Техника кислородной резки

Техника кислородной резки.

Общие сведения. Кислородная резка является одним из наиболее распространённых процессов газопламенной обработки металлов. Она широко используется в металлообработке и металлургии при резке листов, заготовок профильного проката, труб и т.д.

Различают два вида кислородной резки: разделительную и поверхностную.

При разделительной резке образуются сквозные разрезы, а при поверхностной – канавки круглого очертания.

Разделительная резка производится без и со скосом кромок под сварку, а поверхностная бывает либо сплошной, когда обрабатывается вся поверхность заготовки за один проход, либо выборочной с удалением поверхностного слоя металла.

В отличие от сварки кислородная резка на вертикальной плоскости или в потолочном положении не представляет трудностей и может производиться в любом пространственном положении.

В процессе резки металл расплавляется и вытекает из полости реза. Однако железо легко окисляется, а в чистом кислороде горит и превращается в оксиды и шлаки.

К термическому и химическому действию может присоединяться механическое действие струи газа, выталкивающее жидкие и размягчённые продукты из полости реза.

При кислородной резке происходит химическая реакция сгорания железа в кислороде.

Железо и сталь не загораются, как известно в кислороде при низких температурах, поэтому кислород хранят в стальных баллонах. Температура начала горения металла зависти от его химического состава и равна 1000-1200оС. Температура начала горения повышается с увеличением содержания углерода в металле при одновременном понижении температуры его плавлении. Высококачественная кислородная резка металла возможна лишь в том случае, если он горит в твёрдом состоянии. Если же металл загорается лишь при расплавлении, то в процессе резки он вытекает из полости реза и рез получается широким и неравномерным.

Сущность процесса кислородной резки. Смесь кислорода с горючим газом выходит из подогревательного мундштука резака и сгорает, образуя пламя, которое называют подогревающим. Когда металл нагревается до температуры начала горения, пор осевому каналу режущего мундштука подаётся технически чистый кислород. Он попадает на нагретый металл и зажигает его. В процессе горения выделяется значительное количество кислоты. Нижележащие слои металла нагреваются, и горение быстро распространяется в глубину, прожигая сквозное отверстие, через которое режущая струя кислорода выходит, наружу пробивая металл. Если перемещать резак с определённой скоростью, то металл будет разрезаться.

Таким образом, кислородная резка состоит из нескольких процессов: подогрева металла, сжигания металла струёй кислорода, выдувания расплавленного шлака из полости реза. Подогревательное пламя обычно не тушат, и оно горит в течении всего процесса резки, так как теплоты, выделяющейся при сжигании железа в кислороде, недостаточно для возмещения всех потерь теплоты в зоне резки. Если подогревательное пламя потушить, то процесс резки быстро прекращается, металл охлаждается настолько, что кислород перестанет на него действовать, и реакция горения металла в кислороде останавливается.

Условия резки. Кислородной резке подвергаются только те металлы и сплавы, которые удовлетворяют определённым условиям.

                  Температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления. Этому требованию соответствуют низкоуглеродистые стали, температура воспламенения которых в кислороде около 1300оС, а температура плавления около 1500оС. Увеличение содержания углерода в стали сопровождается повышением температуры воспламенения в кислороде и понижением температуры плавления. Поэтому с ростом содержания углерода кислородная резка сталей ухудшается.

                  Температура плавления оксидов металлов, образующихся при резке, должна быть ниже температуры плавления самого металла. В противном случае тугоплавкие оксиды не будут выдуваться струёй режущего кислорода, что нарушит нормальный процесс резки. Этому условию не удовлетворяют высокохромистые стали и алюминий. При резке высокохромистых сталей образуются тугоплавкие оксиды с температурой плавления 2000оС, а при резке алюминия – оксид, температура плавления которого около 2050оС. Кислородная резка их невозможна без применения специальных флюсов.

                  Теплоты, которая выделяется при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно для поддержания непрерывного процесса резки. При резке стали около 70% теплоты выделяется в результате сгорания металла в кислороде и только 30% её поступает от подогревающего пламени резака.

                  Образующиеся при резке шлаки должны быть жидкотекучими и легко выдуваться из места реза.

                  Теплопроводность металлов и сплавов не должна быть слишком высокой, иначе теплота от подогревающего пламени и нагретого шлака интенсивно отводится от места реза, процесс резки становится неустойчивым и в любой момент может прерваться. При резке стали сгорание железа в кислороде происходит в соответствии со следующими реакциями:

Fe + 0,5O2 = FeO + 269 МДж/кмоль,

2Fe + 1,5O2 = Fe2O3 + 272 МДж/кмоль,

3Fe + 2O2 = Fe3O4 +276 МДж/кмоль.

Из уравнений следует, что на сгорание 1 кг железа расходуется 0,38 кг (0,27 л) кислорода, или на 1 см3 железа требуется 2,1 л кислорода. На практике же расход кислорода в процессе резки может быть выше или ниже теоретического значения, так как часть металла выдувается из полости реза в неокислённом виде и вытекающий шлак содержит не только оксиды, но и металлическое железо. Выделяемое при горении железа значительное количество теплоты оплавляет поверхность металла. Этот жидкий металл увлекается в шлак вместе с расплавленными оксидами. Количество теплоты, образующееся в результате сгорания железа при резке, в 6-8 раз превышает количество теплоты, выделяемой подогревающим пламенем резака.

Указанным условиям удовлетворяет лишь железо и его технические сплавы – стали. Большинство других металлов не поддаются кислородной резке.

Разрезаемость металла. Ниже приведены характеристики разрезаемости углеродистых сталей.

Разрезаемость кислородом конструкционных сталей оценивают по содержанию в них эквивалентного углерода:

Cэ = C + 0,16Mn + 0,3 (Si + Mo) + 0,4Cr + 0,2V + 0,04 (Ni + Cu).

Цифры, стоящие перед обозначением элементов, указывают их содержание в сталях (в процентах по массе).

Характеристика разрезаемости конструкционных сталей.

Влияние легирующих элементов на разрезаемость стали при кислородной резке.

Предварительный подогрев необходим в первую очередь для предупреждения образования трещин и выполняется в газовых печах, нагревательных колодцах или пламенем многопламенной горелки.

Высоколегированные стали кислородной резке не поддаются из-за образования в процессе резки тугоплавких оксидов, которые с трудом удаляются из полости реза (разреза). Высокоуглеродистые, высоколегированные аустенитные, высокохромистые стали не поддаются газокислородной резке. В этом случае применяют кислородно-флюсовую или плазменно-дуговую резку.

Для резки необходим чистый кислород; даже небольшое количество примесей заметно снижает ей скорость и значительно повышает расход кислорода. В качестве горючего дл подогревающего пламени при кислородной резке можно использовать любой промышленный горючий газ, а также бензин, бензол, керосин и т.д.

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.

Цветные металлы также не поддаются процессу резки из-за высокой температуры плавления их оксидов и значительной теплопроводности.

Медь не режется вследствие высокой теплопроводности и незначительного количества теплоты, выделяющейся при её сгорании. Медь и её сплавы можно обрабатывать кислородно-флюсовой резкой.

Алюминий не режется по причине чрезмерной тугоплавкости образующегося оксида. Для алюминия и его сплавов применяют плазменную дуговую резку.

Показатели режима резки. Основными показателями режима резки являются: мощность пламени, давление режущего кислорода и скорость резки. От их выбора во многом зависят производительность и качество резки.

Мощность пламени определяется толщиной разрезаемого металла, составом и состоянием стали (прокат или поковка). При ручной резке из-за неравномерности перемещения резака обычно приходится в 1,2-2 раза увеличивать мощность пламени по сравнению с машинной. При резке литья следует повышать мощность пламени в 3-4 раза, так как поверхность отливок, как правило, покрыта песком и пригаром.

Для резки стали толщиной до 300 мм применяют нормальное пламя, а толщиной свыше 400 мм – подогревающее пламя с избытком ацетилена (науглероживающее) для увеличения длины факела и прогрева нижней части реза.

Давление режущего кислорода зависит от толщины разрезаемого металла, формы режущего сопла и чистоты кислорода. При повышении давления сверх нормативного скорость резки уменьшается, и качество поверхности реза ухудшается. Соответственно увеличивается расход кислорода.