EP2044366A1 - Flämmbrenner und verfahren zum brennflämmen einer metallischen oberfläche - Google Patents

Flämmbrenner und verfahren zum brennflämmen einer metallischen oberfläche

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EP2044366A1
EP2044366A1 EP07722449A EP07722449A EP2044366A1 EP 2044366 A1 EP2044366 A1 EP 2044366A1 EP 07722449 A EP07722449 A EP 07722449A EP 07722449 A EP07722449 A EP 07722449A EP 2044366 A1 EP2044366 A1 EP 2044366A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
oxygen
flammbrenner
central
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07722449A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Egon Evertz
Ralf Evertz
Stefan Evertz
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Egon Evertz KG GmbH and Co
Original Assignee
Egon Evertz KG GmbH and Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Egon Evertz KG GmbH and Co filed Critical Egon Evertz KG GmbH and Co
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    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a Flammbrenner with a nozzle arranged in a head, which has a central gas supply opening in addition to annularly arranged gas supply channels.
  • the invention further relates to a method for flame blending a metallic surface by means of said flame burner.
  • the fuel gas is conducted via the ring-shaped gas supply channels to a nozzle head, where it is mixed with the oxygen transported via the central gas supply and forms the combustion flame.
  • Flame burner are used for different applications.
  • undesired cracks frequently occur which must be removed by a surface treatment.
  • burrs or beards which occur during processing of the slabs, z. B. caused by cutting.
  • the Flammbrenner be performed to eliminate the surface defects along the affected areas, which can be done with a manually guided burner or a scarfing machine in which on a controllable robotic arm a Flammbrenner is attached.
  • the processing costs for the surface treatment are essentially determined by the processing time and the gas consumption, whereby a sufficient surface quality must be ensured.
  • the flame burner described in claim 1 further proposed the method described in claim 9.
  • the flame burner according to the invention has a nozzle with a plurality of gas supply channels, which are arranged in a ring around a central gas supply opening.
  • the central oxygen supply opening has in the direction of flow at least three successive areas, namely a first to a minimum inner diameter tapered region, a second region in which the inner sheath extends to a larger diameter relative to said minimum diameter and a third area with constant cross-sectional profile, preferably constant cylindrical inner diameter.
  • Essential is the cross-sectional constriction of the inner diameter up to a critical dimension of the diameter, which is followed by a diameter extension.
  • the last third area with constant cross-sectional profile serves as a stabilizing ring to obtain the generated gas flow profile.
  • a pulsating gas jet can be generated, which has a speed of sound or supersonic speed at the nozzle exit end.
  • the ratio between the oxygen pressure before the nozzle and the ambient pressure on the one hand and the ratio of the oxygen pressure at the nozzle exit surface and the ambient pressure determine the profile of the gas. If the pressure at the nozzle exit surface is below the ambient pressure, then the exiting gas jet has a narrowing shape in the initial section behind the nozzle, whereas with an inverse relationship the shape is barrel-shaped widening. If the oxygen pressure upstream of the nozzle and at the outlet from the nozzle are each equal to the ambient pressure, the result is a straight-line envelope of the initial section of the outflowing gas.
  • the pulse rate achievable with the nozzle as well as the amplitude depends in detail on the inlet pressure, the degree of rejuvenation and the degree of dilation.
  • the generated non-isobaric turbulent supersonic jet is characteristic is characterized by strong spatial imbalances of the velocity and pressure fields which lead to the generation of unsteady state changes, namely the pulsed compression collisions and layer shifts with large velocity gradients. This flow velocity and pressure pulsation lead to a Pulsationsssprektrum. From a certain value, the gas velocity in the nozzle described locally reaches the speed of sound in the critical smallest nozzle cross section, above which pulsed compressed and thinned regions occur as impulses.
  • This type of shock wave can form a barrel-shaped flow structure, the strung densities of which depend on the ratio of the oxygen pressure in the nozzle to the ambient pressure and the so-called Mach number, which is the ratio of the velocity of the gas at the nozzle exit surface to the speed of sound.
  • the Flammbrenner has a nozzle which is designed in the manner of a Laval nozzle, which forms a vibration resonator with the third region as a "stabilizing ring".
  • first and the second region follow one another directly, but short sections may be included in which the minimum diameter does not change. The flow rate is maintained on this short section.
  • the central gas supply port also terminates slightly in front of the plane defined by the openings in which the annular gas supply channels terminate.
  • solutions are likewise included, in which a plurality of rings of gas supply channels are arranged coaxially, which end in different planes behind the outlet opening of the central tube.
  • the length of the first region is preferably smaller than the length of the second region, and preferably also smaller than the length of the third region.
  • the third region can be chosen to be longer, the same size or even shorter than the total length of the first and second regions.
  • the diameter of the third region is smaller than the maximum output diameter of the central gas supply opening at the beginning of the first region.
  • the diameters and the lengths of the three regions mentioned are adjusted so that the gas exits in a pulsed manner at the nozzle exit end, preferably at a pulse frequency which is between 100 and 650 Hz.
  • a maximum gas flow velocity of 2 Mach should preferably be present at predetermined values of the oxygen and fuel gas pressure.
  • the nozzle may be round or concentric in cross-section, wherein in particular the central gas supply opening has a circular cross section around which at least one ring, possibly two rings extend, are on the further gas supply openings for the fuel gas.
  • the nozzle head is preferably cooled, with water being the preferred cooling fluid.
  • the inventive method for Brennflämmen a metallic surface for. B. a slab, is characterized in that the guided through a central nozzle of a Flammbrenners oxygen is excited to vibrate, that forms a nozzle mouth leaving pulsating oxygen flow at sonic or supersonic speed.
  • the pulsating oxygen flow consists of longitudinal waves, ie a periodic succession of pressure compressions and pressure dilutions of the oxygen gas.
  • the process parameters in particular the oxygen feed pressure with which the oxygen stream is introduced into the nozzle, are selected as a function of the nozzle geometry such that the oxygen gas stream is divided into a central stream and peripheral streams.
  • Fig. 1 is a combined side view and a longitudinal section through the
  • Fig. 2 is a plan view of the nozzle
  • Fig. 3a-d respectively cross-sections through the central gas supply opening with different Gastrom forms.
  • the core of the scarfing burner according to FIGS. 1 and 2 is a nozzle 10 which is arranged in a head and has, in addition to annularly arranged gas supply channels 11, a central gas feed opening 12.
  • the gas inlet openings 111 and 112 each lie on rings which extend concentrically around the gas supply opening 12.
  • the angular distance a is determined by the number n to 360 / n.
  • gas supply channels 111 and 112 lead to an annular gas supply channel 11, as shown in FIG. 1 can be seen.
  • the channels 112, 111 and 11 carry a fuel gas or a mixture of oxygen and a fuel gas, whereas the central gas supply channel 12 is provided for the transport of oxygen.
  • the central gas supply opening 12 is divided into a plurality of areas Li, L 2 , L 4 , L 3 and LK or Li, L c and LK, of which the latter areas are of particular importance.
  • the gas inlet area Li corresponds to the inlet area which is used in nozzles known from the prior art.
  • a novelty is a laval-nozzle-like shape of the central Warzuschreibkanals 12, which extends over the length L c . This nozzle shape is determined through a region in which the nozzle inner diameter is kept to a minimum critical diameter d m j n , which is maintained over a length L 4 (see also Fig. 3).
  • the inner jacket of the gas feed opening 12 widens continuously up to a larger diameter d 1 (see FIG. 3) which remains maintained over the remaining length L k until the end of the nozzle.
  • d 1 diameter
  • Fig. 3 are drawn only cross-sectional views of the central gas supply opening in the Laval-nozzle-like equipped area and in the stabilization area.
  • the oxygen gas flowing into the lavelike region has a pressure Po and a temperature TQ.
  • the pressure is PA.
  • the first region in which the nozzle tapers conically is denoted by 121, the adjoining region of the conical nozzle extension by 122, whereas finally the region of constant diameter bears the reference numeral 123 and shows an image according to FIG. Fig. A to D show depending on the input pressure po different gas pulsations appear as longitudinal waves in which alternate higher and lower pressures.
  • the central oxygen gas flow which is surrounded by a peripheral fuel gas flow, is narrowed or narrowed further.
  • the length LK is decisive for the degree to which the pulsating oxygen flow can be stabilized.
  • the flame burner according to the invention can be designed both as a hand-held device and as a flame-cutting machine.
  • the pressures used, under which the oxygen gas is passed into the central opening, are between 5 and 20 bar.
  • the natural gas used as fuel gas, consisting essentially of methane, is fed under a pressure of 1 to 5 bar.
  • Methane is added via the nozzle inlet 111, which is in communication with the oxygen added via the nozzle inlet 112 mixed, so that peripherally via the ring opening 11, an oxygen-methane mixture flows to the nozzle exit end.
  • the speed aimed for at the stated charging pressure of the oxygen flow in the central duct 112 should be in the supersonic range and should be up to 2 Mach for given plants of the oxygen and fuel gas pressure.
  • a first flame burner was used with a conventional, known in the prior art nozzle for flaming a slab.
  • Oxygen was introduced via the central nozzle under a pressure of approximately 12 ⁇ 10 5 Pa and via the peripherally arranged nozzles fuel gas under a pressure of 2 ⁇ 10 5 Pa.
  • the amount of oxygen consumed during scouring work was between 370 and 390 m 3 .
  • the nozzle according to the invention only 90 to 100 m 3 were required for the same scouring work, which illustrates that an enormous oxygen gas saving can be achieved.

Abstract

Die Erf indung betrif f t einen Flämmbrenner mit einer in einem Kopf angeordneten Düse (10), die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen (11) eine zentrale Gaszufuhröf f nung (12) aufweist, die einen laval-düsenartigen Bereich und einen sich hieran in Strömungsrichtung anschließenden Stabilisierungsbereich mit gleich bleibendem Durchmesser aufweist. Zum Brennf lammen einer metallischen Oberf läche wird das durch eine zentrale Düse eines Flämmbrenners geführte Sauerstof f gas so zum Schwingen angeregt, dass sich ein die Düsenmündung verlassender pulsierender Sauerstof f strom mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit ausbildet.

Description

Flämmbrenner und Verfahren zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche
Die Erfindung betrifft einen Flämmbrenner mit einer in einem Kopf angeordneten Düse, die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen eine zentrale Gaszufuhröffnung aufweist.
Die Erfindung betrifft femer ein Verfahren zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche mittels des genannten Flämmbrenners.
In den genannten Flämmbrennem wird das Brenngas über die ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanäle zu einem Düsenkopf geführt, wo es mit dem über die zentrale Gaszuführung transportieren Sauerstoff vermischt wird und die Brennflamme bildet. Flämmbrenner werden für unterschiedliche Anwendungszwecke verwendet. So entstehen beispielsweise beim Abkühlen der durch Gießen hergestellten Brammen an deren Oberfläche häufig unerwünschte Risse, die durch eine Oberflächenbehandlung entfernt werden müssen. Entsprechendes gilt auch für Grate oder Barte, die beim Verarbeiten der Brammen, z. B. durch Schneiden entstehen. Die Flämmbrenner werden zur Beseitigung der Oberflächenfehler entlang der betroffenen Flächen geführt, was mit einem manuell geführten Brenner oder einem Flämm- Automat geschehen kann, bei dem an einem steuerbaren Roboterarm ein Flämmbrenner befestigt ist.
Die Bearbeitungskosten für die Oberflächenbehandlung werden im wesentlichen durch die Bearbeitungszeit sowie den Gasverbrauch bestimmt, wobei eine hinreichende Oberflächengüte gewährleistet bleiben muss.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flämmbrenner und ein Verfahren zum Brennflämmen anzugeben, dem bei möglichst geringem Sauerstoffverbrauch und Bearbeitungszeit eine optimale Oberflächengüte des zu behandelnden Werkstückes möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird der in Anspruch 1 beschriebene Flämmbrenner, ferner das in Anspruch 9 beschriebene Verfahren vorgeschlagen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Flämmbrenner besitzt eine Düse mit mehreren Gaszufuhrkanälen, die ringförmig um eine zentrale Gaszufuhröffnung angeordnet sind. Die zentrale Sauerstoffzufuhröffnung hat in Strömungsrichtung betrachtet mindestens drei aufeinander folgende Bereiche, nämlich einen ersten sich bis auf einen minimalen Innendurchmesser verjüngenden Bereich, einen zweiten Bereich, in dem sich der Innenmantel bis auf einen gegenüber dem genannten minimalen Durchmesser größeren Durchmesser erweitert und einen dritten Bereich mit gleich bleibenden Querschnittsprofil, vorzugsweise gleich bleibenden zylinderförmigen Innendurchmesser. Wesentlich ist die Querschnittsverengung des Innendurchmessers bis zu einem kritischen Maß des Durchmessers, dem sich eine Durchmessererweiterung anschließt. Der letzte dritte Bereich mit gleich bleibendem Querschnittsprofil dient als Stabilisierungsring dazu, das erzeugte Gasströmungsprofil zu erhalten. Mittels dieser Bauart kann ein pulsierender Gasstrahl erzeugt werden, der am Düsenaustrittsende eine Schallgeschwindigkeit oder Überschallgeschwindigkeit besitzt. Das Verhältnis zwischen dem Sauerstoffdruck vor der Düse und dem Umgebungsdruck einerseits sowie das Verhältnis des Sauerstoffdruckes an der Düsenaustrittsfläche und dem Umgebungsdruck bestimmen das Profil des Gases. Liegt der Druck an der Düsenaustrittsfläche unterhalb des Umgebungsdruckes, so hat der austretende Gasstrahl eine sich verengende Form im Anfangsabschnitt hinter der Düse, wohingegen bei einem umgekehrten Verhältnis die Form fassartig sich erweiternd gestaltet. Sind der Sauerstoffdruck vor der Düse und beim Austritt aus der Düse jeweils gleich groß dem Umgebungsdruck, so ergibt sich eine gradlinige Hüllkurve des Anfangsausschnittes des ausströmenden Gases.
Die mit der Düse erreichbare Impulsfrequenz sowie die Amplitude hängt im Einzelnen von dem Eingangsdruck, den Grad der Verjüngung und dem Grad der Erweiterung ab. Der erzeugte nicht isobare turbulente Überschallstrahl ist charakteri- siert durch starke räumliche Ungleichartigkeiten der Geschwindigkeits- und Druckfelder, die zu Erzeugung von unsteten Zustandsänderungen, nämlich den impulsartigen Verdichtungsstößen und Schichtenverschiebungen mit großen Geschwindigkeitsgradienten führen. Diese Strömungsgeschwindigkeit und Druckpulsation führen zu einem Pulsationssprektrum. Ab einem gewissen Wert erreicht die Gasgeschwindigkeit in der beschriebenen Düse im kritischen kleinsten Düsenquerschnitt örtlich die Schallgeschwindigkeit, bei deren Überschreiten pulsartige verdichtete und verdünnte Bereiche als Impulse auftreten. Diese Art von Stoßwellen können eine fassförmige Strömungsstruktur bilden, deren aufgereihte Verdichtungen von dem Verhältnis des Sauerstoffdruckes in der Düse zum Umgebungsdruck und von der sogenannten Machzahl abhängt, die das Verhältnis der Geschwindigkeit des Gases an der Düsenaustrittsfläche zur Schallgeschwindigkeit ist. Prinzipiell besitzt der Flämmbrenner eine Düse, die nach Art einer Laval-Düse ausgebildet ist, die mit dem dritten Bereich als „Stabilisierungsring" einen Schwingungsresonator bildet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich vorgesehen, dass der erste und der zweite Bereich unmittelbar aufeinanderfolgen, jedoch können hier kurze Teilstücke enthalten sein, in denen sich der minimale Durchmesser nicht verändert. Auf diesem kurzen Teilstück bleibt die Fließgeschwindigkeit erhalten.
Bei der vorliegenden Erfindung endet die zentrale Gaszufuhröffnung auch geringfügig vor der Ebene, die durch die Öffnungen bestimmt ist, in denen die ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanäle enden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind gleichfalls Lösungen mit einbezogen, bei denen koaxial mehrere Ringe von Gaszufuhrkanälen angeordnet sind, die gestaffelt in unterschiedlichen Ebenen hinter der Austrittsöffnung des zentralen Rohres enden.
Vorzugsweise ist aus strömungstechnischen Gründen die Länge des ersten Bereiches kleiner als die Länge des zweiten Bereiches und vorzugsweise auch kleiner als die Länge des dritten Bereiches. Der dritte Bereich kann je nach gewünschter Impulscharakteristik länger, gleichgroß oder sogar kürzer als die Gesamtlänge des ersten und zweiten Bereiches gewählt werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des dritten Bereiches kleiner als der maximale Ausgangsdurchmesser der zentralen Gaszufuhröffnung eingangs des ersten Bereiches. Zur Wirkungsoptimierung sind die Durchmesser sowie die Längen der drei genannten Bereich so abgestimmt, dass an dem Düsenaustrittsende das Gas impulsförmig ausströmt, vorzugsweise mit einer Impulsfrequenz, die zwischen 100 und 650 Hz liegt. In der zentralen Gaszufuhröffnung soll bei vorgegebenen Werten des Sauerstoff- und Brenngasdruckes vorzugsweise eine maximale Gasströmgeschwindigkeit von 2 Mach vorliegen.
Die Düse kann im Querschnitt rund oder konzentrisch aufgebaut sein, wobei insbesondere die zentrale Gaszufuhröffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, um den sich mindestens ein Ring, ggf. zwei Ringe erstrecken, auf dem weitere Gaszufuhröffnungen für das Brenngas liegen.
Wie grundsätzlich nach dem Stand der Technik bekannt, wird der Düsenkopf vorzugsweise gekühlt, wobei sich als Kühlflüssigkeit insbesondere Wasser anbietet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche, z. B. einer Bramme, ist dadurch gekennzeichnet, dass der durch eine zentrale Düse eines Flämmbrenners geführte Sauerstoff so zum Schwingen angeregt wird, dass sich ein die Düsenmündung verlassender pulsierender Sauerstoffstrom mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit ausbildet. Der pulsierende Sauerstoffstrom besteht aus Längswellen, d. h. einer periodischen Aufeinanderfolge von Druckverdichtungen und Druckverdünnungen des Sauerstoffgases. Durch diese Maßnahme wird nicht nur der zentrale Sauerstoffstrom zum Pulsieren gebracht, sondern auch das peripher einströmende Brenngas zum Schwingen angeregt. Im Ergebnis ergibt sich eine erhebliche Einsparung an dem Sauerstoffverbrauch sowie eine glatte Oberfläche des durch Brennflämmen bearbeiteten Metallstückes. Vorzugsweise werden die Verfahrensparameter, insbesondere der Sauerstoffaufgabedruck, mit dem der Sauerstoffstrom in die Düse eingelassen wird, in Abhängigkeit der Düsengeometrie so gewählt, dass der Sauerstoffgasstrom in einen zentralen Strom und periphere Ströme aufgeteilt ist. Das Verhältnis zwischen dem Sauerstoffdruck vor der zentralen Düse zum Umgebungsdruck N = po/pu liegt vorzugsweise zwischen 1 und 200, wohingegen das Verhältnis des Sauerstoffdruckes pa an der Düsenaustrittsfläche zum Umgebungsdruck pu zwischen 0,1 bis 100 liegt.
Weitere Ausführungsvarianten und Details der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine kombinierte Seitenansicht sowie einen Längsschnitt durch die
Düse des erfindungsgemäßen Flämmbrenners,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Düse und
Fig. 3a bis d jeweils Querschnitte durch die zentrale Gaszufuhröffnung mit unterschiedlichen Gastrom-Formen.
Kernstück des Flämmbrenners nach Fig. 1 und 2 ist ein in einem Kopf angeordnete Düse 10, die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen 11 eine zentrale Gaszufuhröffnung 12 aufweist. Im vorliegenden Fall und im Einzelnen Fig. 2 zu entnehmen, liegen die Gaseintrittsöffnungen 111 und 112 jeweils auf Ringen, die sich konzentrisch um die Gaszufuhröffnung 12 erstrecken. Der Winkelabstand a wird durch die Anzahl n zu 360/n bestimmt. Im vorliegenden Fall führen Gaszufuhrkanäle 111 und 112 zu einem ringförmigen Gaszufuhrkanal 11 , wie dies Fig. 1 zu entnehmen ist. Die Kanäle 112, 111 und 11 führen ein Brenngas oder ein Gemisch aus Sauerstoff und einem Brenngas, wohingegen der zentrale Gaszufuhrkanal 12 für den Transport von Sauerstoff vorgesehen ist.
Über die dargestellte Gesamtlänge L unterteilt sich die zentrale Gaszufuhröffnung 12 in mehrere Bereiche Li, L2, L4, L3 und LK bzw. Li, Lc und LK, wovon die letztgenannten Bereiche von besonderer Bedeutung sind. Der Gaseintrittsbereich Li entspricht dem Eintrittsbereich, der bei nach dem Stand der Technik bekannten Düsen verwendet wird. Neuartig ist hingegen eine laval-düsenartige Form des zentralen Erstzufuhrkanals 12, die sich über die Länge Lc erstreckt. Diese Düsenform wird bestimmt durch einen Bereich, in dem sich der Düseninnendurchmesser bis auf einen minimalen kritischen Durchmesser dmjn, der über eine Länge L4 beibehalten wird (siehe auch Fig. 3). In dem in Gasströmrichtung 13 sich anschließenden Bereich erweitert sich der Innenmantel der Gaszufuhröffnung 12 kontinuierlich bis zu einem größeren Durchmesser dι< (siehe Fig. 3) der bis zum Ende der Düse über eine Restlänge Lk aufrechterhalten bleibt. In konkreten Ausführungsbeispielen sind folgende Maße gewählt worden: Li = 43 mm, L2 = 10 mm, L3 = 25 mm, L4 = 2 mm und Lk = 72 mm. Während L-i, L2, L3 und L4 bei gegebenen Sauerstoff und Brenngasdrucken unverändert bleiben, kann die Länge Lk auch zu 65 mm oder 25 mm verändert werden.
In Fig. 3 sind lediglich Querschnittsansichten der zentralen Gaszufuhröffnung in dem Laval-düsenartig ausgestatteten Bereich und im Stabilisierungsbereich gezeichnet. Das in den lavalartigen Bereich einströmende Sauerstoffgas hat einen Druck Po und eine Temperatur TQ. Am Ausgang dieses lavalartigen Bereichs, d. h. am Ende des Längenbereiches Lc beträgt der Druck PA. Der erste Bereich, in dem sich die Düse konisch verjüngt ist mit 121 bezeichnet, der sich anschließende Bereich der konischen Düsenerweiterung mit 122, wohingegen schließlich der Bereich mit konstantem Durchmesser das Bezugszeichen 123 trägt und ein Bild gemäß Fig. 3 zeigt. Fig. a bis d zeigen je nach Eingangsdruck po unterschiedliche Gas-Pulsationen die als Längswellen erscheinen, in denen sich höhere und niedrigere Drucke abwechseln. Erkennbar ist weiterhin, dass je nach dem gewählten Eingangsdruck po auch der zentrale Sauerstoffgasstrom, der von einem peripheren Brenngasstrom umgeben ist, enger oder weiter eingeschnürt wird. Die Länge LK ist entscheidend dafür, in welchem Maß der pulsierende Sauerstoffstrom stabilisiert werden kann.
Der erfindungsgemäße Flämmbrenner kann sowohl als Handgerät als auch als Flämmautomat ausgebildet sein. Die verwendeten Drucke, unter denen das Sauerstoffgas in die zentrale Öffnung geleitet wird, liegen zwischen 5 und 20 bar. Das als Brenngas verwendete Erdgas, besteht im wesentlichen aus Methan, wird unter einem Druck von 1 bis 5 bar aufgegeben. Methan wird über den Düseneinlass 111 zugegeben, der sich mit dem über den Düseneinlass 112 zugegebenen Sauerstoff vermischt, so dass peripher über die Ringöffnung 11 ein Sauerstoff-Methangemisch zum Düsenaustrittsende strömt. Die bei dem genannten Aufgabedruck des Sauerstoffstroms in der zentralen Leitung 112 angestrebte Geschwindigkeit soll im Überschallbereich liegen und bis zu 2 Mach bei vorgegebenen Werken des Sauerstoff- und des Brenngasdruckes betragen.
Bei Versuchen mit Flämmbrennern sind folgende Ergebnisse erzielt worden:
Zunächst wurde ein erster Flämmbrenner mit einer herkömmlichen, nach dem Stand der Technik bekannten Düse zum Abflämmen einer Bramme verwendet. Über die zentrale Düse ist Sauerstoff unter einem Druck von ca. 12 x 105Pa und über die peripher angeordneten Düsen Brenngas unter einem Druck von 2 x 105Pa eingeführt worden.
Anschließend wurde ein Flämmbrenner mit einer erfindungsgemäßen Düse verwendet. Infolge der sich einstellenden Druckimpulse wurde der Rückstoß so groß, dass ein Handflämmen bei einem Sauerstoffdruck von 12 x 105Pa nicht durchführbar war. Aus diesem Grund ist der Sauerstoffdruck auf 8 x 105Pa reduziert worden, wohingegen der Brenngasdruck unverändert bliebt.
Erstaunlicher Weise sind im erst genannten Fall bei Flämmarbeiten Sauerstoffmengen verbraucht worden, die zwischen 370 bis 390 m3 lagen. Für dieselben Flämmarbeiten wurde bei Verwendung der erfindungsgemäßen Düse lediglich 90 bis 100 m3 benötigt, was verdeutlicht, dass eine enorme Sauerstoffgasersparnis zu erzielen ist.

Claims

Ansprüche
1. Flämmbrenner mit einer in einem Kopf angeordneten Düse (10), die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen (11 , 111 , 112) eine zentrale Gaszufuhröffnung (12) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die zentrale Gaszufuhröffnung (3) in Strömungsrichtung (13) unmittelbar aufeinander folgende Bereiche hat, nämlich a) einen ersten sich bis auf einen minimalen Innendurchmesser (dmin) verjüngenden Bereich (121), b) einen zweiten Bereich (122), in dem sich der Innenmantel bis auf einen gegenüber dem genannten minimalen Durchmesser (dmin) größeren Durchmesser (dk) erweitert und c) einen dritten bis zur Düsenmündung reichenden Bereich (123) mit gleich bleibendem Querschnittsprofil, vorzugsweise gleich bleibendem zylinderförmigen Innendurchmesser.
2. Flämmbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Länge l_2 des ersten Bereiches (121) kleiner ist als die Länge L3 des zweiten Bereichs (122).
3. Flämmbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser dκ des dritten Bereiches (123) kleiner als der maximale Ausgangsdurchmesser eingangs des ersten Bereiches (121) ist.
4. Flämmbrenner nach eine der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der drei Bereiche sowie der Längen so aufeinander abgestimmt sind, dass an dem Düsenaustrittsende das Gas impulsförmig ausströmt.
5. Flämmbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfrequenz am Düsenaustrittsende bei 100 bis 650 Hz liegt.
6. Flämmbrenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Gasströmgeschwindigkeit 2 Mach (= doppelte Schallgeschwindigkeit) bei vorgegebenen Werten des Sauerstoff- und des Brenngasdruckes beträgt.
7. Flämmbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Gaszufuhröffnung (12) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
8. Flämmbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (10) flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt ist.
9. Verfahren zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch eine zentrale Düse eines Flämmbrenners (10) geführte Sauerstoffgas so zum Schwingen angeregt wird, dass sich ein die Düsenmündung verlassender pulsierender Sauerstoffstrom mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit ausbildet.
10. Verfahren zum Brennflämmen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgasstrom in einen zentralen Strom und periphere Ströme aufgeteilt ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Sauerstoffdruck vor der zentralen Düse zum Umgebungsdruck N = p0 / pu zwischen 1 und 200 liegt, wohingegen das Verhältnis des Sauerstoffdruckes pa an der Düsenaustrittsfläche zum Umgebungsdruck pu zwischen 0,1 bis 100 liegt.
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