§ 1. Сутність та умови кисневого різання. Основні параметри різання при розділювальному кисневому різанні.Вплив домішок стали на процес кисневого різання. .

Сутність процесу кисневого різаннязаснована на згорянні металу в струмені кисню і видаленні цим струменем рідких оксидів, що утворюються. Різанню передує нагрівання місця початку різу до температури приблизно 1300-1350 ° С (для сталі). Після цього включається подача ріжучого кисню, який окислює метал та розрізає його. Згорілий (окислений) метал видувається струменем кисню. У процесі горіння (окислення) металу виділяється велика кількість теплоти, яка нагріває прилеглі (попереду лежачі) шари металу до температури займання. Таким чином, процес горіння металу в кисні поширюється по всій товщині металу, що розрізається.

Звичайному кисневому різанню піддаються тільки ті метали, які задовольняють наступним умовам:

1. Температура займання металу в кисні повинна бути нижчою за температуру його плавлення. Низьковуглецева сталь плавиться при температурі приблизно 1500° С, а займається в кисні при температурі 1300-1350° С; вона добре піддається кисневому різанню.

2. Температура плавлення окислів, що утворюються, повинна бути нижче температури плавлення основного металу, так як в іншому випадку тугоплавкі оксиди не будуть видуватися струменем кисню і процес різання може припинитися. Хромисті сталі утворюють тугоплавкі оксиди хрому з температурою плавлення близько 2000 ° С. Вони піддаються тільки киснево-флюсового різання.

3. Кількість теплоти, що виділяється при згорянні металу в струмені кисню, має бути достатнім для підігріву наступних шарів, що нижчі (попереду лежать), тобто для підтримки безперервного процесу різання.

4. Теплопровідність металу не повинна бути високою, тому що інтенсивне відведення теплоти від місця різу призведе до того, що процес різання буде перериватися або взагалі не почнеться. З цієї причини мідь, алюміній та їх сплави піддаються лише киснево-флюсовому різанню.

5. шлаки, Що Утворюються при згорянні металу, повинні бути рідкотекучими, так як тугоплавкі і в'язкі шлаки не будуть видуватися кисневим струменем з порожнини різу. Тому чавуни, що утворюють тугоплавкі оксиди кремнію, різкі не піддаються: для них можливе лише киснево-флюсове різання.

Зі збільшенням вмісту в сталі вуглецю, а також різних домішок процес різання ускладнюється. Вплив їх на процес різання наведено у табл. 52.

52. Вплив домішок стали на процес різання

Наближено на здатність піддаватися різанню різних сталей вказує еквівалентний вміст вуглецю в ній, який визначається за формулою

З ек =С+0,155 (Cr+Mo)+0,14 (Mn+V)+0,11Si+0,045 (Ni+Cu)

У цій формулі цифри при символах елементів означають вміст їх у сталі у вагових відсотках.

При різанні сталей із підвищеним еквівалентним вмістом вуглецю необхідний попередній підігрів (табл. 53).

53. Температура попереднього підігріву стали при різанні

По спрямованості струменя ріжучого кисню і характеру різів, що утворюються, розрізняють два основні види кисневого різання: 1. Розділову, що утворює наскрізні розрізи (вирізка деталей з листа, різання металу на частини, скіс кромок під зварювання та ін.).

2. Поверхневу, що дає на поверхні металу поглиблення (канавки) овальних контурів (видалення дефектних швів, стружка поверхні, виплавка канавок та ін.).

Основні параметри різу при роздільному кисневому різанні показані на рис. 127.

Мал. 127. Основні параметри різання:

B В - ширина різу вгорі, B Н -ширина різу внизу, f - неперпендикулярність різу, l - глибина борозенок (шорсткість), Δ - відставання, r - радіус оплавлення верхньої кромки

На швидкість різання впливає чистота кисню (табл. 54). Зі зменшенням чистоти кисню значно знижується швидкість різання. Найбільш доцільно застосовувати кисень чистотою 99,5% та більше. Застосовувати кисень чистотою 95% недоцільно, тому що крім малої швидкості різання поверхня різу виходить нечистою, з глибокими ризиками і важко відокремленим гратом.

54.Залежність швидкості різання від чистоти кисню

* За 100% прийнято швидкість різання для кисню чистотою 99,5%.

Загальні відомості. Газова (киснева) різання є процес інтенсивного окислення металу у певному обсязі з подальшим видаленням рідкого оксиду струменем кисню.

Процес різання починають з підігріву верхньої кромки металу полум'ям, що підігріває, до температури займання металу в кисні, яка в залежності від хімічного складусталі становить 1050 ... 1200 °С.

При досягненні температури займання на верхній кромці металу на неї з ріжучого сопла подається струмінь кисню, при цьому сталь починає горіти в струмені кисню з утворенням оксидів і виділення значної кількості теплоти, що забезпечує розігрів сталі, у верхній кромці до температури плавлення.

Розплав рідких оксидів, що утворився на верхній частині кромки, переміщається по бічній кромці різання струменем кисню і здійснює нагрівання нижніх шарів металу, які послідовно окислюються до тих пір, поки весь метал не буде прорізаний на всю глибину. Одночасно з цим починають переміщати різак із певною швидкістю у напрямку різання. На лобовій поверхні різу по всій товщині утворюється безперервний шар гарячого металу.

Окислення металу кожен момент часу починається зверху і послідовно передається нижнім шарам.

Умови протікання кисневого різання. Для протікання процесу кисневого різання потрібне забезпечення наступних умов:

• контакт між струменем кисню та рідким металом;
• підігрів неокисленого металу до температури займання;
• виділення продуктами горіння певної кількості теплоти, достатньої для створення на поверхні різання шару розплавленого металу;
• достатня в'язкість рідкого розплаву для створення можливості перемішування рідкого металу струменем кисню.

Наведені умови визначають вимоги до металу, що обробляється кисневою різкою. Насамперед, температура плавлення оксидів повинна бути нижчою за температуру плавлення самого металу. Інакше струмінь кисню зможе окислити розплавлений метал.

Якщо температура займання металу буде вищою за температуру плавлення, то метал почне плавитися і видуватися струменем кисню без подальшого його окислення (плавильний процес). Цей процес потребує значних енергетичних витрат. При низькій теплоті утворення оксиду лобова поверхня різу не прогрівається до температури плавлення, процес різання переривається. З тих же причин негативно позначається на здатності металу піддаватися кисневому різанню їх висока теплопровідність.

Висока в'язкість розплаву не забезпечує його переміщення в поверхневих шарах, у результаті знижується виділення теплоти на кромці різу.

З чистих металів кисневою різкою добре обробляються залізо та титан. Не можна розрізати звичайним кисневим способом нікель, мідь, алюміній, магній, хром та цинк.

У техніці зазвичай застосовують сплави металів, їх найбільш широко використовують сплави заліза і вуглецю - сталь і чавун. Наявність домішок у сталі впливає на здатність стали оброблятися кисневою різкою через утворення в шарі рідкого розплаву, що видується з різу кисневим струменем, тугоплавких оксидів.

Вплив легуючих домішок на різання сталі. Зупинимося докладніше на вплив легуючих домішок на здатність стали оброблятися кисневою різкою.

Вуглець, що міститься в сталі, призводить, з одного боку, до підвищення температури її займання в струмені кисню, з іншого до зниження температури плавлення. Сталі, що містять до 1% вуглецю, розрізаються кисневою різкою без утруднень. Крім того, підвищення вмісту вуглецю сталі знижує її в'язкість. Саме цією обставиною можна пояснити більше низькі швидкостірізання заліза, що містить у складі соті частки відсотка вуглецю.

Марганець та мідь у кількостях, що зустрічаються зазвичай у сталях, практично не впливають на технологічні параметри кисневого різання. Кисневою різкою можуть розрізатися сталі, що містять до 18% марганцю.

Кремній, хром, алюміній, нікель зі збільшенням їхнього вмісту в сталі погіршують процес різання.

Кремній міститься зазвичай у невеликій кількості (до 2%) у низьколегованих сталях, що практично не позначається на швидкості різання.

При вмісті в сталях до 2% хрому їх також розрізають з використанням режимів, прийнятих низьковуглецевих сталей. Збільшення вмісту хрому до 6% призводить до зниження швидкості різання. Хромисті сталі з вмістом хрому більше 6% через утворення тугоплавких оксидів не можуть бути оброблені звичайною кисневою різкою. Для різання цих сталей у розріз вводять спеціальні флюсуючі матеріали.

Сталі з високим вмістом нікелю (до 30%) можна розрізати кисневим способом, якщо вміст вуглецю в них не перевищує 0,35%, інакше різко утруднюється, потрібний попередній підігрів.

Кисне різання сталі із вмістом до 10 % вольфраму здійснюється без труднощів. При вищому вмісті вольфраму в розрізі утворюється велика кількість в'язких тугоплавких оксидів вольфраму, що перешкоджають видаленню розплаву з різу.

Вступ

Газова різання металів заснована на можливості заліза (відкритої в 1776 р. Лавуазьє), нагрітого до певної температури, вступати в реакцію з киснем. Початком практичного освоєння цього відкриття послужило отримане в 1895 французьким ученим Ле Шательє високотемпературне полум'я при горінні суміші ацетилену з киснем.

Газове різання призначене для роздільної та поверхневої обробки металів. При розділовій обробці, коли ріжучий струмінь кисню спрямована приблизно перпендикулярно к.розрізається поверхні, метал прорізається «а всю товщину до відділення однієї частини від іншої. Розділове газове різання набуло найбільшого поширення в промисловості і дозволяє успішно різати сталі товщиною від 3 до 2000 мм.

Поверхнева обробка є процесом, при якому знімається тільки поверхнева частина металу. Різання відбувається за допомогою великого нахилу різака до поверхні металу, при цьому струмінь кисню ріжучого випалює на його поверхні канавку овального перерізу.

Найбільше застосування поверхневе різання отримало в металургії для видалення дефектів з поверхні лиття та прокату чорних металів. У деяких випадках поверхневе різання з успіхом може замінювати чорнову. механічну обробку- стружку, обточування, розточування і т.д.

Останнім часом газове різання прийнято називати кисневою, тому що всі її процеси пов'язані із застосуванням кисню. Крім газового різання розрізняють: киснево-флюсову, плазмову, дугову, повітряно-дугову, киснево-дугову, лазерну, списову та ін.

Всі зазначені способи різання виконуються шляхом нагрівання металу, тому їх поєднує загальна назва - термічне різання металу.

сутність газової (кисневої) різання полягає в тому, що на попередньо нагріту ділянку металу, що розрізається, до температури займання подається струмінь ріжучого кисню. При цьому відбувається інтенсивне окиснення поверхні металу з виділенням великої кількості тепла. Верхні шари металу, згоряючи, підігрівають до займання в струмені кисню нижні шари до тих пір, поки кисневий струмінь повністю не проріже метал по всій товщині. Продукти окислення металу (окисли, шлаки), що утворюються в процесі різання, видуваються кінетичною енергією струменя з порожнини різу.

Таким чином, кисневе різання являє собою сукупність трьох одночасно процесів, що відбуваються: підігрів металу до температури займання, згоряння металу в струмені кисню, видалення розплавленого шлаку з порожнини різу. За відсутності хоча б одного із зазначених процесів різання стає неможливим.

При кисневому різанні необхідно, щоб властивості металу, що розрізається, задовольняли наступним умовам:

– температура займання металу, що розрізається, в середовищі кисню повинна бути нижче температури його плавлення;

– температура плавлення оксидів - не перевищувати температуру плавлення металу, що розрізається. В іншому випадку тугоплавкі оксиди, що утворюються, будуть перешкоджати подальшому окисленню металу;

– кількість тепла, що виділяється в процесі кисневого різання, має бути достатньою для нагрівання прилеглих ділянок металу до температури його займання та безперервної підтримки процесу різання. При цьому метал повинен добре проводити тепло, щоб не перешкоджати нагріву;

- Окисли, що утворюються при різанні, повинні бути рідкотекучими і легко видуватися кисневим струменем з порожнини різу;

Киснева (газова) різання заснована на властивості деяких металів у нагрітому стані згоряти в струмені кисню. У цьому нагрівання металу до температури його займання, тобто. початку активного згоряння, забезпечується газокисневим полум'ям. Як горючі гази можуть застосовуватися - як і при газовому зварюванні - ацетилен, пропан, бутан, пропан-бутанові суміші, природний газ, а також пари рідких горючих речовин - гасу та бензину (максимальна температура полум'я парів гасу в суміші з киснем 2400-2450 °С, те для бензину 2500-2600°С).

На рис. 15.1 показана схема кисневого різання. Різання починається з нагрівання металу на початку різу підігріваючим газокисневим полум'ям до температури займання (температура займання сталі в кисні становить 1100-1300°С). Потім подають струмінь ріжучого кисню, і нагрітий метал починає горіти по всій товщині різу з виділенням великої кількості теплоти. Ця теплота йде на розігрів нижчих шарів металу. Оксиди, що утворюються, а також частково розплавлений метал видмухуються з місця різання струменем кисню.

Кисневе різання виконується з використанням того ж обладнання, що і газове зварювання. Основною відмінністю є застосування замість зварювальних пальників спеціалізованого інструменту - різаків. Різаки служать для змішування пального газу з киснем, утворення полум'я, що підігріває, і подачі до металу, що розрізається, струменя ріжучого кисню.

Умови різання та розрізання. Кисневою різкою можна обробити метали, що мають такі властивості:

1. Температура горіння (інтенсивного окислення) металу в кисні повинна бути нижчою за температуру його плавлення, інакше метал переходитиме в рідкий стан до того, як почнеться його горіння.

2. Температура плавлення оксидів, що утворюються при горінні металу, повинна бути нижчою, ніж температура плавлення металу. При цьому оксиди металу повинні бути достатньо рідкими і легко видалятися з порожнини різу струменем ріжучого кисню.

3. Метал повинен мати невисоку теплопровідність, інакше через високу тепловідведення процес різання може перерватися.

Розділове кисневе різання. Різання може виконуватися ручним або механізованим способом із застосуванням відповідно ручних різаків або машин для кисневого різання. Механізація процесу кисневого різання дозволяє підвищити продуктивність, якість різання та значно покращити умови праці різьбярів. Технологія роздільного кисневого різання визначається підготовкою металу, технікою та режимами різання.

Поверхневе кисневе різання. Струмінь ріжучого кисню при цьому способі різання спрямована до поверхні обробки під кутом 15-40°. Як і при розділовому різанні, метал на початку і в процесі поверхневого різання нагрівається газокисневим полум'ям, що підігріває, і теплотою горіння металу. Але, на відміну від першої, метал, розташований попереду різака, нагрівається нагрітим шлаком, що також переміщається.

Доатегорія:

Різання металу

Сутність процесу кисневого різання

З цього рівняння випливає, що на спалювання 1 г заліза витрачається 0,38 г або 0,27 л кисню, або на 1 см3 заліза витрачається 2,1 л кисню. Дійсна витрата кисню на 1 см3 заліза в процесі різання може бути як вище, так і нижче зазначеного теоретичного значення, зважаючи на те, що частина металу видмухується з порожнини різу в неокисленому вигляді і шлак, що випливає, містить не тільки оксиди, але і металеве залізо. Виділяється при горінні заліза досить значна кількість тепла оплавляє поверхню металу, і рідкий метал, що виходить, захоплюється в шлак разом з розплавленими оксидами.

Залізо чи сталь не спалахують, як відомо, у кисні при низьких температурах; кисень, наприклад, зберігають і перевозять у сталевих балонах. Для початку горіння металу в кисні потрібно підігріти метал; температура початку горіння залежить від складу металу та знаходиться в межах 1000-1200 °С. Температура початку горіння підвищується зі збільшенням вмісту вуглецю в металі за одночасного зниження температури плавлення металу. Справжнє високоякісне кисневе різання металу можливе лише в тому випадку, якщо метал горить у твердому стані. Якщо ж метал спалахує лише при розплавленні, то в процесі різання відбувається значне пасплавлення та витікання металу з порожнини різу та різ виходить широким і нерівним, як при теплових методах різання.

Процес газокисневого різання можна представити так. Суміш кисню з горючим газом виходить з підігрівального мундштука різака і згоряє, утворюючи полум'я, що підігріває. Підігрівальним полум'ям метал нагрівається до температури початку горіння, тоді осьовим каналом ріжучого мундштука подається технічно чистий кисень. Ріжучий кисень потрапляє на нагрітий метал та запалює його. Починається горіння металу; при цьому виділяється значна кількість тепла, яке спільно з підігрівальним полум'ям розігріває нижчі шари металу, і горіння швидко поширюється в глибину на всю товщину металу, пропалюючи наскрізний отвір, через яке ріжучий струмінь кисню виходить назовні, пробиваючи метал. Якщо переміщати далі різак по прямій або кривій лінії з належною швидкістю, спалювання металу відбуватиметься по цій лінії і метал буде розрізатися.

Таким чином, кисневе різання складається з кількох процесів: підігріву металу, спалювання металу в струмені кисню, видування розплавленого шлаку з порожнини різу. Підігрівальне полум'я зазвичай не гасять, і воно горить протягом всього процесу різання, оскільки кількість тепла, що виділяється при спалюванні заліза в кисні, недостатньо для відшкодування всіх втрат тепла зони різання; якщо підігрівальне полум'я згасити, то процес різання швидко припиняється, метал охолоджується настільки, що кисень перестає на нього діяти, і реакція горіння металу в кисні припиняється.

Для можливості успішного проведення-кисневого різання метал, що розрізається, повинен задовольняти певним вимогам. Температура початку горіння металу повинна бути нижчою за температуру його плавлення, тобто метал повинен горіти в твердому, нерозплавленому стані. Температура плавлення оксидів металу, що утворюються при різанні, повинна бути нижчою за температуру плавлення самого металу. У цьому випадку оксиди легко видмухуються з порожнини різу і кисень, що ріже, отримує безперешкодний доступ до нижчележачих шарів металу. Теплота згоряння металу має бути досить великою, інакше потрібне занадто потужне підігрівальне полум'я. Теплопровідність посилює охолодження зони різання та ускладнює необхідний підігрів металу. Фактично зазначеним умовам задовольняє лише залізо та її технічні метали - стали. Більшість інших металів, що застосовуються у техніці, не задовольняє зазначеним умовам і не піддається кисневому різанню.

Мал. 1. Схема процесу газокисневого різання: 1 - ріжучий мундштук; 2 - ріжучий кисень; 3 - метал, що розрізається; 4 - підігрівальний мундштук; 5 - підігрівальне полум'я; в - шлаки

Чавун не ріжеться внаслідок низької температури плавлення та високої температури початку горіння; він горить у кисні у розплавленому стані, що унеможливлює отримання якісного різу. Мідь не ріжеться внаслідок високої теплопровідності та малої теплоти згоряння. Алюміній не ріжеться внаслідок надмірної тугоплавкості окислу, що утворюється, і т. д. Стали високовуглецеві, високолеговані аустенітні, високохромисті і т. д., що не піддаються нормальному процесу газокисневого різання, можуть бути розрізані киснем з використанням спеціальних прийомів, розглянутих нижче.

Для різання необхідний можливо чистіший кисень; навіть незначна кількість домішок помітно знижує швидкість різання та сильно підвищує витрату кисню. Як паливо для підігрівального полум'я при кисневому різанні з успіхом може бути використаний будь-який промисловий горючий газ, а також рідкі горючі - бензин, бензол, гас і т.д.