火焰燃烧器和用于对金属表面进行火焰清理的方法.pdf

本发明涉及一种火焰燃烧器，其具有一个设置在头部中的喷嘴(10)，该喷嘴除了环形设置的气体输入通道(11)之外还具有一个中央的气体输入孔(12)，其具有拉瓦尔喷嘴式的区域和沿流动方向紧接着的直径保持相同的稳定化区域。为了对金属表面进行火焰清理，通过火焰燃烧器(10)的中央的喷嘴引导的氧气气体被激振，使得形成具有音速或超音速的离开喷嘴出口的脉冲的氧气气流。

1.  火焰燃烧器，其具有一个设置在头部中的喷嘴(10)，该喷嘴除了环形设置的气体输入通道(11、111、112)之外还具有一个中央的气体输入孔(12)，其特征在于：中央的气体输入孔(3)沿流动方向(13)具有直接彼此接连的区域，即：
a)第一区域(121)，其收缩直至最小内径(d_min)；
b)第二区域(122)，在第二区域中内周面扩展直到一个相对于所述的最小直径(d_min)较大的直径(d_k)；和
c)第三区域(123)，其直至喷嘴出口，并且具有保持相同的横截面轮廓，优选具有保持相同的圆柱形的内径。

2.  根据权利要求1所述的火焰燃烧器，其特征在于：第一区域(121)的长度(L₂)小于第二区域(122)的长度(L₃)。

3.  根据权利要求1或2所述的火焰燃烧器，其特征在于：第三区域(123)的直径(d_k)小于在第一区域(121)开头处的最大出口直径。

4.  根据权利要求1至3之一所述的火焰燃烧器，其特征在于：所述三个区域的直径和长度这样彼此协调，使得在喷嘴出口端上气体呈脉冲式地流出。

5.  根据权利要求4所述的火焰燃烧器，其特征在于：在喷嘴出口端上的脉冲频率在100至650Hz之间。

6.  根据权利要求4或5所述的火焰燃烧器，其特征在于：在氧气压力和燃气压力的预定的数值的情况下最大气流速度为2马赫，即音速的两倍。

7.  根据权利要求1至6之一所述的火焰燃烧器，其特征在于：中央的气体输入孔(12)具有圆形的横截面。

8.  根据权利要求1至7之一所述的火焰燃烧器，其特征在于：喷嘴头(10)是液冷的，尤其是水冷的。

9.  用于对金属表面进行火焰清理的方法，其特征在于，通过火焰燃烧器(10)的中央的喷嘴引导的氧气气体被激振，使得形成具有音速或超音速的离开喷嘴出口的脉冲的氧气气流。

10.  根据权利要求9所述的用于进行火焰清理的方法，其特征在于：氧气气流划分成中央的气流和圆周的气流。

11.  根据权利要求9或10的方法，其特征在于：在中央的喷嘴之前的氧气压力与环境压力之间的比例N＝p₀/p_u优选在1～200之间，相反在喷嘴出口面上的氧气压力p_a与环境压力p_u之间的比例在0.1～100之间。

火焰燃烧器和用于对金属表面进行火焰清理的方法
技术领域
本发明涉及一种火焰燃烧器，其具有一个设置在头部中的喷嘴，该喷嘴除了环形设置的气体输入通道之外还具有一个中央的气体输入孔。
本发明另外还涉及一种用于借助于所述的火焰燃烧器对金属表面进行火焰清理的方法。
背景技术
在所述的火焰燃烧器中，燃气通过环形设置的气体输入通道引导至一个喷嘴头，它在那里与通过中央的气体输入部输送的氧气混合并且形成燃烧火焰。火焰燃烧器用于不同的应用目的。因此例如在冷却通过铸造而制造的板坯时在其表面上经常出现不期望的裂纹，这些裂纹必须通过表面处理去除。同样的情况也适用于在加工板坯例如通过切削产生的毛刺或飞边。火焰燃烧器沿着相关表面引导，用于排除表面缺陷，这可以用手动的燃烧器或火焰自动装置实现，在火焰自动装置中在一个可控制的机器人臂上固定火焰燃烧器。
表面处理的加工成本主要通过加工时间和气体消耗确定，同时必须保证足够的表面质量。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种火焰燃烧器和一种用于进行火焰清理的方法，在尽可能小的氧气消耗和加工时间的情况下需要处理的工件的优化的表面质量是可能的。
为了达到上述目的建议在权利要求1中描述的火焰燃烧器和在权利要求9中描述的方法。
本发明的进一步方案在从属权利要求中描述。
按本发明的火焰燃烧器具有一个喷嘴，该喷嘴具有多个气体输入通道，它们环形地围绕一个中央的气体输入孔设置。中央的氧气输入孔沿流动方向观察具有至少三个彼此接连的区域，即一个收缩直至最小内径的第一区域、一个第二区域和一个具有保持相同的横截面轮廓优选具有保持相同的圆柱形的内径的第三区域，在第二区域中内周面扩展直到一个相对于所述的最小直径较大的直径。内径的直至一个临界直径尺寸的横截面变窄部是重要的，接着一个直径扩展部。最后的具有保持相同的横截面轮廓的第三区域作为稳定化环用于保持所产生的气流曲线。借助于这种结构方式可以产生脉冲的气体射流，它在喷嘴出口端具有音速或超音速。在喷嘴前的氧气压力与环境压力之间的比例以及在喷嘴出口面上的氧气压力与环境压力的比例确定气体的曲线。如果在喷嘴出口面上的压力低于环境压力，那么排出的气体射流在喷嘴后面的起始段中具有变窄的形状，相反，在相反的比例中桶形地扩展。如果在喷嘴前以及在喷嘴出口处的氧气压力分别等于环境压力，那么得到流出的气体的初始段的直线式的包络曲线。
通过喷嘴可实现的脉冲频率以及幅值具体地取决于输入压力、收缩程度和扩展程度。产生的非等压的紊乱的超音速射流表现出速度场和压力场的强烈的空间上的差异性，它们导致产生不连续的状态变化，即具有较大速度梯度的脉冲式的压缩冲击和层移。流动速度和压力脉动导致脉动频谱。从一定的数值起，在所述的喷嘴中在临界的最小的喷嘴横截面中速度局部地达到音速，在超过音速时出现脉冲式的压缩的和薄化的区域作为脉冲。这种冲击波可以构成桶形的流动结构，它的依次的压缩取决于喷嘴中的氧气压力与环境压力的比例以及所谓的马赫数，该马赫数是在喷嘴出口面上的气体速度与音速的比例。原则上火焰燃烧器具有按拉瓦尔喷嘴的形式构成的喷嘴，它以第三区域作为“稳定化环”构成谐振器。
原则上在本发明的范围内设定，第一和第二区域直接接连，但是在此也可以包含短的分段，在分段中最小的直径不变。在所述短的分段上保持流动速度。
在本发明中，中央的气体输入孔也略微在一个平面之前结束，该平面由一些开口确定，环形设置的气体输入通道在这些开口中结束。在本发明的范围内也同样包含如下方案，其中同心设置多个气体输入通道环，这些环阶梯式地在中央管的排出孔后面的不同平面中结束。
优选出于流动技术的原因，第一区域的长度小于第二区域的长度，并且优选也小于第三区域的长度。第三区域可以按照期望的脉冲特性的不同选择得长于、等于或者甚至短于第一和第二区域的总长。
按本发明的另一实施形式，第三区域的直径小于在第一区域开头处的中央气体输入孔的最大出口直径。为了优化功能，三个区域的直径和长度这样协调，使得在喷嘴出口端上气体呈脉冲式地流出，优选脉冲频率在100至650Hz之间。在中央的气体输入孔中在氧气压力和燃气压力的预定的数值的情况下优选存在2马赫的最大气流速度。
喷嘴在横截面上可以构成为圆滑的或者同心的，尤其是中央的气体输入孔具有圆形的横截面，围绕它延伸至少一个环(可能两个环)，在所述环上有用于燃气的其它的气体输入孔。
如原则上按现有技术已知的，喷嘴头优选被冷却，其中尤其是提供水作为冷却液。
按本发明的用于对金属表面例如对板坯进行火焰清理的方法的特征在于，通过火焰燃烧器的中央的喷嘴引导的氧气被激振，使得形成具有音速或超音速的离开喷嘴口的脉冲的氧气气流。脉冲的氧气气流由纵波构成，即氧气气体的压力压缩和压力薄化的周期性的彼此相继。通过这种措施不仅中央的氧气气流得到脉动，而且沿圆周流入的燃气被激振。结果得到氧气消耗的明显节约以及通过火焰清理进行加工的金属件的光滑的表面。优选工艺参数，尤其是将氧气气流送入到喷嘴内的氧气施加压力根据喷嘴几何形状这样选择，使得氧气气流划分成中央的气流和圆周的气流。在中央的喷嘴之前的氧气压力与环境压力之间的比例N＝p₀/p_u优选在1至200之间，相反在喷嘴出口面上的氧气压力p_a与环境压力p_u之间的比例在0.1至100之间。
附图说明
下面借助于附图说明本发明的其它实施形式和细节。其中：
图1显示按本发明的火焰燃烧器的喷嘴的侧视图和纵剖视图的组合；
图2显示喷嘴的俯视图；
图3a至3d分别显示具有不同气流形状的中央的气体输入孔的横截面图。
具体实施方式
按图1和2的火焰燃烧器的核心部件是设置在头部中的喷嘴10，其除了环形设置的气体输入通道11之外还具有一个中央的气体输入孔12。在此并且具体地在图2中可见，气体进入孔111和112分别位于围绕气体输入孔12同心地延伸的环上。角间距α通过数量n确定成360/n。在此，气体输入通道111和112通向一个环形的气体输入通道11，如由图1可见。通道112、111和11引导燃气或者氧气与燃气的混合物，相反中央的气体输入通道12用于输送氧气。
在所示的总长度L上，中央的气体输入孔12划分成多个区域L₁、L₂、L₄、L₃、和L_k，或者L₁、L_c和L_k，上述区域具有特别的意义。气体进入区域L₁相对于在按现有技术已知的喷嘴中采用的进入区域。相反中央的第一输入通道12的拉瓦尔喷嘴形式的形状是新型的，其延伸长度为L_c。这种喷嘴形式通过一个区域确定，在该区域中喷嘴内径直至一个最小的临界的直径d_min，该临界直径在长度L₄上保持(也见图3)。在沿气流方向13紧接着的区域中，气体输入孔12的内周面连续地扩展成较大的直径d_k(见图3)，该直径直至喷嘴的端部在剩余长度L_k上保持不变。在具体的实施例中选择下面的尺寸：L₁＝43mm，L₂＝10mm，L₃＝25mm，L₄＝2mm和L_k＝72mm。L₁、L₂、L₃和L₄在给定的氧气和燃气压力时保持不变，而长度L_k也可以改变成65mm或25mm。
在图3中仅在构成为拉瓦尔喷嘴的区域和稳定化区域中描述中央的气体输入孔的横截面图。流入到拉瓦尔式的区域内的氧气气体具有压力P₀和温度T₀。在该拉瓦尔式的区域的出口处，也就是在长度区域L_c的末端，压力为P_A。喷嘴呈圆锥形地收缩的第一区域标记为121，紧接着的喷嘴的圆锥形扩展的区域标记为122，最后具有恒定直径的区域标记为123，并且按图3显示。图3a至3d按照输入压力p₀的不同情况显示气体脉动，它们表现为纵波，其中较高的压力和较低的压力交替发生。另外可见，根据选择的输入压力p₀的不同情况也较窄地或者较宽地约束被四周的燃气气流包围的中央的氧气气流。长度L_k取决于在什么尺寸上能够稳定脉冲的氧气气流。
按本发明的火焰燃烧器不仅可以构成为手动器具，而且可以构成为火焰自动装置。用于将氧气气体导入到中央孔内所采用的压力位于5至20巴之间。用作为燃气的天然气主要包括甲烷，在1至5巴的压力下被施加。甲烷通过喷嘴入口111输入，它与通过喷嘴入口112输入的氧气混合，使得氧气-甲烷混合物在圆周上通过环形孔11流向喷嘴出口端。在氧气气流的所述的施加压力的情况下在中央的管112内力求的速度在预定的氧气压力和燃气压力时位于超音速范围内并且直至2马赫。
在用火焰燃烧器的试验中得到如下结果：
首先采用具有传统的按现有技术已知的喷嘴的第一火焰燃烧器用于对板坯进行火焰清理。通过中央的喷嘴导入大约12×10⁵Pa压力的氧气，并且通过沿圆周设置的喷嘴导入2×10⁵Pa压力的燃气。
接着，采用具有本发明的喷嘴的火焰燃烧器。由于出现的压力脉冲，反冲变得这样大，使得在12×10⁵Pa的氧气压力时不能执行手动火焰清理。因此将氧气压力下降到8×10⁵Pa，相反燃气压力保持不变。
令人吃惊地在第一种情况下在火焰作业中消耗的氧气量在370至390m³之间。对于相同的火焰作业，在采用本发明的喷嘴的情况下仅需要90至100m³，这表明可以得到显著的氧气节约。