DE2748789C3 - Verfahren und Vorrichtung zum thermochemischen Flämmen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum thermochemischen FlämmenInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B23K7/06—Machines, apparatus, or equipment specially designed for scarfing or desurfacing
Description
den ist. Die abgesaugten Rauchgase werden zur Reinigung durch ein Filter, insbesondere Meßfilter,
hindurchgeleitet, 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 Fleckflämmschnitten zu verhindern und/
oder die Menge an Rauch erheblich herabzusetzen, die auf Grund der Flämmreaktion in die Atmosphäre
gelangt. Es ist zwar auch schon bekannt (DE-AS 21 28 436), zum Granulieren der während eines Flämmvorganges
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 Flämmreaktion verbundenen Geräuschpegel.
Ein 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,
ist erfindungsgemäß 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
Fluidvorhang zusammen 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 Werkstückoberfläche
gerichtet sein. In beiden Fällen fängt der Vorhang den von der Flämmreaktion ausgehenden
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 Abstand stromaufwärts vom vorderen
Rand des Schmelzbades sowie mit ausreichender Intensität auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades
zu granulieren und in Richtung des Flämmweges vorwärtszuschieben, wird das Schmelzbad hinreichend
klein gehalten, so daß es mittels des Flämmsauerstoffstromes leicht vorgeschoben werden kann, ohne daß ein
Teil des Schmelzbades seitlich über die Grenzbereiche des Flämmschnittes hinaus ausgelenkt wird. Auf diese
Weise wird die Bildung von Sekundärgraten verhindert.
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 thermochemische Reaktion herbeizuführen, sowie mit einer Einrichtung,
die für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der den Sauerstoffstrom abgebenden Einrichtung
sorgt ist erfindungsgemäß 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 Fluidvorhang zusammen mit der
Werkstückoberfläche eine 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 Sauerstoffstrom
schräg auf die Werkstückoberfläche zu gerichtet sein. In jedem Faii fängt der Vorhang Dämpfe und ieiiehenförmige
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 hinaus ausgelenkt wird. Auf diese Weise wird die Bildung von Sekundärgraten verhindert.
Unter dem Begriff »nichtreagierendes Fluid« wird vorliegend ein Fluid verstanden, das mit dem metallischen
Werkstück nicht rasch reagiert. Sowohl zur Vermeidung der Bildung von Sekundärgraten als auch
zur Beherrschung der Rauchentwicklung wird als nichtreagierendes Fluid vorzugsweise Wasser benutzt.
Zur weiteren brauchbaren, nichtreagierenden Fluiden gehören beispielsweise Dampf, Wassernebel (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 Ausführungsbeispielen näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 in Seitenansicht eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Fleckflämmschnittes, wobei das
Schmelzbad aus schmelzflüssigem Metall und Schlacke ausgebildet ist,
F i g. 2 und 3 eine Draufsicht und eine Querschnittsdarstellung 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 gestattet, jedoch nicht in der Lage ist, die Bildung
von Sekundärgraten entlang den Schniitgrenzbereichen 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,
F i g. 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
ί 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 Sauersloffstrom gerichtet und zum
ίο Schnitt mit den querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen
gebracht wird.
Es 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.
Ein 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 105 N/m2 benutzt, der über dem
Flämmsauerstoffstrom angeordnet ist, das Schlackeschmelzbad in einem Winkel von ungefähr 45° 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
so sich Grate wirkungsvoll vermeiden.
Es wurde ferner festgestellt daß ein Fluidvorhang, der die Reaktionszone und mindestens den hinteren Tc:!
des Schmelzbades abdeckt und mit der Werkstückober fläche oder den querverlaufenden Schlackenwasser strahlen 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 Fläminreaktion 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
Luftvolumen der Fall ist die die Schmutzstoffe in
verdünnter Form enthalten.
In F i g. 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 Flämmreaktion (d. h. Rauch F) won der
Reaktionszone R und vom hinteren Teil des Schlackeschmelzbades 5 abgegeben. Der vordere Teil des
Schmelzbades 5 ist kälter und bildet weniger Rauch. Außerdem wird der vordere Teil im allgemeinen von
querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen 9 (entsprechend den Fig. 13 und 14) beseitigt. Ein Teil des
schmelzflüssigen Materials des Schmelzbades S wird aus der Reaktionszone R heraus zum Rand des
Flämmschnittes geblasen. Handelt es sich bei der Düse N um eine konventionelle Rund- oder Rcchtcckdüsc,
erstarrt die auf diese Weise zur Seite geblasene Schmelze anschließend wieder unter Anhaftung an dem
Werkstück M entsprechend den Fig. 2 und 3 entlang
den Grenzbereichen 11 des Flämmschnittes 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 S /or
der Reaktionszone. Die auf diese letztgenannte Weise gebildeten Grate werden vorliegend als Sekundärgrate
bezeichnet. In alien Fällen müssen die Grate 13 beseitigt
werden, bevor der Metallkörper anschließend gewalzt wird.
Die F i g. 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 (/vom Anfang oder dem vorderen Rand 23 des Schnittes aus gratfrei, während der restliche Teil des
Schnittes entlang den Schnittgrenzbereichen 24 mit Sekundärgraten 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 Primärgraten 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.
aufweisenden, entiang 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 Schmelzbades 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 Flämmreaktion aus in die Atmosphäre gelangt, muß der Wasservorhang 44 eine Breite haben,
die mindestens gleich der Breite der überlaufenen Reaktionszone ist. Der schrägverlaufende Wasservorhang
44 b'ldet zusammen mit dem Werkstück M eine Tasche, die hochsteigenden Rauch auffängt, indem sie
K) den Rauch absorbiert.
Zur Vermeidung der Ausbildung von Sekundärgraten muß der Wasserslrom 44 mindestens die Breite W des
Schmelzbades haben, wenn er auf das Schmelzbad auftrifft, um sicherzustellen, daß der vordere Teil 43 des
Schmelzbades über seine volle Breite granuliert sowie mittels des Hochdruckwasservorhangs 4f nach vorne
geschwemmt wird. Der Rest des Schmelzbades 46 wird dabei ausreichend klein gehalten, um mittels des
Sauerstoffstroms vorwärtsgetrieben werden zu können-, 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 Flämmsauerstoffeinheit
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 Fiämmschnitte nebeneinander 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.
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 F i g. 8 dar, mit der Ausnahme, daß anstelle einer Flämmeinheii 41 eine einzelne
Flämmsauerstoffbrennerdüse N vorhanden ist. Die Düse N richtet einen Strom aus Flämmsauerstoff B in
Richtung der Achse der Düse N auf das Werkstück M, um die Flämmreaktionszone R auszubilden. D ist die
Tiefe des Schnittes; der Pfeil A stellt die Richtung dar, in
so der der Flämmschnitt fortschreitet. Ein aus einer Wasserdüse 50 austretender Wasservorhang / trifft auf
das Scmäckesehmeizbäd S in einem Abstand L vor der
Reaktionszone R in einem Winkel <x mit Bezug auf das Werkstück M. Festzuhalten ist, da3 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 Flämmtiefe von ungefähr 5 mm vorgesehen werden. In einem solchen Falle sollte die Strecke L ungefähr 350 mm betragen. Der von dem
Wasserstrom J und der Werkstückoberfläche gebildete Winkel α sollte zwischen 30° und 45° lieKen. Der
Fluiddruck sollte zwischen ungefähr 7,8 χ 105 N/m2 und
ungefähr 1,08 χ 106 N/m2 betragen. Das bevorzugte
Fluid ist Wasser. Das Schmelzbad S wird daran gehindert, über die Länge L hinaus anzuwachsen, eine
Größe, die der Flämmsauerstoffstrom B verschieben kann, weil der Teil des Schmelzbades 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 Zweck muß als
Düse N eine Spezialdüse vorgesehen werden, die die Bildung von Primärgraten verhindert. Derartige Düsen
sind in den US-PS 40 40 871 und40 13 486 beschrieben.
Der Wasservorhang / verhindert nicht nur die Bildung von Sekundärgraten, sondern wirkt, indem er
den Bereicli über der Reaktionszone abdeckt, von dem Rauch emittiert wird, auch als rauchabsorbierender
Vorhang, da der Rauch nach oben hochzusteigen sucht und auf diese Weise von dem Wasservorhang J
aufgefangen wird. Der Rauch besteht aus Eisenoxiddämpfen, verdampftem Metall, feinen Schlacketeilchen
und dergleichen.
Fig. 10 zeigt die Auswirkungen, die sich daraus :5
ergeben, daß der Wasserstrom / weiter stromaufwärts gerichtet wird, so daß er das Werkstück M vor dem
Schlackeschmelzbad S trifft. In diesem Falle vermindert der von dem Strom /gebildete Vorhang die Menge des
in die Atmosphäre gelangenden Rauchs; er verhindert jedoch nicht die Bildung von Sekundärgraten, weil der
Wasserstrahl J nicht auf das Flämmschmelzbad 5 auftrifft, so daß ss 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 105N/m2
und einem Wert liegen, der nach oben nur auf Grund von praktischen Erwägungen begrenzt wird. Luft-Wasser-Gemische
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 so
einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff oder
wirkungsvoll auf. Das den aufgefangenen Rauch enthaltende Fluid wird Für gewöhnlich zusammen mit
dem Wasser der querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen in einem unterhalb des Werkstückes befindlichen Abflußsystem aufgefangen, von wo aus es einer
Wasserbehandlungsanlage zugeführt wird.
F i g. 11 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform, 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 J auf das:
Schmelzbad 5 über dessen volle Breite in ausreichendem Abstand stromaufwärts vom vorderen Teil
desselben auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades zu granulieren und nach vorne zu schieben,
werden Sekundärgrate vermieden. Zur Unterdrückung von Sekundärgraten kann der Winkel a. zwischen
ungefähr 20° und ungefähr 80° variieren; vorzugsweise liegt er bei ungefähr 45r. Vorzugsweise wird ferner mit
einem Fluiddruck von mindestens 7,8 χ 105N/m2
gearbeitet.
In Fig. 12 ist eine abgewandelte Ausführungsform
dargestellt, die es erlaubt, die Menge des in die Atmosphäre emittiertet) Rauchs wesentlich herabzusetzen,
die jedoch Sekundärgrate nicht verhindert. Es ist eine Flämmeinheit 5Γ dargestellt, die einen Fleckflämmschnitt
auf dem Werkstück M ausführt. Der Pfeil A gibt die Richtung des Flämmschnittes oder Flämmweges
an. Mittels einer Wasserdüse 60 wird ein sich ausfächernder, flächiger Wasserstrom 54 ausgebildet,
der breit 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 Flämmsauersioffstrom 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 Schmelzbades 56 abdeckt, so daß zusammen mit der
Werkstückoberfläche eine Tasche gebildet wird, die den von der Flämmreaktion ausgehenden Rauch auffängt.
Bei der Ausführungslorm 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. 13 zeigt, vie die Tasche zum Auffangen des
Rauchs gebildet werden kann, indem der flächige Fluidvorhang 11' mit querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen
9 kombiniert wird. Derartige Strahlen sind im einzelnen in den US-PS 24 65 297, 31 63 559 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 Werkstückes zu
flämmen. In solchen Fällen ist die Bildung von Graten entlang den Rändern des Flämmschnittes kein Problem.
Bei der Anordnung nach Fi g. 13 richtet die Flämmeinheit
5 einen flächigen Flämmsauerstoffstrom 6 auf die Oberfläche des metallischen Werkstücks M, um die
thermochemische Reaktion herbeizuführen. Ein Schlackeschmelzbad 8 wird vor der Reaktionszone R
gebildet. Die drei quer/erlaufenden Schlackenwasserstrahlen
9, die die Oberfläche des Werkstückes M 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 funkticnsmäßig ähnlich derjenigen nach Fig. 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 Mgeneigt ist. Der vordere Rand
des Fluidvorhangs schneidet einen der drei querverlaufenden Schlackenwasserstrahlen 9. wodurch die Tasche
zum Auffangen des Rauchs Fgebildet wird.
In sämtlichen F;guren verläuft der Fluidvorhang in
dner Ebene. Es versteht sich jedoch, daß der Vorhang jede beliebige Form haben kann, die die funktionsmi?ßigen
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 einer 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-Flammaschine 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 einerr Wasservorhang eingeschlossen sein. Dies läßt sich mil
einem einteiligen, d. h. kegelstumpfförmigen. Vorhang
oder mit Hilfe von mehreren einzelnen Vorhänger bewirken, die alle vier Seiten des Werkstücke;
umgeben. Eine weniger vollständige aber häufig ausreichende Rauchverminderung kann erzielt werden
wenn ein ebener Fluidvorhang an jeder geflammter Seite der Werkstückoberfläche vorgesehen wird
Werden nur zwei Oberflächen geflammt, beispielsweisf die Oberseite und eine Seitenfläche, ist nur für dies«
beiden Oberflächen ein Fluidvorhang notwendig.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Verfahren zum thermochemischen Flämmen, bei dem ein Flämmsauerstoffstrom unter Ausbildung r>
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 ι ο die Reaktion entlang der Metalloberfläche fortzuführen
und den gewünschten Fläminschnitt 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 ge- ζ»
richtet 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 unter wesentlicher Verminderung der an die umgebende Atmosphäre gelangenden Rauchmenge
den von der Flämmreaktion ausgehenden κι Rauch auffängt
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom von der Seite des
Sauerstoffstromes aus und im wesentlichen rechtwinklig zu diesem schräg auf die Werkstückoberflä- v>
ehe 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 w
gekennzeichnet, daß der vordere Rand des Fluidvorhanges einen Wasserstrahl schneidet, der im
wesentlichen senkrecht zur Richtung des Flämmschnittes
verläuft und die Werkstückoberfläche vor dem Flämmschmelzbad überstreicht. ■»*>
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtreagierendes
Fluid Wasser verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtreagierendes w
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 v·
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
Abstand stromaufwärts vom vorderen Rand des Schmelzbades sowie mit ausreichender
Intensität auftrifft, um den vorderen Teil des Schmelzbades zu granulieren und mittels des ι»
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 Flämn?schnittes hinaus seitlich •aisgelenkt wird.
9. Vorrichtung zum Flämmen der Oberfläche eines Metallkörpers mit einer Einrichtung, die einen
Sauers'offstrom 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«), 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 gelangenden Rauchmenge
aufgefangen wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder II,
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, daß 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 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.
Die Erfindung befaßt sich mit dem thmnochemischen Flämmen der Oberfläche von Metallkörpern und
betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern einer Gratbildung entlang den
Grenzbereichen eines Flämmschnittes sowie zur wesentlichen Herabsetzung der Rauchmenge, die während
des Flämmens in die Atmosphäre abgegeben wird.
Beim Flämmen wird üblicherweise zunächst ein schmelzflüssiges Metallbad oder ein »heißer Fleck« auf
der Werkstückoberfläche ausgebildet, indem Vorwärmflammen
auf eine verhältnismäßig kleine Zone der Oberfläche gerichtet werden, bis diese ihre Zündtemperatur
erreicnt 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 Ausführungsform 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 Flämmsciinittes 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 stehende 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 Flämmsauerstoffstroms 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) kann
verhindert werden, indem für den Flämmsauerstoffstrom eine speziell geformte Auslaßöffnung verwendet
wird, die die Intensität des Sauerstoffstroms an den Enden der öffnung so weit verringert, daß der
Sauerstoffstrom entlang den Gren«:bereichen des
Flämmschnittes keine Flämmreaktion unterhalten kann,
lu 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 Einzel- und Gruppenanordnung eignen, sind in den US-Patenti
schrift 40 40 871 und 40 13 486 beschrieben.
Grate können auch durch einen sogenannten Sekundäreffekt gebildet werden, zu dem es kommt,
wenn das schmelzflüssige Schlackeschmelzbad vor der Primärreaktionszone zunehmend größer wird, bis der
vorrückende Sauerstoffstrom nicht mehr in der Lage ist,
das gesamte Schmelzbad weiterzuschieben, und statt dessen nur der miniere Teil des Schmelzbades
vorwärtsgedrückt wird. Dadurch wird ein Teil des geschmolzenen Metalls an den Rändern des Schmelzba-
ii des seitlich über die Grenzbereiche des Flämmschnittes
hinausgedrückt, 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
jo 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 3i 63 559) vollflächige und hohle Hoch-
S5 druck-Wasserströme unmittelbar vor der Flämmreaktionszone
quer übet- die Werkstückoberfläche gerichtet, um die Schlacke wegzuwaschen. Es ist ferner bekannt
(US-PS 33 54 002), mehrere Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen geringfügig stromabwärts von der Reaktionszone
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 Wasserstückoberfläche ΐ 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,
V) daß querverlaufende Schlackenwasserstrahlen an der einen Seite des Werkstückes angeordnet werden, um
schmelzflüssige Schlacke von der den Strahlen zugekehrten Seite des Schnittes aus in einen Schlackeauffangbehälter
zu blasen, der sich entlang der gegenüber-
« liegenden Werkstückseite befindet. Dadurch wird die
Gratbildung an der den Strahlen zugekehrten Seite des Schnittes minimiert. Jedoch das Problem eier Gratbildung
auf der vom Strahl abgewendeten Seite noch kritischer.
W) Das zweite Problem, das bei herkömmlichen Flämmvorgängen
auftritt, ist die große Menge an Rauch, d. h. Dämpfen und feinen, partikelförmigen Stoffen, die
durch die Flämmreaktion gebildet wird. Es ist bekannt (DE-AS 23 56 282), zur Entfernung von Rauchgase,
bι Schlacke u. dgl. vor einem Flämmbrenner eine die
Rauchgase und die Schlacke gemeinsam aufnehmende Absaughaube anzuordnen, die mit einem Absauggebläse
sowie mit einer Schlackeabfördervorrichtung verbun-
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