• Кислородная резка металлов – термины и особенности применения

    Кислородная резка является весьма распространенным технологическим методом обработки металлов. Аппараты плазменной резки металла, не смотря на ширящуюся популярность в быту и на производстве, газовую резку не вытеснили, и в обозримом будущем не вытеснят. Кроме того, некоторые производственные задачи оптимально выполнять именно этим методом – по качественным показателям, по экономическим соображениям, по остаточному принципу использования уже имеющегося оборудования, и т.д. Ведь и трансформаторные модели сварочных аппаратов весом под сто килограммов продолжают применяться, хотя сварочные инверторы Сварог здесь были бы гораздо производительнее, надежнее и экономичнее. Так что кислородная резка металлов остается действенным способом металлообработки.

    Физическая суть процесса кислородной резки заключается в интенсивном окислении обрабатываемого материала до жидкого состояния и удаления расплава кислородной струей. Начинается кислородная резка с нагрева поверхностных слоев до температуры воспламенения металла в кислородной среде. Например, для стали этот показатель составляет от 1050°С до 1200°С, в зависимости от состава и количества легирующих примесей. По достижении этой критической температуры подается струйный кислород. В результате сталь именно горит, а не плавится. Плавлению подвергаются более глубокие слои, так как горение сопровождается выделением большой теплоты.

    На верхней кромки детали образуется расплав, состоящий из смеси собственно железа и окислов. Это жидкий слой перемещается вниз, прогревая и расплавляя всю глубину металлического изделия. Одновременно резак поступательно перемещают в требуемом направлении с необходимой скоростью. Быстрота поступательного движения лимитирована необходимостью полностью прорезать изделие и нагреть до необходимой температуры прилегающие к фронту резки слои. На лобовой (фронтальной) поверхности реза образуется слой горящего металла, непрерывно передающий свое тепло нижним слоям.

    Из физической сущности процесса кислородной резки следуют условия, необходимые для производства такой работы:

    • Прогрев «чистого» металла (т. е. без оксидной пленки) до температуры его воспламенения
    • Надежный контакт между расплавом и кислородной струей
    • Выделение горящим металлом такого количества теплоты, которого будет достаточно для создания непрерывного расплавленного слоя на поверхности резки

    Вязкость расплава. Этот показатель обеспечивает перемешивание расплава кислородной струей под давлением и способствует прорезке на всю глубину заготовки.

    • температура воспламенения - около 1050°С
    • температура плавления чистого Fe – порядка 1550°С
    • температура плавления основного оксида FeO - 1370°С

    Поэтому первоочередным требованием при кислородной резке является температурное соответствие оксидов и «чистого» металла определенному соотношению – оксиды должны плавиться при меньших температурах. И чем значительнее разница в точках плавления металла и его оксидных соединений, тем эффективность процесса будет выше. Это ограничивает применимость метода – например, те же аппараты плазменной резки металла подобных ограничений в использовании не имеют. Струя кислорода должна окислить расплав, иначе процесс попросту заглохнет.

    Также необходимо, чтобы температура воспламенения металла была ниже, чем его температура плавления. В противном случае продукты расплава выдуваются кислородом из рабочей зоны. Процесс пойдет по плавильному методу (без окисления) – то есть изделие будет разрезано, но на это потребуются большие энергетические затраты.

    Если при горении выделяется недостаточно теплоты, то фронт реза не прогревается, и работа идет прерывисто. Высокая теплопроводность металла имеет негативные последствия для обработки кислородной резкой по той же причине. Большая вязкость расплава мешает промешиванию (турбулизации) жидкого металла, и на кромках реза выделяется недостаточно теплоты.

    Ввиду наличия таких ограничений резка кислородным методом используется для сравнительно небольшой группы материалов. К ним в первую очередь относятся железо, марганец и титан. Подобная «неуниверсальность» метода компенсируется производительностью и технологической освоенностью - как и сварочные инверторы Сварог, здесь уместно вспомнить о моделях серии ARC. Они сваривают только железо и сталь, зато делают это весьма надежно и качественно.

    Характеристики железа как основного металла для разрезания кислородным методом таковы:

    За счет сравнительно небольшой теплопроводности разогрев фронтальной поверхности железа происходит до температур в 2000°С, тепловой эффект при реакции горения Fe равен 269 МДж/моль

    Титан отличается еще меньшей теплопроводностью, тепловой эффект при горении титана втрое больше – 900 МДж/моль, температура на лобовой поверхности реза достигает 2500°С. Поэтому титан и его сплавы разрезаются легче и быстрее, чем любая сталь.

    Использование кислородной резки для конкретных металлов и сплавов

    Никель, медь, алюминий, цинк, марганец и хром резать с помощью стандартного кислородного оборудования нельзя, для этого подойдут аппараты плазменной резки металла или другие способы. Однако Сu, Аl, Ni, Сr, Zn и Mg присутствуют в стали как легирующие примеси. Какое влияние они оказывают на процесс кислородной резки?

    Когда в слое жидкого расплава присутствуют тугоплавкие оксиды, то текучесть ухудшается, снижается теплообмен и весь процесс термического окисления стали тормозится. К элементам, ухудшающим активность окисления, относятся все более активные к кислороду, чем железо.

    Например, всем известный чугун: Содержание углерода на уровне менее 1 % кислородной резке этого материала не мешает. С ростом концентрации углерода снижается температура плавления стали (в частности, для этого чугунные сплавы и разрабатывались), и одновременно повышается рост температуры воспламенения в кислородной среде. Пока концентрация C лежит в пределах 1 %, сталь позволительно резать кислородным методом – в том числе армко-железо, конструкционные, инструментальные и низкоуглеродистые сплавы. По достижении 1.5 % содержания углерода в стальном сплаве резать его кислородом уже нельзя – разница между температурой плавления и температурой воспламенения становится недопустимо малой. Поэтому чугуны обычной резке кислородом не подвергают.

    Медь и марганец в стальных сплавах на технологическую допустимость резки практически не влияют. Это связано с особенностями их кристаллографии в железе. Поэтому ограничений на использование метода по сталям с Cu и Mn нет – вплоть до содержания марганца на уровне 18 %, а такая концентрация легирующих примесей в промышленно-распространенных стальных сплавах встречается редко.

    Хром, никель, кремний и алюминий на резку кислородом влияют негативно. Для Si допустимым пределом содержания является 2 %. Хром в стальном сплаве в концентрации от 2 до 6 % влечет падение скорости процесса. Когда содержание хрома больше 6 %, можно использовать специальные флюсы – обычная резка кислородной струей не применима. Никель ухудшает перспективу процесса не сам по себе, а в паре с углеродом. Безуглеродистые стали с высоким содержанием Ni (вплоть до 30 %) режутся без проблем. Появление в комплекте с легирующим никелем углерода (уже начиная с 0.5 %) требует подогрева обрабатываемых образцов.

    Вольфрам как тугоплавкий материал не препятствует разрезанию вплоть до концентрации в 10 %. Стальные сплавы с высоким содержанием W (свыше 10 %) требуют резки другими методами либо использования уже упомянутых специальных флюсов.

    Следует учесть, что многие стали представляют собой сложные составы, и влияние содержащихся в них примесей на резку имеет комплексный характер. При этом термическом процессе могут создаваться оксиды и шлаки различного состава, которые влияют и на скорость, и на энергетические затраты, и на саму возможность метода. Так что кислородная обработка металлов резанием более требовательна, чем сварка тех же металлов по инверторным технологиям. Даже бюджетные сварочные инверторы Сварог здесь отличаются существенно меньшими запросами к легирующему составу соединяемых деталей.

    По типу разрезов, кроме обычной разделительной резки, применяется поверхностное удаление слоев без сквозных прорезов. По составу обрабатываемого металла резка кислородом «обычного» вида используется при работе по низколегированным и конструкционным сталям. Заготовки и детали из высоколегированных сталей, чугунов и цветных сплавов эффективно подвергаются кислородно-флюсовому резанию. Имеются особые виды металлообработки – подводная резка металлов, электрокислородная и другие, используемые при ответственных ремонтных работах.

    В целом кислородная резка металлов используется не меньше, чем дуговая сварка. Метод находит широкое применение в технологиях металлообработки, заготовительных операциях, литейном производстве, металлургии, обработке сортового металлопроката, в строительстве, ремонте и т.д.

    По материалам tiberis.ru, tiberis.ru.

    Ответить Подписаться
Газета зарегистрирована в Московском региональном управлении Роскомпечати. Свидетельство № А-349. Распространяется по району Замоскворечье (жилые дома, предприятия, организации) с 1993 г. Периодичность - 1 раз в месяц. Тираж 16200 экз.
© 1999-2014 "Вестник Замоскворечья". 115093, г. Москва, ул. Б. Серпуховская, д. 40, стр. 2. Тел. (495) 943-03-81, (910) 424-56-71.