1 (Лекции по термической резке (часть 1))

6

Форма № 3.

Титульный лист

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра

ТИ-3 «Информационное обеспечение технологии соединения материалов

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_______________________

В.М.Ямпольский

«___»_________200__г.

Для студентов _4_

курса факультета_ТИ_

Специальность _15.02.02_

К. т. н., с.н.с. Гейнрихс И.Н.

ЛЕКЦИЯ № _1_

по 4310 «Термическая резка »

ТЕМА «ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГАЗОВОЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ РЕЗКИ»

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________200__г.

Протокол № __

МГУПИ – 200__г.

Тема лекции:. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГАЗОВОЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ РЕЗКИ

Учебные и воспитательные цели:

1. Ознакомление студентов с теорией газовой разделительной резки.

Время: 2 часа (90 мин.).

Литература (основная и дополнительная):

• Куркин С.А. и др. «Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций» МГТУ 2002г. 462 стр.

• Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. Учебное пособие. – М; Высшая школа, 1986г. 311 стр.

Учебно-материальное обеспечение:

1. Наглядные пособия:

   • Диафильмы, видеофильм, компьютерные программы.

2. Технические средства обучения:

• Электронный проектор

1. Приложения: ______________________________________________

(наименования и №№ схем, таблиц, слайдов, диафильмов и т.д.)

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Основная часть - до 80 мин.

Основы теории газовой разделительной резки.

1-й учебный вопрос - 40 мин.

Определение, классификация и области применения способов резки. Сущность процесса.

2-й учебный вопрос - 40 мин.

Механизм окисления железа при кислородной резке стали. Отставание в процессе резки.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

1-й учебный вопрос: Определение, классификация и области применения способов резки. Сущность процесса.

Определение, классификация и области применения способов резки.

Процесс кислородной резки металлов основан на сгорании (ин­тенсивном окислении) металлов в струе кислорода и принудитель­ном удалении этой струей образующихся окислов.

В отличие от резки металлов процесс кислородной резки неме­таллических материалов (бетона, шлака, огнеупоров) основан на сгорании в кислородной струе металлических порошков, вводимых в зону резки, расплавлении выделенной теплотой неметалла и по­следующем удалении расплава струей кислорода.

По направленности кислородной струи, ее кинетической энергии и форме образуемых резов кислородную резку можно разделить на два основных способа: резку разделительную, образующую сквоз­ные разрезы, и резку поверхностную (строжку или обточку), при которой на поверхности материала образуются канавки округлой формы. Классификация способов кислородной резки приведена на рис. 80.

При газовой (кислородной) и кислородно-флюсовой резке не­прерывный подогрев металла осуществляется газовым пламенем, а при кислородно-дуговой и плазменно-кислородной резке в пер­вом случае - дугой, а во втором - проникающей дугой и плазмой.

При резке кислородным или порошково-кислородным копьем подогрев металла требуется лишь в начале процесса резки.

Кислородная резка находит широкое применение во всех облас­тях металлургической и металлообрабатывающей промышленности и, в частности, в черной и цветной металлургии, судостроении, котлостроении, вагоностроении, тепловозостроении, моторостроении, строительстве и т. д.

Особенно широкое применение нашла ручная разделительная резка стали при раскрое листов, при резке профильного металла, при вырезке деталей простого и сложного контуров.

Значительное распространение получила также машинная кислородная резка, осуществляемая на полуавтоматах и на автоматах, позволяющих копировать контуры чертежа или шаблона с помощью механических, электромагнитных или

фотокопировальных головок.

При малых сериях или штучном производстве плоских деталей из листовых сталей, когда изготовление штампов не окупается, кислородная машинная резка имеет самое широкое применение. Кислородная (газовая или кислородно-флюсовая) машинная резка с успехом заменяет также и строгальные операции, в частностиоперацию скоса кромок листов под сварку, где производительность ее во много раз выше производительности других способов.

Основная область применения машинной резки-судостроительная промышленность, котельное производство и заводы химического, транспортного, подъемно-транспортного, сельскохозяйственного и тяжелого машиностроения.

Достаточно широкое распространение имеет также и поверхностная кислородная резка, основная область применения которой – заводы черной металлургии, где этот вид резки применяется для удаления поверхностных дефектов литья и проката.

Применение копьевой резки до последнего т времени в нашей стране ограничивалось образованием (прожиганием) леток в металлургических печах, отверстий в стальных блоках при взрывных работах и т.п. В последние годы копьевая резка находит применение также при разделительной резке. Особенно перспективно порошково-кислородное копье, позволяющее осуществлять разделительную резку не только металлов и сочетаний металлов с огнеупорами, но и чисто неметаллических материалов, таких как бетон, металлургические шлаки и огнеупоры.

Весьма большое распространение в черной металлургии получил также поверхностная воздушно-дуговая резка, а в машиностроительной промышленности и в судостроении разделительная резка плазменной проникающей дугой для раскроя алюминиевых сплавов, коррозионно-стойких сталей и сплавов меди.

Сущность процесса.

Процесс газовой (кислородной) резки основан на сгорании (интенсивном окислении) металла в струе кислорода и принудительном удалении этой струей образующихся оксидов.

При резке стали сгорание железа в кислороде протекает по реакциям

Fe + 0,5 O₂ = FeO + 268,8 кДж/моль (64,3 ккал/г-мол)

2 Fe + 1,5 O₂ = Fe ₂ O ₃ + 829,7 кДж/моль (198,5 ккал/г-мол)

3 Fe + 2 O₂ = Fe ₃ O₄ + 1115,6 кДж/моль (266,9 ккал/г-мол)

так как при высоких температурах в зоне реакции резки образуются все три окисла железа.

Нагрев металла производят подогревающим пламенем резака, образуемым при сгорании горючего газа в кислороде. Когда темпе­ратура нагрева металла достигнет величины, достаточной для воспламенения металла в кислороде, пускают струю технически чистого (99,0 - 99,8%) кислорода и начинают процесс резки.

Этот кислород, выходящий обычно из центрального канала мундштука и идущий непосредственно на окисление металла и удаление окислов, принято называть режущим в отличие от кисло­рода подогревающего пламени, выходящего в смеси с горючим газом из подогревающих сопл.

Направленный на нагретый участок металла режущий кисло­род немедленно вызывает интенсивнее окисление металла в верх­нем слое, образуя на поверхности сильно перегретую закись железа и под ней слой оплавленного металла. Вытесненные струей в разрез расплавленные окислы нагревают нижележащий слой металла, создавая условия для его интенсивного окисления и т. д. В резуль­тате, процесс интенсивного окисления распространяется на всю толщину листа или заготовки. Образующиеся при сгорании металла окислы, будучи расплавленными, увлекаются струей режущего кислорода и удаляются из зоны резки

2-й учебный вопрос: Механизм окисления железа при кислородной резке стали. Отставание в процессе резки.

С уществовавшие ранее представления о механизме окисления железа струей кислорода при резке в настоящее время в значитель­ной степени пересмотрены.

По гипотезе, принятой в настоящее время, о конвективной пере­даче кислорода к поверхности режущей струи он проходит через ламинарный поверхностный слой струи, образуемый содержащи­мися в кислороде инертными газами (азотом, аргоном, окисью угле­рода и др.), и через слой шлака, стекающего по поверхности кромки реза к неокисленному металлу. При этом предполагается, что кислород через шлаковую пленку переходит в металл обменными реакциями nO₂ + (Fe, Fe O) (Fe₂O₃ , Fe₃O₄)

(Fe₂O₃ , Fe₃O₄) + mFe 2nFeO + (m – 2n) Fe

и что окисление металла носит избирательный характер с преиму­щественным окислением участков стали, богатых железом и бедных углеродом.

Приведенная гипотеза допускает следующее: 1) интенсивного окисления (горения) металла в твердой фазе не происходит; 2) твер­дая поверхностная пленка окислов железа при кислородной резке защищает металл и препятствует контакту его с кислородом; 3) про­цесс горения железа начинается и поддерживается лишь после перехода пленки окислов в жидкое состояние при температурах 1330-1350 °С - в интервале, соответствующем плавлению вюстита (твердого раствора РеО в Ре3О4); 4) обмен кислородом между газо­вой средой и металлом происходит в окисной пленке расплав­ленного шлака по схеме, приве­денной на рис. 1.

Отставание в процессе резки.

В процессе газовой разделительной резки, в особенности при резке стали большой толщи­ны, окисление металла по тол­щине происходит неравномерно-верхние слои металла

Согласно современным представлениям об окислении металла по толщине (в направлении кислородной струи), подтверждаемым скоростной цветной киносъемкой, сго­
рание (интенсивное окисление) железа происходит не по всей фронтальной части цилиндрической кислородной струи, перемещаемой вперед в на­правлении резки и ограничиваемой стенками реза, а стадийно (ступен­чато) в направлении режущей струи кислорода (рис. 3).

В первой стадии процесса край кислородной струи попадает на на­гретый подогревающим пламенем до температуры воспламенения участок поверхности металла, в ре­зультате чего на этом участке образуется сильно перегретая закись железа, а под ней оплавленный металл.

В последующих стадиях FeO и металлический расплав давлением кислорода вытесняются вниз и фронтальным давлением струи назад, за струю, в результате чего фронт окисления железа по перед­ней (лобовой) грани реза в нижних слоях металла смещается в сторону, обратную направлению резки, и отстает от окисления металла у верхней кромки.

Стадийное окисление железа по толщине протекает настолько быстро, что при визуальном наблюдении представляется непрерывным пройцессом.

Таким образом, основной и единственной причиной отставания, объясняющей тот факт, что при прочих равных условиях величина отставания сохраняется одинаковой по всей длине реза, является стадийное окисление металла по толщине.

Величина же отставания зависит от целого ряда других факторов: отсутствия непосредственного подогрева нижних слоев металла подогревающим пламенем; относительной загрязненности режу­щей струи, уйлекающей за собой выделяющиеся при плавлении и окислении металла газы; падения кинетической энергии кислород­ной струи по мере удаления от режущего сопла и увеличения диа­метра струи из-за ее конусности, приводящего к увеличению ширины реза у нижней кромки и, следовательно, к увеличению в нижних слоях объема сжигаемого и удаляемого струей металла, требующего большей затраты времени.

В значительной мере величина отставания зависит от толщины металла и скорости резки, возрастая с увеличением этих пара­метров.

При грубой разделительной резке в лом, производимой обычно с большими скоростями резки, величина отставания значения не имеет.

При заготовительной резке по прямой или по криволинейным контурам с большими радиусами закругления, где применяются несколько меньшие скорости резки, отставание также не имеет большого значения, если оно не нарушает процесса резки и если к поверхности кромки реза не предъявляется слишком строгих требований в отношении ее чистоты и гладкости. При прямолинейной резке серийными резаками отставание обычно имеет следующие зна­чения.

Толщина разрезаемой стали……………5 – 25……25 – 50……50 – 100……100 – 200…

Отставание, мм…………………………...1 – 5……5 – 8……….8 – 12……...12 – 15……

При вырезке фигурных профилей с малыми радиусами закруг­ления, в особенности в металле значительной толщины, отставание, помимо низкого качества поверхности реза, может привести к иска­жению формы вырезаемой детали и несоответствию ее контура на верхней и нижней поверхностях листа металла.

В значительной степени величина отставания зависит от кон­струкции режущего сопла, определяющей при соответствующем давлении скорость истечения и форму режущей струи кисло­рода.