2. Газокислородная резка металлов

а. Сущность процесса и основные условия кислородной резки

В технически чистом кислороде при температуре, необходимой для начала реакции, интенсивность окисления металла становится настолько большой, что переходит в горение. Для непрерывности процесса горения необходимо соблюдение определенных условий: 1) контакт окислителя с неокисленным металлом поверхности; 2) непрерывный подогрев неокисленного металла до температуры воспламенения; 3) достаточно высокая концентрация кислорода в газовой фазе, вступающей в контакт с металлом.

Таким образом, процесс газокислородной резки является процессом сквозного прожигания твердого металла струей чистого кислорода.

Для получения качественной (гладкой) поверхности реза необходимо, чтобы разрезаемый металл удовлетворял определенным требованиям.

1. Температура горения металла должна быть ниже температуры его плавления с тем, чтобы при горении сам металл не плавился.

2. Продукты горения металла должны быть жидкими с тем, чтобы они легко удалялись из реза, оголяя поверхность металла для непрерывного контакта со струей кислорода при перемещении резака вдоль линии реза.

Кроме этих двух основных требований следует учитывать и дополнительные требования, имеющие определенное значение.

Так, следует иметь в виду, что для интенсивного горения металла необходим контакт с чистым кислородом, а образующиеся газообразные оксиды снижают контрацию свободного кислорода; отсюда вытекает требование недопустимости образования большого количества газообразных продуктов горения.

Вторым дополнительным требованием, которому должен удовлетворять разрезаемый металл - достаточно высокая жидкотекучесть образующихся оксидов. Третье дополнительное условие - достаточно высокий тепловой эффект реакции окисления металла, а теплопроводность металла не должна быть очень большой с тем, чтобы не происходило интенсивное охлаждение зоны реза.

Всем этим требованиям удовлетворяют железо, углеродистые и низколегированные конструкционные стали при невысоком содержании углерода: температура плавления железа 1535˚С, горения 1200˚С, температура плавления оксида железа - 1370˚С. Тепловой эффект реакций окисления достаточно высок: Fe + + 0,5О₂ = FeO + 64,3 ккал/г ∙ моль, 3Fe + 2О₂ = Fe₃ О₄ + 266,9 ккал/г ∙ моль, 2Fe + 1,5О₂ = Fe₂О₃ + 198,5 ккал/г ∙ моль, а теплопроводность железа является ограниченной. Худшими характеристиками обладают никель и медь; так для меди температура плавления 1083˚С, оксида меди - 1230˚С, тепловой эффект окисления - 37,5 ккал/г ∙ моль, а теплопроводность очень велика.

Совершенно не удовлетворяют требованиям алюминий, магний, хром и цинк; t_пл, ˚С: Al 658; А₂О₃ 2050; Мg 651; МgО 2500.

Естественно, что примеси в сталях оказывают влияние на способность подвергаться кислородной резке, причем разные элементы в разной степени. Влияние углерода сказывается при содержании его свыше 0 25 %; марганец, никель и медь в тех количествах, в которых они содержатся в сталях, не мешают выполнению резки. Кремний, алюминий и хром по мере их увеличения в стали ухудшают процесс резки.

б. Подогревательное пламя и кислород режущей струи

Для возможности начала процесса резки и устойчивого его протекания, необходимо подогреть металл в нужном месте до температуры его воспламенения. С этой целью резак должен иметь канал для подачи горючего газа в смеси с кислородом для создания подогревательного пламени и канал, по которому подается струя режущего кислорода.

Несмотря на то, что реакция горения железа протекает с выделением тепла, для создания необходимой температуры в зоне реза нужно и после начала процесса не выключать подогревательное пламя, так как тепловой энергии, образующейся только за счет горения железа, оказывается не достаточно.

Схема устройства ацетилено-кислородного резака приведена на рис. 216.

Д ля подогрева места начала реза до температуры воспламенения металла при закрытом вентиле 3 другими вентилями 4 и 9 открывает подачу ацетилена и кислорода для создания нагревательного пламени, горящего на выходе смеси из кольцевого канала, образуемого зазором между наружным и внутренним мундштуками 14 и 15. После разогрева места начала реза до необходимой температуры открытием вентиля 8 подают струю режущего кислорода.

Мощность подогревательного пламени, а следовательно, и расход горючего газа зависят от толщины разрезаемого металла:

Толщина разрезаемого

металла, мм 3 - 25 25 - 50 50 - 100 100 - 200

М ощность пламени, м³/ч 0,3 - 0,55 0,55 - 0,75 0,75 - 1,0 1,0 - 1,2

Расход кислорода режущей струи (V_кр) на окисление (сжигание) V_ко, и на выдувание V_кв образующихся жидких оксидов составит: V_кр = V_ко + V_кв. Сделав допущение, что весь окисленный металл представляет собой оксид FeO, масса кислорода, расходуемого на окисление М_ко = 16blSρ/56, г, где 16 и 56 - атомные массы кислорода и железа; b - ширина реза, см; l - длина реза, см; S - толщина металла, см; ρ - плотность железа (7,8 г/см³).

Так как площадь реза равна lS, то удельный расход кислорода на окисление М'_ко = 0,285bρ, г/см³, или V'_ко = 0,285 ∙ 7,8 b ∙ (1/1,43) = 1,55b, л/см², так как масса 1 л кислорода равна 1,43 г при 0˚С. Так как ширина реза b колеблется (0,25 - 0,40 см), то расход кислорода на сжигание металла, удаляемого из реза, V'_ко = 0,39 ÷ 0,62 л/см² (0,4 - 0,6).

Для оценки количества кислорода, расходуемого на выдувание шлака из реза, введем понятие коэффициента использования струи режущего кислорода на окисление η_кр = V_ко / (V_ко + V_кв) = V_ко / V_кр. Практически η_кр = 0,40 η÷ 0,55.

Тогда полный расход кислорода режущей струи V_кр = 0,4/0,55 ÷ 0,6/0,4 = 0,73 ÷ 1,5 л/см².

Практически для машинной резки V_кр = 0,75 ÷ 0,85 л/см², для ручной резки V_кр = 1,1 ± 1,5 л/см².

Очень большое влияние на расход кислорода оказывает ширина реза (рис. 217) и чистота кислорода (рис. 218). При снижении чистоты кислорода до 95 % процесс резки становится практически невозможным.

в. Классификация машин для кислородной резки

Кроме ручной разделительной резки, при которой резак вдоль линии реза перемещается вручную, в настоящее время широко используется машинная кислородная резка, при которой точность и равномерность перемещения резака вдоль линии реза гораздо выше.

Для этих целей используют специальные машины двух видов: стационарные (16 типоразмеров) и переносные (3 типоразмера).

Стационарные газорезательные машины могут быть различных типов, как по конструктивной схеме, так и по системе управления перемещением - линейные для прямолинейной резки; магнитные, перемещающиеся по стальному копиру для фигурной резки; фотокопировальные по чертежу для фигурной резки; цифровые программные для фигурной резки.

Переносные газорезательные машины общего назначения по системе контурного управления или способу движения предназначаются для резки по разметке, по циркулю, по исправляющим и по гибкому копиру.

Наиболее совершенным является программное управление газорезательной машиной, так как оно устраняет необходимость изготовления так называемых копир-чертежей, повышает точность и снижает стоимость резки. Контур детали в этом случае задается в виде математической функции или через координаты отдельных точек и в виде электрических импульсов условным кодом записывается на магнитную ленту. Магнитная лента проходит через считывающее устройство (магнитофонную головку), передающую сигналы на усилитель и оттуда в исполнительную часть, управляющую параметрами резки и движением каретки.

Вместо магнитной ленты используют также бумажную ленту с записанными на ней условным кодом координатами.

г. Особые виды кислородной резки

1. Поверхностной кислородной резкой называют процесс снятия слоя металла с поверхности, выполняемое кислородной струей. Относительное расположение мундштука такой специальной горелки и обрабатываемой поверхности показано на рис. 219.

К ак и при обычной разделительной резке процесс требует начальной тепловой подготовки металла до температуры воспламенения в кислороде. Смесь горючего газа и кислорода подается из отверстий, расположенных по периферии торца резака, а в центре имеется отверстие, откуда истекает струя режущего кислорода. При начале подогрева резак располагают почти вертикально, а в момент включения режущего кислорода поворачивают в положение, показанное на рис. 219 (с углом атаки 10 - 30˚). В этом случае струя кислорода выжигает канавку овальной формы.

Последовательной выборкой расположенных рядом канавок можно снять слой металла. В металлургической и других отраслях промышленности этот процесс используется для механизированной зачистки горячего и холодного металла перед прокаткой, для удаления поверхностных пороков литья перед их заваркой, а также для строжки корня шва перед наложением подварочных валиков.

2. Резка кислородным копьем (рис. 220) заключается в прожигании в металле отверстий струей кислорода, подаваемого по стальной трубке, один конец которой упирается в прорезаемый металл, а другой присоединяется к рукоятке с вентилем для подачи кислорода.

Для начала процесса конец трубки 1 разогревают до температуры воспламенения железа сварочной горелкой, дугой (угольным электродом) или другим способом. Затем конец трубки прижимают в нужном месте к прожигаемому изделию 2 и при подаче кислорода происходит горение металла без какого-либо дополнительного источника теплоты. Для обеспечения возможности вытекания шлака из отверстия и удобства выполнения работы изделие располагают так, как это показано на рис. 220.

Для уменьшения расхода трубок и увеличения теплового эффекта горения железа внутрь толстостенных трубок закладывают одну или несколько сплошных сварочных проволок.

3. Подводная кислородная резка используется при судоремонтных, судоподъемных, аварийно-спасательных и других работах.

Нагрев металла под водой обеспечивается созданием газового пузыря, оттесняющего воду как от пламени, так и от нагреваемого участка металла. Для создания такого пузыря могут использоваться неконденсирующиеся в воде газы: кислород, азот, углекислый газ и другие (в большинстве случаев применяют кислород). Необходимость подачи газа под высоким давлением, например, на глубину 20 м более 0,20 МПа, а на большие глубины еще под большим давлением, исключает применение ацетилена (из-за склонности его к распаду со взрывом при таких давлениях). Поэтому в качестве горючего используют бензин, распыляемый на выходе из горелки специальной форсункой с помощью струи кислорода (рис. 221), подаваемого по отдельным каналам.

Струя режущего кислорода истекает под необходимым давлением из центрального канала резака. Газовый пузырь образуется под специальным колпаком-насадком. Для зажигания подогревательного пламени применяется электрический запал. Ввиду интенсивного теплоотвода водой мощность подогревательного пламени должна быть в 5 - 10 раз больше, чем при резке на воздухе.

В качестве примера приведем основные параметры режима резки стали толщиной 10 мм на глубине 10 м.

Рабочее давление, МПа: бензина 0,7, распылительного кислорода 0,7, режущего кислорода 0,7. Расход: бензина 3400 г/ч, распылительного кислорода 12,6 м³/ч, режущего кислорода 9,5 м³/ч. Скорость резки: до 22 м/ч.

При увеличении глубины на каждые следующие 10 м давление увеличивается на 0,1 МПа.

При увеличении толщины разрезаемого металла на той же глубине давление газов возрастает незначительно, а расход материалов увеличивается существенно. Например, при резке металла толщиной 50 мм рабочее давление бензина 0,7 МПа, распылительного кислорода 0,8 МПа, режущего кислорода 0,8 МПа, а расход материалов составляет: бензина 6800 г/ч; распылительного кислорода 17,7 м³/ч, режущего кислорода 12,1 м³/ч. При этом скорость резки составляет 12,0 м/ч.

д. Кислородно-флюсовая резка

Как указывалось выше, ряд металлов не поддается кислородной резке в связи с образованием тугоплавких оксидов, а также недостаточного теплового эффекта реакции окисления.

Удаление тугоплавких оксидов возможно либо путем их перевода в более легкоплавкие соединения, либо путем создания вблизи поверхности большого градиента температур. Тогда в очень тонком слое у поверхности создавались бы температуры, при которых могли бы расплавиться оксиды с более высокой температурой плавления, не вызывая заметного расплавления самого металла.

Такого эффекта можно достичь концентрированным вводом дополнительного тепла непосредственно в реакционное пространство, т. е. вместе со струей режущего кислорода. На этом принципе основан способ кислородно-флюсовой резки. Основой таких порошкообразных флюсов, вводимых в реакционную зону вместе с кислородной струей, является железный порошок. При этом в процессе горения флюса образуются высоконагретые частицы FeO, способствующие образованию более легкоплавких комплексных соединений (FeО ∙ SiO₂, FeO ∙ Cr₂О₃ и др.). При этом облегчается доступ кислорода к неокисленным частям металла вследствие удаления тугоплавких оксидов. Для меди и сплавов на медной основе такие действия могут оказывать фосфорные и в некоторой степени алюминиевые оксиды. Введение алюминия способствует и повышению теплового эффекта за счет термитной реакции. Имеет значение также действие абразивных частиц, увлекаемых потоком кислорода режущей струи. Опыт применения кислородно-флюсовой резки показал, что в качестве флюсов для различных металлов и сплавов могут использоваться смеси, состоящие из железного порошка, кварцевого песка, железной окалины, феррофосфора и алюминия с размерами зерен 0,1 — 0,25 мм.

С хема установки для кислородно-флюсовой резки приведена на рис. 222. Инжекторное устройство 5 дозирует количество флюса, подаваемого из бункера 6 вместе с кислородом режущей струи в резак 7. Кислород и ацетилен для создания подогревательного пламени из баллонов 1 и 2 через редукторы 3 по отдельным шлангам также поступают в резак 7.