СПОСОБ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК B23K5/00 

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов и может быть использовано при газоструйной резке металлов, строительных материалов (бетона, железобетона, кирпича, пластика, керамики и т.д.), их композиций, прошивании отверстий, устранении дефектов поверхностей, гравировке надписей и изображений, остекловании цемента и бетона и т.п. как в наземных (в воздухе), так и подводных условиях.

Известные способы газопламенной обработки материалов обладают рядом недостатков. Так, например, кислородная резка применима только для легкоокисляющихся металлов [1] кислородно-флюсовая резка загрязняет окружающую среду и т.д. [2,3]
Известен способ газопламенной обработки материалов, при котором на материал воздействуют высокотемпературной сверхзвуковой газовой струей, являющейся продуктом сгорания горючего и окислителя при повышенном давлении по отношению к давлению среды, в которой обрабатывается материал [4]
Недостатком известного способа является недостаточная эффективность обработки материалов с различными свойствами, так как нет указаний на режимы обработки.

Задачей изобретения является создание способа обработки, в котором выбор режимов осуществляется в зависимости от обрабатываемого материала и среды, в которой производят обработку. В результате использования указанных в способе режимов повышается эффективность обработки.

Указанная задача решается за счет того, что процесс обработки ведут газовой струей, статическое давление в которой поддерживают не менее давления во внешней среде, причем отношение скорости этой струи (V_e) к скорости звука (а) в струе поддерживают в диапазоне от 1,1 до 4,8, отношение температуры Т_с струи к температуре Т_м появления материала в диапазоне от 1,2 до 4,5, а коэффициент α избытка окислителя в струе поддерживают в диапазоне от 0,44 до 4,9, при этом для легкоокисляющихся материалов от 3,4 до 4,9; для трудноокисляющихся материалов, образующих тугоплавкие окислы от 0,44 до 3,4.

При этом наблюдается три вида воздействия на материал:
термическое воздействие для плавления материала;
химическое воздействие химически активной струей для окисления материала;
эрозионное воздействие для выдувания напорной струи расплавленного материала и его окислов из зоны обработки.

Именно совокупность заявляемых параметров струи: получение струи при сжигания горючего (например, керосина-бензина) и окислителя (например, кислорода) при повышенном давлении по отношению к давлению среды, в которой обрабатывается материал, неперерасширенность струи (под этим следует понимать, что статическое давление в струе не меньше давления в зоне окружающей среды, где расположен обрабатываемый материал), диапазоны скоростей и температуры, диапазоны избытка окислителя (химический состав струи) обеспечивают достижение технического результата изобретения.

При выходе за верхний предел отношения скоростей ( 4,8) течение газа приближается к гиперзвуковому. Техническая реализация устройства с такого сорта течением сложна и экономически не выгодна. При выходе за нижний предел отношения скоростей ( 1,1) наблюдается неустойчивость сверхзвукового течения, вызванная неидеальностью течения и технологическим несовершенством изготовления газодинамического тракта. Неустойчивость сверхзвукового течения существенно снижает производительность обработки материала.

Использование сверхзвуковой струи с отношением температур меньше, чем заявляемый (Т_с/Т_м 1,2), снижает эффективность обработки и она может вообще отсутствовать вследствие потери тепла за счет теплопроводности материала и естественной конвекции. При выходе за верхний предел отношения температур (Т_с/Т_м 4,5) могут проявляться эффекты испарения обрабатываемого материала, а следовательно, к выбросу в воздух паров, например, таких вредных легирующих добавок в стали как хрома, молибдена, никеля, бериллия и т.д. Это, в свою очередь, потребует экологической защиты персонала и в конечном счете снижает эффективность обработки.

Задание химического состава струи для легко и трудноокисляющихся материалов в указанных диапазонах позволяет эффективно и с наименьшими расходами компонентов обрабатывать и резать соответствующие материалы.

Осуществление заявляемого способа поясняется предлагаемой технологией резки материалов установкой для резки материалов "Нарвал-2".

Производится запуск резака, для чего подается в полость мундштука кислород и с задержкой 2.3 с подается керосин с одновременным включением электрической свечи. Далее регулировкой вентиля подачи кислорода пламя резака выводится в зависимости от обрабатываемого материала на режимы, соответствующие следующим соотношениям, например:
алюминий, бетон 2,4.2,8; Т_с/Т_м3,2.3,5; α 0,5.0,6;
чугун, высоколегированная сталь 2,4.3,0; Т_с/Т_м 1,7.1,9;α 3.3,4;
низколегированная сталь, малоуглеродистая сталь 2,4.2,6; Т_с/Т_м 1,3. 1,4; α= 4,7.4,9.

Устанавливается мундштук резака на расстоянии 3-25 мм от разрезаемого материала под углом 90^о и начинается процесс резки перемещением резака вдоль линии.

После прорезания пластины устанавливается угол наклона 5.10^о в сторону направления резки материалов, например таких как алюминий, медные сплавы, бетон и на угол наклона 5.10^о в сторону, обратную направлению резки, например, для таких материалов, как сталь, чугун.

В процессе резки резак перемещается равномерно с постоянной скоростью; резка выполняется на оптимальной скорости, на что указывает поток искр, вылетающих под углом 80.90^о к разрезаемой поверхности; при слишком большой скорости резки поток искр вылетает в сторону, обратную перемещению резака либо вверх, а при малой под углом меньше 80^о.

При поверхностной обработке устанавливается мундштук на расстоянии 2.20 мм от обрабатываемой поверхности с углом наклона 70.85^о в сторону, обратную направлению резки, и начинается процесс обработки перемещением резака вдоль поверхности материала.

По окончании резки перекрывается подача керосина и затем через 3.5 с прекращается подача кислорода.

Использование: для газоструйной резки металлов, строительных материалов, их композиций, для прошивания отверстий, устранения дефектов поверхностей, гравировки надписей и изображений. Сущность изобретения: смесь горючего и окислителя сжигают в полости горелки при повышенном давлении по сравнению с давлением внешней среды. Обработку ведут высокотемпературной сверхзвуковой газовой струей, статическое давление в которой поддерживают не менее давления во внешней среде, отношение скорости струи к скорости звука в струе поддерживают от 1,1 до 4,8, отношение температуры струи к температуре плавления материала от 1,2 до 4,5, а коэффициент избытка окислителя в струе поддерживают в струе от 0,44 до 4,9. 2 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, при котором смесь горючего и окислителя сжигают в полости горелки при повышенном давлении по сравнению с давлением внешней среды, а обработку ведут высокотемпературной сверхзвуковой газовой струей, отличающийся тем, что параметры газовой струи поддерживают в следующих диапазонах: отношение скорости струи к скорости звука в струе от 1,1 до 4,8, отношение температуры струи к температуре плавления материала от 1,2 до 4,5, коэффициент избытка окислителя в струе от 0,44 до 4,9, а статическое давление в струе поддерживают не менее давления во внешней среде. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент избытка окислителя для трудноокисляемых материалов поддерживают в диапазоне от 0,44 до 3,4. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент избытка окислителя для легкоокисляемых материалов поддерживают в диапазоне от 3,4 до 4,9.