Syreförskjutning av metaller: 5 Processer

Denna artikel lyfter fram de fem största processerna för syreförskjutning av metaller. Processerna är: 1. Oxy-Bränsle Gasskärning 2. Metallpulverskärning 3. Kemisk Fluxskärning 4. Oxygen-Lance Skärning 5. Syre Arc Skärning.

Process # 1. Oxy-Bränsle Gasskärning :

Detta är den vanligaste termiska skärningsprocessen som används för lågkolv och plåt av låglegerat stål och kallas ofta "flamskärning" eller "gasskärning". Det kan användas för att skära stål upp till 2 m tjockt.

Oxy-bränslegasprocessen innefattar föruppvärmning av en liten zon, från vilken skärningen skall startas, till materialets tändningstemperatur. Komprimerat syre görs sedan för att påverka den heta metallen vilket resulterar i mycket hög oxidationsgrad som ofta åtföljs av värmeutveckling på grund av reaktionens exoterma natur.

Den använda bränslegasen är i allmänhet acetylen, men propan, LPG (flytande petroleumgas), naturgas eller metylacetylenpropadien stabiliserad (MAPP eller MPS) kan också användas beroende på tillgänglighet och kostnadsöverväganden.

Brännaren som används för oxi-acetylenskärning visas i figur 19.2. Den har en blandningskammare för syre och acetylen som i en svetsbrännare. Men efter blandning strömmar gasblandningen ut ur ficklarmunstycket genom ett antal små hål placerade i en cirkel runt det centrala hålet genom vilket en ström av högt tryck rent syre kan göras för att strömma genom att trycka på en spak på brännhandtaget. Diametern hos dessa hål varierar och ökar med ökad tjocklek av materialet som ska skäras.

När det material som ska skäras höjs till sin slagtemperatur * (vilket är 870 till 950 ° C för låga kolstål, beroende på kolhalten) och högtryckssyrat syre reagerar med det, är följande reaktioner möjliga i fallet med järnmaterial.

1. Fe + 0 → FeO + värme (267 KJ) .................. (19, 1)

2. 2Fe + 1.5O2 → Fe2O3 + värme (825 KJ) ............ (19, 2)

3. 3Fe + 2O2 → Fe3O4 + värme (1120KJ) ............ (19.3)

Huvudsakligen tredje reaktionen sker med enorm värmeavgivning. Andra reaktionen sker i viss utsträckning endast vid skärning av tungare sektioner. Teoretiskt kommer 0, 29 m ³ O2 att oxidera 1 kg järn för att bilda Fe3O4. I praktiken är syreförbrukningen dock högre än detta värde för plåttjocklek mindre än 40 mm och den är lägre för högre tjocklekar, vilket är minst för tjockleksområdet 100-125 mm.

Den exoterma reaktionen mellan O2 och Fe ger tillräckligt med värme för att fortsätta värmeklippningsprocessen utan att använda förvärmningsflamma med endast syre, men i praktiken är det inte möjligt eftersom mycket värme används vid förbränning av smuts, färg, skala mm ., och en avsevärd mängd förloras av strålning. Dessutom orsakar höghastighetsstrålen som påverkar ytan kylningsverkan som måste kompenseras genom föruppvärmning.

Den kemiska reaktionen mellan järn och syre är sällan fullständig och analysen av det utblåsta materialet (eller slaggen) indikerar ofta att 30% till 40% av slaggen är föräldermaterial.

Stål och några andra metaller kan skäras av oxy-acetylen flamma om de uppfyller följande villkor:

(1) Smältpunkten för metallen bör vara högre än dess tändningstemperatur.

(2) Metalloxiden som bildas genom reaktion med syre bör ha lägre smältpunkt än smältpunkten för modermaterialet och det bör vara flytande i smält tillstånd för att enkelt spränga ut.

(3) Den ska ha låg värmeledningsförmåga så att materialet snabbt kan höjas till sin slagtemperatur.

När ett arbetsstycke skärs med en termisk skärningsprocess, kallas bredden på skäret som KERF, vilket vid oxygasbränslegasprocessen är en funktion av syrehålstorleken i munstyckspetsen, syrgasflödeshastigheten och förvärmningsgaserna, hastigheten hos skärning och beskaffenheten av det material som skärs.

Klipphastighet och drag:

För varje metall finns det en bästa skärhastighet. Tjockleken och naturen hos det material som ska klippas bestämmer spetsstorleken. De bästa resultaten erhålls när skärande syretryck, skärhastighet, spetsstorlek och förvärmningsflammor är så kontrollerade att de uppnår en smal och ren skärning. Felaktigt skurna skador ger grova och oregelbundna kanter med slagg som klibbar längst ner på plattorna. En indikation på korrekt skärhastighet är "draglinjerna" orsakade av flödet av skärande syre över den närmaste smälta metallen som bildar sidorna av skäret.

Med drag menas mängden med vilken botten av skäret ligger bakom toppen. Det uttrycks vanligtvis i procent av arbetsstyckets tjocklek; sålunda om en 10 mm tjock platta skärs och mängden fördröjning är 5 mm, skulle den uppgå till 50% (5/10 x 100 = 50%) dra som indikerar i fig 19.3.

Effekterna av skärhastigheten på drag, skarv och snittets natur visas i figur 19.4. Fina, ganska vertikala draglinjer indikerar en bra kvalitetsklippning; Detta uppnås vanligtvis när gnistströmmen under arbetsstycket har en 15 ° ledningsvinkel. Om arbetsstycket av någon anledning förblir oskilt, kallas skärningen som en "icke-droppe-skärning".

Högre än optimal hastighet utan motsvarande ökning av syreflödet resulterar i större drag. Omvänd drag kan erhållas när skärande syreflödet är för högt och skärhastigheten är för låg. Lag som orsakats av fel vinkel anses inte vara dra.

Låg skärhastighet resulterar ofta i oregelbundenheter i skarven, med överdriven metall som oxideras och orsakar bredare skarv. De övre kanterna är också orimligt avrundade. I allmänhet på materialtjocklek på 50 mm kan skärbredden bibehållas inom ± 0, 4 mm.

Syre som används för oxidering av gasbränslen ska ha en renhet på minst 99, 5%. Hastigheten för skärande syrgasstråle är också en kritisk faktor för att uppnå önskad kvalitetskvalitet, eftersom lägre hastighet kanske inte är tillräcklig för att avlägsna slagg, smält metall och gasformiga produkter som CO, CO ₂, SO ₂ bildad genom reaktion av syre med kol och svavel i stål, medan högre strålhastighet kan orsaka grovhet på klippkanterna. Förvärmningsflamma för oxi-acetylenklippning ska vara neutral eller oxiderande.

Riktlinjerna för optimala inställningar för att klippa rengjort mjukt stål kan uppnås genom att följa schemat som anges i tabell 19.1:

Ovanstående schema är för skärning med vanliga tips; hastigheterna kan emellertid ökas med 25 till 50% med hjälp av höghastighetstips.

Maskinskärning:

Manuell flammeskärning används i stor utsträckning och ger helt tillfredsställande skärningar för ett brett spektrum av skärningsoperationer. Maskinskärning är dock att hitta ökad användning eftersom det ger högre hastighet, noggrannhet och ekonomi. Flamskärningsmaskinerna kan användas för raklinjeskärning, cirkelskärning, plåtkantsberedning och formskärning.

Raklinje och cirkelskärning:

De flesta av de tillgängliga maskinerna är gjorda för att arbeta både på rak linje eller i en cirkelväg. Olika cirkelformade cirklar kan skäras genom lämplig inställning av en radiusstångsfästning.

Plate-edge förberedelse:

Tjocka plattor kräver vanligtvis avfasning eller krossning för att förbereda dem för svetsning. Avskärningar kan enkelt göras genom att ställa in brännaren i önskad vinkel. För J- eller U-kantförberedelse används emellertid en gipsspets som vanligtvis är utformad för att leverera en stor syrgasstråle vid låg hastighet. Brännaren för hålning hålls vid ca 20 ° till horisonten när skärningen startas och sänks sedan till ca 5 ° när operationen fortskrider.

Form Culling:

Formskärning innebär skärning av kontur av vilken som helst önskad form. Detta kan uppnås genom manuell drift men finishen är inte generellt tillfredsställande förutom mycket grovt arbete. Flamskärningsmaskiner kan göra jobbet med utmärkta resultat genom att använda fotoelektriska eller elektroniska spårämnen eller till och med mallar.

I de senaste enheterna används även NC (numerisk styrning) och CNC (dator numerisk styrning) system. Spårningsanordningar ger medel för att följa ritningsplanen för att driva ett hjul som i sin tur ger dragningen för att driva dragmaskinen.

De modernaste multifunktionsmaskinerna styrs av NC-utrustning som kan ha datorstyrning. Oavsett vilken typ av spårkontroll är skärningen väsentligen densamma. En av framstegen i automatisk flamsklippning är skärning av skarv kanter på konturformade delar. Dimensionstoleranser uppnådda av modern flamskärmaskin med spårkontroll kan vara så nära + 0 och -0, 8 mm.

Mallspårare är inte lika lätta att använda som elektroniska eller fotocellspårare men används fortfarande mycket i de flesta tillverkningsaffärer. Mallar kan tillverkas av bandmaterial eller fast metall, eller till och med trä beroende på spårhuvudet som är tillgängligt och noggrannheten för skärning som önskas.

Metallurgiska effekter av flamskärning:

Flamskärning av mjukt stål har väldigt lite fysikalisk eller metallurgisk effekt på metallen intill skäret men hårdheten hos kanterna ökar med ökningen av innehållet i kol eller legering. De härdade kanterna är svåra att maskinera och kan spricka under belastning. För att undvika sådant tillstånd är det bäst att förvärma metallen. Medium kolstål bör värmas till 175-350 ° C medan HSLA (stål med hög hållfasthet och låg legering) kräver förvärmningstemperatur på 315 till 480 ° C.

Tunga plattor försvinner inte vid flamsklippning, men plåtar med en tjocklek av minst 15 mm kan behöva klämmas eller hur mycket skärning som görs vid någon tidpunkt begränsas.

Användningsområden:

Oxybränslegaskskärning används i stor utsträckning för skärning av stål och gjutjärn av allmänt ändamål. Strukturella former, rör, stänger och liknande andra material kan skäras till önskade längder för konstruktion eller skärning i skrot- och bergverksoperationer. Processen kan användas i stålverk eller gjuteri för skärning av grindar, hissar, strumpor och gjutgods. Den kan användas för kraftig skärning upp till 2 m tjocka komponenter och för stapelskärning.

Stackskärning:

Betydande tid kan sparas genom att skära ett antal identiska delar, eller plattor och lakan, genom att stapla dem och skära dem alla i ett pass. Plattorna borde vara klämda fast eftersom eventuella luftgap kan leda till att skäret försvinner.

Den totala tjockleken på stapeln bestäms av den skärande tolerans som krävs och tjockleken på överdelen. Med en skärtolerans på 0, 8 mm bör stackhöjden vara begränsad till 50 mm; med en tolerans på 1, 6 mm kan stapeltjockleken vara 100 mm. Den maximala höjden på stapeln för gasskärning med oxi-bränsle är vanligtvis begränsad till 150 mm.

Om en hög förvärmningsflamma används för en tjock stack eller när stapelsnittmaterial som är mindre än 5 mm tjockt, används en 6 mm tjock "waster plate" på toppen. Det skyddar inte bara topplattan utan säkerställer också bättre start, en skarpare kant på lopproduktionsstycket och ingen böjning av övre arket.

Flamskärande gjutjärn och rostfritt stål:

Järn- och lågkolstål kan lätt flamma skärs, men gjutjärn klipps inte lätt av denna process eftersom dess Kindling-temperatur ligger över dess smältpunkt. Det har också en eldfast silikatoxid som ger ett slaggtäcke. Krom-nickel rostfritt stål kan inte heller skäras av den normala flamskärningstekniken på grund av den eldfasta kromoxiden som bildas på ytan. På liknande sätt bildar icke-järnmetaller, såsom koppar och aluminium, eldfasta oxidskikt som förbjuder normal flamskärning. Situationen är ytterligare accentuerad på grund av deras höga värmeledningar.

Gjutjärn kan dock klippas, förutsatt att det kan förvärmas i önskad grad, och skärningstrycket ökar med 25% för gjutjärn över det som krävs för att skära motsvarande tjocklek av stålprofiler. Skärningen av gjutjärn uppnås vanligtvis genom användning av en oscillerande rörelse till skärbrännaren såsom visas i fig 19.5; rörelsen varierar med arbetstjockleken. Torchoscillation hjälper syrgasstrålen att blåsa ut slagg och smält metall i skarven.

Laken är normalt bred och grov. Förvärmningsflaman som används för skärning av gjutjärn är också av reducerande typ med ångaren sträckt till den bortre sidan av gjutjärnssektionen. Utstrålar bränslegasen bidrar till att upprätthålla förvärmning i spåret när det brinner. Gjutjärn kan också klippas genom att använda plåsterplåten som för stapelsnitt.

För skärning av rostfritt stål och andra värmebeständiga stål är facklörelsen framåt, sedan bakåt något, sedan framåt och sedan bakåt något som visas i figur 19.6. Denna teknik kan användas för skärning av rostfritt stål upp till 200 mm tjocklek med en standard skärbrännare, förutsatt att hela tjockleken på startkanten förvärms till en ljus röd färg innan skärningen fortskrider.

Rostfria stål och andra oxideringsbeständiga stål kan också flamskuttas genom att klämma en plåtplatta av lågkol stål av lämplig tjocklek på toppen av materialet som ska skäras. Skärningen startas i kolstålplattan och värmen som alstras genom oxidationen ger ytterligare värme för att upprätthålla oxidationsreaktionen för skärning av rostfritt stål. Järnoxiden från förpackningsplattan hjälper också till att tvätta bort de eldfasta oxiderna från det rostfria stålet. Emellertid resulterar denna metod för flammläggning av rostfritt stål i extra kostnad på waster-plattan, md setup-tid, med låg skärhastighet och dålig kvalitet på skäret.

En annan metod att klippa rostfritt stål är att lägga en stålsvetsstång eller stålremsa längs snittet. Värmen som utvecklas genom reaktionen av syre med stålstången eller remsan är i allmänhet tillräcklig för att smälta en slits in i rostfritt stålplattan. Skärningen av rostfritt stål är emellertid mer av en smältning än en oxidationsprocess.

Bortsett från oscillation och waster plattan tekniker kan gjutjärn och rostfritt stål också skäras av pulver skärning och fluss skärning metoder.

Process # 2. Metallpulverskärning:

Det är en syreförskjutningsprocess där metallpulver (järn eller aluminium) används för att underlätta skärning. Denna process används för skärning av gjutjärn, krom-nickel, rostfritt stål och vissa höglegerade stål. Arbetsprincipen för pulverförskjutning är en liten injektion av metallpulver i syrgasflödet långt innan det träffar metallen som ska skäras.

Pulvret upphettas genom sin passage genom oxy-acetylen förvärmningsflammorna och igniterar nästan omedelbart i strömmen av skärande syre. Pulvret från en pulverdispenser transporteras till skärbränslens läpp genom användning av komprimerad luft eller kväve såsom visas i fig 19.7.

Det antända pulvret ger mycket högre temperatur i strömmen och det hjälper till att kasta metallen på nästan samma sätt som skärning av lågkolstål. Förvärmning är inte nödvändigt för pulverförskjutning.

Skärhastigheter och skärande syretryck liknar dem för skärning av mjukt stål; dock för att skärmaterialet tjockare än 25 mm borde en munstycke en storlek större användas. Flödeshastigheter hålls vanligen vid 010 till 0-25 kg järnpulver per minut av skärning. Pulverskärning lämnar vanligtvis en skala på skärytan som lätt kan avlägsnas vid kylning.

Metallpulverutdragning introducerades ursprungligen för skärning av rostfritt stål men har framgångsrikt använts för skärning av legerat stål, gjutjärn, brons, nickel, aluminium, stålkvarnar, vissa eldfasta material och betong. Samma grundprocess kan också användas för gnuggning och scarfing till conditionar, blommor och plåtar i stålverk.

Pulverskärning är också användbar för stapelskärning, varvid föruppvärmning från en vanlig flamskullning inte är tillräcklig på den nedre plattan antingen beroende på stort djup eller separation mellan plattorna. Med hjälp av metallpulvret och dess reaktion i syret fullbordas skäret även över separationer. Pulverskärning ger emellertid ganska lite rök som måste avlägsnas för att skydda operatörens hälsa och för att undvika störningar i andra verksamheter i området.

Process # 3. Kemisk Fluxskärning:

Vid syreförskjutningsprocessen injiceras ett kemiskt flöde i syrgasströmmen, eftersom metallpulver injiceras i pulverskärning. Flödet kombinerar med eldfasta oxider och gör dem till en löslig förening. De kemiska flödena kan vara salter av natrium, såsom natriumkarbonat.

Fig. 19.8 visar en av de inställningar som används för flussskärning. I denna metod suger syre flöde från en behållare med en hastighet av 0 06 till 0-30 kg per minut och strömmar genom strålet av skärande syre.

Förfarandet för flussskärning innebär upphettning av den initierande punkten för skärning till vit värme, skär-syreventilen öppnas sedan halvvred och flödet i syrgasströmmen ledes till ficklampan. När den smälta metallen når arbetsstyckets nedre kant, är facklan gjord för att röra sig längs snittlinjen och skärsugventilen är helt öppen. För att stoppa operationen är den första flödesventilen stängd och sedan stängs de andra fackventilerna av.

Det är lämpligt att placera flödesförsörjningen 10 m från skärområdet. Det bör också säkerställas att de slangar genom vilka flux-syreblandningen passeras inte har några skarpa böjningar, annars kan det leda till igensättning.

Denna process kan användas för skärning av gjutjärn, krom-stål, krom-nickelstål, koppar, mässing och brons. Det rekommenderas dock inte för skärning av stål av hög nickeltyp, till exempel 15 Cr 35Ni-stål. Kemisk flusskärning förlorar emellertid sakta sin industriella betydelse på grund av utvecklingen av effektivare metoder som plasmaskärning.

Process # 4. Oxygen-Lance Cutting:

Oxygen lancing är en syrgasskärningsprocess som används för att skära metaller med syre som matas genom ett förbrukningsrör. Oxygenlansen är gjord av en längd med svart diameter (3-13 mm) svart järnrör. Lansröret är anslutet till fittings och bröstvårtor och en snabbkopplad syreventilomkopplare, som visas i figur 19.9A. Syre matas genom en slang till röret med reglerat tryck på 550 till 620 kPa. Lansröret brinner upp i skärprocessen.

Huvudskillnaden mellan syrgaslansskärningen och vanlig flamsklippningsbrännare är att i det förra finns ingen förvärmningsflamma för att hålla materialet vid smältpunkten. Den huvudsakliga användningen av syrgaslansen är för skärning av hetmetall, särskilt i de kontinuerliga gjutstålkvarnen.

Stålet är tillräckligt varmt så att syreströmmen orsakar snabb oxidation och skärning uppstår. För andra tillämpningar, t.ex. vid tunga eller djupa skärningar, används standardlampa för att orsaka föruppvärmning följt av syrgaslans för skärning. Änden på syrgaslansen blir het och smälter för att ge järn för reaktionen för att bibehålla hög temperatur för skärning.

Andra metoder som används för att uppnå den värme som behövs för att börja klippningen inkluderar att placera ett rött hett stålstycke på starlingspunkten eller värma änden av lansen tills den är röd het När det kommer i kontakt med metallen som ska skäras och syret slås på bränner rörets ände briljant med tillräckligt med värme för att starta skärningen.

En skridskyddssköld krävs ofta för att skydda operatören från stänkslaggen. Detta kan bekvämt göras genom att använda en hink i upp och ner position med 13 mm hål i sin botten genom vilken syrgaslansen passerar till önskad plats, såsom visas i fig 19.9B.

Syre-lansen är ett utmärkt verktyg för piercinghål i stål, till exempel kan ett hål av 65 mm diameter klippas i ett 300 mm tjockt stål inom två minuter. Denna process används också för att tappa spräng- och öppna ugnsugnar. Den vanliga apparaten tillåter att material upp till ca 2 m tjockt skärs.

Ibland görs pulverskärning med lansskärutrustning. Järn- och aluminiumpulver blandas med syre i lanshandtaget och de bränns i rörets ände. Pulverskärningslans kan användas med framgång för skärning av aluminiumprofiler, brons, både stål och gjutjärn med inslag, eldstensar och betong.

Några proprietära syrgaslansrör finns också. Sådana rör är försedda med snittade trådstycken av aluminium och stål eller magnesium och stål. Aluminium och magnesium oxiderar lätt och ökar reaktionstemperaturen. Rörets stål och ståltrådar tenderar att sakta ner reaktionen medan aluminium- och magnesiumtrådar tenderar att påskynda reaktionen. Denna typ av lans kan brinna i luft, under vatten eller i icke brännbara material. Den enorma mängden värme som produceras kan skära nästan allt inklusive betong, tegelstenar och andra icke-metaller.

Process # 5. Oxygen Arc Cutting:

Vid denna process matas den nödvändiga värmen för förvärmning eller smältning av materialet av en båge mellan en förbrukningsbar rörelektrod och basmetallen. Den använda elektroden har ett flussskydd och är ansluten till antingen en DC eller en AC-strömförsörjningsenhet, även om DC med elektrod-negativ är generellt föredragen eftersom den tenderar att ge snabbare skärhastigheter.

Processen kräver specialiserad kombinationselektroderhållare och syrgasbrännare som visas i figur 19.10. Syre matas till hålet i elektroden vid ett tryck av ca 5 bar (500 kPa). De populära elektrodstorlekarna är 5 mm och 7 mm diametrar med en central håldiameter av 1-6 mm respektive 2-5 mm och en längd av 450 mm. Den elektriska strömmen sträcker sig mellan 150 A och 250 A, och ett syretryck av 20 KPa till 500 KPa kan användas.

När skäret har initierats flyttas elektroden längs plattan med flänsbeläggets utsida i kontakt med ytan, vilket gör en vinkel på 80 ° till 85 ° med den. Elektrodens ände brinner i form av en kon, vilket håller ljusbågens längd konstant. Flussbeläggningen hjälper till med skärande stål som innehåller legeringselement som annars kan retardera eller stoppa den exoterma reaktionen mellan järn och syre.

I en variant av processen används vanlig svetselektrod för skärning med syre som levereras till skarven med hjälp av en skärfästning som liknar en gassvetsbrännare men med endast syreförsörjning genom den.

Syrebågskärningen kan användas för skärning av högkromt nickel rostfritt stål, höglegerade stål, aluminium, koppar, mässing, brons, moncl, inkonel, nickel och gjutjärn. Klippets kvalitet är sämre än vad som uppnåtts vid oxikbränslegaskning av mjukt stål. Material med tjocklek 5 mm till 100 mm kan skäras med denna process; skärhastigheten beror på materialets tjocklek. Tabell 19.2 ger data för syrebågskärning av mjukt stål.

För skärning av oxidationsresistenta metaller ger ljusbågen värmen för smältning och syrgasstrålen används för att blåsa den smälta metallen ur spåret. Detta leder till avsevärd minskning av skärhastigheten. Exempelvis skulle skärhastigheten för 25 mm tjock rostfritt stål eller Monel-metallplatta vara ca 4 m / h, medan för brons av samma tjocklek skulle det vara 5 m / h, jämfört med 30 m / h för lågkolstål.

Denna process kan framgångsrikt användas för att skära under vattnet.