1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ

Основой процесса кислородной резки стали является свойство железа интенсивно сгорать в струе технически чистого кислорода, будучи нагретым до температуры порядка 1300—1400° С, близкой к температуре плавления стали.

Металл при резке нагревают газокислородным пламенем. В качестве горючих применяются ацетилен, пропан-бутан, пиролизный, природный, коксовый и городской газы, пары керосина.

Металл нагревают на узком участке в начале линии разреза, а затем на нагретое место направляется струя режущего кислорода и резак начинают перемещать по намеченной линии резки. Металл сгорает по всей толщине листа, образуя в нем узкую щель (рез). Интенсивное окисление (горение) железа происходит только в слоях, пограничных с поверхностью режущей струи кислорода, который проникает (диффундирует) в металл на очень малую глубину.

Для сгорания 1 кг железа теоретически требуется от 0,29 до 0,38 м 3 кислорода, в зависимости от того, какой окисел получается при горении — FeO или Fе з 0 4 . Практический расход кислорода может сильно отличаться от теоретического, так как в шлаках присутствуют оба окисла в различных соотношениях, часть металла удаляется из разреза в расплавленном состоянии, часть кислорода расходуется на выдувание жидкого металла и шлаков, а также теряется в окружающую среду. Для резки применяют технический кислород чистотой 98,8—99,7%. С понижением чистоты кислорода на 1 % его расход на 1 м длины резки возрастает на 25—35%, а время резки — на 10—15%. Это особенно заметно при резке стали больших толщин. Применять для резки кислород чистотой ниже 98% нецелесообразно, так как поверхность реза получается недостаточно чистой, с глубокими рисками и трудноотделяемым шлаком.

Существует также способ т.н. импульсной кислородной резки. Данный способ разработан ВНИИАвтогенмаш и состоит в том, что после начального подогрева по всей длине линии реза на нее пускается режущий кислород. Процесс резки протекает всего несколько десятков секунд. Так, например, труба диаметром 219 мм, толщиной стенки 15 мм прорезается за 77 сек. Для резки применяют секционированные резаки с внутрисопловым смешением газов (см. рис. 90, и).

2. ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ РЕЗКИ. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ НА РЕЗКУ

Основные условия резки. Для резки металла кислородом необходимы следующие условия:

а) температура горения металла в кислороде должна быть ниже температуры плавления, иначе металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние до того, как начнется его горение в кислороде;

б) образующиеся окислы металла должны плавиться при температуре более низкой, чем температура горения металла, и не быть слишком вязкими; если металл не удовлетворяет этому требованию, то кислородная резка его без применения специальных флюсов невозможна, так как образующиеся окислы не смогут выдуваться из места разреза;

в) количество тепла, выделяющееся при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить поддержание процесса резки. При резке стали около 70% тепла, используемого для подогревания, выделяется при сгорании металла в кислороде и только 30% подводится от подогревающего пламени;

г) теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, иначе, вследствие интенсивного теплоотвода, процесс резки может прерваться.

Влияние состава стали на резку. Перечисленным выше условиям наиболее полно отвечают чистое железо и стали с низким содержанием углерода. Чистое железо имеет температуру воспламенения в кислороде 1050° С, а температуру плавления 1528°С. При содержании в стали 0,7% углерода температура ее воспламенения в кислороде повышается до 1300° С, что равно температуре начала плавления стали этого состава. По данным А. Н. Шашкова избирательное окисление железа в кислороде при резке стали начинается при температуре около 1130°С, а при 1300°С и выше начинается интенсивное выгорание углерода.

На температуру загорания, кроме состава металла, оказывает влияние также состояние поверхности металла, величина его кусков, давление и скорость потока кислорода. Шероховатая поверхность облегчает загорание металла в кислороде. Порошок железа может воспламеняться в чистом кислороде при температуре 315°С, т. е. значительно более низкой, чем прокатанный металл. Металл на поверхности крупного куска стали загорается при температуре 1200—1300°С. При давлении 25 кгс/см 2 и скорости потока кислорода 180 м/сек температура загорания углеродистой стали в кислороде снижается до 700—750° С.

К атегория:

Резание металла

Сущность процесса кислородной резки

Из этого уравнения следует, что на сжигание 1 г железа расходуется 0,38 г или 0,27 л кислорода, или на 1 см3 железа расходуется 2,1 л кислорода. Действительный расход кислорода на 1 см3 железа в процессе резки может быть как выше, так и ниже указанного теоретического значения, ввиду того что часть металла выдувается из полости реза в неокисленном виде и вытекающий шлак содержит не только окислы, но и металлическое железо. Выделяемое при горении железа довольно значительное количество тепла оплавляет поверхность металла, и получающийся жидкий металл увлекается в шлак вместе с расплавленными окислами.

Железо или сталь не загораются, как известно, в кислороде при низких температурах; кислород, например, хранят и перевозят в стальных баллонах. Для начала горения металла в кислороде нужно подогреть металл; температура начала горения зависит от состава металла и находится в пределах 1000-1200 °С. Температура начала горения повышается с увеличением содержания углерода в металле при одновременном понижении температуры плавления металла. Настоящая высококачественная кислородная резка металла возможна лишь в том случае, если металл горит в твердом состоянии. Если же металл загорается лишь при расплавлении, то в процессе резки происходит значительное пасплавление и вытекание металла из полости реза и рез получается широким и неровным, как при тепловых методах резки.

Процесс газокислородной резки можно представить следующим образом. Смесь кислорода с горючим газом выходит из подогревательного мундштука резака и сгорает, образуя подогревательное пламя. Подогревательным пламенем металл нагревается до температуры начала горения, тогда по осевому каналу режущего мундштука подается технически чистый кислород. Режущий кислород попадает на нагретый металл и зажигает его. Начинается горение металла; при этом выделяется значительное количество тепла, которое совместно с подогревательным пламенем разогревает нижележащие слои металла, и горение быстро распространяется в глубину на всю толщину металла, прожигая сквозное отверстие, через которое режущая струя кислорода выходит наружу, пробивая металл. Если перемещать далее резак по прямой или кривой линии с надлежащей скоростью, то сжигание металла будет происходить по этой линии и металл будет разрезаться.

Таким образом, кислородная резка складывается из нескольких процессов: подогрева металла, сжигания металла в струе кислорода, выдувания расплавленного шлака из полости реза. Подогревательное пламя обычно не тушат, и оно горит в течение всего процесса резки, так как количество тепла, выделяемого при сжигании железа в кислороде, недостаточно для возмещения всех потерь тепла зоны резки; если подогревательное пламя потушить, то процесс резки быстро прекращается, металл охлаждается настолько, что кислород перестает на него действовать, и реакция горения металла в кислороде прекращается.

Для возможности успешного проведения- кислородной резки разрезаемый металл должен удовлетворять определенным требованиям. Температура начала горения металла должна быть ниже температуры его плавления, т. е. металл должен гореть в твердом, нерасплавленном состоянии. Температура плавления окислов металла, образующихся при резке, должна быть ниже температуры плавления самого металла. В этом случае окислы легко выдуваются из полости реза и режущий кислород получает беспрепятственный доступ к нижележащим слоям металла. Теплота сгорания металла должна быть достаточно большой, иначе требуется слишком мощное подогревательное пламя. Теплопроводность усиливает охлаждение зоны резки и затрудняет необходимый подогрев металла. Практически указанным условиям удовлетворяет лишь железо и его технические сплавы - стали. Большинство других металлов, применяемых в технике, не удовлетворяет указанным условиям и не поддается кислородной резке.

Рис. 1. Схема процесса газокислородной резки: 1 - режущий мундштук; 2 - режущий кислород; 3 - разрезаемый металл; 4 - подогревательный мундштук; 5 - подогревательное пламя; в - шлаки

Чугун не режется вследствие низкой температуры плавления и высокой температуры начала горения; он горит в кислороде в расплавленном состоянии, что исключает возможность получения качественного реза. Медь не режется вследствие высокой теплопроводности и малой теплоты сгорания. Алюминий не режется вследствие чрезмерной тугоплавкости образующегося окисла и т. д. Стали высокоуглеродистые, высоколегированные аустенитные, высокохромистые и т. д., не поддающиеся нормальному процессу газокислородной резки, могут быть разрезаны кислородом с использованием специальных приемов, рассмотренных ниже.

Для резки необходим возможно более чистый кислород; даже незначительное количество примесей заметно снижает скорость резки и сильно повышает расход кислорода. В качестве горючего для подогревательного пламени при кислородной резке с успехом может быть использован любой промышленный горючий газ, а также жидкие горючие - бензин, бензол, керосин и т. д.

Сущность кислородной резки. Кислородной резкой на­зывают способ разделения металла, основанный на использовании для его нагрева до температуры воспламенения-теплоты газового пламени и экзотермической (с выделением теплоты) реакции окисления металла, а для удаления окис­лов - кинетической энергии режущего кислорода.

По характеру и направленности кислородной струи раз­личают три основных вида резки: разделительная, при которой образуются сквозные разрезы; поверхностная, при которой снимается поверхностный слой металла; кислород­ным копьем, заключающаяся в прожигании в металле глу­боких отверстий.

На рис. 6 показана схема разделительной резки. Металл 3 нагревается в начальной точке реза до температуры вос­пламенения (в кислороде для стали до 1000-1200°С) подо­гревающим ацетиленокислородным пламенем 2, затем направляется струя режущего кислорода 1, и нагретый металл начинает гореть с выделением значительного количества теплоты по реакции 2Fe+2O 2 =Fe 3 O 4 +Q.

Теплота от горения железа Q вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои и распространя­ется на всю толщину металла. Чем меньше толщина разрезаемого металла, тем больше роль подогревающего пламени (при толщине 5 мм - до 80% общего количества теплоты, выделяемой при резке, при толщине более 50 мм - только 10%). Образующиеся окислы 5, а также ча­стично расплавленный металл удаля­ются из зоны реза 4 под действием кинетической энергии струи кислоро­да. Непрерывный подвод теплоты и режущего кислорода обеспечивают не­прерывность процесса.

Условия резки и разрезаемость . Для обеспечения нормального процес­са резки должны быть выполнены следующие условия:

1. Источник теплоты должен иметь необходимую мощность, чтобы обеспечить нагрев металла до требуемой температуры сгорания металла, а количество теплоты, выделяющейся при сгора­нии металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки,

2. Температура плавления металла должна быть выше температуры его окисления (горения) в кислороде, иначе металл при нагреве будет плавиться и принудительно уда­ляться из разреза без характерного для процесса резки оки­сления, являющегося главным источником теплоты.

3. Температура плавления металла должна быть выше температуры плавления образующихся в процессе резки окислов, иначе тугоплавкие окислы изолируют металл от контакта с кислородом и затруднят процесс резки.

4. Образующиеся окислы и шлак должны быть жидкотекучими и легко выдуваться струей режущего кислорода, иначе контакт кислорода с жидким металлом будет замед­лен или вовсе невозможен.

Всем перечисленным условиям удовлетворяет углеродис­тая сталь, поэтому ее можно резать кислородом.

Первому условию при газовой резке не удовлетворяет медь в связи с ее высокой теплопроводностью, сильно за­трудняющей начало процесса резки, и низким тепловыделе­нием при окислении. Поэтому мощности газовых резаков недостаточно для резки меди, и медь можно резать, приме­няя более мощный тепловой источник - электрическую дугу.

Второму и четвертому условию не удовлетворяет чугун. По мере повышения содержания углерода в железе процесс резки значительно ухудшается из-за снижения температуры плавления и повышения температуры воспламенения. Чугун, содержащий более 1,7% углерода, кислородной резкой не обрабатывается. Кроме того, вязкость шлака значительно возрастает при увеличении содержания кремния, который обязательно содержится в чугуне, что также является одной из причин невозможности вести кислородную резку чугуна. Третье условие не удовлетворяется при резке алюминия, магния и их сплавов, а также сталей с большим содержани­ем хрома и никеля. При нагревании этих сплавов в процес­се резки на их поверхности образуется пленка тугоплавкого окисла, препятствующая поступлению кислорода к неокис­ленному металлу.

Основные параметры кислородной раздели­тельной резки :

характеристики подогревающего пламени - мощность, горючий газ, соотношение смеси горючего газа и кислорода;

характеристики струи режущего кислорода - давление, расход, форма, чистота, скорость резки.

Подогревающее пламя имеет при резке нейтральный ха­рактер (β=1,1 для ацетилена, β=3,5 для пропанобутановой смеси). Мощность подогревающего пламени увеличивают с увеличением толщины разрезаемого металла.

Качество кислородной резки. Качество резки характери­зуется точностью траектории и качеством поверхности реза. Наименьшие отклонения траектории (линии) реза от задан­ной получаются при резке на машинах с программным, фотоэлектронным и электромагнитным управлением, наи­большие - при ручной резке без направляющих приспособ­лений. Величина отклонений зависит от длины, толщины, состояния поверхности листа, формы вырезаемой заготовки, квалификации резчика.

Качество реза характеризуется неперпендикулярностью и шероховатостью его поверхности, равномерностью шири­ны реза, наличием подплавления верхней кромки и грата на нижней кромке (рис. 7, а).

Неперпендикулярность поверхности реза образуется при изменении угла наклона резака к поверхности листа, а также от расширения режущей струи кислорода при вы­ходе ее из реза. Шероховатость поверхности реза опреде­ляется количеством и глубиной бороздок, оставляемых ре­жущей струей кислорода (рис. 7, в). Бороздки имеют обыч­но криволинейное очертание из-за отставания Δ от оси мунд­штука режущей струи кислорода (рис. 7, б). Чем больше толщина металла, меньше чистота кислорода, тем больше отставание. Обычно отставание составляет от 1 до 15 мм при прямолинейной резке листов толщины от 5 до 200 мм. Глубина бороздок зависит от давления кислорода, скорости резки, равномерности перемещения резака и состава горю­чего. Величина оплавления кромок находится в прямой за­висимости от мощности подогревающего пламени к в обрат­ной - от скорости резки. ГОСТ 14792 устанавливает три класса качества при машинной резке: 1-й класс- выс­ший, 2-й класс - повышенный, 3-й класс - обычный. Для каждого класса установлены предельные допуски на не­перпендикулярность поверхности, на шероховатость и отклонения от линии реза.

Для повышения производительности и качества реза применяют ряд разновидностей кислородной разделитель­ной резки.

Скоростная кислородная резка достигается за счет на­клона резака на 45° в сторону, обратную направлению пере­мещения. Скорость резки листовой стали толщиной 3-20 мм повышается в 2-3 раза, но ухудшается качество реза.

Высококачественная скоростная кислородная резка (смыв-процесс) позволяет увеличить и скорость (в 1,5-2,5 ра­за) и качество резки. Первое достигается за счет острого угла наклона резака - 25°, второе - применением специ­альных мундштуков, имеющих три отверстия для режущего кислорода, расположенных по углам равнобедренного тре­угольника. Впереди перемещается основная режущая струя, которая осуществляет резку металла на всю толщину. Две другие струи, расположенные по бокам и сзади основной, «защищают» горячие кромки, образованные основной стру­ей, Недостатком способа с острым углом является невозмож­ность фигурных резов и большая ширина реза.

Резка кислородом высокого давления до 5 МПа обеспе­чивает увеличение скорости резки металла толщиной до 60 мм на 30-50%.

Стали толщиной до 300 мм, разрезают обычными универ­сальными резаками. Сварка сталей большой толщины связана с дополнительными трудностями: необходимостью при­менения высоких давлений кислорода, трудностью прогрева нижних слоев металла и удаления шлака на большом рас­стоянии от резака. Поэтому стали большой толщины (свы­ше 300 мм) режут специальными резаками, мундштуки которых имеют увеличенные по сравнению с универсальными резаками "проходные сечения для режущего кислорода. Применяют науглероживающее подогревающее пламя, так как в этом случае оно будет более длинным.

Поверхностная кислородная резка металла. Поверхно­стной кислородной резкой называется процесс снятия кис­лородной струей слоя металла, В этом случае струя кислоро­да направлена к поверхности обработки под острым углом 15-40°, но в отличие от разделительной резки направление струи совпадает с направлением резки, и металл, расположенный впереди резака, нагревается перемещающимся на­гретым шлаком (рис. 8).

Рис. 8. Схема поверхностной резки:

1 - мундштук, 2 - шлак, 3 - канавка

Рис. 9. Схема прожигания отверс­тия в бетоне кислородным копьем: 1 - держатель копья, 2 - копье, 3 - защитный экран, 4 - бетонное изделии

Резку кислородным копьем (рис. 9) выполняют тонко­стенной стальной трубкой (копьем) с наружным диаметром 20-35 мм. Трубку подсоединяют к рукоятке с вентилем для кислорода и по ней подают кислород к месту реза. До на­чала резки конец трубки нагревают газовой горелкой или электрической дугой до температуры воспламенения. Кис­лородное копье горящим концом прижимают с достаточно большим усилием к изделию (металл, бетон, железобетон) и прожигают, таким образом, отверстие. Образуемые в про­цессе прожигания отверстия шлаки давлением кислорода и газов выносятся наружу в зазор между копьем и стенкой прожигаемого отверстия. Этому процессу способствуют воз­вратно-поступательные и вращательные движения копьем.

Кислородно-флюсовая резка . Для резки хромистых, хромоникелевых нержавеющих сталей, чугуна и цветных ме­таллов, которые не удовлетворяют условиям кислородной резки, применяют способ кислородно-флюсовой резки. Сущность заключается в том, что в зону реза вместе с режущим кислородом вводится специальный порошкооб­разный флюс, при сгорании которого выделяется дополни­тельная теплота и повышается температура в зоне реза. Кроме того, продукты сгорания флюса, взаимодействуя с тугоплавкими окислами, образуют жидкотекучие шлаки, которые легко удаляются из зоны реза, не препятствуя нормальному протеканию процесса.

Основным компонентом порошкообразных флюсов, при­меняемых при резке металлов, является железный поро­шок, который, сгорая, выделяет большое количество тепло­ты (около 1800 ккал/кг). Лучшие результаты при сварке нержавеющих сталей достигаются при добавлении к желез­ному порошку 10-15% алюминиевого порошка. Для по­верхностной и разделительной резки нержавеющих сталей используют в качестве флюса смесь алюминиево-магниевого порошка с ферросилицием или силикокальцием. Алюминиево-магниевый порошок, входящий во флюсовую смесь, сгорая в струе кислорода, повышает температуру пламени, а ферросилиций или силикокальций действует на окислы хрома, как флюсующая добавка.

Основная задача флюса при резке чугуна состоит в раз­бавлении флюса железом в области реза, снижении в сплаве содержания углерода, а также разжижении шлака, в кото­ром содержится много кислорода. В состав флюсов для резки чугуна входят железный и алюминиевый порошки, кварцевый песок и феррофосфор.

Цветные металлы и сплавы подвергаются кислородно-флюсовой резке только с применением флюсов. Установки для кислородно-флюсовой резки состоят из двух основных частей: резака (ручного или машинного) и флюсопитателя, обеспечивающего подачу и регулирование расхода флюса.

Сущность процесса кислородной резки

Кислородная резка (рис. 78) основана на свойстве металлов и их сплавов сгорать в струе технически чистого кислорода.

Рис. 78. Газокислородная резка:

1 – разрезаемый металл; 2 – струя режущего кислорода; 3 – горючая смесь; 4 – режущий мундштук; 5 – мундштук подогревающего пламени; 6 – подогревающее пламя; 7 – рез; 8 – шлаки

Резке поддаются металлы, удовлетворяющие следующим требованиям:

1. Температура плавления металла должна быть выше температуры воспламенения его в кислороде. Металл, не отвечающий этому требованию, плавится, а не сгорает. Например, низкоуглеродистая сталь имеет температуру плавления около 1500 °C, а воспламеняется в кислороде при температуре 1300–1350 °C. Увеличение содержания углерода в стали сопровождается понижением температуры плавления и повышением температуры воспламенения в кислороде. Поэтому резка стали с увеличением содержания углерода и примесей усложняется.

2. Температура плавления оксидов должна быть ниже температуры плавления самого металла, чтобы образующиеся оксиды легко выдувались и не препятствовали дальнейшему окислению и процессу резки. Например, при резке хромистых сталей образуются оксиды хрома с температурой плавления 2000 °C, а при резке алюминия – оксиды с температурой плавления около 2050 °C. Эти оксиды покрывают поверхность металла и препятствуют дальнейшему процессу резки.

3. Образующиеся при резке шлаки должны быть достаточно текучи и легко выдуваться из разреза. Тугоплавкие и вязкие шлаки будут препятствовать процессу резки.

4. Теплопроводность металла должна быть наименьшей, так как при высокой теплопроводности теплота, сообщаемая металлу, будет интенсивно отводиться от участка резки и подогреть металл до температуры воспламенения будет трудно.

5. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла, должно быть возможно большим – она способствует нагреванию прилегающих участков металла и тем самым обеспечивает непрерывность процесса резки. Например, при резке низкоуглеродистой стали около 70 % общего количества теплоты выделяется от сгорания металла в струе кислорода и только 30 % составляет теплота от подогревающего пламени резака.

Различают два вида кислородной резки: разделительную и поверхностную.

Разделительная резка применяется для вырезки различного вида заготовок, раскроя листового металла, разделки кромок под сварку и других работ, связанных с разрезкой металла на части. Сущность процесса заключается в том, что металл вдоль линии разреза нагревают до температуры воспламенения его в кислороде, он сгорает в струе кислорода, а образующиеся оксиды выдуваются этой струей из места разреза.

Поверхностная резка (рис. 79) применяется для снятия поверхностного слоя металла, разделки каналов, удаления поверхностных дефектов и других работ. Резаки имеют большую длину и увеличенные сечения каналов для газов подогревающего пламени и режущего кислорода.

Рис. 79. Схема поверхностной резки:

1 – мундштук; 2 – шлак; 3 – канавка

Применяют два вида поверхностной резки – строжку и обточку . При строжке резак совершает возвратно-поступательное движение как строгальный резец. При обточке резак работает как токарный резец. Наклон мундштука резака к поверхности металла в начале реза составляет 70–80°. После начала горения угол наклона плавно уменьшают до 15–20°. Уменьшение угла наклона увеличивает ширину и уменьшает глубину строжки.

Тест 2. Восстановление заточки после резки каната Если в предыдущем тесте нашей целью было максимально затупить нож – то теперь цель другая: легкой (полевой) правкой постараться восстановить заточку до состояния "режет бумагу на весу" Лидерами этого теста стали Byrd CaraCara