(57)【要約】  本発明は、ヘッドにノズル（１０）を配置された火炎バーナであって、ノズル（１０）が、リング状に配置されたガス供給通路（１１）と中央のガス供給開口（１２）とを有しており、この中央のガス供給開口は、ラバル管状の領域と、流れ方向においてこの領域に接続していて等しいままの直径を備えた安定化領域とを有している。金属表面を火炎処理するために、火炎バーナの中央のノズルを通して導かれる酸素ガスは、ノズル開口から流出する音速又は超音速の脈動する酸素流が形成されるように、振動させられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドにノズル（１０）を配置された火炎バーナであって、ノズル（１０）が、リング状に配置されたガス供給通路（１１，１１１，１１２）と中央のガス供給開口（１２）とを有している形式のものにおいて、
中央のガス供給開口（１２）が流れ方向（１３）において互いに連続した複数の領域、すなわち、
ａ）最小直径（ｄmin）にまで先細になる第１の領域（１２１）と、
ｂ）内周壁が前記最小直径（ｄmin）に比べて大きな直径（ｄｋ）にまで拡大する第２の領域（１２２）と、
ｃ）等しいままの横断面形状を備えた、有利には等しいままの円筒形の内径部を備えた、ノズル開口にまで達する第３の領域（１２３）とを有している
ことを特徴とする火炎バーナ。
【請求項２】
第１の領域（１２１）の長さ（L２）が第２の領域（１２２）の長さ（L３）よりも短い、請求項１記載の火炎バーナ。
【請求項３】
第３の領域（１２３）の直径（ｄｋ）が、第１の領域（１２１）の入口における最大の出発直径よりも小さい、請求項１又は２記載の火炎バーナ。
【請求項４】
３つの領域の直径と長さとが、ノズル出口端部においてガスがインパルス状につまり脈動しながら流出するように、互いに合わせられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の火炎バーナ。
【請求項５】
ノズル出口端部におけるパルス周波数が１００〜６５０Ｈｚである、請求項４記載の火炎バーナ。
【請求項６】
酸素圧と燃焼ガス圧が所定の値を有している場合、最大のガス流速度がマッハ２（音速の２倍）である、請求項４又は５記載の火炎バーナ。
【請求項７】
中央のガス供給開口（１２）が円形横断面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の火炎バーナ。
【請求項８】
ノズルヘッド（１０）が液体、特に水によって冷却されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の火炎バーナ。
【請求項９】
金属表面を火炎処理する方法であって、火炎バーナ（１０）の中央のノズルを通して導かれる酸素ガスを、ノズル開口から流出する音速又は超音速の脈動する酸素流が形成されるように、振動させることを特徴とする、金属表面をバーナ火炎によって処理する方法。
【請求項１０】
酸素ガス流が中央の流れと外周囲の流れとに分割されている、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
中央のノズルの前における酸素圧と周囲圧との比Ｎ＝圧力Ｐｏ／圧力Ｐｕが１〜２００であり、これに対してノズル流出面における酸素圧Ｐａと周囲圧Ｐｕとの比が０.１〜１００である、請求項９又は１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドにノズルを配置された火炎バーナであって、ノズルが、リング状に配置されたガス供給通路と中央のガス供給開口とを有している形式のものに関する。
【０００２】
本発明はまた、このような火炎バーナを用いて、金属表面を火炎処理する方法に関する。
【０００３】
上記形式の火炎バーナにおいて燃焼ガスは、リング状に配置されたガス供給通路を介してノズルヘッドに導かれ、このノズルヘッドにおいて燃焼ガスは、中央のガス供給部を介して運ばれた酸素と混合され、燃焼火炎を形成する。火炎バーナは、種々様々な使用目的のために使用される。例えば、鋳造によって形成されたスラブもしくは厚板の冷却時に、厚板表面には不都合な亀裂が発生するが、このような亀裂は表面処理によって除去されねばならない。同様なことは、例えば切断による厚板の加工時に生じるばりに対しても言える。火炎バーナは、このような表面のきずを除去するために、該当面に沿って案内され、このことは、手によって案内されるバーナ又は自動火炎装置によって行うことができ、自動火炎装置では制御可能なロボットアームに火炎バーナが固定されている。
【０００４】
表面処理用の加工コストは主として、加工時間とガス消費量とによって決定され、そして十分な表面品質が保証されねばならない。
【０００５】
本発明の課題は、可能な限り僅かな酸素消費量と加工時間とで、処理すべきワークの最適な表面品質を可能にする、火炎バーナ及び火炎バーナを用いた金属表面の処理方法を提供することである。
【０００６】
この課題を解決するために本発明では、請求項１に記載された火炎バーナと請求項９に記載された方法とが提案されている。
【０００７】
本発明のその他の構成は、請求項２以下の従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明による火炎バーナは、複数のガス供給通路を備えたノズルを有しており、ガス供給通路は中央のガス供給開口の周囲にリング状に配置されている。中央の酸素供給開口は流れ方向で見て少なくとも３つの連続した領域、すなわち、最小の内径である最小直径にまで先細になる第１の領域と、内周壁が前記最小直径に比べて大きな直径にまで拡大する第２の領域と、等しいままの横断面形状を備えた、有利には等しいままの円筒形の内径部を備えた、ノズル開口にまで達する第３の領域とを有している。内径の横断面は直径の臨界的な値にまで減じられ、この減じられた値に続いて、直径は拡大されている。等しいままの横断面形状を備えた第３の領域は、生ぜしめられたガス流形状を維持する安定化リングとして働く。このような構造形式を用いて脈動するガス噴流を生ぜしめることができ、このガス噴流は、ノズル出口端部において音速又は超音速を有している。ノズルの前における酸素圧と周囲圧との比、及びノズル流出面における酸素圧と周囲圧との比によって、ガスの形状が規定される。ノズル流出面における圧力が周囲圧よりも低い場合には、流出するガス噴流は、ノズルの後ろにおける開始区分において狭められた形状を有しており、これに対して逆の場合には、噴流形状は樽状に拡大することになる。ノズルの前における酸素圧とノズルからの流出時における酸素圧とがそれぞれ周囲圧に等しい場合には、流出するガスの開始区分の包絡面は直線的になる。
【０００９】
ノズルによって得られるパルス周波数と振幅とは、入口圧力、先細になる角度及び拡大する角度に依存している。等圧式でない乱れた超音速噴流は、速度場及び圧力場の強い三次元的な不均一性によって特徴付けられており、このような不均一性によって、不安定なもしくは不連続的の状態変化が生ぜしめられ、つまり大きな速度勾配をもつ層流のずれ及び圧縮衝撃が生ぜしめられる。ある一定の値以上で前記ノズルにおけるガス速度は、臨界的な最小のノズル横断面において局部的に音速に達し、この音速の超過時にパルス状に圧縮された領域と希薄化された領域とが脈動として発生する。このような衝撃波は、樽状の流れ構造を形成することができ、この流れ構造の連続した圧縮は、ノズル内における酸素圧と周囲圧との比と、ノズル流出面におけるガスの速度と音速との比であるマッハ数とに依存している。原則的に火炎バーナは、ラバル管の形式で形成されたノズルを有していて、第３の領域で「安定化リング」として共振器を形成している。
【００１０】
本発明の構成においては基本的に、第１の領域と第２の領域とが互いに密に連続しているが、両領域の間に短い部分が設けられていてもよく、この部分において最小の直径は変化しない。そしてこの短い部分において流速度は維持される。
【００１１】
本発明では中央のガス供給開口は、リング状に配置されたガス供給通路が終わっている開口によって規定された平面の少し前において終わっている。本発明の別の構成では、同軸的に配置された複数のガス供給通路リングが設けられていて、これらのガス供給通路リングが、中央の管の流出開口の後ろで異なった複数の平面において階段状に終わっている。
【００１２】
流れ技術的な理由から、第１の領域の長さは、第２の領域の長さよりも短く、有利には第３の領域の長さよりも短い。第３の領域は所望のインパルス特性もしくは脈動特性に応じて、第１及び第２の領域の全長に比べて長く選択することも、同じに選択することも又は短く選択することもできる。
【００１３】
本発明の別の構成では、第３の領域の直径は、第１の領域の入口における中央のガス供給開口の最大の出発直径よりも小さい。効果を最適にするのに有利な構成では、前記３つの領域の直径と長さとが、ノズル出口端部においてガスがパルス状に、有利には１００〜６５０Ｈｚのパルス周波数をもって流出するように、互いに合わせられている。酸素圧と燃焼ガス圧が所定の値を有している場合に、中央のガス供給開口において有利には、マッハ２の最大のガス流速度が得られる。
【００１４】
ノズルの横断面は円形に形成されていても又は同心的に形成されていてもよく、この場合特に、中央のガス供給開口が円形横断面を有していて、この円形横断面の周りに、少なくとも１つのリング、場合によっては２つのリングが延在していて、このリング上に、燃焼ガス用の別のガス供給開口が位置している。
【００１５】
基本的には従来技術に基づいて公知のように、ノズルヘッドは有利なように冷却され、この場合冷却液としては特に水が提供される。
【００１６】
例えば厚板の金属表面をバーナ火炎によって処理する本発明による方法では、火炎バーナの中央のノズルを通して導かれる酸素ガスを、ノズル開口から流出する音速又は超音速の脈動する酸素流が形成されるように、振動させるようにした。脈動する酸素流は、縦波（Laengswelle）から成っており、つまり酸素ガスの圧力圧縮部と圧力希薄部との周期的な連続から成っている。このようにすることによって、中央の酸素流が脈動するだけではなく、周期的に流入する燃焼ガスもまた振動させられる。その結果、酸素消費量が著しく節約され、火炎によって処理された金属ワークの表面が滑らかになる。有利には方法パラメータ、特に、ノズル内に流入する酸素流の圧力である酸素供給圧は、ノズルジオメトリに関連して、酸素ガス流が中央の流れと周囲の流れとに分割されるように、選択されている。中央のノズルの前における酸素圧と周囲圧との比Ｎ＝Ｐｏ／Ｐｕは、有利には１〜２００であり、これに対してノズル流出面における酸素圧Ｐａと周囲圧Ｐｕとの比は０.１〜１００である。
【００１７】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による火炎バーナのノズルを側面図と縦断面図とで示す図である。
【図２】ノズルを示す平面図である。
【図３】種々異なったガス流形状を備えた中央のガス供給開口を示す断面図である。
【００１９】
図１及び図２に示された火炎バーナのコア部材は、ヘッドに配置されたノズル１０であり、このノズル１０は、リング状に配置されたガス供給通路１１のそばに中央のガス供給開口１２を有している。図示の実施例では図２から良く分かるように、ガス入口開口１１１，１１２はそれぞれ、ガス供給開口１２の周りに同心的に延在する円周上に位置している。角距離αは数ｎによって３６０／ｎによって規定される。図示の実施例では図１から分かるように、ガス供給通路１１１，１１２はリング状のガス供給通路１１に通じている。通路１１２，１１１，１１は、燃焼ガス又は、酸素と燃焼ガスとから成る混合物を通し、これに対して中央のガス供給通路１２は酸素を運ぶために設けられている。
【００２０】
図示の全長Ｌにわたって、中央のガス供給開口１２は複数の領域L１，L２，L４，L３，LｋもしくはL１，Lｃ，Lｋに分割されており、これらの領域のうち最後に挙げた領域には特別な意味がある。ガス入口領域L１は、従来技術に基づいて公知のノズルにおいて使用される入口領域に相当している。これに対して、長さLｃにわたって延在する中央の第１供給通路１２のラバル管もしくは円錐ノズル状の形状は、新規である。このノズル形状を規定する領域において、ノズル内径は臨界的な最小直径ｄminにまで減じられ、この最小直径ｄminは長さL４にわたって維持される（図３も参照）。ガス流方向１３において接続する領域において、ガス供給開口１２の内周壁は、連続的に、大きな直径ｄｋにまで拡大され（図３参照）、この大きな直径は、ノズルの端部に到るまで残りの長さLｋにわたって維持される。具体的な実施例では以下の寸法が選択されている：L１＝４３ｍｍ、L２＝１０ｍｍ、L３＝２５ｍｍ、L４＝２ｍｍ、Lｋ＝７２ｍｍ。L１，L２，L３，L４が所定の酸素及び燃焼ガス圧において不変なままであるのに対して、長さLｋは、６５ｍｍ又は２５ｍｍに変化されても良い。
【００２１】
図３には、中央のガス供給開口のラバル管状に形成された領域及び安定化領域とが、断面図で示されている。ラバル管状の領域に流入する酸素は、圧力Ｐｏと温度Ｔｏを有している。このラバル管状の領域の出口、つまり長さ領域ＬＣの終端部には圧力ＰＡが存在する。図３において、ノズルが円錐形に先細になる第１領域は符号１２１で示されており、この第１領域１２１に続く円錐形のノズル拡大部の領域は符号１２２で示され、さらにその後ろに続くコンスタントな直径を備えた領域は符号１２３で示されている。図３のａ〜ｄには各入口圧力Ｐｏに応じて、種々異なったガス脈動が縦波として現れることが示されており、このガス脈動もしくは縦波において高圧と低圧とが交番する。図３からさらに分かるように、選択された入口圧力Ｐｏに応じて、周囲の燃焼ガス流によって取り囲まれている中央の酸素ガス流もまた狭く又は広く収縮・拡大する。長さLｋは、脈動する酸素流をどの程度安定化させることができかの決定的な要因である。
【００２２】
本発明による火炎バーナは手持ち式器具として形成することも、自動火炎装置として形成することもできる。酸素を中央の開口に導くのに使用される圧力は、５〜２０バールである。燃焼ガスとして使用される天然ガスは、主としてメタンから成っており、１〜５バールの圧力下で供給される。メタンはノズル入口１１１を介して供給され、供給されたメタンは、ノズル入口１１２を介して供給される酸素と混合されるので、外周囲においてはリング開口１１を介して酸素・メタン混合物がノズル出口端部に向かって流れる。酸素流の前記供給圧において中央の管路１１２において望まれている速度は、超音速の範囲にあることが望ましく、酸素圧及び燃焼ガス圧の所定の値においてマッハ２にまでになることが望ましい。
【００２３】
火炎バーナによる実験では下記の結果が得られた：
初めに、従来技術に基づいて公知の汎用のノズルを備えた第１の火炎バーナが、スラブもしくは厚板の表面を火炎処理するために使用された。中央のノズルを介して酸素が約１２×１０５Ｐａの圧力下で導入され、かつ外周囲に配置されたノズルを介して燃焼ガスが約２×１０５Ｐａの圧力下で導入された。
【００２４】
次いで、本発明によるノズルを備えた火炎バーナが使用された。生じる圧力脈動によって、反動はかなり大きなものになり、手持ち式器具を１２×１０５Ｐａの酸素圧で使用することは不可能であった。この理由に基づいて酸素圧は８×１０５Ｐａに減じられ、これに対して燃焼ガス圧は変わらずに維持された。
【００２５】
驚くべきことに、第１の場合には火炎作業において、３７０〜３９０ｍ３の酸素量が消費された。同じ火炎作業のために、本発明によるノズルを使用した場合には単に９０〜１００ｍ３の酸素量しか必要とされず、従って、本発明によるノズルを使用することによって、極めて多くの酸素ガスの節約を達成することができる。
【図１−２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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