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.

Сталь	Характеристика разрезаемости.
Низкоуглеродистая	При содержании углерода до 0,3% резка без затруднений.
Среднеуглеродистая	С увеличением содержания углерода от 0,3 до 0,7% резка осложняется.
Высокоуглеродистая	При содержании углерода свыше 0,3% до 1% резка затруднена и требуется  предварительный подогрев стали  до 300-700С. При содержании углерода более 1-1,2% резка невозможна (без применения флюсов).

 

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.

Содержание		Разрезаемость стали	Марка стали
углерода	эквивалентного углерода
До 0,3	До 0,6	Возможна резка в любых  условиях без ограничений и без  подогрева до и после резки.	15Г,20Г,10Г2,15М, 15НМ и др.
До 0,5	0,6 - 0,8	В летнее время - хорошая без подогрева. В зимнее время необходим подогрев до150оС	30Г, 40Г, 30Г2, 15Х, 20Х, 15ХФ, 10ХФ, 15ХГ, 20М, 12ХНЗА, 20ХНЗА и др.
До 0,8	0,8 - 1,1	Резка затруднена в связи  с возможностью образования закалочных трещин. Необходим предварительный  подогрев до 500оС	50Г - 70Г, 35Г2 - 50Г2, 30Х - 50Х  и др. 12ХМ - 35ХМ, 20ХГ - 40ХГ, 40ХН - 50ХП, 12Х2Н4А  - 20Х2Н4А, 40ХФА, 5ХНМ, ШХ10, 25ХМФА и  др.
Более 0,8	Более 1,1	Резка затруднена в связи  с возможностью образования трещин после резки. Необходим предварительный  подогрев до 300-400оС и замедленное  охлаждение металла после резки.	25ХГС - 50ХГС, 33ХГС - 40ХС, 20ХЗ, 35ХЮА, 37ХНЗА, 35Х2МА, 25НВА, 38ХМЮА, 40ХГМ, 45ХНМФА, 50ХГА, 50ХТФА, 5ХНМ, 12Х2НЗМА, ШХ15, ШХ15СГ и др.

 

Влияние легирующих элементов на разрезаемость стали при кислородной резке.

Элемент	Разрезаемость стали
Марганец	При содержании до 0,6% Mn резка выполняется без затруднений, однако твёрдость поверхности реза значительно повышается по сравнению с твёрдостью основного металла.
Кремний	При содержании до 0,2% С и до 4% Si металл разрезается без затруднений. При содержании свыше 0,2% С и до 2,5% Si резка выполняется удовлетворительно.
Хром	Стали, содержащие до 0,7% С и до 1,5% Cr, подвергаются резке без затруднений. При содержании до 0,4% С и до 5% Cr необходим предварительный подогрев, который позволяет избежать закалки. Если содержание Cr превышает 6%, сталь не разрезается.
Никель	При содержании до 0,5% С и до 35% Ni сталь разрезается удовлетворительно, если в её составе нет значительного количества других элементов.
Вольфрам	Сталь, содержащая до 0,7% С и до 10% W, разрезается без затруднений. При содержании 10-15% W резка возможна только с предварительным подогревом.
Молибден	Содержание Mo до 2% не влияет на процесс резки. При содержании свыше 3,5% Мо резке поддаются только стали, которые содержат не более 0,3% С.
Медь	Содержание Cu до 0,7% не влияет на процесс резки.
Алюминий	Содержание до 0,5% Al на процесс резки не влияет. При большем его содержании ухудшается процесс резки. При содержании свыше 10% Al сталь не разрезается.
Сера и фосфор	Если общее содержание этих элементов не превышает 0,1%, на процесс резки они влияния  не оказывают.

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 аустенистные, 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.

Скорость резки должна соответствовать  скорости окисления металла по толщине  разрезаемого листа. Судить о правильном выборе скорости резки можно по следующим  признакам. При замедленной скорости происходит оплавление верхних кромок разрезаемого листа и расплавленные  шлаки (оксиды) вылетают из разреза  в виде потока искр в направлении  резки.

Слишком большая скорость характеризуется  слабым вылетом пучка искр из разреза  в сторону, обратную направлению  резки, и значительным «отставанием»  линий реза от вертикали. Возможно непрорезаение металла. При нормальной скорости резки поток искр и шлака с обратной стороны разрезаемого листа сравнительно небольшой и направлен почти параллельно кислородной струе.

Подготовка поверхности. Перед резкой поверхность разрезаемого металла должна быть тщательно очищена от окалины, ржавчины, краски и грязи. Для ручной резки достаточно очистить пламенем резака место реза в виде узкой полосы (30-50 мм) с последующей зачисткой металлической щеткой. Перед механизированной резкой на стационарных машинах листы обычно правят на листоправильных вальцах и очищают всю поверхность либо химическим, либо механическим (дробеструйной обработкой) путем.

Листы укладываются горизонтально  на опоры. Свободное пространство под  листом должно составлять половину толщины  разрезаемого металла плюс 100мм.

Положение и перемещение  резака в процессе резки. Перед началом резки подогревающим пламенем нагревают кромку разрезаемого металла до температуры оплавления и затем включают режущий кислород.

Положение резака в начале резки  зависит от толщины разрезаемой  стали. При прямолинейной резке  листовой стали толщиной до 50 мм резак  устанавливается вертикально, а  при большой толщине листа  – под углом 5о к поверхности  торца листа. Затем его наклоняют  на 20-30о в сторону, обратную движению резака. Такое положение резака способствует лучшему прогреву металла по толщине  и повышению производительности резки. При вырезке фигурных деталей  резак должен быть строго перпендикулярен  к поверхности разрезаемого металла.

Для облегчения резки и ускорения прогрева металла целесообразно делать зарубку зубилом в начальной точке реза.

Пробивка отверстий. Техника пробивки отверстий в листовой стали имеет особенности. При небольшой толщине металла (до 20 мм) и выполнении резки вручную пробивка отверстий внутри контура листа производится резаком. После предварительного нагрева металла до температуры оплавления подогревающее пламя выключается и на время пробивки отверстия с помощью вентиля на резаке включается подача режущего кислорода, после чего пламя вновь зажигается в раскаленном металле. Такая техника пробивки отверстий исключает возможность возникновения хлопков и обратных ударов.