DE2300265C3

DE2300265C3 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Bohren und Lochstechen

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Publication number: DE2300265C3
Application number: DE19732300265
Authority: DE
Inventors: Rudolf 5882 Meinerzhagen Kallenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-04
Filing date: 1973-01-04
Publication date: 1975-09-11
Also published as: DE2300265B2; DE2300265A1

Description

if

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lit.: Stahleisenkalender, 1970, Kubaschews-Ic i, Ο., und E. L. E ν a η s: Metallurgische Thermochemie, DtBearb. W. Knaul, Berlin, S. 368, E11 i ο t, J.E., M. G 1 e i s e r, V. R a m a \ r i s h r ο: Thermochemistry for Steelmaking, Addison Wesley Publishing Comp. Reading, Massachusetts, USA 1963.

Nach den gleichen Lit.-Angaben wird jedoch beim erfindungsgemäßen Gegenstand als Zusammenstellungen für Redesreaktionen für die thermochemischen Umsetzungen wirksam und nutzbar gemacht:

Fe-Ti pro kg Ausgangsstoff
Redoxreaktion:

3 Fe + 2 O₁ -> Fe₃O₄ + 1592 kcal (I)

Fe₃O₄ + 2Ti ^ 2TiO₂ + 3 Fe + 4713 kcal (II)

Nutzbare Enthalpie: 6305 kcal neg. T.

dazu: 1 kg 3 Fe erneut oxydationsbereit oder nach Titanzusatz die ao

Fe-Al Redoxreaktion:

2 Fe + ^s/₂ O₂ ^- Fe₂O₃ + 1756 kcal (III) Fe₂O₃ + Al -> Al₂O₃ + 7424 kcal (IV)

Nutzbare Enthalpie: 9180 kcal neg. T.

dazu: 1 kg 2 Fe erneut oxydationsbereit.

In der gleichen Art verlaufen auch die Redoxrvaktnnen der verwendeten Metalle Magnesium und Siiizium.

Als reine Leichimetallsauerstofflanze zum Einstechen in Stahlwerkstoffe reagiert aber auch:

Ti-Al, und mit dem Grundwerkstoff Fe exotherm und redoxreaktiv:

Ti f O₄-* Ti O₂

(V)

als Einleitung und unter Freisetzung von 4713 kcal, dazu: Oxydation des Fe nach Formeln 1, 2 und 3, mit Redoxreaktionen nach Formeln II und IV.

*~s ist der besondere Vorteil dieser Erfindung, daß die verwendeten Stoffe als Oxydationsmittel oder als Reduktionsmittel in bezug auf ihren jeweiligen Partner gewählt werden können.

Bezogen auf den jeweiligen Grundwerkstoff, der zur Bearbeitung vorliegt, findet bei Mineralien, die Siliziumdioxid führen und bei Verwendung eines Mg-haltigen Lanzenkernes zusätzlich folgende Reduktion statt:

2SiO₈ 4- 2Mg ■-> 2MgO + Si + 5 913 kcal/kg (VI) Si + O₂ -> SiO₂ + 7 475 kcal/kg (VIl)

Nutzbare Enthalpie: 13 388 kcal

neg. Tönung

Auch bei der Al-Verwendung erfolgt nach Ablauf der Formeln III und IV als dritter Reaktionsprozeß diese Silikatbildung:

Al₂O₃ + SiO₈ -> Al₂O₃ · SiO₂ SiI + 451 kcal/kg

Durch das Hinzufügen von Aluminium zu den Kerndrähten und Pulvern bekannter Lanzen soll durch diese Maßnahme die Brennleistung gesteigert werden. Dies ist nur in geringem Verhältnis anwendbar, weil durch die starke Wärmeableitung des Aluminiums die Brennflamme bis zum Erlöschen abgekühlt wird. Der prozentuale Anteil kann daher der Wert von etwa 20% nicht überschreiten.

Es ist der Vorteil der Erfindung, daß das Titan bei seiner Oxydation im Saueretoffstrom das angelagerte Aluminium zur nachfolgenden Reduktion aufheizt, so, daß eine größere Aluuinjummenge eingebracht werden kann. Somit ist es möglich, einen Aufschluß der Oxide in vollem stöchiometrischen Verhältnis zu erzielen.

Durch Versuche wurde bestätigt: Beim Abbrennen von Titan im Kern oxydiert dieses freibrennend in der Lanzenpackung und geht gleichzeitig ^ind anschließend an seine Entzündung brennend und losgetrennt in Stücken in die Fe-Schlacke über. Hierbei wird das benachbart angelagerte Aluminium bis zur flüssigen Form aufgeheizt und dann in die heiße Stahischlacke geführt.

Als reaktionsfördernde Maßnahme ist auch anzusehen, daß das Aluminium stückförmig verwendet wird. Dadurch, daß keine zusammenhängende Masse die Wärmeableitung physikalisch fördern kann, ist eine leichtere Aufheizung möglich.

Von besonderer Bedeutung ist die Anordnung der Metalle und Zusätze im Brennkern.

Verwendet wird ein Brennkern, der hohl ist. Dieser enthält die Metalle und Zusätze. Beim Gebrauch einer solchen Anordnung in einem Brennrohr ist es nicht möglich, daß der Inhalt vom Sauerstoffstrom ausgetrieben wird.

Ein solcher Brennkern kann auch verschiebbar im Brennrohr angeordnet sein und wird dazu durch ein Griffstück hindurchgeführt.

An den abgebildeten Ausführungsbeispielen wird die Hrfindung weiter erläutert. Es stellen dar

Fig 1 die schematische Anwendung des Verfahrens.

F i g. 2 der Schnitt durch die Spitze eines Brennelementes an einer Brennstelle,

Fig 3 die Schnitte von Brennrohren,

Fig. 4 den Schnitt eines Brennrohres mit hohlem Brennkern,

F i g. 5 ein Brennelement mit selbsttätiger Zustellung des Brennkernes,

Fig. 6 den mechanischen Vorschub bei einem Brennelement.

Zunächst zeigt die Fig. 1 die Anordnung eines Brennelementes 6 mit dem Brennrohr 2 und dem Brennkern 5 zum Lochstechen in den Grundwerkstoff 1. Hierbei kann der Brennkern 5 bei Bedarf in das Brennrohr 2 nach- und vorgeschoben werden.

In F i g. 2 wird der Brennvorgang mit einer Anlagerung von Aluminium 4 veranschaulicht. Dabei verbrennt im Sauerstoffstrom 7 der mit dem Brennrohr 2 eingebrachte Stahlwerkstoff unter Wärmeabgabe zu Schlacke 8. Das Titan 3 brennt gleichzeitig im Sauerstoffstrom 7 und heizt dabei das Aluminium 4 auf, das dann bereits reaktionsbereit in die Schlacke 8 getragen wird.

Auf dem gleichen Wege gelangt Titan 3 brennend in die Schlacke 8. Durch die fortlaufende Reduktion der Schlacke 8 entsteht hier eine Hochtemperatur, die den Bohrprozeß beschleunigt.

Die F i g. 3 zeigt verschiedene Anordnungen in einem Brennrohr 2 mit Titan 3 und Aluminium 4, die in Stückform angeordnet sind.

In der F i g. 4 ist ein Brennkern 5 in einem Brennrohr angeordnet. Der Brennkern 5 ist hohl und mit Metallen und Zusätzen gefüllt. Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung kann der Inhalt des Brennkerncs5 vom Sauerstoffstrom 7 nicht ausgetrieben werden.

Der Brennkern 5 kann in einem besonderen Falle

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verschiebbar angeordnet sein. Nach F i g. 5 ist im Griffstück 35 ein Ventil angeordnet. Dieses Ventil 12 ermöglicht das Hindurchführen des Brennkernes 5 durch das Griffstück 35 in das Brennrohr 2 hinein. In diesem Falle sind auf dem Brennkern 5 Verstärkungen 14 angeordnet. Dadurch wird der Bren vom Sauerstoff strom 7 nach vorne bewegt.

Die F i g. 6 zeigt den Vortrieb eines Brenn und des Brennkernes 5 in Verbindung mit ei chanischen Vortriebseinrichtung 30 und 31.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Durch einen nur einmal ablaufenden Oxydaticns- Patentansprüche: prozeß wird der eingebrachte Sauerstoff wenig genutzt und muß als hohes Angehot eingebracht werden.

1. Verfahren zaun thermischen Bohren und Loch- Redoxreaktionen sind bei diesem Verfahren zufallsstechen durch einen Oxydations-Redoxreaktions- 5 bedingt und können nicht voll stöchiometrisch geführt prozeß mittels eines sauerstoffbeaufschlagten werden.

Brennelementes, dadurch gekennzeich- Nach einem anderen bekannten Verfahren wird mit

net, daß Titan oder Titanlegierungen oder -ver- Metallpulvern gearbeitet, die als zusätzlicher Brennbindungen gemeinsam mit Eisen in einem Brenn- stoff mittels einer aufwendigen Einrichtung zugeführt element, gegebenenfalls mit Zusätzen von Leicht- io werden. Hierbei nutzbare Redoxreaktionen sind durch metallen verwendet werden, die in fester Stückform Abkühlungsvorgänge in der Brennschmelze begrenzt eingebracht werden* und wobei im FaüV4es Boh- sobald der Anteil des Aluminiums in den Pulverrens in eisenhaltigen Grundwerkstoffen ein eisen- mischungen gesteigert wird, freies Brennelement benutzt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu bedie-

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekenn- 15 nendes Brennelement vorzuschlagen, das sich durch zeichnet, daß Aluminium oder Magnesium oder eine hohe Streckenenergie auszeichnet, das bei kleinen Silizium zugesetzt wird. Lochdurchmessern zuverlässig arbeitet und wegen er-

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- höhter Leistung in seinen Abmessungen sehr klein gezeichnet, daß eine Mischung aus Aluminium, Ma- halten werden kann. Ein solches Brennelement soll gnesium und Silizium zugesetzt wird. 20 auch maschinell anwendbar sein.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, in Verbinzeichnet, daß einem eisenfreien Brennelement bei dung nait einem hohen Leichtmetallangebot einen Grundwerkstoffen, die Eisen enthalten, Leicht- Oxydations-Reduktionskreis zu bewirken, bei dem die metalle zugesetzt werden. Leichtmetalle in Stückfonn fest eingebracht werden

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, as können, ohne zwingend die Pulverform anwenden zu dadurch gekennzeichnet, daß das Titan und ge- müssen. Stahl dient hierbei zusätzlich als Oxydationsgebenenfalls die Leichtmetalle miteinander zum träger und Schlackebildner.

Eisen in einem angenäherten stöchiometrischen Der Reduktionswerkstoff Aluminium soll aus dieser

Verhältnis stehen. Stückfonn heraus durch eine Stahl-, Titan- oder Ma-

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens 30 gnesiumoxydation so hoch vorgeheizt werden, daß das nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- entstehende Schlackenbad nicht vor der einsetzenden zeichnet, daß ein Brennkern (S), der zur Einbrin- Reduktion abgekühlt wird, sondern die Reduktionsgung von Metallen und Zusätzen hohl ist, fest oder enthalpie schlagartig freisetzt. Titan dient hierbei als gegebenenfalls nachschiebbar im Brennrohr (2) an- Oxydationsträger durch seine Brennbarkeit im gasgeordnet ist. 35 förmigen Sauerstoff und ebenso als Reduktionsmittel

7. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch ge- durch seine Bindefähigkeit mit dem Sauerstoff der kennzeichnet, daß im Griffstück (35) ein Ventil (12) Stahloxide, die hierbei reduziert werden.

zum Nachschieben des Brennkernes (S) mit Ab- Aufgabe der Erfindung ist es auch, schnellbrennende

dichtverstärkungen (14) angeordnet ist. Titanteile in zerkleinerter Form als Metall. Legierung

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- 40 oder Verbindung zu verwenden und außerdem den kennzeichnet, daß eine mechanische Vortriebsein- Sauerstoffbedarf durch mehrmalige Nutzung erheblich richtung (30, 31) für den durch das Brennrohr (2) einzuschränken.

und das Griffstück (35) hindurchgeführten Brenn- Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen,

kern (5) vorgesehen ist. Leichtmetalle in einer Anordnung rrit Stahl und Titan

45 im Sauerstoffstrom zu einer thermischen Wirkung zu bringen, so, daß der Stahl die Schlacke liefert, die von den Leichtmetallen fortlaufend reduziert wird. Dem

Titan fällt hierbei die Aufgabe zu, durch seine hohe

Brenngeschwindigkeit in kurzer Zeit eine große Wärme-

50 menge freizusetzen und dabei angelagertes Aluminium

zur Reduktion der Stahlschlacke vorzuheizen. Es fällt

ihm aber auch gleichzeitig die Aufgabe zu, wie die

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- übrigen Leichtmetalle, als Reduktionsmittel für die richtung ^um thermischen Bohren und Lochstechen Stahlschlacke zu dienen.

durch einen angewandten Oxydations-Reduktionspro- 55 Dieser Prozeß setzt somit die Oxydationswärme des zeß nittels stückförmiger Leichtmetalle. Stahles frei, die zusätzlich mit der Reduktionswärme

Bekannt ist die Verwendung von Kernlanzen als der Leichtmetalle substituiert wird, wobei der Reduk-Brennelemente, die aus einem Stahlrohr mit einer tionsprozeß ohne zusätzlichen Sauerstoffbedarf ab-Stahldrahtfüllung bestehen, zum thermischen Loch- läuft.

stechen in Stahl und Gestein. Sie verbrennen im züge- 60 Währenddessen werden im Gegensatz hierzu beim führten Sauerstoffstrom mit einer Wärmeabgabe von Oxydationsvorgang der bekannten Sauerstofflanzen, etwa 1700 kcal/kg Fe. (Lit.: Elliot, I. F., und siehe auch: »Schweißen und Schneidens 1954, H. 3, M. G leiser: Thermochemistry for Steelmaking, S. 102 bis 105, im Höchstfälle 1756kcal pro kg Fe Addison Publishing Comp. Reading Massachusetts, freigesetzt. Je nach Oxydationsgrad fallen an: 1960, auch: Stahleisenkalender 1970, S. 159). 65

Bei einer Brenngeschwindigkeit von etwa 1000 mm/ Fe + "/· O₁ -*■ FeO + 1137 kcal/kg (1)

min wird nur eine geringe Wärmeleistung erreicht, die 3 Fe + 2 O₄ -*■ Fe₃O₄ + 1592 kcal/kg (2)

durch eine große Baulänge ausgeglichen wird. 2 Fe + ^S/*O, ->■ Fe₄O₃ + 1756 kcal/kg (3)