Пламенная горелка и способ газопламенной обработки металлической поверхности

012772 Настоящее изобретение относится к пламенной горелке, снабженной соплом, расположенным в головке, в которой дополнительно к кольцеобразно расположенным газоподающим каналам сопло снабжено центральным газоподающим каналом. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу огневой зачистки металлической поверхности с помощью указанной пламенной горелки. В известных пламенных горелках горючий газ направляют к головке сопла по кольцеобразно расположенным газоподающим каналам и смешивают его с кислородом, подаваемым через центральный газоподающий канал для образования пламени горения. Пламенные горелки используют для различных целей. Например, в процессе охлаждения слябов, изготавливаемых путем литья, нередко образуются разрывы, которые необходимо устранять путем поверхностной обработки. Аналогичному удалению также подлежат заусеницы или усы, образуемые при машинной обработке слябов, например при обработке резанием. Используемые горелки огневой зачистки перемещают вдоль поврежденной поверхности с целью устранения поверхностных дефектов, и указанный процесс огневой зачистки может быть выполнен с помощью ручной горелки или автоматически направляемой горелки, при этом пламенная горелка присоединена к управляемой руке робота. Стоимость обработки поверхности в основном зависит от времени обработки и потребляемого объема газа, при этом необходимо обеспечение высокого качества обработки поверхности. Целью настоящего изобретения является создание пламенной горелки и способа для огневой зачистки, в котором достигается оптимальное качество обрабатываемой поверхности детали при максимальном сокращении потребления кислорода и времени обработки. Для достижения указанной цели в соответствии с настоящим изобретением предусматривается создание пламенной горелки, описанной в п.1 формулы изобретения, и способа, описанного в п.9 формулы изобретения. Дополнительные усовершенствования описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Пламенная горелка в соответствии с настоящим изобретением снабжена соплом, включающим несколько газоподающих каналов, кольцеобразно расположенных вокруг центрального газоподающего канала. Центральный газоподающий канал имеет, как минимум, три последовательные секции, если смотреть в направлении потока, включающие первую секцию, сужающуюся до минимального внутреннего диаметра, вторую секцию, внутренняя поверхность которой расходится конусообразно, образуя диаметр, превышающий по размеру минимальный внутренний диаметр, и третью секцию, имеющую постоянное поперечное сечение, предпочтительно постоянный внутренний диаметр цилиндра. Важным фактором является сужение внутреннего диаметра в поперечном сечении до критического размера диаметра, после чего следует конусообразное расширение. Функционируя в качестве стабилизирующей секции, последняя третья секция, имеющая постоянное поперечное сечение, предназначена для поддержания создаваемого профиля потока газа. С помощью указанной конструкции может быть создан пульсирующий поток газа, имеющий скорость звука или сверхзвуковую скорость на выходном отверстии сопла. Отношение давления кислорода перед соплом и наружным давлением, с одной стороны, и отношение давления кислорода на выходном отверстии сопла и наружным давлением определяют профиль потока газа. Если давление на выходном отверстии сопла ниже наружного давления, исходящий поток газа имеет сужающуюся форму в начальной секции позади сопла, в то время как при превышении наружного давления поток газа расширяется, принимая бочкообразную форму. Если давление кислорода перед соплом и на выходе из сопла равно наружному давлению, образуется прямолинейная наружная зона пламени начальной секции исходящего газа. Частота пульсации, достигаемая с помощью сопла, и амплитуда в каждом отдельном случае зависит от начального давления, степени конусообразного сужения и степени конусообразного расширения. Образовавшийся неизобарный турбулентный сверхзвуковой поток отличается высокой степенью пространственных неоднородностей полей скорости и давления, что приводит к изменениям неустойчивого состояния, т.е. к импульсным ударам и смещениям слоев при высоком градиенте скорости. Такая скорость потока и пульсация давления создают спектр пульсации. Начиная с определенного значения, скорость газа локально достигает сверхзвуковой скорости в описанном сопле в минимальном критическом сечении сопла, и при превышении указанного значения возникают импульсные сжатые и утоньшенные участки в виде импульсов. Указанные типы импульсных волн могут образовывать бочкообразный поток,напряжение сжатия которого зависит от соотношения давления кислорода в сопле и наружного давления,а также от так называемого критического отношения скорости, представляющего собой отношение скорости газа в выходном отверстии сопла к скорости звука. В принципе пламенная горелка имеет сопло,которому придана форма в виде сопла Лаваля, которое вместе с третьей секцией, функционирующей в качестве стабилизирующей секции, образует колеблющийся резонатор. Не выходя за пределы объема настоящего изобретения, в целом предусматривается, что первая и вторая секции расположены последовательно, тем не менее, в них могут быть выполнены короткие отдельные участки, на которых минимальный диаметр остается постоянным. Скорость потока сохраняется на таких коротких отдельных участках. В настоящем изобретении центральный газоподающий канал также заканчивается непосредственно-1 012772 перед уровнем, определяемым отверстиями, которыми заканчиваются кольцеобразно расположенные газоподающие каналы. Также инкорпорированы решения в пределах объема настоящего изобретения, в соответствии с которыми имеется несколько колец коаксиально расположенных газоподающих каналов,заканчивающихся на различных уровнях позади выходного отверстия центрального канала в определенном порядке. Для обеспечения потока в техническом плане длина первой секции предпочтительно меньше длины второй секции и также предпочтительно меньше длины третьей секции. В зависимости от требуемых импульсных характеристик размер третьей секции может быть подобран таким образом, чтобы он превышал длину, равнялся по длине или даже был короче по длине, чем общая длина первой и второй секции. В соответствии с дополнительным усовершенствованием настоящего изобретения диаметр третьей секции меньше, чем максимальный выходной диаметр центрального газоподающего канала перед первой секцией. С целью оптимизации эффекта диаметр и длина указанных трех секций согласуется таким образом, чтобы обеспечивалось истечение газа из выходного отверстия сопла в форме импульсов, предпочтительно имеющих частоту в пределах 100-650 Гц. Предпочтительно, чтобы максимальная скорость потока газа в центральном газоподающем канале составляла 2 M при заданных значениях давления кислорода и горючего газа. Сопло может иметь круглое или концентрическое сечение, в котором, в частности, центральный газоподающий канал имеет кольцевое сечение с целью удлинения, как минимум, одного кольца или, возможно, двух колец, на которых расположены дополнительные газоподающие каналы для подачи горючего газа. Как известно из предшествующего уровня техники, головка сопла является предпочтительно охлаждаемой головкой, при этом вода, в частности, приемлема в качестве охладителя. Способ в соответствии с настоящим изобретением для газопламенной обработки металлической поверхности, такой как поверхность сляба, отличается тем, что кислороду, подаваемому через центральное сопло пламенной горелки, придаются колебания таким образом, чтобы пульсирующий поток кислорода выходил из выходного отверстия сопла со скоростью звука или со сверхзвуковой скоростью. Поток пульсирующего кислорода состоит из продольных волн, т.е. периодической последовательности повышения и уменьшения давления газообразного кислорода. При этом с помощью указанного способа обеспечивается пульсация не только центрального потока кислорода, но также и колебания периферийно подаваемого горючего газа. В результате этого достигается существенная экономия в потреблении кислорода и обеспечивается гладкая поверхность металлической детали, обрабатываемой с использованием технологии огневой зачистки. Предпочтительно, чтобы параметры процесса, в частности подводимое давление кислорода, под которым поток кислорода поступает в сопло, подбирались в зависимости от формы сопла таким образом, чтобы обеспечивалось распределение потока кислорода на центральный поток и периферийные потоки. Отношение давления кислорода перед центральным соплом к наружному давлению N = po/pu предпочтительно находится в пределах от 1 к 200, в то время как отношение давления кислорода ра в выходном отверстии сопла к наружному давлению pu составляет 0,1 к 100. Дополнительные примеры осуществления настоящего изобретения и подробное описание изобретения приведены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - общий вид сбоку и продольное сечение сопла пламенной горелки в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 - вид сверху сопла и фиг. 3 а-d - сечение центрального газоподающего канала, имеющего различные формы потока газа. В соответствии с фиг. 1 и 2 основным элементом пламенной горелки является сопло 10, расположенное в головке, в которой дополнительно к кольцеобразной матрице газоподающих каналов 11 сопло снабжено центральным газоподающим каналом 12. Как показано на фиг. 2, кольцеобразные матрицы газовых впускных отверстий 111 и 112 на кольцах расположены концентрично газоподающему каналу 12. Их угловой интервалопределяется их количеством n таким образом, чтобы он составлял 360/n. В данном случае газоподающие каналы 111 и 112 сообщаются с газоподающим каналом 11, как показано на фиг. 1. По каналам 112, 111 и 11 подают горючий газ или смесь кислорода и горючего газа, в то время как центральный газоподающий канал 12 предназначен для подачи кислорода. Центральный газоподающий канал 12 по всей своей длине L разделен на секции L1,L2, L4, L3 и LK или L1, Lc и LK, при этом последние секции имеют особое значение. Секция L1 для впуска газа соответствует впускной секции, используемой в соплах предшествующего уровня техники. Тем не менее, форма в виде сопла Лаваля центрального первого газоподающего канала 12, расположенного по длине Lc, характеризуется новизной. Указанная форма сопла образована секцией, в которой внутренний диаметр сопла сужается до минимального критического диаметра dmin, сохраняющегося по длине L4 (см. также фиг. 3). В секции, расположенной непосредственно со стороны выпуска в направлении 13 потока газа, внутренняя поверхность газоподающего канала 12 плавно расширяется, образуя канал большего диаметра dK (см. фиг. 3), который остается постоянным вплоть до выходного отверстия сопла по всей остальной длине LK. В конкретном проиллюстрированном примере осуществления настоящего изобретения были выбраны-2 012772 следующие размеры: L1 = 43 мм, L2 = 10 мм, L3 = 25 мм, L4 = 2 мм и LK = 72 мм. В то время как L1, L2, L3 и L4 остаются постоянными при заданном давлении кислорода и горючего газа, длина LK может изменяться до 65 или 25 мм. На фиг. 3 проиллюстрированы виды сечения центрального газоподающего канала в секции, снабженной соплом Лаваля, и в стабилизирующей секции. Газообразный кислород, поступающий в секцию в виде сопла Лаваля, подают под давлением P0 и при температуре T0. Давление составляет РА в конце указанной секции в виде сопла Лаваля, т.е. на выходе со стороны впускной секции Lc. Первая секция, в которой сопло сужено в форме усеченного конуса, обозначена позицией 121, смежная секция расширения сопла в форме усеченного конуса обозначена позицией 122, в то время как последняя секция с постоянным диаметром обозначена позицией 123 и имеет форму, проиллюстрированную на фиг. 3. На фиг. 3 а-d проиллюстрированы различные пульсации газа в зависимости от начального давления P0, которые принимают форму продольных волн и в которых происходит чередование более высокого и более низкого давления. Также очевидно, что в зависимости от выбранного начального давления P0 происходит сужение или расширение центрального потока газообразного кислорода, окруженного периферийным потоком горючего газа. Длина LK является определяющим фактором в отношении степени, в которой обеспечивается стабилизация пульсирующего потока кислорода. Пламенная горелка в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнена в виде ручного или автоматического устройства. Используемые значения давления, при котором газообразный кислород нагнетается в центральное отверстие, находится в пределах от 5 до 20 бар. Природный газ, используемый в качестве горючего газа, в основном состоит из метана и подается под давлением в интервале от 1 до 5 бар. Метан подают через впускные отверстия 111 сопла, после чего он смешивается с кислородом,подаваемым через впускные отверстия 112 сопла таким образом, чтобы обеспечивался периферийный поток смеси кислорода и метана к выходному отверстию сопла через кольцевое отверстие 11. Скорость,достигаемая в центральном выпускном отверстии 112 при указанном давлении нагнетания потока воздуха, должна находиться в пределах сверхзвуковой скорости и должна составлять значение до 2 M при заданных значениях давления кислорода и горючего газа. Ниже приведены результаты, достигнутые при испытании пламенных горелок. Сначала использовали первую пламенную горелку, имеющую известное сопло в соответствии с известным уровнем техники для огневой зачистки слябов. Кислород подавали через центральное сопло под давлением приблизительно 12105 Па, в то время как горючий газ подавали через периферийно расположенные сопла под давлением 2105 Па. Далее использовали пламенную горелку, снабженную соплом в соответствии с настоящим изобретением. Ввиду возникших импульсов давления обратный удар пламени оказался настолько сильным, что газопламенная обработка в ручном режиме оказалась неосуществимой при давлении кислорода 12105 Па. В связи с этим давление кислорода снизили до 8105 Па, в то время как давление горючего газа осталось постоянным. Было обнаружено, что в первом случае проведение газопламенной обработки потребления кислорода составило 370-290 м 3. При проведении аналогичных работ газопламенной обработки потребление кислорода составило лишь 90-100 м 3 при использовании сопла в соответствии с настоящим изобретением, что является доказательством того, что данный способ позволяет достичь существенной экономии газообразного кислорода. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Пламенная горелка, снабженная соплом (10), расположенным в головке, в которой дополнительно к кольцеобразно расположенным газоподающим каналам (11, 111, 112) сопло снабжено центральным газоподающим каналом (12), отличающаяся тем, что центральный газоподающий канал (12) имеет последовательно расположенные секции в направлении потока (13), а именно:a) первую секцию (121), сужающуюся на конус до минимального внутреннего диаметра (dmin),b) вторую секцию (122), внутренняя поверхность которой расходится конусообразно, образуя больший диаметр (dk), размер которого превышает минимальный диаметр (dmin),c) третью секцию (123), заканчивающуюся у выходного отверстия сопла и имеющую постоянное сечение, предпочтительно имеющую постоянный внутренний диаметр цилиндра. 2. Пламенная горелка по п.1, отличающаяся тем, что длина L2 первой секции (121) меньше длины L3 второй секции (122). 3. Пламенная горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что диаметр dK третьей секции (123) меньше максимального начального диаметра на стороне впуска первой секции (121). 4. Пламенная горелка по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что значения диаметров трех секций и их длины отрегулированы по отношению друг к другу таким образом, что газ истекает в виде импульсов в выходном отверстии сопла. 5. Пламенная горелка по п.4, отличающаяся тем, что частота импульсов в выходном отверстии сопла составляет 100-650 Гц.-3 012772 6. Пламенная горелка по п.4 или 5, отличающаяся тем, что максимальная скорость потока газа составляет 2 M (= вдвое выше скорости звука) при заданных значениях давления кислорода и горючего газа. 7. Пламенная горелка по одному из пп.1-6, отличающаяся тем, что центральный газоподающий канал (12) имеет кольцевое сечение. 8. Пламенная горелка по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что головка (10) сопла является головкой с жидкостным охлаждением, в частности с водяным охлаждением. 9. Способ газопламенной обработки металлической поверхности, отличающийся тем, что газообразному кислороду, подаваемому через центральное отверстие пламенной горелки (10), придают колебания таким образом, чтобы обеспечивалось истечение пульсирующего потока кислорода из выходного отверстия сопла со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью. 10. Способ газопламенной обработки по п.9, отличающийся тем, что поток газообразного кислорода разделяют на центральный поток и периферийные потоки. 11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что отношение давления кислорода перед центральным соплом к наружному давлению N = po/pu предпочтительно находится в пределах от 1 к 200, в то время как отношение давления кислорода ра в выходном отверстии сопла к наружному давлению pu составляет 0,1 к 100.