Классификация и особенности толстых сталей
Что считается большой толщиной
По действующей классификации к сталям большой толщины при резке кислородом относят металлы толщиной от 300 мм и выше. Это не просто цифры — за ними стоят серьезные физические и химические особенности процесса.
Представьте: чем толще металл, тем больше газов нужно подать в зону реза за единицу времени. Расходы возрастают многократно. Отсюда вытекает необходимость применения специальной аппаратуры и особых приемов работы.
Выбор оптимальной технологии — задача не из простых. Нужно учесть технические параметры процесса, экономические показатели, обеспечить устойчивость резки. И всё это зависит от технической и энергетической оснащенности конкретного участка.
Давайте разберемся, какие факторы влияют на качество резки толстых сталей.
Подогревающее пламя и конструкция мундштуков
Назначение и требования к пламени
Основная задача подогревающего пламени — нагреть начальный участок поверхности металла до температуры воспламенения железа в кислороде. Но это еще не всё. Пламя должно постоянно вводить в зону реакции дополнительное тепло, компенсируя теплоотвод в металл и окружающую среду.
Для резки сталей больших толщин рекомендуется применять пропан-бутан или природный газ. Почему именно они? Всё дело в небольшой скорости воспламенения этих газов. Это позволяет при определенных технических приемах обеспечить подогрев нижней части реза — критически важный момент при работе с толстым металлом.
К форме и конструкции каналов для горючей смеси предъявляются серьезные требования:
- ✓ обеспечение необходимой мощности пламени для конкретной толщины металла;
- ✓ устойчивость горения пламени;
- ✓ достаточно высокая концентрация теплового потока;
- ✓ эффективная теплопередача от пламени к металлу.
Типы мундштуков и их применение
Сейчас при резке сталей больших толщин применяют многосопловые мундштуки. Они бывают с круглыми или шлицевыми каналами для выхода горючей смеси, с внутрисопловым или внешним смешением газа и кислорода.
Такие мундштуки отличаются высокой устойчивостью к обратным ударам пламени и надежно работают даже при сильном нагреве. Но наибольшее распространение получили мундштуки с внутрисопловым смешением. Они обеспечивают более высокую температуру пламени и наиболее концентрированный нагрев поверхности металла.
А вот щелевые мундштуки применения не нашли. Причины просты: их можно использовать только с резаками инжекторного типа, устойчивость пламени недостаточна, да и склонность к обратным ударам повышена.
Интересный факт: установлено, что подогревающее пламя оказывает определенное давление на струю режущего кислорода. В щели разреза на расстоянии 250-450 мм и более чистота кислорода остается неизменной. А дальше — снижается.
На величину длины чистой струи влияют несколько факторов:
- ✔ разрезаемый металл с трех сторон задерживает проникновение других газов;
- ✔ газы подогревающего пламени, находящиеся позади струи, оказывают на нее давление, обеспечивая прохождение кислорода как в трубе;
- ✔ при введении дополнительного количества горючего газа величина пламени увеличивается, защищая струю на большую глубину;
- ✔ после прохождения зоны горения начинается активное расширение струи и захват частиц воздуха, что приводит к загрязнению.
Формирование струи режущего кислорода
Давление кислорода: мифы и реальность
Принято считать: чем толще металл, тем выше должно быть давление режущего кислорода перед резаком. Логика проста — большее давление обеспечит поступление большего количества чистого кислорода в разрез и улучшит условия окисления металла по глубине.
Кроме того, с увеличением давления повышается динамическое, эвакуирующее воздействие на жидкий металл и шлак. Казалось бы, всё очевидно.
При резке сталей толщиной до 300 мм наибольшие скорости достигаются при давлении кислорода 8-10 кгс/см². А для толщин свыше 300 мм на динамичных режимах давление придется поднять до 25 кгс/см² и выше.
Но здесь возникают серьезные технические трудности:
| Параметр | Значение | Проблема |
|---|---|---|
| Давление в трубопроводах | не более 16 кгс/см² | недостаточно для высоких режимов |
| Реальное давление | 12-14 кгс/см² | ограничивает возможности |
| Требуемый расход | 150-400 м³/ч | нужны специальные редукторы |
| Давление для резки | свыше 20 кгс/см² | требуются спецрукава |
Всё перечисленное оборудование — нестандартное и дорогое. А баллонный кислород высокого давления — это вообще крайне затратное решение.
Но есть и технологические трудности. При таких давлениях любое незначительное отклонение параметра от нормы или дефект в металле могут привести к прекращению процесса резки.
Альтернативный подход: низкое давление
Учитывая большое вспомогательное время при подготовке к резке и значительный расход газов, скорость резки не является решающим экономическим параметром (в отличие от резки сталей обычных толщин).
Проведенные исследования показали интересное: для нормального протекания процесса разделительной резки не требуется, чтобы струя обладала очень большой кинетической энергией и сверхзвуковой скоростью.
При низких скоростях истечения струи, близких к звуковой, большее количество кислорода более длительное время соприкасается с поверхностью металла. В результате значительно уменьшаются потери кислорода.
Струя режущего кислорода при истечении из сопла в атмосферу приобретает коническую форму и постепенно исчезает. По мере удаления она захватывает окружающий воздух и образует наружную зону, заполненную смесью кислорода с воздухом.
Активная часть струи, пригодная для резки, определяется чистотой кислорода — она не должна опускаться ниже 95%. Поэтому при расчете диаметра сопла необходимо обеспечить активную часть струи по длине не менее чем на 70-75% глубины реза.
Очень важное влияние оказывают резкие отклонения кислородопровода в резаке и изменения сечений. Они служат причиной завихрений и турбулентных движений, нарушающих правильную форму струи.
Исследования распределения динамических давлений показали: при равных значениях мощности струи и выходных сечений наиболее длинную и узкую струю дает сопло с простой цилиндрической формой при давлении кислорода на входе 1-1,5 кгс/см².
То есть наиболее устойчиво процесс протекает при применении режущего кислорода низкого давления с использованием сопел простой цилиндрической формы.
Исследования, проведенные в ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ», показали: для успешного протекания процесса необходимо, чтобы струя поступала равномерно по всей поверхности реза, перемещая шлаки и удаляя их.
При наличии в металле внутренних пороков (пустот, пор, трещин, включений) струя не должна менять своего направления.
Струя при низком давлении и дозвуковой скорости имеет больший диаметр. Это позволяет окислять большее количество металла в верхней части реза и обеспечивает прогрев нижней части благодаря большому количеству горячего шлака.
Шлак по пути к нижней части заполняет трещины, раковины и пустоты, вследствие чего кислородная струя не теряет устойчивости и направления. Это критически важно при резке металла большой толщины, как правило, имеющего внутренние пороки.
Кроме того, уменьшается количество тепла, уносимое из разреза избыточным кислородом. В результате сокращается общий удельный расход кислорода.
Низкое или высокое давление: что выбрать
Сравнительный анализ технологий
Несмотря на выявленные преимущества технологии низкого давления, резка высоким давлением (12-25 кгс/см²) может применяться для толщин до 600-800 мм.
Но при выборе технологии надо четко определить приоритеты. Дайте точную оценку технологическим возможностям имеющегося оборудования, а также технической и энергетической вооруженности участка резки.
Что важнее для вашего производства: максимальная скорость или устойчивость процесса? Готовы ли вы инвестировать в дорогое оборудование для работы с высоким давлением? Или предпочтете более экономичный вариант с низким давлением?
Ответы на эти вопросы определят выбор технологии.
Технологические приемы резки
Начало врезания: критический момент
При резке сталей больших толщин процесс окисления металла по всей толщине реза протекает значительно медленнее, чем при малых и средних толщинах. Поэтому успех в значительной степени определяется правильным началом врезания кислородной струи в металл.
Если в начальный момент металл не сразу прорезается на всю толщину, нельзя уменьшать установленную скорость перемещения резака. Уменьшится количество шлака, и процесс может прекратиться.
Нельзя в начальный момент перемещать резак с повышенной скоростью — это приведет к чрезмерно большому отставанию в нижней части и непрорезу металла.
Для успешного ведения резки резак следует перемещать равномерно с заданной скоростью, даже если прорезание на всю толщину произойдет при значительном перемещении над верхней кромкой.
Рекомендации по подготовке и выполнению резки
На основании проведенных исследований можно дать следующие рекомендации:
- → место начала резки следует хорошо прогреть, причем зона нагрева должна увеличиваться в направлении нижней части линии предстоящего реза;
- → если в начальный момент образуется слишком большое количество шлака, растекающегося по холодной поверхности веером, уменьшается пробивная сила струи в нижней части;
- → если давление режущего кислорода слишком высокое для данного мундштука, цилиндричность струи нарушается, образуется порог, ниже которого реакция прекращается;
- → в момент врезания целесообразно располагать резак под небольшим углом 2-3° отставания от вертикали в сторону перемещения;
- → начинать перемещение следует одновременно с пуском режущего кислорода;
- → рекомендуется обеспечивать плавное нарастание давления по мере врезания струи в металл.
Если в процессе резки струя начинает блуждать от одной кромки к другой и образуется «чернота» на поверхности, нужно повысить скорость перемещения резака, чтобы увеличить количество образующегося шлака.
По мере приближения к концу реза рекомендуется повернуть резак под углом 2-3° в сторону направления резки, чтобы уменьшить величину отставания и обеспечить приоритет прорезания нижней части.
Подогревающее пламя: тонкости настройки
Для увеличения эффективности процесса требуется подогрев нижней части реза. Визуальной оценкой пламени является длина факела, которая должна несколько превышать толщину разрезаемого металла.
Это достигается разными технологическими приемами:
- ☑ подогревающее пламя регулируется с избытком горючего газа, что позволяет увеличить длину пламени;
- ☑ в нижнюю зону реза дополнительно вводится горючий газ;
- ☑ резак оснащается двухпламенным мундштуком (разработан и запатентован ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ»), обеспечивающим избыток горючего газа по всей или по большей части глубины реза.
При резке сталей больших толщин с целью уменьшения нагрева мундштука отраженным теплом и во избежание засорения каналов брызгами расплавленного шлака рекомендуется поддерживать значительно большее расстояние от торца мундштука до поверхности металла.
Обычно его величина находится в пределах 40-70 мм — существенно больше, чем при резке сталей малых и средних толщин.
Заготовки из сталей большой толщины, предназначенные для порезки, необходимо укладывать на раскройный стол или технологическую подставку таким образом, чтобы расстояние от нижней кромки до днища стола или до земли составляло 0,6 от толщины разрезаемого металла, но не менее 300 мм.
Практические результаты и примеры
Примеры применения технологий
Резка углеродистой стали толщиной 900 мм с применением технологии низкого давления (3 кгс/см²) режущего кислорода:
Резка стали 09Г2С толщиной 630 мм с применением технологии высокого давления (14 кгс/см²):
В заключение необходимо отметить: выбор технологии зависит от конкретных условий вашего производства. Технология низкого давления обеспечивает устойчивость процесса и экономичность. Технология высокого давления позволяет работать с толщинами до 600-800 мм, но требует серьезного оборудования и затрат.
Что выбрать? Решать вам. Но теперь у вас есть вся необходимая информация для принятия взвешенного решения.
А.К. Никитин
Генеральный директор
ООО «СКТБ АВТОГЕНТЕХМАШ»
