DE2841704B2

DE2841704B2 - Verfahren und Vorrichtung zum thermochemischen Flämmen eines metallischen Werkstückes

Info

Publication number: DE2841704B2
Application number: DE2841704A
Authority: DE
Inventors: Ronald Elmer Suffern N.Y. Fuhrhop (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: ESAB AB
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1978-09-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DE2841704C3; YU41839B; DE2841704A1; TR20332A; RO77452A; YU225878A; BR7806291A; ES476037A1; YU172682A; NO147904C; FR2403860A1; SE437947B; GB2004490A; NO147904B; LU80280A1; EG13617A; PL209800A1; SE453575B; CA1079181A; IT1106093B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermochemischen Flammen eines metallischen Werkstückes, bei dem eine auf der Oberfläche des Werkstückes liegende Stelle, an der die Flämmreaktion einsetzen soll, auf die

Zündtemperatur in oxidierendem Gas vorgeheizt wird, indem auf die Stelle eine nachvermischte Vorheizflamme gerichtet wird, zu deren Bildung mindestens ein Strom aus Vorheizbrenngas und mindestens ein Strom aus oxidierendem Vorheizgas aus gesonderten Austragdurchlässen derart ausgetragen werden, daß sie außerhalb ihrer Austragdurchlässe aufeinandertreffen, und bei dem ein Strom aus oxidierendem Flämmgas unter einem spitzen Winkel zu der Werkstückoberfläche auf die vorgeheizte Stelle gerichtet wird, während gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen dem oxidierenden Flämmgasstrom und der Werkstückoberfläche unter Ausbildung eines Flämmschnittes erfolgt Die Erfindung befaßt sich ferner mit einer Flämmvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einer Einrichtung zum Austragen eines Stromes aus oxidierendem Flämmgas durch eine Flämmdüse hindurch und einer dem Ausbilden einer nachvermischten Vcrheizflamme dienenden Einrichtung, die eine Auslaßanordnung zum Austragen eines Stromes fus Vorheizbrenngas mit einer gegen das zu flammende Werkstück gerichteten Achse und eine Auslaßanordnung zum Austragen eines Stromes aus oxidierendem Vorheizgas aufweist.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten An(DE-AS 20 18 044, US-PS 37 52 460) sind der aus der schlitzförmigen Flämmdüse austretende oxidierende Vorheizgasstrom und der Vorhei brenngasstrom so gerichtet, daß sie an der Werkstückoberfläche zusammentreffen. Während des Vorheizens wird ein zusätzlicher flächiger Fangsauerstoffstrom von oberhalb der Vorheizflammen aus derart gegen die Werkstückoberfläche gerichtet, daß er diese an der auf der Werkstückoberfläche liegenden Treffstelle der Ströme aus oxidierendem Vorheizgas und Vorheizbrenngas erreicht und dabei zusammen mit der Werkstückoberfläche einen keilförmigen Raum bildet, innerhalb dessen der oxidierende Vorheizgasstrom und der Vorheizbrenngasstrom gehalten werden. Aufgabe des Fangsauerstoffstromes ist es, in der dem eigentlichen Flämmvorgang vorausgehenden Vorheizphase für ein verbessertes Durchmischen von oxidierendem Vorheizgas und Vorheizbrenngas zu sorgen und die Ausbildung eines Schmelzbades zu erzwingen, das unmittelbar vor der geradlinigen Projektion des Flämmsauerstoffstromes liegt. Das bekannte Verfahren eignet sich zum Flämmen von heißem Flämmgut. Es führt jedoch insbesondere beim Flämmen von kalten Werkstücken zu unerwünscht langen Vorheizdauern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die auf einfache, kostensparende Weise eine wesentliche Verkürzung der Vorheizdauer insbesondere beim Flämmen von relativ kaltem Flämmgut bewirken, ohne daß die Gefahr von Flammenrückschlägen besteht und ohne daß Zusatzstoffe erforderlich werden.

Entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Ausbildung der Vorheizflamme der Strom aus oxidierendem Vorheizgas und der Strom aus Vorheizbrenngas so gerichtet werden, daß ihre Treffstelle oberhalb der Werkstückoberfläche liegt und ihre Achsen einen spitzen Winkel einschließen, und daß die Vorheizflamme stabilisiert wird, indem ein Niederinten^itätsstrom aus oxidierendem Gas im wesentlichen in der gleichen Richtung wie diejenige der Flamme oder so ausgetragen wird, daß er mit der vorderen Achse der Flamme einen Winkel zwischen 10° uncl 90° bildet, wobei der stabilisierende oxidierende Gasstrom nahe der Treffstelle der Ströme aus oxidierendem Vorheizgas und Vorheizbrenngas oder durch diese Treffstelle hindurch verläuft

Der Niederintensitätsstrom aus oxidierendem Gas bewirkt, daß die stabilisierte Vorheizflamme eine lange, ausgeprägte, von der oberhalb der Werkstückoberfläche befindlichen Treffstelle der Vorheizgasströme ausgehende Hochintensitätszone ausbildet, deren Spitze

ίο nahe der Werkstückoberfläche liegt Es erfolgt auf diese Weise eine besonders rasche und intensive Vorheizung des betreffenden Teils der Werkstückoberfläche auf die Temperatur, bei welcher das Werkstück in einer Atmosphäre aus oxidierendem Gas gezündet wird.

Zweckmäßig wird mit einem spitzen eingeschlossenen Winkel von 5° bis 50° zwischen den Achsen der Voriieizgasströme gearbeitet

Unter oxidierendem Gas wird ein oxidationsmittelhaltiges Gas verstanden. Vorzugsweise wird als oxidierendes Gas Sauerstoff (d. h. handelsüblich reiner Sauerstoff) verwendet Es kann jedoch auch mit anderen oxidierenden Gasen als reinem Sauerstoff gearbeitet werden. Beispielsweise kann das zum Flämmen und Stabilisieren herangezogene oxidierende Gas Sauerstoff mit einer Reinheit von nur 99% oder weniger sein. Bei unreinem Sauerstoff, insbesondere bei einem Sauerstoff mit einer geringeren Reinheit als 99%, werden jedoch schlechtere Ergebnisse erzielt. Das oxidierende Vorheizgas kann bis herab zu nur 21% Sauerstoff enthalten, das heißt Luft sein. Mit abnehmendem Sauerstoffgehalt im oxidierenden Vorheizgasstrom steigen jedoch die Vorheizdauern.

Das Verfahren läßt sich besonders einfach durchführen, wenn das stabilisierende oxidierende Gas und das oxidierende Flämmgas aus dem gleichen Durchlaß ausgetragen werden. Um für eine über die Arbeitsbreite hinweg gleichmäßige Stabilisierung zu sorgen, wird zweckmäßig das stabilisierende oxidierende Gas aus einer schlitzartigen Düse ausgetragen.

4(i Im Hinblick auf ein rasches Vorheizen bei sparsamem Gasverhrauch erwies es sich als günstig, wenn mit einer Vorheizbrenngas-Durchflußmenge von 0,28 bis 0,99 NmVh je Strom, einer Durchflußmenge für das oxidierende Vorheizgas von 0,42 bis 1,70NmVh je

■i j Strom und einer Durchflußmenge für das stabilisierende oxidierende Gas von 0,85 bis 2,83 NmVh je cm Schlitzbreite gearbeitet wird.

Eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Flämmvorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Auslaßanordnung für das oxidierende Vorheizgas derart gerichtet ist, daß sie die Achse der Vorheizbrenngas-Auslaßanordnung unter einem spitzen eingeschlossenen Winkel außerhalb der Auslaßanordnungen und oberhalb der Werkstückoberfläche schneidet, sowie daß eine Einrichtung zum Austragen eines Niederintensitätsstromes aus stabilisierendem oxidierendem Gas vorgesehen ist, die mindestens einen Auslaß aufweist, dessen Achse im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Resultierende der

to Achsen der Auslaßanordnung für das oxidierende Vorheizgas und der Vorheizbrenngas-Auslaßanordnung oder in einem Winkel von 10° bis 90° mit der vorderen Resultierenden dieser Achsen gerichtet ist und nahe dem oder durch den Schnittpunkt dieser Achsen

h5 verläuft. Zweckmäßige weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 8 bis 14.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind

im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

F i g. 1 eine Seitenansicht einer Flämmeinheit entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine Ansicht in Blickrichtung der Linie 2-2 der Fig. 1.

F i g. 3 in größerem Maßstab eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1, die die vorliegend wesentlichen Merkmale erkennen läßt,

F i g. 4 die bevorzugte Lage des Schmelzbades mit Bezug auf den Flämmsauerstoffstrom für Flämmstarts auf dem flachen Teil einer Werkstückoberfläche,

F i g. 5 einen Start am Ende einer Werkstückoberfläche,

F i g. 6 einen grafischen Vergleich der erfindungsgemäß erzielten Vorheizdauer mit den Vorheizdauern bei bekannten Verfahren zum Vorheizen der Werkstückoberfläche,

F i g. 7 eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Vorheizströme aus dem unteren Brennerblock der Flämmvorrichtung ausgetragen werden,

F i g. 8 eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit gesonderten Durchlässen für den stabilisierenden Sauerstoff und den Flämmsauerstoff,

F i g. 9 eine Stirnansicht der Vorrichtung nach F i g. 8 entsprechend der Linien 9-9,

Fig. 10 eine Stirnansicht für eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung nach F i g. 8,

F ι g. 11 eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit gesonderten Durchlässen für den stabilisierenden Sauerstoff und den Flämmsauerstoff, wobei die Stabilisations- und Vorheizströme auf eine gemeinsame Stelle auftreffen,

F i g. 12 eine Seitenansicht einer Vorrichtung ähnlich derjenigen nach F i g. 3, wobei jedoch die Stabilisations- und Vorheizströme auf eine gemeinsame Stelle auftreffen,

Fig. 13 eine Seitenansicht einer Vorrichtung,'bei welcher der Stabilisationsstrom nahe der Treffstelle der Vorheizstrome verläuft, jedoch nicht die gleiche Richtung wie die Flamme hat, und

Fig. 14 eine Seitenansicht einer Vorrichtung ähnlich F i g. 13, bei der jedoch der stabilisierende Strom durch die Treffstelle der Vorheizströme hindurch verläuft.

Die F i g. 1, 2 und 3 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform. Eine typische Flämmeinheit besteht aus einem oberen Brennerblock 1, einem unteren Brennerblock 2, einem Kopf 3 und einem Schuh 4. Die Brennerblöcke 2 und 3 werden auch als Vorheizblöcke bezeichnet, weil bei herkömmlichen Vorrichtungen Vorheizflammen von diesen Blöcken ausgetragen werden. Bei der Vorrichtung nach den Fig. 1, 2 und 3 werden jedoch nur die vom oberen Brennerblock ausgehenden Flammen zum Vorheizen benutzt. Eine schlitzartige Flämmdüse 16, aus der ein flächiger Flämmsauerstoffstrom ausgetragen wird, wird von der Unterseite 20 des oberen Brennerblocks 1 und der Oberseite 21 des unteren Brennerblocks 2 gebildet Der untere Brennerblock 2 ist mit einer Reihe von Brenngasdurchlässen 19 versehen, die mit zweckentsprechenden, konventionellen Gaskanälen (nicht gezeigt) in Verbindung stehen. Sauerstoff und Brenngas werden dem Kopf 3 über nicht dargestellte Rohre oder Schläuche zugeführt und gelangen dann in bekannter Weise zu den betreffenden Gaskanälen. Der Schuh 4 läuft während des Flämmens auf der Oberfläche des Werkstückes W, um die Flämmdüse in einem konstanten Abstand Z(F i g. 3) von der Werkstückoberfläche zu halten. Die Flämmreaktion wird durchgeführt, indem man auf ein Schmelzbad einen aus der Düse 16 austretenden, flächigen Flämmsauerstoffstrom unter

ϊ einem spitzen Winkel zur Werkstückoberfläche auftreffen läßt, während für eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flämmeinheit gesorgt wird.

Der obere Brennerblock 1 ist mit einer Reihe von Vorheizbrenngasdurchlässen 17 und einer Reihe von

κι Vorheizsauerstoffdurchlässen 18 ausgestattet, wobei jeder dieser Durchlässe mit (nicht gezeigten) Zufuhrkanälen für Brenngas bzw. Sauerstoff in Verbindung steht. Während in der Zeichnung die Vorheizsauerstoffdurchlässe 18 über den Vorheizbrenngasdurchlässen 17 sitzen,

! 5 kann auch mit einer umgekehrten Anordnung gearbeitet werden, obwohl dies nicht die bevorzugte Ausführungsform darstellt. Allgemein gilt, daß die Vorheizbrenngasdurchlässe vorzugsweise zwischen den Vorheizsauerstoffdurchlässen und dem unten erläuterten Stabilisationssauerstoffdurchlaß sitzen, obwohl auch abweichende Anordnungen funktionsfähig sind.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt. Vorheizsauerstoffströme 9 aus den Durchlässen 18 und Vorheizbrenngasströme 10 aus den Durchlässen 17 treffen aufeinander und bilden ein brennbares Gemisch. Die Treffstelle ist in F i g. 3 als Punkt 30 angedeutet. Nach dem Zünden bildet das brennbare Gemisch eine Flamme 14, die eine Zone 13 niedriger Intensität und eine Zone 12 hoher Intensität hat. Es wurde gefunden, daß die Hochintensitätszone 12

jo so verlängert werden kann, daß ihre Spitze 27 gerade über der Oberfläche des Werkstücks W liegt und eine längere, intensivere Flamme erzeugt werden kann, indem die Vorheizflamme durch einen Sauerstoffstrom niedriger Intensität stabilisiert wird, der nahe an der

J5 Treffstelle 30 vorbei und im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Flamme 14 läuft. Unter Vorbeileiten des Niederintensitätsstromes 15 nahe der Treffstelle soll verstanden werden, daß die von dem Strom beschriebene Bahn in der Nähe der Treffstelle 30 liegt, jedoch nicht durch diese hindurchläuft. Was den Begriff »Treffstelle« anbelangt, versteht es sich, daß zahlreiche einander schneidende Gasströme und damit auch zahlreiche Treffpunkte vorhanden sind. Weil die Gasströme ferner einen gewissen Querschnitt haben, bilden sie beim Aufeinandertreffen Schnittflächen und nicht nur Schnittpunkte. Unter »Treffstelle« soll daher der geometrische Ort der Schnittflächen der Vorheizbrenngas- und Vorheizoxidationsgasströme verstanden werden. Die bevorzugte Quelle für den stabilisierenden Sauerstoffstrom 15 ist die Flämmdüse 16. Konventionelle (nicht dargestellte) Ventilanordnungen sind vorgesehen, um den durch die Flämmdüse 16 hindurchgehenden Niederintensitätssauerstoffstrom 15 zu erzeugen, d. h. einen Sauerstoffstrom, dessen Intensität kleiner als diejenige eines Flämmsauerstoffstroms ist

Der Strom 15 sollte die gleiche allgemeine Richtung wie die Flamme haben. Das heißt bei Auflösung des Stroms 15 in zwei Vektorkomponenten, von denen die eine parallel und die andere senkrecht zur Richtung der

ω Flamme verläuft; sollte die zur Flamme parallele Vektorkomponente in die gleiche Richtung wie die Flamme weisen. Im Betrieb der Ausführungsform gemäß Fig.3 mit den bevorzugten Werten nach den Tabellen I und II liegt die Flamme nahe bei der Resultierenden der Achsen der Vorheizsauerstoff- und Vorheizbrenngasdurchlässe (oder, genauer ausgedrückt, der Winkelhalbierenden, die von diesen Achsen gebildet wird). Vorzugsweise kreuzen sich die Projektionen der

Achsen des Stromes 15 und der Flamme 14 unter Bildung eines spitzen eingeschlossenen Winkels, wie dies in den F i g. 1 und 3 dargestellt ist. Entsprechend den Fig. 1 und 3 liegt die Achse des stabilisierenden Stromes 15 ferner vorzugsweise parallel zu derjenigen des Vorheizbrenngasstromes.

Die Vorheizbrenngas- und -sauerstoffströme müssen einander in einem spitzen Winkel treffen, d. h. einem Winkel, der größer als 0°, aber kleiner als 90° ist. Der bevorzugte Bereich reicht von 5° bis 50°. Am günstigsten ist ein Treff winkel von 15°.

Der von der Düse 16 ausgehende stabilisierende Sauerstoffstrom 15 muß niedrige Intensität haben, d. h. eine niedrigere Düsengeschwindigkeit als der Vorheizsäuerslüff und das Brenngas aus den Düsen 18 und 17. Vorzugsweise beträgt die Düsengeschwindigkeit des stabilisierenden Sauerstoffs ungefähr 10% derjenigen der Vorheizströme.

Wäre die Vorheizflamme nicht in der oben erläuterten Weise stabilisiert, hätte die hochintensitätszone (von der Treffstelle 30 bis zur Spitze 27) eine so geringe Länge, daß der Vorheizvorgang nicht innerhalb einer brauchbar kurzen Zeitdauer durchgeführt werden könnte, ohne daß der Brennerabstand Zverringert wird. Eine Verkleinerung des Brennerabstandes Z mit dem Ziel, die Spitze der Hochintensitätszone einer nichtstabilisierten Flamme dicht an das Werkstück heranzubringen, würde aber die Flämmeinheit wesentlich stärkeren Beschädigungen durch Metall- und Schlackespritzer aussetzen, als dies bei normalen Brennerabständen der Fall ist. Flairmen, die durch Mischen von Brenngas aus den unteren Durchlässen 19 mit Sauerstoff aus der Düse 16 erhalten werden, dienen der Unterstützung der Flämmreaktion. Diese Flammen sind während des Vorheizens nicht notwendig; Brenngas sollte jedoch auch während der Vorheizdauer aus den Durchlässen 19 austreten, um ein Verstopfen dieser Durchlässe zu verhindern.

Nachdem sich das Schmelzbad an der Stelle B bildet, wird die den Sauerstoffstrom aus der Düse 16 steuernde Ventilanordnung so eingestellt, daß die Intensität des Sauerstoffstroms von einem Wert niedriger Intensität auf Flämmintensität gesteigert wird. Außerdem wird mit der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flämmeinheit begonnen, wodurch auf der Oberfläche des Werkstücks ein Flämmschnitt durchgeführt

wird. Während des Flämmvorgangs bleiben die von den Strömen 9 und 10 gebildeten Vorheizflammen mit niedrigerer Intensität als während des Vorheizens eingeschaltet, um die Flämmreaktion zu unterstützen. Eine Abschirm- oder Luftablenkleiste 28 befindet sich über den Vorheizdurchlässen 17 und 18; sie verhindert ein Ausblasen der Niederintensitätsflamme während des Flänimens.

Es liegen mehrere Konstruktionsparameter vor, die bei der Fertigung der beschriebenen Vorrichtung festgelegt werden müssen und von denen viele nicht unabhängig voneinander sind. Bei einer konventionellen Flämmvorrichtung werden die folgenden Parameter für gewöhnlich fest vorgegeben:

(1) G, der Winkel zwischen dem Flämmsauerstoff und der Oberfläche des Werkstücks

(2) X, die Höhe der Düse 16

(3) Z, der Abstand Brenner—Werkstück, kurz Brennerabstand genannt

(4) U, die Breite der Flämmeinheit (siehe F i g. 2)

(5) die Art des verfügbaren Brenngases

(6) die Art des verfügbaren oxidierenden Gases.

Für jede Wertegruppe der obigen Parameter gibt es einen brauchbaren Bereich und einen bevorzugten Wert für die Variablen, die für die Auslegung der erfindungsgemäßen Vorheizeinrichtung herangezogen werden.

Die beiden folgenden Tabellen enthalten Beispiele von Werten, die sich vorliegend als günstig erwiesen. In der Tabelle I ist eine Gruppe von typischen Werten von Parametern für eine konventionelle Flämmvorrichtung zusammengestellt, die in bekannter Weise zu einem befriedigenden Flämmen führt.

Tabelle I	35"
G, Flämmsauerstoffwinkel	5,6 mm
X, Höhe der Düse 16	25 mm
Z, Brennerabstand	270 mm
U, Breite der Flämmeinheit	Erdgas
Brenngas	Sauerstoff
oxidierendes Gas

In der Tabelle II sind der brauchbare Bereich und der bevorzugte Wert der Variablen angegeben, die sich als geeignet erwiesen, wenn mit den festen Parametern gemäß Tabelle I gearbeitet wird.

Tabelle II

Variable

Bevorzugter Wert	Näherungsweise brauchbarer Bereich
1,0 mm	0,7-1,7 mm
0,48Nm³/h	0,28-0,99NmVh
6,0 mm	3-16mm
1,6 mm	1 -2,3 mm
l,05Nm³/h	0,42-l,70Nm³/h
6,0 mm	3-16mm

Durchmesser der Vorheizbrenngasdurchlässe 17

Durchflußmenge des Vorheizbrenngases
je Durchlaß

Abstand der Vorheizbrenngasdurchlässe
(Abmessung Kin Fig. 2)

Durchmesser der VorheizsauerstofT-durchlässe 18

Durchflußmenge des Vorheizsauerstofls
je Durchlaß

Abstand der VorheizsauerstofTgasdurchlässe (Abmessung >' in Fig. 2)

Fortsetzung

Variable

Bevorzugter
Wert

Näherungsweise
brauchbarer Bereich

Treffwinkel zwischen den Achsen der Vorheizbrenngasdurchlässe und der Vorheizsauerstoffgasdurchlässe (Winkel D in Fig. 3) Abstand 26 zwischen der Unterseite 20 und den Vorheizbrenngasdurchlässen 16 Winkel zwischen der Achse des VorheizsauerstofTdurchlasses und dem Werkstück (Winkel Hin Fig. 3) Abstände 31 und 32 von der Treffstelle 30 zu den Vorheizdurchlässen

Abstände 29 (Fig. 2) zwischen den Mittellinien von Durchlaß 17 und Durchlaß 18 Durthflußmenge des stabilisierenden Sauerstoffs aus dem Schlitz 16 während des Vorheizens je cm der Schiitzbreite

5°-50°

10mm	3-15mm
50°	400-750
15mm	3-22mm
4mm	l,5-6mm
1,70NmVh	0,85-2,83NmVh

Die in der Tabelle II angegebenen Variablen hängen voneinander ab. Wenn daher eine dieser Variablen wesentlich abweichend von dem bevorzugten Wert gewählt wird, können sich der bevorzugte Wert und der brauchbare Bereich von anderen Variablen ändern. Bei Änderung eines der festen Parameter der Tabelle I kann es außerdem selbstverständlich gleichfalls zu einer ω Änderung des bevorzugten Wertes und des brauchbaren Bereichs von Variablen der Tabelle II kommen. Daher versteht es sich, daß eine fast unbegrenzte Anzahl von Kombinationen der Werte der Tabellen I und II zufriedenstellende Ergebnisse herbeiführt. r,

Die Durchlässe 17 und 18 haben vorzugsweise Kreisform; es kann jedoch auch mit anderen Formen gearbeitet werden. Beispielsweise können die Durchlässe quadratisch oder rechteckig sein. Eine einzige langgestreckte Vorheizsauerstoffdüse kann in Verbindung mit einer einzigen langgestreckten Vorheizbrenngasdüse verwendet werden, obwohl eine solche Ausbildung nicht bevorzugt vorgesehen wird. Am günstigsten ist es, eine Mehrzahl von Sauerstoff- und Brenngasdurchlässen zu verwenden, die in einander gegenüberliegenden Reihen angeordnet sind, wie dies aus den Fig. 2 und 10 hervorgeht. Wenn mit einer Mehrzahl von Vorheizdurchlässen gearbeitet wird, sollte der Durchlaßabstand, d. h. die Abmessung Y in F i g. 2, gleichförmig sein. Jeder Sauerstoffdurchlaß 18 w sollte urmittelbar gegenüber einem Vorheizdurchlaß 17 liegen. Diese bevorzugte Anordnung führt zu dem gleichmäßigsten und raschesten Vorheizen; funktionsfähig sind aber auch ,Anordnungen mit ungleichförmigem Durchlaßabstand und/oder mit gegeneinander versetzten Brenngas- und Sauerstoffdurchlässen.

Die Flammenwinkel F, d. h. der Winkel, den die Achse der Flamme 14 mit der Oberfläche des Werkstücks W bildet, sollte bei einem Brennerabstand Z von 25 mm zwischen 40° und 55° liegen. Wenn der Winkel Fgrößer als 55° ist, hat die Flamme die Neigung, eine Fuge in das Werkstück zu brennen. Bei einem Winkel Fvon weniger als 40° liegt die Spitze 27 der Hochintensitätszone 12 zu weit von der Werkstückoberfläche T weg, um die erwünscht kurzen Vorheizdauern zu erzielen. Der Flammenwinkel Fwird durch die Werte der Parameter in den Tabelle I und Il bestimmt

Die oben zusammengestellten bevorzugten Werte der Variablen führen zu einem befriedigenden Flammenwinkel. Es versteht sich jedoch, daß auch viele andere brauchbare Kombinationen möglich sind.

Beste Ergebnisse werden erhalten, wenn die Vorheizbrenngas- und -Sauerstoffdurchlässe möglichst dicht beieinanderliegen, ohne daß die Gase innerhalb der Flämmeinheit zusammenkommen, so daß ein Vormischen und Flammenrückschläge möglich werden.

F i g. 4 zeigt die bevorzugte Lage des Startschmelzbades B mit Bezug auf die Mittellinienprojektion der Achse 15 der Flämmsauerstoffdüse 16, wenn Starts auf der Oberseite T eines Werkstücks W durchgeführt werden. Wie aus F i g. 4 hervorgeht, sollte der von der Schlitzförmigen Düse 16 kommende Sauerstoffstrom auf das bezüglich der Richtung des Flämmschnittes (angedeutet durch den Pfeil J) hintere Ende C des Startschmelzbades B auftreffen. Diese Lage des Startschmelzbades erlaubt es, daß das gesamte schmelzflüssige Material vom Schmelzbad aus nach vorne geblasen wird, so daß kein Werkstoff verbleibt, der an der Rückseite des Schnittes Erhebungen oder Grate bilden könnte.

Wenn ein Start am Ende des Werkstücks W durchgeführt werden soll, wie dies in F i g. 5 angedeutet ist, sind die Ergebnisse zufriedenstellend, solange der Flämmsauerstoffstrom aus der schlitzförmigen Düse 16 nur auf einen beliebigen Teil des Startschmelzbades trifft, weil sich rückwärts von dem Schmelzbad keine Werkstückoberfläche Γ befindet, auf der sich Erhebungen bilden können, und weil es unerheblich ist, wenn Grate an der Stirnfläche E ausgebildet werden.

Die Fig.7 bis 14 zeigen abgewandelte Ausführungsformen, die, obwohl es sich dabei nicht um die bevorzugten Ausführungsformen handelt, gleichwohl imstande sind, eine stabilisierte nachvermischte Vorheizflamme zu erzeugen.

Fig.7 ist eine Seitenansicht einer Flämmeinheit ähnlich derjenigen nach den Fig. 1, 2 und 3, mit der Ausnahme, daß die Vorheizsauerstoff- und -brenngasdurchlässe 18 bzw. 17 im unteren Brennerblock 2 angeordnet sind. Die Vorrichtung arbeitet ähnlich wie die Vorrichtung nach den F i g. 1,2 und 3.

Die F i g. 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei welcher der stabilisierende Sauerstoff von Durchlässen 16' angeliefert wird, die von der schlitzförmigen

Flämmsauerstoffdüse 16 getrennt sind. In diesem Fall trifft ein Vorheizsauerstoffstrom 9 aus dem Durchlaß 18 auf einen Vorheizbrenngasstrom 10 aus dem Durchlaß 17, um eine nachvermischte Flamme 14 zu bilden. Die Flamme wird mittels eines Niederintensitätssauerstoffstroms 15' aus dem Durchlaß 16' stabilisiert, der nahe der Treffstelle 30 und in der allgemeinen Richtung der Flamme verläuft. Die Vorheiz- und Stabilisierdurchlässe 17, 18 und 16' befinden sich im oberen Brennerblock 1. Sie können auch im unteren Brennerblock 2 angeordnet fein. Nach dem Vorheizen wird ein aus der Düse 16 austretender Flämmsauerstoffstrom eingeschaltet, um das We^rkstück zu flämmen. Wie zuvor beschrieben, unterstützt aus dem Durchlaß 19 austretendes Brenngas die Aufrechterhaltung der Flämmreaktion.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform entsprechend Fig.9, mit der Ausnahme, daß der stabilisierende Sauerstoff von einer langgestreckten, schlitzartigen Düse 16" ausgeht. Der Vorheizsauerstoff und das Vorheizbrenngas können gleichfalls über langgestreckte, Schlitzartige Düsen zugeleitet werden, obwohl eine solche Ausbildung nicht die bevorzugte Ausführungsform darstellt.

F i g. 11 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit Durchlässen 16' für stabilisierenden Sauerstoff, die ähnlich wie im Falle der F i g. 8 von der Flämmsauerstoffdüse 16 getrennt sind. Der stabilisierende Sauerstoffstrom 15' läuft jedoch durch die Treffstelle 30 von Vorheizsauerstoffstrom 9 und Vorheizbrenngasstrom 10 hindurch. Es wurde gefunden, daß Abschirmflächen oder -leisten 28 und 28', obwohl sie nicht unbedingt notwendig sind, den Bereich vergrößern, innerhalb dessen die Durchflußmengen der Vorheiz- und Stabilisierströme variiert werden können, während gleichwohl eine stabilisierte Flamme erzeugt wird. Wenn der Brenngasdurchlaß nicht zwischen dem Vorheizsauerstoffdurchlaß und dem Durchlaß für stabilisierende Sauerstoff liegt, ist eine nahe dem Brenngasdurchlaß angeordnete Abschirmleiste von besonderem Nutzen.

Fig. 12 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung, bei welcher sowohl der stabilisierende Sauerstoff als auch der Flämmsauerstoff aus derselben Düse, nämlich der Düse 16, ausgetragen werden, wie dies bei der Anordnung nach Fig.3 der Fall ist. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 12 geht jedoch der stabilisierende Sauerstoff durch die Treffstelle der Vorheizströme hindurch. Diese Ausbildung ist zwar nicht ganz so günstig wie diejenige nach Fig.3, kann jedoch gleichwohl eine stabilisierte Vorheizflamme erzeugen, vorausgesetzt, daß die Treffstelle 30 über dem (nicht dargestellten) Werkstück liegt

Vorzugsweise wird der stabilisierende Sauerstoffstrom in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Flamme gerichtet. Dies bedeutet, daß bei Auflösung des stabilisierenden Sauerstoffstroms in zwei Vektorkomponenten, und zwar eine parallel und die andere senkrecht zur Richtung der Flamme, die zur Flamme parallele Vektorkomponente in die gleiche Richtung wie die Flamme weist Es zeigte sich jedoch, daß eine zur Erzielung einer kurzen Vorheizdauer geeignete stabilisierte Flamme auch gebildet werden kann, wenn der stabilisierende Sauerstoffstrom senkrecht zur Flamme oder selbst entgegen der allgemeinen Richtung der Flamme gerichtet ist

Fig. 13 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung, bei welcher der stabilisierende Sauerstoffstrom 15' nicht in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Flamme verläuft In diesem Fall treffen sich der Vorheizsauerstoffstrom 9 und der Vorheizbrenngasstrom 10 an der Treffstelle 30 unter Ausbildung einer nachvermischten Flamme 14 mit einer vorderen Achse 22, die als das Liniensegment der Mittelachse der Flamme definiert ist, λ das vor dem Punkt 23 liegt, an welchem der stabilisierende Strom die Mittelachse der Flamme kreuzt. Unter dem Begriff »vor« soll dabei die Richtung verstanden werden, in die das »V« weist, das durch das Zusammentreffen der Vorheizströme gebildet wird.

ίο Wenn daher der Strom aus stabilisierendem Sauerstoff einen Winkel A von mehr als 90° mit der vorderen Achse der Flamme bildet, ist der stabilisierende Strom in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Flamme gerichtet Es zeigte sich jedoch, daß selbst bei Winkeln A zwischen 10° und 90° eine stabilisierte Flamme erzeugt werden kann. Die Lage der Flamme mit Bezug auf die vordere Resultierende der Achsen der Vorheizdurchlässe (d. h. die Winkelhalbierende des Winkels zwischen diesen Achsen) wird durch die Richtung, die Geschwindigkeit und die Durchflußmenge des stabilisierenden Sauerstoffs beeinflußt. Bei der Darstellung nach Fig. 13 verläuft der Strom 15' aus stabilisierendem Sauerstoff nahe der Treffstelle der Vorheizströme, und zwar vor dieser Treffstelle.

Befriedigende Ergebnisse können auch erzielt werden, wenn der stabilisierende Strom unter der Treffstelle gerichtet wird.

Fig. 14 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung ähnlich derjenigen nach F i g. 13, mit der Ausnahme, daß der stabilisierende Sauerstoffstrom 15' durch die Treffstelle der Vorheizströme hindurchläuft. Diese Anordnung gestattet es ebenfalls befriedigende Ergebnisse zu erzielen.
Ohne eine Festlegung auf eine bestimmte Theorie zu beabsichtigen, läßt sich die Erzielung kürzerer Vorheizdauern wie folgt erklären. Es wurde beobachtet, daß eine unstabilisierte, nachvermischte Flamme, die nur durch das Zusammentreffen von Vorheizbrenngas und Vorheizsauerstoff gebildet wird, dazu neigt, eine relativ große Niederintensitätszone und eine sehr kleine Hochintensitätszone zu haben. In einigen Fällen kann keine Hochintensitätszone wahrgenommen werden. Außerdem neigt eine unstabilisierte nachvermischte Flamme zum Flattern. Versucht man, die Intensität einer unstabilisierten Flamme durch Vergrößerung der Durchflußmenge des Vorheizsauerstoffs und des Vorheizbrenngases zu steigern, wird das Flattern noch ausgeprägter. Die nichtstabilisierte Flamme wird schließlich von den Vorheizauslässen durch den erhöhten Gasstrom weggeblasen und zum Verlöschen gebracht Es wurde beobachtet, daß Abschirm- oder Luftablenkleisten dazu beitragen, die Flamme an Ort und Stelle zu halten, und etwas höhere Vorheizgasdurchflußmengen erlauben, bevor die Flamme erlischt.

Wenn eine nachvermischte Flamme durch einen Niederintensitätssauerstoffstrom der vorliegend geschilderten Art stabilisiert wird, bildet die stabilisierte Flamme sehr rasch eine lange, ausgeprägte Hochintensitätszone aus; das Flattern hört auf. Die Flamme bleibt stabil, auch wenn die Durchflußmengen von Vorheizbrenngas und Vorheizsauerstoff auf Werte erhöht werden, die über denjenigen liegen, bei denen die nichtstabilisierte Flamme verlischt. Der günstige Einfluß des Stabilisierungsstromes dürfte, insbesondere wenn er in der in F i g. 3 veranschaulichten Weise gerichtet ist, auf folgendes zurückzuführen sein:
(1) Weil der stabilisierende Sauerstoff als Niederintensitätsstrom zueeführt wird, stört er nicht die

Außenmischung der Vorheizsauerstoff- und Vorheizbrenngasströme. Er stellt jedoch Sauerstoff bereit, der mithiht, die Verbrennung aufrechtzuerhalten; außerdem sorgt er für eine die Hochintensitätszone der Flamme umgebende Sauerstoffatmosphäre. Diese Sauerstoffatmosphäre stellt ein hervorragendes Medium dar, innerhalb dessen die Flamme sich rückwärts in Richtung auf die Vorheizauslässe ausbreiten kann, wodurch unverbranntes Brenngas dichter an den Auslassen gezündet wird.

(2) Der stabilisierende Sauerstoffstrom bildet ferner eine Abschirmung, die die Flamme gegen Luft schützt, die kein ebenso günstiges Flammenausbreitungsmedium wie Sauerstoff darstellt und die bewirkt daß die Flamme unstabil wird und von den Vorheizauslässen weggeblasen wird.

Beispiele basierend auf Tabellen I und II

Flämmstarts auf der Oberseite eines Werkstückes entsprechend Fig.4 wurden im Laboratorium unter Verwendung einer Vorrichtung mit den Werten der Tabelle 1 und den bevorzugten Werten der Tabelle Il durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind in Form der Kurve X in F i g. 6 grafisch wiedergegeben. Dabei ist die Anfangstemperatur (T⁰C) des Werkstücks entlang der einen Achse aufgetragen, während die erforderliche Vorheizdauer (t) in Sekunden entlang der anderen Achse wiedergegeben ist. Für Vergleichszwecke zeigt die Kurve Y die Ergebnisse, die unter vergleichbaren Bedingungen unter Verwendung der aus der US-PS 52 460 bekannten Vorrichtung erzielt wurden, während die Kurve Zdie Ergebnisse wiedergibt, die mit

Tabelle III

einer konventionellen nachvermischten Vorheizflammi erzielbar sind, die mit Hilfe von aus der Flämmdüsi austretendem Sauerstoff sowie von Brenngasstrahlei gebildet wird, wie dies aus der US-PS 32 31 431 bekann ist

F i g. 6 läßt erkennen, daß die Erfindung gegenübe bekannten Vorheizverfahren bei kalten Werkstückei eine entscheidende Verbesserung darstellt Ober 200°( werden Vorheizzeiten erzielt die kleiner als die Hälft«

ίο der Vorheizdauer sind, die das aus der US-PS 37 52 46( bekannte Verfahren erfordert Für Werkstücke unte: 200° C kommt das vorliegende Verfahren mit wesentlicl weniger als der Hälfte der Vorheizdauer des Verfahren: gemäß US-PS 37 52 460 aus. Die grafische Darstellung läßt erkennen, daß das Verfahren gemäß US-Pi 37 52 460 nicht in der Lage ist für Werkstücke untei 250⁰C Vorheizdauern von weniger als 20 Sekunden zi erreichen. Das vorliegende Verfahren erfordert dage gen weniger als 20 Sekunden für das Vorheizen eine:

Werkstücks bei 0° C.

Bei' ρ i e 1 basierend auf F i g. 11

Eine nachvermischte stabilisierte Flamme wurde

2) erzeugt, indem man zwei Vorheizströme und einer stabilisierenden Strom entsprechend F i g. 11 an einei gemeinsamen Stelle zusammentreffen ließ. Die Tabellf III gibt einen brauchbaren bereich sowie bevorzugt« Werte für die bei der Durchführung des Verfahren; geeigneten Variablen an. Wie im Falle der Tabelle I hängen die Variablen voneinander ab.

Eine Abweichung von dem bevorzugten Wert eine Variablen kann den brauchbaren Bereich und dii bevorzugten Werte für andere Variable ändern.

Variable	Bevorzugter Wert	Näherungsweise brauchbarer Bereich
Winkel C(Fig. 11)	25°	5-90°
Abstand zwischen Treffstelle 30 und Vorheiz- sowie StabilisationssauerstofTdurchlässen	15 mm	3-22mm
StabilisationssauerstofTdurchlaß 15'
Durchmesser Durchflußmenge je Durchlaß	2 mm 0,37NmVh	l-6mm 0,28-1,13NmVh

Die in der Tabelle III nicht aufgeführten bevorzugtem Werte von Variablen sind die gleichen wie in Tabelle II.

Beispiel basierend auf F i g. 13

Die Tabelle IV gibt einen brauchbaren Bereich und bevorzugte Werte von Variablen für die Durchführunj des Verfahrens entsprechend F i g. 13 an.

Tabelle IV

Variable

Bevorzugter
Wert

Näherungsweise
brauchbarer Bereich

Abstände zwischen TrefTstelle 30 und Vorheizsowie StabilisationssauerstofTdurchlässen
Stabilisationssauerstoffdurchlaß 15'

Durchmesser

DurchfluGmenge je Durchlaß

Winkel A

Wie im Falle der vorhergehenden Tabellen hängen die Werte voneinander ab. Eine Änderung eines Wertes kann zu Änderungen des Bereichs von anderen Werten 15 mm

2 mm
0,37NmVh

80°

3-22 mm

l-6mm
0,28-1,13NmVh

10-90°

führen. Die bevorzugten Werte der in der Tabelle Γ nicht aufgeführten Variablen sind die gleichen wie i Tabellen.

Hierzu 6 I)UiIi /xidiiniinicii

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum thermochemischen Flämmen eines metallischen Werkstückes, bei dem eine auf der Oberfläche des Werkstückes liegende Stelle, an der die Flämmreaktion einsetzen soll auf die Zündtemperatur in oxidierendem Gas vorgeheizt wird, indem auf die Stelle eine nachvermischte Vorheizflamme gerichtet wird, zu deren Bildung mindestens ein Strom aus Vorheizbrenngas und mindestens ein Strom aus oxidierendem Vorheizgas aus gesonderten Austragdurchlässen derart ausgetragen werden, daß sie außerhalb ihrer Austragdurchlässe aufeinandertreffen, und bei dem ein Strom aus oxidierendem Flämmgas unter einem spitzen Winkel zu der Werkstückoberfläche auf die vorgeheizte Stelle gerichtet wird, während gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen dem oxidierenden Flämnigasstrom und der Werkstückoberfläche unter Ausbildung eines Flämmschnittes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Vorheizflamme Strom aus oxidierendem Vorheizgas und der Strom aus Vorheizbrenngas so gerichtet werden, daß ihre Treffstelle oberhalb der Werkstückoberfläche liegt und ihre Achsen einen spitzen Winkel einschließen, und daß die Vorheizflamme stabilisiert wird, indem ein Niederintensitätsstrom aus oxidierendem Gas im wesentlichen in der gleichen Richtung wie diejenige der Flamme oder so ausgetragen wird, daß er mit der vorderen Achse der Flamme einen Winkel zwischen 10° und 90° bildet, wobei der stabilisierende oxidierende Gasstrom nahe der Treffstclle der Ströme aus oxidierendem Vorheizgas und Vorheizbrenngas oder durch diese Treffstelle hindurch verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem spitzen eingeschlossenen Winkel zwischen 5° und 50° gearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als oxidierendes Gas Sauerstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende oxidierende Gas und das oxidierende Flämmgas aus dem gleichen Durchlaß ausgetragen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende oxidierende Gas aus einer schlitzartigen Düse ausgetragen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Vorheizbrenngas-Durchflußmenge von 0,28 bis 0,99 NmVh je Strom, einer Durchflußmenge für das oxidierende Vorheizgas von 0,42 bis 1,70NmVh je Strom und einer Durchflußmenge für das stabilisierende oxidierende Gas von 0,85 bis 2,83 NmVh je cm Schlitzbreite gearbeite' wird.

7. Flämmvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zum Austragen eines Stromes aus oxidierendem Flämmgas durch eine Flämmdüse hindurch und einer dem Ausbilden einer nachvermischten Vorheizflamme dienenden Einrichtung, die eine Auslaßanordnung zum Austragen eines Stromes aus Vorheizbrenngas mit einer gegen das zu flammende Werkstück gerichteten Achse und eine Auslaßanordnung zum Austragen eines Stromes aus oxidierendem Vorheizgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (9) der Auslaßanordnung (18) für das oxidierende Vorheizgas derart

^r> gerichtet ist, daß sie die Achse (10) der Vorheizbrenngas-Auslaßanordnung (17) unter einem spitzen eingeschlossenen Winkel außerhalb der Auslaßanordnungen (17, 18) und oberhalb der Werkstückoberfläche schneidet, sowie daß eine Einrichtung

ίο zum Austragen eines Niederintensitätsstromes aus stabilisierendem oxidierendem Gas vorgesehen ist, die mindestens einen Auslaß (16, 16', 16") aufweist, dessen Achse (15, 15') im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Resultierende der Achsen (9,10) der Auslaßanordnung (18) für das oxidierende Vorheizgas und der Vorheizbrenngas-Auslaßanordnung (17) oder in einem Winkel von 10° bis 90° mit der vorderen Resultierenden dieser Achsen (9, 10) gerichtet ist und nahe dem oder durch den Schnittpunkt dieser Achsen (9,10) verläuft

8. Flämmvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze eingeschlossene Winkel zwischen 5° und 50° beträgt.

9. Flämmvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, 2j dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Austragen von stabilisierendem oxidierendem Gas und die Einrichtung zum Austragen des Stromes von oxidierendem Flämmgas einen gemeinsamen Austragdurchlaß (16) aufweisen.

jo

10. Flämmvorrichtung nach einem der Ansprüche

7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flämmdüse (16) einen Schlitz aufweist, der zwischen einem oberen Brennerblock (1) und einem unteren Brennerblock (2) gebildet ist, die in gegenseitigem

i-j Abstand angeordnet sind.

11. Flämmvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Auslässen (17) zum Austragen eines Stromes aus Vorheizbrenngas in einer Reihe angeordnet ist, die im wesentlichen parallel zu einer Reihe aus einer Mehrzahl von Auslässen (18) zum Austragen eines Stromes aus oxidierendem Vorheizgas verläuft.

12. Flämmvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Auslässe (17) zum

-»"> Austragen eines Stromes von Vorheizbrenngas und die Reihe von Auslässen (18) zum Austragen eines Stromes von oxidierendem Vorheizgas in dem oberen Brennerblock (1) angeordnet sind.

13. Flämmvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch vi gekennzeichnet, daß die Reihe der Auslässe (17) zum

Austragen eines Stromes von Vorheizbrenngas und die Reihe von Auslässen (18) zum Austragen eines Stromes von oxidierendem Vorheizgas in dem unteren Brennerblock (2) angeordnet sind.
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14. Flämmvorrichtung nach einem der Ansprüche

7 bis 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Herbeiführen einer Relativbewegung zwischen der Austrageinrichtung (16) für das oxidierende Flämmgas und dem Werkstück (W).