§ 1

Сущность и основные условия резки

Сущность процесса резки. Кислородная рез - ка * стали основана на свойстве железа гореть в струе чис­того кислорода, будучи нагретым до температуры, близкой к температуре плавления.

Температура загорания железа в кислороде зависит от состояния, в котором оно находится. Так, например, желез­ный порошок загорается при 315° С, тонкое листовое или полосовое железо — при 930° С, а поверхность крупного куска стали — при 1200—1300° С. Горение железа происхо­дит с выделением значительного количества тепла и может даже поддерживаться за счет теплоты сгорания железа.

Начальной реакцией при резке стали будет

FeTB + 0,5О2 = FeOTB + 64 ккалікг.

Для жидкой FeO уравнение реакции имеет вид:

0,947 Режидк - f - 0,5О2 = F^o.947 ^жидк + ^9 ккалікг.

Дальнейшее окисление идет по уравнению:

3FeO + 0,5О2 = Fe304 + 74 ккалікг,

а в случае резки металла большой толщины, частично, по ' уравнению

2FeO + 0,5О2 = Fe203 + 62,7 ккалікг.

* Кислородная резка входит в группу процессов так называемой тер­мической резки металла, объединяемых общим названием «газовая рез­ка металлов». В эту группу, кроме кислородной резки, входят: кисло - родно'-флюсовая, кислородно-дуговая, воздушно-дуговая, плазменно-ду­говая и плазменная резка металлов.

Divued bv Roman Efimov httD://www. farleD. net/~roman

Как показал анализ шлака, ЗО—40% удаленного из реза металла составляет не сгоревшее, а только расплавившееся железо; 90—95% окислов состоят из FeO, которая после удаления из реза реагирует по уравнению

4Fe0i947O —<► Fe304 + 0,788 Fe.

Для реакции образования Feo,9470 на 1 дм3 кислорода требуется 0,57 см3 Fe. Фактический расход режущего кислорода составляет примерно 1,75 дм3 Ог на 1 см3 Fe. Окисел Fe0,947O имеет температуру плавления 1370° С, т. е. значительно ниже температуры плавления железа.

Скорость реакции Fe + 0 = FeO пропорциональна УРреакц, где Рреакц — давление кислорода в месте реакции. При по­вышении давления кислорода в струе процесс резки ускоря­ется за счет повышения скорости реакции окисления и за счет более быстрого удаления окислов из места разреза.

Нагревание металла при резке производят газокисло­родным пламенем. В качестве горючих при резке могут применяться ацетилен, пропан-бутан, пиролизный, природ­ный, коксовый и городской газы, пары керосина [16].

Кроме подогрейа металла до температуры горения в кислороде, подогревающее пламя выполняет еще следую­щие дополнительные функции:

подогревает переднюю (в направлении резки) верхнюю кромку реза впереди струи режущего кислорода до темпе­ратуры воспламенения, что обеспечивает непрерывность процесса резки;

вводит в зону реакции окисления дополнительное тепло, покрывающее его потери за счет теплопроводности металла и в окружающую среду; это имеет особенно важное значе­ние при резке металла малой толщины;

создает защитную оболочку вокруг режущей струи кис­лорода, предохраняющую от подсоса в нее азота из окру­жающего воздуха;

подогревает дополнительно нижнюю кромку реза, что важно при резке больших толщин.

Мощность подогревающего пламени зависит от толщи­ны и состава разрезаемой стали и температуры металла перед резкой.

Металл нагревают на узком участке в начале реза, а за­тем на нагретое место направляют струю режущего кисло­рода, одновременно передвигая резак по намеченной линии реза. Металл сгорает по всей толщине листа, в котором об­разуется узкая щель. Интенсивное горение железа в кисло­роде происходит только в слоях, пограничных с поверх­ностью режущей струи кислорода, который проникает ^диффундирует) в металл на очень малую глубину.

С момента начала резки дальнейший подогрев металла до температуры воспламенения происходит, в основном, за счет тепла реакции горения железа. При чистой, свободной от ржавчины и окалины поверхности, резка может продол­жаться и без дополнительного подогрева. Однако лучше продолжать резать с подогревом, так как это ускоряет процесс.

Приход тепла при резке листовой стали толщиной 25 мм слагается из:

тепла подогревательного кислородно-ацетиленового

пламени...................................................................... 28—29%

тепла реакции окисления железа.................................. 71—72%

100%

Расход тепла при резке листовой стали толщиной 25 мм (%):

подогрев режущего кислорода........................ 2,5

нагрев стали до температуры воспламенения 6 потери тепла через теплопроводность металла 36,6 потери тепла на излучение и конвекцию. . 20,0

» » со шлаками.......................................... 20,4

» » с отходящими газами......................... 14,5

100,0

Для заготовительной резки стали применяют кислород чистотой не ниже 98,5—99,5%. С понижением чистоты кис­лорода резка идет медленнее и требует большего расхода кислорода. Например, в пределах чистоты кислорода от 99,5 до 97,5% понижение чистоты на 1% увеличивает рас­ход кислорода на 1 м шва на 25—35%, а время резки — на 10—15%. Это особенно заметно при резке стали больших толщин. Применять для заготовительной резки кислород чистотой ниже 98,5% не следует, так как поверхность реза получается недостаточно чистой, с глубокими рисками и трудноотделяемыми шлаками (гратом).

Скорость резки, толщина металла, расход ацетилена в подогревающем пламени и эффективная мощность пламени связаны между собой зависимостью (рис. 75).

Производительность резки зависит также от распреде­ления подогрева. Применение нескольких подогревающих пламен увеличивает скорость резки по сравнению с таковой при одном подогревающем пламени (при равных расходах ацетилена в обоих случаях). Общий предварительный по­догрев металла при резке (до любой температуры) позво­ляет значительно увеличить скорость резки (рис. 76).

Рис. 75. Зависимость эффективной Рис. 76. Влияние предва - мощиости пламени от расхода aue - рительного подогрева ме­тилена, скорости резки и толщины талла иа скорость резки металла (по данным В. С. Голов­ненко)

Основные условия резки. Для процесса резки металла кислородом необходимы следующие условия: температура горения металла в кислороде должна быть ниже температуры плавления, иначе металл будет плавить­ся и переходить в жидкое состояние до того, как начнется его горение в кислороде;

образующиеся окислы металла должны плавиться при температуре более низкой, чем температура горения метал­ла, и не быть слишком вязкими; если металл не удовлетво­ряет этому требованию, то кислородная резка его без при­менения специальных флюсов невозможна, так как образу­ющиеся окислы не смогут выдуваться из места разреза;

количество тепла, выделяющееся при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно большим, чтобы

обеспечить поддержание процесса резки (см. баланс тепла резки, приведенный выше);

теплопроводность металла не должна быть слишком вы­сокой, так как иначе, вследствие интенсивного теплоотвода, процесс резки может прерываться.

Влияние состава стали на резку. Перечис­ленным выше условиям наиболее полно отвечают стали с небольшим содержанием углерода и легирующих примесей. Низко - и среднеуглеродистые, а также низколегированные стали при содержании углерода до 0,3% хорошо - режутся кислородом, достаточно легко поддаются резке.

Способность стали подвергаться резке можно оценить по ее химическому составу, пользуясь формулой эквивален­та углерода

Сэ в С + 0,4Сг + 0,3 (Si + Mo) + 0,2V + 0,16Мп + 0,04 (Ni + Си),

где С8 — эквивалент углерода; символы элементов в форму* ле обозначают их содержание в стали в весовых процентах.

О р и м е р. Сталь состава: С — 0,2; Мп — 0,8; Si — 0,6. Тогда

С» »» 0,2 + 0,16 • 0,8 + 0,3 -0,6 =» 0,508. Сталь относится к группе I (см. табл. 25).

В табл. 25 приведена классификация сталей по их спо* собности разрезаться кислородом.

Таблица 25 Классификация сталей по разрезаемости их кислородом Группа | Єак %С Марка стали Условия резки і До 0*6 До 0,3 10—25; МСт. 1- МСт. 4,15Р,20Р; 10Г2; 15М; 15НМ. Режутся хорошо в лю­бых условиях и не тре­буют термообработки п 0,61—0,8 До 0,5 30—35; ЗОР—40Г; 15Х; 20Х; 20ХФ и др Режутся удовлетвори­тельно. Летом — резка без подогрева. Зимой и при резке больших сечений — подогрев до 120° С

Продолжение табл. 25 Группа Сак % с Марка стали Условия резки ш 0,81-1,1 До 0,8 50—70 ; 50Г—70Г; 12М — 35ХМ; 18ХГМ; 20ХГС и др Режугся ограниченно, склонны к закалке и трещинам при резке; резку ведут в горячем виде при температуре листа 200—300°С IV Более 1,1 Более 0,8 25ХГС — 50ХГС; ЗЗХС—40ХС; 40ХГМ; 50ХГА и др Режутся плохо, склонны давать трещины, тре­буют предварительного подогрева до 300— 450°С и замедленного остывания после резки

Кислородная резка почти не оказывает влияния на свой­ства низкоуглеродистой стали вблизи места реза. Только при резке сталей с повышенным содержанием углерода кромки разреза становятся более твердыми, так как такая еталь частично закаливается в месте реза. Глубина зоны влияния при резке указана в табл. 26

Таблица 26 Глубина зоны влияния при резке стали Сталь Глубина зоны влияния, мм, при ММ толщине стали. 5 25 100 150 300 Ннзкоуглеродистая (до 0,3%С)......................... Углеродистая 0,5—1%С о о гг о о О» СО О о ГГ — О і 1.5— 2,0 2.5— 3,5 1.5— 3,0 3.5— 5 4—5 6—8

При резке высоколегированных хромистых, хромомар­ганцовистых и хромоникелевых сталей происходит обедне­ние кромок хромом, кремнием, марганцем и титаном, а со­держание никеля возрастает. В структуре такой стали меж­ду кристаллами около кромки появляются включения легкоплавких сульфидов и силицидов[17] железа, что способ­ствует возникновению горячих трещин в момент остывания

кромок. Возможна межкристаллитная коррозия после рез­ки. Поэтому при резке этих сталей кислородом, кромки после резки в случае необходимости, фрезеруются или строгаются для удаления металла на толщину зоны влия­ния резки.

Для некоторых марок высоколегированных хромистых сталей применяют термическую обработку для восстанов­ления структуры кромок после резки кислородом (табл. 27).

Виды термической обработки высоколегированных хромистых сталей
после резки кислородом

Таблица 27 Сталь Вид термообработки Содержащая 0,2—0,5%С и 5—15% Сг Предварительный подогрев до 250—360°С и термообработка после резки (закалка с отпуском или отпуск при 650—950°С) Содержащая до 0,15% С и 12—18%Сг Резка без подогрева, который необходим только при резке больших толщин и сложной форме детали. После резки высокий отпуск или отжиг при 650— 950°С Содержащая до 0,35% С и 16—30% Сг Резка на максимальных скоростях. После резки отжиг при 750—850°С с быстрым охлаждением в воде Аустенитно-ферритные (1Х18Н9Т) Резка возможна в любых условиях Аустенитные (2X18Н9; Х23Н18) Для предотвращения межкристаллитной коррозии в зоне влияния резку ведут с интенсивным охлаждением кромок водой или после резки применяют гомогениза­цию (нагрев до 1050—1150°С и охлажде­ние водой)

§ 2