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Verfahren zum Befüllen einer Brennkammer zum thermischen Behandeln von Werkstücken - Dokument DE10210738B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10210738B4 23.03.2006
Titel Verfahren zum Befüllen einer Brennkammer zum thermischen Behandeln von Werkstücken
Anmelder Extrude Hone GmbH, 42859 Remscheid, DE
Erfinder Conrad, Hans-Jürgen, 71277 Rutesheim, DE
Vertreter Kahlhöfer - Neumann - Herzog - Fiesser, Patentanwälte, 40210 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 12.03.2002
DE-Aktenzeichen 10210738
Offenlegungstag 09.10.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse B23D 79/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer Brennkammer mit einem Zündkanal zur thermischen Behandlung von Werkstücken, insbesondere zum thermischen Entgraten von Werkstücken, mit einem ein Brenngas und ein Oxidationsmittelgas umfassenden Gasgemisch.

Vorrichtungen zum thermischen Behandeln von Werkstücken, insbesondere thermische Entgratungsanlagen, sind aus einer ganzen Reihe von Druckschriften bekannt. Es sei hier lediglich beispielhaft auf die DE 33 20 806 C2, die DE 37 26 475 C1, die EP 0 087 505 B1, die EP 0 203 944 B1, die EP 0 211 848 B1 und die EP 0 216 806 B1 verwiesen.

Bei thermischen Entgratungsanlagen werden die zu entgratenden Werkstücke in den Brennraum einer Bearbeitungskammer eingebracht. Nach Verschließen der Kammer wird in den Brennraum eine zündfähige Mischung aus Brenngas, beispielsweise Methangas, und Oxidationsmittelgas, beispielsweise Sauerstoffgas, eingeleitet. Die Vermischung der Gaskomponenten erfolgt in einem an die Bearbeitungskammer angeflanschten Mischblock. Zur Einleitung des Gasgemischs dient ein Gaszuführkanal, der bei den bekannten Anlagen unmittelbar in den Brennraum mündet. Das Gasgemisch wird durch eine im Mischblock befindliche Zündkerze gezündet. Die Flammfront schreitet von der Zündstelle im Zündkanal des Mischblocks über den Gaszuführkanal in den Brennraum fort und entzündet das in ihm befindliche Gasgemisch. Der Vorgang läuft innerhalb weniger Millisekunden ab. Durch die freiwerdende Wärme treten im Brennraum Temperaturen von ca. 3.500°C auf. Kurz nach dem Zünden des Gasgemischs entstehen im Brennraum auf Grund der Explosion Drücke in der Größenordnung von 1.000 bar. Durch den resultierenden Hitzeschock, dem die Werkstücke ausgesetzt sind, werden bevorzugt deren Ecken und Kanten abgetragen, da diese Stellen bei großer Oberfläche und kleinem Volumen besonders viel Wärme aufnehmen und somit oxidiert bzw. verbrannt werden.

In den vorstehend aufgeführten Druckschriften wird unter anderem auch das Befüllen der Brennkammer mit dem Gemisch aus Brenngas und Oxidationsmittelgas beschrieben. Dabei wird jedoch auf das Problem einer Selbstentzündung des Gasgemischs allenfalls am Rande eingegangen. Bei der thermischen Behandlung von Werkstücken, insbesondere dem thermischen Entgraten von Werkstücken, entstehen, wie vorstehend beschrieben, Verbrennungsprodukte, insbesondere Oxide, die sich nicht nur in der Brennkammer, sondern auch im Zündkanal niederschlagen. Darüber hinaus werden die Wandungen von Brennkammer und Zündkanal durch die thermische Behandlung sehr stark aufgeheizt. Nach einem vorangegangenen thermischen Behandlungszyklus kann es daher bei der erneuten Befüllung der Brennkammer mit dem Gasgemisch zu dessen ungewollter Selbstzündung (Frühzündung) kommen.

Zur Vermeidung derartiger Selbstzündungen wurden der Zündkanal und die Brennkammer während der Öffnung der Kammer zum Werkstückwechsel mit Druckluft ausgeblasen, um die heißen Wandungen zu kühlen und die Verbrennungsprodukte zu kühlen bzw. aus der Kammer auszutragen. In den vorstehend angegebenen Druckschriften sind die hierfür erforderlichen Druckluft-Leitungen nebst zugehöriger Steuerventile weder beschrieben noch dargestellt, da sich diese Druckschriften jeweils mit einer anderen speziellen Problematik befassen.

Darüber hinaus offenbart die DE 197 43 076 C1 ein Verfahren, bei dem die Brennkammer mit zumindest einer Komponente des Prozessgases gespült wird, um in der Brennkammer befindliche Luft zu entfernen. Hierzu ist die Brennkammer mit einem Luftauslass versehen, der geöffnet ist, wenn die Beaufschlagung der Brennkammer mit Spülgas beginnt und solange offen bleibt, bis die Luft verdrängt ist. Nach Beendigung des Spülgangs wird das Auslassventil geschlossen. Danach wird die andere Prozessgaskomponente eingeleitet, wobei sich in der Entgratungskammer ein Überdruck ergibt. Damit ist klar, dass die gesamte Brennkammer geflutet wird, wobei ein Teil des Prozessgases durch das Auslassventil austritt. Erst nach dem Spülen wird das Auslassventil geschlossen, so dass sich eine Druckerhöhung durch das Prozessgas erst jetzt einstellt.

Die DE 37 44 097 C2 offenbart eine speicherprogrammierbare Steuerung zum Betrieb einer thermischen Entgratungsanlage. Dort wird insbesondere darauf hingewiesen, dass das zur Zündung erforderliche Gasgemisch mittels eines speziellen Dosierzylinders einer Mischkammer zugeführt wird.

Schließlich sei noch die DE 37 26 475 C1 genannt, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Menge eines in eine Bearbeitungskammer für Materialien einzubringenden explosiven Gasgemischs betrifft. Dabei wird vorgeschlagen, dass in die mit Material bestückte geschlossene Kammer zunächst eine vorgegebene geringe Menge eines Gases oder Gasgemisches eingelassen wird, und dass aus der Differenz zwischen Anfangsdruck und Fülldruck ein Signal über das Volumen des in der Kammer befindlichen Materials gewonnen wird, an Hand dessen die Menge des nachfolgend einzubringenden explosiven Gasgemisches bestimmt wird. Das hat den Vorteil, dass das jeweilige Volumen des in die Bearbeitungskammer eingebrachten, zu bearbeitenden Materials selbsttätig bestimmt und gegebenenfalls die einzubringende Gasgemischmenge entsprechend angepasst wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe die Gefahr einer Selbstentzündung des der Brennkammer zugeführten Gasgemischs reduziert, wenn nicht gar vollständig ausgeräumt wird, ohne dass hierzu ein Spülen mit Druckluft erforderlich wäre.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Befüllen einer Brennkammer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen beschrieben. Demnach wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei dem nach dem Schließen der Brennkammer der Zündkanal und die Brennkammer zur Kühlung derer Wandungen zunächst nur mit Oxidationsmittelgas befüllt und das Brenngas erst ab einem späteren Zeitpunkt zugeführt wird.

Das Oxidationsmittelgas kühlt dabei die Wandungen von Zündkanal und Brennkammer sowie nach dem Schließen der Brennkammer etwaig verbliebene Oxide ab. Die Abkühlung erfolgt dabei zum einen auf Grund der niedrigen Temperatur (üblicherweise Raumtemperatur) des Oxidationsmittelgases sowie ggf. zusätzlich durch adiabatische Abkühlung des Oxidationsmittelgases, beispielsweise auf Grund einer Entspannung nach dem Durchtritt durch eine Drosselstelle (Ventil). Ab dem späteren Zeitpunkt strömt dann auch das Brenngas zusammen mit dem restlichen Oxidationsmittel zur Brennkammer. Dabei trägt die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases dazu bei, dass sich dieses während der für den Füllvorgang noch verbleibenden Zeit ausreichend mit dem vorausgeeilten Oxidationsmittelgas vermischt. Nach Abschluss des Füllvorgangs kann das Gasgemisch ganz normal, d.h. beispielsweise mittels einer Zündkerze, gezündet und somit die thermische Behandlung des Werkstücks eingeleitet werden.

Gemäß Vorstehendem wird somit die zur Vermeidung einer Selbstzündung erforderliche Kühlung der Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken einzig und allein mittels der zur thermischen Behandlung ohnehin erforderlichen Gase bewerkstelligt. Daher kann auf eine gesonderte Zufuhr von Druckluft verzichtet werden. Dies bringt nicht nur Einsparungen bei den Herstellungs- und Wartungskosten der Anlage, sondern reduziert auch den Raumbedarf der so ausgestatteten Anlage zur thermischen Behandlung von Werkstücken. Schließlich werden durch das erfindungsgemäße Verfahren auch die Prozesskosten gesenkt, da nicht ein zusätzliches Gas, nämlich Luft, komprimiert werden muss, um die Vorrichtung mit Druckluft spülen zu können, sondern weil die ohnehin erforderliche Zufuhr von Oxidationsmittelgas gleichzeitig zum Spülen der Vorrichtung genutzt wird.

Um das erfindungsgemäße Verfahren steuerungstechnisch möglichst einfach in die Praxis umsetzen zu können, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass das Oxidationsmittelgas zunächst durch Entspannen eines vorgegebenen und unter einem vorbestimmten Druck stehenden Volumens an Oxidationsmittelgas und gewünschtenfalls anschließend durch Verkleinern des vorgegebenen Volumens zugeführt wird. Hierdurch wird es möglich, zur Zuführung des Brenngases und des Oxidationsmittelgases weiterhin Zylinder-Kolben-Aggregatemitgekoppelten Kolbenstangen einzusetzen. Die Vorspülung der Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken mit Oxidationsmittelgas kann dabei dadurch erreicht werden, dass man ein das Arbeitsvolumen des dem Oxidationsmittelgas zugeordneten Zylinder-Kolben-Aggregats absperrendes Ventil früher öffnet als ein entsprechendes das Arbeitsvolumen für Brenngas absperrendes Ventil. Zu dem späteren Zeitpunkt kann dann auch dieses Ventil geöffnet und das Brenngas und die Restmenge an Oxidationsmittelgas durch Verlagerung der gekoppelten Kolben in die Brennkammer ausgeschoben werden.

Die Zufuhr des Brenngases kann entweder durch eine zeitabhängige oder eine druckabhängige Steuerung zu dem vorstehend angesprochenen späteren Zeitpunkt eingeleitet werden, d.h. mit der Zufuhr des Brenngases wird entweder begonnen, nachdem seit dem Beginn der Zufuhr von Oxidationsmittelgas eine vorbestimmte Zeitdauer vergangen ist, oder begonnen, wenn der Druck in einer Zufuhrleitung für das Oxidationsmittelgas auf einen vorbestimmten Druck abgefallen ist.

Eine ausreichende Kühlung der Wandungen von Zündkanal und Brennkammer kann bereits erreicht werden, wenn zwischen dem Beginn der Zufuhr des Oxidationsmittelgases und dem Beginn der Zufuhr des Brenngases höchstens etwa 5 Sekunden, vorzugsweise zwischen etwa 1 Sekunde und etwa 2 Sekunden, vergangen sind.

Das Oxidationsmittelgas kann vorzugsweise Sauerstoffgas sein, während das Brenngas beispielsweise Methangas oder/und Erdgas oder/und Wasserstoffgas umfassen kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung geeignet, welche eine Steuereinheit umfasst, welche dazu ausgelegt ist, dass der Brennkammer nach deren Schließen zunächst nur das Oxidationsmittelgas und das Brenngas erst ab einem späteren Zeitpunkt zugeführt wird. Hinsichtlich der Weiterbildungsmöglichkeiten dieser Vorrichtung, insbesondere deren Steuereinheit, und der damit erzielbaren Vorteile sei auf die vorstehende Diskussion des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es stellt dar:

1 eine grobschematische Darstellung einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken.

In 1 ist eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Werkstücken ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfasst eine Brennkammer 12, die mittels eines Tellers 14 verschließbar ist. Der Teller 14 kann in Richtung des Doppelpfeils P gehoben und gesenkt werden. In der abgesenkten Stellung des Tellers 14, d.h. im geöffneten Zustand der Brennkammer 12 kann ein der thermischen Behandlung zu unterziehendes Werkstück 16 auf dem Teller angeordnet werden, woraufhin der Teller 14 zum Schließen der Brennkammer 12 wieder angehoben wird. Anschließend wird die Brennkammer 12 mit einem Brenngas-Oxidationsmittelgas-Gemisch gefüllt, das dann zur Einleitung der thermischen Behandlung des Werkstücks 16 mittels einer grobschematisch angedeuteten Zündkerze 18 gezündet wird.

Das Brenngas B, im vorliegenden Fall Methangas, und das Oxidationsmittelgas O, im vorliegenden Fall Sauerstoffgas, werden in Vorratsbehältern 20, 22 bereitgestellt, die über Absperrventile 24, 26 geöffnet bzw. geschlossen werden können. Über Zuführleitungen 28, 30 stehen die Vorratsbehälter 20, 22 mit Arbeitsräumen 32, 34 einer als Zylinder-Kolben-Aggregat ausgebildeten Dosiereinrichtung 36 in Verbindung. Die Arbeitsräume 32, 34 können mittels Absperrventilen 38, 40 geöffnet bzw. geschlossen werden. Wie viel Brenngas bzw. Oxidationsmittelgas in die Arbeitsräume 32, 34 eingeleitet wird, kann mittels Druckregelventilen 42, 44 festgelegt werden, die in den Leitungen 28, 30 angeordnet sind. Ferner sind in den Zuleitungen 28, 30 noch Filter 46, 48 vorgesehen.

Die Dosiereinrichtung 36 umfasst neben den Arbeitskammern 32, 34 ferner eine Antriebskammer 50. In allen drei Kammern 32, 34, 50 sind Kolben 32a, 34a, 50a aufgenommen, die über eine Kolbenstange 52 betriebsmäßig fest miteinander verbunden sind. Von der Dosiervorrichtung 36 führen Zuführleitungen 54, 56 zu einer in 1 lediglich grobschematisch dargestellten Mischkammer 58, welche mit der Brennkammer 12 über einen Zündkanal 60 verbunden ist. Die Zündkerze 18 ist im Bereich dieses Zündkanals 60 angeordnet. In den Leitungen 54, 56 sind ferner Absperrventile 62, 64 und Rückschlagventile 66, 68 angeordnet.

Die Ventile 38, 40, 62, 64 können elektrisch geöffnet werden. Die Rückstellung dieser Ventile in ihre geschlossene Stellung kann durch Federkraft oder/und elektrisch oder/und hydraulisch erfolgen.

Bei der Befüllung der Brennkammer 12 mit einem Gemisch aus Brenngas und Oxidationsmittelgas wird unter dem Einfluss einer lediglich schematisch dargestellten Steuereinheit 70 wie folgt vorgegangen: Zunächst werden die Arbeitsräume 32, 34 über die Leitungen 28, 30 von den Vorratsbehältern 20, 22 her mit Brenngas bzw. Oxidationsmittelgas gefüllt, wobei die Kolben 32a, 34a erforderlichenfalls unterstützt durch entsprechende Beschickung der Arbeitskammer 50 mit Hydraulik- oder Pneumatikfluid in die in 1 dargestellte linke Stellung bewegt werden. Die in den Arbeitskammern 32, 34 jeweils aufgenommene Menge an Brenngas bzw. Oxidationsmittelgas wird zum einen durch das Volumen der Arbeitsräume 32, 34 und zum andern durch den in den Arbeitsräumen 32, 34 herrschenden Gasdruck bestimmt, welcher über die Drucksteuerventile 42, 44 beeinflusst werden kann. Nach Erreichen des gewünschten Füllzustands der Arbeitsräume 32, 34 werden diese mittels der Ventile 38, 40 geschlossen.

Zum Transfer der Gase in den Brennraum 12 wird nun zunächst das Ventil 64 geöffnet, um einen Transfer des Oxidationsmittelgases aus dem Arbeitsraum 34 über die Zuführleitung 56, die Mischkammer 58 und den Zündkanal 60 in den Brennraum zu ermöglichen. Durch das kühle und sich zudem adiabatisch entspannende Oxidationsmittelgas werden die heißen Wandungen des Zündkanals 60 und des Brennraums 12 gekühlt. Das Ventil 62 ist hingegen zunächst noch geschlossen.

Ist seit dem Öffnen des Ventils 64 eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise eine oder zwei Sekunden vergangen, so wird von der Steuereinheit 70 das Ventil 62 geöffnet, so dass nunmehr auch das Brenngas in die Brennkammer 12 eingeleitet wird. Darüber hinaus wird der Kolben 50a der Dosiervorrichtung 36 und mit diesem auch die Kolben 32a und 34a in 1 nach rechts bewegt, so dass das in der Dosiervorrichtung 36 vorhandene Brenngas und Oxidationsmittelgas nahezu vollständig in die Brennkammer 12 übergeführt wird. Nicht zuletzt auf Grund dieser mechanischen/hydraulischen Unterstützung ist die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases so groß, dass es sich trotz des "Vorsprunges" des Oxidationsmittelgases ausreichend gut mit diesem vermischt, um eine ordnungsgemäße Zündung und ein gleichmäßiges Abbrennen des Brenngas-Oxidationsmittelgas-Gemischs zu gewährleisten. Schließlich kann das Gasgemisch mittels der Zündkerze 18 gezündet werden, um das Werkstück 16 in der gewünschten Weise mittels des brennenden Gasgemischs thermisch zu behandeln, beispielsweise zu entgraten.

Alternativ zu der vorstehend beschriebenen zeitabhängigen Steuerung kann die Steuereinheit 70 die Zufuhr des Brenngases B auch in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses eines Drucksensors 72 einleiten. Der Drucksensor 72 erfasst dabei den in der Zufuhrleitung 56 herrschenden Druck des Oxidationsmittelgases 0. Mit der Zufuhr von Brenngas B wird dabei erst dann begonnen, wenn nach dem Öffnen des Ventils 64 der Oxidationsmittelgas-Druck einen vorbestimmten Druckwert unterschritten hat.

Nach Abschluss der thermischen Behandlung wird der Teller 14 abgesenkt, um das Werkstück 16 aus dem Brennraum 12 entnehmen zu können.

Soll das Werkstück 16 mehrfach thermisch behandelt werden, so braucht nach einem ersten Behandlungszyklus der Brennraum 12 nur kurzzeitig geöffnet zu werden, um den Überdruck der durch die Verbrennung entstandenen Gase entweichen zu lassen. Anschließend kann der vorstehend beschriebene Füll- und Brenn-Zyklus wiederholt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Befüllen einer Brennkammer (12) mit einem Zündkanal (60) zur thermischen Behandlung von Werkstücken (16), insbesondere zum thermischen Entgraten von Werkstücken, mit einem ein Brenngas (B) und ein Oxidationsmittelgas (O) umfassenden Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schließen der Brennkammer (12) der Zündkanal (60) und die Brennkammer (12) zur Kühlung derer Wandungen zunächst nur mit Oxidationsmittelgas (O) befüllt, und das Brenngas (B) erst ab einem späteren Zeitpunkt zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkanal (60) und die Brennkammer (12) zunächst nur mit einem Teil des zur thermischen Behandlung erforderlichen Oxidationsmittelgases (O) befüllt und das Brenngas zusammen mit dem restlichen Oxidationsmittelgas (O) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zunächst zugeführte Oxidationsmittelgas (O) eine niedrige Temperatur hat, üblicherweise Raumtemperatur.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittelgas (O) zunächst durch Entspannen eines vorgegebenen und unter einem vorbestimmten Druck stehenden Volumens (34) an Oxidationsmittelgas (O) und gewünschtenfalls anschließend durch Verkleinern des vorgegebenen Volumens (34) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Beginn der Zufuhr des Oxidationsmittelgases (O) und dem Beginn der Zufuhr des Brenngases (B) höchstens etwa 5 Sekunden, vorzugsweise zwischen etwa 1 Sekunde und etwa 2 Sekunden, vergehen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Brenngases (B) unter dem Einfluss einer zeitabhängigen oder druckabhängigen Steuerung eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittelgas (O) Sauerstoffgas umfasst.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas (B) Methangas oder/und Erdgas oder/und Wasserstoffgas umfasst.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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