Технология кислородной резки

Сущность кислородной резки.Кислородной резкой на­зывают способ разделения металла, основанный на использовании для его нагрева до температуры воспламенения-теплоты газового пламени и экзотермической (с выделением теплоты) реакции окисления металла, а для удаления окис­лов — кинетической энергии режущего кислорода.
По характеру и направленности кислородной струи раз­личают три основных вида резки: разделительная, при которой образуются сквозные разрезы; поверхностная, при которой снимается поверхностный слой металла; кислород­ным копьем, заключающаяся в прожигании в металле глу­боких отверстий.
На рис. 6 показана схема разделительной резки. Металл 3 нагревается в начальной точке реза до температуры вос­пламенения (в кислороде для стали до 1000—1200°С) подо­гревающим ацетиленокислородным пламенем 2, затем направляется струя режущего кислорода 1, и нагретый металл начинает гореть с выделением значительного количества теплоты по реакции 2Fe+2O2=Fe3O4+Q.
Теплота от горения железа Q вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои и распространя­ется на всю толщину металла. Чем меньше толщина разрезаемого металла, тем больше роль подогревающего пламени (при толщине 5 мм — до 80% общего количества теплоты, выделяемой при резке, при толщине более 50 мм — только 10%). Образующиеся окислы 5, а также ча­стично расплавленный металл удаля­ются из зоны реза 4 под действием кинетической энергии струи кислоро­да. Непрерывный подвод теплоты и режущего кислорода обеспечивают не­прерывность процесса.
Условия резки и разрезаемость. Для обеспечения нормального процес­са резки должны быть выполнены следующие условия:
1. Источник теплоты должен иметь необходимую мощность, чтобы обеспечить нагрев металла до требуемой температуры сгорания металла, а количество теплоты, выделяющейся при сгора­нии металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки,
2. Температура плавления металла должна быть выше температуры его окисления (горения) в кислороде, иначе металл при нагреве будет плавиться и принудительно уда­ляться из разреза без характерного для процесса резки оки­сления, являющегося главным источником теплоты.
3. Температура плавления металла должна быть выше температуры плавления образующихся в процессе резки окислов, иначе тугоплавкие окислы изолируют металл от контакта с кислородом и затруднят процесс резки.
4. Образующиеся окислы и шлак должны быть жидкотекучими и легко выдуваться струей режущего кислорода, иначе контакт кислорода с жидким металлом будет замед­лен или вовсе невозможен.
Всем перечисленным условиям удовлетворяет углеродис­тая сталь, поэтому ее можно резать кислородом.

Первому условию при газовой резке не удовлетворяет медь в связи с ее высокой теплопроводностью, сильно за­трудняющей начало процесса резки, и низким тепловыделе­нием при окислении. Поэтому мощности газовых резаков недостаточно для резки меди, и медь можно резать, приме­няя более мощный тепловой источник — электрическую дугу.
Второму и четвертому условию не удовлетворяет чугун. По мере повышения содержания углерода в железе процесс резки значительно ухудшается из-за снижения температуры плавления и повышения температуры воспламенения. Чугун, содержащий более 1,7% углерода, кислородной резкой не обрабатывается. Кроме того, вязкость шлака значительно возрастает при увеличении содержания кремния, который обязательно содержится в чугуне, что также является одной из причин невозможности вести кислородную резку чугуна. Третье условие не удовлетворяется при резке алюминия, магния и их сплавов, а также сталей с большим содержани­ем хрома и никеля. При нагревании этих сплавов в процес­се резки на их поверхности образуется пленка тугоплавкого окисла, препятствующая поступлению кислорода к неокис­ленному металлу.

Основные параметры кислородной раздели­тельной резки:
характеристики подогревающего пламени — мощность, горючий газ, соотношение смеси горючего газа и кислорода;
характеристики струи режущего кислорода — давление, расход, форма, чистота, скорость резки.
Подогревающее пламя имеет при резке нейтральный ха­рактер (β=1,1 для ацетилена, β=3,5 для пропанобутановой смеси). Мощность подогревающего пламени увеличивают с увеличением толщины разрезаемого металла.
Качество кислородной резки. Качество резки характери­зуется точностью траектории и качеством поверхности реза. Наименьшие отклонения траектории (линии) реза от задан­ной получаются при резке на машинах с программным, фотоэлектронным и электромагнитным управлением, наи­большие — при ручной резке без направляющих приспособ­лений. Величина отклонений зависит от длины, толщины, состояния поверхности листа, формы вырезаемой заготовки, квалификации резчика.
Качество реза характеризуется неперпендикулярностью и шероховатостью его поверхности, равномерностью шири­ны реза, наличием подплавления верхней кромки и грата на нижней кромке (рис. 7, а).
Неперпендикулярность поверхности реза образуется при изменении угла наклона резака к поверхности листа, а также от расширения режущей струи кислорода при вы­ходе ее из реза. Шероховатость поверхности реза опреде­ляется количеством и глубиной бороздок, оставляемых ре­жущей струей кислорода (рис. 7, в). Бороздки имеют обыч­но криволинейное очертание из-за отставания Δ от оси мунд­штука режущей струи кислорода (рис. 7, б). Чем больше толщина металла, меньше чистота кислорода, тем больше отставание. Обычно отставание составляет от 1 до 15 мм при прямолинейной резке листов толщины от 5 до 200 мм. Глубина бороздок зависит от давления кислорода, скорости резки, равномерности перемещения резака и состава горю­чего. Величина оплавления кромок находится в прямой за­висимости от мощности подогревающего пламени к в обрат­ной — от скорости резки. ГОСТ 14792 устанавливает три класса качества при машинной резке: 1-й класс— выс­ший, 2-й класс — повышенный, 3-й класс — обычный. Для каждого класса установлены предельные допуски на не­перпендикулярность поверхности, на шероховатость и отклонения от линии реза.

Для повышения производительности и качества реза применяют ряд разновидностей кислородной разделитель­ной резки.
Скоростная кислородная резка достигается за счет на­клона резака на 45° в сторону, обратную направлению пере­мещения. Скорость резки листовой стали толщиной 3—20 мм повышается в 2—3 раза, но ухудшается качество реза.
Высококачественная скоростная кислородная резка (смыв-процесс) позволяет увеличить и скорость (в 1,5—2,5 ра­за) и качество резки. Первое достигается за счет острого угла наклона резака — 25°, второе — применением специ­альных мундштуков, имеющих три отверстия для режущего кислорода, расположенных по углам равнобедренного тре­угольника. Впереди перемещается основная режущая струя, которая осуществляет резку металла на всю толщину. Две другие струи, расположенные по бокам и сзади основной, «защищают» горячие кромки, образованные основной стру­ей, Недостатком способа с острым углом является невозмож­ность фигурных резов и большая ширина реза.
Резка кислородом высокого давления до 5 МПа обеспе­чивает увеличение скорости резки металла толщиной до 60 мм на 30—50%.
Стали толщиной до 300 мм, разрезают обычными универ­сальными резаками. Сварка сталей большой толщины связана с дополнительными трудностями: необходимостью при­менения высоких давлений кислорода, трудностью прогрева нижних слоев металла и удаления шлака на большом рас­стоянии от резака. Поэтому стали большой толщины (свы­ше 300 мм) режут специальными резаками, мундштуки которых имеют увеличенные по сравнению с универсальными резаками "проходные сечения для режущего кислорода. Применяют науглероживающее подогревающее пламя, так как в этом случае оно будет более длинным.

Поверхностная кислородная резка металла.Поверхно­стной кислородной резкой называется процесс снятия кис­лородной струей слоя металла, В этом случае струя кислоро­да направлена к поверхности обработки под острым углом 15—40°, но в отличие от разделительной резки направление струи совпадает с направлением резки, и металл, расположенный впереди резака, нагревается перемещающимся на­гретым шлаком (рис. 8).


Рис. 8. Схема поверхностной резки:
1 — мундштук, 2 — шлак, 3 — канавка


Рис. 9. Схема прожигания отверс­тия в бетоне кислородным копьем: 1 — держатель копья, 2 — копье, 3 — защитный экран, 4 — бетонное изделии
Резку кислородным копьем(рис. 9) выполняют тонко­стенной стальной трубкой (копьем) с наружным диаметром 20—35 мм. Трубку подсоединяют к рукоятке с вентилем для кислорода и по ней подают кислород к месту реза. До на­чала резки конец трубки нагревают газовой горелкой или электрической дугой до температуры воспламенения. Кис­лородное копье горящим концом прижимают с достаточно большим усилием к изделию (металл, бетон, железобетон) и прожигают, таким образом, отверстие. Образуемые в про­цессе прожигания отверстия шлаки давлением кислорода и газов выносятся наружу в зазор между копьем и стенкой прожигаемого отверстия. Этому процессу способствуют воз­вратно-поступательные и вращательные движения копьем.

Кислородно-флюсовая резка. Для резки хромистых, хромоникелевых нержавеющих сталей, чугуна и цветных ме­таллов, которые не удовлетворяют условиям кислородной резки, применяют способ кислородно-флюсовой резки. Сущность заключается в том, что в зону реза вместе с режущим кислородом вводится специальный порошкооб­разный флюс, при сгорании которого выделяется дополни­тельная теплота и повышается температура в зоне реза. Кроме того, продукты сгорания флюса, взаимодействуя с тугоплавкими окислами, образуют жидкотекучие шлаки, которые легко удаляются из зоны реза, не препятствуя нормальному протеканию процесса.
Основным компонентом порошкообразных флюсов, при­меняемых при резке металлов, является железный поро­шок, который, сгорая, выделяет большое количество тепло­ты (около 1800 ккал/кг). Лучшие результаты при сварке нержавеющих сталей достигаются при добавлении к желез­ному порошку 10—15% алюминиевого порошка. Для по­верхностной и разделительной резки нержавеющих сталей используют в качестве флюса смесь алюминиево-магниевого порошка с ферросилицием или силикокальцием. Алюминиево-магниевый порошок, входящий во флюсовую смесь, сгорая в струе кислорода, повышает температуру пламени, а ферросилиций или силикокальций действует на окислы хрома, как флюсующая добавка.
Основная задача флюса при резке чугуна состоит в раз­бавлении флюса железом в области реза, снижении в сплаве содержания углерода, а также разжижении шлака, в кото­ром содержится много кислорода. В состав флюсов для резки чугуна входят железный и алюминиевый порошки, кварцевый песок и феррофосфор.
Цветные металлы и сплавы подвергаются кислородно-флюсовой резке только с применением флюсов. Установки для кислородно-флюсовой резки состоят из двух основных частей: резака (ручного или машинного) и флюсопитателя, обеспечивающего подачу и регулирование расхода флюса.