RU2330748C2

RU2330748C2 - Method of thermal oxygen-lance cutting of metals

Info

Publication number: RU2330748C2
Application number: RU2006130210/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Валентинович Каморин (RU); Владимир Валентинович Каморин; Владимир Иванович Белов (RU); Владимир Иванович Белов; Александр Григорьевич Зельцер (RU); Александр Григорьевич Зельцер; Леонид Константинович Павлушков (RU); Леонид Константинович Павлушков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Северсталь"
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-08-10
Also published as: RU2006130210A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention may be used for cutting of bulky steel solids, such as emergency scrap with thickness of up to 2 m and more, technological waste of steel-smelting and casting works. After creation of initial hearth of liquid melting and burning, working part of lance is cooled down to minimum possible speed of its burning, by means of highly-energetic lance jet supply with increased values of oxygen mass transfer and by means of installation of lance working part end with gap in respect of metal surface. Intensification of cutting process is achieved at the account of fuller and more intense burning of cut metal, which occurs as a result of intracavitary turbulence of highly-energetic lance jet of oxygen. Initial hearth of liquid melting and burning is created by instantaneous effect of electric arc, which is excited between the surface of cut metal and lance, and increase of oxygen mass transfer and creation of highly-energetic lance jet is carried out by means of higher oxygen pressure, which is supplied to the internal cavity of lance.

EFFECT: increase of metal cutting rate by means of highly-energetic oxygen jet supply into lance and reduction of steel lances consumption.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к экономичным способам кислородной резки металлов и применимо преимущественно для разделки крупногабаритных стальных массивов (аварийный скрап толщиной до 2 м и более, технологические отходы сталеплавильного и литейного производств - недоливки, бракованные слитки, блюмы, слябы и др.).The invention relates to cost-effective methods of oxygen cutting of metals and is mainly applicable for cutting large-sized steel massifs (emergency scrap up to 2 m or more thick, technological waste from steelmaking and foundry - underfilling, defective ingots, blooms, slabs, etc.).

Известна высокоэффективная термическая резка металлов и сплавов как один из основных технологических процессов, связанных с удалением небольших объемов металла методами химического и электрофизического воздействий с целью получения разнообразных заготовок («Сварка, резка, контроль», справочник в 2-х томах под общей редакцией Н.П.Алешина, Г.Г.Чернышева, Москва, издательство «Машиностроение», 2004 год, том 1, стр.596-606). В зависимости от источника энергии различают кислородную, плазменную, лазерную резку, а также электродуговые способы резки. При этом кислородная резка является наиболее распространенным в практике технологическим процессом термической резки.Known for highly efficient thermal cutting of metals and alloys as one of the main technological processes associated with the removal of small volumes of metal by chemical and electrophysical methods in order to obtain a variety of workpieces ("Welding, cutting, control", a 2-volume manual edited by N. P. Aleshina, G.G. Chernysheva, Moscow, Mashinostroenie Publishing House, 2004, Volume 1, pp. 596-606). Depending on the energy source, oxygen, plasma, laser cutting, as well as electric arc cutting methods are distinguished. At the same time, oxygen cutting is the most common technological process of thermal cutting in practice.

Недостатки всех способов термической резки в том, что для резки металлома большой толщины всегда требуются специальная аппаратура и особые приемы резки.The disadvantages of all methods of thermal cutting are that special equipment and special cutting techniques are always required for cutting thick metal.

В этом же источнике (стр.606) описан один из ближайших аналогов - кислородно-дуговая резка. Сущность этого способа термической резки в том, что между электродом и разрезаемой заготовкой возбуждается электрическая дуга, расплавляющая металл, который удаляется струей кислорода. При кислородно-дуговой резке кислород поступает в рез по внутреннему каналу металлического электрода (рис.9.53), покрытого специальным составом.In the same source (p. 606) one of the closest analogues is described - oxygen-arc cutting. The essence of this thermal cutting method is that between the electrode and the workpiece being cut, an electric arc is excited, melting the metal, which is removed by a stream of oxygen. During oxygen-arc cutting, oxygen enters the cut through the internal channel of a metal electrode (Fig. 9.53), coated with a special composition.

Недостатки этого способа - в постоянном расходовании дорогостоящих электродов, электроэнергии и кислорода, который расходуется в основном на выдувание крупных капель металла и шлаков. Поэтому способ неэкономичен для резки сталей.The disadvantages of this method are the constant consumption of expensive electrodes, electricity and oxygen, which is spent mainly on blowing large drops of metal and slag. Therefore, the method is uneconomical for cutting steel.

Известно, что все виды подогревающего пламени превосходит электрическая дуга, которая мгновенно выделяет большое количество теплоты и расплавляет металл (Эрих Брюнн, «Кислородная и электродуговая резка», перевод с немецкого, Москва, издательство «Машгиз», 1957 год, стр.219).It is known that all types of heating flames are superior to the electric arc, which instantly releases a large amount of heat and melts the metal (Erich Brunn, “Oxygen and Electric Arc Cutting”, translated from German, Moscow, Mashgiz Publishing House, 1957, p. 219).

Однако резка металла электрической дугой по сравнению с газопламенной резкой является совершенно неэкономичным процессом (там же, стр.197). Этот процесс должен применяться лишь в тех случаях, когда не представляется возможности выполнить работу по резке посредством газопламенный резки или же отсутствуют необходимые для нее горючий газ и кислород.However, cutting a metal with an electric arc compared to flame cutting is a completely uneconomical process (ibid., P. 197). This process should be used only in cases where it is not possible to carry out cutting work by means of flame cutting or if there is no combustible gas and oxygen necessary for it.

Известно струйное диспергирование расплавов - распыление расплавов газообразным энергоносителем с целью получения мелкопорошковых (дисперсных) металлических материалов, где разрушение струи металла происходит за счет кинетической энергии сжатого газа-воздуха, азота, аргона и др. (A.M.Сизов «Газодинамика и теплообмен газовых струй в металлургических процессах», Москва, издательство «Металлургия», 1987 год, стр.166-167). При этом установлено, что распыление начинается при дозвуковых скоростях газа около 100 м/сек (там же, стр.168).Known jet dispersion of melts is the spraying of melts with a gaseous energy carrier in order to obtain fine powder (dispersed) metal materials, where the destruction of a metal jet occurs due to the kinetic energy of compressed gas-air, nitrogen, argon, etc. (AMSizov “Gasdynamics and heat transfer of gas jets in metallurgical processes ", Moscow, publishing house" Metallurgy ", 1987, pp. 166-167). It was found that spraying begins at subsonic gas speeds of about 100 m / s (ibid., P. 168).

Метод получения дисперсных материалов диспергацией расплавов газовыми струями является одним из основных по объему выпускаемой продукции. На рис.76 «а» (там же, стр.197) показана схема взаимодействия плоскопараллельных потоков расплава и газа, а на рис.76 «в» (там же, стр.197) показаны четыре характерные зоны при осуществлении газовой диспергации расплавов и жидкостей (там же, стр.198, 199). При этом отмечается, что для различных технологических задач возможно достижение требуемой степени диспергации потока расплава путем соответствующей организации газового дутья, которое, тем не менее, носит полуэмпирический характер ввиду неполноты теоретических исследований по обоснованию гидрогазодинамики и явлений массопереноса в таких процессах (там же, стр.199). В некоторых работах (там же, стр.200) отдается предпочтение в исследовании диспергации экспериментальным работам, считая, что теоретически этот процесс в настоящее время, по-видимому, описан быть не может. Однако имеются работы (там же, стр.201) по расчету распределения мельчайших частиц при дроблении жидкости дозвуковыми и сверхзвуковыми газовыми струями, а также по расчетам вероятных размеров частиц в двухфазном потоке вышеуказанных характерных зон при распылении жидкого металла.The method of producing dispersed materials by dispersion of melts by gas jets is one of the main in terms of output. Fig. 76 "a" (ibid., P. 97) shows a diagram of the interaction of plane-parallel melt and gas flows, and Fig. 76 "c" (ibid., P. 97) shows four characteristic zones during gas dispersion of the melts and liquids (ibid., p .98, 199). It is noted that, for various technological problems, it is possible to achieve the required degree of dispersion of the melt flow by appropriate organization of gas blasting, which, however, is semi-empirical in view of the incompleteness of theoretical studies to substantiate hydrodynamics and mass transfer phenomena in such processes (ibid., P. 199). In some works (ibid., P. 200), experimental work is preferred in the study of dispersion, believing that, theoretically, this process apparently cannot be described at present. However, there are works (ibid., P. 201) on calculating the distribution of the smallest particles during liquid crushing by subsonic and supersonic gas jets, as well as on calculating the probable particle sizes in a two-phase flow of the above-mentioned characteristic zones during the atomization of liquid metal.

Особенно эффективно придание расплавленному металлу формы тонкой пленки (плоской или конической), которую можно разбить на мельчайшие частицы с меньшими затратами энергии (там же, стр.201). На рис.78 «в» представлена (там же, стр.204, 205) схема распада жидкой пленки, находящейся под воздействием околозвукового газового потока, при этом указана важная «вредная» особенность присутствия в газовой струе «окислительного газа» - превалирование потока «окислителя» к зоне реакции над потоком «окисляемых элементов», что обуславливает тотальный характер окисления компонентов металла, т.е. стадия химического взаимодействия протекает быстрее, чем стадия внешнего массопереноса, особенно при высоких энергетических характеристиках газового дутья.It is especially effective to give the molten metal a thin film (flat or conical) that can be broken down into tiny particles with less energy (ibid., P. 201). Fig. 78 “c” shows (ibid., P. 204, 205) a diagram of the decomposition of a liquid film under the influence of a transonic gas stream, while an important “harmful” feature of the presence of an “oxidizing gas” in the gas stream is the prevalence of the stream “ oxidizer ”to the reaction zone above the flow of“ oxidizable elements ”, which determines the total nature of the oxidation of the metal components, i.e. the stage of chemical interaction proceeds faster than the stage of external mass transfer, especially at high energy characteristics of gas blasting.

Описанная технология струйного диспергирования предназначена для специфических целей получения металлических порошков в среде инертного газа, т.е. при отсутствии экзотермических реакций, идущих с выделением тепла (а, именно, в основном без химических реакций железа и его окислов с кислородом, в зависимости от требуемой точности и чистоты технологии). Но при этом гидродинамические закономерности этой технологии струйного диспергирования в смысле тепломассопереноса в двухфазных газодисперсных системах с высокой интенсивностью межфазового переноса применимы к описанию предложенного здесь технического решения (до момента их быстрого принудительного охлаждения и кристаллизации мелкодисперсных порошков). Например, в другом книжном источнике (Сизов A.M., «Диспергирование расплавов сверхзвуковыми газовыми струями», Москва, издательство «Металлургия», 1991 г., стр.117) описаны научно-практические исследования двухфазных газогидродинамических систем типа «газовзвесь», в которых показано, что двухфазные системы с высокой интенсивностью межфазового переноса являются перспективными рабочими телами, которые способны существенно интенсифицировать процессы переноса, повысить термодинамический к.п.д. цикла при преобразовании энергии. При этом академические эксперименты показали, что при интенсификации турбулентного обмена в двухфазных системах (например, при ударном взаимодействии близко расположенных потоков газовзвеси, похожем на предложенное техническое решение) эффективный коэффициент межфазового тепломассопереноса возрастает при этом на 1-2 порядка по сравнению с обычной газовзвесью (т.е. в десятки и сотни раз, в зависимости от параметров турбулентности в двухфазной системе).The described technology of jet dispersion is intended for specific purposes of producing metal powders in an inert gas medium, i.e. in the absence of exothermic reactions involving heat (namely, mainly without chemical reactions of iron and its oxides with oxygen, depending on the required accuracy and purity of the technology). But at the same time, the hydrodynamic laws of this jet dispersion technology in the sense of heat and mass transfer in two-phase gas-dispersed systems with a high interphase transfer rate are applicable to the description of the technical solution proposed here (until they are quickly forced to cool and crystallize fine powders). For example, in another book source (Sizov AM, “Dispersion of melts by supersonic gas jets”, Moscow, Metallurgy publishing house, 1991, p. 117), scientific and practical studies of two-phase gas-hydrodynamic systems of the “gas suspension” type are described, which show that two-phase systems with a high intensity of interphase transfer are promising working fluids that can substantially intensify transfer processes and increase the thermodynamic efficiency energy conversion cycle. At the same time, academic experiments showed that upon intensification of turbulent exchange in two-phase systems (for example, when the shock interaction of closely spaced gas suspension flows is similar to the proposed technical solution), the effective interphase heat and mass transfer coefficient increases by 1-2 orders of magnitude compared to a conventional gas suspension (t .e. tens and hundreds of times, depending on the parameters of turbulence in a two-phase system).

Известно также, что большинство усовершенствований способов кислородной резки касались в основном повышения качества реза при разделительной резке и ее экономичности. Многочисленными исследованиями было установлено, что экономичность и качество обеспечивается, в основном, относительно низким давлением режущего кислорода и специфически сложной формой сопла («Газовая резка металлов кислородом низкого давления», издательство г.Донецк, «Донбасс», 1968 год, стр.5-13). При этом, конечно, не было экономической и технической возможности и необходимости полностью использовать основное преимущество термической кислородной резки - теоретически полное возможное выделение тепла при экзотермических реакциях окисления железа кислородом, т.к. содержание неокисленного железа в выдуваемых шлаках составляло от 4,6 до 40% (там же, стр.8). При этом всегда признавалось, что процесс окисления металла при резке происходит главным образом путем диффузии разогретого металла через жидкую пленку окислов к струе кислорода, поэтому для получения максимальных скоростей резки необходимо обеспечить быстрое удаление окислов и минимальную толщину окисной пленки. Этого можно достигнуть, подавая в зону реакции кислородную струю, обладающую максимальной кинетической энергией, направленную вдоль потока и сохраняющую на большом протяжении постоянную цилиндрическую форму (там же, стр.5, 6).It is also known that most of the improvements in oxygen cutting methods relate mainly to improving the quality of the cut during separation cutting and its economy. Numerous studies have found that cost-effectiveness and quality is ensured mainly by the relatively low pressure of cutting oxygen and the specifically complex nozzle shape (“Gas cutting of metals with low-pressure oxygen”, Donetsk publishing house, Donbass, 1968, p. 5- 13). In this case, of course, there was no economic and technical feasibility and the need to fully use the main advantage of thermal oxygen cutting - the theoretically complete possible heat release during exothermic reactions of iron oxidation with oxygen, because the content of unoxidized iron in blown slags ranged from 4.6 to 40% (ibid., p. 8). At the same time, it was always recognized that the process of metal oxidation during cutting occurs mainly by diffusion of the heated metal through a liquid film of oxides to an oxygen stream, therefore, to obtain maximum cutting speeds, it is necessary to ensure rapid removal of oxides and a minimum thickness of the oxide film. This can be achieved by supplying an oxygen stream with a maximum kinetic energy to the reaction zone, directed along the flow and retaining a constant cylindrical shape for a long distance (ibid., Pp. 5, 6).

Классическим отправным моментом в этих усовершенствованиях стало положение о том, что кинетическую энергию струи кислорода

необходимо повышать не за счет плотности «m» кислорода (т.е. повышения его давления), а только за счет квадрата скорости «V» струи (этому способствовало множество объективных положительных качеств кислородной резки при низком давлении, описанных там же на стр.6-8), т.е. фактически только за счет уменьшения сопротивлений в сопле с непременным давлением вытекающей из сопла струи, равным давлению окружающей атмосферы, при котором резка осуществляется малотурбулентной, стабилизированной и успокоенной кислородной струей (там же, стр.5). Таким образом, высокая турбулентность режущей кислородной струи (по объективным причинам) была признана полностью несоответствующей условиям качества и эффективности кислородной резки.The classic starting point in these improvements was the position that the kinetic energy of an oxygen jet

it is necessary to increase not due to the density “m” of oxygen (that is, an increase in its pressure), but only due to the squared velocity “V” of the jet (this was facilitated by the many objective positive qualities of oxygen cutting at low pressure, described there on page 6 -8), i.e. in fact, only due to a decrease in the resistance in the nozzle with the indispensable pressure of the jet flowing out of the nozzle equal to the pressure of the surrounding atmosphere, at which the cutting is carried out by a low-turbulent, stabilized and soothing oxygen stream (ibid., p. 5). Thus, the high turbulence of the cutting oxygen jet (for objective reasons) was recognized as completely inadequate for the quality and efficiency of oxygen cutting.

В частности, при использовании простейшего цилиндрического сопла (там же, стр.12) можно получить только дозвуковые и звуковые скорости истечения кислорода, при этом звуковые скорости достигаются только при критическом давлении перед соплом, т.е. при давлении 0,923 кг/см². При увеличении давления выше критического скорость истечения не увеличивается, а лишь расширится струя на выходе, исказится полость реза и произойдет «бесполезная и вредная» потеря потенциальной энергии сжатого кислорода (вследствие высокой турбулентности струи).In particular, when using the simplest cylindrical nozzle (ibid., P. 12), it is possible to obtain only subsonic and sound velocities of oxygen outflow, while sound velocities are achieved only at a critical pressure in front of the nozzle, i.e. at a pressure of 0.923 kg / cm ² . With an increase in pressure above the critical, the outflow velocity does not increase, but only the jet at the outlet will expand, the cut cavity will distort, and a “useless and harmful” loss of potential energy of compressed oxygen will occur (due to the high turbulence of the jet).

При этом также известно, что при разделке крупногабаритных изделий в скрап для металлургических агрегатов кислородная резка просто незаменима (Эрих Брюнн, «Кислородная и электродуговая резка», перевод с немецкого, Москва, издательство «Машгиз», 1957 год, стр.17), а усовершенствованная кислородно-порошковая резка применима фактически для любых, в том числе нестальных, материалов (там же, стр.175). Несмотря, например, на высокую стоимость порошковой резки и применяемого оборудования, автор делает логичный вывод, что при сопоставлении экономичности следует, в сущности, проводить сравнение не с обычной дешевой кислородной резкой, а с теми процессами, которые применялись ранее, т.к. при порошковой резке экономия в стоимости затраченной работы и инструмента настолько значительна, что достигается существенное повышение производительности труда.It is also known that when cutting large-sized products into scrap for metallurgical units, oxygen cutting is simply irreplaceable (Erich Bryunn, “Oxygen and Electric Arc Cutting”, translated from German, Moscow, Mashgiz Publishing House, 1957, p. 17), and advanced oxygen-powder cutting is applicable to virtually all materials, including non-steel ones (ibid., p. 175). Despite, for example, the high cost of powder cutting and the equipment used, the author makes a logical conclusion that when comparing profitability, in essence, a comparison should be made not with ordinary cheap oxygen cutting, but with those processes that were used previously, because in powder cutting, the savings in the cost of work and tools are so significant that a significant increase in labor productivity is achieved.

Известен способ разделки металлического скрапа, бетона, песчаника, других неметаллических материалов - кислородно-копьевая резка, т.е. прожигание отверстий глубиной до 4 метров кислородным копьем («Сварка, резка, контроль», справочник в 2-х томах под общей редакцией Н.П.Алешина, Г.Г.Чернышева, Москва, издательство «Машиностроение», 2004 год, том 1, стр.605). Сущность этого метода заключается в том, что в стальную трубку, нагретую на конце пламенем ацетиленокислородной горелки или другим источником нагрева, подается кислород. Жидкие оксиды, получающиеся при горении концевой части трубки, разогревают разрезаемый материал до температуры плавления, кроме того, они реагируют со многими тугоплавкими металлами расплавленного материала, образуя жидкотекущие шлаки. Шлаки удаляются из отверстия избыточной струей кислорода в зазор между образовавшимся отверстием и наружной поверхностью трубки.A known method of cutting metal scrap, concrete, sandstone, other non-metallic materials - oxygen-spear cutting, i.e. burning holes up to 4 meters deep with an oxygen spear (“Welding, Cutting, Control”, a 2-volume manual edited by N.P. Aleshin, G.G. Chernyshev, Moscow, Mashinostroenie publishing house, 2004, volume 1 , p. 605). The essence of this method is that oxygen is supplied to a steel tube heated at the end with an acetylene flame or other heat source. Liquid oxides obtained by burning the end of the tube heat up the material being cut to the melting temperature, in addition, they react with many refractory metals of the molten material, forming liquid-flowing slags. Slag is removed from the hole with an excess stream of oxygen in the gap between the formed hole and the outer surface of the tube.

Известен наиболее близкий к заявленному способ термической кислородно-копьевой резки металлов, при котором для увеличения тепловой мощности копья внутрь трубки закладывают стальной пруток, а для начального нагрева копья его включают в электрическую цепь источника сварочного тока (Г.Б.Евсеев, Д.Л.Глизманенко «Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов», Москва, издательство «Машиностроение», 1974 год, стр.227, 266-275). При этом начало резки происходит со «всплеском» металла из первоначального очага расплавления при высоком давлении до 20 атм (там же, стр.227), а при свободном горении конца копья в кислороде, подаваемом внутрь трубки, происходит лишь разбрызгивание окислов (шлаков), образующихся при интенсивном горении железа, без образования режущего факела как такового (там же, стр.269). Таким образом, разделительная резка кислородным копьем имеет несколько другую природу, отличную от разделительной резки насквозь всей толщины металла, связанную обычно с расплавлением металла по всей толщине высокотемпературным и узконаправленным в направлении резки длинным пламенем - факелом (там же, стр.269), т.е. при резке кислородным копьем шлаки выдуваются из отверстия в направлении, обратном направлению подачи кислорода, и обязательно при прижатии конца копья к разрезаемому материалу с усилием 30-60 кг для преодоления сопротивления застывающих шлаков. Различными передвижениями и наклонами копья, в том числе пилообразными движениями, вырезают в материале не только отверстия, но и плоскостные разрезы площадью в несколько квадратных метров, при этом длина копьевой трубки может достигать 8 метров (т.к. выдуваемые шлаки летят в направлении резчика, который передвигает длинное копье).The closest to the claimed method of thermal oxygen-spear cutting of metals is known, in which, to increase the thermal power of the spear, a steel bar is laid inside the tube, and for the initial heating of the spear it is included in the electric circuit of the welding current source (G. B. Evseev, D.L. Glizmanenko “Equipment and technology for the flame treatment of metals and nonmetallic materials”, Moscow, Mashinostroenie publishing house, 1974, pp. 227, 266-275). At the same time, the beginning of cutting occurs with a “burst” of metal from the initial melting center at high pressure up to 20 atm (ibid., P. 227), and when the end of the spear is freely burned in oxygen supplied to the tube, only oxide (slag) is sprayed, formed during intense burning of iron, without the formation of a cutting torch as such (ibid., p. 269). Thus, dividing cutting with an oxygen spear has a slightly different nature, different from dividing through and through the entire thickness of the metal, usually associated with the melting of the metal over the entire thickness by a high flame and a long flame narrowly oriented in the direction of cutting (torch (ibid., P. 269), t. e. when cutting with an oxygen spear, the slag is blown out of the hole in the direction opposite to the oxygen supply direction, and it is necessary when the end of the spear is pressed against the material being cut with a force of 30-60 kg to overcome the resistance of solidifying slags. By various movements and inclinations of the spear, including sawtooth movements, not only holes are cut out in the material, but also plane cuts with an area of several square meters, while the length of the spear tube can reach 8 meters (since the blown slags fly in the direction of the cutter, which moves a long spear).

Кислородно-копьевая резка, наряду с ее фактической незаменимостью для разделки металлического скрапа, имеет следующие серьезные недостатки, как, например:Oxygen-spear cutting, along with its actual indispensability for cutting metal scrap, has the following serious disadvantages, such as:

- большой расход дорогостоящих сгорающих копьевых трубок;- high consumption of expensive burning lance tubes;

- большая, до 60 мм и более, ширина реза (превосходящая диаметр копьевой трубки в 3-4 раза), т.е. повышенный расход металла на безвозвратный угар;- large, up to 60 mm or more, cutting width (exceeding the diameter of the spear tube by 3-4 times), i.e. increased metal consumption for irretrievable waste;

- относительно низкая производительность резки, зависящая в основном от интуиции и квалификации резчика;- relatively low cutting performance, depending mainly on the intuition and skill of the cutter;

- повышенная опасность и плохие условия труда из-за выдувания части шлаков и газов в сторону резчика.- increased danger and poor working conditions due to blowing part of the slag and gases towards the cutter.

Технический результат изобретения - повышение производительности и экономичности процесса резки за счет подачи высокоэнергетичной копьевой струи высокой турбулентности для обеспечения полного и интенсивного сгорания разрезаемого металла.The technical result of the invention is to increase the productivity and efficiency of the cutting process by supplying a high-energy spear jet of high turbulence to ensure complete and intense combustion of the cut metal.

Технический результат изобретения достигается тем, что после создания первоначального очага жидкого расплавления и сгорания рабочую часть копья охлаждают до минимально возможной скорости ее сгорания, для чего осуществляют подачу высокоэнергетичной копьевой струи с повышенными значениями массопереноса кислорода и установку торца рабочей части копья с зазором относительно поверхности металла, а при резке металла обеспечивают подачу высокоэнергетичной копьевой струи кислорода высокой турбулентности для обеспечения полного и интенсивного сгорания разрезаемого металла, первоначальный очаг жидкого расплавления и сгорания создают кратковременным воздействием электрической дуги, возбуждаемой между поверхностью разрезаемого металла и копьем, повышенные значения массопереноса кислорода обеспечивают за счет подачи во внутреннюю полость копья кислорода повышенного давления.The technical result of the invention is achieved by the fact that after creating the initial focus of liquid melting and combustion, the working part of the spear is cooled to the lowest possible rate of its combustion, for which a high-energy spear jet with increased oxygen mass transfer and the end face of the working part of the spear are installed with a gap relative to the metal surface, and when cutting metal, they provide a high-energy lance jet of oxygen of high turbulence to ensure full and intensive For the combustion of the metal being cut, the initial focus of liquid melting and combustion is created by the short-term action of an electric arc excited between the surface of the metal being cut and the spear, the increased mass transfer of oxygen is ensured by supplying increased pressure to the internal cavity of the spear.

На фиг.1 изображена схема создания первоначального очага расплавления и сгорания; на фиг.2 - схема диспергирования, сгорания и удаления частиц из первоначального очага с контактированием с другими поверхностными или глубинными участками разрезаемого материала.Figure 1 shows a diagram of the creation of the initial source of melting and combustion; figure 2 - diagram of the dispersion, combustion and removal of particles from the original source with contact with other surface or deep sections of the material being cut.

Способ термической кислородно-копьевой резки осуществляется следующим образом (фиг.1, 2).The method of thermal oxygen-spear cutting is as follows (figure 1, 2).

Вначале создают первоначальный очаг 1 жидкого расплавления и сгорания между поверхностью 2 разрезаемого массива 3 и копьем 4, например, посредством кратковременного воздействия электрической дуги 5, возбуждаемой между поверхностью 2 и копьем 4 (фиг.1).First, create the initial focus 1 of liquid melting and combustion between the surface 2 of the cut array 3 and the spear 4, for example, by short-term exposure to an electric arc 5, excited between the surface 2 and the spear 4 (figure 1).

После создания очага 1 (или заблаговременно) подают высокоэнергетичную струю 6 избыточного кислорода, отключают электрическую дугу 5 и посредством поданной струи 6 диспергируют жидкие продукты расплавления (т.е. воздействуют на расплав посредством мощного разрушающего воздействия, в том числе со всплесками жидкого металла и с его мельчайшим распылением, высокоэнергетичной турбулентной копьевой струей 6 избыточного кислорода (фиг.2) из копья 4, например, истекающей из торца 7 копья 4 с дозвуковой скоростью с большим избыточным давлением). Если в период создания первоначального очага 1 жидкого расплавления и сгорания происходит интенсивное горение как копья 4, так и разрезаемого массива 3, то для перехода в экономичный установившийся режим резания энергетичность струи 6 должна быть настолько высокой и турбулизованной, чтобы торец 7 копья 4 постоянно охлаждался мощным потоком кислорода до минимально возможной скорости сгорания материала торца 7 (а при наиболее оптимальных параметрах кислородной струи - до полной остановки процесса горения копья 4). При этом процесс горения происходит, в основном, за счет горения железа и других элементов, содержащихся в материале разрезаемого массива 3.After creating the source 1 (or in advance), a high-energy jet of excess oxygen 6 is supplied, the electric arc 5 is turned off, and the molten products are dispersed by means of the supplied jet 6 (i.e., they act on the melt by means of a powerful destructive action, including bursts of liquid metal and its smallest atomization, high-energy turbulent spear jet 6 of excess oxygen (figure 2) from spear 4, for example, outflowing from end face 7 of spear 4 with subsonic speed with high overpressure). If during the creation of the initial source 1 of liquid melting and combustion intense burning of both spear 4 and the cut array 3 occurs, then in order to switch to an economically stable cutting mode, the energy of the jet 6 must be so high and turbulent that the end face 7 of the spear 4 is constantly cooled by powerful the flow of oxygen to the minimum possible rate of combustion of the material of the end face 7 (and at the most optimal parameters of the oxygen stream - to a complete stop of the combustion process of the spear 4) In this case, the combustion process occurs mainly due to the combustion of iron and other elements contained in the material of the cut massif 3.

При таком переходе в установившийся режим с более полным химическим окислительным реагированием количество выдуваемых жидких шлаков уменьшается (с увеличением газообразных продуктов горения, подобных фазе «газовзвесь»). Поэтому вышеописанное в прототипе обязательное прижатие конца копья к разрезаемому материалу с усилием 30-60 кг для преодоления сопротивления застывающих шлаков фактически уменьшается и трансформируется в усилие другого физического процесса, а именно, в реактивную силу (увеличивающуюся по сравнению со способом-прототипом, где реактивная сила очень мала из-за горения конца концевой трубки). В предлагаемом способе реактивная сила появляется при истечении строго направленной высокоэнергетичной струи кислорода с высокотурбулизированным факелоподобным горением, т.к. горения конца копьевой трубки с частичной нейтрализацией реактивной силы фактически не происходит. Поэтому при любом усилии прижатия конца копья к разрезаемому материалу (большему реактивной силы) в сгораемом материале постоянно образуются быстроменяющиеся высокотурбулизированные полости горения (но не с точечным горением, как в способе-прототипе, а с факелоподобным горением). Однако этот экономичный режим при очень сильном прижатии копья может переходить в режим способа-прототипа с горением трубки.With such a transition to a steady state with a more complete chemical oxidative reaction, the amount of blown liquid slag decreases (with an increase in gaseous products of combustion, similar to the phase "gas suspension"). Therefore, the above-described in the prototype, the mandatory pressing of the end of the spear to the material being cut with a force of 30-60 kg to overcome the resistance of solidifying slags actually decreases and transforms into the force of another physical process, namely, the reactive force (increasing in comparison with the prototype method, where the reactive force very small due to the burning end of the end tube). In the proposed method, the reactive force appears when a strictly directed high-energy jet of oxygen with highly turbulent torch-like combustion expires, because burning of the end of the lance tube with partial neutralization of the reactive force does not actually occur. Therefore, with any effort to press the end of the spear to the material being cut (more reactive force), rapidly changing highly turbulent combustion cavities constantly form in the combustible material (but not with point burning, as in the prototype method, but with torch-like burning). However, this economical mode with a very strong pressing of the spear can go into the mode of the prototype method with the burning of the tube.

В высокотурбулизированной копьевой струе 6 происходят интенсивные процессы массо- и теплопереноса, диспергирование и окисление образовавшихся мельчайших частиц, выделение больших количеств тепла экзотермических реакций с контактированием и расплавлением других поверхностных участков 8, 9 или глубинных участков 10, в зависимости от направления копьевой струи 6 (угла наклона копья 4 к поверхности 2). При этом из-за высокоэнергетичности струи 6 вышеописанные процессы происходят очень быстро, лавинообразно (диспергирование, сгорание, выделение тепла, нагревание и расплавление соседних глубинных или поверхностных слоев материала, диспергирование и т.д.).Intensively mass-and heat transfer processes, dispersion and oxidation of the smallest particles formed, highly heat exothermic reactions with contacting and melting of other surface sections 8, 9 or deep sections 10, depending on the direction of the spear jet 6 (angle tilt spears 4 to the surface 2). Moreover, due to the high-energy jet 6, the above processes occur very quickly, like an avalanche (dispersion, combustion, heat generation, heating and melting of adjacent deep or surface layers of the material, dispersion, etc.).

Поэтому в связи с наиболее полным сгоранием элементарного железа и его окислов, а также других элементов, содержащихся в массиве 3 (из-за его дисперсного распыления, из-за малого остаточного содержания железа в шлаках, из-за увеличения доли газообразных продуктов сгорания) становится возможным стабилизировать процесс горения и уменьшить расход материала дорогостоящих трубок копья 4. Этого достигают, например, вышеописанным охлаждением рабочей части копья 4 (например, концевого участка 11 копья 4, непосредственно прилегающего к торцу 7 копья) до температур, значения которых меньше температур минимально возможной скорости сгорания материала, из которого состоит копье 4 (например, до температуры в пределах 1050°C, при которой воспламеняется чистое железо, или, например, до температуры в пределах 1300°C, при которой воспламеняется углеродистое железо).Therefore, due to the most complete combustion of elemental iron and its oxides, as well as other elements contained in array 3 (due to its dispersed atomization, due to the low residual iron content in slags, due to an increase in the proportion of gaseous products of combustion), it is possible to stabilize the combustion process and reduce the material consumption of the expensive spear tubes 4. This is achieved, for example, by the above-described cooling of the working part of the spear 4 (for example, the end section 11 of the spear 4 directly adjacent to the end face 7 of the spear ) to temperatures below which are the minimum possible rate of combustion of the material of which the spear 4 consists (for example, to a temperature within 1050 ° C at which pure iron ignites, or, for example, to a temperature within 1300 ° C at which ignited carbon iron).

Охлаждение концевого участка 11 копья 4 и его торца 7 в таких экстремальных условиях возможно, например, посредством экстремального увеличения градиента (перепада) температур на очень коротком концевом участке 11, расположенном в непосредственной близости к торцу 7 копья 4. Такого скачкообразного увеличения градиента температур, когда горение торца 7 и, соответственно, копья 4, прекращается, можно достичь, например, значительным увеличением массопереноса кислорода во внутренней полости копья за счет увеличения давления кислорода, в т.ч. и в выходном сечении торца 7 копья 4. Кислород хотя и перегревается в выходном сечении торца 7, но за счет своей высокой плотности при повышенном давлении больше охлаждает концевой участок 11 и торец 7, чем при применяемой в способе-прототипе обычной плотности при обычном давлении кислорода (даже при одинаковой, например при дозвуковой или звуковой, скорости в обоих способах).Cooling of the end portion 11 of the spear 4 and its end 7 under such extreme conditions is possible, for example, by an extreme increase in the temperature gradient (difference) in a very short end portion 11 located in close proximity to the end 7 of the spear 4. Such an abrupt increase in the temperature gradient when the combustion of the end face 7 and, accordingly, of the spear 4, ceases, it is possible to achieve, for example, a significant increase in the mass transfer of oxygen in the internal cavity of the spear due to an increase in oxygen pressure, incl. and in the output section of the end face 7 of the spear 4. Oxygen, although it overheats in the output section of the end face 7, due to its high density at higher pressure, it cools the end section 11 and end 7 more than with the usual density used in the prototype method under ordinary oxygen pressure (even at the same speed, for example, at subsonic or sound speed, in both methods).

Кроме того, в предлагаемом способе становится возможным не прижимать торец 7 копья 4 к расплавляемому массиву 3 (с усилием до 60 кг для преодоления сопротивления застывающих шлаков при бесфакельном горении конца копья, как в способе-прототипе), а появляется возможность незначительно охлаждать торец 7 и концевой участок 11 копья 4 путем поддержания оптимальных расстояний торца 7 от расплавленных пленок глубинных участков 10 массива 3 (при этом такие оптимальные расстояния желательны не только для охлаждения торца 7, но и для возможности факелоподобного горения образующегося дисперсного горючего материала при его мощной турбулизации, а также для оптимальных возможностей образования внутри разрезаемого материала множества постоянно изменяющихся полостей высокотурбулентного массо- и теплопереноса).In addition, in the proposed method, it becomes possible not to press the end face 7 of the spear 4 to the molten mass 3 (with a force of up to 60 kg to overcome the resistance of solidifying slags during flameless burning of the end of the spear, as in the prototype method), and it becomes possible to slightly cool the end face 7 and the end portion 11 of the spear 4 by maintaining the optimal distances of the end face 7 from the molten films of the deep sections 10 of the array 3 (such optimal distances are desirable not only for cooling the end face 7, but also for the possibility of torch the combustion of the resulting dispersed combustible material during its powerful turbulization, as well as for the optimal possibilities of the formation of many constantly changing cavities of highly turbulent mass and heat transfer inside the material being cut).

Диспергирование (распыление) жидкого материала особенно эффективно внутри разрезаемого массива 3 в этих закрытых и постоянно изменяющихся полостях, где факелоподобное турбулентное диспергирование и горение окисных пленок происходит, тем не менее, в основном по направлению турбулентной копьевой струи 6, поэтому из-за высокой скорости процесса изменения пленочно-твердых полостей безвозвратная теплопередача через стенки реза намного уменьшается по сравнению с безфакельной, распространяющейся во все стороны теплопередачей от точечного горения материала концевой трубки в способе-прототипе. Поэтому предлагаемый способ можно считать переходным процессом между известными кислородно-порошковой резкой (без использования копья) и кислородно-копьевой резкой (в том числе из-за высокой дисперсности сгораемого материала).The dispersion (spraying) of the liquid material is especially effective inside the cut array 3 in these closed and constantly changing cavities, where the torch-like turbulent dispersion and combustion of oxide films occurs, however, mainly in the direction of the turbulent spear jet 6, therefore, due to the high speed of the process changes in film-hard cavities, irrevocable heat transfer through the walls of the cut is much reduced compared to flareless, which propagates in all directions from the point burning end pipe material in the prototype method. Therefore, the proposed method can be considered a transition process between the known oxygen-powder cutting (without using a spear) and oxygen-spear cutting (including due to the high dispersion of the combustible material).

Таким образом, добавляя к общепризнанному обычному процессу окисления металла при копьевой резке путем нагревания от точечного источника и диффузии разогретого металла через жидкую пленку окислов к струе кислорода новый интенсифицирующий процесс, а именно, подачу в зону реакции высококинетического (высокоэнергетичного) избыточного потока кислорода высокого давления (в том числе и для охлаждения копья) при его чрезвычайно высокой турбулентности, вызываемой простейшей цилиндрической «неэкономичной» формой сопла-трубки, получаем новый способ факелоподобной кислородно-копьевой резки. В этом новом способе турбулентность еще более увеличивается в быстро развивающейся узкой полости реза внутри разрезаемого материала, при этом постоянно разрушаются все вновь возникающие тончайшие пленки окислов. При установившемся режиме нового способа немедленно диспергируют как бы взрывным процессом фактически весь плавящийся материал как в виде чистого железа, так и в виде его окислов или других материалов и сжигают его во множестве микро- и макротурбулентных струй кислорода в экзотермических реакциях с выделением большого количества тепла в кратчайшее время (что является определяющим условием высокой скорости как поверхностной, так и глубинной разделительной резки). При этом тепло в основном воздействует в направлении массопереноса (т.е. в направлении основной струи избыточного кислорода), а высокая турбулизация струи способствует не только полному сгоранию материала массива, но и выдуванию прореагировавших в факелоподобной турбулентной струе кислорода шлаков и газов из полостей реза.Thus, adding to the generally accepted conventional process of metal oxidation during spear cutting by heating from a point source and diffusion of the heated metal through a liquid film of oxides to an oxygen stream, a new intensifying process, namely, supplying a highly kinetic (high-energy) excess stream of high pressure oxygen to the reaction zone ( including for cooling the spear) with its extremely high turbulence caused by the simplest cylindrical “uneconomical” nozzle-tube shape, we get new fakelopodobnoy method of oxygen cutting lances. In this new method, turbulence is further increased in the rapidly developing narrow cutting cavity inside the material being cut, while all the newly emerging thinnest oxide films are constantly destroyed. In the established regime of the new method, virtually all the melting material is immediately dispersed, as if by an explosive process, both in the form of pure iron and in the form of its oxides or other materials, and it is burned in a variety of micro- and macroturbulent jets of oxygen in exothermic reactions with the release of a large amount of heat in the shortest time (which is the determining condition for the high speed of both surface and deep dividing cutting). In this case, heat mainly acts in the direction of mass transfer (i.e., in the direction of the main stream of excess oxygen), and high turbulization of the stream contributes not only to the complete combustion of the array material, but also to blowing out slags and gases that have reacted in the torch-like turbulent stream of oxygen from the cut cavities.

Технико-экономические преимущества способа термической кислородно-копьевой резки - повышение производительности и экономичности резки, уменьшение безвозвратного угара металла с уменьшением ширины реза, экономия ленточных трубок и улучшение условий труда резчика.Technical and economic advantages of the method of thermal oxygen-spear cutting - increasing productivity and cutting efficiency, reducing the irrevocable burning of metal with reducing the width of the cut, saving tape tubes and improving working conditions of the cutter.

Claims

1. A method of thermal oxygen-spear cutting of metals, including the creation of an initial focus of liquid melting and combustion between the surface of the metal being cut and the spear and supplying a high-energy spear of oxygen to remove liquid and gaseous products of melting and combustion from the initial focus and for cutting metal using heat exothermic reaction of oxygen with iron and with other elements or chemical compounds contained in the metal being cut, characterized in that after to give the initial focus of liquid melting and combustion, the working part of the spear is cooled to the lowest possible rate of its combustion, for which a high-energy spear jet with increased oxygen mass transfer is supplied and the end of the working part of the spear is set with a gap relative to the metal surface, and when cutting metal, they provide a high-energy spear high turbulence oxygen jets to ensure complete and intense combustion of the metal being cut.

2. The method according to claim 1, characterized in that the initial focus of liquid melting and combustion is created by short-term exposure to an electric arc excited between the surface of the metal being cut and the spear.

3. The method according to claim 1, characterized in that the increased mass transfer of oxygen is achieved by supplying increased pressure to the internal cavity of the spear of oxygen.