SOPLETE PARA FLAMEAR Y METODO PARA FLAMEAR POR SOPLETE UNA SUPERFICIE METALICA
DESCRIPCION DE LA INVENCION La invención se refiere a un soplete para flamear con una boquilla dispuesta en una cabeza que además de los canales de alimentación de gas de disposición anular comprende una abertura central de alimentación de gas. La invención se refiere además a un método para flamear por soplete una superficie metálica mediante el soplete para flamear mencionado. En los sopletes para flamear mencionados el gas combustible se conduce a través de los canales de alimentación de gas que se encuentran dispuestos en forma anular a una cabeza de boquilla, en donde se mezcla con el oxígeno que se transporta por la entrada de gas central y forma la llama de combustión. Los sopletes para flamear se utilizan para diferentes fines de aplicación. Así, por ejemplo, al enfriarse los lingotes producidos mediante fundición frecuentemente se producen fisuras indeseadas en su superficie que se deben eliminar mediante un tratamiento de la superficie. Lo mismo también es aplicable a las rebabas o barbas que se producen al maquinar los lingotes, por ejemplo, mediante corte. Para eliminar los defectos de la superficie los sopletes para flamear se guían a lo largo
de las superficies afectadas, lo cual puede ocurrir con un soplete que se guía a mano o una máquina de flamear automática en el cual se fija un soplete de flamear en un brazo de robot controlado. Los costes de procesamiento para el tratamiento de la superficie son determinados sustancialmente por el tiempo de procesamiento y el consumo de gas, siendo que se debe garantizar una calidad de superficie suficiente. Es el objeto de la presente invención indicar un soplete para flamear y un método para el flameado por soplete mediante el cual, con un mínimo de gasto de oxígeno y de tiempo de procesamiento resulta posible una calidad de superficie óptima de la pieza de trabajo a ser tratada. Para solucionar este problema se propone el soplete para flamear que se describe en la reivindicación 1 y además el método que se describe en la reivindicación 9. Los perfeccionamientos de la invención se describen en las reivindicaciones subordinadas. El soplete para flamear de conformidad con la invención tiene una boquilla con varios canales de alimentación de gas que se disponen en forma anular alrededor de una abertura central de alimentación de gas. La abertura central de alimentación de oxígeno tiene, vista en la dirección de flujo, al menos tres secciones sucesivas, específicamente una primera sección convergente
hasta un diámetro interior mínimo, una segunda sección divergente en la que la camisa interior se ensancha hasta un diámetro mayor en comparación con el diámetro mínimo mencionado y una tercera sección con perfil de sección transversal invariable, preferiblemente un diámetro interior de forma cilindrica uniforme. Es esencial la convergencia de la sección transversal del diámetro interior hasta una medida crítica del diámetro a la que sigue un ensanchamiento del diámetro. La tercera y última sección con perfil de sección transversal uniforme sirve como tramo estabilizador para mantener el perfil de flujo de gas producido. Mediante esta forma de construcción es posible producir un chorro de gas pulsante que a la salida de la boquilla tiene una velocidad igual a la del sonido o una velocidad supersónica. La relación entre la presión de oxígeno atrás de la boquilla y la presión atmosférica por una parte así como la relación de la presión del oxígeno en la superficie de salida de la boquilla y la presión atmosférica determinan el perfil del gas. Si la presión en la superficie de salida de la boquilla se encuentra por debajo de la presión atmosférica, entonces el chorro de gas saliente tiene una forma convergente en la sección inicial delante de la tobera, siendo que en cambio en el caso de una relación inversa la forma es divergente a manera de barril. Si la presión del oxígeno atrás de la tobera y a la
salida de la tobera son en cada caso iguales a la presión atmosférica, entonces para la sección inicial del gas que fluye al exterior resulta una curva envolvente recta. La frecuencia de impulsos así como la amplitud que se pueden lograr con la boquilla dependen en lo individual de la presión de entrada, el grado de convergencia y el grado de la divergencia. El chorro supersónico turbulento no isóbaro se caracteriza por las intensas diferencias espaciales de los campos de velocidad y presión que conducen a variaciones de estado inestables, específicamente los choques de compresión y desplazamientos de capas en forma de impulsos con elevados gradientes de velocidad. Esta pulsación de la velocidad de flujo y de la presión provocan un espectro de pulsación. En la sección transversal crítica más pequeña de la boquilla descrita la velocidad del gas alcanza localmente a partir de un determinado valor la velocidad del sonido, que al ser superada provoca la presencia de zonas comprimidas y descomprimidas a manera de pulsos. Este tipo de ondas de choque pueden formar una estructura de flujo en forma de barril cuyas compresiones seriadas dependen de la relación de la presión del oxígeno en la boquilla con respecto a la presión atmosférica y de lo que se llama el número "mach" , el cual es la relación de la velocidad del gas en la superficie de salida de la boquilla con respecto a la
velocidad del sonido. En principio el soplete para flamear tiene una boquilla que se configura a manera de una boquilla de laval que con la tercera sección como "anillo de estabilización" forma un resonador de vibraciones. Dentro del cuadro de la presente invención está fundamentalmente previsto que la primera y la segunda sección sean inmediatamente sucesivas, pero sin embargo pueden estar contenidos cortos tramos parciales en los que no varía el diámetro mínimo. En este corto tramo parcial se conserva la velocidad de flujo. En la presente invención la abertura central de alimentación de gas también termina muy poco antes del plano que es determinado por las aberturas en las que terminan los canales de alimentación de gas dispuestos en forma anular. Dentro del marco de la presente invención también se incluyen soluciones en las que se disponen coaxiales varios anillos de canales de alimentación de gas que terminan escalonados en diferentes planos detrás de la abertura de salida del tubo central. Por motivos técnicos de flujo, preferiblemente la longitud de la primera sección es menor que la longitud de la segunda sección y preferiblemente también menor que la longitud de la tercera sección. En función de la característica deseada para los impulsos, la tercera sección se puede seleccionar más larga, de igual tamaño o
incluso más corta que la longitud total de las secciones primera y segunda. De conformidad con otro perfeccionamiento de la invención el diámetro de la tercera sección es menor que el máximo diámetro de salida de la abertura central de alimentación de gas a la entrada de la primera sección. Para optimizar el efecto, los diámetros así como las longitudes de las tres secciones mencionadas se ajustan de manera que en el extremo de salida de la boquilla el gas fluye en forma de impulsos, preferiblemente con una frecuencia de impulsos que se encuentra entre 100 y 650 Hz . En la abertura central de alimentación de gas deberá existir preferiblemente una velocidad máxima de flujo de gas de 2 "mach" a valores predeterminados de presión de oxígeno y de gas combustible. La boquilla puede tener estructura redonda o concéntrica en sección transversal, siendo que en particular la abertura central de alimentación de gas tiene una sección transversal circular alrededor de la cual se extienden al menos un anillo, opcionalmente dos anillos sobre los cuales se encuentran aberturas de alimentación de gas adicionales para el gas combustible. Como se conoce fundamentalmente en el estado de la técnica, la cabeza de boquilla preferiblemente se refrigera, siendo que como líquido refrigerante se
considera en particular el agua. El método de conformidad con la invención para el flameado por soplete de una superficie metálica, por ejemplo, de un lingote, se caracteriza porque el oxígeno que se guía a través de una boquilla central del soplete para flamear se excita para vibrar de manera que se configura un flujo de oxígeno pulsante que abandona la boca de la boquilla con velocidad del sonido o supersónica. El flujo de oxígeno pulsante está constituido de ondas largas, es decir una sucesión periódica de compresiones y descompresiones del oxígeno gaseoso. Mediante esta medida no solamente se provoca la pulsación del flujo de oxígeno central sino que también se excita a oscilar el gas combustible que afluye periférico. Como resultado se obtiene un considerable ahorro del consumo de oxígeno así como una superficie lisa de la pieza de metal procesada mediante flameado por soplete. Preferiblemente los parámetros del proceso, en particular la presión de suministro del oxígeno con el cual el flujo de oxígeno entra en la boquilla se eligen en función de la geometría de la boquilla de manera que el flujo de oxígeno gaseoso se divide en un flujo central y flujos periféricos. La proporción entre la presión de oxígeno previo a la boquilla central con respecto a la presión atmosférica N = p0/pu se encuentra preferiblemente entre 1 y 200, siendo que en
cambio la proporción de la presión de oxígeno pa en la superficie de salida en la boquilla con relación a la presión atmosférica pu se encuentra entre 0.1 a 100. Otras variantes de realización y detalles de la invención se representan en los dibujos y se describen a continuación. Muestran: Figura 1 una vista en alzado lateral combinada así como una sección longitudinal a través de la boquilla del soplete para flamear de conformidad con la invención, Figura 2 una vista en planta superior sobre la boquilla, y Figura 3a a 3d en cada caso secciones transversales a través de la abertura central de alimentación de gas con diferentes formas de flujo de gas. La pieza central del soplete para flamear de conformidad con la figura 1 y 2 es una boquilla 10 dispuesta en una cabeza, la cual además de canales 11 de alimentación de gas que se disponen en forma de anillo comprende una abertura 12 central de alimentación de gas. En el caso presente y de la manera que en lo individual se desprende de la figura 2, las aberturas 111 y 112 de entrada de gas se encuentran en cada caso sobre anillos que se extienden concéntricos alrededor de la abertura 12 de alimentación de gas. La distancia angular a se determina mediante el número n con relación a 360/n. En el caso
presente los canales 111 y 112 de alimentación de gas conducen a un canal 11 de alimentación de gas anular, como se aprecia en la figura 1. Los canales 112, 111 y 11 conducen gas combustible o una mezcla de oxígeno y un gas combustible, en tanto que el canal 12 central de alimentación de gas está previsto para el transporte de oxígeno . Sobre la longitud L total representada, la abertura 12 de alimentación de gas central se subdivide en varias secciones Lx, L2, L , L3 y LK y L1# L0 y LK, siendo que las secciones mencionadas al último tienen una importancia particular. La sección Li de entrada de gas corresponde a la sección de entrada que se usa en las boquillas conocidas de acuerdo al estado de la técnica. Sin embargo es en cambio novedosa una forma a manera de boquilla de laval del primer canal 12 de alimentación central, el cual se extiende por la longitud Lc. Esta forma de boquilla es determinada por una sección en la que el diámetro interno de la boquilla se reduce a un diámetro dmin mínimo crítico que se mantiene sobre una longitud L4 (ver también figura 3) . En la región que en la dirección 13 de flujo de gas se encuentra corriente abajo se ensancha continuamente la camisa interior de la abertura 12 de alimentación de gas hasta un diámetro dK mayor (ver figura 3) que se conserva hasta el final de la boquilla sobre una longitud Lk
restante. En los ejemplos de realización concretos se seleccionaron las dimensiones siguientes: Lx = 43 mm, L2 = 10 mm, L3 = 25 mm, L4 = 2 mm y Lk = 72 mm. En tanto que Li, L2, L3 y L4 se mantienen sin variación a presiones dadas de oxígeno y gas combustible, la longitud Lk también se puede cambiar a 65 mm ó 25 mm. En la figura 3 únicamente se dibujan vistas en sección transversal de la abertura central de alimentación de gas en la sección equipada a manera de boquilla de laval y en la sección de estabilización. El oxígeno gaseoso que afluye a la sección de tipo de laval tiene una presión P0 y una temperatura T0. A la salida de esta sección de tipo de laval, es decir, al final de la sección de longitud Lc la presión es PA. La primera sección de la boquilla que converge en forma cónica está designada con 121, la siguiente sección cónicamente divergente de la boquilla con 122, siendo que finalmente la sección con diámetro constante tiene en cambio el símbolo de referencia 123, y tiene una figura de acuerdo a la figura 3. Las figuras 3a a 3d muestran diferentes pulsaciones de gas que aparecen como ondas longitudinales en función de la presión p0 de entrada, en las que alternan presiones más altas y más bajas. Se puede apreciar además que en función de la presión p0 de entrada elegida también se entalla más o menos el flujo de oxígeno gaseoso central que está rodeado
de un flujo de gas combustible periférico. La longitud LK define en que medida es posible estabilizar el flujo de oxigeno pulsante. El soplete para flamear de conformidad con la invención se puede configurar tanto como aparato manual como también como máquina de flamear automática. Las presiones utilizadas con las que se conduce el oxigeno gaseoso al interior de la abertura central se encuentran entre 5 y 20 bar. El gas natural utilizado como gas combustible está constituido sustancialmente de metano, se suministra a una presión de 1 a 5 bar. El metano que se mezcla con el oxigeno alimentado a través de la entrada 112 de la boquilla se alimenta mediante la entrada 111 de la boquilla, de manera que por la abertura 11 anular fluye periféricamente una mezcla de oxigeno-metano hacia el extremo de salida de la boquilla. La velocidad que se quiere obtener con la presión de suministro de la corriente de oxigeno mencionada a la tubería 112 central se debe encontrar en la región supersónica y ser de hasta 2 mach a los valores preestablecidos de la presión de oxigeno y del gas combustible. En pruebas con sopletes para flamear se obtuvieron los resultados siguientes: Para flamear un lingote se utilizó primero un primer soplete de flamear que tenía una boquilla
convencional conocida de acuerdo al estado de la técnica. Por la boquilla central se introdujo oxigeno a una presión de aproximadamente 12 x 105Pa y por las boquillas de disposición periférica gas combustible a una presión de 2 x 105Pa. A continuación se utilizó un soplete para flamear que tenía una boquilla de conformidad con la invención. A consecuencia de los impulsos de presión que se produjeron la repulsión se volvió tan grande que fue imposible llevar a cabo un flameado a mano a una presión de oxigeno de 12 x 105Pa. Por este motivo la presión de oxigeno se redujo a 8 x 105Pa, siendo que en cambio la presión del gas combustible se mantuvo sin variación. Sorprendentemente durante los trabajos de flameado se consumieron en el primer caso cantidades de oxigeno que se encontraron entre los 370 y 390 m3. Para los mismos trabajos de flameado únicamente se requirieron 90 a 100 m3 utilizando la boquilla de conformidad con la invención, lo que aclara que se puede obtener un enorme ahorro de oxigeno gaseoso.