Brennschneideverfahren unter Verwendung von Schutzgas und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Brennschneideverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah rens. Im besonderen betrifft sie ein besonders wirksa mes Schneidbrennverfahren, bei dem der sauerstoffhal tige Schneidgasstrom von einem weiteren sauerstoffhal tigen Strom (im folgenden Schutzgasstrom genannt) umgeben ist, dessen Geschwindigkeit geringer als die des Schneidgasstromes ist. Die Erfindung befasst sich also mit einer Methode zur Behandlung von Metallen, die auf den Grundsätzen des Brennschneidens und der dafür verwendeten Vorrichtungen beruht.
Der bekannte Prozess des Brennschneidens zerfällt in drei Stufen: Die Oberfläche des zu durchschneidenden Metallgegenstandes wird zunächst an einer bestimmten Stellte mittels einer hohe Temperaturen erzeugenden Vor- wärmun;gsfl,aamne, z. B. eine Azytelensauerstoffflamme Propansaumtofflamme, Petroleumgasflamme, Erdgas Erdgas- flamane etc. solange erhitzt, bis der Metallgegenstand seine Zündtemperatur erreicht hat; anschliessend wird ein Strom von einen hohem.
Grad an Reinheit .aufweisendem Sauerstoff auf den vorgewärmten Teil des Metallgegen standes gerichtet, wodurch dieser oxydiert und an der vor genannten Stelle verbrennt;
schliesslich wird der Metall- gegensitand an der genannten Stelle durchschnitten. Es ist eine bekannte Tatsache, dass die Wirksamkeit des be schriebenen Brennschneidverfahrens vor allem von der Reinheit des in dem Schneidgasstrom enthaltenen Sauer- stoffis abhängt. Besonders weitgehend gereinigter Sauer stoff wird daher für diesen Zweck bevorzugt. Gemäss einer Industrienorm soll die
Reinheit des für diesen Zweck verwendeten Sauerstoffs mindestens 9,5 0/o betragen, und die Reinheit des tatsächlich von vielen Industrien gegenwärtig verwendeten Sauerstoffs beträgt meist nicht weniger als 99,7 0/o.
Beim eigentlichen Schneidevorgang wird der sauer stoffhaltige Schneidgasstrom jedoch auf seinem Weg von .der Ausstossdüse des Schneidbrenners zum vorgewärm ten Teil des -durchzuschneidenden Metallgegenstandes verunreinigt, da der Gasstrom bei Verwendung einer konzentrischem Düse die Lufthülle der Vorwärmungs- flamme durchstossen muss oder bei Verwendung einer nicht konzentrischen Düse mit der umgebenden Luft in Berührung kommt. Eine bestimmte Menge von Verun reinigungen, z. B.
Vorwärmungsgas oder andere, in der Luft enthaltene Verunreinigungen, löst sich in dem sauerstoffhaltigen Schneidgasstrom und verunreinigt ihn, wodurch die Wirksamkeit des Brennschneideverfahrens herabgesetzt wird.
Es ist das Hauptziel der Erfindung, die bei den be kannten Methoden auftretenden Schwierigkeiten durch Schaffung eines neuartigen Brennschneideverfahrens zu beseitigen, bei dem der sauerstoffhaltige Schneidgas strom mit einem Schutzgasstrom umgeben und abge schirmt wird, wodurch die Verminderung .der Reinheit des Sauerstoffs im Schneidgasstrom verhindert und die Oxydation wirksam beschleunigt wird.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschrei bung der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele ,der Erfindung. In der Zeichnung isst bzw. sind: Fig. 1a und 1b schematische Darstellungen der Grundmerkmale des erfindungsgemässen Verfahrens; Fig. 2a und 2b schematische Darstellungen ähnlich denen von Fig. 1 a und 1b, die die Grundmerkmale der bekannten Brennschneidemethoden darstellen; Fig. 3A eine photographische Ansicht, die die Be schaffenheit der Oberfläche und der Schnittfläche eines Teststücks zeigt, das nach dem erfindungsgemässen Brennschneideverfahren durchgeschnitten wurde;
Fig.3B eine photographische Ansicht ähnlich der von Fig. 3A, die die Beschaffenheit eines weiteren Test stücks zeigt, das nach einem bekannten Brennschneide- verfahren durchschnitten wurde; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zu durch schneidenden, keilförmigen Teststücks;
Fig. 5 eine Darstellung von Kurven, die das Verhält nis zwischen dem Druck eines sauerstoffhaltigen Schneidgasstromes und der maximalen Dicke eines zu durchschneidenden, keilförmigen Teststücks zeigen; Fig. 6 eine Darstellung von Kurven, die .das Ver- hältnis zwischen der Schneidgeschwindigkeit und der maximalen Dicke eines von dem Schneidgasstrom zu durchschneidenden, keilförmigen Teststücks zeigen; Fig. 7a ein Vertikalschnitt durch eine Schneidvor richtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens; Fig. 7b eine Draufsicht auf die Vorrichtung; Fig. 7c und 7d schematische Darstellungen von ver schiedenen Düsen an der Vorrichtung von Fig. 7a;
Fig. 8a ein Vertikalschnitt durch eine weitere erfin- dungs s "; mässe Scnei d e v orric htung; =i-. 8b ein-- Draufsicht auf die Vorrichtung; Fig. 8c und e d Querschnitte durch verschiedene Dü senausführungen, die für die erfindungsgemässe Vor von F h,:. 8a verwendet werden können; Fig. 9a eia Vertikalschnitt durch ein weiteres Aus führungsbeispiel der Erfindung; Fig. 9b eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 9s.; Fig. 9c ein Schnitt durch eine für die Vorrichtung von Fig. 9a. zu Düse.
Fig. 1 a zeigt die Grundzüge der Arbeitsweise eines mit konzentrischen Düsen ausgestatteten, erfindungsge mässen Schneidbrenners, während Fig. 1b die Arbeits weise eines ähnlichen Schneidbrenners mit nicht kon zentrischen Düsen veranschaulicht. Die Ansichten von Fig. 2s. und 2b sind denen von Fig. la und 1b ähnlich uni zagen lins Arbeitsprinzip der bekannten Brenn- schneidem2thoden.
Bei der Schneidvorrichtung von Fig. 2a wird der sauerstoffhaltige Schneidgasstrom 5 aus der im Mittel punkt einer Düse 1 liegenden Mündung eines Kanals 2 ausgestossen, während ein aus einem Gasgemisch be stehender Strom zur Erzeugung einer Vorwärmungs- flamme entweder aus einer ringförmigen, am äusseren P,2 nd der Mündung des Kanals 2 liegenden und mit die ser konzentrischen Öffnung oder aus einer Vielzahl von auf einem mit dar Kanalmündung konzentrischen Kreis liegenden Öffnungen austritt.
Beim Austritt aus der Düse 1 wird der aus einem gasförmigen Gemisch beste- li:nae Strom verbrannt und eine Primärflamme 6 sowie eine Sekundärflamme? erzeugt, die die Oberfläche des zu durchschneidenden Metallgegenstandes 9 vorwärmen. In der Reaktionszone 10 verbrennt das Metall durch Re aktion mit dem sauerstoffhaltigen Schneidgasstrom 5, und der Metallgegenstand 9 wird durchgeschnitten.
Der Schneidgasstrom 5 fliesst gewöhnlich mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit und saugt .das den Sauerstoffstrom umgebende, atmosphärische Gas 7, wie durch die Pfeile P gezeigt, an. Die Reinheit des sauer stoffhaltigen Schneidstromes ist daher in der Reaktions zone 10 vermindert, wodurch die Wirksamkeit der Ver brennung und damit des herabgesetzt wird.
Anderseits wird bei dem erfindungsgemässen, in Fig. 1 a gezeigten Schneidbrenner ein Schutzgasstrom 8 aus einem Durchlass 4 ausgestossen, der in der Düse 1 am äusseren Rand des den Schneidstrom aufnehmenden Ka nals 2, mit dem letzteren konzentrisch angeordnet ist, wobei der Durchlass 4 entweder eine ringförmi e Öff nung darstellt oder aus einer Vielzahl von kleinen Ka nälen gebildet wird. Das Gasgemisch für ;die Vorwär- mung wird aus den Kanälen 3 ausgestossen, die an der Düse 1 ausserhalb des Durchlasses 4 angeordnet sind.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird der sauerstoffhaltige Schneidgasstrom 5 durch einen Schutz gasstrom 8 abgeschirmt, so dass das Sauerstoffgas nicht, wie dies bei bekannten Methoden der Fall ist, durch die von den Flammen 6 und 7 erzeugten Gasgemische ver unreinigt wird. Bei der in Fig. la gezeigten Anordnung saugt der Schneidgasstrom, wie durch den Pfeil P ge zeigt, aus der umgebenden Atmosphäre Gas an. Das von dem Strom 5 angesaugte Gas ist jedoch ebenfalls reiner Sauerstoff, und die Reinheit des Sauerstoffgases im Strom 5 wird daher durch diese Absorption nicht beein flusst. Die Wirksamkeit der chemischen Reaktion und des Schneidevorganges wird daher nicht vermindert.
Zur Erhöhung der Wirksamkeit der Reaktion sowie des Schneidevorganges kann man ferner ein Schutzgas verwenden, das die Oxydation beschleunigt.
Fig. 2b zeigt einen bekannten Schneidbrenner, bei dem der Schneidgaskanal 2 entlang der Mittelachse einer Schneiddüse 11 verläuft. Die Vorwärmungsflammen 6 und 7 werden durch Verbrennung es aus dem Durch- lass. 3 ausströmenden Gases erzeugt. Der Durchlass 3 verläuft .entlang der Mittelachse einer Vorwärmungsdüse 12, die von der Schneiddüse 11 getrennt ist. Das aus der Schneidedüse 11 austretende Sauerstoffgas 5 reagiert mit dem an der Reaktionsoberfläche 10 zu durchschnei denden Metall und verbrennt.
Auch in diesem Fall ab sorbiert das Sauerstoffgas, wie durch Pfeile P gezeigt, umgebende Atmosphäre bzw. Luft, und das Sauerstoff gas wird verunreinigt, wodurch die Wirksamkeit des Schneidvorganges leidet.
In einem in Fig. 1b gezeigten, erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel ist der sauerstoffhaltige Schneidgas strom 5 durch einen Schutzgasstrom 8 abgeschirmt, wo durch eine Verminderung der Reinheit des Schneidgases und der Wirksamkeit des Schneidvorganges durch An saugen der umgebenden Atmosphäre ausgeschaltet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, die Wirksamkeit der Oxydation und des Schneidvorganges durch Verwendung von Schutzgas zu erhöhen, das die Oxydation beschleunig.
Fig. 3 ist eine Photographie der Oberflächen von Musterstücken, nämlich 36 mm dicken Weichstahlplat ten, die zu Vergleichszwecken in einem Fall nach der bekannten Methode und im anderen Fall nach der erfin- dungsgemässen Methode durchschnitten wurden. In Ta belle 1 sind die Arbeitsbedingungen für den Schneidvor- gang nach beiden Verfahren angegeben, wob--i sich die Spalte A auf das erfindungsgemässe und die Spalte B auf das bekannte Verfahren beziehen.
EMI0002.0040
<I>Tabelle <SEP> 1</I>
<tb> Versuchss:ück <SEP> A <SEP> B
<tb> Druck <SEP> des <SEP> Sauerstoffgases
<tb> für <SEP> den <SEP> Schneidevorgang <SEP> 5,0 <SEP> kg/cm= <SEP> 5,0 <SEP> kg/cm2
<tb> Azytelengasverbrauch <SEP> 1,170 <SEP> 1/h <SEP> 1,170 <SEP> I/h
<tb> Verbrauch <SEP> an <SEP> vorge wärmtem <SEP> Sauerstoffgas <SEP> 1,340 <SEP> 1/h <SEP> 1,340 <SEP> 1/h
<tb> Verbrauch <SEP> an <SEP> Schutz Oxygengas <SEP> 1,430 <SEP> 1/h <SEP> Null
<tb> Höhe <SEP> der <SEP> Düse <SEP> 8 <SEP> mm <SEP> 8 <SEP> mm
<tb> Schneidegeschwindigkeit <SEP> 500 <SEP> mm/min <SEP> 500 <SEP> mm/min Fig. 3 zeigt,
dass die Schnittfläche des nach .der er- findungsgemässen Methode behandelten Probestückes A rein ist. Die Schnittfläche ist ausserdem, wie durch die Pfeile angedeutet,<B>glatter als</B> die des Probestückes B. überdies zeigt das Probestück A an den oberen Kanten keine durch Schmelzen hervorgerufene Verformung. Fig. 4 erläutert ein Brennschneidverfahren an einem keilförmigen Versuchsstück 9. Das Verfahren wurde von Kanichi Suitsu und Takeo Yasuda in ihrem Artikel A few teste an gas cutting (Einige Brennschneidversuche) beschrieben, der in Band 29, Nr. 2, des Journal of Ja pn Welding Society veröffentlicht wurde.
Fig.4 zeigt den Druck p des sauerstoffhaltigen Schneidgasstromes an der Schneiddüse 1, die Schneidgeschwindigkeit v und die maximale Dicke Tm .des unter gegebenen Arbeite bedingungen zu durchschneidenden Probestückes.
Fig. 5 ist eine Darstellung von Kurven, die das Ver hältnis zwischen dem Druck p des Schneidgases und der maximalen Dicke Tm des Probestückes, das bei dem ge nannten Druck p nach oder obigen Versuchsmethode ab geschnitten werden soll, zeigen. Kurve C zeigt die Ver suchsergebnisse für das erfindungsgemässe Verfahren und Kurve D Ergebnisse bei Verwendung einer in dem oben genannten Artikel beschriebenen, bekannten Düse mit gerader Bohrung, und Kurve E Ergebnisse bei Ver wendung einer bekannten, ebenfalls in dem Artikel be schriebenen Düse mit auseinandergehender Bohrung.
Wie aus Fig. 5 'ersichtlich ist, kann man bei Verwen dung einer bekannten Düse mit gerader Bohrung die maximale Dicke Tm des zu durchschneidenden Gegen standes auch dann nicht erhöhen, wenn der Druck des sauerstoffhaltigen Schneidgasstromes auf mehr als 8 kg/cm2 gesteigert wird. Wie aus der Kurve D hervor geht, verringert sich sogar die Dicke Tm bei einem so hohen Sauerstoffdruck. Bei Verwendung einer bekann ten Düse mit auseinandergehender Bohrung erreicht die Dicke Tm, wie in :der Kurve E dargestellt, bei einem Sauerstoffdruck von ungefähr 11 kg/cm2 ihren Maximal wert.
Dagegen kann man nach der erfindungsgemässen Methode den Druck zur Erreichung der Maximaldicke Tm auf 13 kg/cm2 steigern, wodurch sich auch die ma ximale Dicke, wie in Kurve C gezeigt, entsprechend ver- grössern lässt. Ein Vergleich der Kurve D mit der Kurve C zeigt, dass die Ergebnisse beim Brennschneiden nach der erfindungsgemässen Methode offensichtlich besser sind.
Fig. 6 zeigt Kurven, die das Verhältnis zwischen der maximalen Dicke Tm und oder Schneidgeschwindigkeit v darstellen, wobei Kurve F die Ergebnisse bei Verwen dung einer erfindungsgemässen Düse von 2,05 mm Durchmesser, und Kurve G die Ergebnisse bei Verwen dung einer erfindungsgemässen Düse von 1,60 mm Durchmesser zeigen. Kurve H stellt die Versuchsresul tate bei Verwendung derselben Düse wie für Kurve F dar, wobei der Versuch jedoch ohne einen Sauerstoff schutzstrom durchgeführt wurde. Kurve I veranschau licht die Ergebnisse bei Verwendung einer bekannten, in dem oben genannten Artikel beschriebenen Düse mit ge rader Bohrung, während die Kurve J die Resultate bei Verwendung einer konventionellen, auseinandergehen den Düse, die ebenfalls in dem Artikel beschrieben wurde, zeig.
Aus der Abbildung 6 geht klar hervor, dass bei den bekannten Brennschneidverfahren die kritische Schnei degeschwindigkeit für eine Dicke Tm von 0 mm, wie in den Kurven H, I und J gezeigt, im Bereich zwischen <B>1,100</B> und 1,200 mm/min liegt. Wie dagegen aus den Kurven F und G hervorgeht, liegt die entsprechende, kritische Geschwindigkeit bei dem erfindungsgemässen Verfahren zwischen 1,800 und 1,900 mm/min. Demge- mäss erhöht sich durch das erfindungsgemässe Verfah ren nie Schneidgeschwindigkeit um mehr als 50 0/o.
Fig. 7a ist ein Vertikalschnitt durch einen erfin- dungsgemässen Schneidbrenner, der ein Ausblaserohr 14 aufweist, an dessen Ende eine Düse mittels eines Ge winderinges 23 befestigt ist. Das Sauerstoffgas für die Vorwärmung gelangt durch die Einlassöffnung 20 in den Schweissbrenner, während das Heizgas für die Vorwär- mung durch eine andere Einlassöffnung 21 gespeist und mit dem Sauerstoffgas im Mischer 22 vermengt wird. Das Gasgemisch wird durch die in dem Ausblaserohr 14 und der Düse 1 angeordneten Durchlässe 16, 3 aus der Düs:: ausgestossen.
Das für den eigentlichen Schneidvorgang verwendete Sauerstoffgas wird durch eine weitere Eintrittsöffnung 18 in das Ausblaserohr 14 gespeist und anschliessend durch den Kanal 15 im Ausblaserohr in den in der Düse 1 befindlichen Kanal 2 geleitet. Das Schutzgas wird durch eine in Fig. 7b gezeigte Einlassöffnung 18' in das Ausblaserohr 14 geleitet und durch den in .dem Ausblas rohr befindlichen Kanal 17, eine Bohrung 24 und einen Durchlass 4. in der Düse 1 ausgestossen.
Fig. 7c zeigt einen Querschnitt durch die mit einem ringförmigen, für das Schutzgas bestimmten Durchlass 4 ausgestattete Düse 1, während die Ansicht von Fig. 7d, ähnlich der von Fig. 7c eine Düse darstellt, :deren Durchlass für das Schutzgas aus einer Vielzahl von klei nen Bohrungen besteht. Wie in den Fig. 7c und 7d ge zeigt, ist der Durchlass 4 für das Schutzgas so ausgebil det, dass er für das durchströmende Gas einen wesent lich grösseren Widerstand darstellt als der für das Sauer stoffgas bestimmte Kanal 2. Durch diese Anordnung kann man einen Schutzgasstrom erzeugen, der eine ge ringere Geschwindigkeit als der Schneidgasstrom besitzt.
Die Anordnung der Durchlässe 2, 3 und 4 ist nicht auf die in den Fig. 7c und 7d gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann beliebig abgeändert werden, d. h. man kann z. B. die beiden in den Figuren gezeigten Anordnungen kombinieren.
In den Fig. 8a-8d ist ein erfindungsgemässer Schneidbrenner dargestellt, der den Gasmischer in der Düse trägt. Bei diesem Schneidbrenner wird ein Teil des für das eigentliche Schneiden oder des für .die Vorwär- mung bestimmten Sauerstoffgases als Schutzgas verwen det. Bei der in Fig. 8a dargestellten Düse wird das durch den Kanal 15 strömende, für den eigentlichen Schneid vorgang bestimmte Sauerstoffgas nicht nur für die Durchschneidung mittels des durch den Kanal 2 fliessen- den Gasstromes, sondern auch zur Abschirmung ver wendet, da dieses Gas :durch feine, die Düse mit dem Durchlass 4 verbindende Bohrungen 25 strömt. In Fig.
8c ist eine Düse dargestellt, bei der ein Teil des für den Schneidevorgang bestimmten Sauerstoffgases durch feine Bohrungen 26 strömt und als Schutzgas dient. Im Falle ,der Düs-,e von Fig. 8d strömt ein Teil das für die Boh rungen 27 und wird als Schutzgas verwendet.
Die Fig. 9a-9c zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Schneidbrenners, bei :dem der Mischer im Brenner angeordnet ist und ein Teil des für en Schneidvorgang bestimmten Sauerstoffes als Schutz gas verwendet wird. Bei dem Schneidbrenner von Fig. 9a ermöglichen feine Bohrungen 28 die Verteilung des als Schutzgas verwendeten Teiles :des Schneidgasstromes. Bei der Vorrichtung von Fig. 9c wird diese Verteilung durch kleine, die Durchlässe 2 und 4 verbindende Boh rungen 29 erreicht.
Wie oben beschrieben, wird nach dem erfindungs- gemässen Verfahren ein röhrenförmiger Schutzgasstrom so aus der Düse ausgestossen, dass er :den Rand des für den eigentlichen Schneidvorgang verwendeten Schneid- gasstromes umgibt. Dadurch wird die Herabsetzung der Reinheit des Sauerstoffgases durch Vermischung des reinen Sauerstoffs im Schneidgasstrom mit Verunreini gungen, z. B. Luft, im wesentlichen ausgeschaltet. Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist daher die Möglich keit geschaffen, den Schneidvorgang im Vergleich zu den bekannten Methoden mit höherer Geschwindigkeit und besseren Ergebnissen, nämlich einer glatteren Schnitt oberfläche, durchzuführen.
Ferner tritt bei Schneidvor gängen nach dem erfindungsgemässen Brennschneidver- fahren keine durch übermässiges und unerwünschtes Schmelzen hervorgerufene Verformung .an der Ober kante der Metalloberfläche auf. Das erfindungsgemässe Verfahren stellt also einen wichtigen Beitrag zum Stand der Technik auf dem Gebiet des Brennschneidens dar.