DE2018044A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Flammen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum FlammenInfo
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Description
Die Erfindung befaßt eich mit dem Flämmen von Werkstücken aus
Eisenmetallen mit Hilfe von Flämmeinheiten, die Uorvärmflammen
liefern, die durch die Verbrennung eines außerhalb der Brenner gebildeten Gemische von Sauerstoff und Brenngas erhalten werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Flämmen, bei denen die zur Einleitung des Flamm»
Vorganges erforderliche Zeitspanne und damit die Zeit erheblich
verkürzt wird, die für die Durchführung des gesamten Flämmpro-ΖΘ8888
auf dem Werkstück benötigt wird. Das Verfahren und die
Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich zum Flämmen sowohl
von warmen als auch von kalten metallischen Werkstücken, j
Bsi dem gegenwärtig üblichen, mit Nachvermischung arbeitenden
FlännnprozeÖ wird ein» Flämmreaktiofi dadurch verursacht, daß
zunächst die Temperatur der zu flammenden (fietalloberflache auf
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BAD ORIGINAL
die Zündtemperatur des metalles in einer Sauerstoffatmosphäre
erhöht uiird. Diese Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt des
metalles in Luft liegen kann, wird als Reaktionstemperatur bezeichnet.
Wenn die Reaktionstemperatur bei Vorhandensein eines hohen Anteils an Sauerstoff erreicht ist, wird ein Bad aus geschmolzenem
ll/erkstoff gebildet. Durch die Kraft eines auf das
Schmelzbad auftreffenden Sauerstoffstromes wird dieser Werkstoff
beseitigt, d.h. uiird die thermochemische Flämmoperation
zum Ablauf gebracht. ITIit anderen Worten, um die Flämmoperation
einzuleiten, muß sin Schmelzbad gafoildat (»erden, bevor der
fortschreitende Abtrag von isfeall durch den raschen Flämmsauerstoffstrom
stattfinden kann.
Ein vollständiger Flämmzyklus besteht aus vier Schritten. In
einem ersten Schritt uiird das Werkstück so positioniert, daß es mit der Flämmaschine ausgerichtet ist. In dem zweiten Schritt
werden die Flämmeinheiten entweder automatisch oder von Hand
um alle Seiten des Werkstückes herum geschlossen, die geflammt
werden sollen. In dem dritten Schritt wird für ein Vorwärmen des Werkstückes mittels Brennstoff-Sauerstoff-Vorwärmflammen
gesorgt, wobei ein Bad aus geschmolzenem metall in Gegenwart von Sauerstoff gebildet wird. In dem vierten Schritt
wird die Flämmoperation als solche vorgenommen, indem der Fla'mmsauerstoffstrom eingeschaltet wird. Wenn beispielsweise
eine 9 m lange Bramme bei 1093° C geflammt wird, erfordert das
Positionieren ungefähr 3 Sekunden, das Schließen ungefähr 5 Sekunden, das Vorwärmen ungefähr 10 Sekunden und das Flämmen
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der Bramme auf voller Länge ungefähr 20 Sekunden. Für den
gesamten Flämmzyklue sind also bei der 9 m langen Bramme näherungsweise 3Θ Sekunden erforderlich.
Die für einen vollständigen Flämmzyklus aufzuwendende Zeitspanne
ergibt eine Flämmgeschwindigkeit, die in einigen Fällen
unter der Geschwindigkeit liegt, mit der Stahl in einem herkömmlichen Walzwerk gewalzt wird. Es ist infolgedessen erwünscht,
die für die Durchführung eines Flämmzyklua erforderliche Zeitspanne herabzusetzen, damit die Flämmoperation
mit der Produktionsgeschwindigkeit des Walzwerkes Schritt halten kann. Es versteht sich, daQ die Verringerung der Flämmdauer
erzielt werden kann, indem die Zeitspanne herabgedrückt wird, die für einen der oben erwähnten vier Schritte erforderlich
ist, die während eine· vollständigen Flämmzyklus erfolgen müssen. Da das Positionieren und Schließen insgesamt nur ungefähr
θ Sekunden erfordern, ist die bei diesen beiden Schritten erzielbare Verbesserung vergleichsweise gering. Für die Erhöhung
der Flämngeschwindlgkeit bieten eich infolgedessen der
Vorwärmvorgang und/oder der eigentliche Flämmvorgang an.
Die scheinbar einfache Maßnahme, die Durchflußmengen von Brennstoff
und Sauerstoff zu erhöhen, um die Vorwarnzeit herabzusetzen und die Flämmgeschwindigkeit zu vergrößern, führt nicht
zum Ziel, weil bei einen nit Nachvermischung arbeitenden System ,die überschüssigen Mengen an Sauerstoff und Brennstoff nicht
wirksam gemischt und verbrennt werden können.
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Zur Lösung dieses Problems geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum thermochemiechen Flämmen von Werkstücken aus
Eisenmetallen, bei dem eine quer über die Werkstückoberfläche
reichende Zone mittels Flammen vorgewärmt wird, die durch die Verbrennung eines Brenngases erzeugt u/erden, das mindestens in
den oberen Teil eines mit verhältnismäßig niedriger Durchflußmenge gegen die Werkstückoberfläche gerichteten, flächigen
Flämmsauerstoffstromes hineingeleitet wird, wodurch ein quer
über die Werkstückoberfläche verlaufendes Bad aus geschmolzenem ffletall gebildet wird, bei dem ferner der Flämmsauerstoffstrom
mit einer größeren Durchflußmenge gegen das Schmelzbad gerichtet
wird, wodurch das geschmolzene Metall auseinandergetrieben wird, und bei dem für eine Relativbewegung zwischen
dem Sauerstoffstrom und dem Werkstück in Flämmrichtung gesorgt
wird. Erfindungsgemäß wird, während der Flämmsauerstoffstrom
mit der verhältnismäßig niedrigeren Durchflußmenge strömt, ein
zusätzlicher flächiger Sauerstoffstrom von oberhalb der Vorwärmflammen
aus derart gegen die Zone gerichtet, auf die der Flämmeauerstoffstrom auftrifft, wenn er mit der höheren Geschwindigkeit
strömt.
Die Erfindung hat farner «in· zur Durchführung eines solchen
Verfahrene geeignete Vorrichtung mit einer Flämmeinheit und
einer Vorschubeinrichtung zum Gegenstand, die für eine Relativbewegung zwischen der Flämmeinheit und dem zu flammenden Werkstück
in der Flämmrichtung sorgt, bei der die Flümmeinhsit
einen schlitzförmigen Sauerstoffauelaßkanal und eine Reihe von
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Brenngasauslaßkanälen aufweist, die mindestens entlang der Oberseite des Sauerstoffauslaßkanals angeordnet und in spitzem
!Kinkel gegen die Zone gerichtet sind, die sich quer über die
prajizierte Ebene des Sauerstoffauslaßkanals erstreckt. Die
Flämmeinheit einer derartigen Vorrichtung ist erfindungsgemäß
mit einer Reihe von zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanälen versehen,
die über der Reihe der Brenngasauslaßkanäle liegen und ebenfalls in einem spitzen Winkel gegen die prajizierte Ebene
des schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanals gerichtet sind.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Seitenansicht einer Flämmeinheit nach der Erfindung, die mit einer Reihe von Fangsauerstofföffnungen
versehen ist, die sich im oberen Voreärmblock
oberhalb der Vorwärmbrenngasöffnungen befinden,
Figur 2 eine Ansicht der Flämmeinheit nach Figur 1 von vorne und
Figur 3 »int grafische Darstellung, in der die Uorvärmzeiten,
die bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Fang-•auerstoffetromes
erhalten «erden, den Vortuärmzeiten
einer Flämmeinheit ohne einen derartigen Fangaaueretoffstrom gegenübergestellt sind.
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Bei den bekannten Flämmv/erfahren und -vorrichtungen uierden zur
Erzielung einer größtmöglichen Wärmezufuhr zum Werkstück im Bereich der Reaktionszone der obere und der untere Voriuärmbrenngasstrom
11 und 12 (Figur 1) ebenso wie der aus dem fflittelschlitz
8 austretende Flämmsauerstoffstrom 9 in der Weise
gerichtet, daß ihre geradlinigen Projektionen sich an der Stelle A auf der Oberfläche des Werkstückes UJ treffen. Wegen
der aerodynamischen Eigenschaften des Systems, die auf das
Strömen von heißen reagierenden Gasen und die Kühlivirkung des umgebenden Bereiches souiie auf den dusch die rasch strömenden
Gase bewirkten Druckabfall zurückzuführen sind, bildet sich
jedoch das Schmelzbad 20 nicht an der Stelle A sondern bezogen auf die Flämmrichtung mehrere Zentimeter dahinter an der Stelle
B. Bei dem bekannten l/erfahren war es infolgedessen notwendig,
die Flamme inhalt oder das Werkstück mehrere Zentimeter zurückzufahren,
bevor der Flämmsauerstoffstrom eingeschaltet wurde,
damit der Flämmsauerstoffstrom dann auf das Schmelzbad und
nicht auf sine davor liegend· Stelle traf. Dieses Zurückstellen der Flämmeinheit oder des Werkstückes zwischen dem Vorwärmen
und dem Einleiten der Flämmreaktion war zum Teil für die große Zeitdauer verantwortlich, die das Vorwärmen erforderte.
Der erfindungegemäG oberhalb der Vorwärmbrenngasströme ausgebildete
Flächige Sauerstoffstrom oder -vorhang 180t einen keilförmigen
Raum zwischen eich und der Oberfläche des gerade geflammten Werkstückteile entstehen. Der Sauerstoffvorhang wird
durch dee Zusammenströmen von mehreren Sauerstoffströmen ge-
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bildet, die aus einer Reihe von Saueratofföffnungen 23 austreten,
die Über den Vorwärmbrenngasöffnungen 15 des oberen
Vorwärmblockes liegen. Rasch strömendes Brenngas, das sowohl vom oberen als auch vom unteren Vorwärmblock 1 bzw. 2 in diesen
Raum gerichtet wird, wird dort gefangen und infolgedessen gezwungen, sich mit dem aus dem durchgehenden Schlitz θ austretenden
Sauerstoffstrom 9 innig zu vermischen. Dies erlaubt
eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich der Vorwärazeitdauer
durch Steigerung der Mengen an Brennstoff und Sauerstoff, die zwecks Verbrennung einwandfrei gemischt werden können,
während der Ort dee Schmelzbades genau an der gewünschten Stelle festgehalten wird.
Oer Sauerstoffvorhang hat eine zweifache Wirkung. Zum einen
wirkt er als physikalische Sperre, die den Brennstoff zwecke
wirksamer mischung mit dem Sauerstoff einfängt oder festhält; zum anderen gestattet er infolge der verbesserten Durchmischung
von Brennstoff und Sauerstoff eine Erhöhung der Gesamtmenge des brennbaren Gemisches, so daß eine heißere Flamme erzeugt wird.
Die Kombination dieser beiden Effekte verbessert den Wärmeübergang
auf das ferkstück und die tUBrmekonzentration an einer
bestimmten Stelle.
Eine unerwartete, jedoch sehr vorteilhafte Folge der erfindungs·
gemäßen maßnahmen besteht darin, daß dae Schmelzbad nicht an
•der Stelle B hinter der Stelle A sondern an einer Stelle C vor
der Stelle A gebildet wird. Veil diese Stelle C unmittelbar
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vor der geradlinigen Projektion des Flämmsauerstoffstromes 9
liegt, ist ein Zurückstellen des Werkstückes oder der Flämmeinheit
vor dem Einschalten des Schneidsauerstoffstromes nicht
mehr erforderlich. Dies hat seinerseits einen zusätzlichen
günstigen Einfluß auf die Voruiärmgeschwindigkeit.
lüie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, besteht die Flämmeinheit
aus dem oberen Vorwärmblock 1, dem unteren Vorwärmblock 2, einem Kopf 3 und einem Unterteil 4, das auf Kufen 5 läuft.
Die Unterseite 6 des oberen Vorwärmblacks 1 und die Oberseite 7 des unteren Vorwärmbldcks 2 bilden den durchgehenden schlitzförmigen
Kanal 8 für den Sauerstoffstrom 9. Das hintere Ende 10 des Sauerstoffkanals θ steht mit einer nicht veranschaulichten
Sauerstoffquelle In Verbindung. Während des Voruiärmens
liefert der Kanal 8 den Sauerstoff für die Verbrennung des oberen und des unteren Vorwärmbrenngasstromes 11 bzw. 12.
Nachdem das Schmelzbad 13 gebildet ist, wird die Sauerstoffdurchflußmenge
im Strom 9 so weit erhöht, daß ausreichend Sauerstoff für die Flämmoperatlon zur Verfügung steht. Der
obere Vorwärmblock 1 ist mit mehreren Vorwärmbrenngaskanälen
14 ausgestattet, die an der vorderen Stirnfläche des Vorwärmblocks 1 in einer Reihe von Brenngasöffnungen 15 enden.
Die Caekanäle 14 stehen mit einer Brenngasaamtnelleitung 24 im
Kopf 3 in Verbindung und werden von dort aus mit Brenngas gespeist.
Als Brenngas wird vorzugsweise Erdgas verwendet, doch
können auch andere Brenngase benutzt werden, beispielsweise fflethan, Propen oder Kokeofenga·. Der untere Vorwärmblock 2
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meist mehrere Brenngaskanäle 17 auf, die mit s.iner Sammelleitung
18 im Kopf 3 verbunden sind und von dort mit Brenngas
v/ersorgt u/erden. Die Kanäle 17 enden an der vorderen
Stirnfläche des unteren Voriuärmblocks 2 in einer Reihe von unteren Voriuärmbrenngasöff nungen 19. Sowohl die oberen Voru/ärmbrenngasöff
nungen 15 als auch die unteren Voruiärmbrenngasöffnungen
19 sind derart gerichtet, daß sich die geradlinigen Projektionen der aus ihnen austretenden Gasströme 11
und 12 mit der geradlinigen Projektion des flächigen Sauerstoffstromes 9 an der Stelle A auf der Oberfläche des metallischen
Werkstückes Ul treffen. Infolge des oben erläuterten aerodynamischen Einflusses der heißen Gasströme uiird bei
den bekannten Verfahren, d.h. ohne Verwendung des Fangsauerstoff
stromes 21, das Schmelzbad 20 an der Stelle B auf der Oberfläche des Werkstückes Ul gebildet.
Erfindungsgemäß ist der obere Vortuärmblock 1 mit mehreren
Sauerstoffkanälen 22 ausgestattet, die an der vorderen Stirnfläche
des Voruiärmblockes in einer Reihe von Fangsauerstofföffnungen
23 enden. Sauerstoff wird deji Kanälen 22 von einer
SauerstoffSammelleitung 16 im Kopf 3 aus zugeführt. Die aus
den öffnungen 23 auatretenden Fangaaueratoffttröme 21 sind
ebenfalls so gerichtet, daß al» mit den Brenngasatromprojektionen
11 und 12 und der Sauerstoffatromprojektlon 9 an dar
Stelle A zusammentreffen. Dar von dan Fangaauaretoffströmen
21 gebildete Sauerstoffvorhang begrenzt»lachen sich und dir
Oberfläche dea Werkstückes Ut ainen keilförmigen Raum, inner-
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- ίο -
halb dessen dia Vorwarmgasströme 11 und 12 und dar Sauerstaffstrom
"9 gehalten werden. Ufegan dar aerodynamischen Eigenschaften des Systems folgen die Brenngasströme und dar
mit Vorwärmdurchflußmenge zugeleitete Sauerstoffstrom nicht
den geradlinigen Projektionen 9, 11, 12 und 21 sondern einer
Bahn, die durch die Strömungslinien F angedeutet ist. U/enn
folglich die Flämmreaktion beginnen soll, nachdem das Schmelzbad 13 an der Stelle C gebildet wurde, uiird die Durchflußmenge
des Sauerstoffstromes 9 einfach auf die für dae Flämmen
erforderliche Durchfluömsngs gesteigert, uiodurch der
Sauerstoffstrom im mssantlichsn die Richtung der geradlinigen
Projektion 9 annimmt. Dann wird das Werkstück UJ nach rechts in Bewegung gesetzt, wie dies durch den Pfeil angedeutet
ist, ohne daG da,s Werkstück oder die Flämmeinheit zurückgestellt
werden müssen. Letzteres wäre erforderlich, wenn das Schmelzbad an der Stelle B gebildet «orden wäre, damit
die Flämmoperation in der U/eise beginnen kann, daß der Flämmaauerstoffstrom
9 auf das Schmelzbad trifft. Nachdem das Vorwärmen abgeschlossen und die Flämraoperation eingeleitet ist,
kann der Fangaauerstoffstrom eingeschaltet bleiben, vollständig
abgeschaltet «erden oder auf einen geringen Ufert abgesenkt »erden, um zu verhindern, daß die Öffnungen 23 durch
achmelzflüesige IUeta11- und Schlackespritzer verstopft »erden.
Dadurch, daß der, Fangsaueratoff »ährend das FlMmmans
auf voller Durchflußmeng· gehalten wurde, ließen sich kein·
vorteilhaften Wirkungen erzielen.
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In der grafischen Darstellung nach Figur 3 ist die Vorwärmzeit
bei Verwendung einer bekannten, mit Nachvermischung arbeitenden Brennstoff-Sauerstoff-Flämmeinheit der Vorwärmdauer
gegenübergestellt, die erhalten uiird, uienn die Flämmeinheit erfindungsgemäß über den oberen Voruiärmbrenngasöffnungen
eine Reihe von Fangsauerstofföffnungen besitzt,
mittels deren der Sauerstoff vorhang nach der Erfindung gebildet wird. Die DurchfluQmengen an Voruiärmbrenngas (Erdgas)
lagen in beiden Fällen bei ungefähr 99 m /h. Auch die Gesamtmenge an Sauerstoff stimmte in beiden Fällen überein;
sie betrug ungefähr 212 m /h. Die Verteilung des Sauerstoffes mar jedoch unterschiedlich. Bei der bekannten Flämmelnheit
strömte der gesamte Sauerstoff durch den tüittelschlitz
aus, mährend im Falle der Flämmeinheit nach der Erfindung
ungefähr die Hälfte des Sauerstoffes aus dem mittelschlitz und die andere Hälfte aus den Fangsaueratofföffnungen ausströmte.
Die grafische Darstellung läßt erkennen, daß die Voraärmdauer von der Temperatur der Stahleerkstückoberflache
abhängt und daß die Vorwärmdauer umso kurzer «ird, je heißer
die Werkstückoberfläche ist. Di· Kurve X zeigt die Ergebnisse
bei Verwendung einer Flämmeinheit nach der Erfindung, eährend die Kurve Y die Ergebniese bei Verwendung einer herkömmlichen
bekannten Flämmeinheit mit Nachvermischung veranschaulicht. Aus einem Vergleich der Kurven X und Y folgt, daß bei
einer Ulerkstückanfangstenjparatur von 1093° C nur ungefähr
3 Sekunden erforderlich aaren, um das Werkstück mittels der
Flämmeinheit nach der Erfindung auf die Reaktionstemperatur
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vorzuwärmen, nährend das Vorwärmen des Werkstückes mit der
bekannten Flämmeinheit 10 Sekunden erforderte. Dies stellt
eine Verkürzung von ungefähr 7 Sekunden oder eine mehr als drtifache Verbesserung dar. Ein ähnliches Ergebnis kann bei
einer Ulerketückanfangstemperatur von 816 C beobachtet werden,
wo das erfindungegemäQe Vorwärmen ungefähr 5 Sekunden
erforderte, während mit der bekannten Flämmeinheit ungefähr 27 Sekunden notwendig waren.
Die Bedeutung der erfindungsgemäß erzielten kürzeren Vorwärmdauer
besteht darin, daß beispielsweise durch eine Verkürzung der Vorwärmzeit für einen Knüppel von 1093° C um
ungefähr 7 Sekunden der Flämmzyklus, der nach den obigen Feststellungen 38 Sekunden erforderte, auf ungefähr 30 Sekunden
verkürzt wird. Dies stellt bezogen auf den Flämmzyklus eine Verbesserung von mehr als 20 % dar, was dafür ausreicht,
daß die Flämmaschine mit einer höheren Produktionsgeschwindigkeit
Schritt halten kann, als dies bisher möglich war. Zusätzlich zu der aus Figur 3 zu entnehmenden Verkürzung
der Vorwärmdauer wird mit der Erfindung eine «eitere Herabsetzung
der Vorwärmztit dadurch erzielt, daß das Werkstück
oder die Fl&mmeinheit vor dem Beginn der Flämmoperation nicht
mehr zurückgestellt «erden muß.
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Claims (1)
- Ansprüche( 1 .^Verfahren zum thermochemischen Flämmen von Werkstücken aus Eisanmstallen, bei dem eine quer über die Werkstückoberfläche reichende Zone mittels Flammen vorgewärmt wird, die durch die Verbrennung eines Brenngases erzeugt werden, das mindestens in den oberen Teil eines mit verhältnismäßig niedriger DurchfluGmenge gegen die Werkstückoberfläche gerichteten, Flächigen FlämmsauerstofFstromes hineingeleitet tuird, wodurch ein quer über die Werkstückoberfläche verlaufender Bereich des Werkstücks auf die Sauerstoffzündtemperatur erhitzt luird, bei dem der FlämmsauBrstoffstrom unter Bildung eines Bades von geschmolzenem, durch den Flämmsauerstoffstrom auseinandergetriebenen Werkstoff mit einer größeren Durchflußmenge gegen den erhitzten Bereich gerichtet urird und bei dem für eins Relativbewegung zwischen dem Sauerstoffstrom und dem Werkstück in Flämmrichtung gesorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß »ährend der Flämmsauerstoffstrom mit der verhältnismäßig niedrigen Durchflußmenge strömt, sin zusätzlicher flächiger Sauerstoffstrom von oberhalb der Voruärmflammen aus derart gegen die Werkstückoberfläche gerichtet eird, daß er zusammen mit der Werkstückoberfläche einen keilförmigen Raum bildet, innerhalb dessen der Voreärmbrenngaestrom und der Flämmeaueretoffetrom gehalten «erden.COPY 009882/13162ST8O44-u- · ί•2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche flächige Sauerstoffstrom durch das Zusammentreffen einer Reihe von dicht benachbarten Strömen gebildet luird, die im wesentlichen parallel zueinander gerichtet sind.3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit einer Flämmeinheit und einer Vorschubeinrichtung, die für eine Ralativbawegung zwischen der Flämmeinheit und dem zu flammenden Markstück in dr~ Flimmrichtung sorgt, ujobei dia Flämmeinheit einen schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanal und eine Reihe von Brenngasauslaßkanälen aufweist, die mindestens entlang der Oberseite des Sauerstoffauslaßkanals angeordnet und in spitzem Winkel gegen die Zone gerichtet sind, die sich quer über die projizierte Ebene des Sauerstoffauslaßkanals erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flämmeinheit mit einer Reihe von zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanälen versehen ist, die über der Reihe der Brenngasauslaßkanäle liegen und ebenfalls in einem spitzen Ufinkel gegen die projizierte Ebene des schlitzförmigen Sauerstoffauslaßkanals gerichtet sind.4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Sauerstoffauslaßkanäle gegen die gleiche Zone der projizierten Ebene des schlitzförmigen Sauerstoffaualaßkanale gerichtet sind «ie die Brenngasauslaßkanäle.009882/1316 °ofi
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