Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Технология кислородной резки металла и управление ею

Кислородная резка металла – один из наиболее распространённых методов термической резки металла.

 ПРЕИМУЩЕСТВА КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛА:

БОЛЬШИЕ ТОЛЩИНЫ разрезаемого металла. Толщина разрезаемого металла может достигать 500 мм. и ограничена конструктивными особенностями машины термической резки.

НИЗКАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ резки металла;

ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО РЕЗА. Современные газовые резаки, например Harris 198-2TF, в совокупности с правильным подбором типа горючего газа (ацетилен или пропан) и давления газов обеспечивают приемлемую ширину реза, почти полное отсутствие конусности реза и чистые (без наплывов и грата) кромки, почти не требующие дополнительной обработки;

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОРЕЗАКОВЫХ СХЕМ – при использовании технологии кислородной резки возможно одновременное использование нескольких газовых резаков или специальной оснастки для резки одного листа металла, например в машинах термической резки «Юпитер Газ2».

НЕДОСТАТКИ кислородной резки металла:

ОГРАНИЧЕНИЕ ПО ТИПУ РАЗРЕЗАЕМЫХ МЕТАЛЛОВ – при использовании технологии кислородной резки возможно обрабатывать только некоторые виды чёрных и цветных металлов;

ВЫСОКАЯ СЕБЕСТОИМОСТЬ резки (по сравнению с другими видами термической резки) металла в диапазоне толщин до 10 мм.;

ОГРАНИЧЕНИЕ ТОЛЩИНЫ разрезаемого металла - толщина разрезаемого металла, начиная с которой получается приемлемое качество реза – от 4 мм.;

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПАСНЫХ ГАЗОВ – при кислородной резке используются маслоопасный газ кислород (ГОСТ 5583-78) и пожароопасные горючие газы: пропан (ГОСТ Р 52087-2003) и ацетилен (ГОСТ 5457-75).

Процесс кислородной (газопламенной) резки основан на процессе полного окисления (сгорания) железа (химический элемент «Fe») в струе химически несвязанного кислорода («О2») и выдувания этой струёй из зоны реза продуктов окисления.

Сущность процесса заключается в местном расплавлении и выдувании расплавленного металла с образованием полости реза при перемещении газового резака относительно разрезаемого металла. В способах газовой резки источником нагрева металла является газовое (кислородное) пламя, а источники электрической энергии не используются.

Кислородной резке могут подвергаться только те металлы и сплавы, которые удовлетворяют следующим основным требованиям:

  1. температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления. Металлы и сплавы, не удовлетворяющие этому требованию, будут не сгорать, а плавиться.

Лучше всех металлов этому требованию удовлетворяют малоуглеродистые стали, температура воспламенения в кислороде которых около 1300°, а температура плавления около 1500°. Увеличение содержания углерода в стали сопровождается повышением температуры воспламенения в кислороде и понижением температуры плавления. Поэтому с увеличением содержания углерода кислородная резка сталей ухудшается;

  1. температура плавления окислов металла, образующихся при резке, должна быть ниже температуры плавления самого металла, в противном случае тугоплавкие окислы не будут выдуваться режущей струей кислорода, что нарушит нормальный процесс резки.

Этому условию не удовлетворяют хромистые стали и алюминий. При резке хромистых сталей образуются тугоплавкие окислы с температурой плавления 2000°, а при резке алюминия — окисел с температурой плавления около 2050°. Кислородная резка их невозможна без применения специальных флюсов;

  1. количество тепла, которое выделяется при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно большим, чтобы поддерживать непрерывный процесс резки. При резке стали около 70% тепла выделяется при сгорании металла в кислороде и только 30% общего тепла дает подогревающее пламя резака;
  2. образующиеся при резке шлаки должны быть жидко-текучими и легко выдуваться из места реза;
  3. теплопроводность металлов и сплавов не должна быть слишком высокой, так как теплота, сообщаемая подогревающим пламенем, будет интенсивно отводиться от места реза, вследствие чего процесс резки будет неустойчивым и в любой момент может прерваться;
  4. в металлах и сплавах, подвергающихся кислородной резке, должно быть ограниченное содержание примесей, препятствующих процессу резки.

В зависимости от содержания углерода и химического состава примесей стали по-разному поддаются кислородной резке.

ХОРОШО РЕЖУТСЯ малоуглеродистые стали (ГОСТ 380-2005) с содержанием углерода до 0,3%. При содержании углерода в сталях свыше 0,7% процесс резки ухудшается и при содержании его свыше 1,2% делается почти невозможным.

ЧУГУН, СОДЕРЖАЩИЙ БОЛЕЕ 1,7% УГЛЕРОДА, КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКОЙ НЕ ОБРАБАТЫВАЕТСЯ. Это объясняется тем, что температура плавления чугуна ниже температуры плавления образующихся оксидов, поэтому металл удаляется из зоны реза без характерного окисления. Кроме того, образующиеся при нагреве оксиды имеют низкую текучесть и с трудом удаляются струей кислорода.

Лучше всего подходит для кислородной резки углеродистая сталь, которая удовлетворяет всем условиям, необходимым для поддержания непрерывности процесса. Влияние примесей в стали на процесс кислородной резки отражено таблице 1.

Таблица 1

Влияние примесей стали на процесс кислородной резки

Легирующий элемент

Влияние на процесс резки

Углерод

 

При содержании до 0, 4% процесс резки не ухудшается, при более высоком содержании ухудшается, а при содержании 1-1,25%- становится невозможным.

Марганец

Содержание до 0,4% на процесс резки заметно не влияет. При более высоком содержании процесс резки затрудняется, а при 14% становится невозможным.

Кремний

Содержание в количестве, обычном для сталей отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. При повышенном содержании процесс усложняется, а при содержании более 4% -становиться невозможным.

Фосфор и сера

В обычных количествах отрицательного влияния не оказывает.

Хром

Содержание до 4-5% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. При большем содержании процесс резки становится невозможным и требует применения флюса.

Никель

Содержание до 7-8% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает. С увеличением содержания процесс резки усложняется.

Молибден

Содержание до 0,25% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает.

Вольфрам

Содержание до 10% отрицательного влияния на Процесс резки не оказывает. При более высоком содержании процесс резки затрудняется, а при 20 % становится невозможным.

Ванадий

В обычных количествах отрицательного влияния не оказывает.

Медь

Содержание до 0,7% влияния на процесс резки не оказывает.

Алюминий

Содержание до 0,5 % влияния на процесс резки не оказывает.

 

Режим кислородной резки характеризуется следующими основными параметрами:

  • мощностью подогревательного пламени;
  • давлением и расходом режущего кислорода;
  • скоростью резки;
  • шириной реза.

Для обеспечения нормального процесса газопламенной кислородной резки необходим рациональный выбор параметров режима.

Параметрами режима являются:

  • диаметр сопла мундштука резака (номер мундштука),
  • давление горючего газа – пропана или ацетилена,
  • давление греющего кислорода,
  • давление режущего кислорода,
  • скорость резки,
  • расстояние между торцом мундштука и поверхностью разрезаемого листа,
  • время прогрева металла.

Мощность подогревательного пламени характеризуется расходом горючего газа в единицу времени и зависит от толщины разрезаемого металла. Она должна обеспечивать быстрый подогрев металла в начале резки до температуры воспламенения и необходимый подогрев его в процессе резки.

Выделяемое тепло Q вместе с пламенем резака разогревают нижние слои металла на всю его толщину. РОЛЬ ПОДОГРЕВАЮЩЕГО ПЛАМЕНИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗКИ МЕНЯЕТСЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ РАЗРЕЗАЕМОГО МЕТАЛЛА. Так, при толщине металла до 5 мм подогревающее пламя занимает до 80% в общем количестве тепла, участвующего в процессе резки.

С увеличением толщины металла роль подогревающего пламени в балансе температур падает, и при толщине 50 мм и более доля подогревающего пламени падает до 10%. В результате взаимодействия расплавленного металла с кислородом образуются оксиды железа, которые вместе с расплавленным металлом удаляются из зоны реза кинетической энергией струи кислорода.

Выбор давления режущего кислорода зависит от толщины разрезаемого металла и чистоты кислорода. Чем чище кислород (по ГОСТ 5583-78), тем меньше давление и расход кислорода на 1 пог. м реза.

Скорость перемещения резака должна соответствовать скорости горения металла. От скорости резки зависит устойчивость процесса, а также и качество. Малая скорость приводит к оплавлению свариваемых кромок, а большая — к появлению непрорезаемых до конца участков реза.

 

Смесь кислорода с горючим газом выходит из подогревательного мундштука резака и сгорает, образуя подогревательное пламя.

Этим пламенем металл нагревается до температуры начала его горения. После этого по осевому каналу режущего мундштука подается струя режущего кислорода.

Кислород попадает на нагретый металл и зажигает его. При его горении выделяется значительное количество теплоты, которое совместно с теплотой, выделяемой подогревательным пламенем, передается нижележащим слоям металла, которые также сгорают.

Образующиеся при этом шлаки (оксиды железа и т.д.) выдуваются струей режущего кислорода из зазора между кромками реза. Для кислородной резки пригодны горючие газы ипары горючих жидкостей, дающие температуру пламени при сгорании в смеси с кислородом не менее 1800°С. Особенно важную роль при резке имеет чистота кислорода. ДЛЯ РЕЗКИ НЕОБХОДИМО ПРИМЕНЯТЬ КИСЛОРОД С ЧИСТОТОЙ 98,5-99,5 %.С понижением чистоты кислорода очень сильно снижается производительность резки и увеличивается расход кислорода. Так при снижении чистоты с 99,5 до 97,5 % (т.е. на 2 %) - производительность снижается на 31 %, а расход кислорода увеличивается на 68,1 %.

При резке стали основное количество теплоты (70-95 %) образуется при окислении металла. Этим условиям удовлетворяют низкоуглеродистые и низколегированные стали, титановые сплавы. Чугун не режется кислородом вследствие низкой температуры плавления и высокой температуры горения; медь - из-за высокой температуры плавления и малой теплоты сгорания; алюминий - из-за высокой тугоплавкости образующихся оксидов. Высоколегированные стали (ГОСТ 5632-72, хромистые, хромоникелевые и т.д.) не режутся кислородной резкой ввиду образования тугоплавких, вязких шлаков.

Схема процесса разделительной кислородной резки

ПОВЕРХНОСТЬ РАЗРЕЗАЕМОГО МЕТАЛЛА ДОЛЖНА БЫТЬ ОЧИЩЕНА ОТ МАСЛА, КРАСКИ, РЖАВЧИНЫ И ДРУГИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ.

Лист металла устанавливается таким образом, чтобы был свободный выход режущей струи с обратной стороны.

Операция резки начинается с предварительного подогрева в месте реза при температуре горения металла (1200-1350 °С). Устанавливаемая мощность подогревающего пламени зависит от рода горючего газа, толщины и состава разрезаемого металла.

Начинают резку обычно с кромки металла. При толщинах до 80-100 мм можно прорезать отверстие в любом месте листа.

Ядро подогревающего пламени должно находится на расстоянии 2-3 мм от поверхности металла. Когда температура подогреваемого металла достигнет необходимой величины, пускают струю режущего кислорода.

По мере углубления режущей струи в толщу реза уменьшается скорость и мощность струи режущего кислорода. Поэтому наблюдается ее искривление, для уменьшения которого дается наклон режущей струи.

При резке толстого металла ширина реза увеличивается к нижней кромке из-за расширения струи режущего кислорода. На кромках с их нижней стороны остается некоторое количество шлака.

Как правило, прямолинейная кислородная резка стальных листов толщиной до 50 мм выполняется вначале с установкой режущего сопла мундштука в вертикальное положение, а затем с наклоном в сторону, противоположную направлению резки (обычно на 15–30°).

   

(а)

(б)

Отставание режущей струи (а); резак, наклоненный для уменьшения отставания струи (б)

 

Наклон режущего сопла мундштука в сторону ускоряет процесс окисления металла и увеличивает скорость кислородной резки, а, следовательно, и её производительность.

При бо’льшей толщине стального листа (свыше 50 мм.) резак в начале резки наклоняют на 5-10° в сторону, обратную движению резки.

В металле, на поверхности реза, повышается содержание углерода. Причина этого в том, что при горении углерода образуется окись углерода СО, при взаимодействии которой с железом, в металле и повышается содержание углерода. Возможна и диффузия углерода к кромке реза из близкорасположенных участков металла.

Если производится последующая сварка, для предупреждения повышения углерода в металле шва (образование закаленных структур), следует производить механическую обработку или зачистку поверхности реза.

В процессе реза происходит термообработка металла кромок реза, соответствующая закалке. Ширина зоны термического влияния (до 6 мм) зависит от химического состава и возрастает с увеличением толщины разрезаемого металла.

Низкоуглеродистая сталь закалке практически не поддается. Происходит только укрупнение зерна и появление в структуре наряду с перлитом участков сорбита. При резке сталей с повышенным содержанием углерода или легирующих примесей в структуре металла может появиться троостит и даже мартенсит.

Неравномерный нагрев кромок создает напряжения в металле и деформирует его. Кромки реза несколько укорачиваются, а в прилегающем слое возникают растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Таблица 2

Выбор мундштуков для высокоскоростного газового резака Harris 198 2TF

(для низкоуглеродистых сталей)

№ мундштука

Показатели резки

Показатели кислорода

Толщина, мм.

Скорость, мм./мин.

Подогрев, bar

Резка, bar

5/0VVC

1-4

750

0.4

3.0

4/0VVC

4-6

700

0.5

3.0

3/0VVC

6-9

650

0.7

5.0

00VVC

9-12,5

630

0.7

5.0

0VVC

12.5-20

600

0.7

6.0

01/2VVC

20-35

550

0.7

7.0

1VVC

35-50

480

0.7

7.0

1VVC

50-60

400

0.7

7.0

11/2VVC

60-75

310

0.7

7.0

2VVC

75-100

280

0.7

7.0

2VVC

100-125

240

0.7

7.0

21/2VVC

125-150

200

0.7

7.0

3VVC

150-175

180

0.7

7.0

4VVC

175-200

180

0.7

7.0

5VVC

200-225

150

0.7

6.0

51/2VVC

225-250

130

0.7

6.0

 

Статья "Технология кислородной резки и управление ею" - скачать версию для печати.