DE2850399A1

DE2850399A1 - Stahlsandschleuder

Info

Publication number: DE2850399A1
Application number: DE19782850399
Authority: DE
Inventors: Leon Rutten
Original assignee: Cockerill SA
Current assignee: ArcelorMittal Liege Upstream SA
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1979-06-13
Also published as: IT7830084A0; IT1100349B; FR2409824A1; FR2409824B1; SE7811873L; US4277965A; CA1116861A; AT361320B; CH625991A5; GB2008994B; ES475334A1; ATA831178A; JPS5489391A; US4366690A; SE434229B; GB2008994A; NL7811245A; BE861175A; LU80558A1

Description

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU

D-8500 Nürnberg essenweinstrasse4-6 telefon 0911/203727 telex οβ/23135

Nürnberg, 20. 11. 1978 120/62

Societe Anonyme "COCKERILL", 4100 Seraing (Belgien)

"Stahlsandschleuder"

Die Erfindung betrifft eine Stahlsandschleuder mit mehreren um einen Stahlsand-Verteiler herum angeordneten Auswurf-Schaufeln.

Solche Stahlsandschleudern finden Anwendung zum Aufstrahlen von Stahlkörnern, Stahlkugeln oder dergleichen auf die Oberfläche eines metallischen Gegenstandes, um dieser Oberfläche eine wünschenswerte Rauhigkeit zu verleihen, sowie zu Zwecken der mechanischen Oberflächenreinigung bei aus einer Gießform entnommenen Metallgußstücken oder im Bereiche von Schweißnähten von Schweißkonstruktionsteilen.

Die turbinenähnlichen Schleudergeräte zum Abstrahlen eines Stahlsandstrahles arbeiten nach dem Zentrifugenprinzip und weisen einen zentral angeordneten Verteiler auf, der die Speisung mit Stahlsand bewirkt, und eine Anzahl von Schaufeln oder Schleuderflügeln, die radial

-2-

809S24/Ö643

um den Verteiler herum angeordnet und an einem Flansch oder zwischen zwei Flanschen befestigt sind. Die aktive oder wirksame Oberfläche dieser Schaufeln ist gewöhnlich eben und von konstanter Breite über ihre Länge.

Eine jede dieser Schaufeln soll den Stahlsand mit einer Austrittsgeschwindigkeit abschleudern, die direkt von der Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenanordnung abhängt. Aber diese Rotationsgeschwindigkeit kann in manchen praktisch vorkommenden Fällen zu gering sein, um diese angestrebte Abhängigkeit realisieren zu können. Der Impuls beim Aufprall der StahlSandkörner auf den zu bestrahlenden Gegenstand, d. h. deren Energie E = o,5"(m

wobei m die Masse des einzelnen Stahlsand-Kornes ist - ist nämlich eine Funktion des Quadrates der Auswurfgeschwindigkeit v_o.

Es hat sich nun gezeigt, daß bestimmte mit Stahlsand zu bestrahlende Gegenstände wie beispielsweise Blechwalzstraßen-Walzen, eine derart hohe Härte aufweisen, daß mit Stahlsandschleudern herkömmlicher Bauart mit geraden Turbinen- oder Auswurfschaufein auf deren Oberfläche die angestrebte Rauhigkeit nicht erzielt werden kann. Denn eine Stahlsandschleuder weist wie jede Maschine eine begrenzte Betriebsgeschwindigkeit auf, die u. a. aus Gründen der Sicherheit und der Verschleißerscheinungen nicht überschritten werden darf.

In Erkenntnis der Gegebenheiten, daß mit herkömmlichen, geraden Auswurf-Schaufeln nur eine Auswurfgeschwindigkeit des Stahlsandkornes erzielbar ist, die diejenige ent-

809824/0643

sprechend der begrenzten Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenanordnung nicht überschreitet, sowie daß der differenzielle Verschleiß der Schaufeln und der Flansche häufig zu Unwuchterscheinungen führt, die den Betrieb mit sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten verhindern, da die Unwuchtauswirkungen ebenfalls quadratisch von der Rotationsgeschwindigkeit abhängen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine betriebssicher mit hoher Drehzahl betreibbare Stahlsandschleuder gattungsgemäßer Art zu schaffen, die zu hoher Austrittsgeschwindigkeit des Stahlsandkornes bei gegenüber mit herkömmlichen Schleudern dieser Art erzielbarer Bündelung auch noch verbesserter Bündelung des Stahlsand-Strahles führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß bei einer Stahlsandschleuder gattungsgemäßer Art jede Schaufel eine wirksame Oberfläche aufweist, die sich längs eines Längsprofiles erstreckt, das ausgehend vom Verteiler zunächst einen konvexen, gefolgt von einem konkaven Bereich aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß mit derart profilierten Schaufeln eine spürbar höhere Austrittsgeschwindigkeit des Stahlsandkornes bei erheblich verminderter Strahl-Streuung eintritt.

Dabei ist für diese Wertung zu berücksichtigen, daß herkömmlicherweise eingesetzte gerade Auswurf-Schaufeln u. a. einen Stahlsand-Strahl hervorrufen, der sowohl längs der Bewegungsrichtung der Turbinenanordnung als auch längs

90982A/06U

einer quer dazu verlaufenden Richtung aufgefächert ist. Bei einer praktisch angewandten Schleuder mit einer Drehzahl von 2500 Umdrehungen pro Minute, die mit geraden Schaufeln von gleichförmiger Breite von 60 mm ausgestattet ist, ergibt die Auffächerung des Strahles in einem Abstand von 500 mm von der Schleuder einen Partikel-Strahl, der eine Aufschlaglänge von etwa 793 mm und eine Aufschlagbreite von etwa 80 bis 90 mm erfaßt. Es wurde festgestellt, daß, während der Mittenbereich des Strahles auf der bestrahlten Oberfläche eine gleichförmige Rauhigkeit hervorruft, die Randbereiche des aufgefächerten Strahles Stahlsand-Partikel führen, die auf der zu bestrahlenden Oberfläche abprallen, die abgleiten und die somit im Ergebnis einen sehr nachteiligen Aufschlageffekt in Hinblick auf den Wirkungsgrad dieser Behandlung erbringen. Dieses Auffächern des Strahles begrenzt somit sehr spürbar die Aufprall-Kraft der Partikel des Strahles, und das ist insbesondere störend im Falle des Stahlsand-Bestrahlens von Gegenständen mit gewölbter Oberfläche wie beispielsweise von Walz-Zylindern.

Durch die genannte erfindungsgemäße Lösung sind diese Schwierigkeiten und Nachteile aber mit überraschend einfachen konstruktiven Maßnahmen überwunden. Denn die nach der Erfindung erzielbare größere Auswurfgeschwindigkeit weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Zunächst kann die Schleuder mit geringerer Drehgeschwindigkeit betrieben werden, um unter sonst vergleichbaren Bedingungen den gleichen Rauhigkeitsgrad zu erzielen. Die Drehgeschwindigkeit des Turbinenteiles dieser Schleuder ist aber

109824/0643

ein sehr wesentlicher Gesichtspunkt, denn bei einer Schleuder dieser Art für das Hervorrufen von Strahlen zur Partikel-Bestrahlung führt die ungleichmäßige Abnutzung der Auswurf-Schaufeln und der Flansche zu sehr störenden Unwuchten und daraus resultierenden Vibrationen. Diese Unwuchten hängen unmittelbar vom Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit ab und werden durch verminderte Rotationsgeschwindigkeit für gleiche Bestrahlungswirkung somit ganz wesentlich vermindert. Es besteht deshalb ein großes Interesse daran, so stark wie möglich diese störenden Kräfte zu verringern, und das entscheidende Mittel dafür ist eine Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Turbinenteiles.

Andererseits erlaubt eine höhere Austrittsgeschwindigkeit, als mit geraden Schaufeln erzielbar, bei gleicher Drehgeschwindigkeit des Turbinenteiles einen höheren Rauhigkeitsgrad der bestrahlten Fläche zu erzielen. Insbesondere im Fall der Bestrahlung der Mantelfläche von Walzstraßen-Walzzylindern können bisher die Härte und die Zähigkeit im Bereiche der Zylindermantelfläche vornehm-lieh deshalb nicht weiter angehoben werden, weil schnell Bedingungen erreicht würden, unter denen eine wirksame Stahlsand-Bestrahlung mit zur Verfügung stehenden Stahlsandschleudern nicht mehr möglich ist, also der zu fordernde Oberflächen-Rauhigkeitsgrad nicht mehr erzielbar ist. Auf dem Gebiete der Behandlung von Walzzylindern mußte man sich deshalb bisher oft damit benügen, einen Kompromiß zwischen dem zu fordernden Rauhigkeitsgrad und der höchst erreichbaren, andererseits aber gerade noch zum Erzielen dieses Rauhigkeitsgrades zulässigen Härte der Zylindermantelflache einzugehen. Beispielsweise beträgt der maximal er-

■ .■■"■; _:ψ-~- ^: ■ - β - ■

809824/0643

■i-'-f'iJf \

JS

reichbare Rauhigkeitsgrad 200μ CLA (Center Line Average; Oberflächenunebenheit in Bezug auf ein Mittenniveau) bei winkeliger Bestrahlung mit Stahlsand-Korn, das einen mittleren Durchmesser von 0,40 mm aufweist, angewandt auf einen Zylinder mit einer Vickers-Härte von 730 bis 750 (bei 30 kp Belastung). Wenn die Oberflächenhärte des Zylinders um 30 Punkte auf der Vickers-Skala erhöht wird, ergibt sich beispielsweise eine maximal erzielbare Rauhigkeit von 170μ (CLA).

Eine Verbesserung der Konzentration des Stahlsandstrahles für die Bestrahlung, also eine Verringerung der Auffächerungserscheinungen dieses Strahles, hat zur Folge, daß die Aufschlagkraft des Strahles bei gleicher Abgabeleistung der Stahlsandschleuder-Einrichtung vergrößert wird.

Die nach der Erfindung gestaltete Stahlsandschleuder ist vorteilhafterweise nicht nur mit, bevorzugt unmittelbar aufeinanderfolgenden, konkav und konvex gebogenen Oberflächen der Auswurf-Schaufeln ausgestattet, sondern außerdem mit Schaufeln, deren Breite fortschreitend vom Fußbereich zum Kopf- oder Stirnbereich abnimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche vereinfacht dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:

809824/0643

Fig. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Turbine,

Fig. 2 und Fig. 3 je ein Ausführungsbeispiel für Schaufel-Längsprofile bei erfindungsgemäßen Turbinen und

Fig. 4 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Schaufel in Ansicht.

In Fig..1 ist eine schematisierte Schnittdarstellung durch eine als Stahlsandschleuder ausgebildete Turbine nach der Erfindung dargestellt. Um einen Stahlsand-Verteiler 1 herum ist ein Steuerungselement 2 angeordnet, das aus einer von einer öffnung 3 durchbrochenen umhüllung besteht, deren Abmessung von der Turbine und von der Stahlsandbestrahlung, die durchgeführt werden soll, abhängt. Mehrere Schaufeln 4 sind zwischen zwei Flanschen befestigt, von denen ein Flansch A in der Querschnittsdarstellung der Zeichnung sichtbar ist. Die Schaufeln 4 sind gleichförmig um das Steuerungselement 2 herum angeordnet. Im Betrieb wird die in Fig. 1 dargestellte Turbine in der Richtung, die durch den Pfeil w angegeben ist, in Rotation versetzt.

Nach der Erfindung haben die aktiven Oberflächen der Schaufeln 4 ein Längsprofil, das sich, ausgehend vom Verteiler 1, aus einem konvexen Beiäch, gefolgt von einem konkaven Bereich, zusammensetzt. Die konvexen und konkaven Bereiche können gleichförmige oder variable Krümmungswinkel aufweisen.

Ein spezielles Beispiel für ein Profil mit doppelter Krümmung gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Profil unterteilt sich in zwei Bereiche, in Fig. 2 als "Zone 1" und als "Zone 2" bezeichnet. In der Zone 1,

009824/0643

die sich vom Mittelpunkt längs eines Radius der Länge r-, = 190 ram beim dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt, ist die aktive Oberfläche der Schaufel konvex gekrümmt und zwar mit einem gleichförmigen Krümmungswinkel. Im dargestellten Beispiel ist dieser Winkel zu 30° ge..UhIt. Das bedeutet, daß in jedem der dargestellten Punkte A, B, C, D, E, F, G und H die in diesem Punkte an das Profil der aktiven Schaufel-Oberfläche gelegten Tangente einen Winkel von 30° mit demjenigen Radius, der durch diesen jeweiligen Punkt hindurch verläuft, einschließt. Die Anzahl der Unterteilungsschritte in einer Zone, also die Anzahl der dargestellten Punkte, wird derart gewählt, daß eine polygonale Kurve erzielt wird, die praktisch zusammenfällt mit einer theoretisch ermittelten Kurve.

Die Zone 2 erstreckt sich vom Ende des Radius r₃ = 190 mm bis zum Ende des Radius r₂ = 250 mm, bezogen auf das in Fig. 2 dargestellte Realxsierungsbeispiel. In dieser Zone ist die aktive Oberfläche der Schaufel konkav ausgebildet, mit einem Krümmungswinkel, der zwischen den Werten 30° und -10° als beispielshalber gewählten Werten für die Ausgangswinkel variiert. Die Variation des Krümmungswinkels ergibt sich somit zu 30°- (-10°) = 40°. Die Gerade-Ausrichtung der Krümmung ergibt sich nach Maßgabe der beiden Krümmungswinkel, nämlich:
30/40 um von einem Winkel X₁ = 30° beim Radius r_ = 190 mm auf einen Winkel X= 0° bei einem Radius r. = 235 mm

überzugehen; und
10/40 um vom Winkel cC= 0 beim Radius r. = 235 mm auf einen Winkelwert X/2 = -10° beim Radius r„ = 250 mm überzu-

gehen .

909824/0843

Die Trassierung des Profiles in dieser Zone 2 kann auf folgende Art vorgenommen werden. Es wird ausgehend vom Punkte H eine gerade Linie gezogen, die mit dem Strahl HO einen Winkel von 30° einschließt. Diese Gerade schneidet den Kreisbogen mit dem Radius r. = 235 mm im Punkte N. Es wird die Gerade NO gebildet und im Punkte N das Lot auf diese Strecke NO gefällt. In gleicher Weise wird im Punkte H das Lot auf die Strecke HN gefällt, woraus sich die Strecke HH¹ ergibt. Der Schnittpunkt des Lotes in N mit der Strecke HH¹ definiert einen Punkt 0-. Um diesen Punkt O^ als Mittelpunkt wird ein Kreisbogen mit dem Radius 0^H gezogen. Dieses Kreisbogen-Stück schneidet den Kreisbogen mit dem Radius r₄ im Punkte N¹. In diesem Punkt wird das Lot auf den Strahl vom Punkte 0 durch diesen Punkt N¹ gefällt, um auf der Strecke HH¹ einen Punkt O₂ zu definieren. Mit diesem Punkte O₂ als neuem Mittelpunkt wird ein Kreisbogen-Stück mit dem Radius O₀H gezogen, das den Kreisbogen mit dem Radius r₂ im Punkte J schneidet. Wie sich aus dieser Beschreibung und der entsprechenden Darstellung in Fig. 2 ergibt, handelt es sich bei diesem zu bevorzugenden Vorgehen um ein schrittweises Näherungsverfähren, aber das Aufsuchen zweier Mittelpunkte (O₁ und Ο») reicht für die erforderliche Genauigkeit vollständig aus.

Rechnerisch wurde ermittelt, daß eine Turbine mit Schaufeln gemäß dem in Fig. 2 abgeleiteten Profil bei einer Drehgeschwindigkeit von 2500 U/min eine theoretische Auswurfgeschwindigkeit des Stahlsandes von 92,62 m/s erzielen läßt, ein Ergebnis, das mit einer theoretisch errechneten Abstrahlgeschwindigkeit von 77,65 m/s für eine mit gleicher Geschwindigkeit rotierende Turbine mit geraden Schaufeln

909824/0643

zu vergleichen ist. Die nach der Erfindung ausgestaltete Schaufelform erlaubt es somit, eine Erhöhung der theoretischen Auswurfgeschwindigkeit in der Größenordnung von 20 % zu erzielen.

In Fig. 3 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine Schaufel mit doppelter Krümmung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Beim hier dargestellten Ausführungsbeispiel unterteilt sich das aktive, wirksame Profil jeder Schaufel in drei Zonen, nämlich in die Zonen 1 und 2 entsprechend den beiden Zonen des in Fig. 2 dargestellten und erläuterten Ausführungsbeispieles und die Zone 3 als zusätzliche Zone, in der der Krümmungswinkel konstant ist. Das in Fig. 3 dargestellte Profil weist somit zunächst einen konvexen Umriß mit konstantem Krümmungswinkel (Zone 1), dann einen konkaven Umriß mit variablem Krümmungswinkel (Zone 2), schließlich eine konkave Trassierung mit wieder konstantem Krümmungswinkel (Zone 3) auf. Der Umriß dieses Profiles aus drei Zonen ergibt sich in gleicher Weise, wie das unter Bezugnahme auf die Darstellung in Fig. 2 erläuterte Profil aus zwei Zonen, was die Zonen 1 und 2 in Fig. 3 betrifft. Für die Zone 3 kann wie für Erstellung des Umrisses der Zone 1 vorgegangen werden. Beim in Fig. dargestellten Beispiel ist der äußerste Radius r₂ der gleiche, wie beim in Fig. 2 dargestellten Beispiel, und die drei Zonen verteilen sich wie folgtr Die Zone 1 bis zum Ende des Radius r₃ = 190 mm, die Zone 2 bis zum Radius r₄ = 235 mm und die Zone 3 vom Ende des Radius r. bis zum Ende des Radius r₂ = 250 mm.

- 11 -

909824/0843

Die theoretische berechnete Auswurfgeschwindigkeit des Stahlsandes bei Schaufeln mit einem Profil gemäß Fig. liegt bei der gleichen Rotationsgeschwindigkeit von 2500 U/min geringfügig unter derjenigen, die man mit Schaufeln entsprechend der in Fig. 2 erläuterten Profilierung erreicht, indem sie nun bei 91,62 m/s gegenüber 92,62 m/s liegt. Darüber hinaus stellt sich eine geringe Vergrößerung des Verschleißes der Schaufeln ein.

Um die transversale Bündelung des Stahlsand-Strahles zu verbessern weist die aktive, also "wirksame Oberfläche jeder Schaufel eine Breite auf, die vom Fuß zum Kopf progessiv abnimmt. Dieses erfindungsgemäß vorgesehene Querprofil ist aus der Darstellung in Fig. 4 ersichtlich. Die zunehmende Verringerung der Schaufel-Breite ist zweckmäßigerweise derart realisiert, daß die seitlichen Flanken jeder Schaufel zwischeneinander einen Winkel von etwa 3° einschließen. Dank dieser Profilierung kann eine Quer-Bündelung des Strahles erreicht werden, die in der Größenordnung von 48 % besser, bezogen auf eine Schaufelausbildung mit einheitlicher Breite, ist, bei im übrigen vollständig gleichen Gegebenheiten. Somit ist bei einer Schaufel-Ausbildung nach der Erfindung das Abstrahlen von Stahlkörnern aus dem Randbereich in Richtung quer zum Strahl praktisch völlig unterdrückt, mit der Folge, daß die Wirkung und der Wirkungsgrad des Aufschlages beim Stahlsand-Bestrahlen beachtlich erhöht werden.

- 12 -

8Ü9824/0SU

Die Erfindung ist aber nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und ünterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellte.,. Merkmale und Maßnahmen.

909824/0643

Claims

DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU D-8500 NÜRNBERG ESSENWEINSTRASSE 4-6 TELEFON 09Π /203727 TELEX Oi/23135 " Nürnberg, 20. 11. 1978 120/62 Societe Anonyme "COCKERILL", Belgien 4100 Seraing Ansprüche

1. Stahlsandschleuder mit mehreren um einen Stahlsand-Verteiler herum angeordneten Auswurf-Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (4) eine wirksame Oberfläche aufweist, die sich längs eines Längsprofiles erstreckt, das ausgehend vom Verteiler (1) zunächst einen konvexen und dann einen konkaven Bereich aufweist.

2. Stahlsandschleuder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Bereich als Zone gleichförmigen Krümmungswinkels ausgebildet ist.

3. Stahlsandschleuder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Bereich als Zone variablen Krümmungswinkels ausgebildet ist.

4. Stahlsandschleuder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Bereich als Zone

90982Λ/06Λ3

variablen Krümmungswinkels ausgebildet ist.

5. Stahlsandschleuder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Bereich eine Zone variablen Krümmungswinkels und eine Zone
gleichförmigen Krümmungswinkels aufweist.

6. Stahlsandschleuder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Oberfläche jeder Schaufel (4) eine Breite aufweist, die sich von ihrem Fußbereich zu ihrem Stirnbereich zunehmend verkleinert.

809824/0643