16. Огневая резка металлов

Под огневой резкой металлов мы будем подразумевать процессы, при которых металл в зоне реза нагревается до высоких температур и удаляется из полости реза в расплавленном жидком виде в форме расплавленных шлаков и окислов. Для огневой резки пользуются оборудованием, аппаратурой и материалами, сходными с применяемыми в процессах сварки металлов. Поэтому во многих случаях целесообразно рассматривать огневую резку вместе со сваркой, хотя цели этих двух процессов противоположны. Промышленное применение огневой резки весьма велико: обрезка и обдирка слитков, обрезка и разрезка проката, обрезка и зачистка отливок, разрезка и раскрой листов, обрезка кромки под сварку, вырезка заготовок и готовых деталей.

В процессе резки металл может удаляться из полости реза чисто термическим процессом - расплавляется и вытекает. Но наиболее важный для техники металл - железо - легко окисляется, а в чистом кислороде может гореть подобно тому, как магний горит на воздухе; в результате металл превращается в окислы и шлаки, удаляемые из полости реза. В одних процессах резки преобладает термический процесс, в других - химический, но всегда оба эти процесса действуют совместно; в продуктах, удаляемых из полости реза, всегда можно обнаружить как металлическое железо, так и его окислы,

К термическому и химическому действию может присоединяться механическое действие струи газа, электрода и пр, выталкивающее жидкие и размягченные продукты из полости реза. Огневая резка выполняется разными способами; наиболее важный и изученный способ - кислородная резка, основанная на использовании химической реакции сгорания железа в кислороде.

Более новый способ плазменной резки основан на использовании высокотемпературной плазменной струи. Способ быстро развивается и уже имеет крупное промышленное значение. В перспективе могут найти применение струя фтора и световой луч, обычный и усиленный лазером.

16. 1. Газокислородная резка

Газокислородная резка основана на способности железа сгорать в струе чистого кислорода с выделением значительного количества тепла по реакции 3Fe + 20₂ = Fe₃ О₄.

Рис. 16.1. Газокислородная резка

Из этого уравнения следует, что на сжигание 1 г железа расходуется 0,38 г (или 0,27 л) кислорода или на 1 см³ железа расходуется 2,1 л кислорода. Действительный расход кислорода на 1 см³ железа в процессе резки может быть как выше, так и ниже указанного теоретического значения ввиду того, что часть металла выдувается из полости реза в неокисленном виде и вытекающий шлак содержит не только окислы, но и металлическое железо. Выделяемое при горении железа довольно значительное количество тепла оплавляет поверхность металла, и получающийся жидкий металл увлекается в шлак вместе с расплавленными окислами. Количество тепла от сгорания железа при резке в 6 - 8 раз превышает количество тепла, выделяемое подогревательным пламенем резака. Железо или сталь не загораются в кислороде при низких температурах; кислород, например, хранят и перевозят в стальных баллонах. Для начала горения металла в кислороде его нужно подогреть; температура начала горения зависит от состава металла и находится в пределах 1000 - 1200° С. Температура начала горения повышается с увеличением содержания углерода в металле при одновременном понижении температуры плавления металла. Настоящая высококачественная кислородная резка металла возможна лишь в том случае, если металл горит в твердом состоянии. Если же металл загорается лишь при расплавлении, то в процессе резки происходит значительное расплавление и вытекание металла из полости реза и рез получается широким и неровным, как при тепловых методах резки.

Процесс газокислородной резки можно представить следующим образом (рис.16.1). Смесь кислорода с горючим газом 4 выходит из подогревательного мундштука резака 1 и сгорает, образуя подогревательное пламя 5. Подогревательным пламенем металл нагревается до температуры начала горения, тогда по осевому каналу 2 режущего мундштука подается технически чистый кислород. Режущий кислород попадает на нагретый металл 3 и зажигает его. Начинается горение металла; при этом выделяется значительное количество тепла, которое совместно с подогревательным пламенем разогревает нижележащие слои металла, и горение быстро распространяется в глубину на всю толщину металла, прожигая сквозное отверстие, через которое режущая струя кислорода 6 выходит наружу, пробивая металл.

Если перемещать далее резак по прямой или кривой линии с надлежащей скоростью, то сжигание металла будет происходить по этой линии и металл будет разрезаться.

Таким образом, кислородная резка складывается из нескольких процессов: подогрева металла, сжигания металла в струе кислорода, выдувания расплавленного шлака из полости реза. Подогревательное пламя не тушат, и оно горит в течение всего процесса резки, так как количество тепла, выделяемого при сжигании железа недостаточно для возмещения всех потерь тепла зоны резки. Если подогревательное пламя потушить, то процесс резки быстро прекращается, металл охлаждается настолько, что кислород перестает на него действовать, и реакция горения металла в кислороде прекращается.

Для возможности успешного проведения кислородной резки разрезаемый металл должен удовлетворять определенным требованиям. Температура начала горения металла должна быть ниже температуры его плавления, т. е. металл должен гореть в твердом, нерасплавленном состоянии. Температура плавления окислов металла, образующихся при резке, должна быть ниже температуры плавления самого металла,. В этом случае окислы легко выдуваются из полости реза и режущий кислород получает беспрепятственный доступ к нижележащим слоям металла. Теплота сгорания металла должна быть достаточно большой, иначе требуется слишком мощное подогревательное пламя. Теплопроводность усиливает охлаждение зоны резки и затрудняет необходимый подогрев металла.

Практически указанным условиям удовлетворяет лишь железо и его технические сплавы - стали. Большинство других металлов, применяемых в технике и строительстве, не удовлетворяет указанным условиям и не поддается кислородной резке.

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. Медь не режется вследствие высокой теплопроводности и малой теплоты сгорания. Алюминий не режется вследствие чрезмерной тугоплавкости образующегося окисла и т. д. Стали высокоуглеродистые, высоколегированные, высокохромистые и т. д., не поддающиеся нормальному процессу газокислородной резки, могут быть разрезаны с использованием специальных приемов.

Для резки необходим чистый кислород; даже незначительное количество примесей заметно снижает скорость резки и сильно повышает расход кислорода. В качестве горючего для подогревательного пламени при кислородной резке может быть использован любой горючий газ, а также жидкое горючее - бензин, бензол, керосин и т. д.