Критерии оценки эффективности оборудования для кислородной резки металлов больших толщин

В.М. Литвинов, Ю.Н. Лысенко, С.А. Чумак, В.В. Капустин, ООО «НИИПТмаш-Опытный завод», С.Л. Зеленский, В.А. Белинский, С.Л. Василенко, Т.Б. Золотопупова, ПАО «НКМЗ» (Краматорск)

Кислородную резку металлов больших толщин исполь­зуют в ПАО «НКМЗ» для разделки крупно­габаритно­го металлолома (копровый цех), для удаления прибы­лей литья (фасоннолитейные цеха), для вырезки проложек для металлургических печей (кузнечно-прессовые цеха), для    удаления выводных планок при элек­трошлаковой сварке крупных деталей (термические цеха) и при фигурной вырезке деталей из толстых плит (электросталеплавильный цех и цеха металлоконструкций). Для обеспечения нормальной работы по этим направлениям предприятие приобретает широкий ассортимент ручных и машинных реза­ков для резки заготовок толщиной от 300 до 1200 мм.

 

В настоящее время существует много заводов-разработчиков и производителей резаков. При закупке резаков необходимо определить, соответствует ли приобретенный резак параметрам энергоносителей, принятым на заводе, достаточно ли он производителен (скорость резки),  экономичен (расходы кислорода и природного газа, ширина реза) и долговечен (стойкость    мундштуков). Авторами статьи разработана методика оценки эффективности оборудования для кислородной резки металлов больших толщин по предварительным исходным данным и методика расчета технологических параметров газокислородной резки металлов больших толщин в раз­личных цехах завода. Предложено дополнительно к существующим ввести в обиход следующие критерии оценки эффективности оборудования:

• удельный расход кислорода на единицу разрезаемого металла большой толщины;
• удельный расход природного газа на единицу разрезаемого металла большой толщины;
• расчетное количество кислорода на 1 м длины реза;
• рас­четное количество природного газа на 1 м длины реза.

Удельный расход кислорода на единицу разрезаемого металла большой толщины. При кислородной резке металлов больших толщин лучше других показали себя дозвуковые сопла с режущим каналом цилиндрической формы. Они образуют достаточное количество перегретого шлака на верхней кромке реза, который, пере­мещаясь в глубь заготовки, нагревает ее. Дозвуковая кислородная струя не отражается от пре­пятствия в теле заготовки (пустота, усадочная раковина, неметаллические включения), как это имеет место со сверхзвуковыми струями, а плавно обтекает это препятствие, вымывая неметал­лические включения, и процесс резки не прерывается. Цилиндрические сопла имеют одно важ­ное свойство: теоретически кислородный поток разгоняется в них до скорости звука при давле­нии газа перед соплом 0,183 МПа (1,83 кгс/см2 ), которое названо критическим давлением. На практике с учетом различных потерь эту величину можно принять 0,3– 0,4 МПа (3–4 кгс/см2 ). Критическое давление одно и то же для цилиндрических сопел всех диаметров. Поскольку разо­гнать кислород выше скорости звука в цилиндрическом канале невозможно, повышение давле­ния перед соплом выше критического значения приводит к увеличению угла раскрытия режущей струи кислорода и, как следствие, к потере мощности струи и увеличению ширины реза. Из сказанного выше следует, что количество кислорода, необходимое для резки заготовки опреде­ленной толщины, нужно обеспечивать не изменением давления на входе в сопло, а изменением его диаметра. Давление же кислорода перед соплом для всех толщин заготовок одинаково. При газопламенной обработке металлов для расчета расхода кислорода при истечении его в атмос­феру пользуются достаточно точной формулой:

V = µБ·ω ·d² · (P+1), (1)

где V — расход кислорода, м3 /ч; µБ — коэффициент, зависящий от физических констант газа (для кислорода µБ = 0,44); ω — коэффициент, зависящий от соотношения давления кислорода до сопла и после него. Если Р ≥ Р_кр., то ω = 1; Р — давление кислорода перед соплом, принимаем Р = 0,4 МПа (4 кгс/см² ); d — диаметр сопла, мм.

При резке металлов больших толщин кислородом низкого давления, необходимо ввести коэффициент Кп, учитывающий потери давления в сопле:

V = µБ· ω ·d² · (К_п ·P+1), (2)

где К_п — коэффициент потерь давления в зависимости от диаметра сопла:

К_п = 1 + 1/ d . (3)

Подставив в формулу (2) значения коэффициентов и значение давления перед соплом, равное 0,4 МПа (4 кгс/см2 ), для цилиндрических кислородных сопел получим:

V_O2реж. = 2,2·d² + 1,76·d. (4)

Эмпирическим путем была получена следующая зависимость между диаметром отверстия режущего сопла d,мм, и толщиной разрезаемой этим соплом заготовки δ, м:

d = 9· δ. (5)

Решая совместно формулы (4) и (5), получим зависимость расхода режущего кислорода V_O2реж. от разрезаемой толщины δ:

V_O2реж. = 178,2· δ² + 15,84· δ. (6)

В резаках внешнего смешивания кислорода с природным газом расход подогревающего кислорода V_O2под. составляет 20% от расхода режущего кислорода V_O2общ., т.е. общий расход кислорода V_O2общ. = 1,2 · V_O2реж.

V_O2общ. = 214· δ² + 19· δ. (7)

На практике удобнее пользоваться понятием: удельный расход кислорода на единицу разрезаемой толщины

V_O2(δ)  = 214· δ  + 19.  (8)

Удельный расход природного газа на единицу разрезаемой толщины. В резаках внешнего смешивания кислорода с природным газом расход подогревающего кислорода V_O2под. и расход природного газа V_СН4 связаны зависимостью:

V_CH4 = (V_O2под.)/1,1 = (0,2·V_O2реж.)/ 1,1 . (9)

Подставив в формулу (9) значение V_O2реж. из формулы (6), получим:

V_CH4 = 32,4· δ² + 2,88· δ². (10)

Разделив правую и левую части уравнения (10) на значение толщины δ, получим формулу удельного расхода природного газа на единицу разрезаемой толщины:

 V_CH4(δ) = 32,4· δ + 2,88. (11)

На производстве, в цехах и отделах часто удобнее пользоваться графиками или таблицами, а не формулами. В качестве справочного материала ниже приведены графики зависимости общего расхода кислорода (кривая 1, рис. 1) и удельного расхода кислорода (кривая 2, рис. 1) от толщины разрезаемого металла. На рис. 2 представлены графики зависимости расхода природного газа (кривая 1) и удельного расхода природного газа (кривая 2) от толщины разрезаемого металла. В табл. 1 собраны результаты расчетов, выполненных по формулам (7), (8), (10).

Количество кислорода и природного газа, приходящиеся на 1 м длины реза. На рис. 3 показана зависимость скорости резки от толщины разрезаемого металла. График построен по данным справочной литературы.

Значения кривой на графике алгебраически можно выразить формулой: U = k· (8 – 3· δ), (12)

 где k — коэффициент, зависящий от состояния заготовки и внешних факторов (k = 1 при резке чистой заготовки без пригара, окалины, пустот и неметаллических включений).

Разделив левую и правую часть уравнения (7) на значение длины реза, выполненного в течение 1 ч, получим:

( V_O2общ.)/L = (214· δ ² + 19· δ)/  U·t . (13)

Подставив в уравнение (13) значение U из уравнения (12) и время t, которое составляет 1 ч, получим общее количество кислорода, необходимое для выполнения резки заготовки заданной толщины длиной 1 м. После  преобразований получим уравнение:

Q_O2(L) = (71,3· δ² + 6,3· δ)/ k· (2,67 – δ) . (14)

Разделив левую и правую часть уравнения (10) на значение длины реза, выполненного в течение 1 ч, получим:

(V_CH4)/ L = (32,4· δ² + 2,88· δ)/ U·t . (15)

Подставив в уравнение (15) значение U из уравнения (12) и время t, которое составляет 1 ч, получим количество природного газа, необходимое для резки заготовки заданной толщины длиной 1 м. После преобразований получим уравнение:

Q_CH4(L) = (10,8· δ ² + 0,96· δ)/ k· (2,67 – δ) . (16)

Коэффициент, зависящий от состояния заготовки и от внешних факторов k, можно определить по эмпирической формуле:

k = k1 ·k2 ·k3 ·k4 ·k5. (17)

Физический смысл и значения коэффициентов k1–k5 приведены в табл. 2.

Рассчитанный по формуле (17) коэффициент k для различных цехов ПАО «НКМЗ» приведен ниже:

• копровый цех (разделка крупногабаритного металлолома), k = 0,41;
• фасоннолитейные цеха (удаление прибылей литья), k = 0,52;
• кузнечно-прессовые цеха (удаление концевых частей поковок и слитков), k = 0,65;
• термические цеха (удаление выводных планок при электрошлаковой сварке крупных деталей), k = 0,81; z электросталеплавильный цех и цеха металлоконструкций (фигурная вырезка деталей из толстых плит), k = 0,9.

Решая уравнения (14) и (16), получим графики зависимости количества кислорода и количества природного газа в расчете на 1 м реза от толщины разрезаемой заготовки (рис. 4)

для различных переделов завода. Результаты расчетов сведены в табл. 3.

В существующих методиках расчета расхода энергоносителей (кислорода и горючего газа) используются сложные формулы, в которых расход газа является функцией от нескольких переменных: диаметра сопла, давления перед соплом,    физических констант газа. Давление перед соплом представлено в неявной форме, полученные результаты не дают ответ на вопрос: какую толщину заготовки можно резать данным соплом. Значение давления подставляется в формулу произвольно, так как измерить давление перед соплом в штатных резаках невозможно, поэтому результат, полученный при решении этих формул, носит субъективный характер. При разработке настоящей методики оценки эффективности оборудования для кислородной резки металлов больших толщин получены формулы расчета расхода рабочих газов, которые являются функцией только от одной переменной — толщины разрезаемой заготовки. Упрощены расчеты и исключен субъективизм при их выполнении. На заводе введены в обращение новые критерии в области кислородной резки:

• удельный расход кислорода [V_О2(δ)] и удельный расход природного газа [V_СН4(δ)] в расчете на единицу толщины разрезаемой заготовки. Эти критерии позволяют быстро оценить, будет ли предлагаемое новое оборудование эффективным в условиях завода;
• количество кислорода [Q_O2(L)] и природного газа [Q_СН4(L)], расходуемое на выполнение 1 м реза. По этим критериям можно оперативно рассчитать расход энергоносителей в любом промежутке времени и, зная общий тоннаж заготовок, переработанных за это же время, можно рассчитать количество кислорода и природного газа, приходящееся на резку 1 т заготовок, и сравнить его с контрольной цифрой, имеющейся в каждом цехе. При выполнении настоящей работы для расчетов предложен коэффициент уменьшения скорости резки и, соответственно, коэффициент увеличения расхода газов-энергоносителей k в зависимости от состояния заготовки и от внешних факторов, определены его численные значения для копрового цеха, фасоннолитейного цеха, кузнечно-прессового цеха, термических цехов и цехов металлоконструкций. Коэффициент k учитывает состояние магистралей энергоносителей, чистоту кислорода, химический состав заготовки, наличие окалины и пригара по линии реза, наличие усадочных раковин, пустот и неметаллических включений в теле заготовки. Пользуясь формулами (14) и (16) или графиком на рис. 3, или табл. 3, можно определить расход газов-энергоносителей при кислородной резке    заготовок больших толщин любой сложности.

Источник: журнал «Сварщик»