Основы технологии ручной газокислородной резки металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы технологии ручной газокислородной резки металлов

ВВЕДЕНИЕ

Газо-кислородное пламя широко используется не только для подогрева металла при сварке и пайке, но и для различных других видов обработки металла, из которых наиболее распространенным является резка.

Процесс кислородной резки металла заключается в сжигании твердого подогретого металла в струе чистого кислорода. Поверхность (или кромка) разрезаемой детали подогревается пламенем газо-кислородной смеси, выходящей из канала резака. Когда поверхность нагрета до температуры воспламенения, по каналу подается концентрированная струя так называемого режущего кислорода, которая быстро окисляет подогретый металл. Образовавшиеся в месте реза жидкие окислы выдуваются, а окружающий его металл остается твердым. За счет теплоты, выделяемой в процессе горения, подогреваются смежные зоны металла, которые при попадании на них струи режущего кислорода также сгорают, и процесс таким образом продолжается непрерывно.

В отходы (в шлак) попадает сравнительно небольшое количество металла. Процесс кислородной резки по своей экономичности превосходит процессы механической обработки.

Повышение точности кислородной резки, достигнутое за последние годы, значительно расширило область ее применения: она стала эффективно применяться для обработки металлов не только при изготовлении металлических конструкций, но и в машиностроении. Особенно большое распространение кислородная резка получила в производстве листовых металлических конструкций, в частности, в судостроении.

1. ИСТОРИЯ ГАЗОВОЙ РЕЗКИ

Газовая (автогенная) резка металла - это самый доступный и распространенный способ резки металлов(рис 1). Начало истории этой технологии следует искать во временах первых попыток использования для нагрева металла теплоты сгорания водорода, кислорода и особенно, ацетилена. Водород и кислород научились получать электролизом воды ещё в начале 19 века. Первый аппарат, способный выделять водород с последующим получением водородного пламени в горелке, предложил немецкий химик Д. Рихман в 1840 году. Этот аппарат мог сваривать и разрезать легкоплавкие металлы. Начало газовой резке металла было положено!

Рисунок 1

Попытки использовать горючие газы для резки металлов плавлением (т. е. без приложения давления) предпринимались неоднократно. Но необходимые для этого температура пламени и концентрация теплоты достигаются только при сжигании горючих газов или паров жидкости в смеси с кислородом, промышленное получение которого было налажено только в начале XX в. Тем не менее, применение газового нагрева (с воздушным дутьем) для пайки и сварки известно с древних времен.

В конце XIX в. и первые десятилетия XX в. известные способы сварки и резки не были универсальными и мобильными, а удовлетворительное качество переплавленного металла обеспечивалось ценой большей трудоемкости. Но без сварки уже нельзя было обойтись, и в начале XX в. возник еще один способ (причем не только соединения металлов, но и быстрого эффективного разъединения) -- основанный на использовании теплоты ацетилено-кислородного пламени.

В 1766 г. английский физик и химик Г. Кавендиш исследовал физические и химические свойства водорода. Перспективный способ получения водорода и кислорода путем электролиза воды предложил Г. Дэви в 1802 г. В 1840 г. немецкий химик Д. Рихман разработал аппарат для получения водорода, выделяющегося при взаимодействии азотной кислоты с цинком. Водородным пламенем, образующимся на выходе из специальной горелки, удавалось паять и сваривать легкоплавкие металлы.

В лабораторных условиях часто использовали как водородно-воздушное, так и водородно-кислородное пламя, причем последнее имело температуру 2600 oС и могло расплавить золото, серебро и платин. В 1888 г. Д. Лачинов разработал мощный электролизер для разложения воды, и благодаря этому водород и кислород стали более доступны. Область их применения до конца XIX в. почти не расширилась, несмотря на то, что уже существовали промышленные способы сжатия газов, а в 1896 г. немецкий инженер Э. Висс изобрел сварочную водородную горелку.

Тем временем в поле зрения техников попадает ацетилен -- газ, теплота сгорания которого более чем в пять раз превышает теплоту сгорания водорода. В 1836 г. английский ученый Э. Деви впервые получил из карбида кальция газ, названный им бикарбонатом водорода, а в 1860 г. французский химик П. Э. М. Вертело дал точную формулу и современное название этого газа -- ацетилен. Однако в то время карбид кальция был дорогим химическим соединением, получаемым только в лабораторных условиях, и потребовалось несколько десятков лет, чтобы найти дешевый промышленный способ его производства.

Параллельно с поиском газов для сварки и резки велась работа по созданию надежного оборудования. В первую очередь необходимо было сконструировать горелку, которая обеспечивала бы хорошее смешение газов с кислородом, высокую концентрацию теплоты на выходе из сопла и взрывобезопасность. Одним из первых (1802 г.) заслуживающих внимания устройств была горелка американского изобретателя Р. Хейра для получения водородно-кислородного пламени. В Германии в 1820 г. газовую горелку создал А. Брок. Для предохранения от обратного удара (потока горящего газа внутрь системы) в 1847 г. им была установлена диафрагма в водородном канале, через которую газ выдавливался в наконечник горелки и выходил наружу. Водородно-кислородное пламя долгие годы применяли для пайки платины, золота, серебра. В 1850 г. во Франции Г. С. К. Девиль создал горелку, в которой водород и кислород смешивали в сопле.

Впервые в мире газовая горелка (точнее, резак) с целью резки была применена в 1901 г. при попытке ограбления земельного банка в Ганновере. Были использованы преимущества процесса -- транспортабельный источник энергии -- баллон с ацетиленом и кислородом. Неизвестно, знали ли взломщики то, что процесс резки стали происходит не только от теплоты пламени, но и от того, что железо сгорает в дополнительной струе кислорода. Причем температура сгорания железа в кислороде лежит ниже его точки плавления. а теплоты выделяется так много, что когда поступает кислород, процесс идет самопроизвольно и расплав выдувается струей кислорода. Взломщикам удалось разрезать только наружную оболочку толщиной 8 мм. Конструкция резака была еще не отработана, и кислорода не хватило.

Следует отметить, что автогенная резка появилась практически одновременно в нескольких странах. Так, в США Дж Харрис, пытаясь получить синтетический рубин в пламени сварочной горелки, случайно разрезал стальной лист, служивший в качестве подложки. В 1904 г. Жоттран (Бельгия) к водородно-кислородной горелке добавил просто трубку с соплом, через которую подавался кислород (рис. 52). В том же году Э. Висс (США) запатентовал горелку-резак с концентрическими соплами, предложенную Э. Смитом. Сначала для этой цели использовали сварочные горелки, однако вскоре начали разрабатывать и газокислородные резаки. Этот вид резки сразу оказался вне конкуренции применительно к железу, стали и чугуну. В 1908 г. кислородная резка была испытана и подводных условиях. Вскоре данный способ резки заинтересовал и германские фирмы. В большом объеме газовую резку применяли при демонтаже разрушенных металлоконструкций в период Первой мировой войны, В 1906 г, в Германии для металлизации успешно применяли ацетилено-кислородное пламя. Пистолет для газопламенного напыления изобрел М. У. Шооп.

Изобретатели многих стран совершенствовали конструкции горелок Пикара и Фуше. В 1908 г. фирма «Бритиш Оксид жен» создала горелку, и которой наконечник можно было поворачивать, изменяя угол между его осью и осью корпуса от 0 до 70 oС. В Италии Карбидное общество разработало горелку с охлаждением наконечника, В США в 1907 г. фирма «Девис-Бурнонвиль» смонтировала в горелке пористую диафрагму, предотвращающую обратный удар. Благодаря труду многих энтузиастов были разработаны и внедрены мало- и крупногабаритные горелки; горелки, рассчитанные на высокие и низкие давления газа; горелки с различной формой постоянных и сменных наконечников и т. д.

В России газовая сварка впервые появилась в 1906 г. Сварочные посты были оборудованы в Московском техническом училище, в некоторых ремонтных железнодорожных мастерских и на ряде машиностроительных заводов Москвы, С.-Петербурга и других городов, на металлургических заводах Урала и Украины. Газовую сварку применяли в основном для ремонта, реже для изготовления неответственных изделий из низкоуглеродистой стали, чугуна и меди; резку применяли для удаления дефектов литья.

В то время оборудование ввозили из-за границы. Однако уже в 1911 г, выпуск ацетиленовых генераторов и резаков был налажен на заводе «Перун» в Екатеринославе. Как и за рубежом, применение газопламенной обработки в России возросло в период Первой мировой войны. Газовую сварку и пайку стали использовать в военной промышленности, правда, по-прежнему для неответственных узлов, с рекомендацией проковки и отжига швов.

Следующими событиями в истории развития автогенного дела было открытие при Петроградском технологическом институте курсов по обучению «самосварке и различным способам спаивания металла» и выпуск первого в России учебника. С этого времени объемы применения газовой сварки начали возрастать, и с середины 1920-х гг. этот способ занял ведущее положение в сварочном производстве страны. Применение газовой сварки было разрешено при изготовлении котлов, машин и других ответственных конструкций. Не последнюю роль в этом сыграло созданное в 1926 г. русско-американское смешанное акционерное общество «Рагаз». В 1927 г. на Ростокинском заводе начал работать цех по производству горелок, редукторов и резаков.

Всего за период с 1928 по 1930 гг. было выпущено около 2 тыс. ацетиленовых генераторов, почти 6 тыс. сварочных горелок и резаков, 6560 редукторов. Однако в связи с полной национализацией промышленности в СССР смешанное акционерное общество «Рагаз» было ликвидировано, и на его базе была создана государственная структура -- Всесоюзный автогенный трест (ВАТ). В короткое время были построены новые цехи по производству аппаратуры для автогенной обработки, в том числе на Московском автогенном заводе, Ленинградском заводе «Красный автоген». С 1934 г. в СССР полностью прекратили импортировать автогенную аппаратуру. В этом же году было пущено шесть мощных установок по производству кислорода. Для кислородной резки, наряду с ацетиленом, в Советском Союзе успешно использовали жидкие горючие материалы: бензин и особенно широко -- керосин.

Первые попытки применения для сварки и резки горючих газов в смеси с кислородом относятся к началу ХХ-го века. Созданию газовой сварки и резки способствовали исследования процессов горения газовых смесей французским ученым Анри Луи Ле Шателье. В 1895 г. он доложил французской академии наук о получении им высокотемпературного пламени (свыше 3000о С) при сжигании ацетилена и кислорода. Ацетилен был открыт еще в 1836г., а в 1863г. был синтезирован М. Бертло. Однако доступным техническим продуктом стал лишь после того, как в первой половине 90-х годов XIX века химики Муассан во Франции и Вильсон в Америке нашли способ приготовления карбида кальция из известняка и угля.

В России газовая сварка стала известна предположительно в 1905 году, в 1906г. она впервые демонстрировалась в Московском техническом училище, после чего, ввиду ее портативности и невысокой стоимости аппаратуры, интенсивно началось ее промышленное освоение, что привело к временному снижению интереса к электродуговой сварке. Однако небольшие объемы производства кислорода, карбида кальция и газосварочной аппаратуры существенно тормозили применение газовой сварки и резки металлов в России.

В начале ХХ в. газовая сварка и резка в России использовалась весьма ограниченно при ремонте изделий из низкоуглеродистой стали, меди и чугуна на ряде заводов, например на Ижорском в Петербурге, исправлении брака литья и сварки некоторых неответственных конструкций в небольших мастерских, главным образом железнодорожных. При этом использовалась аппаратура и материалы, ввозимые из-за границы. В 1911г. Комиссия при Министерстве торговли и промышленности допустила газовую сварку для изготовления паровых котлов, разрешив сварку некоторых неответственных частей котла.

Широкое развитие в 50-е - 60-е годы получила резка в металлургии, где она используется для обработки больших сечений и поверхностной резки металла, а также обработки металла, нагретого до температуры 500 - 1000 оС. Изучение механизма образования канавок при поверхностной резке приводит к разработке технологического процесса сплошной огневой зачистки поверхности горячего проката в потоке прокатки со скоростью 30 - 50 м/мин. Исследования основных закономерностей процесса кислородной резки горячей стали заканчиваются разработкой технологии и аппаратуры для резки заготовок при непрерывной разливке стали и отрезки прибылей на отливках из высоколегированной стали.

2. Классификация способов газопламенной обработки

Одной из важных областей сварочного производства является газопламенная обработка. Она охватывает такие широко распространенные в промышленности и строительстве технологические процессы, как газовая сварка и наплавка, пайка, газовая и газоэлектрическая резка, термическая правка с применением газового пламени, пламенная поверхностная закалка, газовая металлизация, сварка и напыление пластмасс и других неметаллов. Эти процессы широко применяются при изготовлении и ремонте различных конструкций и изделий. Классификация существующих процессов газопламенной обработки приведена на рис. 1 (см. рис. 6).



3. Сущность основных процессов газопламенной обработки

Данный способ относится к сварке плавлением. Источником тепла в этом случае является высокотемпературное пламя с температурой от 2100 до 3200° С, образующееся в результате сгорания горючего газа и смеси с техническим кислородом. В процессе сварки кромки деталей 1 расплавляются сварочным пламенем 3. Одновременно с этим расплавляется конец присадочной проволоки 2, которая вводится в пламя горелки 4. При этом сварочное пламя образует вокруг ванны расплавленного металла газовую зону, защищающую ее от воздействия кислорода и азота окружающего воздуха. Газовая сварка отличается простотой и дешевизной оборудования, а также не требует специальных источников электроэнергии. Недостатками ее являются довольно низкая производительность процесса и большая зона теплового воздействия на основной металл, что приводит к значительным короблениям свариваемых деталей. В настоящее время газовая сварка широко применяется при производстве тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, при сварке многих цветных металлов и сплавов, при выполнении ремонтных работ, при заварке дефектов литья черных и цветных металлов и др. правка с применением газового пламени, пламенная поверхностная закалка, газовая металлизация, сварка и напыление пластмасс и других неметаллов.

4. Пайка газовым пламенем

Это процесс получения неразъемного соединения металлов, находящихся в твердом состоянии, при помощи расплавленного присадочного металла, называемого припоем. При пайке в отличие от сварки расплавляется только один присадочный материал (припой), а основной металл нагревается до температуры, несколько большей температуры плавления припоя. При этом в основном металле не происходит изменений структуры даже в области близкой линии спая. Обладая большой жидкотекучестью, припой хорошо смачивает нагретую поверхность основного металла, растекается по ней, затекает в очень небольшие зазоры и вследствие диффузии образовывает достаточно прочные соединения. Наплавка. Под наплавкой понимается нанесение слоя расплавленного металла необходимого состава на поверхность изделия, нагретую до температуры «запотевания». Наплавка применяется как при восстановлении изношенных деталей узлов и машин так и при изготовлении новых изделий. Наплавкой можно увеличить или восстановить размеры деталей, а также получить поверхностный слой металла, обладающий высокой твердостью, износоустойчивостью, кислотостойкостью, жаропрочностью и другими заданными свойствами. Наплавка позволяет намного увеличить срок службы отдельных деталей и резко сократить расход дефицитного металла.

5. Технология кислородной резки

Сущность процесса кислородной резки основана на сгорании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся жидких окислов. Резке предшествует нагрев места начала реза до температуры примерно 1300-1350° С (для стали). После этого включается подача режущего кислорода, который окисляет металл и разрезает его. Сгоревший (окисленный) металл выдувается струей кислорода. В процессе горения (окисления) металла выделяется большое количество теплоты, которая нагревает близлежащие (впереди лежащие) слои металла до температуры воспламенения. Таким образом, процесс горения металла в кислороде распространяется по всей толщине разрезаемого металла.

Обычной кислородной резке поддаются только те металлы, которые удовлетворяют следующим условиям:

1. Температура воспламенения металла в кислороде должна быть ниже температуры его плавления. Низкоуглеродистая сталь плавится при температуре примерно 1500° С, а воспламеняется в кислороде при температуре 1300-1350° С; она хорошо поддается кислородной резке.

2. Температура плавления образующихся окислов должна быть ниже температуры плавления основного металла, так как в противном случае тугоплавкие окислы не будут выдуваться струей кислорода и процесс резки может прекратиться. Хромистые стали образуют тугоплавкие окислы хрома с температурой плавления около 2000° С. Они поддаются только кислородно-флюсовой резке.

3. Количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в струе кислорода, должно быть достаточным для подогревания последующих нижележащих (впереди лежащих) слоев, т. е. для поддержания непрерывного процесса резки.

4. Теплопроводность металла не должна быть высокой, так как интенсивный отвод теплоты от места реза приведет к тому, что процесс резки будет прерываться или вообще не начнется. По этой причине медь, алюминий и их сплавы поддаются только кислородно-флюсовой резке.

5. Образующиеся при сгорании металла шлаки должны быть жидкотекучими, так как тугоплавкие и вязкие шлаки не будут выдуваться кислородной струей из полости реза. Поэтому чугуны, образующие тугоплавкие окислы кремния, резке не поддаются: для них возможна только кислородно-флюсовая резка.

Рисунок 2

С увеличением содержания в стали углерода, а также различных примесей процесс резки усложняется. Влияние их на процесс резки

Углерод

При содержании до 0,4% процесс резки стали не ухудшается, при более высоком содержании ухудшается, а при 1-1,25% становится невозможным

Марганец

При содержании до 4% на процесс резки заметно не влияет, при более высоком содержании процесс резки затрудняется, а при 14% становится невозможным

Кремний

При содержании в количествах, обычных для стали, отрицательного влияния на процесс резки не оказывает; при повышенном количестве кремния процесс резки усложняется и при содержании свыше 4% становится невозможным

Фосфор и сера

В обычных количествах на процесс резки отрицательного влияния не оказывают

Хром

При содержании до 4-5% отрицательного влияния не оказывает, при большем содержании процесс резки обычным способом становится невозможным и требует применения флюса

Никель

При содержании до 7-8% отрицательного влияния на процесс резки не оказывает, с увеличением содержания никеля процесс несколько усложняется

Молибден

При содержании до 0,25% на процесс резки не влияет

Вольфрам

При содержании до 10% влияния на процесс резки не оказывает, при более высоком содержании процесс резки замедляется, а при 20% становится невозможным

Ванадий

В обычных количествах на процесс резки не влияет

Медь

При содержании до 0,7% влияния на процесс резки не оказывает

Алюминий

При содержании до 0,5% влияния на процесс резки не оказывает, при содержании свыше 10% процесс резки становится невозможным Приближенно на способность подвергаться резке различных сталей указывает эквивалентное содержание углерода в ней, которое определяется по формуле

Сэк=С+0,155 (Cr+Mo)+0,14 (Mn+V)+0,11Si+0,045 (Ni+Cu)

B этой формуле цифры при символах элементов означают содержание их в стали в весовых процентах.

По направленности струи режущего кислорода и характеру образуемых резов различают два основных вида кислородной резки: 1. Разделительную, образующую сквозные разрезы (вырезка деталей из листа, резка металла на части, скос кромок под сварку и др.).

2. Поверхностную, дающую на поверхности металла углубления (канавки) овальных очертаний (удаление дефектных швов, строжка поверхности, выплавка канавок и др.).

Основные параметры реза при разделительной кислородной резке показаны на рис. 127



Рис. 127. Основные параметры реза:

BВ - ширина реза вверху, BН -ширина реза внизу, f - неперпендикулярность реза, l - глубина бороздок (шероховатость), Д - отставание, r - радиус оплавления верхней кромки

На скорость резки большое влияние оказывает чистота кислорода (табл. 54). С уменьшением чистоты кислорода значительно снижается скорость резки. Наиболее целесообразно применять кислород чистотой 99,5% и более. Применять кислород чистотой 95% нецелесообразно, так как кроме малой скорости резки поверхность реза получается нечистой, с глубокими рисками и трудно отделимым гратом.

6. РУЧНАЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ КИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА

При разделительной кислородной резке принято различать резку металла толщиной до 300 мм и резку металла больших толщин до 800 мм и более.

При ацетилено-кислородной резке оптимальные расстояния между мундштуком и поверхностью разрезаемого металла приведены в табл. 56.

56. Оптимальные расстояния от мундштука резака

Толщина металла, мм 3-10 10-25 25-50 50-100 100-200

Расстояние, мм 2-3 3-4 3-5 4-6 5-8

Примерная ширина реза приведена в табл. 57.

57. Примерная ширина реза при ручной кислородной резке

Толщина металла, мм 5-25 25-50 50-100 100-200

Ширина реза, мм 3-4 4-5 5-6 6-8

Мощность подогревательного пламени

Толщина металла, мм 3-25 25-50 50-100 100-200 200-300

Мощность пламени,м3/ч0,3- 0,5 0,5-0,70 75- 1 1,0-1,2 1,2-1,3

На скорость резки большое влияние оказывает чистота режущего кислорода: с понижением его чистоты скорость резки уменьшается, а расход кислорода увеличивается (рис. 128).



Рис. 128. График зависимости времени резки (1) и расхода кислорода (2) от чистоты режущего кислорода (по горизонтальной оси указана чистота кислорода в процентах, а по вертикальной - расход кислорода и время резки в процентах)

Техника ручной кислородной резки профильной стали показана на рис. 129



Рис. 129. Положение резака при резке профильной стали:

а - уголков, б - круглых стержней, в - швеллеров, г - двутавровой балки; 1 - начало резки, 2, 3 - конец резки

Резку металла больших толщин (300- 800 мм) осуществляют специальными резаками при низком давлении кислорода. Эти резаки имеют увеличенные проходные сечения для режущего кислорода. При низких скоростях истечения кислорода каждая частица его имеет возможность больше по времени соприкасаться с металлом в месте реза, что снижает потери кислорода. Кроме того, при низком давлении кислорода завихрений его не происходит; это обеспечивает более стабильную непрерывность резки, однако рез при этом получается более широкий. Во избежание перегрева мундштука отраженным теплом и предотвращения засорения каналов для горючей смеси брызгами шлака расстояние от мундштука до поверхности металла должно быть большим, чем при резке кислорода высокого давления. Режимы ручной кислородной резки металла толщиной 300-800 мм приведены в табл. 59. 59.



Примерные режимы подводной ручной бензино-кислородной резки на установке БУПР приведены в табл. 60.

60. Примерные режимы подводной ручной бензино-кислородной резки

7. ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ

Техническое нормирование включает в себя нормирование времени на газопламенную обработку, а также нормирование расхода материалов.

В общем случае технически обоснованная норма времени складывается из следующих элементов затрат времени:

Основное время, необходимое для изготовления детали или выполнения 1 м шва или реза. Оно включает в себя время, затрачиваемое непосредственно на процесс сварки или резки с учетом времени первоначального разогрева металла.

Вспомогательное время, зависящее от длины сварного шва или реза. Оно включает затраты времени на смену присадочной проволоки, на приварку прутка к огарку, на очистку кромок шва или реза, осмотр, промер и клеймение шва или реза, переходы газосварщика или газорезчика с одного рабочего места на другое.

Время на обслуживание рабочего места включает в себя время на раскладку и уборку инструмента, установку и смену баллонов, подключение шлангов, регулирование давления газов, зажигание, тушение, прочистку и охлаждение горелки или резака, поддержание заданного режима сварки или резки, охлаждение горелки или резака, уборку рабочего места.

Подготовительно-заключительное время обычно устанавливается на партию деталей, узлов или изделий. Оно включает в себя затраты времени на получение задания, указаний и инструктаж, ознакомление с работой, получение и сдачу инструмента и приспособлений, сдачу готовой продукции.

Время на отдых и личные надобности

Отдельные элементы нормы времени определяются по картам «Общемашиностроительных норм времени на газовую сварку» и по картам «Общемашиностроительных норм времени на газовую резку черных металлов», которые разработаны НИИ труда Госкомитета Совета Министров СССР по вопросам труда и заработной платы и изданы в 1974 г.

Перечисленные выше элементы затрат времени входят в состав так называемого штучного времени. Неполное штучное время включает часть штучного времени, за исключением отдельных элементов затрат времени, которые обычно учитываются в процентах к сумме основного и вспомогательного времени (оперативному времени).

Техническая норма расхода материалов - это минимальное количество материалов, необходимое для изготовления одного изделия в соответствии с техническими условиями. Расчет таких норм производится на основе чертежей деталей и узлов, технических характеристик оборудования, справочных и директивных материалов (ГОСТы, нормативы инструкции и т. д.).

Расход материалов для газопламенной обработки металлов следует определять по книге В. П. Юрьева «Справочное пособие по нормированию материалов и электроэнергии для сварочной техники» (М., «Машиностроение», 1972).

8. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Высокотемпературное сварочное пламя, необходимое для газопламенной обработки, образуется при сгорании горючих газов или жидкостей в смеси с техническим кислородом.

Газообразный кислород. При нормальной температуре и давлении кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса. При очень низких температурах газообразный кислород может превратиться в жидкость и даже в твердое вещество. Кислород не горит, но активно поддерживает горение, при котором выделяется значительное количество тепла. При соединении сжатого кислорода с маслами, жирами и другими горючими веществами может произойти самовоспламенение Соединение его с горючими газами или парами горючих жидкостей при наличии открытого огня или даже искры может привести к взрыву.

Технический газообразный кислород для газопламенной обработки выпускается трех сортов ГОСТ 5583-68*:

1-го сорта, содержащего не менее 99,7% чистого кислорода (по объему).

2-го сорта - не менее 99,5% и 3-го - не менее 99,2%.

Примесями в кислороде являются азот, аргон, углекислый газ, водяные пары и другие составляющие атмосферного воздуха.

Жидкий кислород. При температуре ниже -183° С и нормальном давлении газообразный кислород превращается в голубоватую, подвижную и легкоиспаряющуюся жидкость. При этом занимаемый газом объем уменьшается примерно в 850 раз. При нагревании жидкий кислород снова превращается в газ. Жидкий кислород выпускается двух сортов (ГОСТ 6331-68): сорт А с содержанием не менее 99,2% кислорода и сорт Б с содержанием не менее 98,5% кислорода. В жидком состоянии кислород находится только при получении, хранении и транспортировке. Для газопламенной обработки его превращают снова в газообразное состояние.

Основные свойства горючих газов и жидкостей для газопламенной обработки.

9. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГАЗОВОЙ СВАРКИ

При сгорании горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с технически чистым кислородом (или воздухом) образуется сварочное пламя. Строение ацетилено-кислородного пламени показано на рис. 6. Оно характерно также для большинства газокислородных смесей.

Рис. 6. Схема строения газокислородного пламени: 1 -ядро, 2-восстановительная зона, 3 - факел пламени

В зависимости от соотношения смеси ацетилено-кислородное пламя может быть нормальным, науглероживающим (ацетиленистым) и окислительным (рис. 7).

Рис. 7. Виды ацетилено-кислородного пламени: а - нормальное, б - науглероживающее, в - окислительное

Ацетилен сгорает в смеси с чистым кислородом по следующей реакции:

C2H2+O2 = 2CO+H2

Продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода окружающего воздуха по реакции

2СО+Н2+1,5O2=2СO2+Н2O

Таким образом, на 1 объем ацетилена требуется 2,5 объема кислорода.

Практически вследствие некоторой загрязненности чистого кислорода нормальное пламя образуется при несколько большем количестве чистого кислорода, т. е. при соотношении смеси

При соотношении смеси пламя становится науглероживающим. Ядро его увеличивается, приобретает расплывчатое очертание и начинает коптить. В таком пламени ощущается недостаток кислорода для полного сгорания ацетилена. При соотношении смеси пламя становится окислительным. Ядро пламени укорачивается и заостряется. Избыточный кислород в этом случае окисляет железо, а также примеси, находящиеся в стали.

Аналогично, сгорание пропана в кислороде также происходит в две фазы:

1. С3Н8+1,5O2 = 3СО+4Н2 (в чистом кислороде)

2. 3CO+4H2+3,5O2 = 3CO2+4H2O (за счет кислорода воздуха)

Как видно из реакций, на один объем пропана требуется пять объемов кислорода:

Сгорание бутана в кислороде происходит по следующим реакциям:

1. С4Н10+2О2=4СО+5Н2 (в чистом кислороде)

2. 4CO+5H2+4,5O2 = 4CO2+5H2O (за счет кислорода воздуха)

Из, реакций видно, что на один объем бутана требуется шесть с половиной объемов кислорода.

Природный газ (метан) сгорает в кислороде по реакциям:

1. СН4+0,5О2=СО+2Н2 (в чистом кислороде)

2. СО+2Н2+1,5O2=СO2+2Н2O (за счет кислорода воздуха)

На один объем метана требуется два объема кислорода.

Рис. 8. Распределение температур в нормальном ацетилено-кислородном пламени: I - зона выхода из сопла горелки, II -ядро пламени, III - зона конца ядра, IV- восстановительная зона, V - факел, VI - хвостовая часть факела

При сгорании 1 кг бензина следует затратить 2,6 м3 кислорода. На полное сгорание 1 кг керосина требуется 2,55 м3 кислорода.

Распределение температур в нормальном ацетилено-кислородном пламени показано на рис. 8. Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени приведен в табл. 9.

10. Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени

Рис. 9. Распределение температур метан-кислородного (а) и пропан-бутан-кислородного (б) пламени: 1 - ядро, 2 - восстановительная зона, 3 - факел, 4 - свариваемый металл, l - длина

кислородный резка металл газопламенный

Рис. 10. Тепловой баланс газового пламени при нормальном процессе сварк



11. БАЛОНЫ

Характеристики баллонов используемых при газопламенной обработке металлов.

Для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением выше атмосферного применяют стальные баллоны различной емкости: от 0,4 до 55 л. Согласно ГОСТ 949-73*, баллоны изготовляют из бесшовных углеродистых или легированных стальных труб с условным давлением до 200 кгс/см2.

Для некоторых сжиженных газов (пропан, бутан, их смесей и др.), а иногда и растворенного ацетилена при рабочем давлении не выше 30 кгс/см2 применяются сварные баллоны.

Кислородные баллоны (рис. 28). Газообразный кислород хранят и транспортируют в стальных баллонах под давлением 150 кгс/см2.



Рис. 28. Кислородный баллон:



Рис. 31. Кислородный баллонный вентиль:

1 - гайка, 2 -пружина, 3 - маховичок, 4,7 - фибровые прокладки, 5 - шпиндель, 6 -накидная гайка. 8 - муфта, 9 - корпус вентиля, 10 - заглушка, 11 - корпус клапана, 12 - уплотнитель

12. РУКАВА

Применяются как резиновые, так и резинотканевые рукава. Последние состоят из внутреннего резинового слоя (камеры), хлопчатобумажной оплетки и наружного резинового слоя. Типы рукавов в зависимости от применяемого газа и рабочего давления приведены в табл. 24.

24. Резиновые и резинотканевые рукава.

Рукава имеют отличительный цветной наружный слой: синий-для кислорода, красный - для ацетилена, желтый -для жидкого горючего.

13. АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ

Резаки для кислородной резки служат для смешения горючих газов или жидкостей с кислородом, образования подогревающего пламени и подачи в зону резки струи чистого кислорода. Резаки отличаются от сварочных горелок наличием трубки и вентиля для режущего кислорода, а также особым устройством головки.

Резаки классифицируют:

1) по виду резки - для разделительной и поверхностной резки (обычной кислородной и кислородно-флюсовой);

2) по назначению - для ручной резки, машинной резки и специальные;

3) по роду горючего - для ацетилена, газов-заменителей и жидких горючих;

4) по принципу действия - инжекторные и безынжекторные (равного давления);

5) по давлению кислорода - низкого и высокого давления;

6) по конструкции мундштуков - щелевые и многосопловые. Наибольшее применение получили инжекторные ручные резаки для разделительной резки со щелевыми мундштуками.

Инжекторные резаки для ручной кислородной резки (ГОСТ 5191 - 69) предназначены для ручной разделительной резки низкоуглеродистых и низколегированных сталей толщиной от 3 до 300 мм кислородной струей с использованием подогревающего пламени, образуемого смесью горючего газа с кислородом.

Инжекторные резаки в зависимости от расположения узла инжекции могут быть двух типов. В вставных резаках «Пламя», РЗР-62, "Факел" (рис. 99) смесительная камера 10 и инжектор 8 - это самостоятельный узел инжекции, присоединяемый накидными гайками 9 и 11 к корпусу резака. В резаках РУ-1-66, РЗУ-70 (рис. 100) и РУА-70 узел инжекции расположен непосредственно в головке 3 резака. Ниже приводится краткое описание некоторых марок резаков



Рис. 99. Инжекторный резак «Факел» с самостоятельным узлом инжекции:изделий.

а - внешний вид резака, б - внутреннее устройство; I - ствол, II - наконечник; 1 - кислородный ниппель, 2 - ниппель горючего газа, 3- рукоятка, 4- кислородная трубка, 5 - трубка горючего газа, 6 - регулировочный вентиль горючего газа, 7 - корпус, 8 - инжектор, 9, 11 - накидные гайки, 10 - смесительная камера, 12 - шаровой ниппель, 13 - головка резака, 14 - внутренний мундштук, 15 - наружный мундштук, 16 - трубка режущего кислорода, 17 - трубка горючей смеси, 18 - шпиндель, 19 - вентиль режущего кислорода, 20 - соединительная трубка, 21 - регулировочный вентиль подозревающего кислорода; А - канал инжектора, Б - зазор между торцом инжектора и конусом смесительной камеры, В - ацетиленовая полость, Г - канал горючей смеси, Д - канал режущего кислорода



Рис. 100. Инжекторные резаки РУ-1-66, РУЗ-70 с узлом инжекции, расположенным в головке резака:

а - внешний вид резака РУЗ-70, б - внутреннее устройство; 1-наружный мундштук, 2 -внутренний мундштук, 3 - головка резака, 4 - инжектор, 5 - заглушка, 6 - трубка подогревающего кислорода, 7 - вентиль режущего кислорода, 8 - соединительная трубка, 9 - корпус, 10 - вентиль подогревающего кислорода, 11 - рукоятка, 12 - кислородная трубка, 13 - кислородный ниппель, 14 - ниппель горючего газа, 15 - вентиль горючего газа; А - канал инжектора, Б - зазор между инжектором и стенками канала смешения, В - канал камеры смешения, Г - карман

Резаки «Факел», «Пламя», «Маяк-1» и РУА-70 - это универсальные резаки, работающие на ацетилене; они предназначены для ручной разделительной резки низкоуглеродистой стали толщиной до 300 мм. Резаки «Пламя» менее экономичны, чем «Факел» и РУА-70, так как у них несколько больший расход кислорода, особенно при резке стали толщиной более 100 мм. Основные параметры резаков «Факел» и РУА-70 приведены в табл. 49.

49. Основные параметры резаков «Факел» и РУА-70

Габаритные размеры резака «Факел» 535х72х159, масса 1,05 кг.

14. ТЕХНИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ

Металл при резке нагревают пламенем, которое образуется при сгорании какого-либо горючего газа в кислороде. Кислород, сжигающий нагретый металл, называют режущим. В процессе резки струю режущего кислорода подают к месту реза отдельно от кислорода, идущего на образование горючей смеси для подогрева металла. Процесс сгорания разрезаемого металла распространяется на всю толщину, образующиеся окислы выдуваются из места реза струёй режущего кислорода.

Металл, подвергаемый резке кислородом, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Температура горения металла должна быть ниже температуры его плавления, т.е. металл должен гореть в твердом состоянии. В противном случае расплавленный металл трудно удалять из полости реза.

2. Температура плавления образующихся при резке оксидов должна быть ниже температуры плавления самого металла. В этом случае оксиды легко выдуваются из полости реза.

3. Тепловой эффект образования оксидов должен быть высоким.

Для кислородной резки пригодны горючие газы и пары горючих жидкостей, дающие температуру пламени при сгорании в смеси с кислородом не менее 1800°С. Особенно важную роль при резке имеет чистота кислорода. Для резки необходимо применять кислород с чистотой 98,5 - 99,5 %. С понижением чистоты кислорода очень сильно снижается производительность резки и увеличивается расход кислорода. Так при снижении чистоты с 99,5 до 97,5 % (т.е. на 2 %) - производительность снижается на 31 %, а расход кислорода увеличивается на 68,1 %.

Резка может осуществляться вручную или машинным способом, выполняемым на полуавтоматах и автоматах. Схема процесса разделительной газокислородной резки представлена на рис. 1

Рис. 1 Схема процесса газокислородной резки:

1 - режущий мундштук; 2- режущий кислород; 3- разрезаемый металл; 4 - подогревательный мундштук; 5 - подогревательное пламя; 6 - шлаки

Смесь кислорода с горючим газом выходит из подогревательного мундштука резака и сгорает, образуя подогревательное пламя. Этим пламенем металл нагревается до температуры начала его горения. После этого по осевому каналу режущего мундштука подается струя режущего кислорода. Кислород попадает на нагретый металл и зажигает его. При его горении выделяется значительное количество теплоты, которое совместно с теплотой, выделяемой подогревательным пламенем, передается нижележащим слоям металла, которые также сгорают. Образующиеся при этом шлаки (оксиды железа и т.д.) выдуваются струей режущего кислорода из зазора между кромками реза.

При резке стали основное количество теплоты (70 ... 95 %) образуется при окислении металла. Этим условиям удовлетворяют низкоуглеродистые и низколегированные стали, титановые сплавы. Чугун не режется кислородом вследствие низкой температуры плавления и высокой температуры горения; медь - из-за высокой температуры плавления и малой теплоты сгорания; алюминий - из-за высокой тугоплавкости образующихся оксидов. Высоколегированные стали (хромистые, хромоникелевые и т.д.) не режутся ввиду образования тугоплавких, вязких шлаков.

Поверхность разрезаемого металла должна быть очищена от ржавчины и других загрязнений. Металл устанавливается в положение, лучше всего в нижнее, но так, чтобы был свободный выход режущей струи с обратной стороны. Операция резки начинается с предварительного подогрева в месте реза при температуре горения металла (1200 ... 1350 °С). Устанавливаемая мощность подогревающего пламени зависит от рода горючего газа, толщины и состава разрезаемого металла.

Начинают резку обычно с кромки металла. При толщинах до 80 ... 100 мм можно прорезать отверстие в любом месте листа. Ядро подогревающего пламени находится на расстоянии 2 ... 3 мм от поверхности металла. Когда температура подогреваемого металла достигнет необходимой величины, пускают струю режущего кислорода. Чем выше чистота режущего кислорода, тем выше качество и производительность резки. По мере углубления режущей струи в толщу реза уменьшается скорость и мощность струи режущего кислорода. Поэтому наблюдается ее искривление (рис. 2), для уменьшения которого дается наклон режущей струи. При резке толстого металла ширина реза увеличивается к нижней кромке из-за расширения струи режущего кислорода. На кромках с их нижней стороны остается некоторое количество шлака.

В металле, на поверхности реза, повышается содержание углерода. Причина этого в том, что при горении углерода образуется окись углерода СО, при взаимодействии которой с железом в нем и повышается содержание углерода. Возможна и диффузия углерода к кромке реза из близрасположенных участков металла.

Если производится последующая сварка для предупреждения повышения углерода в металле шва (образование закаленных структур), следует производить механическую обработку или зачистку поверхности реза. В процессе реза происходит термообработка металла кромок реза, соответствующая закалке. Ширина зоны термического влияния (до 6 мм) зависит от химического состава и возрастает с увеличением толщины разрезаемого металла.

Низкоуглеродистая сталь закалке практически не поддается. Происходит только укрупнение зерна и появление в структуре наряду с перлитом участков сорбита. При резке сталей с повышенным содержанием углерода или легирующих примесей в структуре металла может появиться троостит и даже мартенсит. Неравномерный нагрев кромок создает напряжения в металле и деформирует его. Кромки реза несколько укорачиваются, а в прилегающем слое возникают растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Своеобразным способом является резка кислородным копьем (прожигание отверстий). Для этого используются длинные толстостенные трубки диаметром 8 ... 10 мм из низкоуглеродистой стали. До начала резки рабочий конец трубки нагревают сварочным пламенем или угольной электрической дугой до температуры воспламенения металла в кислороде. При включении режущего кислорода конец трубки воспламеняется. Затем рабочий конец трубки слегка прижимают к металлу и углубляют в него, выжигая отверстие. Образующийся шлак выдувается из отверстия наружу избыточным кислородом и образующимися газами. При значительной глубине прожигаемого отверстия изделие нужно ставить в положение, облегчающее вытекание шлаков.

Многие легированные стали плохо поддаются обычной кислородной резке. Например, все стали со значительным содержанием хрома (при резке образуется тугоплавкий окисел хрома), чугун, цветные металлы. Однако они поддаются кислородно-флюсовой резке. При этом способе в зону резки режущим кислородом вдувается порошкообразный флюс. Он состоит, главным образом, из порошка металлического железа. Сгорая в струе кислорода, порошок дает дополнительное количество тепла, а образующиеся оксиды, смешиваясь с оксидами разрезаемого металла, разжижают их. В зависимости от состава разрезаемого металла во флюс могут добавляться и другие добавки, например, кварцевый песок, порошок алюминия и др.

Газовая резка с водородно-кислородным или бензинокислородным подогревающим пламенем применяется при работах под водой. При электрокислородной резке используются стальные или графитовые трубки, через которые подается режущий кислород. Подогрев металла осуществляется сварочной дугой.

Параметры режимов резки низкоуглеродистой стали приведены в таблице:



Режимы ручной газовой резки с применением в качестве горючего газа ацетилена.

Режимы ручной газовой резки с применением в качестве горючего газа пропан-бутана.



Режимы ручной газовой резки с применением в качестве горючего газа - природного газа.

Классификация сталей по разрезаемости их кислородной резкой и технологические особенности процесса резки.



15. ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

К обслуживанию оборудования и аппаратуры, а также к выполнению работ по газопламенной обработке допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие инструктаж и сдавшие техминимум по правилам техники безопасности и пожарной безопасности.

Для обеспечения безопасности и безвредности работ при всех видах газопламенной обработки с использованием газов и жидкого горючего следует соблюдать правила, изложенные в руководящих материалах и ГОСТах.

1. Все работы, связанные с газопламенной обработкой металлов, должны производиться в защитных очках закрытого типа со стеклами марки ТС и со светофильтрами, предусмотренными ГОСТ 9497-60:

ГС-3 - при расходе ацетилена до 750 л/ч (сжиженного газа до 500 л/ч);

ГС-7 - при расходе ацетилена до 2500 л/ч (сжиженного газа до 1500 л/ч);

ГС-12 - при расходе ацетилена свыше 2500 л/ч (сжиженного газа свыше 1500 л/ч).

Вспомогательным рабочим, работающим непосредственно с газосварщиком или газорезчиком, следует пользоваться защитными очками со стеклами В-1, В-2 и В-3 (ГОСТ 9-197-60).

2. Газопламенные работы должны выполняться на расстоянии не менее 5 м от баллонов с горючими газами или с кислородом и не менее 3 м от газопроводов с этими же газами.

3. Необходимо систематически проверять, используя мыльную эмульсию, герметичность соединений газопроводов, приборов и аппаратуры. Такая проверка обязательно должна быть проведена при появлении запаха горючего газа. Применение открытого огня для проверки герметичности запрещается.

4. Для соединения шлангов между собой нельзя применять обрезки гладких трубочек, а следует пользоваться специальными двусторонними ниппелями. Шланги на ниппелях следует закреплять специальными хомутиками.

5. При зажигании сварочного пламени необходимо сначала открыть кислородный вентиль, а затем вентиль горючего газа, после чего зажечь горючую смесь.

6. При гашении пламени сначала закрывается вентиль горючего газа, а затем кислородный, так как в противном случае возможен обратный удар.

7. При сильном перегреве горелки или резака и частых хлопках следует охлаждать наконечник погружением его в сосуд с холодной водой.

8. Нужно предохранять от попадания на шланги (рукава) искр, огня, раскаленных и тяжелых предметов; нельзя допускать перегибов и загрязнений шлангов масляными и жирными веществами.

9. При работе с керосинорезом или керосиновой горелкой подходить к бачку для подкачки воздуха с зажженной горелкой или резаком запрещается.

10. При обратном ударе пламени или загорании керосина в шланге следует немедленно закрыть сначала керосиновый вентиль, а затем кислородный, и перекрыть подачу керосина на бачке.

11. Разливать керосин в бачки и хранить его нужно в хорошо проветриваемых помещениях. Надо внимательно следить за тем, чтобы на рабочую одежду не попал керосин.

12. При работе с флюсами типа БМ-1 заполнение, опорожнение и промывка флюсопитателя, а также переливание флюсующей жидкости нужно выполнять под местной вытяжной вентиляцией, в резиновом фартуке и в резиновых перчатках, которые после работы следует тщательно промыть проточной водой.

13. При работе с флюсами, содержащими фтористые соли, например при сварке алюминия, следует не допускать попадания частиц флюса на кожный покров, в дыхательные пути и т. д.

14. Сварка и резка чугуна, сплавов на медной основе, кислородно-флюсовая резка должны осуществляться при хорошей вентиляции рабочего места, в отдельных случаях работы должны выполняться в респираторах.

Предельно допустимые концентрации вредных газов, паров и пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений приведены в табл. 88.

В помещении, где производится газопламенная обработка металла, должна быть обеспечена вентиляция для удаления вредных газов, паров и пыли. Приточно-вытяжная вентиляция должна быть рассчитана на подачу 2500-3000 м3 воздуха на 1 м3 сжигаемого ацетилена. При работе в помещениях малых объемов (сосудах, цистернах, отсеках и т. д.) подача воздуха должна составлять 4000-5000 м3 на 1 м3 сжигаемого ацетилена. Местные отсосы от постоянных постов обработки мелких деталей должны удалять воздух в количестве 1700- 2500 м3/ч. Для особо тяжелых условий по загазованности и высокому тепловыделению при работе должны использоваться шланговые противогазы типа ПШ-1 (с выкидным шлангом и без подкачки воздуха) или типа ПШ-2 (со шлангом и ручной или электрической подкачкой воздуха в зону дыхания рабочего).

16. ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Окружающая среда - совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов (ст. 1 ФЗ «Об охране окружающей среды»).

Загрязнение окружающей среды - поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

То есть, загрязнение - это всё то, что находится не в том месте, не в то время, не в том количестве, какие естественны для природы, которые выводят её экосистемы из состояния равновесия и отличается от обычно наблюдаемой нормы.

Загрязнения подразделяются на:

- антропогенные;

- естественные;

- биологические;

- биотические;

- механические;

- физические;

- химические.

Загрязнение нефтью - это антропогенное (произошедшее по вине человека) и химическое (произошедшее с изменением химического состава и свойств) загрязнение окружающей среды.

В соответствии с требованиями природоохранного законодательства ОАО «АК «Транснефть» и дочерние компании разрабатывают и осуществляют комплекс мероприятий по снижению сбросов, выбрасов загрязняющих веществ окружающую среду, образования отходов, предусмотренных Программой охраны окружающей среды, программами обеспечения экологической безопасности и разрешительной документацией на осуществление деятельности (лицензиями и разрешениями).

17. ОСОБЕННОСТИ НЕФТИ КАК ЗАГРЯЗНЯЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА

В настоящее время большинство объектов магистральных нефтепроводов характеризуются большой протяжённостью, высокой пропускной способностью, но эксплуатируются свыше 25 лет и являются потенциально опасными для окружающей среды. Экологическая опасность предприятий трубопроводного транспорта заключается в следующих свойствах перекачиваемых продуктов, как:

- легкая воспламеняемость, низкие температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенениями, т. е. пожароопасные свойства;

- способность накапливать электрические разряды;

- образование пирофорных соединений, способных самовоспламеняться при взаимодействии с кислородом воздуха;

- выделение токсичных, пожара и взрывоопасных углеводородных газов, которые в 3-4 раза тяжелее воздуха и накапливаются в низинах (котлованах, колодцах, приямках, оврагах и т.п.) и удерживаются там продолжительное время.