DD294550A5 - Duesensystem fuer lichtbogentrennbrenner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Duesensystem fuer Lichtbogentrennbrenner mit aus dem Duesensystem herausragender Elektrode und in einem Mantelgasstrahl zugefuehrten aktiven Gas, der zum thermischen Trennen elektrisch leitfaehiger Materialien angewendet wird. Das Duesensystem besteht aus einem Duesenstock, einer in diesem gehalterten Stromkontaktduese und einer den Duesenstock und die Stromkontaktduese unter Bildung eines Ringkanals koaxial umschlieszenden Ringduese. Zur Erhoehung der Trennleistung des Lichtbogentrennbrenners ist die Stromkontaktduese (2) angeschraegt, der Ringkanal (4) in dem dieser Anschraegung vorgelagerten Bereich zu einem Ringspalt (7) stark eingeengt und in seinem uebrigen Bereich mit mindestens einer Querschnittsverringerung versehen, wobei der Stroemungsquerschnitt in diesem Bereich kleiner ist als der der Zuleitung des aktiven Gases und groeszer als der des Ringspaltes * Das aktive Gas stroemt mit so hoher Geschwindigkeit aus dem Ringspalt * dasz der Mantelgasstrahl die Elektrode ueber eine verhaeltnismaeszig lange Strecke koaxial umgibt und erst innerhalb der Schnittfuge divergiert. Fig. 1{Duesensystem; Lichtbogentrennbrenner; Elektrode; Gas, aktives; Trennen, thermisch; Stromkontaktduese; Duesenstock; Ringduese; Ringkanal}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Düsensystem für Lichtbogentrennbrenner mit aus dem Düsensystem herausragender Elektrode und in einem Mantelgasstrahl zugeführtem aktiven Gas, der zum thermischen Trennen elektrisch leitfähiger Materialien angewendet wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zum rationellen Schneiden₍insbesnndere von hochlegierten Stählen wie CrNi-Stählen, von Aluminium, Kupfer und deren Legierungen hat man bereits Lichtbogentrennbrenner mit kontinuierlich abschmelzender Elektrode verwendet, bei denen als aktives Gas Sauerstoff über ein spezielles Düsensystem des Brenners der Schnittfuge zi geführt wird. Zur Verhinderung des Zurückbrennens des aktiven Gases in den Brenner weist die innerhalb der Zentralgasdüse für den absperrbaren Zentralgasstrahl angeordnete Stromkontaktdüse für den Schweißdraht eine konkave Mantelfläche und ein konkaves Mundstück auf. Der Spalt zwischen der Wandung der Zentralgasdüse und der konkaven Mantelfläche der Stromkontaktdüse bildet damit den konvergenten Kanal einer ringförmigen Lavaldüse (DD-PS 226803). Diese besondere Ausbildung der Zentralgasdüse bewirkt eine deutliche Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit des Zentralgases. Die damit verbundene Injektorwirkung verhindert das Eindringen von Gas über die Bohrung der Stromkontaktdüse in die Schweißdrahtzuführung und bewirkt überdies die Zumischung von den Brennprozeß beeinflussenden Stoffen innerhalb der Zentralgasdüse. Die erhöhte Ausströmgeschwindigkeit des aktiven Gases erhöht darüber hinaus die Brenntemperatur und damit die Trennleistung. Dieser technischen Lösung haften jedoch noch wesentliche Nachteile an. Die aus diesen Schneiddüsen austretenden Schneidstrahlen entspannen bereits an der Düsenmündung unter einem halben öffnungswinkel von größer als 6°, so daß der so erzeugte turbulente Freistrahl sehr schnell an kinetischer Energie verliert. Dadurch wird die Schnittfuge verhältnismäßig breit, und ein erheblicher Anteil der Schneidleistung wird beim Aufschmelzen von Werkstoff senkrecht zur Schnittfuge, also in Breitenrichtung, was für den Trennprozeß selbst nicht erforderlich ist, verbraucht. Durch das sofortige keglige Entspannen des turbulenten ' Freistrahls an der Düsenmündung geht diezuvor im Düsensystem erreichte erhöhte Austrittsgeschwindigkeit rasch verloi en, so daß seine Blasleistung für den Transport der auf Grund der breiten Schnittfuge nunmehr erhöhten Schlackeanteile nicht mehr ausreichend ist.

Zum Schneiden von Grobblech muß deshalb die Arbeitsspannung erhöht werden. Das ist jedoch bei Handschnitten, bei denen ein Berührungskontakt des Schweißers zum zu trennenden Werkstück möglich ist, aus sicherheitstechnischen Gründen nicht möglich. Handschneidarbeiten sowie Unter Wasser-Schneidarbeiten bleiben somit auf Blechdicken unterhalb 10mm beschränkt.

Eine Erhöhung der Spannung ist auch zum Ausgleich des Spannungsabfalls, der durch die ungekühlte Stromkontaktdüse bedingt ist, erforderlich.

Ein weiterer Nachteil der breiten Schnittfuyo besteht darin, daß auf Grund des höheren Anteils aufgeschmolzenen Werkstoffes auch dementsprechend größere Mengen Schadstoffe, insbesondere Stickoxide entstehen. Beim Trennen von chromhaltigen Stählen entsteht das hochgiftige Chromoxid.

Mit dem Ziel, den Rücktritt des aktiven Gases zum Beispiel in die Stromkontaktdüse und Führungsspirale der Drahtelektrode auszuschließen und somit ein Festbrennen bzw. Verschmelzen der Elektrode zu verhindern, wurde in dem Verfahren zum thermischen Trennen unter Nutzung des Lichtbogens gemäß DD-PS 216399 im Bereich der Stromkontaktdüsenmündung durch einen Hochgeschwindigkeits- vorzugsweise Überschall-Gasstrahl ein Unterdruckgebiet erzeugt. Um die Leistungsfähigkeit des Lichtbogentrennbrenners hinsichtlich Schneidgeschwindigkeit und Schneiddicke zu erhöhen, wurde die Elektrode außerzentrisch angeordnet. Das bietet die Möglichkeit, energiereichere Gasstrahlen für den exothermen Trennprozeß auszunutzen. Mit dieser technischen Lösung wird zwar eine erhöhte Austrittsgeschwindigkeit des aktiven Gases im Bereich der Mündung der Stromkontaktdüse erreicht, jedoch entspannt der turbulente Freistrahl unmittelbar nach dem Passieren dieses Bereiches der Hunddüse als Kegel, das heißt mit einem halben Öffnungswinkel größer als 6°, so daß auch bei dieser technischen Lösung alle zuvor beschriebenen Nachteile hinsichtlich Schnittfugenverbreiterung und erhöhter Spannung auftreten und somit dieser Trennbrenner in seiner Anwendung eingeschränkt ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Düsensystem für Lichtbogentrennbrenner zu schaffen, das auch ein Trennen dickerer Bleche bei voller Gewährleistung der arbeitsschutzlechnischen Bestimmungen sowie verbesserten Arbeits- und Lebensbedingungen ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Düsensysteme für Lichtbogentrennbrenner mit aus dem Düsensystem herausragender Elektrode, bei denen ein aktives Gas über eine die Stromkotaktdüse umgebende, auch als Schneid- oder Blasdüse bezeichnete Ringdüse dem Prozeßort zugeführt wird, derart zu verändern, daß ohne Erhöhung der üblichen Leerlaufspannung größere Schnittiefen bei gleichzeitig verringerter Schnittfugonbreite erreicht werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stromkontaktdüse an ihrer austrittsseitige Stirnfläche in einem Winkel unterhalb 45° auslaufend zur Elektrode hin angeschrägt ist. In der Praxis wird man zur Reduzierung des Verschleißes an der Austrittsöffnung der Stromkontaktdüse eine kleine ringförmige Stirnfläche beibehalten, d. h. die Anschrägung nicht bis unmittelbar an die Innenbohrung der Stromkontaktdüse führen, was jedoch die Funktion der Erfindung nicht beeinträchtigt. Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal besteht darin, daß der dieser Anschrägung der Stromkontaktdüse unmittelbar vorgelagerte Bereich des Ringkanals zwischen Stromkontaktdüse und Ringdüse eine Querschnittsfläche besitzt, die etwa Ve bis ¹A der Querschnittsfläche der Zuleitung für das aktive Gas beträgt. Die Länge dieses Ringspaltes beträgt etwa das acht- bis zehnfache seiner Breite. Das bedeutet, daß die Innenwandung der Ringdüse über diese Länge parallel zur Mantelfläche der Stromkontaktdüse verläuft. Die Weiterführung der Ringdüse ist beliebig. Sie kann ohne Durchmesseränderung bis zu ihrer Mündung ausgeführt und auch mit ihrer Innenwandung der Anschrägung der Stromkontaktdüse folgen, ohne jedoch den Ringkanal in diesem Bereich noch weiter einzuengen. Entscheidend für die Ausbildung des Freistrahls ist ferner, daß die Ringdüse nicht mehr über die Mündung der Stromkontaktdüse hinausragt als zum Schutz vor mechanischer Beschädigung derselben unbedingt erforderlich ist.

Ein erfindungswesentliches Merkmal besteht ferner darin, daß der dem Ringspalt vorgelagerte Bereich des Ringkanals gegenüber dem Querschnitt der Zufuhrleitung des aktiven Gases mindestens eine Querschnittsverringerung aufweist, wobei der Querschnitt in diesem Bereich des Ringkanals immer noch deutlich größer Ist als der des Ringspaltes. Durch eine vorteilhafte Gestaltung dieses, dem Ringspalt vorgelagerten Bereiches des Strömungskanals für das aktive Gas kann die Austrittsgeschwindigkeit des aktiven Gases aus dem Düsensystem noch weiter erhöht werden. So ist es beispielsweise zweckmäßig, auf dem Strömungsweg von der Zuführung des aktiven Gases zum Ringspalt nicht nur eine, sondern zwei Querschnittsverringerungen vorzusehen. Dabei kann die zweite Querschnittsverringerung gegenüber der ersteren eine absolute Verringerung des Strömungsquerschnittes sein. Es ist aber auch möglich, nach der ersten Querschnittsverringerung einen Bereich mit wieder vergrößertem Strömungsquerschnitt zu realisieren, an den sich die zweite Querschnittsverringerung mit einem Strömungsquerschnitt, der dem der ersten Querschnittsverringerung gleich ist, anschließt. Das hat den Vorteil, daß sich das aktive Gas kurz entspannen und dadurch beruhigen kann, um in dem sich anschließenden engeren Strömungsquerschnitt erneut beschleunigt zu werden, was nunmehr mit geringeren Verlusten als bei der ersten Querschnittsverringerung verbunden sein dürfte.

Die abbn beschriebene Maßnahme hat einen zweiten vorteilhaften Effekt. In dem wieder erweiterten Strömungsbereich des Ringkanals kühlt das aktive Gas ab und kühlt dabei gleichzeitig die Stromkontaktdüse. Aus strömungstechnischer Sicht ist es angebracht, die Übergänge der einzelnen Bereiche mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten so zu gestalten, daß die Strömungsverluste so gering wie möglich sind. Das bedeutet beispielsweise, daß die Flächen, auf die das aktive Gas infolge der Änderungen der Strömungsquerschnitte auftrifft, dieses unter Winkeln kleiner 45° ablenken und die Wandungen des Ringkanals₍ selbst eine gute Oberflächenqualität aufweisen.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird der turbulente Freistrahl des aktiven Gases durch das Wirken radialer Kräfte noch weit über die Ringdüsenmündung hinaus zu einem zylindrischen Strahl fokussiert. Da die Geschwindigkeitsverluste durch Reibung am Elektrodendraht kleiner sind als die infolge Vermischung mit der Umgebungsluft, schmiegt sich der Stra' il quasi an die Drahtelektrode an, gelangt noch als zylindrischer Strahl in die Schnittfuge hinein und kann somit unmittelbar aiu Prozeßort selbst wirken, d. h. zur Eisenverbrennung beitragen und die OxydationspiOdukte ausblasen. Die für dieses Verhalten des

Freistrahls erforderliche Ausgangsgeschwindigkeit von größer als 250m/s wird durch den erfindungsgemäß gestalteten Ringkanal gewährleistet. Untersuchungen zur Sichtbarmachung des zylindrischen Freistrahls zeigten, daß das Gas die Düsenmündung sogar mit Schallgeschwindigkeit verläßt und daß diese hohe Geschwindigkeit noch im oberen Drittel des Schneidspaltes vorherrschend ist.

Die starke zylindrische Fokussierung des Freistrahls bis hinein in die Schnittfuge gewährleistet eine sehr enge und verhältnismäßig saubere Schnittfuge. Die kinetische Energie des aktiven Gases sowie seine Kühlwirkung sind auch noch in tieferen Bereichen des Schneidspaltes wirksam, so daß die Prahtelektrode und der Lichtbogen gekühlt werden. Der gekühlte Lichtbogen kontrahiert, d. h., sein Kern hitzt sich auf und besitzt dadurch eine hohe Durchschlagskraft. Dieser Effekt, der bis zu zwei Drittel der Tiefe d*»r Schnittfuge erkennbar ist, bewirkt im wesentlichen, daß übliche Grobbleche ohne Erhöhung der Spannung getrennt werden können. Die trotz größerer Schnittiefen geringeren Breiten der Schnittfuge, bei Verwendung einer Drahtelektrode von 1,6mm Durchmesser wurde eine durchschnittliche Schnittfugenbreite von 2,2 mm ermittelt, bewirken eine Verringerung der Menge des aufzuschmelzenden Metalls, so daß beim Trennprozeß auch weniger toxische Gase entstehen. Die Verringerung der zum Trennen von Grobblech benötigten Spannung auf die für die Handschnitte gesetzlich vorgeschriebene maximale Spannung ermöglicht die Anwendung der neuen Lichtbogentrennbrenner für manuelle sowie Unterwasserarbeiten und bewirkt gleichzeitig eine deutliche Energieeinsparung.

Ausführungsbelsplel Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Düsensystem ohne Nachformung des Freistrahls und Fig. 2: das Düsensystem mit Nachformung des Freistrahls.

Das in Figur 1 und 2 dargestellte Düsensystem ist ein für Lichtbogentrennbrenner an sich bekanntes Düsensystem. Es besteht aus einem Düsenstock 1, in dem sich eine Stromkontaktdüse 2 befindet, und ist von einer Schneiddüse 3 umgeben, deren Innenwand die äußere Begrenzung eines Ringkanals 4 bildet, während die Außenmäntel von Düsenstück 1 und Stromkontaktdüse 2 seine innere Begrenzung bilden. Über die Stromkontaktdüse wird dem Prozeßort eine Elektrode 5 zugeführt. In dem Düsenstock 1 ist ein Gaskanal 6 eingebracht, der im vorliegenden Beispiel aus strömungstechnischen Gründen schräg in den Ringkanal 4 mündet. Durch diesen strömt das aktive Gas noch weit vor der Mündung der Stromkontaktdüse 2 aus der zentralen Gaszufuhr des Düsenstockes 1 in den Ringkanal 4. Nach einer kurzen, keine Querschnittsänderungen aufweisenden Berührungsstrecke durchströmt das aktive Gas einen Bereich mit einem verringertem Querschnitt, so daß sich seine Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Dieser Teil des Ringkanals 4 ist mit einer Schrägung von 30° zur Vertikalen an die Stromkontaktdüse 2 herangeführt und hat eine Länge, die dem Dreifachen seiner Spaltbreite entspricht. Parallel zur Stromkontaktdüse folgt nun ein Bereich mit einem gegenüber dem vorhergehenden Bereich wieder etwas erweitertem Querschnitt. Seine Länge beträgt im vorliegendem Beispiel das Zweifache seiner Spaltbreite.Bevor der Gasstrahl den engsten Querschnitt vor der Mündung der Stromkontaktdüse passiert, durchströmt er nochmals einen Bereich mit verringertem Querschnitt. Im vorliegenden Beispiel entspricht dieser Querschnitt dem der ersten Einengung des Ringkanals 4. Dieser Teil des Ringkanals4 führt den Gasstrom unter einem Winkel von 30° zur Vertikalen in einen Ringspalt 7, bei dem Stromkontaktdüse 2 und Schneiddüse 3 den geringsten Abstand zueinander innerhalb des Ringkanals 4 aufweisen. Sein Strömungsquerschnitt beträgt hier 3 mm, seine Länge das Zehnfache der Breite des Ringspaltes 7. Der Ringspalt 7 endet unmittelbar durch den Beginn der Schrägung der Stromkontaktdüse 2, die im vorliegenden Beispiel unter einem Winkel von 30° verläuft. Wie aus Figur 1 zu erkennen, ist die Innenwandung der Schneiddüse 3 vertikal weitergeführt, so daß sich der Strömungskanal 4 wieder rasch erweitert. In diesem Bereich verläßt, wie Untersuchungen nachweislich ergeben haben, dieser Gasstrahl die Innenwandung der Schneiddüse 3, schmiegt sich an die Elektrode 5 an und divergiert erst nach 10 bis 15mm nahezu zylinderförmiger Umhüllung der Elektrode 5. Diese Strecke ist ausreichend, um noch in der Schnittfuge einen eng fokussieren Schneidstrahl zu haben.

Figur 2 zeigt, daß auch die Schneiddüse 3 in ihrem Mündungsbereich eine der Stromkontaktdüse 2 nachlaufende Schrägung aufweisen kann, wobei der Winkel dieser Schrägung in jedem Fall kleiner sein muß als der der Stromkontaktdüse 2, so daß der mit hoher Geschwindigkeit aus dem Ringspalt 7 austretende Gasstrahl nicht behindert wird. Entscheidend ist auch, daß die Schneiddüse 3 nur unwesentlich die Mündung der Stromkontaktdüse 2 überragt.

Claims (5)

1. Düsensystem für Lichtbogentrennbrenner mit aus dem Düsensystem herausragender Elektrode und in einem Mantelgasstrahl zugeführten aktiven Gas, wobei das Düsensystem aus einem Düsenstock, einer in diesem gehalterten Stromkontaktdüse und einer den Düsenstock und die Stromkontaktdüse unter Bildung eines Ringkanals koaxial umschließenden Ringdüse besteht, durch den das aktive Gas zum Prozeßort gelangt, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromkontaktdüse (2) an ihrer austrittsseitigen Stirnfläche in einem Winkel unterhalb 45° auslaufend zur Elektrode (5) hin angeschrägt ist, daß der dieser Anschrägung unmittelbar vorgelagerte Bereich des Ringkanals (4) eine Querschnittsfläche besitzt, die etwa Ve bis ¹At der Querschnittsfläche der Zuleitung für das aktive Gas beträgt, wobei die Länge dieses Ringspaltes (7) etwa das 8- bis "lOfache seiner Breite beträgt, daß der Ringkanal (4) in seinem übrigen Bereich gegenüber dem Querschnitt der Zufuhrleitung des aktiven Gases mindestens eine Querschnittsverringerung aufweist, wobei der Querschnitt in diesem Bereich immer noch deutlich größer ist als der des Ringspaltes (7), und daß die Ringdüse (3) nicht bzw. nicht wesentlich über die Stromkontaktdüse (2) hinausragt.

2. Düsensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der ersten Querschnittsverringerung innerhalb des Ringkanals (4) noch vor dem Ringspalt (7) eine zweite Querschnittsverringerung, deren Querschnitt immer noch größer ist als der des Ringspaltes (7), folgt.

3. Düsensystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich zwischen den beiden Querschnittsverringerungen, die dem Ringspalt (7) vorgelagert sind, eine Querschnittserweiterung befindet.

4. Düsensystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Bereiche der Querschnittsverringerungen des Ringkanals (4) vor und nach der Querschnittserweiterung einen gleichen Querschnitt aufweisen.

5. Düsensystem nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen des Ringkanals (4), auf die das aktive Gas infolge der Änderung der Strömungsquerschnitte auftrifft, unter einem Winkel größer 135° zueinander verlaufen.

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