EP0141101A2 - Verfahren und Mehrflammbrenner zum Erwärmen von Metallwerkstücken - Google Patents

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EP0141101A2 EP84109917A EP84109917A EP0141101A2 EP 0141101 A2 EP0141101 A2 EP 0141101A2 EP 84109917 A EP84109917 A EP 84109917A EP 84109917 A EP84109917 A EP 84109917A EP 0141101 A2 EP0141101 A2 EP 0141101A2
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flame gas
gases
heating
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23D99/002—Burners specially adapted for specific applications
    • F23D99/004—Burners specially adapted for specific applications for use in particular heating operations

Definitions

  • the invention relates to a method for heating or partial heating of metal workpieces by multi-flame burners fed with fuel gas-oxygen mixtures and a multi-flame burner for carrying out the method.
  • the heating process for which mostly so-called premix burners are used, is controlled as a function of the workpiece temperature or the heating-up time, in order to achieve a short heating-up time on the one hand and to avoid overheating of the workpiece surface on the other (e.g. processes of oxy-fuel technology, German Verlag für Sch spatechnik.GmbH, Düsseldorf, 1973, Chapter 15 - Flame heating).
  • the heat transfer to the metal workpiece can be influenced by varying various parameters: e.g. by changing the gas flow rates, the torch distance from the workpiece, the mixture composition or by switching individual torches on or off.
  • the object of the present invention is therefore to economically optimize heating processes using multi-flame burners, i.e. to shorten the warming-up time, save on gas costs and avoid scaling on the workpiece surface.
  • This object is achieved in that two types of flame gases A, B are used and that the flame gas A is used in a mixture ratio lower than the ignition speed and the flame gas B in a mixture ratio higher than the ignition speed.
  • the flame gases A and B are subjected to an external mixture. This procedure guarantees that the burner will re-ignite, since no single flame is fed with the mixing ratio of the maximum ignition speed, but this ratio, which is favorable for heat transfer, is achieved by external mixing.
  • the flame gases A and B are used during a heating process with different burning times.
  • the supply of flame gas B after reaching a predetermined temperature value is turned off.
  • a first warming-up phase maximum heat output and thus rapid heating with high use of oxygen is achieved.
  • temperatures which are not yet very high, there is no scaling, or at least not so much.
  • a second warm-up phase only flame gas A is used, and scaling is avoided by the appropriately set mixing ratio.
  • the workpiece is warmed up and the temperature rises slowly with reduced heat output. Overall, this way of working results in a gas saving.
  • the process according to the invention can be carried out with all types of fuel gases, for example acetylene, propane, butane, natural gas. However, it is given as an example for acetylene. The results are similar for other fuel gases or fuel gas mixtures.
  • acetylene as the fuel gas, it has proven to be suitable if the flame gas A and the flame gas in a mixing ratio between 1.1 and 1.6 0 2 / C 2 H 2 , preferably 1.3 0 2 / C Z H 2 B in a mixing ratio between 1.6 and 2.5 0 2 / C 2 H 2 , preferably 2.0 0 2 / C 2 H 2 .
  • the individual flames are therefore not fed with the mixing ratio of the maximum ignition speed, so that the disadvantages occurring here cannot be effective either.
  • the mixture of the maximum ignition speed which is favorable for the heat transfer can be achieved by the external mixture, the external mixture depending in a known manner, for example on the material or the pressure.
  • the invention also relates to a multi-flame burner, which is characterized in that outlet channels for the flame gases A , B are arranged in at least three parallel rows and that the flame gas A exits in the outer rows and the flame gas B in the inner row of the channels.
  • the multi-flame burner with a control device for setting the required mixing ratio. nisse are connected, supply lines for the flame gas A and for the flame gas B are connected to the control device. Temperature and time are expediently used as control variables for the desired mixing ratios.
  • FIG. 1 shows the end face of a multi-flame burner 1, in which outlet channels 2 for a flame gas A or outlet channels 3 for a flame gas B are arranged in three parallel rows.
  • a control device 4 is oxygen and is supplied as fuel gas, for example acetylene and mixed emperature in dependence on the control variables T / time.
  • a flame gas B is produced with a mixing ratio of 2.0 0 2 / C Z H 2 , which is fed into the burner via a supply line 6 and exits via the central channels 3.
  • the flames A and B shown are adjusted by external mixing such that they heat the workpiece in the most favorable ratio for heat transfer to a metal workpiece 7.
  • the heating process is divided into two phases according to the diagram shown in FIG. 3 (abscissa: time, ordinate: temperature).
  • a first phase the multi-flame burner is fed with flame gas A and flame gas B.
  • flame gas A and flame gas B In this way, maximum heat output and thus rapid heating is achieved.
  • the high use of oxygen is cheap because oxygen is cheaper than acetylene.
  • phase 1 of the heating process is shorter than phase 2, but depending on the application, both phases can also be of the same length.
  • Flame gas B is switched off after a certain temperature has been reached.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which two more flame burners 8, 9 are connected in parallel.
  • Oxygen is supplied via a line 10, acetylene via a line 11 and ⁇ cooling water via a line 12.
  • the voltage is supplied via an electrical line 17.
  • Pressure switches 13, 14, 15, 16 are arranged in the lines 10, 11, 12.
  • the pressure switch 13 for oxygen responds to a minimum of 2.5 bar
  • the pressure switch 14 for acetylene to a minimum of 0.5 bar
  • the pressure switch 16 for cooling water to a maximum of 0.5 bar.
  • In line 10 and in a stub 18 pressure regulators 19, 20 for oxygen are also arranged, which respond de to a maximum of 5.0 bar.
  • the mixture ratio for the flame gases A and B can be set by means of a timer 25 by means of corresponding signals on the solenoid valves.
  • Acetylene from a branch line 26 is mixed with oxygen in line 18 to produce the flame gas A, acetylene from branch line 27 with oxygen from line 10 for generating a flame gas B for the multi-flame burner 8, and correspondingly acetylene from branch line 28 with oxygen from branch line 29 for generation of flame gas A and acetylene from branch line 30 mixed with oxygen from branch line 31 to generate flame gas B for multi-flame burner 9.
  • the flame characteristics A and B are indicated symbolically.
  • a pilot flame 32 is also fed via line 11.
  • the ignition is monitored via 33.
  • the flame gas B of the multi-flame burner 8 or 9 is switched off via the time switch 25, so that the further temperature increase takes place slowly with flame gas A.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erwärmen oder partiellen Erwärmen von Metallwerkstücken durch mit Brenngas-Sauerstoff-Gemischen gespeisten Mehrflammenbrenner beschrieben. Zur Verkürzung der Anwärmungszeit und Vermeidung des Verzunderns an der Werkstückoberfläche wird vorgeschlagen, zwei Arten von Flammgasen A, B zu verwenden und Flammgas A in einem Mischungsverhältnis kleiner der Zündgeschwindigkeit und Flammgas B in einem Mischverhältnis größer der Zündgeschwindigkeit einzusetzen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen oder partiellen Erwärmen von Metallwerkstücken durch mit Brenngas-Sauerstoff-Gemischen gespeisten Mehrflammenbrenner sowie einen Mehrflammenbrenner zur Durchführung des Verfahrens.
  • Es ist bekannt, daß der Erwärmungsvorgang, für den meist sogenannte Vormischbrenner eingesetzt werden, in Abhängigkeit der Werkstücktemperatur oder der Anwärmzeit gesteuert wird, um einerseits eine-kurze Anwärmzeit zu erzielen und andererseits ein überhitzen der Werkstückoberfläche zu vermeiden (z.B. Verfahren der-Autogentechnik, Deutscher Verlag für Schweißtechnik.GmbH, Düsseldorf, 1973, Kapitel 15 - Flammwärmen). Der Wärmeübergang auf das Metallwerkstück kann dabei durch Variation verschiedener Parameter beeinflußt werden: Z.B. durch Ändern der Gasdurchsätze, des Brennerabstandes von Werkstück, der Gemischzusammensetzung oder durch Zu- oder Abschalten einzelner Brenner.
  • Die bekannte und an sich in bezug auf Wärmeübergang günstigere Bauart von Acetylen-Wärmebrennern, die Vormischbrenner haben den Nachteil, daß sie zum Rückzünden neigen, wenn das Mischungsverhältnis das Maximum der Zündgeschwindigkeit liefert und wenn die Gasdurchsätze zu stark reduziert werden. Rückzündungen können dabei leicht zur Zerstörung eines Brenners führen. Der Brennerabstand als variable Größe bedingt keine Gaseinsparung. Da der Gaspreis von Acetylen etwa 10 mal höher liegt als der von Sauerstoff, sind sauerstoffreichere Flammen wirtschaftlicher. Diese verursachen jedoch eine Verzunderung an der Oberfläche.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Anwärmprozesse unter Verwendung von Mehrflammenbrennern wirtschaftlich zu optimieren, d.h. eine Verkürzung der Anwärmungszeit, Einsparungen an Gaskosten und Vermeidung des Verzunderns an der Werkstückoberfläche zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Arten von Flammgasen A, B verwendet werden, und daß das Flammgas A in einem Mischungsverhältnis kleiner der Zündgeschwindigkeit und das Flammgas B in einem Mischungsverhältnis größer der Zündgeschwindigkeit eingesetzt werden.
  • Untersuchungen haben ergeben,.daß bei Verwendung von zwei Arten von Einzelflammen, die bei einem Mehrflammenbrenner angeordnet sind, die obengenannten Nachteile überwunden werden können.
  • In zweckmäßiger Ausbildung des erfindunsgemäßen Verfahrens werden die Flammgase A und B einer Außenmischung unterworfen. Mit dieser Verfahrensweise wird ein rückzündsicheres Verhalten des Brenners garantiert, da keine Einzelflamme mit dem Mischungsverhältnis der maximalen Zündgeschwindigkeit gespeist wird, aber durch Außenmischung dieses für den Wärmeübergang günstige Verhältnis erzielt wird.
  • In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Flammgase A und B während eines Anwärmungsvorganges mit unterschiedlicher Brenndauer verwendet werden. Insbeson- dere ist es von Vorteil, wenn die Zufuhr von Flammgas B nach Erreichen eines vorgegebenen Temperaturwertes abgeschaltet wird. Somit wird in einer ersten Anwärmphase eine maximale Wärmeleistung und damit schnelle Anwärmung bei hohem Einsatz von Sauerstoff erreicht. Während der dabei noch nicht sehr hohen Temperaturen tritt keine oder zumindest keine so starke Verzunderung auf. In einer zweiten Anwärmphase wird dann nur noch mit dem Flammgas A gearbeitet, wobei durch das entsprechend eingestellte Mischungsverhältnis eine Verzunderung vermieden wird. Gleichzeitig erfolgt bei reduzierter Wärmeleistung eine Durchwärmung des Werkstückes und eine langsame Temperaturerhöhung. Insgesamt ergibt sich mit dieser Arbeitsweise eine Gaseinsparung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit allen Arten von Brenngasen durchgeführt werden, z.B. Acetylen, Propan, Butan, Erdgas. Beispielhaft sei es jedoch für Acetylen angegeben. Die Ergebnisse sind für andere Brenngase bzw. Brenngasgemische ähnlich. Bei Verwendung von Acetylen als Brenngas hat es sich als geeignet erwiesen, wenn das Flammgas A in einem Mischungsverhältnis zwischen 1,1 und 1,6 02 / C2H2, bevorzugt 1,3 02 / CZH2 und das Flammgas B in einem Mischungsverhältnis zwischen 1,6 und 2,5 02 / C2H2, bevorzugt 2,0 02 / C2H2 eingesetzt werden. Die Einzelflammen werden damit nicht mit dem Mischungsverhältnis der maximalen Zündgeschwindigkeit gespeist, so daß auch die hierbei auftretenden Nachteile nicht wirksam werden können. Durch die Außenmischung kann jedoch, wie bereits erwähnt, das für den Wärmeübergang günstige Mischungsverhältnis der maximalen Zündgeschwindigkeit erzielt werden, wobei die Außenmischung in bekannter Weise z.B. von dem Werkstoff oder dem Druck abhängt.
  • Die Erfindung bezieht sich überdies auf einen Mehrflammenbrenner, der dadurch gekennzeichnet ist, daß Austrittskanäle für die Flammgase A, B in mindestens drei parallelen Reihen angeordnet sind und daß das Flammgas A in den äußeren Reihen und das Flammgas B in der inneren Reihe der Kanäle austritt.
  • Weiterhin kann der Mehrflammenbrenner mit einer Steuereinrichtung zur Einstellung der erforderlichen Mischungsverhält. nisse in Verbindung stehen, wobei Versorgungsleitungen für das Flammgas A bzw. für das Flammgas B an die Steuereinrichtung angeschlossen sind. Als Steuergrößen für die gewünschten Mischungsverhältnisse werden dabei zweckmäßig die Temperatur und die Zeit verwendet.
  • Im folgenden sei das erfindungsgemäße Verfahren anhand von in vier Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 die Stirnfläche eines Mehrflammenbrenners
    • Figur 2 eine Anordnung mit einem Mehrflammenbrenner
    • Figur 3 ein Zeit/Temperatur-Diagramm zur Erläuterung der beiden Anwärmphasen und
    • Figur 4 eine Anordnung mit zwei Mehrflammenbrennern.
  • Figur 1 zeigt die Stirnfläche eines Mehrflammenbrenners 1, bei dem in drei parallelen Reihen Austrittskanäle 2 für ein Flammgas A bzw. Austrittskanäle 3 für ein Flammgas B angeordnet sind.
  • Gemäß Figur 2 wird die Versorgung des Mehrflammenbrenners 1 mit dem Brenngas-Sauerstoff-Gemisch gezeigt. Einer Steuereinrichtung 4 wird Sauerstoff und als Brenngas zum Beispiel Acetylen zugeführt und in Abhängigkeit von den Steuergrößen Temperatur/Zeit gemischt. Dabei entsteht ein Flammgas A, das z.B. ein Mischungsverhältnis von 1,3 02 / C2H2 aufweist und über eine Versorgungsleitung 5 in den Brenner eingespeist wird, um dort über die Kanäle 2 auszutreten. Weiterhin entsteht ein Flammgas B mit einem Mischungsverhältnis von 2,0 0 2 / CZH2, das über eine Versorgungsleitung 6 in den Brenner eingespeist wird und über die mittleren Kanäle 3 austritt. Die dargestellten Flammen A und B werden durch Außenmischung derart eingestellt, daß sie in dem für den Wärmeübergang auf ein Metallwerkstück 7 günstigsten Verhältnis das Werkstück erwärmen.
  • Der Erwärmungsvorgang wird dabei gemäß dem in Figur 3 dargestellten Diagramm (Abszisse: Zeit, Ordinate: Temperatur) in zwei Phasen aufgeteilt. Während einer ersten Phase wird der Mehrflammenbrenner mit Flammgas A und Flammgas B gespeist. Auf diese Weise wird eine maximale Wärmeleistung und damit schnelle Erwärmung erreicht. Der hohe Einsatz von Sauerstoff ist günstig, da Sauerstoff billiger ist als Acetylen. In dem unteren Temperaturbereich tritt dabei noch keine oder noch keine so starke Verzunderung auf.
  • Während einer zweiten Phase wird die Zufuhr von Flammgas B abgeschaltet, so daß der Mehrflammenbrenner nur mit Flammgas A gespeist wird. Die zur Verfügung stehende reduzierte Wärmeleistung reicht für die Durchwärmung des Werkstückes und eine langsame Temperaturerhöhung aus. Dabei erfolgt eine Einsparung an Gasen und Verzunderung wird vermieden, da das Flammgas A mit entsprechendem Mischungsverhältnis eingestellt ist. Im allgemeinen ist Phase 1 des Anwärmungsvorganges kürzer als Phase 2, doch können je nach Anwendungsfall beide Phasen auch gleichlang sein. Die Abschaltung von Flammgas B erfolgt nach Erreichen einer bestimmten Temperatur.
  • Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Mehrflammenbrenner 8, 9 parallel geschaltet sind. Sauerstoff wird über eine Leitung 10, Acetylen über eine Leitung 11 und \ Kühlwasser über eine Leitung 12 zugeführt. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine elektrische Leitung 17. In den Leitungen 10, 11, 12 sind Druckwächter 13, 14, 15, 16 angeordnet. Der Druckwächter 13 für Sauerstoff spricht auf minimal 2,5 bar, der Druckwächter 14 für Acetylen auf minimal 0,5 bar, der Druckwächter 15 für Kühlwasser auf minimal 2,0 bar und der Druckwächter 16 für Kühlwasser auf maximal 0,5 bar an. In Leitung 10 und in einer Stichleitung 18 sind außerdem Druckregler 19, 20 für Sauerstoff angeordnet, diebr de auf maximal 5,0 bar ansprechen. Über magnetisch gesteuerte Ventile 21 bis 24 (21,24 Ventile für Acetylen, 22,23 Ventile für Sauerstoff) kann mittels einer Zeitschaltuhr 25 durch entsprechende Signale auf die Magnetventile das Mischungsverhältnis für die Flammgase A bzw. B eingestellt werden. Dabei wird aus einer Stichleitung 26 Acetylen zur Erzeugung des Flammgases A mit Sauerstoff in Leitung 18 vermischt, Acetylen aus Stichleitung 27 mit Sauerstoff aus Leitung 10 zur Erzeugung eines Flammgases B für den Mehrflammenbrenner 8 sowie entsprechend Acetylen aus Stichleitung 28 mit Sauerstoff aus Stichleitung 29 zur Erzeugung des Flammgases A und Acetylen aus Stichleitung 30 mit Sauerstoff aus Stichleitung 31 zur Erzeugung des Flammgases B für den Mehrflammenbrenner 9 vermischt. Die Flammencharakteristiken A und B sind dabei symbolisch angedeutet. Über Leitung 11 wird außerdem eine Zündflamme 32 gespeist. Die Zündüberwachung erfolgt über 33.
  • Nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Werkstückes bzw. nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne wird über die Zeitschalter 25 das Flammgas B des Mehrflammenbrenners 8 bzw. 9 abgeschaltet, so daß die weitere Temperaturerhöhung langsam mit Flammgas A erfolgt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erwärmen oder partiellen Erwärmen von Metallwerkstücken durch mit Brenngas-Sauerstoff-Gemischen gespeisten Mehrflammenbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Arten von Flammgasen . A, B verwendet werden und daß das Flammengas A in einem Mischungsverhältnis kleiner der Zündgeschwindigkeit und das Flammgas B in einem Mischungsverhältnis größer der Zündgeschwindigkeit eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammgase A und B einer Außenmischung unterworfen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammgase A und B während eines Erwärmungsvorganges mit unterschiedlicher Brenndauer verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Flammgas B nach Erreichen eines vorgegebenen Temperaturwertes abgeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 unter Verwendung von Acetylen als Brenngas dadurch gekennzeichnet, daß das Flammgas A in einem Mischungsverhältnis zwischen 1, 1 und
Figure imgb0001
bevorzugt
Figure imgb0002
und das Flammgas B in einem Mischungsverhältnis zwischen 1,6 und 2,5
Figure imgb0003
bevorzugt
Figure imgb0004
eingesetzt werden.
6. Mehrflammenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Austrittskanäle für die Flammgase A, B in mindestens drei parallelen Reihen angeordnet sind und daß das Flammgas A in den äußeren Reihen und das Flammgas B in der inneren Reihe der Kanäle austritt.
7. Mehrflammenbrenner nach Anspruch 6 gekennzeichnet durch eine automatische Steuereinrichtung zur Einstellung der erforderlichen Mischungsverhältnisse sowie einer mit der Steuereinrichtung verbundenen Versorgungsleitung für das Flammgas A und einer Versorgungsleitung für das Flammgas B.
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