DE102006034014A1

DE102006034014A1 - Flämmbrenner und Verfahren zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche

Info

Publication number: DE102006034014A1
Application number: DE102006034014A
Authority: DE
Inventors: Egon Evertz; Ralf Dipl.-Ing. Evertz; Stefan Dipl.-Oec. Evertz
Original assignee: Egon Evertz KG GmbH and Co
Current assignee: Egon Evertz KG GmbH and Co
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-07-22
Publication date: 2007-10-31
Also published as: BRPI0715425A2; CN101460780A; EP2044366A1; MX2009000447A; EA012772B1; KR20090037894A; WO2008011851A1; JP2009544925A; US20090214990A1; EA200802429A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flämmbrenner mit einer in einem Kopf angeordneten Düse 10, die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen eine zentrale Gaszufuhröffnung aufweist, die einen laval-düsenartigen Bereich und einen sich hieran in Strömungsrichtung anschließenden Stabilisierungsbereich mit gleich bleibendem Durchmesser aufweist. Zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche wird das durch eine zentrale Düse eines Flämmbrenners geführte Sauerstoffgas so zum Schwingen angeregt, dass sich ein die Düsenmündung verlassender pulsierender Sauerstoffstrom mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flämmbrenner mit einer in einem Kopf angeordneten Düse, die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen eine zentrale Gaszufuhröffnung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Brennflämmen einer metallischen Oberfläche mittels des genannten Flämmbrenners.
In den genannten Flämmbrennern 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 Bärte, 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 Flämrnbrenner 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 aufeinander folgen, 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 = p₀/p_u liegt vorzugsweise zwischen 1 und 200, wohingegen das Verhältnis des Sauerstoffdruckes p_a an der Düsenaustrittsfläche zum Umgebungsdruck p_u zwischen 0,1 bis 100 liegt.
Weitere Ausführungsvarianten und Details der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden beschrieben. Es zeigen:
1 eine kombinierte Seitenansicht sowie einen Längsschnitt durch die Düse des erfindungsgemäßen Flämmbrenners,
2 eine Draufsicht auf die Düse und
3a bis 3d jeweils Querschnitte durch die zentrale Gaszufuhröffnung mit unterschiedlichen Gastrom-Formen.
Kernstück des Flämmbrenners nach 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 2 zu entnehmen, liegen die Gaseintrittsöffnungen 111 und 112 jeweils auf Ringen, die sich konzentrisch um die Gaszufuhröffnung 12 erstrecken. Der Winkelabstand α wird durch die Anzahl n zu 360/n bestimmt. Im vorliegenden Fall führen Gaszufuhrkanäle 111 und 112 zu einem ringförmigen Gaszufuhrkanal 11, wie dies 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 L₁, L₂, L₄, L₃ und L_K bzw. L₁, L_c und L_K, wovon die letztgenannten Bereiche von besonderer Bedeutung sind. Der Gaseintrittsbereich L₁ 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 L_c erstreckt. Diese Düsenform wird bestimmt durch einen Bereich, in dem sich der Düseninnendurchmesser bis auf einen minimalen kritischen Durchmesser d_min, der über eine Länge L₄ beibehalten wird (siehe auch 3). In dem in Gasströmrichtung 13 sich anschließenden Bereich erweitert sich der Innenmantel der Gaszufuhröffnung 12 kontinuierlich bis zu einem größeren Durchmesser d_K (siehe 3) der bis zum Ende der Düse über eine Restlänge L_k aufrechterhalten bleibt. In konkreten Ausführungsbeispielen sind folgende Maße gewählt worden: L₁ = 43 mm, L₂ = 10 mm, L₃ = 25 mm, L₄ = 2 mm und L_k = 72 mm. Während L₁, L₂, L₃ und L₄ bei gegebenen Sauerstoff und Brenngasdrucken unverändert bleiben, kann die Länge L_k auch zu 65 mm oder 25 mm verändert werden.
In 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 P₀ und eine Temperatur T₀. Am Ausgang dieses lavalartigen Bereichs, d. h. am Ende des Längenbereiches L_c beträgt der Druck P_A. 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 3 zeigt.
Fig. a bis d zeigen je nach Eingangsdruck p₀ unterschiedliche Gas-Pulsationen die als Längswellen erscheinen, in denen sich höhere und niedrigere Drucke abwechseln. Erkennbar ist weiterhin, dass je nach dem gewählten Eingangsdruck p₀ auch der zentrale Sauerstoffgasstrom, der von einem peripheren Brenngasstrom umgeben ist, enger oder weiter eingeschnürt wird. Die Länge L_K 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.

Claims

Flämmbrenner mit einer in einem Kopf angeordneten Düse (10), die neben ringförmig angeordneten Gaszufuhrkanälen (11, 111, 112) eine zentrale Gaszufuhröffnung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Gaszufuhröffnung (3) in Strömungsrichtung (13) unmittelbar aufeinander folgende Bereiche hat, nämlich a) einen ersten sich bis auf einen minimalen Innendurchmesser (d_min) verjüngenden Bereich (121), b) einen zweiten Bereich (122), in dem sich der Innenmantel bis auf einen gegenüber dem genannten minimalen Durchmesser (d_min) größeren Durchmesser (d_k) erweitert und c) einen dritten bis zur Düsenmündung reichenden Bereich (123) mit gleich bleibendem Querschnittsprofil, vorzugsweise gleich bleibendem zylinderförmigen Innendurchmesser.
Flämmbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L₂ des ersten Bereiches (121) kleiner ist als die Länge L₃ des zweiten Bereichs (122).
Flämmbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d_K des dritten Bereiches (123) kleiner als der maximale Ausgangsdurchmesser eingangs des ersten Bereiches (121) ist.
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.
Flämmbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfrequenz am Düsenaustrittsende bei 100 bis 650 Hz liegt.
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.
Flämmbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Gaszufuhröffnung (12) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Flämmbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (10) flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt ist.
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.
Verfahren zum Brennflämmen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgasstrom in einen zentralen Strom und periphere Ströme aufgeteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Sauerstoffdruck vor der zentralen Düse zum Umgebungsdruck N = p₀/p_u zwischen 1 und 200 liegt, wohingegen das Verhältnis des Sauerstoffdruckes p_a an der Düsenaustrittsfläche zum Umgebungsdruck p_u zwischen 0,1 bis 100 liegt.