmolzenen Eisens wird oxydiert, wobei sich gleichzeitig eine erhebliche Wärmemenge entwickelt.

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In der Praxis wird entweder mit sogenanntem Flächenflämmen oder mit Punktflammen gearbeitet. Beim Flächenflämmen wird die gesamte Oberfläche einer Bramme oder eines Barrens bis zu einer bestimmten Tiefe geflammt, wobei die Flämmtiefe durch die jeweils gestellten Qualitätsansprüche oder durch die größte Eindringtiefe der auftretenden Oberflächenfehler bestimmt wird. Dieses Verfahren ist offensichtlich unwirtschaftlich, da es sich in manchen Fällen als erforderlich erweist, 2 bis 4 % des Gesamtgewichts des jeweiligen Barrens oder der jeweiligen Bramme zu entfernen. Aus diesem Grunde wird insbesondere beim Kaltflämmen vom sogenannten Punktflammen Gebrauch gemacht, das nur eine lokale Entfernung der jeweiligen Oberflächenfehler mit sich bringt. Die gebräuchlichste Arbeitsweise ist dabei ein selektives Flämmen von- Hand, jedoch sind kürzlich auch Anstrengungen gemacht worden, um Maschinen zu konstruieren, mit denen ein selektives Punktflammen vorgenommen werden kann. Die flauptschwierigkeit ergibt sich in Verbindung mit diesem selektiven Punktflämmen hinsichtlich der Zündung der exothermen Reaktion, die das thermochemische Flämmen ermöglicht.

Für den Bau einer rasch arbeitenden selektiven Punktflämmeinrichtung ist nämlich ein Flämmprozeß mit hinreichend rascher Zündung notwendige Voraussetzung, da mit fliegendem Start gearbeitet werden muß.

Die am besten bekannte Zündmethode besteht darin, während der Zündperiode einen Eisendraht oder Eisenpulver in die Flamme einzubringen. Im allgemeinen wird mit Brenngasflammen, beispielsweise Flammen von Azetylen mit Sauerstoff, gearbeitet, die unmittelbar auf die Stelle des zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet sind, wo der Flämmprozeß beginnen soll. Dabei wird der Eisendraht oder das Eisenpulver in der heißen Brenngasflamme und dem Strom des Flämmsauerstoffs zum Schmelzen und zur Oxydation gebracht. Die heiße Schlacke und die aus der Verbrennung des Eisendrahtes oder des Eisenpulvers entstehende Wärme trifft

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zusammen mit der von der Brenngasflamme selbst abgegebenen Wärme auf das Werkstück und zündet den Flämmprozeß. Die Verwendung von Eisendraht oder Eisenpulver verkürzt die Zündzeit erheblich. Dessen ungeachtet sind aber für die Zündung auch im besten Falle immer noch 2 bis M- Sekunden erforderlich. Selbst wenn sich das Werkstück mit nur relativ niedriger Geschwindigkeit, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/s bewegt, wird bei solchen Zündzeiten der Vorschub des Werkstücks während der Zündperiode imiEier noch untragbar lang. Daher muß während der Zündung entweder das Werkstück angehalten oder die Flämmfackel zusammen mit dem Werkstück bewegt werden. Wenn das Werkstück angehalten werden muß, gibt es selbstverständlich keinen fliegenden Start, und wenn die Flämmfackel zusammen mit dem Werkstück bewegt werden muß, so führt dies zu einer komplizierten und wenig zuverlässigen Konstruktion. Außerdem führt die Verwendung von Eisen oder Eisenpulver als Füllstoff für die Zündung, wobei es in relativ großer Menge benötigt wird, in manchen Fällen zu höheren Kosten für den verbrauchten Füllstoff, als an Kosten für das durch das selektive Punktflammen eingesparte Eisen des Werkstücks selbst eingespart wird.

Es ist daher angeregt worden, die Zündung für den Punktfläinmprozeß noch weiter dadurch zu verkürzen, daß mit einer Methode gearbeitet wird, die sich eines elektrischen Lichtbogens für die Auslösung des eigentlichen Zündvorgangs bedient. Dabei brennt dieser elektrische Lichtbogen zwischen einer nicht verbrauchbaren Pilotelektrode und dem Bereich des Werkstücks, wo das Flammen beginnen soll. Sofort nachdem sich in dem betreffenden Bereich des Werkstücks ein Schmelzbad gebildet hat, wird auf dieses Schmelzbad ein Strom von Flämmsauerstoff zusammen mit der Sauerstoff-Azetylen-Flamme einer herkömmlichen Flämmfackel gerichtet, und die elektrische Pilotelektrode wird rasch aus dem Arbeitsbereich zurückgezogen. Mit diesem Verfahren soll sich die Zündzeit im Vergleich mit einer herkömmlichen Zündung ohne Pilotelektrode oder Eisendraht um den Faktor 10 bis 20 verkürzen

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lassen- Für eine herkömmliche Zündung werden 5 bis 10 Sekunden benötigt, es sollte also möglich sein, die Zündperiode auf einige Zehntel Sekunden herabzusetzen. Ein schwerer Nachteil der oben behandelten Methode liegt jedoch darin, daß die Pilotelektrode, die auf ein aktives Medium trifft, erheblichem Verschleiß und starker Spritzeinwirkung von aus dem Schmelzbad stammender Schlacke ausgesetzt ist.

Für die Auslösung des Verbrennungsvorgangs beim Punktflämmen mit fliegendem Start ist noch eine weitere Methode in Vorschlag gebracht worden, nämlich die Verwendung einer verbrauchbaren Elektrode aus Eisen oder einem anderen Metall. Ein zwischen der Spitze einer solchen Elektrode und dem zu behandelnden Barren brennender elektrischer Lichtbogen führt dazu, daß ein Teil des Drahtes verbraucht wird und zusammen mit dem geschmolzenen Metall an der Oberfläche des Barrens den Ausgangspunkt für den thermochemischen VerbrennungsVorgang an der Oberfläche des Barrens während des Flämmprozesses bildet. Sowohl die Einleitung des chemischen Verbrennungsvorganges als auch das Flämmen selbst werden mit Hilfe einer Fackel vorgenommen, die in üblicher Weise Sauerstoffdüsen und Gasflammen aufweist. Jedoch scheint es in diesem Falle notwendig zu sein, daß der elektrische Lichtbogen eine bestimmte Zeit lang in Richtung auf ein und dieselbe Stelle an der Oberfläche des Barrens brennt, um eine Zündung zu ermöglichen. Zur Erzielung eines fliegenden Starts ist es daher erforderlich, daß der Elektrodenhalter mit Hilfe entsprechender mechanischer Anordnung eine solche Bewegung relativ zu dem über den zu behandelnden Barren hinweggeführten Fackelkopf ausführt, daß der Elektrodenhalter relativ zur Oberfläche des zu behandelnden Barrens in Ruhe bleibt, während der für die Zündung eingesetzte Lichtbogen brennt. Eine solche mechanische Anordnung stellt jedoch einen erheblichen Nachteil dieser Zündmethode dar.

Bei allen oben behandelten und bisher eingesetzten Methoden ist die Verbrennung des Eisens beim Flämmprozeß keine sich vollständig selbst unterhaltende Reaktion, soweit der Wärmebedarf in

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ORiGiNAL INSPECTED

Betracht zu ziehen ist. Daher muß dem Flämmvorgang Wärme von außen zugeführt werden, was wie oben erwähnt üblicherweise mit Hilfe einer oder mehrerer Brenngasflammen geschieht, die beispielsweise mit Azetylen und Sauerstoff gespeist werden und auf die Arbeitszone gerichtet werden müssen. Obwohl dies die in der Praxis häufigste Flämm-Methode ist, so hat sie doch erhebliche Nachteile.

Diese Nachteile beruhen sowohl auf dem Grundprinzip als auch auf der konstruktiven Ausführung. Die Flämmvorrichtung wird in allen Fällen auch zur Einleitung der chemischen Verbrennung verwendet. Da die Flämmvorrichtung aber in Richtung auf eine maximale Flämmgeschwindigkeit konstruiert ist, kann sie die an eine Starteinrichtung für. den chemischen Verbrennungsvorgang zu stellenden Anforderungen nicht in optimaler Weise erfüllen. So vermischen sich Gase aus der Brenngasflamme mit dem Flämmsauerstoff und verdünnen diesen, was dazu führt, daß die Einleitung der chemischen Verbrennung noch schwieriger wird und die Flämmgeschwindigkeit eine Begrenzung erfährt. Die Ströme des Flämmsauerstoffs einerseits und der heißen Brenngase andererseits beeinflussen sich sogar gegenseitig, so daß sich sehr leicht Startgrübchen, .Kanten und Grate in der geflammten Oberfläche ausbilden können und der gesamte Vorgang sehr schwer zu steuern ist. Die schlechte Steuerbarkeit des Vorgangs wiederum führt dazu, daß während des Fortschreitens des Flämmens die Flämmtiefe sich nur durch Einstellung der Flämmgeschwindigkeit ändern läßt. Bei Rampenkonstruktionen für Punktflämmeinrichtungen mit mehreren unabhängig voneinander betriebenen Flämmfackein können sich daher u.a. Schwierigkeiten dabei ergeben, die mit geringer Hitzeentwicklung brennenden Flammen der zeitweilig nicht eingesetzten Flämmfackein am Brennen zu halten.

Ein weiterer mit der Verwendung von Brenngasflammen für die Unterhaltung des Verbrennungsvorganges verbundener Nachteil liegt in der Explosionsgefahr und in der Möglichkeit eines Flammenrückschlags an den Flämmfackeln.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf dem sich die Zündung des Flämmvorgangs unter Vermeidung der oben geschilderten Nachteile der bisher vorgeschlagenen und verwendeten Verfahren und Vorrichtungen in sehr kurzer. Zeit, mit hoher Zuverlässigkeit und ohne die Einhaltung von den Flämmvorgang selbst beeinflussenden Nebenbedingungen bewirken läßt.

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäßjdadurch gelöst, daß der Auslöse- und der Flämmvorgang drei zeitlich und räumlich getrennte Phasen aufweisen, von denen die erste Phase eine Vorheizung und möglicherweise ein Schmelzen von Material in einem Brennfleck oder einer Brennzone am Anfang des Oberflächenfehlers im Werkstück gegebenenfalls in Kombination mit der Abscheidung einer bestimmten Menge an Füllstoff, die zweite Phase eine chemische Verbrennung des geschmolzenen Materials im Bereich des Brennflecks oder der Brennzone und eine Ausdehnung der Brennfläche über ein bestimmtes Gebiet des Werkstücks und die dritte Phase das eigentliche Flämmen des Werkstückmaterials, den Flämmprozeß, umfaßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren äußerst rasche Zündung und gestattet außerdem einen fliegenden Start, ohne daß Startgrübchen entstehen können. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher in besonderem Maße für ein automatisches Punktflammen. Der Flämmprozeß gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt außerdem eine erheblich höhere Flämmgeschwindigkeit zu und gestattet eine Kontrolle der Flämmtiefe bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit> ohne daß sich Grate oder Kanten ausbilden können. Schließlich wird das Flämmen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im Betriebe auch wesentlich billiger und kostengünstiger als nach allen anderen bisher bekannten Verfahren.

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Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Flämmfackel drei räumlich voneinander getrennte, aber vorzugsweise fest miteinander verbundene Hauptteile aufweist, von denen der für die erste Verfahrensphase vorgesehene erste Hauptteil eine oder mehrere Brenngasflammen, einen oder mehrere elektrische Lichtbögen zwischen verbrauchbaren oder nicht verbrauchbaren Elektroden einerseits und dem Werkstück anderseits oder eine oder mehrere Plasmafackeln mit transportierbarem oder nicht transportierbarem Lichtbogen, jeweils gegebenenfalls in Kombination mit einer Speiseeinrichtung für die Zuführung von Füllstoff in Draht-, Streifen- oder Pulverform, der für die zweite Verfahrensphase vorgesehene zweite Hauptteil einen Sauerstoffzünder, der aus einer Sauerstoffleitung und einer oder mehreren Ausströmdüsen besteht, deren Geometrie dem Gasstrom am Düsenausgang vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt und eine unter einem Winkel Oi- zwischen 0 und 45 gegen die Normale auf- das Werkstück gerichtete Strömungsgeschwindigkeit aufprägt, und der für die dritte Verfahrensphase vorgesehene dritte Hauptteil eine Flämmeinrichtung aufweist, die aus einer oder mehreren Sauerstoffleitungen mit anschließenden Ausströmdüsen besteht, an denen der Sauerstoff unter einem Winkel β gegen die Normale auf das Werkstück austritt, der vorzugsweise zwischen 0 und 60 in der Hauptrichtung nach abwärts verläuft.

Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowohl des erfindungsgemäßen Verfahrens selbst als auch der dafür verwendbaren Vorrichtung im einzelnen in Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

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Fig. 1 in schematisch gehaltener Weise die zeitliche und räumliche Aufteilung des Flämmvorgangs und der zugehörigen Flämmvorrichtung in drei verschiedene Verfahrensabschnitte bzw. Vorrichtungsteile, nämlich

a) die Vorheizung und/oder Schmelzung,

b) die Einleitung des chemischen Verbrennungsvorgangs und

c) den eigentlichen Flämmvorgang;

Fig. 2 ein Beispiel für den Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 ein Beispiel für die Unterteilung der Flämmvorrichtung in Unterbaugruppen und

Fig. 4· ein Beispiel für die Kombination der Unterbaugruppen zu Gruppierungen mit zwei oder mehr Flämmfackeln.

Die Darstellung der getrennten Funktionen und Hauptteile des Flämmverfahrens bzw. der Flämmvorrichtung in Fig. 1 zeigt einen ersten Hauptteil 1, der als Vorheiz- und Abscheidungs- bzw. Eindringeinrichtung bezeichnet werden kann, einen zweiten Hauptteil 2, der einen Sauerstoffzünder darstellt, und einen dritten Hauptteil 3, der eine SauerstofffLämmeinrichtung ist. Alle drei Hauptteile 1 bis 3 sind vorzugsweise mechanisch fest miteinander verbunden, jedoch durch bestimmte feste Abstände voneinander getrennt und bilden gemeinsam eine Flämmfackel 10. Diese Flämmfackel 10 dient in Fig. 1 zur Behandlung der Oberfläche 11a eines Barrens oder einer Bramme 11. Während der Zündung des Flämmvorgangs und während des Flämmvorgangs selbst bewegt sich die Flämmfackel 10 relativ zur Oberfläche 11a des Barrens oder der Bramme 11 mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einer in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeuteten Richtung 1, im dargestellten Falle also von rechts nach links. Alternativ dazu kann sich die Bramme oder der Barren 11 relativ zur Flämmfackel 10 in einer durch einen weiteren Pfeil angedeuteten Richtung 5, also in der Darstellung in Fig. 1 von links nach rechts bewegen.

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In dem als Vorheiz- und Abscheidungs- bzw. Eindringeinrichtung zu bezeichnenden ersten Hauptteil 1 spielen sich der erste oder beide der folgenden Vorgänge ab:

a) Eine Wärmequelle 6 sorgt für die Aufheizung des Brennflecks oder der Brennzone auf der Oberfläche des Barrens oder der Bramme 11» wo der thermische Verbrennungsvorgang beginnen soll, und bewirkt außerdem die Aufheizung und/oder die Abscheidung oder Erschmelzung eines brennbaren Füllstoffes 7, falls mit einem solchen gearbeitet wird. Der Füllstoff 7 kann dabei beispielsweise in Draht-, Streifen-oder Pulverform zum Einsatz kommen.

b) Für den Transport des Füllstoffs 7 ist eine Transporteinrichtung vorgesehen, die den Füllstoff 7 bis zum Brennfleck auf der Oberfläche des Barrens oder der Bramme 11 bringt, wo er zusammen mit Material aus der Oberfläche des Barrens oder der Bramme 11 selbst aufgeheizt und gegebenenfalls geschmolzen wird.

Für die bauliche Ausführung des Hauptteils 1, also der Vorheiz- und Abscheidungs- bzw. Eindringeinrichtung kommt beispielsweise die eine oder die andere der nachstehenden Alternativen in Betracht:

a) Eine oder mehrere Brenngasflammen, die vorzugsweise mit Azetylen und Sauerstoff gespeist werden, heizen den Brennfleck oder die Brennzone in der Oberfläche 11a des Barrens oder der Bramme11 an der Stelle, wo der Verbrennungsvorgang beginnen soll, auf eine Temperatur auf ,die ausreicht, um den thermochemischen Verbrennungsvorgang in dem Augenblick beginnen zu lassen, in dem aus dem Hauptteil 2, dem Sauerstoffzünder, reiner Sauerstoff in Richtung auf den Brennfleck oder die Brennzone zu strömt.

b) Eine oder mehrere Brenngasflammen, gemäß Alternative a), werden in Verbindung mit einer Speiseeinrichtung für Füllstoff in Draht- oder Streifenform eingesetzt, wobei eine bestimmte Menge

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an Füllstoff in geschmolzenem Zustand dem Brennfleck oder der Brennzone an der Oberfläche 11a des Barrens oder der Bramme 11 zugeführt wird, wo die chemische Verbrennung beginnen soll.

c) Es wird mit einer oder mehreren Brenngasflammen und mit Füllstoff gemäß der Alternative b) gearbeitet, wobei dieser Füllstoff jedoch nicht in Draht- oder Streifenform verwendet wird, sondern aus Pulver besteht.

d) Es wird eine Einrichtung verwendet, die einen oder mehrere elektrische Lichtbogen enthält, die zwischen nicht verbrauchbaren Elektroden einerseits und dem Brennfleck oder der Brennzone in der Oberfläche lla des Barrens oder der Bramme 11 brennen, die auf die Zündtemperatur aufgeheizt werden sollen.

e) Es wird wieder mit einer Lichtbogeneinrichtung gemäß der Alternative d), jedoch in Verbindung mit einer oder mehreren Speiseeinrichtungen für Füllstoff in Draht-, Streifen- oder Pulverform gearbeitet, wobei dieser Füllstoff im Lichtbogen geschmolzen und der Oberfläche lla der Bramme oder des Barrens 11 zugeführt wird.

f) Es wird eine Vorrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 2 verwendet, die einen oder mehrere elektrische Lichtbögen 6' aufweist, die zwischen verbrauchbaren drahtförmigen Elektroden 7a aus Eisen oder einem anderen Metall einerseits und dem Brennfleck oder der Brennzone 7· an der Oberfläche des zu behandelnden Barrens brennen, wo eine thermochemische Verbrennung beginnen soll, wodurch eine bestimmte Menge an Elektrodenmaterial abgeschieden und dem Brennfleck oder der Brennzone in der Oberfläche des Barrens gleichzeitig mit deren Aufheizung und gegebenenfalls teilweiser Schmelzung durch die vom Lichtbogen entwickelte Wärme zugeführt wird. Dabei wird entsprechend der Darstellung in Fig. mit einer Stromquelle 12, einer Stromzuführung 13 und einer Speiseeinrichtung 14- für die Zuführung des Elektrodenmaterials gearbeitet .

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g) Es wird mit einer Vorrichtung gemäß der Alternative f) gearbeitet, wobei jedoch eine verbrauchbare Elektrode von Streifenform zum Einsatz kommt. Mit Hilfe einer solchen Streifenelektrode läßt sich eine breite Zone in der Oberfläche des Barrens oder der Bramme erzeugen, die für die Zündung des Verbrennungsvorganges vorbereitet ist. Die Breite dieser Zone kann durch die entsprechende Wahl der Breite der streifenförmigen Elektrode vorbestimmt werden.

h) Es wird mit einer oder mehreren Plasmafackeln gearbeitet, die mit Hilfe eines auf die zu bearbeitende Oberfläche eines Barrens oder einer Bramme oder auch nicht darauf übertragenen Lichtbogens einen Brennfleck oder eine Brennzone in dieser Oberfläche, wo die Verbrennung beginnen soll, auf die Zündtemperatur aufheizen.

i) Es wird mit einer oder mehreren Plasmafackeln gemäß der Alternative h) gearbeitet, wobei jedoch außerdem über eine Speiseeinrichtung Füllstoff in Draht- oder Streifenform in das Lichtbogenplasma oder das Schmelzbad eingebracht, dort geschmolzen und dem Brennfleck oder der Brennzone in der Oberfläche des Barrens oder der Bramme zugeführt wird. Bei Verwendung des Füllstoffes in Drahtform kann dieser Draht in das Lichtbogenplasma unter einem Winkel zur Symmetrieachse der Plasmafackel unterhalb von deren Austrittsdüse eingeführt werden, oder er kann mehr oder weniger axial durch die Plasmafackel und durch deren Austrittsdüse hindurch zugeführt werden. Dabei kann die Vorrichtung auch so aufgebaut sein, daß der drahtförmige Füllstoff gemäß vorbekannten Methoden stromführend wird.

j) Es wird wieder mit einer oder mehreren Plasmafackeln gemäß der Alternative h), jedoch in Kombination mit einer Speiseeinrichtung für Füllstoff in Pulverform gearbeitet, wobei dieser Füllstoff in das Lichtbogenplasma eingebracht, darin aufgeheizt und dem Brennfleck oder der Brennzone in der Oberfläche des Barrens oder der Bramme zugeführt wird.

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Der als Sauerstoffzünder zu bezeichnende Hauptteil 2 der Flämmfackel 10 in Fig. 1,2 und 3 bzw. die entsprechenden Teile 2', 2" und 2"' in Fig. 4 dienen zur Auslösung des thermochemischen Verbrennungsvorgangs im·Brennfleck oder in der Brennzone auf der zu behandelnden Oberfläche des Barrens oder der Bramme nach deren vorheriger Voraufheizung durch den u.a. als Vorheizeinrichtung wirkenden Hauptteil 1 der Flämmfackel 10 in Fig. 1,

2 und 3 bzw. die entsprechenden Teile I¹, 1" und 1"' in Fig. 4 und zur Erstreckung dieser Verbrennung über eine größere Fläche und vorzugsweise entlang Richtungen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Flämmfackel 10 oder des Barrens bzw. der Bramme 11 verlaufen.

Dazu ist der Sauerstoffzünder mit einer oder mehreren Sauerstoff leitungen versehen, die speziell geformte Düsen aufweisen, aus denen durch eine Heizeinrichtung 15 vorgeheizter reiner Sauerstoff in Richtung auf die zu behandelnde Oberfläche der Bramme oder des Barrens hin austritt. Diese Ausströmdüsen sind dabei so gebaut und werden mit solchem Druck gespeist, daß der auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtete Sauerstoffstrom eine bestimmte Stärke, eine bestimmte Geschwindigkeit und einen bestimmten geometrischen Querschnitt von vorzugsweise kreisförmiger oder ovaler Gestalt aufweist und mit der Normalen auf die zu behandelnde Oberfläche einen bestimmten Winkel (X einschließt. Dieser Winkel dX liegt vorzugsweise zwischen 0 und 45°.

Der als Sauerstoffflämmeinrichtung zu bezeichnende Hauptteil

3 der Flämmfackel 10 in Fig. 1,2 und 3 bzw. die entsprechenden Teile 3", 3" und 3"^f in Fig. k sorgen für die eigentliche Entfernung von Material im Verlaufe des Flämmvorgangs. Dazu enthalten diese Bauteile eine oder mehrere Leitungen mit angeschlossenen Ausströmdüsen für Sauerstoff, aus denen in einer Heizeinrichtung 16 vorerhitzter reiner Sauerstoff in Richtung auf das zu flammende Gebiet auf der Oberfläche des Barrens oder der Bramme 11 zu strömt, wobei Stärke und Geschwindigkeit dieses Gasstromes 9 der jeweils gewünschten Flämmgeschwindigkeit angepaßt

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sind. Die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit für den aus den Ausströmdüsen austretenden Sauerstoff schließt dabei mit der Normalen auf die Oberfläche der Bramme bzw. des Barrens 11 einen Winkel ß ein, der vorzugsweise zwischen 0 und 60° liegt.

Die Flämmeinrichtung kann dabei mit Ausströmdüsen versehen sein, die dem Sauerstoffstrom einen im wesentlichen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt oder auch einen Querschnitt in Form eines abgeschrägten Rechtecks oder sonst einen Querschnitt mit einem kleinen Verhältnis zwischen der größten und der kleinsten Ausdehnung aufprägen, ,wobei dieses Ausdehnungsverhältnis vorzugsweise kleiner ist als 2. In allen Fällen schließt die Strömungsrichtung für den Sauerstoff mit der Normalen auf die Oberfläche der Bramme oder des Barrens 11 einen Winkel ß ein, der vorzugsweise zwischen 0 und 60° liegt. Durch passende Wahl der Geomötr.ie für die Ausströmdüsen, der Gasströmung und der Vorschubgeschwindigkeit lassen sich Flämmfugen unterschiedlicher Breite und Tiefe erhalten. Eine in dieser Weise aufgebaute Flämmvorrichtung wird primär unter Betrieb nur einer einzigen Flammfackel eingesetzt, wenn in einem bestimmten Zeitpunkt nur eine einzige Flämmfuge erzeugt und ein Fugenprofil mit größter Tiefe in der Fugenmit;te erhalten werden soll.

Die Flämmeinrichtung kann außerdem mit Ausströmdüsen versehen werden, die einen Sauerstoffstrom entstehen lassen, dessen Querschnitt in Transversalrichtung zur Flämmfuge große Abmessungen im Vergleich zu seiner Erstreckung in Längsrichtung der Flämmfuge aufweist. Die Richtung des Sauerstoffstromes am Düsenausgang sollte dann mit der Normalen auf die zu behandelnde Oberfläche einen Winkel ß einschließen, der vorzugsweise zwischen 30 und 60 liegt. Eine Flämmvorrichtung dieser Bauart findet vorzugsweise dann Einsatz, wenn ein Flämmfugenprofil mit im wesentlichen ebener Basis gewünscht wird, wenn zwei oder mehr Flammfackeln nebeneinander zum Einsatz kommen und wenn zwei oder mehr nebeneinander liegende Fugen gleichzeitig geflammt werden sollen.

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Gemäß der Darstellung in Fig, 3 kann die Ausströmdüse der Flämmeinrichtung auch in mehrere Untergruppen aufgeteilt werden, die eine gemeinsame oder eine getrennte Steuerung der austretenden Gasströme erhalten können. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der die Flämmeinrichtung bildende Hauptteil 3 der Flämmfackel 10 in fünf solche Untergruppen unterteilt. Bei getrennter Steuerung der Gasströmung durch diese einzelnen Untergruppen wird es möglich, die Breite der Flämmfuge wahlweise festzulegen. Eine Flämmfackel mit einer Vorheizeinrichtung, einem Sauerstoff zünder und einer Sauerstoffflammeinrichtung, die beispielsweise zehn,.Unterbaugruppen enthält, von denen jede in Transversalrichtung zur Flämmfuge eine Ausdehnung von beispielsweise 2 cm und eine getrennte Steuerungsmöglichkeit für die einzelnen Sauerstoffströme besitzt, gestattet die Flämmung von Fugen, deren Breite beispielsweise zu 6, 10, IM- und 18 cm gewählt werden kann.

Eine solche Unterteilung der Flämmeinrichtung in Unterbaugruppen schafft außerdem die Möglichkeit, zwei oder mehr Flammfackeln nebeneinander anzuordnen, wie dies in Fig. U veranschaulicht ist, und diese Flämmfackeln einzeln oder in Gruppen zu zweien oder mehreren gleichzeitig zu betreiben.

In der Darstellung in Fig. 4 dienen als Vorheizeinrichtungen Teile I¹, 1" und I¹", als Sauerstoff zünder Teile 2', 2" und 2" ' und als Flämmeinrichtungen Teile 3', 3" und 3"', Damit jede einzelne Flämmfackel eine Flämmfuge mit einer Breite erzeugen kann, die der gesamten geometrischen Breite einer Unterbaugruppe entspricht, ist eine Überlappung in der Weise vorgesehen, daß im Grenzbereich zwischen einer aktiven und einer passiven Flämmfackel auch der Unterbaugruppe der passiven Flämmfackel Sauerstoff zugeführt wird, die der aktiven Flämmfackel am nächsten liegt. Durch passende Wahl der Geomtrie für die Ausströmdüsen, der Gasströmung und der Vorschubgeschwindigkeit läßt sich eine Flämmung mit unterschiedlicher Flammtiefe erreichen.

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Angemerkt sei, daß im Rahmen der Erfindung sowohl der Vorgang der Sauerstoffzündung als auch der Flämmvorgang so durchgeführt werden können, daß allein reiner Sauerstoff in Richtung auf die zu flammende Oberfläche strömt und keinerlei Beimischung von Gasen aus einer Brenngasflamme erfolgt. Dieser Umstand macht in Verbindung mit dem System für die Voraufheizung und Vorschmelzung, der Sauerstoffzündung und der Ausbildung des Sauerstoffstromes von der Flämmeinrichtung den Flämmvorgang hinsichtlich des Wärmebedarfs autark, so daß es keiner Wärmezufuhr von außen bedarf.

Die Flämmeinrichtung und gegebenenfalls auch der Sauerstoffzünder können mit Einrichtungen für die Voraufheizung des Sauerstoffs versehen werden, wodurch sich eine Erhöhung der Flämmgeschwindigkeit erzielen läßt. Eine solche Voraufheizung kann dadurch erreicht werden, daß das Gas vor seinem Ausströmen aus den Ausströmdüsen Wärmetauscher passiert, wie dies in Form der Heizeinrichtungen 15 und 16 in Fig. 2 veranschaulicht ist, wobei diese Wärmetauscher beispielsweise mit elektrischen Heizwiderständen von spiralenförmiger oder rohrförmiger Gestalt versehen sein können. Eine Vorheizung läßt sich auch so erhalten, daß der Sauerstoff durch Leitungen geführt wird, deren Wände beispielsweise mit Hilfe von Brenngasflammen unterschiedlich erhitzt werden. Zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration an der zu flammenden Oberfläche kann der Sauerstoff alternativ dazu von der Flämmeinrichtung und gegebenenfalls auch vom Sauerstoffzünder aber auch in gekühltem oder flüssigem Zustand abgegeben werden, wobei dann die Ausströmdüsen entsprechend ausgebildet sein müssen.

Die Einleitung des Flämmvorgangs geschieht in folgender Weise:

Die Flämmfackel 10 wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Längsrichtung über die zu flammende Oberfläche 11a des Barrens oder der Bramme 11 hinweggeführt, wie dies beispielsweise

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in Fig. 1 und 2 durch die Richtung H von rechts nach links markierende Pfeile angedeutet ist. Wenn sich die Vorheiz- und Schmelzeinrichtung der Flämmfackel 10 oberhalb der Stelle auf der Oberfläche 11a des Barrens oder der Bramme 11 befindet, wo der Flämmvorgang beginnen soll, wird die Wärmequelle, die Gasflammen oder einen elektrischen Lichtbogen 6' enthalten kann, gezündet, und außerdem wird gegebenenfalls Füllstoff 7, beispielsweise in Form eines Eisendrahtes, über die Speiseeinrichtung 14 zugeführt. Der elektrische Lichtbogen 6' wird dabei über den Stromanschluß 13 von der Stromquelle 12 her unterhalten. Auf der Oberfläche 11a des Barrens oder der Bramme 11 bildet sich dann ein Brennfleck mit einer Zone 7' aus aufgeheiztem und gegebenenfalls geschmolzenem Material aus. Sobald der den Sauerstoffzünder bildende Teil 2 der Flämmfackel 10 diesen Brennfleck oder diese Brennzone passiert, wird der Sauerstoffstrom durch den Sauerstoffzünder angeschaltet, wodurch der thermochemische Verbrennungsvorgang im vorgeheizten Bereich des Brennflecks oder der Brennzone in Gang kommt. Dieser thermochemische Verbrennungsvorgang breitet sich nach allen Richtungen hin aus, und die Brennfläche vergrößert sich rasch sogar nach den Seiten zu. Wenn der die Flämmeinrichtung darstellende Teil 3 der Flämmfackel 10 dieses über eine große Breite hinweg gezündete Gebiet passiert, wird der Sauerstoffstrom durch die Flämmeinrichtung angeschaltet, wodurch sofort das tatsächliche Flämmen von Material über eine große Breite hinweg in Gang kommt. Die Vorheiζeinrichtung kann während des gesamten Flämmvorgangs in Betrieb gehalten werden, sie wird jedoch vorzugsweise mit Inbetriebnahme des Sauerstoffzünders oder kurz zuvor oder kurz danach abgeschaltet. Auch der Sauerstoffzünder kann während des gesamten Flämmvorgangs mit vollem Gasstrom in Betrieb gehalten werden, er kann aber vorzugsweise mit Inbetriebnahme der Flämmeinrichtung oder kurz zuvor oder kurz danach auf verminderten Gasstrom umgeschaltet oder· ganz abgeschaltet werden. Das oben beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung für die Zündung und Unterhaltung des thermochemischen Flämmvorgangs umfassen also offensichtlich drei zeitlich und räumlich voneinander zu unterscheidende Funktionen und Anordnungen.

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Für die Durchführung der Erfindung sind auch andere Ausführungsformen als die oben beschriebenen möglich; als Beispiele können insbesondere genannt werden:

1. eine Änderung des Winkels ß für die Steuerung der Geometrie der Flämmfuge,

2. eine Kombination eines getrennten Sauerstoffzünders gemäß

der Erfindung mit einer herkömmlichen Fiammeinrichtung mit Brenngasflammen und

3. der Einsatz von Füllstoff in Form von Eisenpulver oder anderem verbrauchbarem Material im Säuerstoffzünder und/oder in der Fiammeinrichtung zur Erleichterung des Flämmens von legiertem Stahl oder anderen Metallen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Einleiten und Unterhalten einer thermochemischen Reaktion beim Flämmen der Oberfläche eines Werkstücks zur Beseitigung von Oberflächenfehlern wie Sprüngen oder Rissen, bei dem eine Flammfackel in kontinuierlicher Bewegung relativ zum Werkstück gehalten wird, wodurch zunächst ein Brennfleck auf der Werkstückoberfläche vorgeheizt und anschließend ein Teil des Werkstückmetalls in Sauerstoff oder einem anderen Reaktionsmedium abgebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöse- und der Flämmvorgäng drei zeitlich und räumlich getrennte Phasen aufweisen, von denen die erste Phase eine Vorheizung und möglicherweise ein Schmelzen von Material in einem Brennfleck oder einer Brennzone am Anfang des Oberflächenfehlers im Werkstück gegebenenfalls in Kombination mit der Abscheidung einer bestimmten Menge an Füllstoff, die zweite Phase eine sfchemische Verbrennung des geschmolzenen Materials im Bereich des Brennflecks oder der Brennzone und eine Ausdehnung der Brennfläche über ein bestimmtes Gebiet des Werkstücks und die dritte Phase das eigentliche Flämmen des Werkstückmaterials, den Flämmprozeß, umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückoberfläche in der Auslösephase und/oder der Flämmphase reiner Sauerstoff ohne einen Zusatz von Gasen aus Brenngasflammen zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizung und das mögliche Schmelzen eines Brennflecks oder einer Brennzone in der Werkstückoberfläche sowie die gegebenenfalls Abscheidung einer bestimmten Menge an Füllstoff in der ersten Phase mit Hilfe der Hitze einer Plasmafackel bewirkt werden.

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4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flämmfackel (10) drei räumlich voneinander getrennte, aber vorzugsweise fest miteinander verbundene Hauptteile (1, 2 und 3) aufweist, von denen der für die erste Verfahrensphase vorgesehene erste Hauptteil

(1) eine oder mehrere Brenngasflammen, ,einen oder mehrere elektrische Lichtbogen zwischen verbrauchbaren oder nicht verbrauchbaren Elektroden einerseits und dem Werkstück (11) anderseits oder eine oder mehrere Plasmafackeln mit transportierbarem oder nicht transportierbarem Lichtbogen, jeweils gegebenenfalls in Kombination mit einer Speiseeinrichtung (14) für die Zuführung von Füllstoff (7) in Draht-, Streifen-oder Pulverform, der für die zweite Verfahrensphase vorgesehene zweite Hauptteil (2) einen Sauerstoffzünder, der aus einer Sauerstoffleitung und einer oder mehreren Ausströmdüsen besteht, deren Geometrie dem Gasstrom am Düsenausgang vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt und eine unter einem Winkel OC zwischen 0 und 45° gegen die Normale auf das Werkstück (11) gerichtete Strömungsgeschwindigkeit aufprägt, und -der für die dritte Verfahrensphase vorgesehene dritte Hauptteil (3) eine Flämmeinrichtung aufweist, die aus einer oder mehreren Sauerstoffleitungen mit anschließenden Ausströmdüsen besteht, an denen der Sauerstoff unter einem Winkel ß gegen die Normale auf das Werkstück (11) austritt, der vorzugsweise zwischen 0 und 60° in der Hauptrichtung nach abwärts verläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Hauptteil (1) der Flämmfackel (10) in Kombination mit einer oder mehreren Plasmafackeln eine Zuführung von Füllstoff (7) in Form eines gegebenenfalls stromführenden Drahtes oder Streifens oder von Pulver insbesondere aus Eisen unterhalb der Ausströmdüsen der Plasmafackeln unter einem Winkel zu deren Symmetrieachse oder in Axialrichtung durch diese Ausströmdüsen hindurch vorgesehen ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flämmeinrichtung im dritten Hauptteil (3) der Flämmfackel (10) im wesentlichen aus einer Fackel mit einer Ausströmdüse besteht, die einen Sauerstoffstrom abgibt, der bei seinem Austritt aus der Ausströmdüse mit der Normalen auf die Oberfläche (lla) des Werkstücks (11) einen Winkel ß zwischen 0 und 60 einschließt und einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt, einen Querschnitt von der Gestalt eines abgeschrägten Rechtecks oder einen Querschnitt mit einem vorzugsweise unter dem Wert 2 liegenden Verhältnis zwischen seiner größten und seiner kleinsten Abmessung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Flämmeinrichtung im dritten Hauptteil (3) der Flämmfackel (10) eine Ausströmdüse aufweist, die einen Sauerstoffstrom mit einem Querschnitt austreten läßt, der transversal zur Richtung der Flämmfuge eine im Vergleich zu seiner Erstreckung in Längsrichtung der Flämmfuge große Ausdehnung besitzt, und diesem Sauerstoffstrom am Düsenausgang eine unter einem Winkel ß von vorzugsweise 30 bis 60° zur Normalen auf das Werkstück (11) verlaufende Richtung aufprägt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffleitung und die Ausströmdüse der Flämmeinrichtung in Unterbaugruppen unterteilt sind, für die jeweils getrennte Steuerungen für die Gaszufuhr vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Flämmfackeln nebeneinander angeordnet sind, die sich einzeln und unabhängig voneinander oder in Gruppen zu zwei oder mehr Fackeln gleichzeitig betreiben lassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Grenzbereich zwischen benachbarten Flämmfackeln eine Überlappung der Flämmfugen in der Weise vorgesehen ist, daß an der Grenze zwischen einer aktiven Flämmfackel und einer passiven Flämmfackel auch deren der aktiven Flämmfackel nächstliegende Unter-

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baugruppe mit Sauerstoff speisbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den Sauerstoffzünder im zweiten Hauptteil (2) und/oder für die Flämmeinrichtung im dritten Hauptteil (3) der Flämmfackel,(10) eine Vorheizung (15 bzw. 16) für den zugeführten Sauerstoff, beispielsweise in Form von elektrischen Heizwiderständen oder mittels Brenngasflammen, vor dem Austritt des Sauerstoffs aus den Ausströmdüsen vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche h bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den Sauerstoffzünder im zweiten Hauptteil (2) und/oder für die Flämmeinrichtung im dritten Hauptteil (3) der Flämmfackel (10) eine Kühlung für den zugeführten Sauerstoff zu dessen Abgabe in gekühltem oder flüssigem Zustand in der Zündphase und/oder in der Flämmphase vorgesehen ist.

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