[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmen eines Werkstückes durch Verbrennen
eines Brennstoffes und zum anschließenden Abkühlen des Werkstückes durch ein Kühlmedium,
wobei der Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums abgeschirmt wird.
[0002] Ein partielles Wärmen von Werkstücken mit anschließendem Abkühlen erfolgt beispielsweise
beim Oberflächen-Flammhärten oder beim Zonen-Wärmeverfahren. Dazu wird üblicherweise
ein mit Brenngas und Sauerstoff betriebener Brenner eingesetzt. Zur Begrenzung der
örtlichen Erwärmung wird nach der Flammenfront ein Kühlmedium, üblicherweise Wasser,
auf das Werkstück geleitet.
[0003] Durch den Einsatz eines Kühlmediums können jedoch die Brenngas-Sauerstoff-Flammen
behindert werden, so daß Brennerstörungen und sogar Rückzündungen verursacht werden
können. Gegen äußere Störungen wie das Überschwappen des Kühlmediums sind langsam
verbrennende Gase weniger empfindlich als beispielsweise Brenngase wie Acetylen.
Langsam verbrennende Gase bewirken jedoch eine relativ große Wärmezone. Eine große
Wärmezone ist jedoch von Nachteil, da es bei vielen Wärmeverfahren darauf ankommt,
nur kleine Bereiche eines Werkstückes gezielt zu erwärmen.
[0004] Es ist auch bekannt, den Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums
durch Leitbleche, Trennwände oder Abweisnasen abzuschirmen. Die maßliche Abstimmung,
d.h. der Abstand zwischen der mechanischen Sperre und dem Werkstück muß dabei innerhalb
der Toleranzgrenzen gehalten werden. Die mechanische Trennung reicht normalerweise
jedoch nicht aus, da der Abstand zwischen Werkstück und Brenner aufgrund von Maßschwankungen
der Werkstücke nicht - wie erforderlich - konstant gehalten werden kann. Außerdem
kann eine mechanische Trennung eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Brenner
behindern.
[0005] Bei der Verwendung einer mechanischen Sperre muß zudem ebenfalls eine unewünscht
große Erwärmungszone in Kauf genommen werden. Es ist auch bekannt, einen großen Abstand
zwischen Flammenfront und dem Bereich des Kühlmediums einzuhalten. Auch bei dieser
Verfahrensweise resultiert eine sehr breite Erwärmungszone.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
anzugeben, das einen möglichst geringen Abstand zwischen dem Bereich der Brennstoff-Flamme
und dem Bereich des Kühlmediums ermöglicht.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bereich der Brennstoff-Flammen
vom Bereich des Kühlmediums durch ein zwischen den beiden Bereichen strömendes gasförmiges
Trennfluid abgeschirmt wird. Erfindungsgemäß wird keine starre mechanische Sperre
verwendet, vielmehr wird der Bereich der Brennstoff-Flamme durch ein Gas, das zwischen
die Flammenfront und den Bereich des Kühlmediums geleitet wird, geschützt (amorphe
Sperre). Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz eines gasförmigen Trennfluids
nur ein äußerst geringer Abstand zwischen dem Bereich der Brennstoff-Flamme und dem
Bereich des Kühlmediums eingehalten werden muß, der im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren kleiner ist. Dennoch wird die Brennstoff-Flamme sicher vor einer Einwirkung
des Kühlmediums (Kühlmittelspritzer) geschützt. Auf diese Weise kann die Erwärmungszone
sehr schmal gehalten werden. Im Gegensatz zur mechanischen Sperre besteht kein körperlicher
Kontakt zwischen Werkstück und Brenner, so daß ein Verkeilen und Behindern ausgeschlossen
ist.
[0008] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Trennfluid Luft verwendet.
Soll jedoch bei einer Wärmebehandlung eines Werkstückes der Einfluß von Sauerstoff
aus der Umgebung möglichst ausgeschlossen werden, so hat sich die Verwendung eines
Schutzgases als Trennfluid bewährt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird
daher als Trennfluid ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff verwendet.
[0009] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn ein variierender
Abstand zwischen dem Brenner, der zum Erwärmen des Werkstückes dient, und dem Werkstück
durch Anpassen des Trennfluiddruckes ausgeglichen wird. Auf diese Weise können Werkstücke
mit größerer Toleranz bearbeitet werden. Der Abstand zwischen Werkstück und Brenner
kann innerhalb relativ weiter Grenzen schwanken.
[0010] Da durch das erfindungsgemäße Verfahren Störungen der Brennstoff-Flamme ferngehalten
werden, können auch Brenngase, die schnell verbrennen, eingesetzt werden. Nach einem
bevorzugten Merkmal der Erfindung wird als Brennstoff Acetylen verwendet. Da Acetylen
ein sehr schnell verbrennendes Gas ist, das mit geringer Streuflamme verbrennt, kann
in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen gasförmigen Trennfluid die Erwärmungszone
äußerst schmal gehalten werden.
[0011] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen
aus einem Brenner mit Zufuhrleitungen und Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff
sowie für ein Kühlmedium. Bei einer derartigen Vorrichtung besitzt der Brenner erfindungsgemäß
eine weitere Zufuhrleitung für ein Trennfluid, deren Austrittsöffnungen im Bereich
zwischen den Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff bzw. das Kühlmedium
angeordnet ist.
[0012] Durch den Einsatz eines gasförmigen Trennfluids kann der Abstand der Austrittsöffnungen
für Brennstoff und Sauerstoff einerseits und das Kühlmedium andererseits minimal gehalten
werden.
[0013] In einer bevorzugten Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der weiteren
Zufuhrleitung eine Vorrichtung zur Regelung des Trennfluiddruckes angeordnet.
[0014] Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
überall dort eingesetzt werden, wo es entweder auf die Verminderung der Verschmutzung
der Flammenaustrittsbohrungen oder auf die Begrenzung der Wärmeausbreitung der Autogen-Flamme
ankommt. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auf das Zonenerwärmen
von zu biegenden Stahlrohren angewendet. Rohre verlieren beim Biegen umso weniger
an Stabilität, je schmaler die Erwärmungszone ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine äußerst geringe Ovalität erzielt. Im folgenden soll anhand schematischer
Skizzen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie der Stand der Technik geschildert
werden. In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen.
[0015] Es zeigen:
Figur 1 eine mechanische Trennvorrichtung zwischen dem Bereich der Brennstoff-Flamme
und dem des Kühlmediums,
Figur 2 eine weitere mechanische Trennvorrichtung
Figur 3 eine Vorrichtung zum Abschirmen des Bereiches der Bennstoff-Flamme vom Bereich
des Kühlmediums mittels eines gasförmigen Trennfluids.
[0016] Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen zählen zum bekannten Stand
der Technik. In Figur 1 ist eine mechanische Trennung durch einen Schieber 3 schematisch
dargestellt. Ein Werkstück 5 soll mittels eines Brenners 4 in einer bestimmten Zone
erwärmt werden (partielles Erwärmen). Über eine Zufuhrleitung 1 werden Brennstoff
und Sauerstoff zu einer Austrittsöffnung 6 geleitet und verbrannt. Über eine weitere
Zufuhrleitung 2 wird ein Kühlmedium zum Werkstück 5 geleitet. Das Kühlmedium tritt
über Austrittsöffnung 7 aus dem Brenner 4 aus. Der Bereich der Brennstoff-Flamme
12 wird mit einem Schieber 3 vom Bereich des Kühlmediums 13 abgetrennt. Schieber 3
sitzt auf der Werkstückoberfläche auf. Diese Trennvorrichtung ist sehr anfällig,
da der Brenner leicht gegenüber dem Werkstück verkantet. Zudem ist die thermische
Belastung durch die Flamme hoch. In Figur 2 ist eine mechanische Trennung durch eine
Abweisnase schematisch dargestellt. Abhängig von der Werkstücktoleranz kann das Kühlmedium
in die Flammenfront laufen. Zum Teil wird das Kühlmedium durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit
der Flammengase angesaugt.
[0017] Die beiden in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen haben den Nachteil
gemeinsam, daß die Erwärmungs zone a sehr breit ist.
[0018] In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt, die zusätzlich
zu den Austrittsöffnungen 7 und 6 eine weitere Austrittsöffnung 9 mit einer weiteren
Zuleitung 10 besitzt. Über Zuleitung 10 wird ein gasförmiges Trennfluid wie Druckluft
oder ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, in den Raum zwischen den Bereich der
Brennstofflamme 12 und dem Bereich des Kühlmediums 13 geleitet. Als Brennstoff soll
im Ausführungsbeispiel Acetylen, als Kühlmedium Wasser verwendet werden. Durch den
Einsatz eines gasförmigen Trennfluids 11 wird einerseits der Bereich der Brennstoff-Flamme
12 sicher gegen Kühlmediumspritzer abgeschirmt, andererseits ist die Erwärmungszone
a sehr schmal.
1. Verfahren zum Wärmen eines Werkstückes durch Verbrennen eines Brennstoffes und
zum anschließenden Abkühlen des Werkstückes durch ein Kühlmedium, wobei der Bereich
der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums abgeschirmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bereich der Brennstoff-Flammen vom Bereich des Kühlmediums durch ein zwischen
den beiden Bereichen strömendes gasförmiges Trennfluid abgeschirmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennfluid Luft ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennfluid ein inertes
Gas, insbesondere Stickstoff ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Brenner, dadurch gekennzeichnet,
daß variierende Abstände zwischen Brenner und Werkstück durch Anpassen des Trennfluiddruckes
ausgeglichen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff
Acetylen verwendet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit
einem Brenner mit Zufuhrleitungen und Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff
sowie für ein Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (4) eine weitere
Zufuhrleitung (10) für ein Trennfluid (11) besitzt, deren Austrittsöffnung (9) im
Bereich zwischen den Austrittsöffnungen für Brennstoff und Sauerstoff (6) und das
KÜhlmedium (7) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der weiteren Zufuhrleitung
(10) eine Vorrichtung zur Regelung des Trennfluiddruckes angeordnet ist.
8. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung auf das Zonenerwärmen von zu biegenden
Stahlrohren.