EP0068165B2 - Brenner zum thermochemischen Trennen und/oder Abhobeln von Werkstücken aus Stahl - Google Patents

Brenner zum thermochemischen Trennen und/oder Abhobeln von Werkstücken aus Stahl Download PDF

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EP0068165B2
EP0068165B2 EP82104845A EP82104845A EP0068165B2 EP 0068165 B2 EP0068165 B2 EP 0068165B2 EP 82104845 A EP82104845 A EP 82104845A EP 82104845 A EP82104845 A EP 82104845A EP 0068165 B2 EP0068165 B2 EP 0068165B2
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nozzle bore
burner
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Franz Hennecke
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/56—Nozzles for spreading the flame over an area, e.g. for desurfacing of solid material, for surface hardening, or for heating workpieces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/52—Nozzles for torches; for blow-pipes
    • F23D14/54—Nozzles for torches; for blow-pipes for cutting or welding metal

Definitions

  • the invention relates to a burner for thermochemical separation or planing of thick steel workpieces with a thickness between 150 to 600 mm, with a cutting oxygen jet, the burner essentially consisting of a nozzle with a cutting oxygen inlet bore, a nozzle bore and a cutting oxygen outlet bore and there is a nozzle holder.
  • burners which are used for a wide variety of work, e.g. B. Separating thinner, thicker or thickest steel workpieces or for planing narrow joints up to the widest areas of steel workpieces can be used.
  • thermochemical cutting and planing of workpieces made of steel the endeavor has to achieve ever greater performance, i. H. To achieve greater flame speeds, greater flame width, greater flame depth, greater cutting speed and greater cutting thicknesses, led to a large number of burner developments. B. in terms of noise and less harmful emissions, as well as a long life of the nozzles and cheap maintenance played a role.
  • the cutting speeds achieved cannot be regarded as satisfactory; if the reaction location is sufficiently heated by the burner heating and the exothermic heat generated during cutting, the cutting speeds only reach a fraction of the chemical reaction speed despite the greatest oxygen purity. This is due to the fact that the iron oxide skin that forms over the reactive iron always has to be removed by the kinetic energy of the cutting oxygen jet. With regard to the kinetic energy of the cutting oxygen jet, which is obtained from the conversion of the pressure of the supplied oxygen, there are, however, restrictions due to friction and shock losses when the nozzle is narrowed or enlarged, and due to insufficient jet formation.
  • Laval nozzle shapes or approximate designs (AU-B-417 614). These nozzles can only be used with thin material and, apart from the manufacturing outlay for Laval nozzles, are very sensitive to pressure fluctuations in terms of their effectiveness.
  • Another known nozzle embodiment consists in a central oxygen channel which tapers conically to a narrowed section and in turn widens conically from this section to the nozzle outlet (DE-A-2 251 632). In this embodiment too, pressure losses are largely avoided, and the nozzle is only suitable for cutting metal sheets of reduced thickness. It is also known, for manufacturing reasons, to provide sharp-edged shoulders in nozzles with long, narrow bores (DE-C-960 981).
  • Another problem is the formation of the kerf in the workpiece. If the kerf width is too large, a lot of material is lost, which also increases the formation of the beard and increases the amount of rework.
  • the invention is therefore based on the object of making a burner available which, in the case of insensitivity to pressure fluctuations, stands out due to a simple, inexpensive design with a long service life and enables the formation of thin kerfs at a maximum working speed. In this way, the smallest possible beards are created with sharp edges and few pearls on the top, so that little rework is required.
  • FIG. 1 shows a burner in which a nozzle 1 is fastened to a nozzle holder 3 by means of a nozzle screw 2.
  • a shaft tube 5 and a heating gas feed tube 6, a heating oxygen feed tube 7 and a cutting oxygen feed tube 8 are soldered into the nozzle receptacle 4.
  • Heating mixture bores lead from ring channels 9, which are formed between the nozzle holder 3 or 4 and the nozzle 2 stanchions 10 to the nozzle outlet and surround a cutting oxygen nozzle bore 11 with its cutting oxygen outlet bore 12.
  • the cutting oxygen enters the nozzle bore 11 from the shaft tube 8 via a cutting oxygen inlet bore 13.
  • the length I D of the nozzle bore 11 was significantly shortened and at the same time the Diameter d A of the outlet bore 12 is significantly increased.
  • the pressure loss in the nozzle bore could be greatly reduced, which in turn was only possible if the transition 14 from the inlet bore 13 of the nozzle bore 11 was designed such that only a small outlet distance in the nozzle bore 11 was required.
  • the transition 14 from the inlet bore 13 to the nozzle bore 11 consists of an angular constriction 14 and, taking into account the dependence on pressure, nozzle bore diameter d D and nozzle bore length I D, can be rounded off slightly to avoid maximum impact loss.
  • the cylindrically shaped nozzle bore 11 for I D cutting jet of oxygen having a low, not larger than 10 mm is provided to continuous to 0 length, preferably a length of 0.5 to 5 mm is observed.
  • a comparatively small diameter of 4 mm or less is to be provided, with 1.5 mm to 3.6 mm being the preferred range.
  • the outlet bore 12 adjoining the outlet side should have a final outlet diameter dA of 6 mm or less, preferably 3 to 5.4 mm.
  • the length of the outlet cone with diameter depends on the pressure and quantity ratios. It was found that the ratio of the nozzle diameter to the nozzle outlet edge is preferably in the range from 0.5 to 0.8, or there were favorable values with a ratio of the cross sections of the nozzle bore to the nozzle outlet cross section in the range from 0.3 to 0.35 . With such nozzles, a cutting speed of 150 to 250 mm / min could be achieved at an oxygen working pressure of 16 to 20 bar, with a kerf of no more than 6 to 7 mm or 6.5 to 9 mm. For these nozzles, the length I D of the nozzle bore (11) was 3.25 or 0.65 mm with a bore diameter d D of 1.8 or 2.6 mm.
  • FIG. 2 shows a further development of the invention.
  • An outer shaft tube 23 and an inner shaft tube 24 are soldered to the nozzle 22.
  • the chamber 25 surrounded by the inner shaft tube 24 is provided with an oxygen supply nozzle 26, while the intermediate space 27, which is formed by the outer shaft tube 23 and the inner shaft tube 24 arranged concentrically at a distance from one another, is provided with a gas supply nozzle 28.
  • From the space 27 lead to the heating gas bores 29, connecting channels 30, and the heating gas bores 29 are also connected by connecting channels 31 to the oxygen chamber 25, so that a mixture of heating gas and heating oxygen is supplied to the bores 29.
  • a cutting oxygen nozzle bore 32 which opens into the cutting oxygen outlet bore 33, runs from the oxygen chamber 25 in accordance with the previously described nozzle shapes. In this way, a burner is made available which consists of a uniform nozzle part with an integrated holding part with connections.
  • the invention can also be useful for nozzles that are screwed in directly.
  • the shorter nozzle part is provided with a thread for screwing into the holding part below the sealing head and with flats on the foot near the outlet.
  • the threaded nozzle part or a nozzle screw with an attached guide can be provided for secure attachment and thus easier screwing in, the initial nut thread being interrupted in two areas on the circumference and the screw thread starts sharply at the nozzle part.
  • markings on the nozzle part and holding part can be provided.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner zum thermochemischen Trennen oder Abhobeln von dicken Werkstücken aus Stahl mit einer Dicke zwischen 150 bis 600 mm, mit einem Schneidsauerstoffstrahl, wobei der Brenner im wesentlichen aus einer Düse mit einer Schneidsauerstoff-Eintrittsbohrung, einer Düsenbohrung und einer Schneidsauerstoff-Austrittsbohrung sowie einem Düsenhalter besteht.
  • Es sind viele Arten derartiger Brenner bekannt, die für die verschiedensten Arbeiten, z. B. Trennen dünnerer, dickerer oder dickster Werkstücke aus Stahl oder zum Hobeln schmaler Fugen bis hin zu breitesten Flächen an Werkstücken aus Stahl eingesetzt werden.
  • Beim thermochemischen Trennen und Abhobeln von Werkstücken aus Stahl hat das Bestreben, eine immer größere Leistungsfähigkeit zu erreichen, d. h. größere Flämmgeschwindigkeiten, größere Flämmbreite, größere Flämmtiefe, größere Schneidgeschwindigkeit und größere Schneiddicken, zu erzielen, zu einer Vielzahl von Brennerentwicklungen geführt, wobei auch Fragen eines möglichst geringen Gasverbrauchs sowie geringe Schnittfugenbreiten und Probleme der Sicherheit, Umweltfreundlichkeit, z. B. in Bezug auf Geräuschentwicklung und wenig schädliche Abgase, sowie eine lange Lebensdauer der Düsen und günstige Wartung eine Rolle spielten.
  • Insbesondere die erzielten Schneidgeschwindigkeiten können nicht als befriedigend angesehen werden, den bei ausreichender Erhitzung des Reaktionsortes durch die Brennerheizung und die beim Schneiden entstehenden exotherme Wärmeentwicklung erreichen die Schneidgeschwindigkeiten trotz größter Sauerstoffreinheit nur einen Bruchteil der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit. Das rührt daher, daß die sich jeweils bildende Eisenoxidhaut über dem reaktionsfähigen Eisen erst durch die kinetische Energie des Schneidsauerstoffstrahles immer entfernt werden muß. Hinsichtlich der kinetischen Energie des Schneidsauerstoffstrahls, gewonnen aus der Umsetzung des Drucks des zugeführten Sauerstoffs, ergeben sich jedoch Beschränkungen durch Reibungs- und Stoßverluste bei der Düsenverengung bzw. Düsenerweiterung und durch ungenügende Strahlausbildung.
  • Es ist bekannt, zum Schneiden von großen Dicken relativ lange Düsen mit sich verengenden oder erweiternden konischen Führungen bei relativ niedrigen Drücken von 5 bis 8 bar am Düseneingang einzusetzen. Für höhere Drücke und Leistungen werden teure Brenner mit Düsen von größerem Durchmesser eingesetzt, weil man auf diese Weise Druckverluste zu vermeiden sucht.
  • Ein anderer bekannter Weg, Druckverluste zu vermeiden, besteht in der Anwendung von Lavaldüsenformen oder angenäherten Ausführungen (AU-B-417 614). Diese Düsen können nur bei dünnem Material eingesetzt werden und sind, abgesehen von dem fertigungstechnischen Aufwand von Lavaldüsen, in Bezug auf ihre Effektivität sehr empfindlich bei Druckschwankungen. Eine weitere bekannte Düsenausführungsform besteht in einem mittigen Sauerstoffkanal, der sich konisch zu einem verengten Abschnitt verjüngt und von diesem Abschnitt sich wiederum konisch zum Düsenauslaß erweitert (DE-A-2 251 632). Auch bei dieser Ausführungsform werden Druckverluste weitgehend vermieden, und die Düse ist nur zum Schneiden von Blechen geringerer Dicke geeignet. Es is auch bekannt, aus fertigungstechnischen Gründen in Düsen bei langen schmalen Bohrungen schartkantige Absätze vorzusehen (DE-C-960 981).
  • Ein weiteres Problem stellt die Ausbildung der Schnittfuge im Werkstück dar. Durch eine zu große Schnittfugenbreite geht sehr viel Material verloren, wodurch auch die Bartausbildung verstärkt wird und sich dadurch der Aufwand für die Nacharbeit erhöht.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner verfügbar zu machen, der bei einer Unempfindlichkeit gegenüber Druckschwankungen sich durch eine einfache, kostengünstige Bauart mit einer hohen Standzeit ausziechnet und bei einer maximalen Arbeitsgeschwindigkeit die Ausbildung dünner Schnittfugen ermöglicht. Auf diese Weise sollen möglichst kleine Bärte entstehen bei scharfen Kanten und wenig Perlen auf der Oberseite, so daß ein geringer Nacharbeitsaufwand erforderlich ist.
  • Erfindungsgemäß wird das bei einem Brenner der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale erzielt.
  • Durch diese Ausbildung der Düse, insbesondere durch die geringe Länge, werden in Kauf genommene Druckverluste in Grenzen gehalten. Damit ist nur eine geringe Auslaufstrecke zur Strahlausbildung in der Düsenbohrung erforderlich, wobei ein höherer Stoßverlust in Kauf genommen wird.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden.
    • Figur 1 zeigt einen Brenner mit einem herkömmlichen Halteteil, in dem ein Düsenteil gemäß der Erfindung sitzt.
  • In Fig. 1 ist ein Brenner dargestellt, bei dem eine Düse 1 mittels einer Düsenschraube 2 an einem Düsenhalter 3 befestigt ist. In die Düsenaufnahme 4 sind ein Schaftrohr 5 sowie ein Heizgaszuführungsrohr 6, ein Heizsauerstoffzuführungsrohr7 und ein Schneidsauerstoffzuführungsrohr 8 eingelötet. Von Ringkanälen 9, die zwischen dem Düsenhalter 3 bzw. 4 und der Düse 2 ausgebildetsind, führen Heizgemischbohrungen 10 zum Düsenaustritt und umgeben eine Schneidsauerstoffdüsenbohrung 11 mit ihrer Schneidsauerstoff-Austrittsbohrung 12. Der Schneidsauerstoff gelangt in die Düsenbohrung 11 vom Schaftrohr 8 über eine Schneidsauerstoff-Eintrittsbohrung 13. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde die Länge ID der Düsenbohrung 11 wesentlich verkürzt und gleichzeitig der Durchmesser dA der Austrittsbohrung 12 wesentlich vergrößert. Auf diese Art und Weise konnte der Druckverlust in der Düsenbohrung stark herabgesetzt werden, was wiederum nur möglich war, wenn der Übergang 14 von der Eintrittsbohrung 13 der Düsenbohrung 11 so ausgebildet war, daß nur eine geringe Auslaufstrecke in der Düsenbohrung 11 erforderlich wurde. Der Übergang 14 von der Einlaufbohrung 13 zur Düsenbohrung 11 besteht aus einer kantigen Verengung 14 und kann unter Berücksichtigung der Abhängigkeit von Druck, Düsenbohrungsdurchmesser dD und Düsenbohrungslänge ID eine leichte Abrundung der kantigen Verengung 14 zur Vermeidung eines maximalen Stoßverlustes erfahren.
  • Auf diese Weise ist es möglich, unter Vermeidung eines großen Druckverlustes einen Schneidstrahl mit dem gewünschten geringen Durchmesser zu erhalten, der erforderlich ist, um optimale Wärmeableitbedingungen zu gewährleisten. Bei einer Kurzdüsenform, wie sie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, wurde bei einer Düsenbohrung 11 mit dem Durchmesser dD von 3 mm und einer Gesamtdüsenlänge L, wobei die Austrittsbohrung über eine Länger von 10 mm auf einen Durchmesser dA von 4 mm aufgebohrt war, eine Druckerhöhung auf 10 bar ermöglicht, und bei einem nachfolgenden Schneidversuch wurden 220 mm/min bei annehmbarer Schnittqualität erreicht. Eine Vergrößerung des Durchmessers dD der Düsenbohrung 11 auf 4 mm ergab eine Schnittgeschwindigkeit von 260 mm/min bei annehmbarer Qualität und guter Strahlform bei 12 bar. Ein Aufbohren des Durchmessers dA der Austrittsbohrung 12 auf 5 mm von der Austrittsseite her über eine Länge IA von 15 mm erlaubte eine Druckerhöhung auf 14 bar bei einer Schneidgeschwindigkeitserhöhung auf 290 mm/min bei guter Schnittqualität.
  • Ganz allgemein wurde gefunden, daß die zylindrisch geformte Düsenbohrung 11 für ID Schneidsauerstoffstrahl mit einer geringen, nicht größer als 10 mm bis gegen 0 gehenden Länge zu versehen ist, wobei vorzugsweise eine Länge von 0,5 bis 5 mm einzuhalten ist. Dabei ist ein vergleichsweise geringer Durchmesser von 4 mm oder weniger vorzusehen, wobei 1,5 mm bis 3,6 mm als Vorzugsbereich anzusehen sind. Die sich auslaufseitig anschließende Austrittsbohrung 12 sollte einen abschließenden Austrittsdurchmesser dA von 6 mm oderweniger, vorzugsweise 3 bis 5,4 mm, aufweisen. Gute Ergebnisse wurden mit einer Düse erzielt, deren Düsenbohrungsdurchmesser dD 1,8 mm betrug bei einem Austrittsdurchmesser dA von 3,3 mm und einer weiteren Düse mit einem Düsenbohrungsdurchmesser dD von 2,8 mm und einem Austrittsdurchmesser dA von 4,8 mm.
  • Die Länge des Austrittskonus mit Durchmesser hängt im einzelnen von den Druck- und Mengenverhältnissen ab. Es wurde festgestellt, daß das Verhältnis von Düsendurchmesser und Düsenaustrittskante vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 0,8 liegt, bzw. es ergaben sich günstige Werte bei einem Verhältnis der Querschnitte von Düsenbohrung zu Düsenaustrittsquerschnitt im Bereich von 0,3 bis 0,35. Mit derartigen Düsen konnte bei einem Sauerstoffarbeitsdruck von 16 bis 20 bar eine Schneidgeschwindigkeit von 150 bis 250 mm/min erzielt werden, wobei sich eine Schnittfuge von nicht mehr als 6 bis 7 mm bzw. 6,5 bis 9 mm ergab. Bei diesen Düsen war die Länge ID der Düsenbohrung (11) 3,25 bzw. 0,65 mm bei einem Bohrungsdurchmesser dD von 1,8 bzw. 2,6 mm.
  • In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der Erfindung dargestellt. An die Düse 22 ist ein äußeres Schaftrohr 23 und ein inneres Schaftrohr 24 angelötet. Die vom inneren Schaftrohr 24 umgebene Kammer 25 ist mit einem Sauerstoffzuführstutzen 26 versehen, während der Zwischenraum 27, der vom konzentrisch im Abstand voneinander angeordneten äußeren Schaftrohr 23 und innerem Schaftrohr 24 gebildet wird, mit einem Gaszufuhrstutzen 28 versehen ist. Vom Zwischenraum 27 führen zu den Heizgasbohrungen 29 Verbindungskanäle 30, und die Heizgasbohrungen 29 sind außerdem durch Verbindungskanäle 31 mit der Sauerstoffkammer 25 verbunden, so daß den Bohrungen 29 ein Gemisch von Heizgas und Heizsauerstoffzugeführtwird. Von der Sauerstoffkammer 25 verläuft entsprechend den bisher geschilderten Düsenformen eine Schneidsauerstoff-Düsenbohrung 32 ab, die in die Schneidsauerstoff-Austrittsbohrung 33 einmündet. Auf diese Weise ist ein Brenner verfügbar gemacht, der aus einem einheitlichen Düsenteil mit integriertem Halteteil mit Anschlüssen besteht.
  • Die Erfindung kann auch sinnvoll bei Düsen Anwendung finden, die direkt eingeschraubt werden. Der Kürzer gestaltete Düsenteil ist dazu mit einem zum Einschrauben im Halteteil unterhalb des dichtenden Kopfes mit einem Gewinde und am Fuß in Austrittsnähe mit Schlüsselflächen versehen. In einer Weiterbildung, was im einzelnen in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, kann der mit Gewinde versehene Düsenteil oder eine Düsenschraube mit angearbeiteter Führung zum sicheren Ansetzen und damit leichterem Einschrauben versehen sein, wobei das anfängliche Muttergewinde in zwei Bereichen am Umfang unterbrochen ist und das Schraubengewinde am Düsenteil scharf abgesetzt beginnt. Um etwaige Zusammensteckstellung vor dem Verschrauben anzuzeigen, können Markierungen am Düsenteil und Halteteil vorgesehen sein.

Claims (7)

1. Brenner zum thermochemischen Trennen oder Abhobeln von dicken Werkstücken aus Stahl mit einer Dicke zwischen 150 bis 600 mm, mit einem Schneidsauerstoffstrahl, wobei der Brenner im wesentlichen aus einer Düse (1) mit einer Schneidsauerstoff-Eintrittsbohrung (13), einer Düsenbohrung (11) und einer Schneidsauerstoff-Austrittsbohrung (12) sowie einem Düsenhalter (3) besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Stoßverlustes der Übergang (14) von der Schneidsauerstoff-Eintrittsbohrung (13) zur Düsenbohrung (11) als scharfkantiger Absatz ausgebildet ist,
daß zur Verminderung des nachfolgenden Reibungsverlustes der Durchmesser (dD) der Düsenbohrung (11) über eine kurze Länge (ID) konstant ist,
daß der anschließende Düsenauslauf (12) sich wesentlich vergrößert,
daß folgende Bemaßungen vorgesehen sind: die Gesamtlänge (L) der Düse (1) aus Düsenbohrung (11) und Schneidsauerstoff-Austrittsbohrung weist die Abmessungen auf:
L = 24 - 30 mm bei einem Durchmesser der Düsenbohrung (dD) * 3mm,
L = 28 - 40 mm bei einem Durchmesser der Düsenbohrung (dD) * 4 mm,

wobei die Austrittslänge (IA)
bei einer Düsenbohrung dD * 3 mm 8 - 18 mm und bei einer Düsenbohrung dD≦ 4 mm 12 - 24 mm beträgt und
daß die Düsenbohrung auf ihrer zwischen 0,5 und 10 mm liegenden Länge zylindrisch geformt und mit einem Durchmesser zwischen 1,5 und 3,6 mm versehen ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung konische ist und zwischen 5 und 10°, vorzugsweise bei 7°, liegt.
3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der scharfkantige Übergang (14) am Beginn der Düsenbohrung (11) angeordnet ist.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (14) eine leichte Abrundung aufweist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1) eine verlängerte Eintrittsbohrung (13) eines gegenüber der Düsenbohrung (11) wesentlich vergrößerten Durchmessers aufweist.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Gewinde versehene Düse (1, 22) in den mit entsprechendem Gegengewinde versehene Halteteil eingeschraubt wird und damit austauschbar ist.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1) zum Einschrauben in dem Halteteil (3) unterhalb des dichtenden Kopfes mit einem Gewinde und am Fuß in Austrittsnähe mit Schlüsselflächen versehen ist.
EP82104845A 1981-06-05 1982-06-03 Brenner zum thermochemischen Trennen und/oder Abhobeln von Werkstücken aus Stahl Expired - Lifetime EP0068165B2 (de)

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DE19813122404 DE3122404A1 (de) 1981-06-05 1981-06-05 Brenner zum thermochemischen brennen und/oder abhobeln von werkstuecken aus stahl

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Publication Number Publication Date
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EP0068165A3 EP0068165A3 (en) 1983-09-07
EP0068165B1 EP0068165B1 (de) 1987-03-04
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