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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Brennschneiden und Aufsteckzünder
hierzu, die für Einsatz einer Brennlanze bzw. Sauerstofflanze
in einer gefährlichen Arbeitsumgebung geeignet sind. Insbesondere
befasst sich die Erfindung mit Aufbrennen von Pfannen an Metallurgieanlagen,
bei dem das Brennbohren (Sauerstoffbohren) ferngesteuert bzw. automatisch
erfolgt.
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Stand der Technik
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Brennschneiden
ist eine Art thermisches Schneiden, das u. a. mit Hilfe von Brennlanzen
bzw. Sauerstofflanzen durchgeführt werden kann. Es findet
breite Verwendung in der Industrie, unter anderem zum Brennbohren
in mineralische Werkstoffe und Metalle. Eine hierzu geeignete Sauerstofflanze besteht
aus einem Stahlrohr, das gegebenenfalls mit einem Drahtkern versehen
(Sauerstoff-Kernlanze) oder kernfrei ist (Hohlrohr). Im Betrieb
wird das Stahlrohr mit Sauerstoff durchströmt und verbrannt.
Das Trennen eines Stückes oder Entstehen einer Bohrung
erfolgt durch die Bildung flüssiger Metalloxide, die bei
der Verbrennung der Sauerstofflanze bei Temperaturen von bis zu
2500°C stattfindet.
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Eines
der Anwendungsgebiete des Brennschneidens stellt der Betrieb von
metallurgischen Gefäßen dar, wie zum Beispiel
bei der Stahlherstellung, wo das schmelzflüssige Metall
aus einer mit einem Gießkanal ausgestatteten Pfanne vergossen wird.
Die Pfanne ist unbedingt gegen das Auslaufen von Stahl vor dem Gießen
zu sichern, sonst trifft der auslaufende Stahl in den Durchlauf
und kann dort erstarren. In diesem Fall muss der Gießkanal
dann meistens von dem Gießer zur Wiederherstellung des Freilaufs
so schnell wie möglich "aufgebrannt" werden.
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Das
heißt, man bohrt den Gießkanal mit Hilfe einer
Sauerstofflanze durch. Dieses Durchbohren wird als Aufbrennen der
Pfanne bezeichnet und vorwiegend mit einem Hohlrohr realisiert,
da bei der Verwendung einer Sauerstoff-Kernlanze die Gefahr der Zerstörung
des Feuerfestmaterials aufgrund der zu hohen Temperaturen besteht.
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Um
den Brennprozess einzuleiten, muss die Sauerstofflanze auf die Brenntemperatur
gebracht werden. Es sind mehrere Methoden zur Zündung einer
Brennlanze bekannt, siehe beispielsweise Merkblatt des Deutschen
Verbands für Schweißtechnik e. V. DVS 2101 "Umgang
mit Sauerstoff-Kernlanzen" (Februar 1988).
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Bei
der ersten Methode wird eine elektrische Kurzschlusszündanlage
eingesetzt, bei der die Zündung z. B. mittels einer an
eine Stromquelle angeschlossenen Kupferplatte erfolgt. Das freie
Ende der Brennlanze wird über diese Zündplatte
gerieben, wobei ein Kurzschluss entsteht (ähnlich dem Kurzschluss
beim Elektroschweißen). Die durch den Kurzschluss entstehende
Wärme bringt das Rohrende auf die Brenntemperatur. Gleichzeitig
wird die Brennlanze mit Sauerstoff durchströmt, um die
Lanzenmaterialien zu einer heftigen Oxidationsreaktion und die Brennlanze
in kürzester Zeit auf volle Leistung zu bringen. Für
die Stromversorgung wird eine Inverterstromquelle benötigt.
Geeignet für dieses Verfahren sind vor allem Sauerstoff-Kernlanzen,
da bei diesen außer Stahl weitere Materialien mit tieferem
Brennpunkt und hoher Verbrennungstemperatur zum Einsatz kommen.
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Eine
andere Methode ist die Zündung des Lanzenendes mittels
eines Schweißbrenners, mit dem das freie Ende der Brennlanze
auf Zündtemperatur gebracht wird. Hierbei wird das Rohr
ebenfalls mit Sauerstoff durchströmt, um die Verbrennung
der Brennlanze zu unterstützen und damit weiteres Material
aufzuschmelzen.
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Eine
weitere Methode ist die Verwendung eines Aufsteckzünders
mit einer Zündstoffladung, welche beispielsweise durch
eine Zündlitze entzündet wird.
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Neben
Zündlitzen sind auch pyrotechnische Elektroanzündmittel
für Brennlanzen bekannt, wie z. B. in den Patentschriften
DE3141583C2 ,
US4050680A1 und
US4055332A1 offenbart.
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Kritik des Standes der Technik
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Die
Sicherheitsanforderungen in der Industrie steigen ständig.
Nach den bestehenden Arbeitssicherheitsvorschriften, beispielsweise
für das Stahlvergießen, ist jegliches Betreten
des gefährdeten Bereiches untersagt. Deswegen sind auf
dem Markt Aufbrennautomaten erschienen, deren Aufgabe ist, im Notfall
innerhalb kürzester Zeit eine Pfanne ferngesteuert aufzubrennen.
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Bei
den marktüblichen Aufbrennautomaten erfolgt die Zündung
der Sauerstofflanze mittels Aufsteckzünder, die eine Zündlitze
und eine Zündstoffladung haben (Thermozünder).
Das Anwendungsgebiet für diese Methode ist gerade die Zündung
von Hohlrohren, bei denen wesentlich mehr Energie für die
Zündung benötigt wird, als wie bei Kernlanzen. Zur
Einleitung des Aufbrennprozesses wird die mit einem Aufsteckzünder
versehene Brennlanze in die Ausgusshülse eingefädelt
und durch die Eigenwärme der Pfanne zur Zündung
gebracht. Hierfür soll die Zündlitze allein durch
die vorhandene Wärme und hohe Temperatur am Einsatzort – d.
h. innerhalb des Gießkanals – angezündet
werden. Da die eingebrachte Wärmeenergie der brennenden
Zündlitze zur Aktivierung des Zündprozesses der
Brennlanze nicht ausreicht, wird durch die angezündete
Zündlitze ausgelöste exothermische Reaktion in
der Zündstoffladung des Aufsteckzünders unter
Zugabe von Sauerstoff die Zündung der Brennlanze eingeleitet.
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Problematisch
ist dies jedoch beispielsweise im Winter, wenn an der Ausgusshülse
die Temperaturen unter 200°C – d. h. nicht ausreichend
hoch – liegen, sodass keine Entzündung der Zündlitze
stattfindet. Ein weiteres Problem ist, dass nach dem Einfädeln
der Brennlanze nicht genau feststellbar ist, wann und ob eine Zündung
statt gefunden hat. Das gleiche gilt für das Brennschneiden/-bohren
im Allgemeinen. Bei mislungener selbsttätiger Zündung
mittels eines herkömmlichen Thermozünders bleibt
also nur die manuelle Zündung der Brennlanze, was mit zusätzlichem
Aufwand und unkalkulierbaren Risiken verbunden ist.
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Dementsprechend
werden beim Einsatz bekannter Aufsteckzündern an marktüblichen
Automaten die zitierten Arbeitssicherheitsvorschriften nicht erfüllt.
Desweiteren ist diese bekannte technische Lösung auf Grund
des ungenauen Zündzeitpunktes und der hohen Unzuverlässigkeit
im niederen Temperaturbereich für den automatisierten Prozess
nicht anwendbar. Die elektrische Zündung mittels einer Kupferplatte
ist auf diesem Gebiet der Technik wenig geeignet, da insbesondere
bei der Verwendung eines Hohlrohres viel mehr Energie benötigt
wird, um den Zündvorgang einzuleiten, als es derartige
Funkentladungen leisten könnten. Eine Einleitung des Zündvorganges
mittels Schneidbrenner ist für einen ferngesteuert ablaufenden
Zündprozess zu umständlich, zu ungenau und nur
mit aufwändigen Mitteln zu durchführen.
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Gleichermaßen
sind die bekannten Brennlanzen mit pyrotechnischen Elektroanzündmitteln
für den ferngesteuerten, arbeitssicheren Betrieb nicht geeignet.
Bei der bekannten Vorrichtung nach
DE3141583C2 is der Aufsteckzünder
weder gasdurchlässig noch schnell austauschbar und bietet deswegen
keine ausreichende Zuverlässigkeit und Notfalleignung an.
Bei den bekannten Vorrichtungen nach
US4050680A1 und
US4055332A1 wird keine ausreichende
Wärmeeinwirkung zur Zündung eines Stahlhohlrohres
erzielt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Brennschneiden
anzubieten, die die genannten Nachteile vermeidet und insbesondere
den gegenwärtigen Arbeitssicherheitsanforderungen genügt,
temperaturunabhängige, schnelle, sekundengenaue und zuverlässige
Zündung einer Brennlanze erlaubt, ferngesteuerte bzw. computergesteuerte
Zündung gestattet und Voraussetzungen für die
Vollautomatisierung von Brennschneiden schafft.
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Diese
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Anordnung
nach Anspruch 1 und Nebenanspruch 6 gelöst. Die Unteransprüche
offenbaren weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung.
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Beschreibung und Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Anordnung wird anhand von Zeichnungen
nach Aufbau näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Vorderansicht mit vergrößerter Teilansicht der
erfindungsgemäßen Anordnung mit einem hierzu geeigneten
Aufsteckzündmittel vor dem Einfädeln zur Aufbrennung
einer metallurgischen Pfanne,
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2 den
Querschnitt durch den Aufsteckzündmittel gemäß 1.
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Die
Anordnung gemäß 1 enthält
einen Ausleger 1, der derart bewegungsfrei gelagert ist, dass
er einen ausreichenden, dem Benutzungszweck entsprechenden Freiheitsgrad
besitzt und damit eine zielgenaue Fernsteuerung, z. B. beim Einfädeln
zur Aufbrennung, zulässt. Der Ausleger 1 trägt
in einer Führung 1a eine Brennlanze 2,
die am hinteren Ende eine Sauerstoffzuleitung 3 und am
freien Ende ein direkt vor der Zündung zu setztendes Aufsteckzündmittel 4 hat.
Die Sauerstoffzuleitung 3 ist an eine externe Sauerstoffquelle
gebunden und hat Mittel 5 zur Regelung von Sauerstoffdurchflussstrom,
der der Brennlanze zugeleitet wird. Als Regelungsmittel 5 ist beispielsweise
ein Durchflussregler oder, bei manueller Regelung, ein oder mehrere
Ventile geeignet.
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Desweiteren
ist der Ausleger 1 mit einer elektrischen Spannungsquelle 6 ausgestattet,
die zur elektrischen Verbindung mit dem Aufsteckzündmittel 4 geeignet
ist. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle 6 in Form einer
im vorderen Bereich des Auslegers angebrachten elektrischen Schnellkupplung 6a ausgeführt,
die über einen Schalter 6b mit einer externen oder
lokalen Stromspeisequelle 6c verbunden ist. Der Schalter 6b kann
manuell getätigt bzw. ferngesteuert – beispielsweise
von einem Steuerungsrechner (nicht gezeigt) – bedient werden.
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Für
automatisiertes thermisches Schneiden kann von Vorteil sein, wenn
der Ausleger 1 auch Mittel zur Vorschubbewegung von Brennlanzen,
die z. B. in Coils zur Verwendung kommen, und/oder Mittel zum Wechsel
beziehungsweise Verbindung von Lanzenlängen hat und gegebenenfalls
mit Mitteln zum automatischen Ansetzen von Aufsteckzündmitteln ausgestattet
ist.
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Wie 2 zeigt,
hat ein für die erfindungsgemäße Anordnung
geeignetes Aufsteckzündmittel 4 eine Hülse 10,
die für das Ansetzen an das freie Ende der Brennlanze 2 dimensioniert
ist und aus Wänden 10a und einem Boden 10b besteht.
Im Inneren der Hülse 10 befindet sich eine Zündstoffladung 11,
die zugleich hohe Reaktivität mit Sauerstoffgas und ausreichende
Gasdurchlässigkeit aufweist. Die Zündstoffladung 11 ist
in Form eines Satzes von Pulvergemisch – beispielsweise
einer Mg-Al-Mischung –, oder eines porösen Förmlings
aus geeignetem chemischem Reagens ausgeführt. Die Zündstoffladung 11 ist
zwischen dem Boden 10b und einem Filzstopfen 12 fixiert.
Damit die Zündstoffladung 11 durch den Sauerstoff
optimal durchströmt werden kann, ist der Filzstopfen 12 gasdurchlässig
und der Boden 10b und/oder die Wände 10a zwischen
dem Filzstopfen 12 und dem Boden 10b weisen mindestens
einen gasdurchlässigen Abschnitt auf.
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In
der Zündstoffladung 11 ist mindestens ein pyrotechnisches
Elektroanzündmittel 13 eingebettet, das mit einem
elektrischen Zündkabel 14 versehen ist. Das Zündkabel 14 ist
an die Spannungsquelle 6 anschließbar und weist
einen mehradrigen Kabelstrang 14a und eine Schutzhülle 14b auf.
Die Schutzhülle 14b ist vorzugsweise dermaßen
wärmebeständig, dass die Isolation nicht bereits
vor der Zündung durch die eintretende Wärme am
Ort des Brennschneidens, z. B. an der Ausgusshülse, beschädigt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Wände 10a und
der Boden 10b zwar an sich gasundurchlässig, jedoch
hat der Letztere ein Loch, in das das pyrotechnische Elektroanzündmittel 13 derart
gasdurchlässig eingeführt ist, dass eine optimale
Durchströmung der Zündstoffladung 11 durch den
Sauerstoff gesichert ist.
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Für
den Brennschneide- bzw. Aufbrennprozess wird zunächst ein
erfindungsgemäßer Aufsteckzünder auf
das freie Ende der Brennlanze 2 gesetzt, vorzugsweise derart,
dass das Brennrohrende den Filzstopfen 12 erreicht. Der
Sauerstoff kann somit die Zündstoffladung 11 optimal
durchströmen. Das Zündkabel 14 wird mit
der elektrischen Schnellkupplung 6a des Auslegers 1 verbunden.
Dann wird das freie Ende der Brennlanze 2 mit dem erfindungsgemäßen Aufsteckzünder 4 mittels
des frei beweglich gelagerten Auslegers 1 an die Stelle
des Brennschneidens zugeführt, z. B. in die Ausgusshülse
der Pfanne eingefädelt.
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Danach
wird beispielsweise bei der pulverförmigen Zündstoffladung 11 durch
die Regelungsmittel 5 die sogenannte Zündsauerstoffzugabe
zugeschaltet. In diesem Modus ist der Sauerstoffdurchflussstrom
im Vergleich zur Brennsauerstoffzugabe gering eingestellt, sodass
kein Ausblasen der Pulverteilchen stattfindet.
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Aufgrund
der Gasdurchlässigkeit der Hülsenwände 10a und/oder
des Hülsenbodens 10b wird die Zündstoffladung 11 von
dem Sauerstoff durchströmt, sodass günstige Bedingungen
für die chemische Reaktionen der Zündung eintreten.
Jetzt wird durch das Betätigen des Schalters 6b der
Zündimpuls im pyrotechnischen Elektroanzündmittel 13 ausgelöst.
Durch die thermische Energie der darauffolgenden Reaktion in der
Zündstoffladung 11 und den Sauerstoffzustrom erfolgt
das Entzünden der Brennlanze 2. Anschließend
wird mit Hilfe von den Regelungsmitteln 5 notwendigenfalls
auf die Brennsauerstoffzugabe umgeschaltet, wobei der Sauerstoffdurchflussstrom
gesteigert wird. Im Lauf der Verbrennung wird der Brennrohrvorschub
oder -wechsel eingeleitet.
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- 1
- Ausleger
- 1a
- Führung
- 2
- Brennlanze
- 3
- Sauerstoffzuleitung
- 4
- Aufsteckzündmittel
- 5
- Mittel
zur Regelung von Sauerstoffdurchflussstrom
- 6
- Spannungsquelle
- 6a
- elektrische
Schnellkupplung
- 6b
- Schalter
- 6c
- externe
oder lokale Stromspeisequelle
- 10
- Hülse
- 10a
- Wände
- 10b
- Boden
- 11
- Zündstoffladung
- 12
- Filzstopfen
- 13
- pyrotechnisches
Elektroanzündmittel
- 14
- elektrisches
Zündkabel
- 14a
- mehradriger
Kabelstrang
- 14b
- wärmebeständige
Schutzhülle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3141583
C2 [0009, 0014]
- - US 4050680 A1 [0009, 0014]
- - US 4055332 A1 [0009, 0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Merkblatt
des Deutschen Verbands für Schweißtechnik e. V.
DVS 2101 "Umgang mit Sauerstoff-Kernlanzen" (Februar 1988) [0005]