CN102015185A

CN102015185A - 在穿孔开始后增加气态氧的压力和/或流量来火焰切割钢零件的方法和设备

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Publication number: CN102015185A
Application number: CN2009801143423A
Authority: CN
Inventors: M·塞兹; S·布里
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: FR2930468B1; WO2009138630A2; ATE541665T1; CA2717194A1; CN102015185B; EP2282866B1; US20110036461A1; PL2282866T3; WO2009138630A3; EP2282866A2; FR2930468A1

Abstract

本发明涉及一种用于使用至少一个具有切割喷嘴(1)的吹管(2)火焰切割由含铁金属制成的零件(5)的方法，其中，根据如下步骤进行操作：借助于通过可燃气体与氧气的燃烧所产生的火焰来预热所述零件(5)的局部区域，然后向被预热的局部区域供应处于第一压力和/或第一流量的气态氧以用于开始穿孔，而同时在切割方向(10)上移动所述吹管(2)。然后，当开始在所述零件中进行穿孔以后，使气态氧的压力和/或流量在穿孔开始区域的方向上增加至高于所述第一压力的第二压力和/或高于所述第一流量的第二流量，以在所述零件(5，5a，5b)中获得完整的穿孔。本发明还涉及相关的设备。

Description

在穿孔开始后增加气态氧的压力和/或流量来火焰切割钢零件的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种避免在金属板的预热与穿刺之间出现熔融金属的喷溅或使该喷溅最小化的氧气切割工艺，该工艺尤其适用于缺少用于改变切割氧的供给压力的装置的设备。

背景技术

氧气切割是广泛用于切割钢或更一般地铁质材料-即含铁材料的切割工艺。

从工业的角度，使用这样的设备或机器来执行该工艺，该设备在最简单的形式中包括1或2个并行运行的火炬，而在最复杂的形式中包括高达6至12个并行运行的火炬。通常地，氧气切割机包括1至8个火炬。

实际上，氧气切割是通过金属与纯氧射流的连续局部燃烧进行切割的切割工艺。此工艺在工业中是众所周知的。所述工艺首先在被称为起动或预热阶段的阶段期间通过高温氧气燃料火焰进行起动，该高温氧气燃料火焰使待切割的工件局部地达到其燃烧温度-即约1150℃，然后在穿孔阶段开始并维持燃烧反应，接着通过沿所期望的切割路径提供氧气射流来进行实际切割。

能够被氧切割的材料主要是那些含铁的材料，尤其是低合金钢或非合金钢，特别是碳素钢。

影响切割性能的主要因素是切割设备，尤其是切割喷嘴的选择、气体(燃料和氧气)的纯度、待切割的材料以及操作者的技能。

氧气切割主要用于切割厚度大于10mm的钢工件，因为对于更小的厚度，所述工艺将达到其极限，即从工业角度不可接受的切割质量和性能。

对于厚度大于30mm的情况，当远离板-即待切割工件-的边缘并且在工件刚预热之后对该板穿孔时，已注意到，某些经常出现的问题仍存在，例如熔融金属回溅到喷嘴上和无意的回火，这些问题造成切割设备的退化、由于污染喷嘴产生切割缺陷、非垂直的切割面缺陷以及起动切割困难。

实际上，这些问题大部分是由在板刚预热之后即对该板穿孔期间产生的粘附性的熔融金属喷溅造成的。

当在高压-通常高于8bar-下以及利用高的氧气流量-至少3900l/h的流量-使用喷嘴时此现象更严重，这是由于与所到达的大量氧气发生了即时反应。

另外，当若干氧气切割火炬并行运行以及当使用具有7-12bar的瞬时切割氧气流量的高压喷嘴时，此现象被放大。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的氧气切割(气割)工艺，该工艺在开始切割时通过使板的穿孔期间熔融金属的喷溅最小化或避免熔融金属的喷溅来避免上面提到的所有或一些问题或将上面提到的所有或一些问题减至最少。

本发明的解决方案为一种用于氧气切割含铁的金属工件的工艺，所述工艺采用至少一个配设有切割喷嘴的火炬，该工艺根据下列步骤进行：

a)通过火焰预热工件的局部区域，该火焰通过可燃气体与氧气的燃烧产生；和

b)沿在步骤a)中被预热的局部区域的方向供应处于第一压力和/或第一流量的气态氧以便开始穿孔，同时沿切割方向移动火炬，

此工艺的特征在于，它还包括如下步骤c)：

c)当步骤b)中工件的穿孔已经开始之后，将沿穿孔开始的区域的方向供应的气态氧的压力和/或流量增大至第二压力和/或第二流量以便使工件穿孔，所述第二压力和/或第二流量高于所述第一压力和/或第一流量。

如果需要，本发明的工艺可包括下列一个或多个特征：

-通过面向工件的上表面定位的喷嘴供应步骤a)的可燃气体和步骤a)、b)和c)的氧气；

-在步骤a)中，将工件预热到直至在工件的所述局部区域中至少达到工件的金属的着火温度，优选地达到大于或等于1150℃的温度；

-在步骤b)中，将喷嘴进一步移离工件的上表面，以便将喷嘴定位在距离工件的上表面1cm-5cm、通常约2cm-3cm的穿孔距离(d)处；

-在喷嘴已移离工件的上表面之后但在工件穿孔之前，相对于工件移动喷嘴，以便至少形成切口；

-在步骤c)中，将喷嘴朝向工件的上表面移动至0.5cm-1.5cm的切割距离(d’)处，其中d’＜d，与之相伴地，增大沿穿孔区域的方向供应的气态氧的压力和/或流量；

-所述第一氧气压力低于约2bar，所述第二氧气压力高于2bar，优选地高于5bar；

-工件的厚度大于25mm，优选地在30mm和100mm之间；

-工件由钢制成；

-在步骤a)中使用的可燃气体包含乙炔、乙烯、天然气或LPG(液化石油气)；和

-该工艺采用布置在多个火炬上的多个切割喷嘴，这些火炬同时运行以便在所述工件内同时产生多个切口。

另外，本发明还涉及一种用于氧气切割工件的设备，该设备用以实施上述工艺，该设备包括：至少一个配设有切割喷嘴的火炬；至少一个可燃气体源和至少一个氧气源，所述至少一个可燃气体源和至少一个氧气源向该火炬供应所述可燃气体和所述氧气；用于向切割喷嘴供应气态氧的装置，该装置包括气体回路；以及用于沿工件的切割路径移动火炬的装置，例如通常被用于在焊接/切割设备上使火炬移动的机动化系统，该设备的特征在于，所述气体回路包括主气体管线和旁通管线，所述主气体管线设置有用于控制所述主通道中的气体压力/流量的装置，使得在预热工件的局部区域的步骤a)期间，在主通道中流动的气体的流量或压力可被完全阻止或被限制，并且相反地，允许在步骤b)期间气体在所述局部区域的方向上以一定流量和一定压力流动，从而获得以较高压力和/或较高流量供应的气体。

优选地，所述用于控制气体的压力和/或流量的装置为阀或者压力和/或流量调节器或者任何其它类似的装置。

有利地，所述设备包括布置在多个火炬、尤其高达12个火炬或甚至更多个火炬上的多个切割喷嘴，尤其是安装在移动梁、支承框架等上的喷嘴。

附图说明

根据下面参照附图对穿孔原理和运行模式的详细描述，将对本发明有更好的理解。

图1至4示出应用到30mm厚的钢板上的根据本发明的氧气切割工艺的原理。

具体实施方式

本发明的氧气切割工艺如图1所示以待切割的板5的局部预热(在6处)的传统步骤开始，该步骤通过向氧气切割火炬2的喷嘴1提供由氧和可燃气体形成的气体混合物以建立加热火焰3来实现，其目的是预热待切割的板5，以使该板局部地(在6处)达到其约1150℃的着火温度，以便保持随后输送的均匀的切割氧气射流。

这是因为，要执行氧气切割操作，必须连续地利用至少一个“加热”火焰和一个中心“切割氧气”射流。

加热火焰必须能够非常快速地和局部地使板的表面达到材料的着火温度，即对于钢而言通常为约1150℃。

当达到着火温度时，释放切割氧气，并且含在钢中的铁的燃烧反应开始。因此，最重要的是选择最适合的可燃气体，以便快速地达到着火温度。

事实上，可使用多种可燃气体与氧气的混合物获得大于1500℃的温度。这些混合物在下面的表格中给出。

表格

气体混合物	达到的温度(℃)
		O₂+乙炔	3150
O₂+乙烯	2924
		O₂+氢气	2856
O₂+丙烷	2830

加热火焰由内焰(焰芯)和外焰组成。在氧气切割中，感兴趣的仅是内焰的性质。内焰是氧化气体与被引入火炬燃烧的可燃气体混合的区域。通过此燃烧可获得非常高的温度。可以传递至板的能量的大小取决于内焰的功率(能量)。此外，此功率必须集中在小区域上，以在切割操作开始的位置处获得快速的加热。所述能量的大小由比功率(以kJ/cm².s给出的每单位面积的功率)来限定。

乙炔是具有最高比功率-对于具有1∶1体积比的混合物为8kJ/cm².s-的气体。对于具有1m³可燃气体与2m³氧气的比值情况，该功率可达到16kJ/cm².s。

乙炔还具有在氧气中的最快火焰传播速度。这点很重要，因为其决定了回火敏感性并且其是阻止氧气切割机被更广泛地应用的因素之一。

一旦已达到着火温度，例如在给定的预设加热时间之后达到，如图2所示，向预热的区域6提供切割氧气射流4，同时，将切割喷嘴1略微撤回，也就是远离待切割工件5的上表面5a移动，优选地移离约2cm至3cm的距离“d”。

为避免熔融金属喷溅，建议控制氧气切割射流4的压力(和/或流量)，例如将压力限制到大约0.2bar到1bar的最大值，然后开始沿着所期望的切割路径-也就是沿图3中箭头10的方向-相对于待切割工件5缓慢地移动火炬2，以便向所形成的切口的后部9排出熔融金属。

根据本发明，火炬2的移动在板5被穿孔之前开始。

在已移动火炬之后，逐渐地增大供应到所形成的切口9的切割氧气射流4的压力和/或流量，同时再次朝向板5的上表面5a移动火炬2并且同时继续沿着所期望的切割路径移动(在方向10上)持续移动该火炬2。

换句话说，根据本发明，在板5的局部预热6之后，通过在与在实际的切割期间所采用的压力和/或流量相比较小的压力和/或流量下的氧气射流4来开始板5的穿孔和切割。

接下来，通过放热燃烧过程照常继续进行氧气切割，该放热燃烧过程包括通过使用加压氧形成铁氧化物来燃烧钢板5中的铁。通过切割氧气射流4的压力，铁氧化物形成从氧气切割切口9排出-也就是说从板5的下方排出的-熔渣。

在预热阶段(图1)期间，燃烧反应开始，其中包括作为氧化剂的氧气和可燃气体例如乙炔的气体混合物“被点燃”以获得燃烧火焰，该燃烧火焰使金属达到其着火温度并随后触发该金属所包含的铁的实际燃烧(图2至图4)。在工件的切割期间，仅通过供应加压氧气来保持金属燃烧反应。

根据本发明的氧气切割可以手动或通过机器进行，特别是通过配设有数个并行运行的火炬2以在钢板或类似物内切割相同工件(大规模生产)进行。

根据本发明的工艺尤其适用于切割厚度在25-30mm到140mm之间、通常约30mm至100mm的板。

可使用简单的氧气切割喷嘴或使用双氧气流喷嘴来执行本发明的工艺。这两种类型的喷嘴优选地为标准的。

因此，简单的喷嘴通常由细长体部形成，该细长体部具有中心轴向氧气通道和一个或多个外围气体通道，所述中心轴向氧气通道设计成供应中心氧气射流，所述外围气体通道设计成在预热阶段-有时称为起动阶段-输送一个或多个可燃气体的外围射流，所述可燃气体的外围射流与氧气混合并燃烧以产生用于局部预热板的、称为加热火焰的燃烧火焰。

双氧气流喷嘴类似于简单喷嘴，但还包括与中心氧气通道流体连通的附加内部气体通道，所述附加内部气体通道设计成使部分中心氧气流转向成围绕中心切割氧气射流分布，以在切割期间产生围绕中心氧气射流的氧气屏障或封套。

本发明可借助于例如在图5和图6中示出的气体回路20执行，该气体回路连接至每个配设有喷嘴1的火炬2。

图5示出在“关闭”位置的回路20，也就是说在如图1至3所示的预热期间和从切割开始到工件5实际穿孔期间所必须采用的构型，而图6示出在“打开”位置的回路20，也就是说在如图4所示的在穿孔之后和在切割期间所必须采用的构型。

如可以看出的，气体回路20包括主气体通路23，该主气体通路具有用于加压氧气(O₂)-例如10bar的氧气-的入口21和流体连接至火炬的氧气出口22。

主通路23还包括阀，例如1/4回转阀，该阀特别是在切割期间(参见图4)控制气体是否在主通路中流动。

另外，回路20包括用于绕过阀24的旁通管线25，该旁通管线25配设有用于控制此旁通管线25中的流动压力(或流量)的气体压力调节器26，例如具有0bar至2bar的操作范围的调节器26。

当回路20处在如图5所示的“关闭”位置时，到达的高压(10bar)氧气经由入口21通过旁通管线25而不通过主管线23，因为阀24是关闭的。该气体随后在调节器26中膨胀至所期望的低压，例如0.5bar，以用于在朝火炬的方向流向出口22之前执行图1至3中所示的步骤。

一旦实现穿孔，阀24被打开，回路20再次处于图6的构型，以用于如图4中所示的实际切割。该气体随后基本沿主管线23流过阀，而未在其中膨胀。因此，气体在高压(10bar)下供应至火炬。

阀24可以为由数字CNC板或任何控制柜或适合的计算机自动地-甚至远程地-控置的电磁阀。

类似地，还可通过CNC或类似物自动地控制调节器26的压力水平。

事实上，切换阀24来改变氧气压力从而从根据本发明的工艺的一个步骤转到另一个步骤是必要的。

自然地，阀24被同步地切换或与火炬喷嘴远离或朝向待切割板的上表面的移动以及与如上所述的火炬与所述待切割板之间的相对位移移动相配合地切换。

可借助于支承件和紧固板或任何其它类似的系统将回路20及其各种部件附接至氧气切割机。

当并行使用数个火炬时，每个火炬可由其本身专用的气体供给管线回路20供给，或者可以用同一管线20向多个火炬供给气体。

Claims

1.一种用于氧气切割含铁的金属工件(5，5a，5b)的工艺，所述工艺采用至少一个配设有切割喷嘴(1)的火炬(2)，该工艺根据下列步骤进行：

a)借助于由可燃气体与氧气的燃烧所产生的火焰(3)来预热所述工件(5，5a，5b)的局部区域(6)；和

b)沿在步骤a)中被预热的所述局部区域(6)的方向供应处于第一压力和/或第一流量的气态氧以便开始穿孔，同时在切割方向(10)上移动所述火炬(2)，

其特征在于，所述工艺还包括如下步骤c)：

c)当已经在步骤b)中开始工件的穿孔之后，将沿开始穿孔的区域的方向供应的气态氧的压力和/或流量增大至第二压力和/或第二流量以便使所述工件(5，5a，5b)穿孔，所述第二压力和/或第二流量高于所述第一压力和/或第一流量。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，通过面向所述工件(5)的上表面(5a)定位的所述喷嘴(1)供应步骤a)的可燃气体和步骤a)、b)和c)的氧气。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤a)中，将工件预热到使该工件(5，5a，5b)的所述局部区域(6)至少达到该工件的金属的着火温度，优选地达到大于或等于1150℃的温度。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤b)中，还使所述喷嘴(1)远离工件的上表面移动，以将所述喷嘴定位在与所述工件(5)的上表面(5a)相距1cm-5cm，通常约2cm-3cm的穿孔距离(d)处。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，在已经使所述喷嘴(1)远离工件的上表面(5a)移动之后，但在工件(5)穿孔之前，相对于所述工件(5)移动所述喷嘴(1)，以便至少形成切口(9)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤c)中，使喷嘴(1)朝向工件(5)的上表面(5a)移动至形成0.5cm-1.5cm的切割距离(d’)，其中d’＜d，同时增大在穿孔区域的方向上供应的气态氧的压力和/或流量。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述氧气的第一压力低于约2bar，所述氧气的第二压力高于2bar，优选高于5bar。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺采用布置在数个火炬(2)上的数个切割喷嘴(1)，所述火炬(2)同时运行以便在所述工件(5，5a，5b)内同时地产生数个切口。

9.一种用于氧气切割工件(5，5a，5b)的设备，所述设备包括：

-至少一个配设有切割喷嘴(1)的火炬(2)；

-至少一个可燃气体源和至少一个氧气源，这些源向所述火炬供给所述可燃气体和所述氧气；

-用于向所述切割喷嘴(1)供应气态氧的装置，所述装置包括气体回路(20)；和

-用于沿工件(5)的切割路径移动所述火炬(2)的装置，

其特征在于，所述气体回路(20)包括主气体管线(21，22，23)和旁通管线(25)，所述主气体管线(21，22，23)设置有用于控制所述主通道(21，22，23)中的气体压力/流量的压力/流量控制装置(24)。

10.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括布置在数个火炬(2)，尤其12个以内的火炬，上的数个切割喷嘴(1)。