Кислородная резка основана на свойстве металлов и их сплавов сгорать в струе технически чистого кислорода. Резке поддаются металлы, удовлетворяющие следующим основным 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° С, а воспламеняется в кислороде при температуре 1300…1350°С. Увеличение содержания углерода в стали сопровождается понижением температуры плавления и повышением температуры воспламенения в кислороде. Поэтому резка стали с увеличенным содержанием 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° С, а при резке алюминия - оксиды с температурой плавления около 2050° С. Эти оксиды покрывают поверхность металла и прекращают дальнейший процесс резки.
3. Образующиеся при резке шлаки должны быть достаточно жидкотекучи 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, интенсивно отводится от участка резки, и подогреть металл до температуры воспламенения будет трудно.
5. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла, должно быть, возможно, большим; эта теплота способствует нагреванию прилегающих участков металла и тем самым обеспечивает непрерывность процесса резки. Например, при резке низкоуглеродистой стали 65…70% общего количества теплоты выделяется от сгорания металла в струе кислорода и только 30…35% - составляет теплота от подогревающего пламени резака.
Различают два основных вида кислородной резки: разделительную и поверхностную.
Рисунок -1- Схема кислородной резки
Разделительную резку (рисунок 1) применяют 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.
Поверхностную резку (рисунок 2,а, б, в) применяют для снятия поверхностного слоя металла, разделки канавок, удаления поверхностных дефектов и других работ.
Для разрезания металла сегодня используется два метода - кислородная и плазменная резка. Несмотря на растущую популярность плазменного способа, резка металла кислородом не утрачивает своих позиций. А в определенных условиях такой способ является единственно возможным.
Специалисты отмечают, что резка металла кислородом часто превосходит плазменную по разным показателям, таким как экономические, качественные и пр. Такой способ позволяет выполнять разнообразные задачи. Поэтому предлагаем познакомиться с сущностью этого процесса, видами газовой резкой и ее особенностями.
Сущность процесса резки металлов кислородом.
Процесс разрезания металлоизделий кислородом представляет собой интенсивное окисление металла до жидкого состояния и последующего удаления расплавленной части струей газа (кислорода).
Процесс резки начинается с того, что поверхность разрезаемого изделия нагревается до такой температуры, при которой металл начинает воспламеняться в кислороде. Температура для разных материалов варьируется в диапазоне 1050-1200 градусов Цельсия. Когда такая температура достигается, подается кислород, в итоге металл начинает гореть (не плавиться). Нагрев металла осуществляется газокислородным пламенем, который получают с помощью специальных горючих газов. При таком способе резки обычно используют пропан, ацетилен, природный и прочие газы, а также пары керосина или бензина.
Заметим, что сначала нагревают небольшой участок изделия, а потом только подают струю кислорода и начинают перемещать резак. Таким образом, образовавшийся в верхней части расплав, перемещаясь, расплавляет металл по всей глубине.
Что касается количества используемого для этих целей кислорода, отметим, что килограмм железа требует для разрезания порядка 0,29-0,38 м 3 газа. Но это в теории. На практике это значение может быть выше, так как газ требуется для того, чтобы выдуть жидкий металл из реза, кроме того происходит утечка кислорода в окружающую среду.
Заметим, что для разрезания металла всегда используется только технический кислород, чистота которого составляет порядка 98,8-99,7 процентов. Чем ниже процент чистоты кислорода, тем большее его расходуется во время разрезания металла. Кстати, увеличивается и время, необходимое для осуществления данного процесса. Специалисты не рекомендуют использовать кислород с чистотой ниже 98 процентов, так как качество реза будет недостаточно высоким, к тому же образованный таким способом шлак будет сложно удалить.
Отметим, что кислородной резки могут подвергаться не все металлы. Обычно таким способом разрезают железо, титан, марганец и пр. Другие виды возможно резать при использовании дополнительных материалов.
Виды кислородной резки металла.
Существует несколько видов кислородной резки. Так, например, в зависимости от использования дополнительных материалов выделяют:
- газовую;
- электрокислородную резку металла;
- кислородно-флюсовую (применяется вместе с газовым нагревом поверхности).
Также, в зависимости о типа разреза, выделяют такие виды кислородной резки:
- разделительная (позволяет делать сквозные разрезы, отделять части металла);
- поверхностная (применяется для удаления верхнего слоя металла для получения канавок, полукруглого сечения и пр.);
- резка копьем (с ее помощью делаются отверстия).
Самый распространенный вид - разделительная резка. Ее используют большинство предприятий металлургической промышленности, а также в строительстве. Такая резка может выполняться в ручную, или с применением специальных машин.
Ручным способом обычно разрезают листовую сталь, вырезают различные детали, используют его и для разрезания металлопрофиля, при монтаже различный конструкций из стали и пр.
Использование для резки машин получает все большее распространение. Применяют для таких целей несколько видов устройств:
- переносные машины;
- стационарные;
- машины, которые перемещаются по разрезаемому изделию;
- специальные устройства для особых видов работ (например, фасонная резка труб, резка лазов и прочее).
Заметим, что на некоторых производствах машинная кислородная резка используется, как замена штамповочным и фрезерным станкам.
Обычно такую кислородную резку (с применением машин) используют в тяжелой и средней промышленности, такой как машиностроение, создание сельскохозяйственной техники, судостроение и пр.
Кроме того, отметим, что неплохим спросом пользуется и поверхностная резка. Она позволяет исправлять дефекты сварных соединений, ее используют для вырубки корневого валика сварного шва, для подготовки U-образных кромок и прочего.
Такой вид резки в комбинации с кислородно-флюсовой применяется в турбостроении, металлургии. Дело в том, что кислородно-флюсовая резка позволяет резать чугун, высокохромистые, хромоникелевые стали, некоторые цветные сплавы и прочее.
Как видим, использование дополнительных материалов и способов реза делают кислородную резку металла одним из самых универсальных процессов.
Сущность процесса кислородной резки состоит в сгорании разрезаемого металла в струе технически чистого кислорода и удалении образующихся при этом жидких шлаков из разреза. Применяется разделительная кислородная резка и поверхностная. Углеродистые и низколегированные стали режутся с применением только чистого кислорода. Высоколегированные стали, чугун и медные сплавы режутся кислородом с применением специальных флюсов.
Процесс резки осуществляется или ручным способом, или механизированным с использованием специальных режущих переносных приборов легкого типа, а также стационарных машин для автоматизированной резки по шаблонам и разметке. Машинная резка широко применяется в машиностроении, особенно для предварительной обрезки и скашивания кромок под сварку. Методы кислородной машинной резки продолжают широко развиваться и внедряться в промышленности путем создания новых конструкций специализированных и универсальных машин.
Для осуществления процесса кислородной резки необходимо соблюдение следующих условий:
1. Температура плавления металла должна быть выше температуры его воспламенения в кислороде. Не удовлетворяющий этому условию металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние еще до начала его горения в струе кислорода. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали полностью удовлетворяют этому условию, так как они плавятся при температуре примерно 1500°, а их горение в кислороде может начинаться уже при 1300-1350°.
2. Температура плавления шлаков должна быть ниже температуры горения металла в кислороде, а образующиеся при резке шлаки должны быть жвдкотекучими и легко удаляться под действием давления режущей струи.
3. При сгорании металла должно выделяться тепло, достаточное для поддержания горения металла в кислороде.
4. Теплопроводность металла не должна быть слишком высокой и не препятствовать сохранению высокой температуры на поверхности кромки разреза.
Всем указанным выше условиям наиболее полно удовлетворяют стали с содержанием углерода до 0,5%, хрома до 5%, марганца до 4%. Остальное примеси в тех количествах, в которых они обычно содержатся в стали, не влияют заметно на процесс резки.
Перед началом резки сталь необходимо нагреть до температуры ее воспламенения в кислороде. Примерно 33% тепла от всего количества, требующегося для этого, подводится за счет подогревающего пламени, а 67% поступает от реакции сгорания стали в кислороде.* От общего количества тепла, расходуемого на резку, на нагрев стали до температуры воспламенения идет 54%; на нагрев шлаков - 22% и на покрытие потерь в окружающую среду-24%.
Для кислородной резки с применением ацетилена используют оборудование для ацетиленовой сварки, но вместо сварочной горелки применяют газовый резак, обычно инжекторного тапа.
Кислород и ацетилен по рукавам, надетым на ниппели, поступает в резак. Резак - это основной рабочий инструмент при газокислородной резке металла, предназначенный для смешивания горючего газа и кислорода, создания подогревающего пламени и подачи к разрезаемому металлу струи кислорода.
Резаки классифицируются по степени механизации - для ручной, машинной и специальной резки; по виду горючего - для ацетилена, газов-заменителей и жидких горючих; по назначению - универсальные и специальные; по способу смешивания газов - инжекторные и безинжекторные; по мощности пламени - малой, средней и большой мощности (толщина разрезаемой стали соответственно составляет 3…100 мм, 3.. .200 мм, 3... 300 мм).
Инжекторный резак для ручной резки состоит из рукоятки и корпуса, в который по рукаву (шлангу) через ниппель и штуцер с правой резьбой подается кислород, а по другому рукаву через ниппель и штуцер с левой резьбой подается ацетилен или его заменители. Часть кислорода через вентиль поступает в инжектор. Выходя из инжектора с большой скоростью, струя кислорода создает разрежение и подсасывает горючий газ. Сгорая на выходе из мундштука, струя создает подогревающее пламя. Другая часть кислорода через ниппель и головку поступает в сопло внутреннего мундштука, образуя при этом струю режущего кислорода. Мощность подогревающего пламени регулируется вентилями кислорода и горючего газа, а давление и расход режущего кислорода - самостоятельным вентилем.
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.
