4 (Лекции по термической резке (часть 1))

7

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 № _4_

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 №3

Основная часть - до 80 мин.

Основы теории газовой разделительной резки.

1-й учебный вопрос - 50 мин.

Влияние примесей в стали на процесс резки. Влияние разделительной резки на структуру и механические свойства стали.

2-й учебный вопрос - 30 мин.

Материальный и тепловой балансы газовой резки низкоуглеродистой стали.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

1-й учебный вопрос: Влияние примесей в стали на процесс резки. Влияние разделительной резки на структуру и механические свойства стали.

Влияние примесей в стали на процесс резки.

Содержащиеся в стали примеси, как правило, оказывают влияние на процесс резки. Некоторые из них, не влияя на процесс отрица­тельно, вызывают повышенную склонность кромок реза к закалке; некоторые же замедляют процесс или, образуя вязкие шлаки, делают резку практически невозможной.

Весьма важно сочетание примесей в стали, а именно: содержит ли сталь только одну примесь в повышенном количестве или наряду с этой примесью содержит повышенные количества других приме­сей, тоже влияющих на процесс резки.

Углерод сильно влияет на процесс резки. Даже при низком со­держании углерода в стали, около 0,15 - 0,18%, в особенности при резке больших толщин из-за избирательного окисления железа и перехода углерода в шлак кромки реза обогащаются углеродом и приобретают склонность к закалке. Еще большее количество углерода в стали приводит к увеличению его содержания в кромках реза, что еще больше способствует их закалке или придает кромкам свойства высокоуглеродистого сплава с ледебуритной структурой (при С 2%).

Углерод, снижая температуру плавления стали и повышая тем­пературу ее воспламенения в кислороде, препятствует процессу резки тем, что способствует повышению количества несгоревшего железа в шлаке, привариваемого к кромкам и затрудняющего удаление шлака из образуемого разреза.

Марганец по своим теплофизическим свойствам близок к железу и низкоуглеродистой стали. Его температура плавления 1250° С, а тепловые эффекты образования окислов MnO - 389,2 (93,1); Mn₂O₃ - 993,6 (232,7) и Mn₃O₄ - 1406,6 кДж/моль (336,5 ккал/г-мол). При содержании марганца до 4% сталь режется хорошо. При более высоком содержании марганца (до 14%) процесс резки протекает несколько хуже, но все же удовлетворительно. Основное затрудне­ние при резке марганцовистых сталей с повышенным содержанием углерода - их склонность к образованию закалочных трещин, в связи с чем резку этих сталей рекомендуется производить с предва­рительным подогревом до температуры ~ 300° С.

Кремний в количествах, в которых он содержится в низкоугле­родистой или низколегированной стали, на процесс резки не влияет. Кремний незначительно влияет на процесс резки и в том случае, когда содержание его в стали достигает 1,5 - 2%. Однако при содер­жании его свыше 4 - 5% из-за чрезмерной вязкости шлака, богатого окислом кремния (SiO₂), рез зашлаковывается и процесс резки весьма затрудняется или становится вовсе невозможным.

Сера и фосфор в тех незначительных количествах, в кото­рых эти вредные примеси содержатся в стали, на процесс резки не влияют.

Хром, так же как примесь кремния, в стали повышает вязкость шлака, и уже при его содержании до 2 - 3% способствует зашлако-выванию кромок реза. При содержании до 4 - 5% От, когда на нагре­ваемой поверхности стали присутствуют отдельные разобщенные окисные частицы, процесс резки еще возможен. Однако при более высоком содержании хрома вся поверхность стали оказывается покрытой тугоплавкой окисной пленкой (I_плСr2O3 = 2200° С), изолирующей сталь от контакта с кислородом, в связи с чем резка становится невозможной.

Хром способствует также прокаливаемое стали при резке, и при неблагоприятных условиях охлаждения (резкие переходы в сечениях, прямые углы линии реза и др.) образованию глубоких трещин.

Никель, имея высокую упругость диссоциации окисла (NiО), т. е. обладая низким сродством с кислородом, весьма слабо окис­ляется кислородной струей при резке, чем и объясняется невоз­можность газовой резки этого металла. Однако, присутствуя в стали кгк примесь, никель при содержании его до 6 - 7% процессу газовой резки стали заметно не препятствует. Значительно хуже процесс резки протекает при высоком содержании никеля, достигающем 30%. В этом случае благодаря избирательному окислению компонентов стали образуемый при резке шлак содержит участки, богатые оплавленным, но не окисленным никелем, выносимым кислородной струей из реза и частично остающимся на разрезанных кромках.

Молибден в тех малых количествах (0,15 - 0,25%), в которых он содержится в низколегированных конструкционных сталях, на процесс резки не влияет. Он не оказывает заметного влияния и при более высоком содержании (до 0,6 - 0,9%) при резке специальных молибденовых и хромомолибденовых сталей, однако даже при низком его содержании в стали резко повышается прокаливаемость кромок реза и их склонность к образованию трещин.

Вольфрам при обычном содержании в специальных сталях (до 1,0 - 1,4%) на процесс резки заметно не влияет. Однако подобно хрому и молибдену вольфрам увеличивает прокаливаемость стали в зоне теплового влияния резки и ее склонность к образованию глубоких трещин.

Ванадий в незначительных количествах, в которых он присут­ствует в стали, на процесс резки не влияет.

Медь и алюминий в незначительных количествах, в которых эти элементы могут иногда содержаться в низколегированных ста­лях, на процесс резки не влияют.

Влияние разделительной резки на структуру и механические свойства стали

Тепловое воздействие резки на структуру и механические свой­ства (твердость) металла в примыкающих к кромке слоях зависит прежде всего от толщины разрезаемой стали и ее химического состава. Сообщенная металлу процессом резки теплота слагается из теплоты подогревающего пламени и теплоты, выделяемой при оки­слении кислородной струей железа и содержащихся в стали при­месей. Значительная часть теплоты, идущая на нагрев металла в объеме реза, выносится из разреза с расплавленным шлаком, однако другая, меньшая, ее часть передается кромкам разрезаемого металла. При этом металл кромки реза нагревается выше критической точки Ас₃, а затем быстро охлаждается за счет отвода теплоты в более холодные соседние слои металла и за счет охлаждающего действия кислородной струи, способствующего интенсивной теплоотдаче в окружающую среду.

Простая низкоуглеродистая сталь закалке при резке практи­чески не поддается. Тепловое влияние резки на структуру этой стали при условии содержания в ней менее 0,2% С сказывается главным образом на изменении величины зерна в зоне теплового влияния и появлении в структуре наряду с участками перлита неравновесной составляющей - сорбита. Сорбитные образования, как правило, недостаточно развиты и характеризуются незначитель­ным изменением зерна. Объясняется это тем, что из-за быстрого охлаждения продолжительность пребывания металла кромок при температуре выше Ас₃ крайне мала и аустенитное превращение в металле не успевает полностью совершиться.

Наличие сорбитной структуры в зоне теплового влияния резки не снижает качества металла, а напротив, несколько повышает его механические свойства, в частности предел прочности, без заметного снижения пластических свойств стали. При резке сталей с повышенным содержанием углерода или легирующих примесей из-за их большой прокаливаемости изменение структуры происхо­дит на большую глубину от кромки реза, чем в низкоуглеродистых сталях. При этом сама стр'уктура, помимо перлита и сорбита, может содержать троостит и даже мартенсит, сильно повышающий твердость и хрупкость стали. Наличие мартенситной составляющей в структуре стали затрудняет механическую обработку кромок реза и повышает склонность стали к образованию трещин главным обра­зом при охлаждении кромок в период мартенситного превращения, связанного с объемными изменениями в металле. Наиболее вероятно образование трещин при резке закаливающихся сталей большой толщины, при сложных контурах реза, с прямыми и острыми углами.

Резка сталей в закаленном состоянии без отжига или нормализа­ции перед резкой также способствует возникновению в металле трещин. Кромки реза обогащаются углеродом даже при низком со­держании этого элемента в стали, причем наиболее сильное на­углероживание кромки наблюдается в ее нижней части, где содер­жание углерода может достигать 0,3—0,75%, в зависимости от толщины стали, содержащей всего 0,15—0,25% С. Таким образом, металл кромки почти всегда склонен к закалке, которая в зависи­мости от содержания углерода и легирующих примесей в стали и от скорости охлаждения может давать различные закалочные струк­туры, обладающие различной твердостью.

2-й учебный вопрос: Материальный и тепловой балансы газовой резки низкоуглеродистой стали.

Анализ данных о составе остывшего шлака, образуемого при газовой (кислородно-ацетиленовой) резке низкоуглеродистой ста­ли, показывает, что данные эти весьма разноречивы, поскольку одни исследователи указывают на содержание в шлаке всех трех окислов железа; вторые — на содержание FеО и Fе₃О₄ и отсут­ствие Fе₂О₃; третьи, наоборот, обнаруживают FеО и Fе₂О₃ и не определяют Fe₃О₄ и, наконец, четвертые обнаруживают только один окисел Fе₃О₄. В то же время, все эти данные свидетельствуют о наличии в остывшем шлаке какого-то количества неокисленного железа, процентное содержание которого можно считать равным 15 - 20%.

Разноречивость данных различных исследователей о составе образуемого при газовой резке шлака вызвана тем, что все эти анализы проводились на шлаках, полученных при различных усло­виях резки, а именно: при разной толщине стали и различных ре­жимах резки, различных соотношениях горючей смеси, чистоте и расходе кислорода, скорости резки и т. д.

Кроме того, практически результаты химических анализов шлака не могут быть одинаковыми, так как система железо-кислород характерна тем, что окислы железа FеО и Fе₃О₄, образуя твер­дые и жидкие растворы между собой, образуют также твердые и жидкие растворы с железом, осуществляя как бы непрерывное поглощение кислорода.

В условиях резки при температуре шлака выше 1383° С обра­зовавшаяся Fе₂О₃ должна переходить на воздухе в Fе₃О₄, осво­бождая часть кислорода, так как при температуре 1383° С упру­гость диссоциации Fе₂О₃, достигая 21240 Па (0,21 ат), становится равной парциальному давлению кислорода воздуха. Высказанное положение справедливо только для случаев резки стали сравни­тельно небольшой толщины, когда шлака образуется мало и когда весь он соприкасается с воздухом. При резке же стали большой толщины шлак образует большие скопления, внутренние объемы которых оказываются изолированными от воздуха и в них не про­исходит перехода Fе₂O₃ в Fе₃О₄.

Несмотря на то, что для составления теплового баланса про­цесса разделительной резки имеет значение не конечное состояние продуктов резки, а состав окислов, образующихся в зоне реак­ции, - из-за сложности непосредственного определения состава шлаков в разрезе, материальный и тепловой баланс разделитель­ной резки сталей строят, заменяя фактический состав шлаков условным (расчетным), состоящим из 100% FеО. Такая замена является оправданной с точки зрения теплового эффекта при расчете на единицу кислорода вне зависимости от образующегося окисла. Так, на 1 г-мол кислорода- выделяется теплоты при образовании FеО Q = 537,8 кДж (128,6 ккал); при образовании Fе₃О₄ Q = 561,3 кДж (133,45 ккал); при образовании Fе₂О₃ Q = 553,8 кДж (132,3 ккал). Средний тепловой эффект на 1 г-мол кислорода состав­ляет 552,7 кДж (131,45 ккал). Отклонения от этого среднего зна­чения для условного состава флюсов — не более 2 - 2,5%, что вполне приемлемо для практических расчетов.

Полный материальный баланс процесса ацетилено- кислородной разделительной резки низкоуглеродистой стали в общей форме можно представить следующим образом:

G_Fe + G_к.п + G_{к. ок} + G_к.в + G_а = G_FeO + G_Fe3O4 + G’_Fe + G_CO2 + G_H2O + G_O2 ,

^Fe2O3

где G_Fe - масса удаленного из разреза железа; G_к.п - масса кис­лорода, идущего на подогревающее пламя; G_{к. ок} - масса кислорода, идущего на горение (окисление) железа; G_к.в - масса кислорода, идущего на выдувание окислов; G_а - масса ацетилена, идущего на подогревающее пламя; G_FeO - масса образующейся FеО; G_Fe3O4 - масса образующихся Fе₃О₄ и Fе₂О₃; G’_Fe - масса несгоревшего железа, удаленного кислородной струей из разреза; G_CO2 - масса отходящего углекислого газа СО₂; G_H2O - масса отходящего водяного пара Н₂О; G_O2 - масса кислорода, неиспользованного при горении ацетилена и железа и удалении (выдувании) окислов (непроизводительные потери кислорода).