Cắt Oxy là phương pháp tách kim loại sựa trên sử dụng nhiệt của ngọn lửa khí và các phản ứng tỏa nhiệt oxy hóa kim loại để đốt nóng nó tới nhiệt độ nóng chảy và tách các oxit ra bằng động năng của tia oxy cắt.
Để nâng cao lượng nhiệt tách ra trong mặt cắt và làm quá nhiệt các oxit khó chảy nhằm nâng cao độ chảy lỏng của chúng,tạo giúp giải thoát chúng ra khỏi mạch cắt người ta cấp bộ sắt vào mạch cắt. Quá trình như vậy mang tên cắt Oxy-thuốc. Sự cắt có thể thực hiện toàn bộ chiều dày kim loại (cắt chia) hoặc một phần(bề mặt) của nó bằng tay hoặc bằng máy.Sự cắt Oxy được ứng dụng rộng rãi nhất trong các ngành chế tạo máy,đóng tàu,luyện kim và xây dựng
Cắt Oxy là phương pháp tách kim loại sựa trên sử dụng nhiệt của ngọn lửa khí và các phản ứng tỏa nhiệt oxy hóa kim loại để đốt nóng nó tới nhiệt độ nóng chảy và tách các oxit ra bằng động năng của tia oxy cắt.
Để nâng cao lượng nhiệt tách ra trong mặt cắt và làm quá nhiệt các oxit khó chảy nhằm nâng cao độ chảy lỏng của chúng,tạo giúp giải thoát chúng ra khỏi mạch cắt người ta cấp bộ sắt vào mạch cắt. Quá trình như vậy mang tên cắt Oxy-thuốc. Sự cắt có thể thực hiện toàn bộ chiều dày kim loại (cắt chia) hoặc một phần(bề mặt) của nó bằng tay hoặc bằng máy.Sự cắt Oxy được ứng dụng rộng rãi nhất trong các ngành chế tạo máy,đóng tàu,luyện kim và xây dựng
Ngọn lửa đốt nóng bề mặt kim loại,sau đó các lợp này tiếp xúc với chùm oxy sạch và bị oxy hóa.Nhiệt tách ra cùng với nhiệt của ngọn lửa đốt nóng kim loại tới nhiệt độ bốc cháy trong oxy,đảm bảo tính liên tục của quá trình.Dưới tác dụng động năng của chùm oxy,lớp oxit và kim loại nóng chảy từng phần tách khỏi mạch cắt.Trên bề mặt cắt để lại những đường đặc trưng với độ nhấp nhô li ti.Cắt oxy là tập hợp của quá trình nhiệt,lý-hóa và thủy khí – động học
Sự phân phối nhiệt độ trong kim loại rắn được tính toán theo các công thức về lý thuyết các quá trình nhiệt do N.N Rukalin xác lập,trong đó thông thường áp dụng sơ đồ chuyển động thẳng với tốc độ nhanh của nguồn nhiệt hoặc nguồn nhiệt chuyển động trong tấm.Khi tính toán không tính đến sự tỏa nhiệt từ bề mặt tấm và sự thay đổi các tính chất nhiệt – lý của kim loại đối với nhiệt độ.
Cắt Oxy
Nhiệt độ kim loại lỏng và xỉ trực tiếp trong mạch cắt không tính được do thiếu các phương pháp tin cậy và các giá trị cần thiết về tính chất nhiệt lý của kim loại.Các số số đo thực hiện nhiệt độ kim loại trong vùng ảnh hưởng nhiệt phù hợp với các tính toán và chỉ ra sự phụ thuộc của các chu kỳ nhiệt cắt đối với thành phần và chiều dày thép,tốc độ cắt,công suất ngọn lửa đốt nóng và các thông số khác.
Nguồn nhiệt để cắt là ngọn lửa đốt nóng mạch cắt và phản ứng phát nhiệt oxy hóa sắt và các chất nạp của thép.Tùy thuộc vào chiều dày thép các phần tham gia vào biểu cân bằng nhiệt của chúng thay đổi.Chiều dày kim loại cắt cằng nhỏ thì vai trò đốt nóng của ngọn lửa càng lớn (Khi chiều dày 5mm tới 80% lượng nhiệt chung tách được khi cắt,khi chiều dày lớn hơn 50 mm – chỉ tới 10%).
Cắt Oxy
Công suất hiệu dụng của nguồn nhiệt khi cắt phụ thuộc vào chiều dày thép,công suất ngọn lửa và tốc độ cắt.Đối với thép chiều dày 10-20 mm công suất là 1.5 – 2 kcal/s , khi chiều dày 40-50 mm là 3-4 kcal/s.Tương ứng với biểu đồ trạng thái của Fe – O khi oxy hóa sắt có thể hình thành 3 oxit : FeO,Fe2O3 và Fe3O4. Sự oxy hóa ở nhiệt độ trên 680 độ xảy ra với sự hình thành chủ yếu FeO,trong đó tốc độ phản ứng cực cao và không thể hạn chế tốc độ cắt.
Trên danh giới hạt nhân của tia Oxy và xỉ hình thành lớp oxy chiều dày 0.01-0.15 mm chứa lượng đáng kể các khí khác (N2,CO2,Ar,SO2,P2O5).Nitơ và Argon tham gia vào thành phần các chất tạp của oxy ,các khí còn lại hình thành do kết quả của sự oxy hóa chất tạp của thép.Hàm lượng các chất tạp,nghĩa là chiều dày lớp oxy nhiễm bẩn càng lớn thì độ sạch của oxy cắt càng thấp và càng nhiều chất tạp ở trong thép .
Hạt nhân của tia oxy xáo động ,còn lớp nhiễm bẩn tiếp tục với xỉ lỏng có cấu trúc thành tầng.
Xỉ lỏng bao gồm hỗn hợp sắt và các oxit của nó,chảy xáo động hoặc gần như thế,nghĩa là các phần tử FeO và Fe có thể di chuyển dọc ngang dòng,đảm bảo sự tiếp xúc giữa sắt và oxy tham gia vào phản ứng.Lớp dòng xỉ xáo động chuyển dần thành dòng sắt lỏng thành tầng.
Trước hết nhiệt lượng phải đủ để dảm bảo nhiệt độ của phản ứng 1000-11500C.Tiếp đó nguồn nhiệt phải có công suất và cường độ cần thiết.
Điều kiện thứ hai
– Nhiệt độ nóng chảy của kim loại phải cao hơn nhiệt độ oxy hóa nó trong oxy,nói cách khác ,kim loại khi đốt nóng sẽ chảy và bắt buộc phải tách ra từ mạch cắt không có sự oxy hóa,đặc biệt đối với quá trình cắt .
Ở thép cacbon thấp nhiệt độ nóng chảy là 15000C,còn nhiệt độ bốc cháy là 13500C,tức là điều kiện này được tuân thủ.Khi tăng hàn lượng cacbon trong thép quá trình cắt xấu đi do nhiệt độ nóng chảy giảm và nhiệt độ bốc cháy tăng. Gang chứa đến 1.7 % cacbon không thể cắt bằng oxy được.
Điều kiện thứ 3 :
Nhiệt độ nóng chảy của kim loại phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy của các oxit hình thành trong quá trình cắtnói cách khác, các oxit khó chảy ngăn cách kim loại tiếp xúc với oxy. Điều kiện này không thỏa mãn khi cắt Nhôm,magie và hợp các hợp kim của chúng,kể cả thép chứa lượng cao crom và Niken. Khi đốt nóng các hợp kim này trong quá trình cắt trên bề mặt của chúng hình thành màng oxit khó chảy ngăn cản oxy tiếp xúc với kim loại không bị oxy hóa.
Điều kiện thứ 4 :
xỉ hình thành phải chảy lỏng ,trong trường hợp ngược lại sự tiếp xúc của oxy với kim loại lỏng sẽ bị chậm trễ hoặc không thể được.Độ nhớt của xỉ tăng đáng kể khi hàm lượng các oxit silic và crom ,đây là một trong những nguyên nhân không thể cắt gang bằng Oxy.
Tất cả các điều kiện nêu trên thảo mãn đối với thép,titan và mangan.Vì vậy chúng có thể gia công bằng cắt Oxy.Đặc biệt các hợp kim titan có thể cắt tốt nhờ ái lực hóa học cao với Oxy và hiệu quả cao hình thành Oxit.
Theo tính chất cắt người ta chia thép cacbon thành 2 nhóm : thép cacbon tôi yếu với hàm lượng cacbon tới 0.25% và thép tôi đòi hỏi đốt nóng trước và làm nguội chậm sau cắt để loại trừ các vết nứt.
Nhóm tiếp theo tính cắt
Loại cấu trúc của thép
Đặc tính
Chế độ gia công nhiệt
CeeNie
Cre + Nie
Trước cắt
Sau cắt
I
Mactenxit
25
30
Đốt nóng tới260 – 350 độ C
Tôi và ram hoặc ram ở 650-950 độ C
II
Mactenxit-ferit
2.5
0.3
Không đốt nóng,tiết diện lớn,kết cấu phức tạp,đốt nóng tới 250-350 độ C
Ram hoặc ủ ở 650-950 độ C
III
Ferit
Không đốt nóng
IV
Austenit-Ferit
1.25 – 2.5
Không cần gia nhiệt
V
Austenit
1.25
Đôt nóng tới 1050-1150 độ C và làm nguội nhanh hoặc làm nguội cực nhanh bằng nước trong thời gian cắt các cạnh
Ảnh hưởng của sự cắt oxy đối với cấu trúc, thành phần và tính chất của thép
Tốc độ đốt nóng và tốc độ nguội khi cắt lớn đến gấp 2 đến 3 lần so với khi hàn.Dưới tác dụng chu kỳ của nhiệt trong kim loại cạnh cắt xảy ra những thay đổi phức tạp về cấu trúc,thành phần hóa học và tính chất cơ học.Chiều rộng của vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào thành phần,chiều dày thép và tốc độ cắt phẳng.
Trong vùng ảnh hưởng nhiệt(VAN) phân biệt kim loại nóng chảy và kim loại rắn.Ngay cạnh mép cắt có lớp oxit rất mỏng giáp ranh với kim lại nóng chảy.Tiếp theo lớp kim loại nóng chảy là kim loại rắn được đốt nóng trên nhiệt độ Ac3 .Càng xa mép cắt nhiệt độ đốt nóng kim loại càng giảm.
Oxy cắt
Các cạnh cắt thép của cacbon,thép hợp kim thấp và trung bình giàu cacbon,niken và đồng,còn hàm lượng mangan,crom và silic giảm.Ngoài ra thành phần hóa học cũng thay đổi theo chiều dày kim loại,đạt tới cực đại ở cạnh dưới.Sự thay đổi thành phần hóa học xảy ra chủ yếu trong lớp đúc.
Chiều sâu lớp này phụ thuộc vào chiều dày thép và chế độ cắt,chiếm khoảng 0.02 – 0.2 mm.Mức độ thấm cacbon của mạch cắt phụ thuộc vào chiều dày thép,hàm lượng cacbon nguyên thủy,chế độ cắt.Trong các điều kiện như nhau nồng độ cacbon trong kim loại mép cắt tăng khi giảm tốc độ cắt,khi chiều dày kim loại và hàm lượng cacbon trong kim loại nguyên thủy.
Sự cắt oxy – thuốc làm giảm đáng kể hàm lượng các nguyên tố hợp kim(Trừ niken) trên bề mặt mạch cắt
Và vùng lân cận,trong đó chiều sâu cực đại của lớp này không vượt quá 0.3 mm.Sự đốt nóng kim loại trước khi cắt làm tăng mức độ cháy của nguyên tố.
Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt đối với thép cacbon
Chiều dày thép cắt,mm
Tốc độ cắt,mm/ph
Lượng Oxy
Lượng axetylen
Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt đối với thép , mm
M3 /h
Cacbon thấp
Cacbon trung bình
cromniken
25
250
4.5
0.6
0.4-0.7
0.8-1.5
2-3
50
170
7.5
0.75
1.0-1.5
1.5-2.5
3-4
100
125
12
1.0
1.5-2.0
2.0-3.0
4-5
250
100
21
1.2
2.0-3.0
3.0-5.0
5-8
Ảnh hưởng của sự cắt oxy – thuốc đối với thành phần hóa học của thép
Nhãn hiệu thép
Chiều dày
Chỗ phân tích
Hàm lượng các nguyên tố hợp kim,%
Cr
Mn
Ni
Si
Nguyên tố khác
12X18H910T
11
Kim loại cơ bản
18
0.62
9
0.7
0.75Ti
Bề mặt mép cắt
4.3
0.21
8.5
0.21
0.24 Ti
13X14h3B9ØP
12
Kim loại cơ bản
15
0.45
3.4
0.32
2.6W;0.2V
Bề mặt mép cắt
5.5
0.49
6.2
0.17
2.4W;0.14V
08X17HBM3T
14
Kim loại cơ bản
18.3
0.79
14.35
0.77
3.35 Mo;0.41 Ti
Bề mặt mép cắt
3.5
0.26
9.4
0.36
3.2 o;0.21 Ti
12X13
10
Kim loại cơ bản
12.8
0.5
0.25
0.45
–
Bề mặt mép cắt
7.57
0.18
0.51
0.14
–
Sự thay đổi cấu trúc và thành phần hóa học làm thay đổi các tính chất cơ học của kim loại mép cắt.Độ cứng tế vi của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt đối với thép cacbon thấp chiều dày 20 mm là HV 200-220V,so với HV 150 -160 của kim loại cơ bản,đối với thép Y12 tương ứng HV 550 và HV 230. Sự tăng tốc độ cắt làmg giảm chiều sâu vùng ảnh hưởng nhiệt,tuy nhiên chiều rộng lớp đúc và độ cứng tế vi của kim loại tăng.Độ cứng kim loại có thể giảm nhờ đốt nóng trước hoặc cùng sự cắt.
Sự hình thành cấu tôi trên bề mặt cắt làm giảm độ dẻo và độ bền mỏi nhưng ảnh hưởng ít đến độ dai va đập.Độ bền mỏi khi cắt oxy giảm 20%-40% so với cắt cơ khí,đặc biệt độ bền mỏi giảm nhiều đối với thép có độ bền cao.
