Газовое плазменное резание (Oxy-Fuel Cutting): процесс, преимущества и недостатки

Что такое газовое плазменное резание (Oxy-fuel cutting)?

Газосварка и газовое резание — процессы, использующие горючие газы (или жидкое топливо, такое как бензин) и кислород для сварки или резки металлов. Французские инженеры Эдмон Фуш и Шарль Пикар первыми разработали кислородно-ацетиленовую сварку в 1903 году.

Используется чистый кислород вместо воздуха для повышения температуры пламени, чтобы обеспечить локальное плавление материала заготовки (например, стали) в обычной среде.

Обычное пламя пропан/воздух горит при ~1980 °C, пропан/кислород — ~2253 °C, оксиводородное — ~2800 °C, а ацетилен/кислород — ~3500 °C.

Перед резкой резак должен предварительно нагреть сталь до температуры возгорания в начальной точке. При температуре около 960 °C (в зависимости от сплава) сталь теряет защитные свойства против кислорода, но остается твердой.

Чистый кислород затем направляется через сопло в нагретую зону. Этот тонкий высоконапорный поток кислорода превращает предварительно нагретую и незащищенную сталь в окисленный жидкий металл экзотермической реакцией.

Этот шлак имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, поэтому кислородный поток может выдуть жидкий шлак из полости, не затрагивая неокисленный твердой сталь. Эта экзотермическая реакция непрерывна и создает разрез при движении резака. Чтобы поддерживать реакцию, резак держит сталь нагретой во время резки.

Только те металлы, оксиды которых имеют более низкую температуру плавления, чем сам базовый металл, можно резать этим процессом. Иначе, как только металл окисляется, он прекращает окисление, образуя защитную корку. Только низкоуглеродистая сталь и некоторые низколегированные стали соответствуют условиям и могут быть эффективно разрезаны газовым плазменным процессом.

Как работает процесс газоплазменного резания?

Газоплазменное резание — это химическая реакция между чистым кислородом и сталью для образования оксида железа. Его можно описать как быстрый, контролируемый ржавеющий процесс. Пламя предварительного нагрева используется для нагрева поверхности или края стали примерно до 980 °C (ярко-красный цвет).

Чистый кислород затем направляется в нагретую зону тонким высоконапорным потоком. По мере окисления и выдувания стали для образования полости, предварительный нагрев и кислородный поток движутся с постоянной скоростью, образуя непрерывный разрез.

Только металлы, оксиды которых имеют более низкую температуру плавления, чем базовый металл, можно резать этим процессом. Иначе металл прекращает окисление, образуя защитную корку. Только низкоуглеродистая сталь и некоторые низколегированные стали соответствуют этому условию.

Основы процесса:

Шаг 1: Предварительный нагрев

Прежде чем начать резать сталь, ее нужно нагреть до температуры самовоспламенения, около 980 °C. При этой температуре сталь легко реагирует с кислородом. Тепло обеспечивают пламена предварительного нагрева от газового резака. Внутри резака горючий газ смешивается с кислородом для создания легковоспламеняемой смеси.

Сопло имеет множество отверстий, расположенных по кругу, для фокусировки горючей смеси в множестве маленьких струй. Горючая смесь возгорается вне сопла, и пламена предварительного нагрева образуются прямо за наконечником сопла.

Часто используемые горючие газы: ацетилен, пропан, природный газ и несколько смешанных газов. Регулируя соотношение топливо/кислород, пламя настраивают для получения максимально возможной температуры в минимально возможном пламени. Это концентрирует тепло в малой области на поверхности стальной пластины.

Шаг 2: Пробивание (Piercing)

Как только поверхность или край пластины достигли температуры самовоспламенения, включается струя чистого кислорода для начала пробивания через пластину. Это называется «режущим кислородом», струя образуется единственным отверстием в центре сопла.

Когда режущий кислородный поток ударяет в предварительно нагретую сталь, начинается процесс быстрого окисления. Это и есть настоящий момент. Процесс окисления называется экзотермической реакцией — он выделяет больше тепла, чем требуется для запуска.

Окисленная сталь принимает форму расплавленного шлака, и расплавленный шлак должен уйти, чтобы кислородный поток мог «пробить» пластину насквозь. В зависимости от толщины пластины это может занять от доли секунды до нескольких секунд.

В это время режущий кислородный поток проникает глубже и глубже в пластину, и расплавленный шлак выдувается из пробивного отверстия. Это может привести к массивному гейзеру расплавленной стали или, если сделано правильно, к небольшой луже шлака поверх пластины.

Шаг 3: Резание

Как только режущий кислородный поток прошел сквозь пластину, резак может начать двигаться с постоянной скоростью, образуя непрерывный разрез. Расплавленный шлак, сформированный на этом этапе, выдувается через дно пластины.

Тепло, выделяемое химической реакцией между кислородом и сталью, предварительно нагревает пластину непосредственно перед разрезом, но не достаточно надежно для резки без пламени предварительного нагрева. Поэтому пламена предварительного нагрева остаются включенными на протяжении всего разреза, добавляя тепло по мере движения резака.

Это основы. Но есть много других факторов, влияющих на качество края реза: скорость, давление режущего кислорода, регулировка пламени предварительного нагрева, высота резки, температура пластины и т.д.

Характеристики газоплазменного резания по сравнению с плазменным

• Материал. Газоплазменное резание используется для резки низкоуглеродистой стали. Только металлы, оксиды которых имеют более низкую точку плавления, чем базовый металл, можно резать этим процессом. Иначе металл прекращает окисление, образуя защитную корку. Только низкоуглеродистая сталь и некоторые низколегированные стали соответствуют условиям.
• Толщина стенки. Газоплазменное резание позволяет резать более толстые стенки, чем плазменное. Плазма не может резать толстые стенки из-за огромных объемов энергии, необходимых для достижения подобных толщин.
• Угол резки. Газоплазменное резание позволяет резать более крутые углы до 70° (по сравнению с 45° у плазмы) благодаря концентрации кислородной пучка.
• Прямые резы. Плазменный пучок имеет тенденцию к отклонению при слишком крутом угле. Однако это отклонение можно компенсировать автоматизацией.
• Затраты. Газоплазменное резание — более экономичное решение, чем плазменное. Начальные инвестиции, расходники и эксплуатационные расходы ниже. Однако скорости обработки обычно ниже при толщине стенки ниже 20 мм (учитывая 3D профилирование в тяжелой сталелитейной промышленности).

Преимущества и недостатки газоплазменного резания

В приложениях газоплазменного резания используются горючий газ и кислород для генерации режущего пламени. Messer Cutting Systems поставляет газы, включая ацетилен, MAPP, пропан, природный газ, и информацию по вашим требованиям.

Преимущества:

• Качество прямого края и высокая точность.
• Резка фасонных полос.
• Пробивание низкоуглеродистой стали до 101 мм (4 дюйма) — 127 мм (5 дюймов).
• Резка с края и разрезка стали 254 мм (10 дюймов) — 304 мм (12 дюймов).
• С несколькими резаками производство множественных деталей, сокращая время и трудозатраты.

Недостатки:

• Не может резать нержавейку в обычных условиях.
• Меньшая скорость резки по сравнению с плазменным резанием.
• Резка тонкого материала может приводить к деформации (водянистости).
• Сложно производить отверстия меньше двух толщин стали.