火焰燃燒器和用於對金屬表面進行火焰清理的方法
2023-10-24 03:51:37 2
專利名稱：火焰燃燒器和用於對金屬表面進行火焰清理的方法
技術領域：
本發明涉及一種火焰燃燒器，其具有一個設置在頭部中的噴嘴，該 噴嘴除了環形設置的氣體輸入通道之外還具有 一個中央的氣體輸入孔。
本發明另外還涉及一種用於藉助於所述的火焰燃燒器對金屬表面進 行火焰清理的方法。
背景技術：
在所述的火焰燃燒器中，燃氣通過環形設置的氣體輸入通道引導至 一個噴嘴頭，它在那裡與通過中央的氣體輸入部輸送的氧氣混合併且形 成燃燒火焰。火焰燃燒器用於不同的應用目的。因此例如在冷卻通過鑄 造而製造的板坯時在其表面上經常出現不期望的裂紋，這些裂紋必須通 過表面處理去除。同樣的情況也適用於在加工板坯例如通過切削產生的 毛刺或飛邊。火焰燃燒器沿著相關表面引導，用於排除表面缺陷，這可 以用手動的燃燒器或火焰自動裝置實現，在火焰自動裝置中在一個可控 制的機器人臂上固定火焰燃燒器。
表面處理的加工成本主要通過加工時間和氣體消耗確定，同時必須 保證足夠的表面質量。
發明內容
本發明的目的在於，實現一種火焰燃燒器和一種用於進行火焰清理 的方法，在儘可能小的氧氣消耗和加工時間的情況下需要處理的工件的 優化的表面質量是可能的。
為了達到上述目的建議在權利要求1中描述的火焰燃燒器和在權利
要求9中描述的方法。
本發明的進一步方案在從屬權利要求中描述。按本發明的火焰燃燒器具有一個噴嘴，該噴嘴具有多個氣體輸入通 道，它們環形地圍繞一個中央的氣體輸入孔設置。中央的氧氣輸入孔沿 流動方向觀察具有至少三個彼此接連的區域，即一個收縮直至最小內徑 的第一區域、 一個第二區域和一個具有保持相同的橫截面輪廓優選具有 保持相同的圓柱形的內徑的第三區域，在第二區域中內周面擴展直到一 個相對於所述的最小直徑較大的直徑。內徑的直至一個臨界直徑尺寸的
橫截面變窄部是重要的，接著一個直徑擴展部。最後的具有保持相同的 橫截面輪廓的第三區域作為穩定化環用於保持所產生的氣流曲線。藉助 於這種結構方式可以產生脈衝的氣體射流，它在噴嘴出口端具有音速或 超音速。在噴嘴前的氧氣壓力與環境壓力之間的比例以及在噴嘴出口面 上的氧氣壓力與環境壓力的比例確定氣體的曲線。如果在噴嘴出口面上 的壓力低於環境壓力，那麼排出的氣體射流在噴嘴後面的起始段中具有 變窄的形狀，相反，在相反的比例中桶形地擴展。如果在噴嘴前以及在 噴嘴出口處的氧氣壓力分別等於環境壓力，那麼得到流出的氣體的初始 段的直線式的包絡曲線。
通過噴嘴可實現的脈沖頻率以及幅值具體地取決於輸入壓力、收縮 程度和擴展程度。產生的非等壓的紊亂的超音速射流表現出速度場和壓 力場的強烈的空間上的差異性，它們導致產生不連續的狀態變化，即具 有較大速度梯度的脈沖式的壓縮沖擊和層移。流動速度和壓力脈動導致 脈動頻傳。從一定的數值起，在所述的噴嘴中在臨界的最小的噴嘴橫截 面中速度局部地達到音速，在超過音速時出現脈衝式的壓縮的和薄化的 區域作為脈沖。這種衝擊波可以構成桶形的流動結構，它的依次的壓縮 取決於噴嘴中的氧氣壓力與環境壓力的比例以及所謂的馬赫數，該馬赫 數是在噴嘴出口面上的氣體速度與音速的比例。原則上火焰燃燒器具有 按拉瓦爾噴嘴的形式構成的噴嘴，它以第三區域作為"穩定化環"構成 諧振器。
原則上在本發明的範圍內設定，第一和第二區域直接接連，但是在 此也可以包含短的分段，在分段中最小的直徑不變。在所述短的分段上 保持流動速度。在本發明中，中央的氣體輸入孔也略^:在一個平面之前結束，該平 面由一些開口確定，環形設置的氣體輸入通道在這些開口中結束。在本 發明的範圍內也同樣包含如下方案，其中同心設置多個氣體輸入通道環， 這些環階梯式地在中央管的排出孔後面的不同平面中結束。
優選出於流動技術的原因，第一區域的長度小於第二區域的長度， 並且優選也小於第三區域的長度。第三區域可以按照期望的脈沖特性的 不同選擇得長於、等於或者甚至短於第一和第二區域的總長。
按本發明的另一實施形式，第三區域的直徑小於在第一區域開頭處 的中央氣體輸入孔的最大出口直徑。為了優化功能，三個區域的直徑和 長度這樣協調，使得在噴嘴出口端上氣體呈脈衝式地流出，優選脈衝頻 率在100至650Hz之間。在中央的氣體輸入孔中在氧氣壓力和燃氣壓力 的預定的數值的情況下優選存在2馬赫的最大氣流速度。
噴嘴在橫截面上可以構成為圓滑的或者同心的，尤其是中央的氣體 輸入孔具有圓形的橫截面，圍繞它延伸至少一個環(可能兩個環)，在 所述環上有用於燃氣的其它的氣體輸入孔。
如原則上按現有技術已知的，噴嘴頭優選被冷卻，其中尤其是提供 水作為冷卻液。
按本發明的用於對金屬表面例如對板坯進行火焰清理的方法的特徵 在於，通過火焰燃燒器的中央的噴嘴引導的氧氣被激振，使得形成具有 音速或超音速的離開噴嘴口的脈衝的氧氣氣流。脈沖的氧氣氣流由縱波 構成，即氧氣氣體的壓力壓縮和壓力薄化的周期性的彼此相繼。通過這 種措施不僅中央的氧氣氣流得到脈動，而且沿圓周流入的燃氣被激振。 結果得到氧氣消耗的明顯節約以及通過火焰清理進行加工的金屬件的光 滑的表面。優選工藝參數，尤其是將氧氣氣流送入到噴嘴內的氧氣施加 壓力根據噴嘴幾何形狀這樣選擇，使得氧氣氣流劃分成中央的氣流和圓 周的氣流。在中央的噴嘴之前的氧氣壓力與環境壓力之間的比例N-
P。/Pu優選在l至200之間，相反在噴嘴出口面上的氧氣壓力Pa與環境壓
力pu之間的比例在O.l至100之間。
下面藉助於
本發明的其它實施形式和細節。其中
圖1顯示按本發明的火焰燃燒器的噴嘴的側視圖和縱剖視圖的組合；
圖2顯示噴嘴的俯視圖3a至3d分別顯示具有不同氣流形狀的中央的氣體輸入孔的橫截 面圖。
具體實施例方式
按圖1和2的火焰燃燒器的核心部件是設置在頭部中的噴嘴10，其 除了環形設置的氣體輸入通道11之外還具有一個中央的氣體輸入孔12。 在此並且具體地在圖2中可見，氣體進入孔111和112分別位於圍繞氣 體輸入孔12同心地延伸的環上。角間距a通過數量n確定成360/n。在 此，氣體輸入通道111和112通向一個環形的氣體輸入通道11，如由圖 l可見。通道112、 111和11引導燃氣或者氧氣與燃氣的混合物，相反中 央的氣體輸入通道12用於輸送氧氣。
在所示的總長度L上，中央的氣體輸入孔12劃分成多個區域Lp L2、 L4、 L3、和Lk，或者JU、 U和Lk，上述區域具有特別的意義。氣 體進入區域相對於在按現有技術已知的噴嘴中採用的進入區域。相反 中央的第 一輸入通道12的拉瓦爾噴嘴形式的形狀是新型的，其延伸長度 為Lc。這種噴嘴形式通過一個區域確定，在該區域中噴嘴內徑直至一個 最小的臨界的直徑dmin，該臨界直徑在長度L4上保持(也見圖3)。在 沿氣流方向13緊接著的區域中，氣體輸入孔12的內周面連續地擴展成 較大的直徑dk(見圖3),該直徑直至噴嘴的端部在剩餘長度U上保持 不變。在具體的實施例中選擇下面的尺寸L廣43mm, L2 = 10mm， L3 =25mm， L4 = 2mm和Lk = 72mm。 L2、 L3和L4在給定的氧氣和燃 氣壓力時保持不變，而長度U也可以改變成65mm或25mm。
在圖3中僅在構成為拉瓦爾噴嘴的區域和穩定化區域中描述中央的 氣體輸入孔的橫截面圖。流入到拉瓦爾式的區域內的氧氣氣體具有壓力 Po和溫度To。在該拉瓦爾式的區域的出口處，也就是在長度區域Le的末端，壓力為PA。噴嘴呈圓錐形地收縮的第一區域標記為121，緊接著的 噴嘴的圓錐形擴展的區域標記為122，最後具有恆定直徑的區域標記為 123，並且按圖3顯示。圖3a至3d按照輸入壓力p。的不同情況顯示氣 體脈動，它們表現為縱波，其中較高的壓力和較低的壓力交替發生。另 外可見，根據選擇的輸入壓力po的不同情況也較窄地或者較寬地約束被 四周的燃氣氣流包圍的中央的氧氣氣流。長度U取決於在什麼尺寸上能 夠穩定脈沖的氧氣氣流。
按本發明的火焰燃燒器不僅可以構成為手動器具，而且可以構成為 火焰自動裝置。用於將氧氣氣體導入到中央孔內所採用的壓力位於5至 20巴之間。用作為燃氣的天然氣主要包括甲烷，在1至5巴的壓力下被 施加。曱烷通過噴嘴入口 111輸入，它與通過噴嘴入口 112輸入的氧氣 混合，使得氧氣-曱烷混合物在圓周上通過環形孔11流向噴嘴出口端。 在氧氣氣流的所述的施加壓力的情況下在中央的管112內力求的速度在 預定的氧氣壓力和燃氣壓力時位於超音速範圍內並且直至2馬赫。
在用火焰燃燒器的試驗中得到如下結果
首先採用具有傳統的按現有技術已知的噴嘴的第一火焰燃燒器用於 對板坯進行火焰清理。通過中央的噴嘴導入大約12xlSpa壓力的氧氣， 並且通過沿圓周設置的噴嘴導入2 x l05Pa壓力的燃氣。
接著，採用具有本發明的噴嘴的火焰燃燒器。由於出現的壓力脈沖， 反沖變得這樣大，使得在12xl05Pa的氧氣壓力時不能執行手動火焰清 理。因此將氧氣壓力下降到8xl05Pa，相反燃氣壓力保持不變。
令人吃驚地在第一種情況下在火焰作業中消耗的氧氣量在370至 3卯1113之間。對於相同的火焰作業，在採用本發明的噴嘴的情況下僅需 要90至100m3，這表明可以得到顯著的氧氣節約。
權利要求
1. 火焰燃燒器，其具有一個設置在頭部中的噴嘴(10)，該噴嘴除了環形設置的氣體輸入通道(11、111、112)之外還具有一個中央的氣體輸入孔(12)，其特徵在於中央的氣體輸入孔(3)沿流動方向(13)具有直接彼此接連的區域，即a)第一區域(121)，其收縮直至最小內徑(dmin)；b)第二區域(122)，在第二區域中內周面擴展直到一個相對於所述的最小直徑(dmin)較大的直徑(dk)；和c)第三區域(123)，其直至噴嘴出口，並且具有保持相同的橫截面輪廓，優選具有保持相同的圓柱形的內徑。
2. 根據權利要求1所述的火焰燃燒器，其特徵在於第一區域(121) 的長度(L2)小於第二區域(122)的長度(L3)。
3. 根據權利要求1或2所述的火焰燃燒器，其特徵在於第三區域 (123)的直徑(dk)小於在第一區域(121)開頭處的最大出口直徑。
4. 根據權利要求1至3之一所述的火焰燃燒器，其特徵在於所述 三個區域的直徑和長度這樣彼此協調，使得在噴嘴出口端上氣體呈脈沖 式地流出。
5. 根據權利要求4所述的火焰燃燒器，其特徵在於在噴嘴出口端 上的脈沖頻率在100至650Hz之間。
6. 根據權利要求4或5所述的火焰燃燒器，其特徵在於在氧氣壓 力和燃氣壓力的預定的數值的情況下最大氣流速度為2馬赫，即音速的 兩倍。
7. 根據權利要求1至6之一所述的火焰燃燒器，其特徵在於中央 的氣體輸入孔(12)具有圓形的橫截面。
8. 根據權利要求l至7之一所述的火焰燃燒器，其特徵在於噴嘴 頭(10)是液冷的，尤其是水冷的。
9. 用於對金屬表面進行火焰清理的方法，其特徵在於，通過火焰燃 燒器(10)的中央的噴嘴引導的氧氣氣體被激振，使得形成具有音速或超音速的離開噴嘴出口的脈沖的氧氣氣流。
10. 根據權利要求9所述的用於進行火焰清理的方法，其特徵在於 氧氣氣流劃分成中央的氣流和圓周的氣流。
11. 根據權利要求9或10的方法，其特徵在於在中央的噴嘴之前 的氧氣壓力與環境壓力之間的比例N = p。/pu優選在1 ~ 200之間，相反在 噴嘴出口面上的氧氣壓力pa與環境壓力pu之間的比例在0.1 100之間。
全文摘要
本發明涉及一種火焰燃燒器，其具有一個設置在頭部中的噴嘴(10)，該噴嘴除了環形設置的氣體輸入通道(11)之外還具有一個中央的氣體輸入孔(12)，其具有拉瓦爾噴嘴式的區域和沿流動方向緊接著的直徑保持相同的穩定化區域。為了對金屬表面進行火焰清理，通過火焰燃燒器(10)的中央的噴嘴引導的氧氣氣體被激振，使得形成具有音速或超音速的離開噴嘴出口的脈衝的氧氣氣流。
文檔編號F23D14/22GK101460780SQ200780020438
公開日2009年6月17日 申請日期2007年5月18日 優先權日2006年7月22日
發明者E·埃弗茲, R·埃弗茲, S·埃弗茲 申請人:埃貢埃弗茲兩合公司(有限公司及兩合公司)