DE4410203A1 - Sauerstoffschneidbrenner mit einem flüssigen Sauerstoffstrahl - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoffschneidbrenner mit einem flüssigen Sauerstoffstrahl, welcher einen Schneidkopf mit einem ersten Ausstoßkanal von verringertem Querschnitt aufweist, der dazu bestimmt ist, mit einem flüssigen Sauerstoffzuführstrom verbunden zu werden, der sich in einen zweiten Ausstoßkanal erstreckt, welcher geeignet ist, mit einem gasförmigen Sauerstoffzuführstrom verbunden zu werden.

Ein Sauerstoffschneidbrenner dieses Typs wird in der US-Patentschrift Nr. 5,165,602 auf den Namen der Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Sauerstoffschneidbrenner mit einem flüssigen Sauerstoffstrahl zu schaffen, welcher einen modularen und abnehmbaren bzw. auswechselbaren Schneidkopf aufweist, wodurch das Ersetzen gebrauchter bzw. abgenutzter Teile erleichtert wird, und wodurch ermöglicht wird, den Aufbau leicht unterschiedlichen Schneidbedingungen anzupassen. Dies ermöglicht erhöhte Schneidkapazitäten mit einem integrierten System zum Heizen des auszuschneidenden Teiles und garantiert bzw. sichert einen wirksamen Schutz der Tiefsttemperaturleitung des flüssigen Sauerstoffs.

Hierfür ist nach einem Merkmal der Erfindung ein erster Kanal des Schneidkopfes in einem ersten Einsatz gebildet, welcher in einem zweiten Einsatz angeordnet ist, der einen zweiten Außenkanal des ersten Kanales begrenzt, und der zweite Einsatz ist in einer Einheit angeordnet, welche für die auswechselbare Anbringung des Schneidkopfes in einer Verteilereinheit des Brenners benutzt wird, wodurch ein abstromiger Teil von wenigstens dem ersten gasförmigen Sauerstoffzuführstrom begrenzt wird.

Nach anderen Merkmalen der Erfindung:

• - ist die Einheit eine Heizeinheit, welche mindestens einen Ring der Heizkanäle begrenzt, die dazu bestimmt sind, mit einem zweiten gasförmigen Sauerstoffzuführstrom und einem Zuführstrom von brennbarem Gas verbunden zu werden, um ein brennbares Sauerstoff­ gemisch auszustoßen;
• - ist die Verteilereinheit am Ende einer Brennerhülle befestigt, welche einen äußeren rohrförmigen Mantel aufweist, in welchen Teile der Fließmittelzuführströme ebenso eingebracht bzw. eingefügt sind, wie in typischer Weise ein flüssiger Stickstoffzuführstrom für das Unterkühlen des flüssigen Schneidsauerstoffs.

Die US-Patentschrift 4,938,455 beschreibt einen Sauerstoffschneidbrenner mit einem flüssigen Sauerstoffstrahl, aber ohne einen abnehmbaren bzw. auswechselbaren Schneidkopf mit Einsätzen, ohne Umhüllen des flüssigen Sauerstoffstrahles durch einen Vorhang aus gasförmigem Sauerstoff bei hoher Geschwindigkeit und ohne Heizkanäle.

Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform besser verstanden werden, die nur veranschaulichend, aber in keiner Weise in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen als begrenzendes Beispiel dient, in welchen:

Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt eines Brenners nach der Erfindung ist; und

Fig. 2 ein Längsschnitt in einem größeren Maßstab des Brennerschneidkopfes der Fig. 1 ist.

Wie man in Fig. 1 sieht, weist ein Brenner nach der vorliegenden Erfindung eine verlängerte, zylindrische Hülle 1 auf, die an einem Ende in einem Schneidkopf 2 endet, welcher in der Verteilereinheit 3 am Ende der Hülle 1 befestigt ist. Die Hülle 1 weist einen äußeren Mantel auf, der aus einem konzentrischen, vorderen Rohr 4 und einem hinteren Rohr 5 besteht, die miteinander dicht formschlüssig sind, wobei die Verteilereinheit 3 dicht mit dem Ende des vorderen Rohres 4, das hintere Rohr 5 dicht mit einem Verbindungsstück 6 befestigt sind. Das Ver­ bindungsstück weist Kanäle auf, um die inneren Zuführströme des Brenners mit äußeren Fließmittelzuführströmen zu verbinden, wie unten beschrieben wird. In einer zentralen Bohrung des Verbindungsstückes 6 ist fest angebracht und mit einer Schraubenmutter 70 ein vorderes Ende des vorhergehenden rohrförmigen Aufbaues 7 befestigt, welcher den nachfolgenden rohrförmigen Aufbau 8 über einen flexiblen Teil 9 aus nicht rostendem Stahl stützt.

Ein zentrales Rohr 10 erstreckt sich längs der gesamten Länge der rohrförmigen Aufbauten 8 und 7 und der Hülle 1. Das hintere Ende des Rohres 10 ist in einer Schraubenmutter 11 befestigt, welche dichtend auf dem hinteren Ende des vorhergehenden rohrförmigen Aufbaues 8 angebracht ist und für die Verbindung mit einer wärmeisolierten Rohrleitung für den Einlaß des flüssigen Sauerstoffes unter Druck benutzt wird (nicht dargestellt). Das vordere Ende des Rohres 10 ist dichtend in einem ringförmigen Teil 12 angebracht, welcher selbst dichtend mit dem Ende eines Rohres 13 befestigt und konzentrisch innerhalb der Rohre 4 und 5 rund um das Rohr 10 angeordnet ist. Das hintere Ende des Rohres 13 ist dichtend an dem vorderen Ende des rohrförmigen Aufbaues 7 befestigt. Ein Rohr 14, welches sich axial leicht weniger als das Rohr 10 erstreckt, ist rund um letzteres und innerhalb des Rohres 13 angeordnet. Das hintere Ende des Rohres 14 ist fest bzw. dichtend an dem Rohr 10 durch ein koaxiales Anschlußstück 15 befestigt, wobei sein vorderes Ende fest mit dem ringförmigen Teil 12 durch eine Abdeckung bzw. Kappe 16 verbunden ist, welche mit der hinteren Fläche des ringförmigen Teiles 12 eine ringförmige innere Kammer 17 rund um das Rohr 10 bildet bzw. begrenzt. Diese Kammer 17 steht frei mit dem rohrförmigen Durchgang, der in dem Rohr 14 rund um das Rohr 10 gebildet ist, in Verbindung. Die dicht an die Kappe 16 befestigte Rohrleitung 18 erstreckt sich spiralig gewunden in den inneren ringförmigen Raum zwischen dem Rohr 14 und dem Rohr 13 und dann in die rohrförmigen Aufbauten 7 und 8, um das Anschlußstück 15 zu verbinden, wobei letzteres mit einem Verbindungsstück (nicht dargestellt) für einen Zuführstrom zum Zirkulieren des flüssigen Stickstoffes versehen ist, um einen flüssigen Stickstofffluß herbeizuführen, welcher im Gegenstrom von der inneren Kammer 17 in den Raum zwischen den Rohren 14 und 10 aufsteigt, wo der flüssige Stickstofffluß durch die Rohrleitung 18 ankommt. Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird der innere Raum zwischen den Rohren 14 und 13, in welchen sich die Stickstoffeinlaßrohrleitung 18 erstreckt, unter Vakuum gehalten.

Die Hülle 1 weist zusätzlich ein Rohr 19 auf, welches um das Rohr 13 angeordnet ist, wobei das vordere Ende des Rohres 19 fest in der hinteren Bohrung der Verteilungseinheit 3 befestigt ist, und das hintere Ende des Rohres 19 fest in einer vorderen Bohrung des Verbindungsstückes 6 angebracht ist. Das Rohr 19 bildet somit mit dem Rohr 13 einen rohrförmigen Durchgang, welcher in eine hintere ringförmige Kammer 20 einmündet bzw. mit dieser verbunden ist, die rund um das Rohr 13 gebildet und an dem hinteren Ende durch einen rohrförmigen Aufbau 7 begrenzt ist Dieser rohrförmige Durchgang erstreckt sich zu einer vorhergehenden ringförmigen Kammer 21, die in dem hinteren Teil der Verteilungseinheit 3 durch den ringförmigen Teil 12 begrenzt wird. Der innere Raum zwischen den Rohren 4 und 5 einerseits und das Rohr 19 bilden einen Teil eines Rückstromes für Kühlfluid, wie z. B. Wasser, welches durch einen Auslaß 22 in dem Verbindungs­ stück 6 abgezogen wird und welches von einem ringförmigen Kanal oder einer Kammer 23 kommt, welche am Umfang der Verteilungseinheit 3 gebildet ist und die mit Kühlfluid durch mindestens ein Rohr 24 versorgt wird, welches sich von einem Kühlfluideinlaß 25, welcher in dem Verbindungsstück 6 vorgesehen ist, in den inneren Raum erstreckt.

Wie man besser in Fig. 2 sieht, weist der Schneidkopf 2 eine Heizeinheit 26 mit einem zentral geformten Sitz auf, der dort hindurchgeht, in welchem ein rohrförmiger Einsatz 27 mit einem kegelförmigen vorderen Teil befestigt ist und welcher einen inneren Kanal 28 in der Form einer Laval-Düse bildet, wie in der oben erwähnten US-Patentschrift 5,165,602 beschrieben ist. Ein zentraler, rohrförmiger Einsatz 30 ist mittels radialer Rippen 29 in dem Einsatz 27 angebracht, und von diesem Einsatz 30 erstreckt sich ein dünnes bzw. kleines, kalibriertes Rohr oder Nadel 31 in den Kanal 28 des Einsatzes 27. Das hintere Ende des Rohres oder Nadel 31 ist einstückig mit einem Nadelträgerring 32 verbunden, der selbst abnehmbar in der zentralen Bohrung des Einsatzes 30 befestigt ist. Die Heizeinheit 26 weist eine flache, transversale, ringförmige hintere Fläche 34 auf, bezüglich welcher die Einsätze 27 und 30 hervorspringen und welche mit zwei konzentrischen Nuten 35 und 36 versehen ist, welche jede, wie in der Ausführungsform gezeigt ist, mit einer ersten und zweiten Reihe von winkelig verteilten Durchgängen 37 und 38 verbunden ist, die sich in die vordere Fläche der Einheit 26 öffnen, wobei sie zwei Ringe von konzentrischen Öffnungen rund um die Ausstoßöffnung des Kanals bzw. Düse 28 bilden. In dem dargestellten Beispiel sind die Durchgänge 37 des äußeren Ringes in das Volumen der Einheit 36 hinein durchbohrt und öffnen sich bzw. münden in die äußere ringförmige Nut 35, wobei sie durch individuelle Durchgänge mit der inneren ringförmigen Nut 36 in Verbindung stehen. Die Durchgänge 38 des inneren Ringes werden durch äußere Längsnuten des Einsatzes 27 gebildet, welche mit einer ringförmigen Mischkehle 39 in Verbindung stehen, die in der Einheit 26 gebildet und durch individuelle Durchgänge mit den ringförmigen Nuten 35 und 36 in Verbindung steht.

Bezieht man sich erneut auf Fig. 1, so weist die Verteilereinheit 3 eine breite, mit Gewinde versehene Bohrung 40 auf, welche sich nach vorne öffnet und welche nach hinten durch eine flache, transversale, ringförmige Fläche 41 begrenzt wird, die auch zwei konzentrische, ringförmige Nuten 42 und 43 aufweist, entsprechend den ringförmigen Nuten 35 und 36 der Einheit 26, bzw. mit Einlaßleitungen für gasförmiges, brennbares Material und gasförmigen Sauerstoff (nicht dargestellt) verbunden sind, welche sich in die Hülle 1 (nicht dargestellt) zu dem Verbindungsstück 6 hin für die Verbindung mit den Zuführströmen für den Einlaß von brennbarem Material bzw. gasförmigem Sauerstoff bei niedrigem Druck erstrecken. Der ringförmige Teil 12 hat einen abgesetzten, querverlaufenden Mitteldurchgang, um ein hinteres Ende des Einsatzes 30 aufzunehmen, der über den Einsatz 27 hinausragt und dessen kegelförmige hintere Fläche 44 in dichtem Kontakt mit einer entsprechenden kegelförmigen Fläche 45 in dem Mitteldurchgang des ringförmigen Teiles 12 zusammentrifft. Aus der vorangegangenen Beschreibung versteht man, daß der abnehmbare Aufbau der Einheit 26 und der Einsätze 27 und 30, die selbst individuell abnehmbar sind, in der Verteilereinheit 3 durch Zusammenarbeit zwischen der Einheit 26 mit Außengewinde und der Bohrung 40 mit Innengewinde an den Platz gebracht ist, bis die ringförmigen Flächen 34 und 41 in festen Metall-Metallkontakt miteinander kommen, wobei der hintere vorspringende Teil des zentralen Einsatzes 30 in dieser Position in festem bzw. dichtem Kontakt mit dem zentralen bzw. Mitteldurchgang des ringförmigen Stückes 12 ist.

Im Betrieb stoßen die Durchgänge 37 und 38 ein brennbares Sauerstoffgemisch aus, welches durch die paarweisen Nuten 42, 36 und 43, 35 geliefert wird, um Flammen zum Erhitzen des zu schneidenden Teiles zu bilden. Flüssiger Sauerstoff unter einem Druck, größer als 100 × 10⁵ Pa und in dem Rohr 10 durch flüssigen Stickstoff in dem Rohr 14, gekühlt, gelangt durch den zentralen Durchgang des ringförmigen Teiles 12 und die zentrale Bohrung 33 des zentralen Einsatzes 30 zur Nadel 31, von wo er ausgestoßen wird, während er durch einen gasförmigen Sauerstofffluß umhüllt wird, welcher mit hoher Geschwindigkeit, bei einem Druck größer als 0,15 MPa, durch den Kanal 28 (es ist so zu verstehen, daß der Kanal 28 wie eine Düse und die Nadel 31 wie ein Auslaßventil funktionieren), ausgestoßen wird. Der umhüllende Sauerstoff wird unter Druck von einer Leitung geliefert und tritt bei 46 in die ringförmige Kammer 20 ein und durchläuft dann den Raum zwischen den Rohren 13 und 19, der ringförmigen Kammer 21 und den Durchgängen zwischen den Rippen 29 in dem Einsatz 27.

Die Anordnung nach der Erfindung, welche einen Flammenring einem flüssigen Sauerstoffstrahl zuordnet, der mit gasförmigem Sauerstoff umhüllt wird, macht ein Zusammenziehen bzw. ein Verengen des flüssigen Sauerstoffstrahles möglich, wodurch seine Kohäsion über eine größere Länge anwächst, und erlaubt den Gebrauch des Brenners in einer größeren Entfernung von dem zu schneidenden Stück. Dies wiederum trägt zu einer erhöhten Sicherheit des Brenners bezüglich des Erhitzens und gegen unpassendes Ansteigen der flüssigen Metallschlacke bei. Außerdem ermöglicht diese Anordnung, bei zugegebenermaßen niedrigerer Geschwindigkeit aber ohne Unterbrechung, während der Druck des gasförmigen, umhüllenden Sauerstoffes erhöht wird, eine Schneidtätigkeit in dem Fall eines Ausfalles bzw. Fehlers oder Unterbrechung der flüssigen Sauerstoffleitung unter Druck fortzusetzen. Das Umhüllen mit gasförmigem Sauerstoff erleichtert auch das Zünden des Brenners und sichert wirksamen Schutz der Ausstoßnadel des flüssigen Sauerstoffes gegen Erhitzen. Wie oben erwähnt, erleichtert die Schneid- und Heizeinheit mit Einsätzen bedeutend die Brennerpflege bzw. Brennerwartung, während seine Vielseitigkeit erhöht wird. Überdies erleicht die Möglichkeit des Austauschens der Tiefsttemperaturleitung, das Unterkühlen dieser Leitung mit flüssigem Stickstoff zu benutzen oder nicht zu benutzen, je nach dem tatsächlichen Bedarf.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern im Gegenteil für Änderungen und Varianten geeignet, was dem Fachmann augenscheinlich sein wird.

Claims (10)

1. Sauerstoffschneidbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Schneidkopf (2) aufweist, der einen ersten Ausstoßkanal (33, 31) mit verringertem Durchmesser hat, welcher sich in einen zweiten Ausstoßkanal erstreckt, wobei der erste Ausstoßkanal in einem ersten Einsatz (30) gebildet ist, welcher in einem zweiten Einsatz (27) angeordnet ist, wodurch der zweite Ausstoßkanal (28) außerhalb des ersten Ausstoßkanales gebildet wird, der zweite Einsatz (27) den ersten Einsatz (30) enthält, welcher in einer Einheit (26) angeordnet ist, für das entfernbare Anbringen des Schneidkopfes (2) in einer Verteilereinheit (3) des Brenners, Einrichtungen zum Liefern eines flüssigen Sauerstoffzuführstromes zu dem ersten Ausstoßkanal und Einrichtungen zum Liefern eines gasförmigen Sauerstoffzuführstromes zu dem zweiten Ausstoßkanal, wobei die letztgenannten Einrichtungen eine Kammer aufweisen, welche den zweiten Ausstoßkanal speist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (26), die abnehmbar den Schneidkopf befestigt, mindestens einen Ring von Heizkanälen (37; 38) bildet, die verbunden sind, um einen zweiten gasförmigen Sauerstoffzuführstrom (43) und einen Zuführstrom (42) aus brennbarem Material aufzunehmen.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (26), welche den Schneidkopf abnehmbar befestigt, eine flache, transversale, innere, ringförmige Fläche (34) aufweist, welche in dichtem Kontakt in eine flache, transversale, innere, ringförmige Fläche (41) der Verteilereinheit (3) mündet, wobei der Verteilerblock (3) einen zentralen Durchgang hat, um darin das hintere Ende des zweiten Einsatzes (27) aufzunehmen.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einsatz (30) ein Rohr (31) von verringertem Querschnitt hat, welches eine Düse für den ersten Ausstoßkanal bildet.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinheit (3) einen kühlenden Kanal aufweist, der mit einem kühlenden Fluidzuführstrom (25, 24, 22) für den Brenner beliefert wird.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine Hülle (1) aufweist, die aus einem äußeren, rohrförmigen Mantel gebildet ist, wobei die Verteilereinheit (3) an einem Ende der Hülle (1) befestigt ist, und die Einrichtungen zum Zuführen des flüssigen Sauerstoffes und des gasförmigen Sauerstoffes in der Hülle (1) angeordnet sind.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein zentrales Einlaßrohr (10) für flüssigen Sauerstoff aufweist, welches sich in die Hülle (1) erstreckt und sich in einen zentralen Durchgang (45) eines ringförmigen Teiles (12) öffnet, wobei der ringförmige Teil in dichtem Kontakt ein hinteres Ende (44) des ersten Einsatzes (30) aufnimmt, wobei das hintere Ende über den zweiten Einsatz (27) vorspringt.

8. Brenner nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Rohr in der Hülle angeordnet ist und das Zentralrohr (10) umgibt, wobei das erste Rohr mit dem ringförmigen Teil (12) verbunden ist und einen Abschnitt eines unterkühlenden Fluidzuführstromes (15, 14, 17, 18) bildet.

9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein zweites Rohr (13) aufweist, welches das erste Rohr (14) umgibt und mit dem ringförmigen Teil (12) verbunden ist, um mit dem ersten Rohr (14) eine ringförmige Vakuumkammer zu bilden; und sich eine Rohrleitung in die Vakuumkammer erstreckt, um einen zweiten Abschnitt des unterkühlenden Fluidzuführstromes (15, 14, 17, 18) zu bilden.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein drittes Rohr (19) aufweist, welches das zweite Rohr (13) umgibt und mit der Verteilereinheit (3) verbunden ist, wobei das dritte Rohr (19) mit dem zweiten Rohr (13) einen Abschnitt des gasförmigen Sauerstoffzuführstromes bildet, der die Kammer speist.