Основы теории и технологии кислородной резки

Процесс кислородной резки металлов основан на сгорании (ин­тенсивном окислении) металлов в струе кислорода и принудитель­ном удалении этой струей образующихся окислов.

В отличие от резки металлов процесс кислородной резки неме­таллических материалов (бетона, шлака, огнеупоров) основан на сгорании в кислородной струе металлических порошков, вводимых в зону резки, расплавлении выделенной теплотой неметалла и по­следующем удалении расплава струей кислорода.

По направленности кислородной струи, ее кинетической энергии и форме образуемых резов кислородную резку можно разделить на два основных способа: резку разделительную, образующую сквоз­ные разрезы, и резку поверхностную (строжку или обточку), при которой на поверхности материала образуются канавки округлой формы.

При газовой (кислородной) и кислородно-флюсовой резке не­прерывный подогрев металла осуществляется газовым пламенем, а при кислородно-дуговой и плазменно-кислородной резке в пер­вом случае — дугой, а во втором — проникающей дугой и плазмой.

При резке кислородным или порошково-кислородным копьем подогрев металла требуется лишь в начале процесса резки.

Кислородная резка находит широкое применение во всех облас­тях металлургической и металлообрабатывающей промышленности и, в частности, в черной и цветной металлургии, судостроении, котлостроении, вагоностроении, тепловозостроении, моторостроении, строительстве и т. д.

Особенно широкое применение нашла ручная разделительная резка стали при раскрое листов, при резке профильного металла, при вырезке деталей простого и сложного контуров.

Значительное распространение получила также машинная кисло­родная резка, осуществляемая на полуавтоматах и на автоматах, позволяющих копировать контуры чертежа или шаблона с помощью механических, электромагнитных или фотокопировальных головок.

При малых сериях или штучном производстве плоских деталей из листовых сталей, когда изготовление штампов не окупается, кислородная машинная резка имеет самое широкое применение. Кислородная (газовая или кислородно-флюсовая) машинная резка с успехом заменяет также и строгальные операции, в частности опе­рацию скоса кромок листов под сварку, где производительность ее во много раз выше производительности других способов.

Основная область применения машинной резки — судостроитель­ная промышленность, котельное производство и заводы химичес­кого, транспортного, подъемно-транспортного, сельскохозяйствен­ного и тяжелого машиностроения.

Достаточно широкое распространение имеет также и поверхност­ная кислородная резка, основная область применения которой — заводы черной металлургии, где этот вид резки применяется для удаления поверхностных дефектов литья и проката.

Применение копьевой резки до последнего времени в нашей стра­не ограничивалось образованием (прожиганием) леток в металлур­гических печах, отверстий в стальных блоках при взрывных рабо­тах и т. п. В последние годы копьевая резка находит применение также при разделительной резке. Особенно перспективно порошково-кислородное копье, позволяющее осуществлять разделительную резку не только металлов и сочетаний металлов с огнеупорами, но и чисто, неметаллических материалов, таких как бетон, металлур­гические шлаки и огнеупоры.

Весьма большое распространение в черной металлургии полу­чила также поверхностная воздушно-дуговая резка, а в машино­строительной промышленности и в судостроении разделительная резка плазменной проникающей дугой для раскроя алюминиевых сплавов, коррозионно-стойких сталей и сплавов меди.

Сущность процесса.

Процесс газовой (кислородной) резки основан на сгорании (интенсивном окислении) металла в струе кислорода и принуди­тельном удалении этой струей образующихся окислов,

При резке стали сгорание железа в кислороде протекает по реакциям

Fe + O, 50₂= FeO +268, 8 кДж/моль--(64, 3 ккал/г-мол);

2Fe + l, 5O₂ = Fe₂O₃ + 829, 7 кДж/моль (198, 5 ккал/г-мол);

3Fe + 2O₂ = Fe₂O4+1115, 6 кДж/моль (266, 9 ккал/г-мол),

так как при высоких температурах в зоне реакции резки образуются все три окисла железа.

Нагрев металла производят подогревающим пламенем резака, образуемым при сгорании горючего газа в кислороде. Когда температура нагрева металла достигнет величины, достаточной для воспламенения металла пускают струю технически чистого (99С—99, 8 %) кислорода и начинают процесс резки.

Этот кислород, выходящий обычно из центрального канала мундштука и идущий непосредственно на окисление металла и удаление окислов, принято называть режущим в отличие от кисло­рода подогревающего пламени, выходящего в смеси с горючим газом из подогревающих сопл.

Направленный на нагретый участок металла режущий кисло­род немедленно вызывает интенсивное окисление металла в верх­нем слое, образуя на поверхности сильно перегретую закись железа и под ней слой оплавленного металла. Вытесненные струей в разрез расплавленные окислы нагревают нижележащий слой металла, создавая условия для его интенсивного окисления и т. д. В резуль­тате, процесс интенсивного окисления распространяется на всю толщину листа или заготовки. Образующиеся при сгорании металла окислы, будучи расплавленными, увлекаются струей режущего кислорода и удаляются из зоны резки.

Механизм окисления железа при кислородной резке стали.

По гипотезе, принятой в настоящее время, о конвективной пере­даче кислорода к поверхности режущей струи он проходит через ламинарный поверхностный слой струи, образуемый содержащи­мися в кислороде инертными газами (азотом, аргоном, окисью угле­рода и др.), и через слой шлака, стекающего по поверхности кромки реза к неокисленному металлу.

Приведенная гипотеза допускает следующее:

1) интенсивного окисления - (горения) металла в твердой фазе не происходит;

2) твер­дая поверхностная пленка окислов железа при кислородной резке защищает металл и препятствует контакту его с кислородом;

3) про­цесс горения железа начинается и поддерживается лишь после перехода пленки окислов в жидкое состояние при температурах 1330—1350 °С — в интервале, соответствующем плавлению вюстита (твердого раствора FeO в Fe₃O₄);

4) обмен кислородом между газо­вой средой и металлом происходит

в окиснойпленке расплав­ленного шлака по схеме, приве­денной на рис.16.

Рис. 16. Схема кислородного обмена при газовой резке

В процессе газовой разделительной резки, в особенности при резке стали большой толщины, окисление металла по толщине происходит неравномерно

— верхние слои металла окисляются и выносятся кислородной струей раньше, чем нижние (рис.17). В результате этого даже при строго вертикальном направлении струи происходит отклонение передней грани реза от вертикали, причем бороздки, оставляемые струей на поверхности кромки и реза, имеют наклон в некоторых случаях на угол до 30—45° и более. В практике кислородной резки это явление принято называть отставанием.

Величина отставания зависит от целого ряда других факторов: отсутствия непосредственного" подогрева нижних слоев металла подогревающим пламенем; относительной загрязненности режу­щей струи, увлекающей за собой выделяющиеся при плавлении и окислении металла газы; падения кинетической энергии кислород и других факторов.

Рис.17. Отставание в процессе резки

Согласно современным представлениям об окислении металла по толщине (в направлении кислородной струи), подтверждаемым скоростной цветной киносъемкой, сго­рание (интенсивное окисление) железа происходит не по всей фронтальной части цилиндрической кислородной струи, перемещаемой вперед в на­правлении резки и ограничиваемой стенками реза, а стадийно (ступен­чато) в направлении режущей струи кислорода (рис.18).

Рис.18. Стадийное (/— IV) окисление металла по толщине

В первой стадии процесса край кислородной струи попадает на нагретый подогревающим пламенем до температуры воспламенения участок поверхности металла, в ре­зультате чего на этом участке образуется сильно перегретая закись железа, а под ней — оплавленный металл. В последующих стадиях FeO и металлический расплав давлением кислорода вытесняются вниз и фронтальным давлением струи назад, за струю, в результате чего фронт окисления железа по перед­ней (лобовой) грани реза в нижних слоях металла смещается в сторону, обратную направлению резки, и отстает от окисления металла у верхней кромки.

Стадийное окисление железа по толщине протекает настолько быстро, что при визуальном наблюдении представляется непрерывным процессом. Таким образом, основной и единственной причиной отставания, объясняющей тот факт, что при прочих равных условиях величина отставания сохраняется одинаковой по всей длине реза, является стадийное окисление металла по толщине.