DE2018044A1

DE2018044A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Flammen

Info

Publication number: DE2018044A1
Application number: DE19702018044
Authority: DE
Inventors: Thomas James West Orange NJ Lv tie (V St A )
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1969-06-25
Filing date: 1970-04-15
Publication date: 1971-01-07
Also published as: NL145786B; NO126118B; US3647570A; NL7009288A; ZA704327B; SE371950B; RO58464A; DE2018044C3; TR16576A; BE748249A; SU496709A3; DE2018044B2; YU33650B; LU61190A1; BG22066A3; FR2051280A5; YU159370A; AT295967B; CA954022A; GB1290759A

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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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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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

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.

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•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.

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