DE2748789B2

DE2748789B2 - Verfahren und Vorrichtung zum thermochemischen Flämmen

Info

Publication number: DE2748789B2
Application number: DE2748789A
Authority: DE
Inventors: Stephen August Shenorock N.Y. Engel (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: ESAB AB
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1977-10-31
Publication date: 1979-08-30
Also published as: PL201834A1; MX147766A; SU824883A3; NO152158B; FR2400985A1; ATA777477A; BE860373A; DE2748789A1; IT1090241B; YU205282A; GB1591746A; PH16020A; NO773725L; YU39827B; AT379098B; TR19979A; BR7707262A; JPS5435849A; SE433577B; DE2748789C3

Description

den ist. Die abgesaugten Rauchgase werden zur Reinigung durch ein Filter, insbesondere Meßfilter, hindurchgcleitet, bevor sie ins Freie abgelassen werden. Unabhängig davon, ob es sich um eine stationäre oder eine verfahrbare Flämmaschine handelt, sind die Anlagenteile, die zum Auffangen und Reinigen des Rauchs benötigt werden, verhältnismäßig groß. Kostspielig und schwierig zu warten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Flämmen der Oberfläche eines metallischen Werkstückes zu schaffen, die es auf besonders einfache Weise erlauben, die Ausbildung von .Sekundärgraten entlang den Grenzbereichen von Flcc'kflämmschnittcn zu verhindern und/ oder die Menge an Rauch erheblich herabzusetzen, die auf Grund der Flämmrcaktion in die Atmosphäre gelangt. Es ist zwar auch schon bekannt (DF.-AS Rauch auf, wodurch die Menge des in die umgebende Atmosphäre emittierten Rauchs wesentlich vermindert wird.

Wenn der den Fluidvorhang bildende Strom oder die betreffenden Ströme von oberhalb des Sauerstoffstromes und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Sauerstoffstrom so gerichtet werden, daß der Strom auf das Schmelzbad in seiner vollen Breite und in ausreichendem Absland stromaufwärts vom vorderen Rand des Schmelzbadcs sowie mit ausreichender Intensität auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbadcs zu granulieren und in Richtung des Flämmweges vorwärlszuschieben, wird das Schmelzbad hinreichend klein gehalten, so daß es mittels des Flämmsauersloffstromes leicht vorgeschoben werden kann, ohne daß ein Teil des Schmelzbades seitlich über die Grenzbereiche des Flämmschnittes hinaus ausgclenkt wird. Auf diese

it co T-IU/, /.Ulli VJl clliuiict 1.11 ULI want ihm ιιιιι.Ί ι ιαιιιιπ-vorganges auf der Oberfläche des Werkstückes entstehenden Schlacke ein Wasser-Luft-Gemisch fächerförmig aus einer abgeflachten Düsenaustrittsöffnung austreten zu lassen, deren längere Achse etwa senkrecht zur Werkstückoberfläche gerichtet ist. Dabei wird jedoch keine Tasche gebildet, in der Rauchgase aufgefangen werden.

Das Verfahren nach der Erfindung gestattet es dagegen, auf einfache Weise die Menge der abziehenden Rauchgase wesentlich zu verringern, weil ein großer Teil dieser Gase in der von dem Fluidvorhang begrenzten Tasche eingeschlossen und in dem Fluidvorhang aufgefangen wird. Der Fluidvorhang erwies sich ferner als geräuschmindernd, d. h. er senkt den mit der Flammreaktion verbundenen Geräuschpegel.

Ein Verfahren zum thermocheniischen Flämmen, bei dem ein Flämmsauerstoffstrom unter Ausbildung einer thermochemischen Reaktion gegen eine Reaktionszone aus geschmolzenem Metall auf der Oberfläche eines metallischen Werkstückes gerichtet wird sowie der Sauerstoffstrom und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, um die Reaktion entlang der Metalloberfläche fortzuführen und den gewünschten Flämmschnitt zu erzeugen, wobei die Reaktion ein Schmelzbad vor der vorrückenden Reaktionszone ausbildet, das größer zu werden sucht, während der Schnitt fortschreitet, ist erl'indungsgemäU dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strom eines nichtreagierenden Fluids unter Ausbildung eines die Reaktionszone und mindestens den hinteren Teil des Schmelzbades abdeckenden, flächigen Fiuidvorhanges derart gerichtet wird, daß der Fluidvorhang zusarrmen mit der Werkstückoberfläche eine Tasche bildet.

Der Fluidvorhang kann unter Ausbildung der Tasche die Werkstückoberfläche unmittelbar schneiden. Es ist aber auch möglich, die Tasche mittelbar auszubilden, indem man den vorderen Rand des Vorhanges einen der querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen schneiden läßt, das heißt einen der Wasserströme, die senkrecht zur Richtung des Flämmschnittes verlaufen und die Werkstückoberfläche unmittelbar vor dem Flämmschmelzbad überstreichen.

Der Fluidvorhang kann entweder von oben und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Sauerstoffstrom schiefwinklig nach unten auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden, oder aber von der Seite des Sauerstoffstromes aus und im wesentlichen rechtwinklig zu diesem schräg auf die Werkstück oberfläche gerichtet sein. In beiden Fällen fängt der Vorhang den von der Flämmreaktion ausgehenden

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Eine Vorrichtung zum Flämmen der Oberfläche eines Metallkörpers mit einer Einrichtung, die einen Sauerstoffstrom abgibt und gegen eine Reaktionszone aus geschmolzenem Metall auf der Oberfläche des Metallkörpers richtet, um dort eine thermocheniisehe Reaktion herbeizuführen, sowie mit einer Einrichtung, die für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der den Sauerstoffstrom abgebenden Einrichtung sorgt, ist cifindungsgemäll gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die mindestens einen Strom eines nichtreagierenden Fluids unter Ausbildung eines die Reaktionszone und mindestens den hinteren Teil des Schmelzbades abdeckenden, flächigen Fiuidvorhanges derart abgibt, daß der Fluidvorhang zusammen mit der Werkstückoberfläche eim: Tasche bildet. Auf diese Weise kann die Bildung von Sekundärgraten entlang den Grenzbereichen eines Fleckflämmschnittes verhindert und/oder die durch eine Flämmreaktion erzeugte Rauchmenge wesentlich herabgesetzt werden, die in die Atmosphäre gelangt.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind querverlaufende Schlackenwasserstrahlen vorgesehen. In diesem Falle sind die den Fluidvorhang ausbildenden Düsen derart gerichtet, daß der vordere Rand des Vorhangs einen der querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen schneidet.

Die Düsen können entweder von oberhalb der den Sauerstoffstrom abgebenden Einrichtung im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Sauerstoffstrom schiefwinklig nach unten gerichtet oder von der Seite der den Sauerstoffstrom abgebenden Einrichtung aus im wesentlichen rechtwinklig zu dem Sauerstoffstrum schräg auf die Werkstückoberfläche zu gerichtet sein. In jedem Fall fängt der Vorhang Dämpfe und teilchenförmige Stoffe auf, die von der Flämmreaktion ausgehen, was zu einer wesentlichen Verminderung der in die umgebende Atmosphäre emittierten Rauchmenge führt.

Wenn die der Ausbildung des Vorhanges dienenden Düsen von oberhalb des Sauerstoffstromes aus und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Sauerstoffstrom schiefwinklig auf die Werkstückoberfläche derart gerichtet sind, daß der Fluidstrom auf das Schmelzbad in seiner vollen Breite und in ausreichendem Abstand stromaufwärts vom vorderen Rand des Schmelzbades sowie mit ausreichender Intensität auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades zu granulieren und mittels des. Fluidstroms in Richtung des Flämmweges vorwärtszuschieben, wird das Schmelzbad ausreichend klein gehalten, so daß es mittels des Flämmsauerstoffstromes entlang der Metalloberfläche

leicht vorschiebbar ist. ohne daß ein Teil des Schmelzbades seitlich über die Grenzbereiche des Flämmschnittes hbaus ausgelcnkt wird. Auf diese Weise wird die Bildung von Sekundärgraten verhindert.

Unter dem Begriff »nichtreagierendes Fluid« wird vorliegend ein Fluid verstanden, das mit dem metallischen V'crksiück nicht rasch reagiert. Sowohl zur Vermeidung der Bildung von Sekundärgraten als auch zur Beherrschung der Rauchentwicklung wird als nichtreagierendes Fluid vorzugsweise Wassor benutzt. Zur weiteren brauchbaren, nichtreagierenden Fluiden gehören beispielsweise Dampf. Wasscrnebcl (d. h. ein Gemisch von Wasser und Luft) oder Gemische aus Wasser und einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbcispielen näher erläutert. In ilen /pirhniingpn /cigl

F i g. I in Seitenansicht eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Fleckflämmschnittes, wobei das Schmelzbad aus schmelzflüssigcm Metall und Schlacke ausgebildet ist.

Fig. 2 und 3 eine DraufM'ht und eine Qucrschnittsdarstcllung einer Stahlbramme, die mit einer herkömmlichen Düse unter Bildung von Graten fleckgeflämmt wurde,

F i g. 4 und 5 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Stahlbramme, die mit einer Düsenanordnung fleckgeflämmt wurde, die ein Vermeiden von Primärgraten '^stattet, jedoch nicht in der Lage ist, die Bildung von Sekundärgraten entlang den Schnittgrenzbereichen auszuschließen,

F i g. 6 und 7 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Stahlbramme, die auf die erfindungsgemäße Weise fleckgeflämmt wurde, d. h. derart, daß ein Schnitt erhalten wird, der sowohl von Sekundärgraten als auch von Primärgraten frei ist.

Fig.8 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die erkennen läßt, wie eine Metallbramme unter Ausbildung eines gratfreien Schnittes fleckgeflämmt werden kann, während gleichzeitig die in die Atmosphäre emittierte Rauchmenge verringert wird.

Fig. 9 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die relative Ausrichtung des Wasserstromes und des Sauerstoffstromes erkennen läßt, um sowohl die Rauchbildung herabzusetzen als auch Sekundärgrate zu vermeiden.

Fig. 10 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Fluidvorhang erkennen läßt, der die Menge des in die Atmosphäre emittierten Rauchs herabsetzt, jedoch nicht unbedingt Sekundärgrate verhindert

F i g. 11 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Fluidstrom erkennen läßt der sich zur Vermeidung der Bildung von .Sekundärgraten eignet, jedoch nicht den in die Atmosphäre emittierten Rauch herabsetzt

F i g. 12 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Fluidvorhang dargestellt ist der von der Seite des Werkstückes aus senkrecht zum Sauerstoffstrom gerichtet wird und die Menge des in die Atmosphäre emittierten Rauchs herabsetzt jedoch nicht die Ausbildung von Sekundärgraten ausschließt

Fig. 13 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die erkennen läßt wie die Tasche für die Beherrschung des entwickelten Rauches gebildet

werden kann, indem der Fluidvorhang in Richtung des Sauerstoffstroms derart geleitet wird, daß er die querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen schneidet, und

Fig. 14 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die erkennen läßt, wie die der Beherrschung des entwickelten Rauches dienende Tasche gebildet sein kann, indem der Fluidvorhang senkrecht zum Sauerstoffstrom gerichtet und zum Schnitt mit den querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen gebracht wird.

Fs wurde erkannt, daß die Ausbildung von Sekundärgraten entlang den Rändern eines Flämmschnittes vermieden werden kann, indem ein Strom aus einem nichtreagierenden Fluid so auf das Werkstück gerichtet wird, daß die Größe des Schmelzbades vor der Reaktionszone wirkungsvoll beherrscht werden kann. Fin Fluidstrom, der auf das Schmelzbad stromaufwärts oder hinter seinem vorderen Rand auftrifft, hält die Schmelzbadgröße unter dem Grenzwert, jenseits dessen das Schmelzbad vom Flämmsauerstoffstrom nicht mehr entlang der Metalloberfläche vorgeschoben werden kann, ohne daß Teile des Schmelzbades über die Grenzbereiche des Flämmschnittes hinaus abgelenkt werden. Der Begriff »stromaufwärts« bezieht sich auf den Flämmsauerstoffstrom. »Stromaufwärts« bedeutet daher in Richtung auf die Flammdüse. Die zulässige Schmelzbadlänge kann in Abhängigkeit von dem Flämmsauerstoffdruck, der Flämmgeschwindigkeit und der Schnittiefe variieren. Beim Fleckflämmen von kaltem Stahl erwies sich ein Fluidstrom, der auf das Schlackeschmelzbad in einem Abstand von ungefähr 350 mm vor der Reaktionszone auftrifft, als für die Unterdrückung von Sekundärgraten geeignet. Für die Vermeidung der Bildung von Graten wird als Fluidstrom vorzugsweise ein Wasserstrahl mit einem Druck von mindestens 8,6 χ ΙΟ⁵ N/m² benutzt, der über dem Flämmsauerstoffstrom angeordnet ist. das Schlackcschmelzbad in einem Winkel von ungefähr 45^D mit Bezug auf die Werkstückoberfläche trifft und in der Richtung des Sauerstoffstroms verläuft. Der Neigungswinkel des Wasserstroms und dessen Lage mit Bezug auf das Schmelzbad können jedoch in weiten Grenzen variiert werden, vorausgesetzt, daß der Wasserstrom den vorderen Teil des Schlackeschmelzbades granuliert und in derselben Richtung wie die vorrückende Flämmreaktionszone bewegt. So kann der Winkel zwischen dem Fluidstrom und dem Werkstück zwischen 20° und 80° liegen; innerhalb dieses Bereiches lassen sich Grate wirkungsvoll vermeiden.

E^ wurde ferner festgestellt, daß ein Fluidvorhang, der die Reaktionszone und mindestens den hinteren Teil des Schmelzbades abdeckt und mit der Werkstückoberfläche oder den querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen eine Tasche bildet, als Barriere wirkt und große Mengen des Rauchs absorbiert die durch die Flämmreaktion gebildet werden. Der Flüssigkeitsstrom wirkt als Wäscher für die unerwünschten Dämpfe und partikelförmigen Stoffe; er verhindert deren Entweichen in die die Flämmreaktion umgebende Atmosphäre. Infolgedessen werden die in dem Rauch enthaltenen, unerwünschten Schmutzstoffe in einem Fluidstrom konzentriert der wesentlich einfacher und kostensparender gereinigt werden kann, als dies bei relativ großen Lufivohimen der Fall ist, die die Schrnutzstoffe in verdünnter Form enthalten.

In Fig. 1 ist eine einzelne Fleckflammdüse N veranschaulicht die einen Schnitt der Tiefe D aus einem

Werkstück M in Richtung des Pfeils A ausführt. Die Zone der Primärreaktion zwischen dem aus der Flämmdüse N austretenden Flämmsauerstoffstrom und dem Werkstück M ist bei R dargestellt. Während eines typischen Flämmarbeitsganges werden flüchtige Nebenprodukte der ^clämmreaktion (d. h. Rauch F) von der Reaktionszone R und vom hinteren Teil des Schlackeschmelzbades ..» abgegeben. 13er vordere Teil des Schmelzbades S ist kälter und bildet weniger Rauch. Außerdem wird der vordere Teil im allgemeinen von qucrvcrlfiifendcn Schlackenwnsserstrahlen 9 (entsprechend den F ig. IJ und 14) beseitigt. K i ti Teil des schmclzflüssigen Materials des Schmelzbades .V wird aus der Reaktionszone R heraus zum Rand des Flämmschnittcs geblasen. Handelt es sich bei der Düse /V um eine konventionelle Rund- oder Rechteckdüse, erstarrt die auf diese Weise zur Seite geblasene Schmelze anschließend wieder unter Anhaftung an dem

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den Grenzbereichen 11 des Flämmschnittcs 12, wodurch Grate 13 entstehen. Grate 13 werden aber nicht nur von dem aus der Primärreaktionszone herausgeblasenen Metall gebildet; vielmehr erfolgt eine Gratbildung unabhängig davon auch aus einer zweiten Quelle, nämlich aus einem Teil des Schlackeschmelzbades 5 vor der Reaktionszone. Die auf diese letztgenannte Weise gebildeter. Grate werden vorliegend als Sekundärgrate bezeichnet. In allen Fällen müssen die Grate 13 beseitigt werden, bevor der Metallkörper anschließend gewalzt wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen, wie sich Sekundärgrate 20 auf der Oberfläche eines Werkstückes M bilden, während dieses in Richtung des Pfeils A mit Hilfe einer speziell geformten Düse fleckgeflämmt wird, die nur in der Lage ist, die Bildung von Primärgraten zu verhindern. Der erhaltene Flämmschnitt 22 ist über eine Strecke d vom Anfang oder dem vorderen Rand 23 des Schnittes aus gratfrei, während der restliche Teil des Schnittes entlang den Schnittgrenzbereichen 24 mit Sckundärgraten 20 behaftet ist. Der teilweise gratfreie Schnitt 22 ist kennzeichnend dafür, daß das Schlackeschmelzbad über die Strecke d hinweg mittels des von der Flämmsauerstoffdüse ausgehenden Flämmsauerstoffstroms entlang der Werkstückoberfläche leicht vorgeschoben wurde, während die Bildung von Primärgrater durch die speziell gestaltete Düse verhindert wurde. Wenn jedoch das Schmelzbad vor der vorrückenden Reaktionszone übermäßig groß wird, werden mittels des Flämmsauerstoffstroms Teile des Schmelzbades nach den Seiten des Schnittes hin abgelenkt; es kommt zur Bildung der Sekundärgrate.

Die Fig. 6 und 7 zeigen einen eine glatte Kontur aufweisenden, entlang seinen Grenzbereichen 31 von Graten freien Schnitt 30, der erhalten wird, wenn das Werkstück M unter Verwendung der obengenannten, speziell geformten Düsen auf die erfindungsgemäße Weise fleckgeflämmt wird, so daß die Bildung sowohl von Sekundärgraten als auch von Primärgraten verhindert wird.

Die F i g. 8 läßt die Durchführung eines Fleckflämmvorganges erkennen. Dabei gibt eine über einer Flämmeinheit 41 sitzende einzelne Wasserdüse 40 einen Hochdruckwasserstrom ab, der unter Bildung eines Wasservorhanges 44 ausfächert, der das Schlackeschmelzbad 46 in einem Abstand e stromaufwärts von oder hinter dem vorderen Rand 42 des Schpielzbades trifft. Mittels des Wasservorhanges 44 wird der vordere Teil 43 des Schmelzbades gekühlt und granuliert; die granulierte Schlacke 45 wird im wesentlichen in der dem Pfeil A entsprechenden Richtung des Flämmweges nach vorne getrieben. Um die Rauchmenge zu vermindern, die von der F'rämmreaktion aus in die Atmosphäre

■i gelangt, muß der Wasservorhang 44 eine Breite haben, die mindestens gleich der Breite der überlaufenen Reaktionszone ist. Der schrägverlaufende Wasservorhang 44 bildet zusammen mit dem Werkstück M eine Tasche, die hochsteigenden Rauch auffängt, indem sie

to den Rauch absorbiert.

Zur Vermeidung der Ausbildung von Sekundärgraten muß der Wasserstrom 44 mindestens die Breite W des Schmelzbades haben, wenn er auf das Schmelzbad auftrifft, um sicherzustellen, daß der vordere Teil 43 des

i) Schmelzbades über seine volle Breite granuliert sowie mittels des Hochdruckwasservorhangs 44 nach vom: geschwemmt wird. Der Rest des Schmclzbadcs 46 wird dabei ausreichend klein gehalten, um mittels des 3aiipr«;tr»ffcirr\iTi<; vnru/ärlQuptriphpn wprilpn /Ii könnt'n:

»ο das Schmelzbad bleibt jedoch hinreichend groß, um für ein ausreichendes Vorwärmen des Werkstückes M zu sorgen.

Um sowohl die Primärgratbildung als auch die Sekundärgratbildung zu verhindern, muß die Flämmsau-

2i erstoffeinheit 41 in der in der US-PS 40 40 871 erläuterten Weise ausgebildet sein, falls ein einzelner gratfreier Schnitt hergestellt werden soll, oder aber in der im einzelnen in der US-PS 40 13 486 beschriebenen Weise, falls mehrere Flämmschnitte nebeneinander

ίο durchgeführt werden sollen.

Während in F i g. 8 eine einzige Wasserdüse 40 dargestellt ist, deren Strahl sich auffächert, versteht es sich, daß statt dessen auch mehrere derartige Düsen oder eine breite Schlitzdüse verwendet werden können.

s> Mit mehreren Düsen wird vorzugsweise gearbeitet, wenn eine umfassendere Beherrschung der Rauchentwicklung notwendig oder erwünscht ist, um einen Fluidvorhang auszubilden, der den Bereich über der rauchbildenden Reaktionszone vollständiger abdeckt, das heißt die Primärreaktionszone und das heiße hintere Ende des Schlackeschmelzbades.

Fig. 9 stellt eine Seitenansicht einer Vorrichtung ähnlich derjenigen nach Fig.8 dar, mit der Ausnahme, daß anstelle einer Flämmeinheit 41 eine einzelne Flämmsauerstoffbrennerdüse N vorhanden ist. Die Düse N richtet einen Strom aus Flämmsauerstoff B in Richtung der Achse der Düse /V auf das Werkstück M, um die Flämmreaktionszone R auszubilden. D ist die Tiefe des Schnittes; der Pfeil A stellt die Richtung dar, in der der Flämmschnitt fortschreitet. Ein aus einer Wasserdüse 50 austretender Wasservorhang / trifft auf das Schlackeschmelzbad S in einem Abstand L vor der Reaktionszone R in einem Winkel α mit Bezug auf das Werkstück M. Festzuhalten ist, daß der Wasservorhang /nicht auf die Reaktionszone R selbst auftreffen darf, da er andernfalls die Flämmreaktion stören und unter Umständen voll zum Erliegen bringen könnte.

Die Beherrschung der Rauchentwicklung und die Vermeidung von Sekundärgraten lassen sich bei Anwendung der in den Fig.8 und 9 gezeigten Einrichtungen verwirklichen, wenn die folgenden bevorzugten Arbeitsbedingungen beim Kaltflämmen von Stahl mit einer Flämmgeschwindigkeit von ungefähr 9 m/min bei einer Fiämmtiefe von ungefähr

to 5 mm vorgesehen werden. In einem solchen Falle sollte die Strecke L ungefähr 350 mm betragen. Der von dem Wasserstrom / und der Werkstückoberfläche gebildete Winkel λ sollte zwischen 30° und 45° liegen. Der

Fluiddruck sollte zwischen ungefähr 7,8 χ 10⁵ N/m² und ungefähr 1,08 χ 10⁶NZm² betragen. Das bevorzugte Fluid ist Wasser. Das Schmelzbad 5 wird daran gehindert, über die Länge L hinaus anzuwachsen, eine Größe, die der Flämmsauerstoffstrom B verschieben kann, weil der Teil des Schmeizbades 51, der normalerweise vor dem Wasserstrom /gebildet würde, granuliert und nach vorne sowie weg vom Flämmschnitt gespült wird. Ebenso wie die Vorrichtung nach F i g. 8 kann auch die Einrichtung gemäß F i g. 9 in Verbindung mit Mitteln benutzt werden, die die Ausbildung von Primärgraten verhindern. Für diesen /weck muß als Düse N eine Spezialdüse vorgesehen werden, die die Bildung von Primärgraten verhindert. Derartige Düsen sind in den US-PS 40 40 871 und 40 13 486 beschrieben, π

Der Wasservorhang / verhindert nicht nur die Bildung von Sekundärgraten, sondern wirkt, indem er den Bereich über der Reaktionszone abdeckt, von dem Raiirh pmilliorl wirft mirh ;iU raurhiihsMrhirrpnder Vorhang, da t!er Rauch nach oben hochzusteigen sucht -Ό und auf di.se Weise von dem Wasservorhang / aufgefangen wird. Der Rauch besteht aus Eisenoxiddämpfen, verdampftem Metall, feinen Schlacketeilchen und dergleichen.

Fig. 10 zeigt die Auswirkungen, die sich daraus 2i ergeben, daß der Wasserstrom / weiter stromaufwärts gerichtet wird, so daß er das Werkstück M vor dem Schlackeschmelzbad 5trifft. In diesem Falle vermindert der von dem Strom /gebildete Vorhang die Menge des in die Atmosphäre gelangenden Rauchs: er verhindert i< > jedoch nicht die Bildung von Sekundärgraten, weil der Wasserstrahl / nicht auf das Flämmschmelzbad 5 auftrifft, so daß es nicht zur Verhinderung von Sekundärgraten kommt, indem die Schmelzbadgröße klein gehalten wird. Solange jedoch der über die Reaktionszone hinwegstreichende Fluidvorhang eine Breite hat, die mindestens gleich der Breite der Reaktionszone ist, wird die Menge des in die Atmosphäre emittierten Rauchs wesentlich vermindert. Der oben definierte Winkel kann zwischen 0" und 60° ■*< > variieren, um für eine wirkungsvolle Beherrschung der Rauchentwicklung zu sorgen; vorzugsweise wird mit einem Winkel von ungefähr 30° gearbeitet. Der Wasserdruck kann zwischen ungefähr 2,9 χ 10⁵ N/m² und einem Wert liegen, der nach oben nur auf Grund ⁴^ von praktischen Erwägungen begrenzt wird. Luft-Wasser-Gernische lassen sich mit niedrigerem Druck verwenden, weil die Luft das Wasser zu zerstäuben sucht, wodurch über der Reaktionszone ein feinerer Wassernebel erhalten wird. Dampf oder Gemische aus einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, mit Wasser fangen den Rauch ebenfalls wirkungsvoll auf. Das den aufgefangenen Rauch enthaltende Fluid wird für gewöhnlich zusammen mit dem Wasser der querverlaufenden Schlackenwasser- « strahlen in einem unterhalb des Werkstückes befindlichen Abflußsystem aufgefangen, von wo aus es einer Wasserbehandlungsanlage zugeführt wird.

Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht einer Ausfülirungsform, die Sekundärgrate verhindert, jedoch nicht in &° wesentlichem Umfang die Rauchmenge vermindert, die an die Atmosphäre abgegeben wird. In diesem Falle ist die Wasserdüse 50 derart angeordnet, daß der Fluidstrom nicht über die Reaktionszone R hinwegläuft; infolgedessen entfällt eine wirkungsvolle Beherrschung der Rauchabgabe. Weil der Wasserstrom / auf das Schmelzbad S über dessen volle Breite in ausreichendem Abstand stromaufwärts vom vorderen Teil desselben auf trifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades zu granulieren und nach vorne zu schieben, werden Sekundärgrate vermieden. Zur Unterdrückung von Sekundärgraten kann der Winkel λ zwischen ungefähr 20° und ungefähr 80° variieren; vorzugsweise liegt er bei ungefähr 45°. Vorzugsweise wiru ferner mit einem Fluiddruck von mindestens 7,8 χ 10^s N/m² gearbeitet.

In Fig. 12 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, die es erlaubt, die Menge des in die Atmosphäre emittierten Rauchs wesentlich herabzusetzen, die jedoch Sekundärgrate nicht verhindert. Es ist eine Flämmeinheit 5Γ dargestellt, die einen Fleckflämmschnitt auf dem Werkstück Mausführt. Der Pfeil 4 gibt die Richtung des Flämmschnittes oder Flämmweges an. Mittels einer Wasserdüse 60 wird ein sich ausfächernder, flächiger Wasserstrom 54 ausgebildet, der ^ reit genug ist, um das gesamte Schmelzbad 56 und die Reaktionszone R abzudecken. Obwohl der Fluidstrom vorzugsweise von oberhalb des Flämmsauerstoffstroms aus schräg nach unten und in im wesentlichen der gleichen Richtung wie der Flämmsauerstoffstrom auf das Werkstück gerichtet wird, kann der Fluidstrom von beiden Seiten des Werkstückes entsprechend Fig. 12 ausgehen, solange er einen Vorhang ausbildet, der die Reaktionszone R und mindestens den hinteren Teil des Schmeizbades 56 abdeckt, so daß zusammen mit der Werkstückoberfläche eine Tasche gebildet wird, die den von der Fiämmreaktion ausgehenden Rauch auffängt. Bei der AusfiÜirungsform nach Fig. 12 geht der Fluidstrom 54 von der rechten Seite des Sauerstoffstroms 61 aus; er verläuft rechtwinklig zur Richtung des Flämmsauerstoffstroms 61. Während nur eine Wasserdüse 60 dargestellt ist, können auch mehrere Düsen verwendet werden.

Fig. U zeigt, wie die Tasche zum Auffangen des Rauchs gebildet werden kann, indem der fliichige Fluidvorhang 1Γ mit querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen 9 kombiniert wird. Derartige Strahlen sind im einzelnen in den US-HS 24 65 297. 3163 559 und 33 54 002 beschrieben. Die Flämmeinheit 5 ist eine von mehreren derartigen Einheiten (von denen nur eine dargestellt ist), die aneinander anstoßend angeordnet sind, um die gesamte Oberfläche des Werksu^kes zu flämmen. In solchen Fällen ist die Bildung von Graten entlang den Kändern des Flämmschnittes kein Problem. Bei der Anordnung nach Fig. !3 richtet die Flamrneinheit 5 einen flächigen Flämmsauerstoffstrom 6 auf die Oberfläche des metallischen Werkstücks Λ/. um die thermochemische Reaktion herbeizuführen. Ein Schlackeschmelzbad 8 wird vor der Reaktionszone R gebildet. Die drei querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen 9. die die Oberfläche des Werkstückes ,Vi überstreichen, werden benutzt, um die Schlacke zu granulieren, aufzufangen und zu beseitigen. Ein Verteilerkopf 10 gibt den Fluidvorhang 11' ab. der über die Oberseite der Reaktionszone R hinwegreicht. Der vordere Rand des Vorhangs 11' schneidet die querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen 9 unter Bildung einer den Rauch auffangenden Tasche.

Fig. 14 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die funktionsmäßig ähnlich derjenigen nach Fi g. 13 ist. Dabei wird der Fluidvorhang jedoch von mehreren Strömen gebildet, die von Düsen von der Seite des Werkstückes M ausgehen und senkrecht zur Richtung des Sauerstoffstroms 6 verlaufen. Die Düsen 12' befinden sich in einer Ebene, die von einer über dem Flämmsauerstoffstrom befindlichen Stelle aus in Rieh-

tung auf das Werkstück M geneigt ist. Der vordere Rand des Fluidvorhangs schneidet einen der drei querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen 9, wodurch die Tasche zum Auffangen des Rauchs Fgebildet wird.

In sämtlichen Figuren verläuft der Fluidvorhang in einer Ebene. Es versteht sich jedoch, daß der Vorhang jede beliebige Form haben kann, die die funktionsmäßigen Bedingungen erfüllt. Beispielsweise kann der Vorhang nach unten in Richtung auf die Werkstückoberfläche gekrümmt sein, um einen Austritt auch der kleineren Rauchmengen zu verhindern, die normalerweise an den offenen Seiten eines ebenen Vorhanges (beispielsweise entsprechend den Fig. 10 und 13) austreten. Der Vorhang kann auch von mehreren, beispielsweise drei, ebenen Strömen gebildet sein, von denen sich p-ner über der Oberseite der Reaktionszone und des Schlackeschmelzbades befindet, während jeweils einer an jeder Seite von Reaktionszone und Schlackeschmelzbad vorgesehen ist.

Soll Rauch bei einer 4-Seiten-Fiammaschine aufgefangen werden, wie sie beispielsweise in der US-PS 24 65 297 veranschaulicht ist, wobei eine Flämmreaktion an allen vier Seiten des Werkstückes stattfindet, ist ein Fluidvorhang auf jeder der vier Seiten zum Auffangen des Rauchs erforderlich. Für eine optimale Verminderung des austretenden Rauchs sollte die gesamte, das Werkstück umgebende Umfangsfläche von einem Wasservorhang eingeschlossen sein. Dies läßt sich mit

ίο einem einteiligen, d.h. kegelstumpfförmigen. Vorhang oder mit Hilfe von mehreren einzelnen Vorhängen bewirken, die alle vier Seiten des Werkstückes umgeben. Eine weniger vollständige aber häufig ausreichende Rauchverminderung kann erzielt werden, wenn ein ebener Fluidvorhang an jeder geflammten Seite der Werkstückoberfläche vorgesehen wird. Werden nur zwei Oberflächen geflammt, beispielsweise die Oberseite und eine Seitenfläche, ist nur für diese beiden Oberflächen ein Fluidvorhang notwendig.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum thermochemischen Flämmen, bei dem ein Flämmsauerstoffstrom unter Ausbildung einer thermochemischen Reaktion gegen eine Reaktionszone aus geschmolzenem Metall auf der Oberfläche eines metallischen Werkstückes gerichtet wird sowie der Sauerstoffstrom und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, um die Reaktion entlang der Metalloberfläche fortzuführen und den gewünschten Flämmschnitt zu erzeugen, wobei die Reaktion ein Schmelzbad vor der vorrückenden Reaktionszone ausbildet, das größer zu werden sucht, während der Schnitt fortschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strom eines nichtreagierenden Fluids unter Ausbildung eines die Reaktionszone und mindestens den hinteren Teil des Schmelzbades abdeckenden, flächigen Fluidvorhanges derart gerichtet wird, daß der Vorhang zusammen mit der Werkstückoberfläche eine Tasche bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom von oben und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Sauerstoffstrom schiefwinklig nach unten auf die Werkstückoberfläche derart gerichtet wird, daß der Vorhang unier wesentlicher Verminderung der an die umgebende Atmosphäre gelangenden Rauchmenge den von der Flämmreaktion ausgehenden Rauch auffängt.

3. Verfahrt:.', nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstroir» von der Seite des Sauerstoffstromes aus und im wesentlichen rechtwinklig zu diesem schräg auf die Werkstückoberfläche derart gerichtet wird, daß der Vorhang unter wesentlicher Verminderung der an die umgebende Atmosphäre gelangenden Rauchmenge den von der Flämmreaktion ausgehenden Rauch auffängt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Rand des Fluidvorhanges einen Wasserstrahl schneidet, der im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Flamm schnittes verläuft und die Werkstückoberfläche vor dem Flämmschmelzbad überstreicht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtreagierendes Fluid Wasser verwendet wird.

b. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtreagierendes Fluid ein Gas-Wasser-Gemisch verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtreagierendes Fluid Dampf verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom von oben und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der Sauerstoffstrom schiefwinklig nach unten auf die Werkstückoberfläche derart gerichtet wird, daß der Fluidstrom auf das Schmelzbad in seiner vollen Breite und in ausreichendem Absland stromaufwärts vom vorderen Rand des Schmelzbades sowie mit ausreichender Intensität auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades zu granulieren und mittels des Fluidstromes in Richtung des Flämmweges vorwärtszuschieben sowie das Schmelzbad ausreichend klein gehalten wird, so daß es entlang der

Metalloberfläche mittels des Flämmsauerstoffstromes leicht vorschiebbar ist, ohne daß das Schmelzbad unter Bildung von Sekundärgraten über die Grenzbereiche des Flämmschnittes hinaus seitlich ausgelenkt wird,

9. Vorrichtung zum Flämmen der Oberfläche eines Metallkörpers mit einer Einrichtung, die einen Sauerstoffstrom abgibt und gegen eine Reaktionszone aus geschmolzenem Metall auf der Oberfläche des Metallkörpers richtet, um dort eine thermochemische Reaktion herbeizuführen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die mindestens einen Strom eines nichtreagierenden Fluids unter Ausbildung eines die Reaktionszone und mindestens den hinteren Teil des Schmelzbades abdeckenden, flächigen Fluidvorhanges derart abgibt, daß der Vorhang zusammen mit der Werkstückoberfläche eine Tasche bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der den Sauerstoffstrom abgebenden Einrichtung sorgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Fluidvorhang abgebende Einrichtung von oben und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Achse der den Sauerstoffstrom abgebende Einrichtung schiefwinklig nach unten derart auf die Werkstückoberfläche zu gerichtet ist, daß von der Flämmreaktion ausgehender Rauch unter wesentlicher Verminderung der an die umgebende Atmosphäre gelangenden Rauchmenge aufgefangen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Fluidvorhang abgebende Einrichtung von der Seite der Achse des Sauerstoffstromes aus und im wesentlichen rechtwinklig zu dieser schräg auf die Werkstückoberfläche zu derart gerichtet ist, daß von der Flämmreaktion ausgehender Rauch unter wesentlicher Verminderung der an die umgebende Atmosphäre gelingenden Rauchmenge aufgefangen wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die einen die Werkstückoberfläche vor dem Flämmschmelzbad überstreichenden, zur Richtung des Flämmschnittes im wesentlichen senkrechten Wasserstrahl austreten läßt, und daß die den Fluidvorhang abgebende Einrichtung derart gerichtet ist, daP der Fluidvorhang den Wasserstrahl schneidet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Fluidvorhang abgebende Einrichtung von oben und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Achse der den Sauerstoffstrom abgebenden Einrichtung schiefwinklig nach unten derart auf die Werkstückoberfläche zu gerichtet ist, daß der Fluidstrom auf das Schmelzbad in seiner vollen Breite und in ausreichendem Abstand stromaufwärts vom vorderen Rand des Schmelzbades sowie mit ausreichender Intensität auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades zu granulieren und mittels des Fluidstromes in Richtung des Flämmweges vor< wärtszuschieben, sowie das Schmelzbad ausreichend klein gehalten wird, so daß es entlang der Metalloberfläche mittels des Flämmsauerstoffstromes leicht vorschiebbar ist, ohne daß das Schmelzbad unter Bildung von Sekundärgraten über die

Grenzbereiche des Flämmschniites hinaus seillich ausgelenk; wird.

Die Erfindung befaßt sich mit dem thermochemischen Flämmen der Oberfläche von Metallkörpern und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern einer Gratbildung entlang den Grenzbereicheri eines Flämmschnittes sowie zur wesentlichen Herabsetzung der Rauchmenge, die während des Flämmens in die Atmosphäre abgegeben wird.

Beim Flämmen wird üblicherweise zunächst ein schmelzflüssiges Metallbpd oder ein »heißer Fleck« auf der Werkstückoberfläche ausgebildet, indem Vorwärmflammen auf eine verhältnismäßig kleine Zone der Oberfläche gerichtet werden, bis diese ihre Zündtemperatur erreicht hat. Danach wird ein Sauerstoffstrom schräg gegen das Schmelzbad gerichtet, um auf der Metalloberfläche eine thermochemische Reaktion herbeizuführen. Sodann werden der Sauerstoffstrom und das Werkstück relativ zueinander bewegt, wodurch die thermochemische Reaktion entlang der Metalloberfläche fortgeführt wird, so daß der gewünschte Schälvorgang in Längsrichtung des Metallkörpers abläuft Während der Flämmreaktion läuft ein Bad aus schmelzflüssiger Schlacke, das stromabwärts von der Flämmreaktionszone gebildet wird, der entlang der Werkstückoberfläche vorrückenden Reaktionszone ständig voraus. Dieses Schlackeschmelzbad wärmt die Metalloberfläche vor, bevor sie mittels des Flämmsauerstoffstroms auf ihre Zündtemperatur angehoben wird. Der Sauerstoffstrom hat also einen zweifachen Zweck: Zum einen soll er eine thermochemische Reaktion mit dem Metall herbeiführen; zum anderen soll er das Schmelzbad aus Metall und Schlacke ständig vorwärtsschieben, um für die Flämmreaktion frisches Metall freizulegen.

Beim herkömmlichen Flämmen treten zwei Probleme auf, die offenbar nichts miteinander zu tun haben, und zwar zum einen die Bildung von Graten, wenn weniger als die volle Oberfläche des Werkstückes geflammt wird, und zum anderen die Bildung von Rauch, ohne Rücksicht darauf, ob die volle Oberfläche oder nur ein Teil der vollen Oberfläche geflammt wird. Überraschendereise eignet sich die bevorzugte At;sführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Minimieren der nachteiligen Einflüsse von beiden diesen Problemen, die im folgenden gesondert diskutiert werden.

Ein Problem, das sich beim Flämmen einer geringeren als der vollen Breite einer Metalloberfläche einstellt, ein Verfahren, das als »Fleckflämmen« bezeichnet werden kann, ist die Bildung von Graten an den Rändern des Flämmschnittes. Unter dem Begriff »Grat« wird vorliegend eine dünne Erhebung oder Anhäufung aus reinem oder leicht oxydiertem Grundwerkstoff verstanden, der mit der Oberfläche des metallischen Werkstükkes im Grenzbereich eines Flämmschnittes fest verbunden ist. Die Grate stellen ihrerseits unerwünschte Fehler des Metallkörpers dar, die vor dem Walzen beseitigt werden müssen. Grate können auf zwei miteinander nicht in Verbindung siehende Ursachen zurückzuführen sein, die einzeln oder gemeinsam auftreten können. So können Grate unmittelbar aus der Primärreaktionszone gebildet werden, wenn schmelzflüssiges Metall durch die Kraft des Flämmsauerstoffstrotns seitlich aus dieser Zone herausgetrieben wird, so daß das schmelzflüssige Metall an dem Rand des Flämmschnittes anhaftet und dort an Ort und Stelle erstarrt. Diese Art von Gratbildung (vorliegend der Einfachheit halber als »Primärgrate« bezeichnet) kanr. verhindert werden, indem für den Flämmsauerstoffj strom eine speziell geformte Auslaßöffnung verwendet wird, die die Intensität des Sauerstoffstroms an den Enden der Öffnung so weit verringert, daß der Sauerstoffstrom entlang den Grenzbereichen des Flämmschnittes keine Flämmreaktion unterhalten kann,

in jedoch in der Lage ist, schmelzflüssiges Metall in diesen Grenzbereichen zu oxydieren, bevor es erstarrt. Düsen mit öffnungen der vorstehend genannten Art, die sich in besonderem Maße für ein Fleckflämmen in Ein/el- und Gruppenanordnung eignen, sind in den US-Patent-

i") schrift 40 40 871 und 40 13 486 beschrieben.

Grate können auch durch einen sogenannten Sekundäreffekt gebildet werden, zu dem es kommt. weri.. das schmelzflüssige Schlackeschmelzbad vor der Primärreaktionszone zunehmend größer wird, bis der vorrückende Sauerstoffstrom nicht mehr in der Lage ist, das gesamte Schmelzbad weiterziurhieberi, und statt dessen nur der mittlere Teil des Schmelzbades vorwärtsgedrückt wird. Dadurch wird ein Teil des geschmolzenen Metalls an den Rändern des Schmelzba-

2") des seitlich über die Grenzbereiche des Flämmschnittes hinausgsdrückt wo das Metall in nichtoxydiertem Zustand erstarrt Ein Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Verhindern der Bildung derartiger Sekundärgrate.

Es ist bekannt, Fluidströme heranzuziehen, um die Schlacke entfernen zu helfen, die durch die Flämmreaktion erzeugt wird. So hat man beispielsweise (US-PS 28 73 224 und 31 63 559) vollflächige und hohle Hoch-

J5 druck-Wasserströme unmittelbar vor der Flämmreaktionszone quer über die Werkstückoberfläche gerichtet, um die Schlacke wegzuwaschen. Es ist ferner bekannt (US-PS 33 54 002), mehrere Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen geringfügig stromabwärts von der Reak-

-><> tionszone senkrecht zur Laufrichtung der Flämmreaktion vorzusehen, um die Schlackespritzer aufzufangen und von der Werkstückoberfläche weg in eine Schlackerinne zu waschen. Die Verwendung derartiger Wasserstrahlen, die quer zur Wasserstücknberfläche

-ti gerichtet sind und als querverlaufende Schlackenwasserstrahlen bezeichnet werden können, erlaubt es zwar, Schlacke von der Metalloberfläche zu beseitigen. Es ist jedoch nicht möglich, auf diese Weise Grate zu verhindern. Dies hat seine Ursache in erster Linie darin.

Vi daß querverlaufende Schlackenwasserstrahlen an der einen Seite des Werkstückes angeorndet werden, um schmelzflüssige Schlacke von der den Strahlen zugekehrten Seite des Schnittes aus in einen Schlackeauffrngtiisälter zu blasen, der sich entlang der gegenüber-

5i liegenden Werkstückseite befindet Dadurch wird die Gratbildung an der den Strahlen zugekehrteil Seite des Schnittes minimiert. Jedoch das Problem der Gratbildung auf der vom Strahl abgewendeten Seite noch kritischer.

Das zweite Problem, das bei herkömmlichen Flämmvorgängen auftritt, ist die große Menge an Rauch, d. h, Dämpfen und feinen, partikelförmigen Stofien, die durch die Flämmreaktion gebildet wird. Es ist bekannt (DE-AS 23 56 282), zur Entfernung von Rauchgase, Schlacke u.dgl. vo^r einem Flämmbrenner eine die Rauchgase und die Schlacke gemeinsam aufnehmende Absaughaube anzuordnen, die mit einem Absauggebläse sowie mit einer Schlackeabfördervorrichtung verbun-