CN105252104B - 一种钢板的火焰切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚钢板的火焰切割方法，包括下述步骤:将三个火焰枪安装在火焰切割机的机头上，依次点燃火焰枪I、火焰枪II及火焰枪III的副火焰，之后点燃火焰枪III的主火焰并进行火焰调整，移动切割机机头，使火焰枪I处于待切割路径上，火焰枪II处于准备切割起始位置，火焰枪III的主火焰能够加热到待切割金属板材的下半部;当达到燃点温度时，打开切割氧阀门，在火焰枪达到待切割金属板材的终端时，关闭火焰枪。本发明提出了组合火焰切割原理，即通过使用三个火焰枪的系统组合及相应的功能分配来实现大厚度金属板的切割。本发明实现了超大厚度工件的顺利切割，而且提高了经济性。

Description

一种钢板的火焰切割方法

技术领域

本发明属于金属切割下料加工领域，具体涉及一种特厚尺寸钢板的火焰切割工艺方法，适合于重型设备制造企业。

背景技术

按照加工原理，金属的热切割下料分为火焰切割、等离子弧切割和激光切割。火焰切割属于金属的氧化切割，是利用火焰预热金属使其达到金属的燃点后给予纯氧使其氧化反应成低熔点的氧化熔渣，同时释放出大量热量来进一步加热待切割金属。目前常规火焰切割最大厚度可以达到1800mm。等离子弧切割是利用高温等离子弧加热熔化金属并将其吹开形成割缝的过程，属于熔化切割。但是，受电源功率的限制，其最大切割厚度目前仅能达到180mm。激光切割是高能束激光加热切割金属使其产生蒸发，因此属于蒸发切割。当然也可以向切割区域吹氧气形成氧化切割或吹氮气等相对惰性气体形成熔化切割。但是，由于受激光器功率限制，目前激光切割的极限厚度为30mm左右。因此，对于特厚尺寸的金属材料仍然需要采用火焰切割。

关于大厚度金属尺寸的火焰切割，目前国内外主要采用氧丙烷火焰进行切割，这主要是因为氧丙烷火焰具有温度适宜，火焰燃烧稳定性好且不易回火，火焰燃烧长度较一般气体燃料的火焰要长，可以加热较厚的金属，切割成本相对较低等原因。目前国内以哈焊所04重大专项“超大厚度钢锭火焰切割设备”项目组韩永馗等人利用氧丙烷火焰成功实现了3.5m厚合金钢金属板材的切割，达到世界先进水平，其切割系统如图1所示。据该技术的专利（专利号ZL201210471775.8）公告和公开报道的技术鉴定新闻介绍，该项火焰切割技术在切割基本理论方面仍然遵循传统的火焰切割理论，其基本创新点在于切割系统的创新和切割割嘴设计结构的突破。该项技术采用了以丙烷为燃料的等压内混或外混割嘴实现特定长度火焰燃烧，对于切割风线的切割氧通道则采用超音速设计原理进行了拉瓦尔结构设计。其割嘴结构如图2所示。从该项技术的现有资料介绍，在板厚为2000～3000mm时，割缝宽度为50～120mm，切割速度仅为5～35mm/min。因此，该项技术虽然实现了超大厚度工件的顺利切割，但是其经济性并不是十分令人满意的。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种钢板的火焰切割方法，解决了现有技术中切割特厚尺寸钢板效果不理想的问题。

本发明的方法包括下述步骤:

步骤1、将三个火焰枪安装在火焰切割机的机头上，调整三个火焰枪安装到一条线上；

步骤2、首先将切割机移到切割工件之外，依次点燃火焰枪I、火焰枪II及火焰枪III的副火焰，之后点燃火焰枪III的主火焰并进行火焰调整，使其燃烧稳定，火焰长度达到最长；

步骤3、移动切割机机头，使火焰枪I处于待切割路径上，火焰枪II处于准备切割起始位置，即待切割金属板材的上表面边缘上，火焰枪III的主火焰能够加热到待切割金属板材的下半部；

步骤4、当待切割金属板材的待切割部位温度达到燃点温度时，打开切割氧阀门，整个待切割金属板材的板厚上形成切割沟槽并顺利流淌下氧化熔渣时启动行走机构，在切割过程中，要保持火焰枪III的主火焰深入到已经形成的割缝内部；

步骤5、在火焰枪达到待切割金属板材的终端时，首先关闭火焰枪I，之后当火焰枪II到达切割终端并顺利结束，关闭火焰枪II的切割氧流，然后关闭预热火焰，最后依次关闭火焰枪III的主火焰和副火焰。

所述的火焰枪I采用焊枪或割枪，设置在切割火焰的前端，距离切割火焰在50～100mm内。

所述的火焰枪I加热待切割金属板材的表面，将表面的污物清理去除;火焰的燃料采用乙炔、丙烷或汽油,在加热时，火焰调整为中性焰。

所述的火焰枪II的作用是预热与切割，火焰枪II采用丙烷切割枪或汽油切割枪。

所述的火焰枪II喷射出的氧气流长度大于待切割金属板材的厚度。

所述的火焰枪II的切割氧通道采用拉瓦尔结构。

所述的火焰枪III是对待切割金属板材下半部区域的加热，火焰枪III采用的是丙烷或汽油切割枪，割嘴采用内混式或外混式。

所述的火焰枪III的燃烧火焰分为主、副两部分，副火焰是从火焰燃烧喷嘴喷出的火焰，副火焰继续加热金属并确保主火焰的稳定燃烧，副火焰的燃料采用气体燃料或者液体燃料；主火焰是从切割氧孔喷出的火焰，主火焰是深入到割缝底部对金属板材的下部区域加热，主火焰的燃料采用液体燃料或气体燃料；主火焰是燃料与氧气在混合通道经过混合后经过切割氧通道喷出后的燃烧火焰。

所述的火焰枪III的进气管路采用三通结构，其中一路为氧气管路，另一路为燃料管路，燃料管路的进口安装流量调节阀。

所述的火焰枪III的切割氧通道截面尺寸要小于火焰枪II的切割氧通道的截面尺寸，即，火焰枪III的主火焰的横截直径要小于割缝宽度。

本发明的优点效果如下：

本发明提出了组合火焰切割原理，即通过使用三个火焰枪的系统组合及相应的功能分配来实现大厚度金属板的切割。本发明实现了超大厚度工件的顺利切割，而且提高了经济性。火焰枪III的主火焰补充了厚板金属切割过程中下半部金属加热的热量，加速了下半部金属的氧化过程，减少了后拖量，相应地加速了切割速度。根据上述切割原理，本发明适用于厚度超过300mm以上厚的超大厚度金属钢锭等的直线切割切割，不适合于曲线路径的切割。由于本发明的火焰枪I和III都在切割过程中不参与氧化过程，仅只是预热过程，因此，对割缝宽度不产生大的影响。火焰枪I的火焰和火焰枪III的副火焰会加速切割金属的上表面加热速度，而火焰枪III的主火焰深入到割缝内部，其火焰能量绝大部分集中加热割缝下部金属，使割缝下部金属升温加快，提高了预热速度，从而使切割速度大幅提高。因此，本发明的切割方法切割与现有的切割方法相比，可提高切割速度50%以上。

附图说明

图1为现有技术金属板切割系统组成图。

图2为现有技术大厚度切割内混式割嘴结构图。

图3为现有技术的大厚度切割外混式割嘴结构图。

图4为本发明的三火焰组合切割原理示意图。

图5为本发明火焰枪III的结构示意图。

其中:1-待切割金属；2-清理工件表面的火焰；3-火焰枪I；4-三枪固定位置的连接板；5-火焰枪II；6-火焰枪I的氧气管；7-火焰枪I的燃料管；8-火焰枪II的燃料管；9-火焰枪II的预热氧管；10-火焰枪II的切割氧管；11-火焰枪III副火焰的燃料管；12-火焰枪III主火焰的燃料管；13-火焰枪III副火焰的氧气管，14-火焰枪III主火焰的氧气管；15-火焰枪III；16-预热火焰；17-火焰枪III副火焰；18-火焰枪II的切割氧流；19-火焰枪III主火焰；20-已形成的割缝。1501-主火焰通道；1502-副火焰通道。

具体实施方式

实施例

本发明的方法包括下述步骤:

步骤1、对于特厚度板材的切割需要采用机械手进行自动切割，因此，本系统需要选定在自动切割系统下，如龙门式三维切割系统。

步骤2、按照系统组成图4将三个火焰枪安装在火焰切割机的机头上，调整三个火焰枪要安装到一条线上。

步骤3、首先将切割机移到切割工件之外，点燃火焰枪I并调整火焰能率和性质。然后点燃火焰枪II并进行火焰能率和性质的调整。最后点燃火焰枪III的副火焰并调整其为中性焰，之后点燃主火焰并进行火焰调整，使其燃烧稳定，火焰长度达到最长。

步骤4、移动切割机机头，使火焰枪I处于待切割路径上，火焰枪II处于准备切割起始位置,待切割金属板材的上表面边缘上，火焰枪III的主火焰能够加热到金属板材的下半部。

步骤5、当待切割金属板材的待切割部位的温度达到燃点温度时，打开切割氧阀门，整个板厚上形成切割沟槽并顺利流淌下氧化熔渣时启动行走机构。在切割过程中，要保持火焰枪III的主火焰深入到已经形成的割缝内部。

步骤6、在火焰枪达到切割板材的终端时，首先关闭火焰枪I，之后当火焰枪II到达切割终端并顺利结束，关闭火焰枪II的切割氧流，然后关闭预热火焰，最后依次关闭火焰枪III的主火焰和副火焰。

在切割系统中，火焰枪I的作用是污物清理与初步预热。在切割前，预先通过火焰枪I加热待切割金属的表面，将表面的污物（铁锈、氧化皮或灰尘等）清理去除。该火焰枪喷嘴到工件距离可以稍远，以利于加热。该火焰枪可采用一把功率适中的焊枪或割枪，设置在切割火焰的前端，距离切割火焰在50～100mm内。火焰的燃料可采用乙炔、丙烷或汽油等。在加热时，火焰要调整为中性焰。火焰能率可根据工件表面的污物确定。根据工件的表面良好的情况下确定火焰枪I是否应用。

在切割系统中，火焰枪II的作用是预热与切割，该枪可采用丙烷切割枪或汽油切割枪。由于该枪的大小和能力决定了系统最终能够切割钢板的能力。因此要根据被切割工件的厚度要求选择该枪的类型和大小。对于一定厚度的切割材料，首先要求割枪能喷射出长度比板材厚度要长的氧气流（即风线）。满足这一要求的基本条件是提供切割所需的氧气压力和割枪的氧气流通道结构，如拉瓦尔结构等。

在切割系统中，火焰枪III的作用是对厚板金属下半部区域的加热，这是本发明的最关键点。火焰枪III采用的是丙烷或汽油切割枪，割嘴可采用内混式或外混式。火焰枪III的燃烧火焰可分为主、副两部分，副火焰是从火焰燃烧喷嘴喷出的火焰，其作用有两个方面，一是继续加热金属；二是确保主火焰的稳定燃烧。副火焰的燃料可采用气体燃料或者液体燃料，一般建议采用气体燃料为佳。主火焰是从切割氧孔喷出的火焰，其作用是深入到割缝底部对厚板金属的下部区域加热。为保证有足够火焰的长度，该火焰的燃料建议采用液体燃料，如汽油或乙醇汽油，当然也可采用气体燃料，如丙烷。

本发明的另一个创新点就是产生稳定的主火焰。主火焰是燃料与氧气在混合通道经过一定比例混合后经过火焰枪III的切割氧通道喷出后的燃烧火焰。由燃烧学知识可知，稳定燃烧的前提是燃料燃烧速度等于燃烧物的喷出速度。燃烧速度大于喷出速度会出现回火问题，而燃烧速度小于喷出速度则会出现离焰现象，形成不稳定燃烧。相对而言，割嘴的切割氧通道要远小于燃烧喷嘴的通道截面。因此，氧气和燃料混合物的喷出速度很快，远超出了火焰的燃烧速度往往会产生离焰现象。为保证主火焰的稳定燃烧，需要在主火焰周围一定范围内有稳定燃烧的副火焰存在。因此，副火焰和主火焰的燃料及氧气供应必须是分离的，调整副火焰要保证主火焰稳定燃烧。火焰枪III可采用普通的火焰切割枪体进行改造使用，具体思路是将切割氧的进气管路改造为三通结构，一路仍旧进氧气，另一路进燃料，在燃料的进口需安装流量调节阀。其结构如图4所示。

组合火焰切割的基本原理：从火焰切割的基本原理看，氧气切割属于金属的氧化过程。金属的氧化燃烧是在燃点温度下进行，因此金属燃烧前需要对其进行预热。对于厚度金属板材的氧化切割，需要在整个厚度方向上尽可能同时加热。从实现厚度方向金属的加热能量来源而言，热量是由两部分组成：第一部分是预热火焰提供的热量，这部分热量通过两个途径传递到板厚方向。第一个途径是大部分火焰加热工件上表面后通过金属热传导进行加热。第二个途径是小部分火焰从已切割形成的割缝口中深入到金属内部加热。由于割缝狭小，进入割缝内部火焰燃烧的二次燃烧过程受到所需空气量的限制，火焰长度缩短，导致这方面的加热热量和加热区域是非常有限的，对于大厚板金属的窄切缝更是如此。据权威的资料《焊接手册》介绍，预热火焰所提供的热量仅占预热金属所需热量的15%～30%。第二部分热量是金属氧化燃烧释放出的热量。这部分热量的数量与割缝金属的体积有关。割缝越宽，切割燃烧的金属越多，相应释放地热量越多，因此在厚板手工切割时，有资料介绍采用微幅横向摆动以加宽割缝。这部分热量中的大部分在切割过程中随着熔渣流淌消失，只有少部分通过熔渣与金属的充分接触传导给割缝前方的金属。因此，对于特厚板材火焰切割时，如果火焰能够深入到割缝的中下部分对待切割金属进行加热，将极大地提高待切割金属的预热速度，相应地提高切割速度或者减少对割缝宽度的要求。根据火焰加热覆盖面积的简单计算，在常规火焰切割工艺的预热火焰加热过程中，预热火焰只有很少一部分（大约在12～15%左右）能够深入割缝区域对下部金属进行预热。因此，特厚板中间及以下的待预热金属非常需要来自外部火焰的加热。

为保证火焰枪III的主火焰能够进入割缝内部，火焰枪III的切割氧通道截面尺寸要小于火焰枪II的切割氧通道II的截面尺寸，也就是说，尽可能保证主火焰的横截直径要小于割缝宽度。

在火焰枪III的主副火焰预热下，火焰枪II的预热火焰能率可以根据切割工件的预热情况进行适当减小。

以上所述是本发明的具体实施例，任何基于上述具体实施例的改变均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (9)

1.一种钢板的火焰切割方法，其特征在于包括下述步骤:

步骤1、将三个火焰枪安装在火焰切割机的机头上，调整三个火焰枪安装到一条线上;

步骤2、首先将切割机移到切割工件之外，依次点燃火焰枪I、火焰枪II及火焰枪III的副火焰，之后点燃火焰枪III的主火焰并进行火焰调整，使其燃烧稳定，火焰长度达到最长；

步骤3、移动切割机机头，使火焰枪I处于待切割路径上，火焰枪II处于

准备切割起始位置，即待切割金属板材的上表面边缘上，火焰枪III的主火焰能够加热到待切割金属板材的下半部;

步骤4、当待切割金属板材的待切割部位温度达到燃点温度时，打开切割氧阀门，整个待切割金属板材的板厚上形成切割沟槽并顺利流淌下氧化熔渣时启动行走机构，在切割过程中，要保持火焰枪III的主火焰深入到已经形成的割缝内部;

步骤5、在火焰枪达到待切割金属板材的终端时，首先关闭火焰枪I，之后当火焰枪II到达切割终端并顺利结束，关闭火焰枪II的切割氧流，然后关闭火焰枪II的预热火焰，最后依次关闭火焰枪III的主火焰和副火焰；

所述的火焰枪III的燃烧火焰分为主、副两部分，副火焰是从火焰燃烧喷嘴喷出的火焰，副火焰继续加热金属并确保主火焰的稳定燃烧，副火焰的燃料采用气体燃料或者液体燃料；主火焰是从切割氧孔喷出的火焰，主火焰是深入到割缝底部对金属板材的下部区域加热，主火焰的燃料采用液体燃料或气体燃料；主火焰是燃料与氧气在混合通道经过混合后经过切割氧通道喷出后的燃烧火焰。

2.根据权利要求1所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪I采用焊枪或割枪，设置在火焰枪II的切割火焰的前端，距离火焰枪II的切割火焰在50～100mm内。

3.根据权利要求1或2所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪I加热待切割金属板材的表面，将表面的污物清理去除;火焰的燃料采用乙炔、丙烷或汽油,在加热时，火焰调整为中性焰。

4.根据权利要求1所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪II的作用是预热与切割，火焰枪II采用丙烷切割枪或汽油切割枪。

5.根据权利要求1或4所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪II喷射出的氧气流长度大于待切割金属板材的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪II采用拉瓦尔结构。

7.根据权利要求1所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪III是对待切割金属板材下半部区域的加热，火焰枪III采用的是丙烷或汽油切割枪，割嘴采用内混式或外混式。

8.根据权利要求1所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪III的进气管路采用三通结构，其中一路为氧气管路，另一路为燃料管路，燃料管路的进口安装流量调节阀。

9.根据权利要求1所述的一种钢板的火焰切割方法，其特征在于所述的火焰枪III的切割氧通道截面尺寸要小于火焰枪II的切割氧通道的截面尺寸，即，火焰枪III的主火焰的横截直径要小于割缝宽度。