МНОГОПЛАМЕННАЯ ГОРЕЛКА И СПОСОБ НАГРЕВА ЗАГОТОВКИ
MULTIFLAME TORCH AND METHOD OF BLANK HEATING

Изобретение касается многопламенной горелки, имеющей горелочные головки и предусмотренные для них соединительные трубы, которые выполнены для того, чтобы при питании топливом создавать по меньшей мере одно пламя горелки, ориентированное по оси факела пламени, а также способа нагрева заготовки, в частности трубы или трубы большого диаметра с помощью соответствующей многопламенной горелки.
Уровень техники
В различных материалообрабатывающих и производственных процессах требуется подогрев заготовок. При этом настоящая заявка касается, прежде всего, подогрева при сварке. Однако, в принципе, изобретение может применяться и в других процессах, в которых желательно внесение тепла посредством пламен.
В известных способах сварки подогрев предназначенных для сварки заготовок осуществляется в различных целях. Основная опасность при недостаточном подогреве заключается в так называемом водородном охрупчивании зоны теплового воздействия. Также способные к превращению стали при повышенных скоростях охлаждения, которые возникают без подогрева, склонны при этом к подкалке. Отсюда получается повышенная склонность к образованию холодных трещин в области стыка заготовки. Эти недостатки, например, при сварке труб с возрастанием диаметра тоже увеличиваются. Поэтому одной из предпочтительных областей применения настоящего изобретения является подготовка труб большого диаметра к последующему процессу сварки посредством подогрева.
Достигаемая твердость и вместе с тем опасность холодных трещин при этом, по существу, зависима от толщины предназначенной для обработки заготовки, от двух- или трехмерного отвода тепла, от имеющихся легирующих элементов и их содержания, от соответствующего внесения тепла при данном способе сварки и/или от температуры конструктивных элементов. На последнее может влиять подогрев. Подогрев уменьшает скорость охлаждения области шва и улучшает эффузию кислорода. Кроме того, он благоприятно сказывается на состоянии возникающих при сварке внутренних напряжений сварного соединения.
В каждом случае может определяться требуемая температура подогрева и в зависимости от этого определяться тепло, которое должно вноситься, и/или применение соответствующего устройства подогрева. В частности, основная вязкость материала, его толщина стенки, форма шва, применяемая технология сварки и скорость сварки должны учитываться при определении температуры подогрева.
В принципе, подогрев требуется при температурах обработки ниже 5°С и при превышении определенных предельных толщин (прежде всего у высокопрочных сталей). Температура подогрева составляет, например, от 80 до 200°С.
Для подогрева заготовок перед сваркой, как правило, предпочтительно применяются многопламенные горелки, которые по поясненным ниже причинам эксплуатируются, например, с топливными смесями, содержащими ацетилен и кислород, или, соответственно, содержащими ацетилен и сжатый воздух. Подогрев происходит для подготовки близкой к шву области на заготовке (например, трубе или трубе большого диаметра) к последующему выполнению сварного шва в этой предварительно нагретой и, поэтому, вначале процесса сварки уже теплой области (теплый означает здесь по меньшей мере теплее окружающего воздуха).
В частности, при подогреве труб большого диаметра требуется концентрированное внесение тепла в близкую к шву область, без оплавления поверхности заготовки и без оставления остатков влаги от остаточного газа пламени. Возникающее при концентрированном внесении тепла большое количество горячих остаточных газов нагружает, однако, в зависимости от расположения горелки, саму горелку. Из-за этого применяемые горелочные головки при известных условиях получают термические повреждения. Это относится, в частности, к неквалифицированному обслуживанию и юстировке. Соответствующие меры безопасности являются трудоемкими.
В этой связи трубы с диаметром в пределах от 1 до 12 метров называются трубами большого диаметра.
Поэтому существует потребность в улучшенных возможностях нагрева заготовок, в частности труб или труб большого диаметра, которые не имеют этих недостатков и являются надежными в обслуживании.
Описание изобретения
В этой связи изобретение предлагает многопламенную горелку, имеющую горелочные головки и предусмотренные для них соединительные трубы, которые выполнены для того, чтобы при питании топливом создавать по меньшей мере одно пламя горелки, ориентированное по оси факела пламени, а также способ нагрева заготовки, в частности трубы или трубы большого диаметра с применением соответствующей многопламенной горелки с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Поставленная задача решается при этом за счет того, что по меньшей мере половина соединительных труб выполнены коленчатыми, так что оси факелов пламени каждой из расположенных рядом друг с другом горелочных головок ориентированы под углом друг к другу.
Изобретение описано в основном с точки зрения подогрева труб или труб большого диаметра, однако оно не ограничено ими, так как оказалось, что настоящее изобретение с особым преимуществом может также применяться вообще в строительстве крупных резервуаров для подогрева отдельных конструктивных элементов или конструктивных узлов.
Предпочтительно многопламенная горелка выполнена так, что все соединительные трубы выполнены коленчатыми.
Особенно предпочтительно многопламенная горелка выполнена так, что коленчатые соединительные трубы имеют угол изгиба в пределах от 30 до 60°, предпочтительно приблизительно 45°.
С особым преимуществом многопламенная горелка отличается тем, что соединительные трубы посредством винтового соединения соединены каждая с возможностью вращения с одним соединительным патрубком, причем соединительные патрубки на своем соответственно другом конце прикреплены к одному общему питающему каналу и могут питаться топливом через этот общий питающий канал.
По одному из предпочтительных усовершенствований изобретения горелочные головки предусмотрены по меньшей мере двумя группами (А и В) горелочных головок, при этом горелочные головки по меньшей мере одной первой группы (А) расположены соответственно с чередованием с горелочными головками по меньшей мере одной другой группы (В), и оси факелов пламени горелочных головок по меньшей мере одной первой группы ориентированы под углом к осям факелов пламени горелочных головок по меньшей мере одной другой группы.
Целесообразным образом горелочные головки внутри каждой группы расположены соответственно в одном направлении или параллельно друг другу.
Таким образом, может быть предпочтительно выполнять горелочные головки по меньшей мере двумя группами, причем эти горелочные головки указанных по меньшей мере двух групп соответственно расположены с чередованием и оси факелов пламени горелочных головок по меньшей мере в одной или каждой группе соответственно ориентированы иначе, чем оси факелов пламени по меньшей мере одной или каждой другой группы. Например, оси факелов пламени внутри каждой группы могут быть расположены параллельно. Это делает возможным особенно простое серийное производство.
По одному из предпочтительных усовершенствований изобретения горелочные головки имеют каждая оси пламен, которые наклонены относительно перпендикуляра к центральной линии питающего канала в осевом и/или в радиальном направлении, предпочтительно соответственно расположенные рядом друг с другом горелочные головки наклонены друг к другу под углом от 5 до 45°.
Соответствующая многопламенная горелка предпочтительно выполнена так, что оси факелов пламени расположенных рядом друг с другом горелочных головок всегда расположены, скрещиваясь друг с другом. Они могут быть, например, под углом от 5° до 45° наклонены в осевом направлении или радиально относительно перпендикуляра к центральной оси. Соответственно выбранные углы зависят, в частности, также от требований каждого процесса нагрева. В частности, при требуемом большом локальном нагреве необходимо более узкое угловое положение. Если образовавшиеся остаточные газы должны отводиться особенно эффективно, возможны углы большего размера.
Целесообразным образом многопламенная горелка имеет устройство снабжения газом, которое выполнено для того, чтобы питать многопламенную горелку по меньшей мере одним газообразным топливом, причем это устройство снабжения газом предпочтительно выполнено для того, чтобы питать многопламенную горелку топливной смесью, содержащей ацетилен, особенно предпочтительно смесью ацетилена и (сжатого) воздуха или смесью ацетилена и кислорода, в качестве указанного по меньшей мере одного газообразного топлива.
Предпочтительно предусмотрено по меньшей мере одно устройство снабжения газом, которое выполнено для того, чтобы питать многопламенную горелку по меньшей мере одним газообразным топливом. Это устройство предпочтительно выполнено с возможностью регулирования, так что внесенная в каждом случае тепловая мощность может регулироваться и/или благодаря предоставлению соответственно подобранных смесей газа обеспечена особенно предпочтительная адаптация к предназначенному для сварки материалу.
Предлагаемая изобретением многопламенная горелка по другому предпочтительному варианту осуществления имеет по меньшей мере 4, 6 или 8 горелочных головок. Предпочтительно горелочные головки расположены на расстоянии от 5 до 15 см друг от друга. Соответствующие расстояния зависят от равномерности нагрева, который должен достигаться, и/или допустимой температуры горелочных головок.
По другому предпочтительному варианту осуществления горелочные головки имеют горелочные форсунки, причем эти горелочные форсунки каждых соседних горелочных головок расположены со смещением на 1-10 см относительно общей центральной линии между горелочными форсунками. Как также поясняется подробнее ниже в связи с фигурами, источники каждого из факелов пламени находятся при этом на заданных расстояниях друг от друга, так что дополнительно уменьшается взаимное влияние горелочных головок.
Оказалось, что для многих целей применения особенно предпочтительная длина совокупности горелочной головки и соединительной трубы находится в пределах от 8 до 25 см.
Одно из предпочтительных усовершенствований настоящего изобретения предусматривает, что многопламенная горелка имеет питающий канал, который выполнен в виде изогнутого ствола, причем этот изогнутый ствол предпочтительно изготовлен, по существу, из высококачественной стали.
Питающий канал, который также может называться стволом или еще, иначе выражаясь, также трубопроводом, целесообразным образом для подачи топлива изготовлен из металлического материала. Благодаря изогнутому исполнению он приобретает очень предпочтительную для настоящего изобретения возможность адаптации к форме, предназначенной для подогрева заготовки, то есть, например, к округлости, предназначенной для подогрева трубы большого диаметра. Технологически в качестве металлического материала для такого изогнутого исполнения особенно подходит высококачественная сталь.
Предпочтительно в соответствующей многопламенной горелке, как упомянуто, горелочные головки с ориентированными под углом друг к другу осями факелов пламени соответственно с чередованием прикреплены к одному общему питающему каналу и могут питаться через этот канал. Питающий канал служит при этом одновременно в качестве распределителя топлива и крепежного устройства для горелочных головок. Соответствующий питающий канал может быть, например, искривлен и благодаря этому адаптирован к форме предназначенной для нагрева заготовки. При изготовлении предлагаемой изобретением многопламенной горелки питающий канал предпочтительно деформируется так, что он копирует соответствующую форму заготовки. Это значит, что, например, целесообразен сегмент круга, который имеет ту же самую центральную точку, что и предназначенная для подогрева труба (большого диаметра), и изгиб, адаптированный соответственно большему радиусу (радиус трубы плюс радиальное расстояние между трубой и питающим каналом). Кроме того, другие формы также могут быть предпочтительными и значимыми для изобретения.
Возможность адаптации многопламенной горелки к форме предназначенной для подогрева заготовки, в частности к диаметру предназначенных для нагрева труб, является существенным преимуществом настоящего изобретения по сравнению с уровнем техники.
В отношении способа поставленная задача решается с помощью способа для подогрева заготовки, в частности трубы или трубы большого диаметра, при котором применяется многопламенная горелка, и созданные посредством этой многопламенной горелки факелы пламени горелки направляются на заготовку. Предлагаемый изобретением способ выигрывает от поясненных выше и ниже преимуществ, на которые поэтому может делаться специальная ссылка.
Другие преимущества изобретения
Горелочные головки в соответствии с изобретением, чередуясь, перекрещиваются друг с другом, так что образовавшиеся факелы пламени соответственно направлены друг от друга. Поэтому образовавшиеся от факелов пламени горячие газы не могут взаимно повреждать горелочные головки.
Обычно соответствующие горелочные головки установлены на одном общем питающем канале в виде трубопровода. Этот канал может быть прямым или произвольно искривленным и имеет центральную ось, которая, в зависимости от исполнения, также является прямой или искривленной. Предпочтительно ориентация осей факелов пламени при этом такова, что они наклонены каждая относительно перпендикуляра к центральной оси в месте установки в осевом (то есть в продольном направлении относительно питающего канала) и/или в радиальном направлении (то есть поперек к нему). Наклон расположенных рядом друг с другом горелочных головок при этом предпочтительно противоположен по меньшей мере в одном из этих направлений. Это может означать, что горелочные головки установлены радиально под углом, чередуясь в направлении и против направления часовой стрелки относительно оси питающего канала.
Одним из существенных аспектов настоящего изобретения является при этом отличающееся от уровня техники расположение или, соответственно, ориентация горелочных головок и вместе с тем направление факелов пламени и остаточных газов. Остаточный газ вследствие наклонного положения горелок направляется так, что их основные факелы пламени функциональным образом попадают на близкую к сварному шву область, но поток остаточного газа не нагревает эту или, соответственно, расположенные рядом горелки. Для этого, как поясняется ниже, предпочтительно возможны и должны соблюдаться заданные угловые положения горелок относительно друг друга. Эти положения получаются предпочтительно вследствие коленчатого исполнения соединительных труб и при известных условиях вследствие ориентации соединительных труб на вращающемся винтовом соединении.
При этом изобретение обеспечивает возможность внесения максимальной тепловой мощности в небольшом пространстве, в частности, на вращающуюся, со своей стороны, трубу большого диаметра. Несмотря на более концентрированное внесение тепла, чем в устройствах по уровню техники, опасность нагрева горелки даже при неправильном обслуживании сокращается до минимума. Благодаря этому уменьшаются периоды простоев и снижается потребность в ремонте, что делает соответствующие способы экономически предпочтительными. Относительно предназначенной для внесения тепловой мощности благодаря предложенным изобретением мерам получается значительно сниженный вес горелки.
Достигаемые в целом сниженные затраты на горелки и более эффективное использование соответствующей горелки приводят к экономическим преимуществам по сравнению с известными устройствами, в частности в строительстве крупных резервуаров.
Предпочтительно, как уже упомянуто, соответствующая многопламенная горелка может питаться ацетиленовой смесью, в частности смесью ацетилена и кислорода, так что также с помощью предлагаемой изобретением горелки могут использоваться преимущества известных ацетиленовых способов. Как известно, особенно горячее, концентрированное пламя ацетилена и кислорода на поверхности заготовки дает быстрый подъем температуры и способствует аккумуляции тепла внутри заготовки с большим градиентом температуры, так что локально может вноситься большое количество тепла. Однако могут также применяться, например, факелы пламени из ацетилена и сжатого воздуха и/или горелки для ацетилена и всасываемого воздуха. Факелы пламени из ацетилена и сжатого воздуха работают мягко и бережно, однако все же интенсивно и экономично. Они могут очень хорошо регулироваться по всей области возможного образования смеси ацетилена и воздуха и в значительной степени безопасны в отношении обратных ударов пламени. Благодаря этому получаются преимущества охраны труда. Однако вследствие достигаемой более низкой температуры поверхности достигается хороший прогрев заготовки. Еще более низкие градиенты температуры могут достигаться у вышеназванных горелок с всасыванием воздуха, которые работают по принципу Бунзена.
Предпочтительно поясненные многопламенные горелки в целом имеют по меньшей мере 4, 6 или 8 горелочных головок. При этом получаются преимущества по сравнению с известными до сих пор подогревательными горелками с тройной головкой, потому что в каждый момент времени может нагреваться большего размера область заготовки. Благодаря предлагаемому изобретением расположению, например, восемь или более горелочных головок могут устанавливаться на одной распределительной трубе, а именно уже упомянутом питающем канале, без недопустимого нагрева самих себя или взаимного нагрева друг друга. При этом, как упомянуто, может вноситься более высокая тепловая мощность в небольшом пространстве, в частности на вращающуюся трубу большого диаметра. Количество применяемых горелочных головок не ограничено четырьмя или восемью, напротив, могут также изготавливаться горелки, например, с десятью, 12, 14, 16, 18 или 20 горелочными головками или большим количеством горелочных головок.
Особенно предпочтительно, если каждые расположенные рядом друг с другом горелочные головки всегда имеют расходящиеся оси факелов пламени и при этом создают расходящиеся факелы пламени горелки. Благодаря этому, как упомянуто, остаточные газы соответствующих факелов пламени горелки направлены друг от друга, и взаимный перегрев не происходит.
Изобретение поясняется подробнее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показан один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана горелочная головка, которая может применяться для многопламенной горелки по одному из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 2 показана многопламенная горелка по одному из вариантов осуществления изобретения на схематичном изображении на виде сбоку.
На фиг. 3 показана многопламенная горелка по одному из вариантов осуществления изобретения на схематичном изображении на продольном виде.
На фигурах соответствующие друг другу элементы снабжены идентичными ссылочными обозначениями. В целях наглядности повторное пояснение опущено.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 на схематичном изображении показана горелочная головка 1, имеющая кольцевой распылитель 12, который может иметь любое количество предпочтительно концентрически расположенных форсунок, через которые может вытекать топливо. При воспламенении топлива образуется пламя 13 горелки, которое проходит по оси 14 факела пламени. Горелочная головка 1 посредством коленчатой соединительной требы 4 и винтового соединения 15 и соединительного патрубка 16 может крепиться к питающему каналу. Например, соединительный патрубок 16 приварен к питающему каналу.
На фиг. 2 схематично изображена многопламенная горелка по одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления изобретения на виде сбоку и в целом обозначена 10. Многопламенная горелка 10 включает в себя всего восемь горелочных головок 1 с соответствующими коленчатыми соединительными трубами 4 каждая, не все из которых снабжены ссылочными обозначениями. Горелочные головки 1 здесь объединены в группы А и В горелочных головок. При этом первая группа А горелочных головок расположена так, что с помощью соответствующих узлов форсунок или, соответственно, предусмотренных там форсунок факелы пламени горелки могут создаваться с осями пламен, которые расположены, по существу, в одном направлении. То же самое относится к горелочным головкам группы В. Однако оси 14 факелов пламени группы А и оси 14 факелов пламени группы В вследствие наклонного положения горелочных головок 1 ориентированы под углом или, соответственно, скрещиваясь друг с другом, так что образовавшиеся в каждом случае остаточные газы и/или созданное отходящее тепло не может повредить соседние горелочные головки 1.
Посредством поясненных выше винтовых соединений 15 и соединительных патрубков 16 горелочные головки 1 установлены на питающем канале 2, который, например, может быть искривленным и при этом адаптированным к форме предназначенной для обработки заготовки. Питающий канал может быть связан со снабжающим каналом 3, который может иметь другие устройства, например манометры и регуляторы. В частности, такого рода снабжающий канал может иметь смесительный узел 31, посредством которого может создаваться смесь ацетилена и кислорода и/или смесь ацетилена и воздуха.
По другому, упрощенному варианту осуществления изобретения для определенных, менее требовательных целей применения может быть также предпочтительно, обойтись без винтового соединения 15 и вместе с тем без возможности вращения коленчатых соединительных труб 4. В этом случае соединительный патрубок 16 может выполняться удлиненным и коленчатым, так чтобы соединительный патрубок 16 и соединительная труба 4 объединялись в один конструктивный элемент.
На фиг. 3 изображена на продольном виде многопламенная горелка по одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления изобретения, также обозначенная 10. Как видно, соответствующие горелочные головки 1 расположены перекрестно относительно друг друга, так что образующиеся факелы пламени 13 направлены друг от друга. Питающий канал 2 может быть выполнен искривленным или прямым.
Список ссылочных обозначений
1 Горелочная головка
А, В Группа
10 Многопламенная горелка
12 Кольцевой распылитель
13 Пламя горелки
14 Ось факела пламени
15 Винтовое соединение
16 Соединительный патрубок
2 Питающий канал, ствол
3 Снабжающий канал
5 Коленчатая соединительная труба
31 Смесительный узел