EP0216132A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Wärmen und Kühlen eines Werkstückes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Wärmen und Kühlen eines Werkstückes Download PDF

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EP0216132A1
EP0216132A1 EP86111409A EP86111409A EP0216132A1 EP 0216132 A1 EP0216132 A1 EP 0216132A1 EP 86111409 A EP86111409 A EP 86111409A EP 86111409 A EP86111409 A EP 86111409A EP 0216132 A1 EP0216132 A1 EP 0216132A1
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Erich Oligschläger
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/08—Surface hardening with flames

Definitions

  • the invention relates to a method for heating a workpiece by burning a fuel and then cooling the workpiece using a cooling medium, the area of the fuel flames being shielded from the area of the cooling medium.
  • Partial heating of workpieces with subsequent cooling takes place, for example, in surface flame hardening or in the zone heating process.
  • a burner operated with fuel gas and oxygen is usually used.
  • a cooling medium usually water, is directed onto the workpiece after the flame front.
  • a cooling medium can obstruct the fuel gas-oxygen flames, so that burner faults and even reignitions can be caused.
  • Slowly burning gases are less sensitive to external disturbances such as the spilling of the cooling medium than, for example, fuel gases such as acetylene.
  • Slowly burning gases do, however a relatively large heat zone.
  • a large heat zone is disadvantageous, since in many heating processes it is important to specifically heat only small areas of a workpiece.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned that allows the smallest possible distance between the area of the fuel flame and the area of the cooling medium.
  • This object is achieved in that the area of the fuel flames is shielded from the area of the cooling medium by a gaseous separating fluid flowing between the two areas.
  • a gaseous separating fluid flowing between the two areas.
  • no rigid mechanical barrier is used, rather the area of the fuel flame is protected by a gas which is passed between the flame front and the area of the cooling medium (amorphous barrier).
  • a gaseous separating fluid means that only an extremely small distance between the area of the fuel flame and the area of the cooling medium has to be maintained, which is smaller in comparison to conventional processes.
  • the mechanical lock there is no physical contact between the workpiece and the torch, so that wedging and obstruction is impossible.
  • air is used as the separation fluid.
  • a protective gas as a separating fluid.
  • an inert gas in particular nitrogen, is therefore used as the separation fluid.
  • a varying distance between the burner, which is used to heat the workpiece, and the workpiece is compensated for by adapting the separation fluid pressure.
  • workpieces can be machined with greater tolerance.
  • the distance between the workpiece and the torch can fluctuate within relatively wide limits.
  • acetylene is used as fuel. Since acetylene is a very fast-burning gas that burns with a low scattering flame, the heating zone can be kept extremely narrow in connection with the gaseous separation fluid according to the invention.
  • a device for carrying out the method according to the invention essentially consists of a burner with feed lines and outlet openings for fuel and oxygen and for a cooling medium.
  • the burner has, according to the invention, a further feed line for a separating fluid, the outlet openings of which are arranged in the area between the outlet openings for fuel and oxygen or the cooling medium.
  • the distance between the outlet openings for fuel and oxygen on the one hand and the cooling medium on the other hand can be kept to a minimum.
  • a device for regulating the separation fluid pressure is arranged in the further feed line.
  • the method and the device according to the invention can be used wherever it is important either to reduce the pollution of the flame outlet bores or to limit the heat spread of the oxy-fuel flame.
  • the method according to the invention is preferably applied to zone heating of steel pipes to be bent. Pipes lose less stability when bent, the narrower the heating zone. An extremely low ovality is achieved with the method according to the invention.
  • FIG. 1 a mechanical separation by a slide 3 is shown schematically.
  • a workpiece 5 is to be heated in a certain zone by means of a burner 4 (partial heating).
  • Fuel and oxygen are fed to an outlet opening 6 and burned via a feed line 1.
  • a cooling medium is fed to the workpiece 5 via a further feed line 2.
  • the cooling medium exits the burner 4 via the outlet opening 7.
  • the area of the fuel flame 12 is separated from the area of the cooling medium 13 with a slide 3.
  • Slider 3 sits on the workpiece surface. This separating device is very susceptible because the torch is easily tilted towards the workpiece.
  • the thermal load from the flame is high.
  • a mechanical separation by a deflection nose is shown schematically. Depending on the workpiece tolerance, the cooling medium can run into the flame front. The cooling medium is partially sucked in by the high flow velocity of the flame gases.
  • FIG. 3 A device according to the invention is shown schematically in FIG. 3, which in addition to the outlet openings 7 and 6 has a further outlet opening 9 with a further feed line 10.
  • a gaseous separating fluid such as compressed air or an inert gas, in particular nitrogen, is fed via feed line 10 into the space between the area of the fuel flame 12 and the area of the cooling medium 13.
  • acetylene is to be used as the fuel and water as the cooling medium.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmen eines Werkstückes durch Verbrennen eines Brennstoffes (1) und zum anschließenden Abkühlen des Werkstückes durch ein Kühlmedium (2), wobei der Bereich der Brennstoff-Flammen (12) vom Bereich des Kühlmediums (13) abgeschirmt wird. Um einen möglichst geringen Abstand (a) zwischen dem Bereich der Brennstoff-Flamme (12) und dem Bereich des Kühlmediums (13) einhalten zu können, wird vorgeschlagen, daß der Bereich der Brennstoff-Flammen (12) vom Bereich des Kühlmediums (13) durch ein zwischen den beiden Bereichen strömendes gasförmiges Trennfluid (19,10,11) abgeschirmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmen eines Werkstückes durch Verbrennen eines Brennstoffes und zum anschließenden Abkühlen des Werkstückes durch ein Kühl­medium, wobei der Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums abgeschirmt wird.
  • Ein partielles Wärmen von Werkstücken mit anschließendem Abkühlen erfolgt beispielsweise beim Oberflächen-Flamm­härten oder beim Zonen-Wärmeverfahren. Dazu wird übli­cherweise ein mit Brenngas und Sauerstoff betriebener Brenner eingesetzt. Zur Begrenzung der örtlichen Er­wärmung wird nach der Flammenfront ein Kühlmedium, übli­cherweise Wasser, auf das Werkstück geleitet.
  • Durch den Einsatz eines Kühlmediums können jedoch die Brenngas-Sauerstoff-Flammen behindert werden, so daß Brennerstörungen und sogar Rückzündungen verursacht werden können. Gegen äußere Störungen wie das Überschwap­pen des Kühlmediums sind langsam verbrennende Gase weni­ger empfindlich als beispielsweise Brenngase wie Acetylen. Langsam verbrennende Gase bewirken jedoch eine relativ große Wärmezone. Eine große Wärmezone ist jedoch von Nachteil, da es bei vielen Wärmeverfahren darauf ankommt, nur kleine Bereiche eines Werkstückes gezielt zu erwärmen.
  • Es ist auch bekannt, den Bereich der Brennstoff-­Flammen vom Bereich des Kühlmediums durch Leit­bleche, Trennwände oder Abweisnasen abzuschirmen. Die maßliche Abstimmung, d.h. der Abstand zwischen der mechanischen Sperre und dem Werkstück muß dabei innerhalb der Toleranzgrenzen gehalten werden. Die mechanische Trennung reicht normalerweise jedoch nicht aus, da der Abstand zwischen Werkstück und Brenner aufgrund von Maßschwankungen der Werkstücke nicht - wie erforderlich - konstant gehalten werden kann. Außerdem kann eine mechanische Trennung eine Relativbewe­gung zwischen Werkstück und Brenner behindern.
  • Bei der Verwendung einer mechanischen Sperre muß zudem ebenfalls eine unewünscht große Erwärmungszone in Kauf genommen werden. Es ist auch bekannt, einen großen Abstand zwischen Flammenfront und dem Bereich des Kühlmediums einzuhalten. Auch bei dieser Verfahrensweise resultiert eine sehr breite Erwärmungszone.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einen möglichst geringen Abstand zwischen dem Bereich der Brennstoff-Flamme und dem Bereich des Kühlmediums ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlme­diums durch ein zwischen den beiden Bereichen strömendes gasförmiges Trennfluid abgeschirmt wird. Erfindungsgemäß wird keine starre mechanische Sperre verwendet, vielmehr wird der Bereich der Brennstoff-Flamme durch ein Gas, das zwischen die Flammenfront und den Bereich des Kühlmediums geleitet wird, geschützt (amorphe Sperre). Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz eines gasförmigen Trenn­fluids nur ein äußerst geringer Abstand zwischen dem Be­reich der Brennstoff-Flamme und dem Bereich des Kühlmediums eingehalten werden muß, der im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren kleiner ist. Dennoch wird die Brennstoff-Flamme sicher vor einer Einwirkung des Kühlmediums (Kühlmittel­spritzer) geschützt. Auf diese Weise kann die Erwärmungs­zone sehr schmal gehalten werden. Im Gegensatz zur mechani­schen Sperre besteht kein körperlicher Kontakt zwischen Werkstück und Brenner, so daß ein Verkeilen und Behindern ausgeschlossen ist.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Trennfluid Luft verwendet. Soll jedoch bei einer Wärmebehandlung eines Werkstückes der Einfluß von Sauer­stoff aus der Umgebung möglichst ausgeschlossen werden, so hat sich die Verwendung eines Schutzgases als Trenn­fluid bewährt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird daher als Trennfluid ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff verwendet.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn ein variierender Abstand zwischen dem Brenner, der zum Erwärmen des Werkstückes dient, und dem Werkstück durch Anpassen des Trennfluiddruckes ausge­glichen wird. Auf diese Weise können Werkstücke mit größerer Toleranz bearbeitet werden. Der Abstand zwischen Werkstück und Brenner kann innerhalb relativ weiter Grenzen schwanken.
  • Da durch das erfindungsgemäße Verfahren Störungen der Brennstoff-Flamme ferngehalten werden, können auch Brenn­gase, die schnell verbrennen, eingesetzt werden. Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird als Brenn­stoff Acetylen verwendet. Da Acetylen ein sehr schnell verbrennendes Gas ist, das mit geringer Streuflamme ver­brennt, kann in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen gasförmigen Trennfluid die Erwärmungszone äußerst schmal gehalten werden.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Brenner mit Zufuhrleitungen und Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff sowie für ein Kühlmedium. Bei einer derartigen Vorrichtung besitzt der Brenner erfindungsgemäß eine weite­re Zufuhrleitung für ein Trennfluid, deren Austrittsöff­nungen im Bereich zwischen den Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff bzw. das Kühlmedium angeordnet ist.
  • Durch den Einsatz eines gasförmigen Trennfluids kann der Abstand der Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff einerseits und das Kühlmedium andererseits minimal gehalten werden.
  • In einer bevorzugten Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der weiteren Zufuhrleitung eine Vor­richtung zur Regelung des Trennfluiddruckes angeordnet.
  • Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort einge­setzt werden, wo es entweder auf die Verminderung der Verschmutzung der Flammenaustrittsbohrungen oder auf die Begrenzung der Wärmeausbreitung der Autogen-Flamme ankommt. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auf das Zonenerwärmen von zu biegenden Stahlrohren angewendet. Rohre verlieren beim Biegen umso weniger an Stabilität, je schmaler die Erwärmungszone ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine äußerst geringe Ovalität erzielt. Im folgenden soll anhand sche­matischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie der Stand der Technik geschildert werden. In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 eine mechanische Trennvorrichtung zwischen dem Bereich der Brennstoff-Flamme und dem des Kühl­mediums,
    • Figur 2 eine weitere mechanische Trennvorrichtung
    • Figur 3 eine Vorrichtung zum Abschirmen des Bereiches der Bennstoff-Flamme vom Bereich des Kühlme­diums mittels eines gasförmigen Trennfluids.
  • Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen zählen zum bekannten Stand der Technik. In Figur 1 ist eine mechanische Trennung durch einen Schieber 3 schematisch dargestellt. Ein Werkstück 5 soll mittels eines Brenners 4 in einer bestimmten Zone erwärmt werden (partielles Er­wärmen). Über eine Zufuhrleitung 1 werden Brennstoff und Sauerstoff zu einer Austrittsöffnung 6 geleitet und ver­brannt. Über eine weitere Zufuhrleitung 2 wird ein Kühl­medium zum Werkstück 5 geleitet. Das Kühlmedium tritt über Austrittsöffnung 7 aus dem Brenner 4 aus. Der Be­reich der Brennstoff-Flamme 12 wird mit einem Schieber 3 vom Bereich des Kühlmediums 13 abgetrennt. Schieber 3 sitzt auf der Werkstückoberfläche auf. Diese Trennvor­richtung ist sehr anfällig, da der Brenner leicht gegen­über dem Werkstück verkantet. Zudem ist die thermische Belastung durch die Flamme hoch. In Figur 2 ist eine mechanische Trennung durch eine Abweisnase schematisch dargestellt. Abhängig von der Werkstücktoleranz kann das Kühlmedium in die Flammenfront laufen. Zum Teil wird das Kühlmedium durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Flammengase angesaugt.
  • Die beiden in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrich­tungen haben den Nachteil gemeinsam, daß die Erwärmungs­ zone a sehr breit ist.
  • In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schema­tisch dargestellt, die zusätzlich zu den Austrittsöffnungen 7 und 6 eine weitere Austrittsöffnung 9 mit einer weiteren Zuleitung 10 besitzt. Über Zuleitung 10 wird ein gasförmi­ges Trennfluid wie Druckluft oder ein inertes Gas, insbe­sondere Stickstoff, in den Raum zwischen den Bereich der Brennstofflamme 12 und dem Bereich des Kühlmediums 13 geleitet. Als Brennstoff soll im Ausführungsbeispiel Acetylen, als Kühlmedium Wasser verwendet werden. Durch den Einsatz eines gasförmigen Trennfluids 11 wird einer­seits der Bereich der Brennstoff-Flamme 12 sicher gegen Kühlmediumspritzer abgeschirmt, andererseits ist die Erwärmungszone a sehr schmal.

Claims (8)

1. Verfahren zum Wärmen eines Werkstückes durch Verbrennen eines Brennstoffes und zum anschließenden Abkühlen des Werkstückes durch ein Kühlmedium, wobei der Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums ab­geschirmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums durch ein zwischen den beiden Bereichen strömendes gasförmi­ges Trennfluid abgeschirmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennfluid Luft ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennfluid ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß variierende Ab­stände zwischen Brenner und Werkstück durch Anpassen des Trennfluiddruckes ausgeglichen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß als Brennstoff Acetylen verwendet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Brenner mit Zufuhrlei­tungen und Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauer­stoff sowie für ein Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (4) eine weitere Zufuhrleitung (10) für ein Trennfluid (11) besitzt, deren Austrittsöffnung (9) im Bereich zwischen den Austrittsöffnungen für Brenn­stoff und Sauerstoff (6) und das KÜhlmedium (7) ange­ordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der weiteren Zufuhrleitung (10) eine Vorrichtung zur Regelung des Trennfluiddruckes angeordnet ist.
8. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung auf das Zonenerwärmen von zu biegenden Stahlrohren.
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