3 (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 № _3_

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 №2

Основная часть - до 80 мин.

Основы теории газовой разделительной резки.

1-й учебный вопрос - 40 мин.

Влияние чистоты кислорода на качество и производительность резки. Разрезаемость металлов

2-й учебный вопрос - 40 мин.

Изменение содержания отдельных элементов в кромке реза при газовой резке стали.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

1-й учебный вопрос: Влияние чистоты кислорода на качество и производительность резки. Разрезаемость металлов.

Влияние чистоты кислорода на качество

и производительность резки

Для процесса газовой резки чистота режущего кислорода — один из главнейших факторов, определяющих качество разрезанных кромок, производительность процесса и удельный расход кислорода.

С понижением чистоты кислорода процесс окисления железа замедляется, а продолжительность резки и удельный расход кисло­рода возрастают. Принято считать, что с понижением чистоты кислорода на 1% (в пределах 99,5 - 97,5%) возрастает продолжи­тельность резки (на 10 - 15%) и удельный расход кислорода (на 25 - 35%).

Помимо влияния на производительность резки и расход газа пониженная чистота кислорода влияет на качество кромок реза и, в частности, на образование на поверхности кромок привариваемого к ним, трудно отделимого грата (шлака, содержащего высокий про­цент неокисленного железа). В тех случаях, когда по условиям производства поверхность кромок должна быть гладкой, наличие на ней приваренного грата вызывает необходимость последующей механической обработки, повышающей трудоемкость работ и сни­жающей экономичность резки.

Применять для резки кислород чистотой ниже 97,0% из-за низ­кого качества кромок реза не рекомендуется. Опыт показывает, что наиболее высокой эффективности процесса разделительной резки стали и наибольшей чистоты поверхности кромок, свободных от грата, достигают при использовании кислорода наибольшей прак­тически достижимой чистоты (99,8%).

Разрезаемость металлов

Подвергаемый газовой резке металл должен удовлетворять ряду определенных условий (требований).

I. Температура плавления металла должна быть выше темпера­туры воспламенения его в кислороде (температуры начала интен­сивного окисления металла). В противном случае металл под дейст­вием подогревающего пламени резака будет плавиться и принуди­тельно удаляться кислородной струей без необходимого окисления, характеризующего процесс газовой резки. При этих условиях шлак не образуется, и расплавляемый металл, трудно удаляемый кисло­родной струей, будет образовывать на кромках реза наплывы. При этом производительность процесса крайне низкая, рез большой ширины и исключительно неровный.

Низкоуглеродистая сталь этому условию удовлетворяет. Темпе­ратура ее плавления составляет ~ 1500° С, а температура воспла­менения в кислороде 1350-1360° С. Однако с повышением содержа­ния углерода в стали способность ее поддаваться газовой резке падает (так как температура плавления стали снижается, а темпе­ратура воспламенения в кислороде возрастает). Кроме того в образующихся при резке шлаках увеличивается количество неокислен­ного железа, сильно затрудняющего процесс резки из-за образования грата (сплава шлака с металлом), трудно отделяемого от кромок реза.

Тем более не поддается газовой резке чугун, содержание угле­рода в котором составляет более 1,7%.

II. Температура плавления металла должна быть выше темпе­ратуры плавления образуемых в процессе резки окислов.

Низкоуглеродистая сталь образует три окисла железа: FеО с температурой плавления 1270° С, Fе₃О₄ с температурой плавления 1538° С и Fе₂О₃ с температурой плавления 1562°С. Допуская, что все эти окислы железа присутствуют в шлаке, температура плав­ления которого в среднем ниже 1500° С, можно считать, что низко­углеродистая сталь удовлетворяет и этому условию, тем более, что на поверхности ее при нагревании не образуется пленки туго­плавких окислов, препятствующих контакту кислородной струи с металлом. Однако целый ряд металлов и сплавов, например алюминий, магний, сплавы этих металлов, а также высоколегиро­ванные стали, содержащие высокий процент хрома, этому условию резки не удовлетворяют. При нагревании этих сплавов в процессе , резки на их поверхности образуется пленка тугоплавкого окисла, изолирующая металл от контакта с кислородом.

III. Тепловой эффект образования окисла металла должен быть достаточно высоким. Это условие диктуется тем, что при резке стали подозревающее пламя резака сообщает металлу сравнительно не­большую часть теплоты - около 5-30 % ее общего количества, выделяемого в процессе резки. Основное же количество теплоты (70-95%) выделяется при окислении металла.

Низкоуглеродистая сталь образует при резке три окисла железа, выделяющих при своем образовании в среднем около 627-666,8 кДж/моль (150-160 ккал/г-мол). Этого количества теплоты ока­зывается достаточно для протекания эффективного процесса газовой резки стали.

Иначе обстоит дело с резкой меди и ее сплавов. Помимо высокой теплопроизводительности меди, сильно затрудняющей начало про­цесса резки, главной причиной, делающей газовую резку меди не­возможной, является низкое тепловыделение при окислении, по­скольку при образовании СuО выделяется теплоты всего 156,8 кДж/моль (37,5 ккал/г-мол), а при образовании Сu₂О 169,7 кДж/моль (40,6 ккал/г-мол). Этого количества теплоты для начала и поддер­жания процесса резки меди недостаточно, в связи с чем процесс газо­вой резки этого металла невозможен.

IV. Консистенция образующихся окислов должна быть жидкой, т. е. появляющиеся при резке шлаки должны быть жидкотекучими. Это условие хорошо выполняется при резке низко- и среднеуглеро-дистой стали, низколегированной стали и титановых сплавов.

Газовая резка сплавов, содержащих высокий процент кремния или хрома сильно затруднена или невозможна. Так, например, не­возможна резка серого чугуна, содержащего высокий процент кремния (до 3,5-4,5%), окись которого (SiO₂) сильно повышает вязкость шлака (см. условие I).

V. Теплопроводность металла должна быть возможно низкой. В противном случае бывает трудно, а иногда и невозможно (при большой массе высокотеплопроводного металла) достигнуть кон­центрированного нагрева металла.

Низкоуглеродистая сталь, теплопроводность которой невелика {коэффициент теплопроводности = 0,63 Дж/(см*с*К) [ = 0,12 кал/(см*с*°С]}, не вызывает трудностей ни в начальный момент, ни в процессе резки. В этом случае подогрев металла в начальной точке реза до воспламенения осуществляется быстро, без заметного отвода теплоты в массу разрезаемого металла.

Что касается начального подогрева до воспламенения таких металлов, как медь и алюминий, то для этих металлов из-за высокой теплопроводности начальный подогрев связан с большими труд­ностями и в большинстве случаев становится возможным только после предварительного подогрева разрезаемых листов или заго­товок до достаточно высокой температуры (меди до 700-800° С, алюминия до 300-500° С). Высокая теплопроводность меди и алю­миния — одна из причин, затрудняющих и делающих невозможной газовую резку этих металлов.

Анализируя приведенные выше условия газовой резки, можно констатировать, что всем этим условиям хорошо удовлетворяет чистое железо и низкоуглеродистая сталь. С повышением содержа­ния углерода в стали способность ее поддаваться газовой резке падает.

Опыт показывает, что углеродистые стали по разрезаемости (с учетом качества) можно делить на следующие четыре группы.

1. Низкоуглеродистая сталь, содержащая до 0,20-0,25% С, режется хорошо и не требует ни предварительного подогрева, ни последующей (после резки) термообработки.

2. Среднеуглеродистая сталь, содержащая 0,25-0,5% С, ре­жется удовлетворительно, но во избежание возможной подкалки кромок, а иногда и образования трещин при жестком закреплении разрезаемого листа или наличии резких переходов в контуре вырезаемых деталей, приводящих к концентрации напряжений, требует предварительного (до 300° С) или сопутствующего подогрева.

3. Высокоуглеродистая сталь, содержащая 0,5-0,7% С, режется плохо, образуя рез с зашлакованными и оплавленными кромками (обычно с приваренным гратом). Резку такой стали рекомендуется производить с предварительным подогревом до температуры не ниже 300° С.

4. Высокоуглеродистая инструментальная сталь, содержащая 0,7-1,2% С, режется очень плохо и во всех случаях требует предва­рительного подогрева до температуры 600-650° С. Резка такой стали связана с сильным зашлаковыванием и оплавлением кромок и обра­зованием на кромках большого количества трудно отделимого грата. Сталь, содержащая более 1,2% С, газовой резке не поддается.

Легированные стали по разрезаемости можно делить на две группы: 1) низколегированные, содержащие незначительное количе­ство углерода и легирующих элементов, при котором эквивалент углерода С_экв 0,45; в этом случае резка возможна без подогрева; 2) среднелегированные, содержащие повышенное количество угле­рода и легирующих примесей, при котором эквивалент углерода C_экв > 0,45; такие стали требуют предварительного или сопутствую­щего подогрева.

Температура предварительного подогрева может быть определена по эмпирической формуле

Т_п = 500

где k - коэффициент, учитывающий толщину разрезаемого металла, равный 0,0002;

- толщина стали, мм; величина 0,45 соответствует верхнему пределу С_экв, при котором возможна резка без подогрева.

В случае необходимости применения предварительного подогрева при резке той или иной легированной стали величина температуры может быть установлена также по номограмме. Однако предварительный подогрев стали перед резкой может быть осущест­влен преимущественно при резке массивных поковок или отливок из легированных сталей. Для резки листовой стали, в особенности листов больших размеров, может быть эффективно применен только сопутствующий подогрев. Из других металлов так же хорошо, как и железо, газовой резке под­даются титан и его сплавы.

2-й учебный вопрос: Изменение содержания отдельных элементов в кромке реза при газовой резке стали.