В газокислородном резаке конструктивно объединены части: по­догревательная и собственно режущая. Подогревательная часть га­зокислородного резака по принципу устройства, конструкции и ме­тодам расчёта аналогична сварочным горелкам. В зависимости от давления горючего газа подогревательная часть может быть инжек­торной или безинжекторной. Инжектор необходим при пользовании ацетиленом низкого или среднего давления. При ацетилене высо-

Фиг. 221. Расположение выходных каналов газокислородного резака:

а — канал подогревательной смеси; б — канал режущего кислорода;

1 — концентрическое расположение сопел; 2 —- последовательное распо­ложение сопел.

кого давления и других горючих газах, подаваемых под достаточ — ным давлением, можно пользоваться резаками с безинжекторным подогревательным устройством. В промышленности обычно поль­зуются резаками с инжекторным подогревательным устройством, независимо от давления применяемого горючего газа.

Относительное расположение каналов для режущего кислорода и подогревательного пламени показано на фиг. 221. Последователь­ное расположение отверстий для режущего кислорода и подогре­вательного пламени в настоящее время применяется редко, оно при­годно лишь для резки в одном направлении, впереди должно нахо­диться подогревательное пламя, а за ним следует струя режущего кислорода. При изменении направления резки на противоположное режущий кислород попадает на недостаточно подогретый металл и процесс резки прекращается. Значительно удобнее концентриче­ское расположение выходных отверстий для смеси подогреватель­ного пламени и для режущей струи кислорода.

В резаках с концентрическим расположением выходных отвер­стий подогревательное пламя получает форму огненной трубки, по оси которой располагается режущая струя кислорода. Устройство с кольцевой щелью наиболее распространено в кислородных реза­ках малой и средней мощности, изготовляемых нашей промышлен­ностью. Для мощных резаков кольцевая щель не даёт пламени достаточной мощности, увеличение ширины щели делает пламя неустойчивым и ведёт к обратным ударам. Поэтому для резаков средней и большой мощности рекомендуется подавать подогрева­тельную смесь через отверстия круглого сечения, расположенные концентрически вокруг отверстия для режущего кислорода в один или два ряда.

Резаки с концентрическим расположением выходных отверстий позволяют вести резку в любом направлении; струя режущего кислорода попадает всегда на достаточно подогретый металл, что весьма удобно, а для фигурной резки, когда направление реза зна­чительно меняется, необходимо. Поэтому в настоящее время при­меняются почти исключительно резаки с концентрическим распо­ложением отверстий, а резаки с последовательным расположением отверстий почти вышли из употребления.

Мощность подогревательного пламени выбирается в соответ­ствии с толщиной разрезаемого металла. Обычно для расчётов при­нимают, что 85% необходимого тепла для процесса резки полу­чается в результате реакции сгорания железа в кислороде, а остальные 15% даёт подогревательное пламя. При конструирова­нии резака следует обеспечить необходимую длину подогреватель­ного пламени для того, чтобы оно могло подогревать нижележащие слои металла. В мощных резаках для резки стали больших толщин приходится применять подогревательное пламя свыше метра дли­ной. Длина пламени зависит от применяемого горючего газа, именно от скорости его сгорания. Быстро сгорающие газы, напри­мер ацетилен, дают короткое пламя. Газы, горящие медленнее, дают пламя более длинное; особенно длинное пламя даёт водород, которой поэтому иногда и применяется в резке металла больших толщин. Достаточно длинное пламя дают также метан, природный газ. Пламя регулируется на максимальную температуру, а поэтому имеет обычно избыток кислорода по сравнению с пламенем, при­меняемым для сварки.

Важное значение имеет устройство внутреннего канала ре­жущего мундштука или сопла для режущего кислорода. До настоя­щего времени теоретическая часть этого вопроса плохо разработана. Обычно в нашей промышленности применяются сопла цилиндриче­ское или ступенчато-цилиндрическое (фиг. 222). При этих соплах приходится пользоваться кислородом довольно высокого давления, причём необходимое давление быстро возрастает с толщиной раз­резаемого металла.

Для резки стали необходимо иметь достаточно мощную струю кислорода, обеспечивающую требующуюся скорость сжигания ме­талла. Струя на всю толщину разрезаемого металла должна быть по возможности цилиндрической с минимальным уширением для обеспечения постоянной ширины реза по всей толщине металла. Для успешного сдувания расплавленного шлака и доступа к поверх­ности металла скорость кислорода в струе должна быть достаточно высокой, как показывает опыт порядка 500—700 м/сек, т. е. ско­рость должна быть сверхзвуковой.

Цилиндрические сопла обладают низким к. п. д., и для получе­ния необходимой скорости истечения кислорода и нужной длины цилиндрической части струи приходится прибегать к довольно вы­сокому давлению кислорода, поступающего в резак, причём это давление быстро растёт с увеличением толщины разрезаемого ме­талла. В настоящее время, на основе достижении газодинамики, ведётся работа по усовершен­ствованию формы сопел режущего кислорода.

.Сопла с криволинейными образующими дают значительно лучшие результаты, как показали исследования в лаборатории автора, проведён­ные инженером М. М. Борт. Улучшение работы сопла прежде всего проявляется в понижении рабочего давления режущего кислорода на вхо­де в резак. Единственным обоснованием приме­нения цилиндрических сопел в настоящее время может являться лишь простота их изготовления.

Несовершенство цилиндрических сопел особенно сказывается при резке стали больших толщин.

Необходимое давление режущего кислорода уже для толщины 200 мм достигает 10 атм, а для толщины 400—500 мм доходит до 20—25 атм, что является фактически пределом для цилиндри­ческих сопел.

Для подачи кислорода высокого давления требуются специаль­ные бронированные шланги, кислород выходит из сопла при да­влении выше атмосферного и продолжает расширяться в струе, при­давая ей расширяющуюся коническую форму. Значительное умень­шение давления охлаждает кислород, вследствие дросселирующего эффекта, и замедляет резку. Поэтому толщина 400—500 мм для цилиндрических сопел может считаться предельной, так как даль­нейшее повышение давления режущего кислорода делает резку практически невозможной.

В мощных кислородных резках кислород режущий и кислород для подогревательного пламени подводят по отдельным шлангам, поэтому к резаку подходят три шланга: два кислородных и один ацетиленовый. Малые и средние резаки обычно изготовляются двухшланговыми, кислород подводится одним общим шлангом и уже в самом резаке распределяется на режущее сопло и на питание подогревательного пламени.

Нашей промышленностью изготовляются несколько типов кисло­
родных резаков для ручной резки различного назначения, а также специальные резаки для установки на газорежущих машинах.

На фиг. 223 показан широко распространённый в нашей про­мышленности резак УР, который состоит из рукоятки 1, кислород­ной трубки 2, ацетиленовой трубки 3; трёх вентилей: режущего ки­слорода 4, подогревательного кислорода 5 и ацетилена 6.

Резак может работать на ацетилене как высокого, так и низ­кого давления, для чего предусмотрен инжектор 7, расположенный перед смесительной камерой 8. Режущий кислород поступает к го­ловке 9 с мундштуками 10 и 11. Технические данные резака УР приведены в табл 31.

Таблица 31

Технические данные кислородного резака УР

Показатель

Толщина разрезаемой стали в мм

5

25

50

100

200

300

Номер наружного мупдштука. . .

1

1

1

1

2

2

Номер внутреннего мундштука. .

1

2

3

4

5

5

Давление режущего кислорода в ати

3

4

6

8

11

14

Скорость резки в м/чаа…………………….

33

22

15,6

10

5,7

4,5

Расход кислорода в мг! час….

2,6

5,3

8,8

27

43,5

51,0

Расход ацетилена в м^/час….

0,9

1,0

1,0

1,1

1,1

1,2

Применяется также специальный вставной режущий наконеч­ник к сварочной горелке СУ, показанный на фиг. 224. Наконечник состоит из инжектора 1, смесительной камеры 2, вентиля режущего кислорода 3, кислородной трубки 4 и головки 5 с мундштуками.

Наибольшая толщина разрезаемой стали 100 мм. Как уже было упомянуто, применение ацетилена для газокислородной резки не­обязательно, во многих случаях не только возможно, но и жела­тельно заменять ацетилен другими, более дешёвыми и менее де­фицитными горючими газами. Ацетилен даёт слишком высокую температуру подогревательного пламени, что часто ведёт к оплав­

лению кромок; сверх того, ацетилен при неточной регулировке по­догревательного пламени науглероживает кромки реза, что делает их способными к закалке и затрудняет последующую механическую обработку.

Замена ацетилена другим горючим газом не требует большой переделки резака, рассчитанного для работы на ацетилене. В боль­шинстве случаев требуется лишь некоторое увеличение подачи подогревательной смеси, для чего меняется или несколько растачи­вается наружный подогревательный мундштук. С широким разви­тием газификации весьма целесообразен перевод резки на природ-

ный газ, представляющий собой обычно почти чистый метан, хо­рошо удовлетворяющий требованиям резки.

Резка может успешно производиться и на жидких горючих. В на­шей промышленности широко известны бензорезы и керосинорезы. Бензорез или керосинорез, изготовляемый нашей промышленностью,

состоит из специального резака (фиг. 225) и бака для горючего (фиг. 226).

Резак инжекторного типа со­стоит из вентиля 2 для подогре­вательного кислорода, венти­ля 11 для регулировки подачи горючего, испарителя 8, инжек­тора 12, головки 15 со сменными мундштуками 6 и 13, подогре­вательного мундштука 5 для испарения горючего, ниппеля 3′ для кислорода и ниппеля 1 для горючего.

Кислород, поступивший в резак, разветвляется на две части. Подогревательный кисло­род поступает в трубку 10, нахо­дящуюся внутри трубки 7. Труб­ка 10 обмотана асбестом, запол­няющим трубку 7 и впитываю­щим горючее; к концу трубки 10 припаян инжектор 12, Горючее — поступает в трубку 4, далее в трубку 7 и по асбестовой оплёт­ке — в испаритель 8, где испа­ряется пламенем подогревате­ля 5. Режущий кислород через вентиль 9 и трубку 14 идёт к режущему мундштуку 13.

Бак для горючего (фиг. 226) состоит из резервуара 1, ручного нагнетательного воздушного на­соса 2, предохранительного кла­пана 3, отводящей трубки 4, за­порного вентиля 5, ниппеля для присоединения шланга 6.

Главной особенностью бензореза является наличие испаритель­ной камеры, в которой горючее превращается в пары, поступающие в камеру смешения, где они образуют горючую смесь с подогрева­тельным кислородом для питания подогревающего пламени.

Технические данные резака, работающего на жидком горючем, приведены в табл. 32. Также изготовляются специальные резаки для различных назначений, например, для срезки заклёпочных головок.

для вырезки жаровых труб в паровых котлах, для вырезки круглых отверстий малого диаметра, например под сборочные болты и за­клёпки, для строжки и поверхностной обработки металла и т. д.

Таблица 32

Технические данные кислородного резака, работающего на жидком горючем

Показатель

Толщина разрезаемой стали в мм

10

25

50

100

200

Давление режущего кислорода в ати.

3

4

7

9

14

Давление в бачке с горючим в ати. .

0,5

0,5

1,0

1,5

2,0

Скорость резки в м/час………………………………

27

13,5

9

6

4.5

Расход кислорода в м3/час………………………….

2,6

3,2

10

16

36

Расход керосина в г/час (расход бензи­на меньше на 10%) . …………………………………………….

900

900

1200

1500

2000

89. ПРОЦЕСС ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ

Поверхность разрезаемого металла должна быть очищена по линии реза от ржавчины, краски и других загрязнений, могущих замедлять и затруднять процесс резки вследствие ослабления по­догрева металла. Разрезаемый металл устанавливается в удобное для резки положение, лучше всего в нижнее, хотя резка вполне возможна во всех пространственных положениях, включая верти­кальное и потолочное. С задней стороны разрезаемого металла дол­жно находиться достаточное свободное пространство для беспре­пятственного свободного выхода струи режущего кислорода; при недостатке свободного пространства получается отражение и за­вихрение кислородной струи, вызывающее нарушение нормального процесса резки и чрезмерное уширение реза.

Операция резки начинается с предварительного подогрева ме­талла в начальной точке до температуры начала горения, до белого каления. Подогрев производится подогревательным пламенем ре­зака при закрытом вентиле режущего кислорода. В зависимости от толщины металла и состояния его поверхности время начального подогрева колеблется от 5 до 40 сек. По достижении достаточного нагрева открывают вентиль режущего кислорода, и когда режущая струя прорежет (пробьёт) всю толщину металла, начинают равно­мерное перемещение резака по линии реза, сохраняя всё время нормальное горение подогревательного пламени. Начинают резку обычно с кромки металла, но при небольших толщинах (до 50— 80 мм) возможно пробить начальное отверстие струёй кислорода в любом месте поверхности металла. Срез мундштука резака дол­жен находиться всё время на постоянном расстоянии от поверх­ности металла, отвечающем наиболее эффективному действию по­догревательного пламени. При наиболее распространённом процессе разделительной резки струя режущего кислорода обычно направ­ляется приблизительно нормально к поверхности разрезаемого ме­талла, так как при этом прорезается наименьшая толщина.

Процесс горения металла вдоль режущей струи кислорода про­исходит неравномерно. По мере углубления в массу металла осла­бевает действие подогревательного пламени, теряет скорость ки­слород режущей струи, уменьшается мощность режущей струи вследствие расходования кислорода на сжигание железа. Поэтому при резке наблюдается так называемое отставание режущей струи, как это схематически показано на фиг. 227, т. е. выход режущей струи отстаёт от входа на наружной поверхности, считая по на­правлению резки. Отставание увеличивается с повышением скорости резки и является одним из факторов, ограничивающих скорость, в особенности на значительных толщинах металла. Отставание

Фиг. 227. Отставание режу — Фиг. 228. Наклон резака для

щей струи. уменьшения отставания струи.

можно в некоторой степени компенсировать наклоном режущей струи вперёд по направлению движения (фиг. 228). Слишком боль­шая скорость резки, помимо значительного отставания режущей струи, даёт грубо неровную бороздчатую поверхность реза. Слиш­ком малая скорость резки вызывает оплавление кромок на входной стороне и увеличивает ширину реза.

Скорость резки данной толщины металла зависит от многих факторов и может меняться в широких пределах. На скорость резки, прежде всего, влияют мощность кислородной струи и подо­гревательного пламени, т. е. соответственно часовой расход режу­щего кислорода и подогревательной смеси. Большое значение имеет чистота режущего кислорода, совершенство конструкции и состоя­ние резака, а также квалификация газорезчика. Имеет значение также химический состав разрезаемого металла и состояние его поверхности.

Машинная резка обеспечивает большую скорость резания, чем ручная. Из различных возможных скоростей резки опытным путём выбирается оптимальная, дающая минимальную стоимость одного метра реза, минимальную ширину реза и достаточно чистую поверх­ность реза, отвечающую техническим требованиям. В зависимости от местных условий, стоимости и степени чистоты кислорода, ка­чества разрезаемого металла, требуемой чистоты реза и т. д. опти­мальная скорость кислородной резки одной и той же толщины ме­талла может быть различной. Приведённые выше при описании резаков скорости резки следует рассматривать как некоторые сред­
ние величины, могущие значительно меняться в отдельных случаях. Предварительный подогрев разрезаемого металла повышает до 50—100% скорость резки. Поэтому на предприятих, где металл нагревается в процессе производства, например на металлургиче­ских заводах, следует так организовать производственный процесс, чтобы кислородная резка производилась в периоды, когда металл имеет высокую температуру.

Производительность резки сильно зависит от чистоты кислорода. Обычно все нормы для резки даются для кислорода со степенью чистоты 99%. Снижение чистоты на 1%, т. е. переход с 99 на 98% чистоты кислорода повышает машинное время резки на 10—15% и расход кислорода на 20—30%. Поэтому к чистоте кислорода для резки предъявляются особенно строгие требования.

Для подогревательного пламени кислородных резаков могут применяться различные газообразные и жидкие горючие. Приме­нение ацетилена для подогревательного пламени совсем необяза­тельно, он может быть с успехом заменён водородом, метаном, раз­личными природными и промышленными горючими газами, бензи­ном, бензолом, керосином и т. д. Замена ацетилена другим горю­чим требует лишь незначительных переделок подогревательной части резака и ведёт в большинстве случаев к улучшению качества резки, так как ацетилено-кислородное пламя, незаменимое для сварки, для резки часто оказывается излишне горячим, вызывая оплавление кромок реза и, кроме того, часто ведёт к науглерожива­нию наружного слоя металла кромки реза, затрудняющему после­дующую механическую обработку. Поэтому замену дорогого и де­фицитного ацетилена более дешёвыми горючими при кислородной резке следует признать не только допустимой, но и весьма целесо­образной.

Ширина реза зависит от толщины металла, т. е. возрастает с увеличением толщины и может быть определена по формуле о— a + ks, где 5 и s — ширина реза и разрезаемая толщина в мм, auk — постоянные, зависящие от конструкции резака и пр.; в сред­нем а — 2 мм; ft = 0,02. Формула даёт ширину реза на входе струи. На выходной стороне рез несколько расширяется и тем больше, чем больше разрезаемая толщина. Уширение обычно колеблется в пределах от 10 до 50% от ширины на входе. Основные технико­экономические показатели резки были приведены выше в описании резаков.

Процесс газокислородной резки вводит значительное количество тепла в разрезаемый металл, как за счёт действия подогреватель­ного пламени, так и за счёт экзотермической реакции сгорания ме­талла в кислороде. Нагрев происходит неравномерно и распреде­ляется по кромке реза и сравнительно узкой полосе металла, прилегающей к резу. Неравномерный нагрев создаёт напряжения в металле и деформирует его, искажая геометрическую форму. Кромка реза несколько укорачивается, и в прилегающем слое воз­никают растягивающие напряжения, которые могут быть полностью сняты лишь отжигом с равномерным нагревом всей детали. На­пряжения и деформации также уменьшаются при механической обработке: строжке или фрезеровании кромки реза. Полоса металла шириной 2—5 мм, прилегающая к резу, быстро нагревается выше критических температур, а затем быстро охлаждается, вследствие отвода тепла в остающуюся холодной основную массу металла. Происходит термообработка металла, соответствующая закалке.

Степень закалки, получающиеся структуры и максимальная твёрдость кромки реза определяются, в первую очередь, химическим составом стали и её чувствительностью к термической обработке. Простые углеродистые стали с содержанием углерода ниже 0,30% при резке почти не закаливаются. У легированных сталей и сталей с повышенным содержанием углерода часто значительно повы­шается твёрдость по кромке реза. Металл нагревается до наивыс­шей температуры у поверхности кромки, где обычно происходит полное аустенитное превращение, наблюдаются максимальные из­менения структуры и твёрдости. В малоуглеродистых сталях наблю­дается образование сорбитной структуры; по мере повышения со­держания углерода и легирующих элементов в стали появляются троостит, а затем и мартенсит, свидетельствующий о высокой твёр­дости и хрупкости металла. По мере удаления от кромки изменения структуры постепенно становятся менее заметными, приращение твёрдости уменьшается и на расстоянии нескольких миллиметров от кромки начинается неизменённый основной металл.

Ширина зоны термического влияния при кислородной резке за­висит от химического состава и толщины разрезаемого металла, возрастая вместе с ней. При резке малоуглеродистой стали толщи­ной 10 мм ширина зоны влияния не превышает 1 мм; та же сталь толщиной 150—200 мм даёт зону влияния шириной около 3 мм. Стали легированные и с повышенным содержанием углерода при толщине 100 мм могут давать зону влияния до 6 мм шириной.

Сравнительные исследования структуры и механических свойств показали, что кислородная резка меньше изменяет свойства метал­ла кромки, чем механическая резка ножницами и фрикционной пи­лой. Для малоуглеродистой стали нет необходимости удалять по­верхностный слой металла с кромки реза; для последующей сварки достаточна очистка кромок от окалины. При резке сталей, чувстви­тельных к термической обработке, после резки иногда приходится прибегать к дополнительным операциям: механической строжке кромки, местному отжигу. Особенно опасным является возникнове­ние мелких трещин в зоне влияния, что иногда наблюдается у ста­лей, легко закаливающихся. В подобных случаях приходится при­бегать к предварительному подогреву металла.

Правильно проведённый подогрев уменьшает коробление, внут­ренние напряжения, изменения структуры, приращение твёрдости. Поэтому подогрев часто является единственным надёжным сред­ством получения качественной кислородной резки легко закаливаю­щихся легированных и углеродистых сталей. При машинной кисло­родной резке подогрев часто может быть успешно осуществлён мощными многопламенными горелками, смонтированными на режу­

щей машине и перемещающимися вместе с кислородным резаком вдоль поверхности разрезаемого металла.

Помимо структурных изменений металла при кислородной резке наблюдается также и некоторое изменение его химического состава, простирающееся от поверхности кромки на глубину до 2—3 мм. Наиболее существенным является часто наблюдающееся при резке сталей повышение содержания углерода у поверхности реза. Иногда это повышение содержания углерода частично может быть объясне­но науглероживающим действием подогревательного пламени. Но повышение содержания углерода наблюдается и при водородно’м пламени, которое не может науглероживать металл. Повидимому, основной причиной науглероживания служит миграция (переме­щение) углерода при неравномерном нагреве металла в более на­гретые области. Так как наиболее сильно нагревается поверхность кромки реза, то и наблюдается перемещение углерода из внутрен­них менее нагретых слоёв металла к поверхности кромки.