DE4105558A1 - Verfahren und vorrichtung zum schneiden mittels eines fluessigkeitsstrahls - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Schneiden oder Abschneiden von Materialien, bei denen am Ausgang einer Schneid­ düse ein Flüssigkeitsstrahl hohen Druckes gebildet wird.

Die Verfahren zum Schneiden durch einen Flüssigkeitsstrahl, insbesondere Tiefsttemperaturflüssigkeit, Stoßen auf das Problem der Kohärenz des Flüssigkeitsstrahles, insbesondere aufgrund des Auftretens schlecht kontrollierter Grenzschichterscheinungen an der Grenzfläche zwischen dem Umfang des Flüssigkeitsstrahles und seiner Umgebung, die allgemein im Einsatz stark wirbelnd ist. Diese Probleme bedingen Durchführungsbeschränkungen, insbesonde­ re der Ablaufgeschwindigkeit, um den Erhalt von Tiefenschnitten mit einer annehmbaren Breite des Brennschnittspaltes zu garan­ tieren.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuen Schneidverfahrens, welches erlaubt, dem Flüssigkeitsstrahl eine bessere Kohärenz auf eine größere Entfernung am Ausgang der Düse zu gewähren, und somit den Erhalt von schnelleren und sorgfältigeren Schnitten und/oder eine vergrößerte Benutzungs­ flexibilität erlaubt.

Um dies zu erreichen, wird nach einem Kennzeichen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens gleichzeitig in der Düse ein Gasstrahl um den Flüssigkeitsstrahl herum gebildet, wobei die Ausstoßge­ schwindigkeit des Gasstrahles größer ist als die des Flüssig­ keitsstrahles, in typischer Weise mindestens das Doppelte der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles. Vorzugsweise haben die Flüssigkeit und das Gas dieselbe Zusammensetzung.

Der Erhalt homogener Gasstrahle ist korrekt zu realisieren und erlaubt somit um den mittigen Flüssigkeitsstrahl herum die Schaffung einer Grenzfläche mit einer parallelen Fließgeschwin­ digkeit, welche die Grenzschichterscheinungen am Umfang des Flüssigkeitsstrahles begrenzt und somit für diesen eine ge­ eignete Homogenität und Kohärenz auf einen Abstand von mehreren Zentimetern vom Ausgang der Düse sicherstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen für ein schnelles Abschneiden und Tiefenabschneiden metallischer Materialien die Flüssigkeit und das Gas aus Sauerstoff.

Das Schneiden mit Sauerstoff mit Strahl aus flüssigem 8auer­ stoff, der von einem Strahl aus gasförmigem Sauerstoff einge­ hüllt ist, erweist sich besonders interessant in der Eisen- bzw. Stahlindustrie, insbesondere zum Abschneiden von Metallbändern oder -brammen direkt am Ausgang des Stranggusses. Wenn die Kohärenz des Flüssigkeitsstrahles auf eine größere Entfernung erhöht ist, kann man mit einem größeren Abstand Schneiddüse/zu schneidendes Werkstück arbeiten, wodurch die Lebensdauer der Schneidanlage erhöht wird. Im übrigen erleichtert das Einhüllen mit gasförmigem Sauerstoff erheblich den Betriebsbeginn am Rand des Bandes oder der Bramme. Andererseits kann im Falle der zufälligen Unterbrechung der Zufuhr an flüssigem Sauerstoff das Schneiden mit sicher reduzierter Geschwindigkeit mit dem gasförmigen Sauerstoff allein weiter fortschreiten.

Die vorliegende Erfindung schlägt nach einem weiteren Gegenstand eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens vor, mit einer Schneiddüse mit einem ersten Kanal, der in einer Ausstoß­ öffnung mündet, und Mitteln für die Versorgung des ersten Kanals mit Flüssigkeit unter Druck, bei welcher die Düse einen zweiten Kanal aufweist, der konzentrisch um den ersten Kanal gebildet ist und in die Ausstoßöffnung mündet, wobei Einrichtungen vorgesehen sind zur Versorgung des zweiten Kanals mit Gas unter Druck.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei gilt:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und die Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsvarianten der Schneid­ düse der Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Abschneideanlage durch einen Flüssigkeits­ strahl, dargestellt mit einer Schneiddüse 1, in welcher ein Ausstoßkanal 2 für Gas unter Druck gebildet ist. Um eine große Ausgangsgeschwindigkeit ohne Platzen des Gasstrahles zu erhal­ ten, weist der Kanal 2 in der Nachbarschaft seiner Ausstoßöff­ nung 3 ein konvergent-divergentes Innenprofil auf, welches einen Hals 4 verringerten Querschnittes bildet, der im allgemeinen Laval-Düse genannt wird. In dem Kanal 2 ist konzentrisch und koaxial ein mittleres Rohr 5 angeordnet, welches aufstromig von der Ausstoßöffnung 3 einen Innenkanal 6 von kleinem Quermaß bestimmt. In typischer Weise ist das Ausstoßende 7 des Kanals 6 aufstromig von der Ausstoßöffnung 3 der Düse 1 angeordnet.

Der Kanal 2 wird durch eine Rohrleitung 8 mit einem Gas unter Druck versorgt, welches von einem Gasspeicher 9 stammt, der gegebenenfalls durch einen Kompressor 10 unter Druck gebracht ist. Ebenso wird der Kanal 6 durch eine Leitung 11 mit einer Flüssigkeit unter Druck versorgt, die aus einem Flüssigkeits­ speicher 12 stammt und durch eine Pumpe 13 unter Druck gesetzt ist. Man versteht, daß der Flüssigkeitsstrahl 14 mit hohem Druck, der aus dem Ausstoßende 7 des Kanals 6 herauskommt, konzentrisch von einem rohrförmigen koaxialen Gasstrahl 15 umgeben wird, der aus der Ausstoßöffnung 3 der Düse 1 mit einer Geschwindigkeit herauskommt, die größer ist als die der Flüssig­ keitsteilchen des Strahls 14, der von den Problemen der Grenz­ schicht mit der umgebenen Atmosphäre befreit ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet eine besonders vorteilhaf­ te Anwendung für das Tiefenschneiden mit Sauerstoff von metalli­ schen Materialien mit großer Geschwindigkeit, wie Barren, Brammen oder Platten, insbesondere direkt am Ausgang des Stranggusses oder bei Kälte. In diesem Falle besteht die Flüssigkeit unter hohem Druck aus einer Flüssigkeit oder einem Gemisch aus brennbarer Flüssigkeit, vorzugsweise flüssigem Sauerstoff oder einem Gemisch von flüssigem Sauerstoff und Ozon, wobei das Gas unter Druck, welches durch die Rohrleitung 8 geliefert wird, in diesem Falle gasförmiger Sauerstoff ist. Die Rohrleitung 11 ist mit einer isolierenden Einhüllung versehen, beispielsweise mit einer Einhüllung unter Vakuum und/oder mit Zirkulation von Tiefsttemperaturflüssigkeit, wie z. B. flüssiger Stickstoff. Der Druck des flüssigen Sauerstoffes, welcher den Kanal 6 versorgt, ist größer als 10 MPa, wobei der Druck des gasförmigen Sauerstoffes, welcher den Kanal 2 versorgt, größer als 0,15 MPa ist, um eine Schall- oder Überschallausstoßge­ schwindigkeit des Gasstrahles zu erhalten, während die Ge­ schwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles unter 200 m/s bleibt. In typischer Weise ist der Druck des flüssigen Sauerstoffes größer als 30 MPa, in typischer Weise in der Größenordnung von 40 bis 50 MPa, wobei der Druck des gasförmigen Sauerstoffes also größer als 0,5 MPa ist, in typischer Weise in der Größenordnung von 0,7 bis 0,8 MPa.

Nach einem besonderen Aspekt der Erfindung, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, weist die Düse 1, um eine Vorerwärmung des abzuschneidenden, metallischen Materials durchzuführen und einen gemischten mechanischen und chemothermischen Effekt des ausgestoßenen flüssigen Sauerstoffes zu erreichen, eine Reihe von dritten Kanälen 16 auf, die konzentrisch um die Kanäle 2 und 6 angeordnet sind und zur Ausstoßöffnung 3 der Düse 1 hin konvergieren, um welche sie in einen kreisförmigen Öffnungskranz von Ausstoßöffnungen 17 münden. Die dritten Kanäle 16 werden durch Rohrleitungen 18, 18′ mit mit Sauerstoff verbrennbaren Gasen versorgt, beispielsweise mit Oxybutan, Oxypropan, vorzugs­ weise einer Kombination von Sauerstoff und einer Verbindung von Propylen und Methyl-acetylen, die unter dem Namen "Tetren" im Handel erhältlich ist, oder einer Kombination von Sauerstoff und einer Verbindung von Ethylen und Acetylen, die unter dem Namen "Crylen" im Handel ist, unter einem Druck, der in typischer Weise zwischen 20 KPa und 50 KPa liegt. In dem Falle, wo die Verbindung "Crylen" in flüssiger Form erhältlich ist, faßt man in vorteilhafter Weise die Einhüllung der Leitung aus flüssigem Sauerstoff 11 durch eine Leitung aus flüssigem "Crylen" ins Auge, um eine Superisolation für die Leitung für flüssigen Sauerstoff und eine Vorverdampfung der Verbindung "Crylen" bei ihrem Eintritt in die Düse 1 zu gestatten.

Der von der Laval-Düse divergierende Winkel liegt in typischer Weise zwischen 3 und 7°. Bei der Anwendung, wo die Flüssigkeit und das Gas aus Sauerstoff bestehen, beträgt der Durchmesser D des Schallhalses 4 in vorteilhafter Weise zwischen 1,6 und 3,2 mm, wobei der Durchmesser d des Kanals 6 für flüssigen Sauer­ stoff zwischen 0,3 und 0,4 mm liegt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist das Rohr 6, um die relativen Bemessungsprobleme des Rohres 5 und des Halses 4 zu eliminieren, derart verkürzt, daß sein Ausstoßende 7 aufstromig vom Hals 4 angeordnet ist, wodurch begünstigt wird, den Flüssig­ keitsstrahl am Hals 4 dadurch leicht auf Geschwindigkeit zu bringen, daß man einen erhöhten Gasdurchsatz der Einhüllung vorsieht. In diesem Falle kann der Durchmesser D des Halses 4 auf einen Wert unter 1 mm reduziert werden, wodurch es möglich ist, den effektiven Durchmesser der Strahlen 14 und 15 noch zu reduzieren und also die Brennschnittspaltbreiten zu reduzieren.

Claims (11)

1. Verfahren zum Schneiden von Materialien, bei dem am Ausgang einer Schneiddüse (1) ein Flüssigkeitsstrahl (14) mit hohem Druck gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man gleichzeitig in der Düse einen Gasstrahl (15) um den Flüssigkeitsstrahl herum bildet, wobei die Ausstoßgeschwin­ digkeit des Gasstrahles größer ist als die des Flüssigkeits­ strahles.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Düse die Geschwindigkeit des Gasstrahles mindestens das Doppelte der Geschwindigkeit des Flüssig­ keitsstrahles ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeits- und Gasstrahle koaxial in der Düse gebildet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit und das Gas dieselbe Zusammen­ setzung haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und das Gas aus Sauerstoff bestehen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Sauerstoff zur Düse mit einem Druck zugeführt wird, der größer als 10 MPa ist, wobei der gasförmige Sauerstoff mit einem Druck über 0,15 MPa zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß außerdem in der Düse mindestens ein Strahl aus mit Sauerstoff brennbarem Gas außerhalb des Strahles des gasförmigen Sauerstoffes (15) gebildet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Schneiddüse (1), die einen ersten Kanal (6) aufweist, der in eine Ausstoßöffnung (3) mündet, und Einrichtungen zum Versorgen des ersten Kanals mit Flüssigkeit unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1) einen zweiten Kanal (2) aufweist, der konzentrisch um den ersten Kanal (6) gebildet ist und in eine Ausstoßöffnung (3) mündet, und Einrichtungen aufweist zum Versorgen des zweiten Kanals (2) mit Gas unter Druck.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (2) ein konvergentes-divergentes Teil bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (6) in den zweiten Kanal (2) aufstromig vom Hals (4) des konvergent-divergenten Teils mündet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse mindestens einen dritten Kanal (16) aufweist für die Zufuhr von mit Sauerstoff brennbarem Gas zum Erwärmen, welcher (bei 17) außerhalb der Düse (1) im Abstand von der Ausstoßöffnung (3) mündet.