2 (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 № _2_

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:

Введение - до 5 мин.

Краткий обзор лекции №1

Основная часть - до 80 мин.

Основы теории газовой разделительной резки.

1-й учебный вопрос - 40 мин.

Подогревающее пламя и нагрев металла до воспламенения.

2-й учебный вопрос - 40 мин.

Режущие кислородные струи и сопла.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

1-й учебный вопрос: Подогревающее пламя и нагрев металла до воспламенения.

Для начала процесса резки металл должен быть нагрет до темпе­ратуры воспламенения в кислороде (температуры начала интенсив­ного окисления), при резке низкоуглеродистой стали - до темпе­ратуры 1350-1360 °С.

Благодаря высокой температуре пламени и большему количеству теплоты, выделяемой в рабочей средней зоне пламени, а также благодаря простоте получения горючего газа из карбида кальция ацетилен получил наибольшее распространение как при сварке, так и при резке и других процессах газопламенной обработки. Нагрев металла ацетилено-кислородным пламенем значительно эффективнее нагрева пламенем других горючих.

Устанавливаемая при резке мощность подогревающего пламени зависит от рода горючего газа и от толщины разрезаемого металла. В значительно меньшей степени она зависит от химического состава разрезаемой стали.

В момент начала газовой резки подогрев металла в начальной точке реза до воспламенения осуществляется исключительно тепло­той подогревающего пламени, причем в зависимости от рода горю­чего газа, температуры пламени и теплоты его сгорания в кислороде время начального подогрева может быть различным.

Для ацетилено-кислородного подогревающего пламени время начального подогрева низкоуглеродистой стали до воспламенения в кислороде составляет:

Толщина стали……………………..……10 – 20……20 – 100……100 – 200…

Отставание, мм……………………………5 – 10…….7 – 25……….25 – 40….

Для остальных горючих газов-заменителей, менее калорийных и обладающих меньшей температурой пламени при сгорании в кисло­роде, время начального подогрева значительно больше.

Однако при установившемся процессе резки тепловой мощности пламени газа-заменителя оказывается недостаточно для эффектив­ного нагрева металла, в связи с чем скорость резки при использо­вании этих газов обычно не ниже, чем при ацетилено-кислород-ном пламени. В то же время большое преимущество газов-замени­телей — их низкая стоимость и недефицитность.

Мощность пламени и соотношение смеси. В зависимости от тол­щины стали соотношение между количеством теплоты, вводимой в металл подогревающим пламенем Q_п, и теплотой, выделяющейся в процессе окисления железа Q_г.ж, меняется. Чем меньше толщина стали, тем большую роль играет подогревающее пламя, сообщающее металлу (при толщине стали 5 мм) до 80% общего количества тепло­ты, выделяемой в процессе резки.

При сравнительно малой толщине стали (до 12-15 мм) целе­сообразно применять повышенную мощность пламени, обеспечи­вающую необходимый нагрев металла при больших скоростях пере­мещения пламени. Так как температура пламени, а следовательно, и эффективность нагрева возрастают с увеличением содержания в горючей смеси кислорода, то в процессе газовой резки листовой стали целесообразно применять окислительное подогревающее пламя с соотношением смеси = 1,5, соответствующим максималь­ной температуре пламени.

При резке стали больших толщин роль подогревающего пламени в тепловом отношении значительно меньше, основное количество теплоты (до 90 - 95%) выделяется в результате процесса окисления железа и эффективность процесса резки определяется в основном режимом струи режущего кислорода. В этом случае, несмотря на то что мощность пламени должна быть достаточно большой, применение 1 окислительного пламени вряд ли можно считать оправданным.

Однако роль подогревающего пламени при резке металлов боль­шой толщины существенно возрастает при возникновении так на­зываемого обжимающего эффекта, действие которого начинает ска­зываться при завышенной мощности подогреваемого пламени, т.е. тогда, когда расход горючего газа соизмерим с суммарным расходом кислорода.

Вследствие статического давления горящих газов пламени режу­щая струя кислорода сохраняет на большом протяжении цилиндри­ческую форму, высокую скорость истечения и относительно по­стоянный химический состав.

На рис. 4 видно, что при отсутствии подогревающего пламени (кривые 2) на расстоянии от сопла 600 мм скорость истечения струи падает до 40 м/с, а чистота кислорода до 25%. При наличии же мощного подогревающего пламени (кривые 1) на том же расстоянии от сопла скорость истечения струи составляет ~ 140 м/с, а чистота кислорода ~ 60%.

Форма подогревающих сопл и их расположение относительно режущего сопла.

В отличие от сварочного пламени подогревающее пламя резака образуется на выходе горючей смеси из мундштука с кольцевым, щелевидным каналом — преимущественно у ручных резаков (рис. 5, а) или из много­соплового мундштука, имеющего несколько отдельных цилиндри­ческих каналов, также располо­женных по концентрической (по отношению к режущему соплу) окружности, — у большинства машинных резаков (рис. 5, б). Многосопловые мундштуки обеспечивают большую устойчивость пламени и более концентрированный нагрев металла.

Расстояние от подогреваю­щего сопла до металла. Так как максимальная температура пла­мени имеет место в его средней зоне — на расстоянии 2—3 мм от его внутреннего ядра, то для достижения наиболее интенсивного концентрированного нагрева расстояние от сопла до поверхности металла при резке стали должно составлять

L = l + 3 ,

где l – длина ядра пламени, мм.

При резке же стали большой толщины во избежание перегрева и засорения мундштука брызгами металла это расстояние значитель­но больше и в некоторых случаях составляет

L = l + (5 10).

Состояние поверхности металла. В значительной мере эффектив­ность нагрева металла пламенем как в начале, так и в процессе резки зависит от чистоты поверхности разрезаемого металла. Нали­чие на поверхности металла окалины, шлака и других загрязнений изолирует металл от непосредственного воздействия пламени и пре­пятствует быстрому нагреву его до температуры воспламенения.

Особенно большим препятствием для начала процесса резки является окалина вследствие малой теплопроводности.

2-й учебный вопрос: Режущие кислородные струи и сопла.

Процесс газовой резки требует вполне определенного количества кислорода. Недостаток кислорода приводит к неполному сгоранию железа и недостаточно интенсивному удалению окислов. Избыток кислорода охлаждает металл.

Количество проходящего через сопло кислорода зависит от скорости истечения струи, определяемой конструкцией (формой) сопла, его наименьшим (кри­тическим) сечением и давле­нием кислорода.

В значительной мере скорость окисления металла по толщине зависит от скорости истечения кислородной струи. Кислородная струя должна интенсивно удалять из зоны резки образующиеся при сгорании металла окислы, для чего также необходима высокая скорость истечения струи.

Струя кислорода должна обеспечивать равномерную ширину реза по толщине разрезаемого металла и минимально возможную вели­чину отставания, для чего необходимо сохранение цилиндрической формы струи по всей ее длине в пределах толщины разрезаемой стали.

Максимальная скорость истечения режущей струи кислорода, превышающая скорость звука, и необходимая цилиндричность струи достигаются применением расширяющихся профилирован­ных сопл типа, представленного на рис. 7. Такие сопла при их до­статочной длине обеспечивают полное расширение газа в устье канала сопла до давления окружающей атмосферы и, следовательно, полное превращение потенциальной энергии газа в кинетическую.

Истечение газа из сопла характеризуется следующими парамет­рами: формой и относительными размерами сопла; рабочим давле­нием и характером падения давления внутри сопла; расходом газа и скоростью его истечения. Особенно важна зависимость характера истечения от формы сопла и рабочего давления газа перед соплом.

В условиях газовой резки давление среды, в которую истекает кислород, р_вых = 101 325 Па (1 ат), и, таким образом, уже при дав­лении кислорода на входе в сопло р_вх = 188 943 Па (1,893 ат), т. е. избыточном давлении 87618 Па (0,893 ат), наступает критическое отношение давлений, соответствующее переходу к сверхзвуковой скорости.

В соплах с каналами цилиндрической формы, когда избыточное давление кислорода на выходе в сопло больше 87 618 Па (0,893 ат) - а это имеет место в подавляющем большинстве случаев резки, рас­ширение газа в устье канала сопла не полное и давление в нем больше давления окружающей атмосферы. Расширение кислорода происходит вне сопла и его струя менее направленная, чем при истечении из расширяющихся сопл при тех же давлениях кислорода.

Исследования кислородных струй методом интерференционных полос, основанным на фотографировании освещенной кислородной струи, показывают, что относительная цилиндричность струи, истекающей из сопла цилиндрической или ступенчато-цилиндри­ческой формы, наблюдается только при сравнительно низких избы­точных давлениях кислорода, не превышающих 490 330-582 396 Па (5 - 6 ат). При дальнейшем повышении давления режущая струя заметно расширяется и приобретает конусообразную форму. Осо­бенно сильное расширение струи наблюдается у цилиндрических сопл.

Расширяющиеся сопла при их рациональной форме и длине и при соответствующем давлении кислорода обеспечивают полное расширение газа в устье канала сопла (случай равенства давлений окружающей среды и струи), т. е. полное превращение потенциаль­ной энергии газа в кинетическую, в результате чего отсутствуют затраты энергии на расширение струи на выходе из сопла; вся энергия струи идет только на увеличение скорости истечения кис­лорода, на увеличение длины струи и ее пробивной способности.

Однако сказанное относится только к свободно истекающей струе, так как при резке, когда струя проходит через образуемый в металле разрез, при большой скорости истечения имеет место подсос воздуха, и часть струи затрачивается на эжектирование.