Способ плазменной резки металла

Способ плазменной резки металла

Реферат

 

Использование: для плазменной резки металлов в заготовительных и ремонтных операциях при производстве и эксплуатации металлических конструкций. Сущность изобретения: в способе плазменной резки металла, предусматривающем стабилизацию плазменной дуги рабочей средой, не содержащей азота и его соединений посредством подачи ее в плазменную дугу и создание кольцевого защитного потока из водосодержащей среды, концентрично охватывающего плазменную дугу на всем протяжении от сопла до заготовки, защиту плазменной дуги осуществляют перегретым паром. Для удешевления процесса стабилизацию плазменной дуги осуществляют перегретым водяным паром. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к термической резке материалов, в частности к способам плазменной резки металлов, и может быть использовано в заготовительных и ремонтных операциях при производстве и эксплуатации машин и металлических конструкций.

Известны способы резки металлов плазменными дугами, в которых в качестве рабочих сред используются различные газы: аргон, азот и их смеси с водородом, гелий, кислород, сжатый воздух и его смеси, углекислый газ, а также вода, аммиак и др. Наибольшее распространение получили наиболее экономические и доступные воздушно-плазменная и азотно-плазменная резка, использование других процессов ограничено прежде всего по экономическим соображениям.

Однако, плазменную резку в азотсодержащих средах сопровождают образование в плазме токсичных окислов азота и выбросы их атмосферу, что нарушает экологические и санитарно-гигиенические требования.

Наряду с этим происходит поглощение азота расплавом металла, остающимся на кромках вырезаемых заготовок. В результате этого при последующей сварке вырезанных заготовок, в частности из имеющих преобладающее применение конструкционных сталей, возникает недопустимая аномальная пористость сварных швов [1] В целях экономической защиты столба дуги и зоны резки в случае стабилизации дуги сжатым воздухом предложено инжектировать воду в плазму [2] Известно что подача воды в зону пламени, где происходит реакция образования NO, снижает концентрацию азота в этой зоне, создает отвод теплоты на испарение воды и повышение теплосодержания образующегося пара [3] Однако содержание NO в продуктах сгорания при этом снижается не более чем на 1/5. Не больший эффект достигается и при азотно-плазменной резке тем более, что воду при этом вдувают в уже сформированный столб дуги, т.е. в его внешние области. Подача воды в катодное пространство резательного плазмотрона неприемлема, так как присутствие влаги в зоне формирующего сопла ухудшает электрическую изоляцию его стенок, вызывает появление мелких дуговых разрядов на участке катод-сопло с выплавлением и эрозией меди, провоцирующих его разрушение двойной дугой [4] т.е. в случае применения азотосодержащих рабочих сред в процессе плазменной резки металлов не удается добиться удовлетворительных результатов по снижению уровня загрязнения окружающей среды окислами азота и азотонасыщения кромок реза, а незначительное их снижение сопровождается появлением дополнительных вредностей.

Эти недостатки привели, несмотря на некоторое снижение экономичности, к использованию в качестве рабочих сред наименее дорогих из числа не содержащих азота газов, в частности кислорода. Однако заметное насыщение металла азотом и образование и выбросы его окислов наблюдаются и при резке плазмой, не содержащей азота. В этих случаях азот поступает в плазму из окружающего атмосферного воздуха путем его турбулентного массопереноса и частично термодиффузии в столб дуги.

Для уменьшения такого массопереноса используют защитный обдув режущей плазменной струи концентричным потоком не содержащего азота газа, как правило, того же, что используют для стабилизации дуги [5] Однако и в этом случае для традиционно используемых в плазменной резке не содержащих азота и/или его смесей газов не удается добиться полного отсутствия азота в кромках реза и загрязнения окружающей атмосферы его окислами, так как, не обладая достаточной текучестью, эти газы не в состоянии образовать неразрывную защитную пленку в области реза, где и происходят нежелательные реакции с воздухом содержащим азот. К тому же, поскольку такие газы дороже сжатого воздуха и азота (кислород, аргон и т.д.) организация защитного потока с их помощью сопровождается значительным понижением экономичности резки.

По технической сути и достигаемым результатам наиболее близким техническим решением к изобретению является способ резки кислородно-плазменной дугой с инжекцией воды в столб дуги и одновременной его защитой концентричным водяным колоколом. При этом около 10% воды испаряется, заполняя периферийную часть дуги, остальные 90% образуют защитную водяную оболочку дуги. Выделяющиеся в процессе резки вредные испарения и частично газы осаждаются водой и их концентрация в выбросах уменьшается примерно на 50% С другой стороны, имеющее место в данном случае повышение содержания кислорода в плазме способствует уменьшению слоя расплавленного металла на кромках, при этом на его поверхности образуется окисная шлаковая пленка, ограничивающая доступ азота (кислород снижает скорость адсорбции азота жидким железом). В результате азотонасыщение кромок уменьшается настолько, что это предотвращает появление пор в швах при последующей сварке стальных заготовок толщиной 8-10 мм и более.

Тем не менее при резке и последующей сварке стали толщиной 4-6 мм и менее пористость сварных швов остается на недопустимом уровне и с помощью описанного способа невозможно уменьшить газонасыщение кромок настолько, чтобы исключить поры при сварке. Не исключается также образование окислов азота, а на кромках реза возникает грат, увеличивающийся с ростом толщины разрезаемого металла.

Во избежание нарушения сплошности жидкого потока, защищающего столб дуги, расход воды должен быть не менее 10 л/ч, что не экономично и требует применения громоздких водосборных систем. Кроме того, формирование водяного потока, концентрично охватывающего плазменную дугу на срез сопла (снаружи плазмотрона), имеет тот недостаток, что из за радиального перераспределения статического давления в поперечном сечении дугового столба в центральной его части имеет место разряжение порядка 0,01МПа, в результате чего происходит подсос воды в катодно-сопловую (внутреннюю) полость плазмотрона. Следствием попадания воды в плазмотрон в количестве 0,1 л/мин и более является (до 50%) износ катода; свыше 0,2 л/мин ухудшаются условия зажигания плазмотрона вплоть до отказа.

Наряду с этим во всех известных случаях использования воды при плазменной резке влечет за собой недопустимую интенсивность коррозии кромок вырезаемых деталей. Причиной этого является образование на разрезаемом металле в зоне реза в результате контакта с жидкой водой или конденсирующимся паром поверхностной пленки электролита и его электрохимическое взаимодействие с металлом, усиливаемое при плазменной резке утечкой электрического тока через границу металла с агрессивной средой и вызывающее интенсивную коррозию. Для ее предупреждения необходимо добавлять в воду ингибитор, а после резки наносить на металл защитный слой грунтовки, подлежащий последующему удалению перед сваркой заготовок. Эти операции снижают экономичность и увеличивают трудоемкость резки заготовок и изготовления сварных конструкций в целом.

Целью изобретения является повышение качества реза, а также экологической безопасности и надежности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе плазменной резки металла, предусматривающем стабилизацию плазменной дуги рабочей средой, не содержащей азота и/или его соединений посредством ее подачи в плазменную дугу и создание кольцевого защитного потока из водосодержащей среды, концентрично охватывающего плазменную дугу на всем протяжении от сопла до заготовки, защиту плазменной дуги осуществляют перегретым водяным паром, а с целью удешевления процесса и стабилизацию плазменной дуги осуществляют перегретым водяным паром.

На фиг. 1 представлена схема процесса резки плазменной дугой стабилизированной кислородом и защищенной перегретым паром; на фиг. 2 схема процесса резки плазменной дугой стабилизированной и защищенной прогретым паром.

На чертеже даны следующие обозначения: 1 катод; 2 внутреннее (формирующее сопло); 3 наружное (защитное) сопло; 4 дуговая камера; 5 поток стабилизирующего кислорода; 6 поток перегретого пара; 7 режущая дуга; 8 разрезаемый металл.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, следующим образом: стандартную машину для плазменной резки листовой углеродистой стали с использованием обычного вентилируемого раскройного стола укомплектовывают обычным резательным плазмотроном, содержащим катод 1 и узел стабилизации дуги с формирующим 2 и соосным ему защитным 3 кольцевыми соплами. В дуговую камеру этого плазмотрона 4 для плазмообразования и стабилизации дуги 7 подают рабочую среду, не содержащую азота, например, кислород 5 из баллонов или от заводской магистрали с давлением и расходом до 5 м³/ч на плазмотрон и до 5 кг/см². В защитное сопло 3 подают перегретый водяной пар 6 при температуре от 120-130^оС и давлении не менее 2-3 кг/см² в количестве от 3 м³/ч, регулируя его подачу дросселирующим устройством. С этой целью резательную установку укомплектовывают парагенератором с пароперегревателем и подают в него техническую воду без ингибиторов или аналогичных средств. После подачи в плазмотрон рабочей и защитных сред возбуждают обычными методами режущую дугу и выполняют резку заготовок в соответствии с технологическими инструкциями по резке сталей заданных марок с заданным качеством и производительностью для данных толщин. Для обеспечения максимальной экономичности резки в плазмотрон, описанный выше, для стабилизации режущей дуги 7 (фиг. 3) в дуговую камеру 4 в качестве рабочей среды, не содержащей азота, подают перегретый пар.

Перегретый водяной пар не уступает по экономичности сжатому воздуху и в отличие от капельной жидкости (воды) и ее насыщенного пара обладает рядом благоприятных специфических свойств, которые делают предпочтительным использование перегретого водяного пара для осуществления экологичной высококачественной плазменной резки при большой надежности самого процесса: В отличие от насыщенного перегретый пар не конденсируется даже в цилиндре паровой машины; это его свойство полностью исключает конденсацию на поверхностях вырезаемых деталей, устраняя возможность появления электролитной пленки и развития коррозии без применения ингибиторов и других защитных мер, что позволяет повысить качество реза по отношению к прототипу, обеспечивая при этом экономичность процесса; Высокая текучесть перегретого пара, его способность проникать в зазоры, щели по-видимому обеспечивает отсутствие нарушений сплошности защитной паровой струи вокруг дуги и, что особенно важно, в полости реза и надежную защиту металла на его поверхностях от азотонасыщающего контакта с атмосферным воздухом, в результате чего и удается снизить азотонасыщение кромок реза практически до нуля, существенно повышая их качество и качество сварных швов при последующей сварке (при сварке заготовок из сталей толщиной менее 4-6 мм, вырезанных предлагаемым способом, пористость в сварных швах отсутствует).

Низкая теплопроводность и высокая теплоемкость перегретого водяного пара определяют малые значения коэффициентов турбулентного массообмена и диффузионного массообмена, ограничивающих массопередачу атмосферного воздуха в дугу и зону резки, что исключает присутствие в них азота и его вредные последствия, делая процесс плазменной резки металла экологически безопасным.

Наряду с этими специфическими преимуществами водяного пара, характерные для него низкие тепло- и электропроводость делают возможным не только внешний обдув дуги, но и подачу его в катодное пространство, как среды, обеспечивающей электрическую и тепловую изоляцию столба дуги от поверхности соплового канала и высокую надежность работы плазмотрона, что позволяет использовать перегретый водяной пар как высокоэкономичную, не содержащую азота плазмообразующую среду для стабилизации режущей дуги, защищенной концентричной оболочкой также перегретого пара.

Предлагаемый способ может быть реализован в любых пространственных положениях при ручной или машинной резке на отдельных позициях, в условиях механизированных или автоматизированных поточных линий и т.д.

Формула изобретения

1. Способ плазменной резки металла, при котором используют водосодержащую среду, подаваемую двумя потоками, один из которых, рабочий, служит для плазмообразования, а другой, дополнительный, для защиты режущей дуги, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующей среды используют перегретый водяной пар.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного потока для защиты режущей струи используют перегретый водяной пар.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2