В предыдущих статьях рассматривались принципы расчета и проектирования машин газовой резки для установок непрерывной разливки стали. Но на основании ряда последних командировок на предприятия металлургической отрасли России, Белоруссии и Казахстана, выявился ряд вопросов по технологии газокислородной резки при резке горячих слитков, получаемых в УНРС (установке непрерывной разливки стали), а также при последующей разделке горячих и холодных слябов газокислородной резкой на мерные заготовки, предназначенные для последующего передела на заготовочных, листовых, сортовых прокатных станах или аналогичных производствах. На ответах на эти вопросы остановимся в данной статье.

Авторы:

Е.Н. Лычагин, генеральный директор ООО «Сталь»                                   
А.К. Никитин, главный конструктор ООО «Сталь»                                              
С.А. Евсюков, заведующий кафедрой МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н., профессор       
П.А. Цирков, заместитель декана МГТУ им. Н.Э. Баумана, к.т.н.

Газокислородная резка является наиболее распространенным технологическим процессом при получении из непрерывнолитых слитков слябов, блюмов, круглых и сортовых заготовок и их последующего передела. Поэтому важнейшим вопросом для всех металлургических производств является снижение потерь металла и затрат энергоносителей (газов), использующихся в процессе. Практически на всех сталеплавильных производствах перед поставщиками оборудования для газокислородной резки выставляется требование по минимизации ширины реза слитков или идущих на последующую переработку слябов, блюмов или заготовок (рис. 1). Для того, чтобы более основательно рассмотреть данный вопрос, надо начать его анализ с самого начала, с разработки оборудования.

Рис. 1

Разработка начинается с получения исходных данных от заказчика на проектирование предполагаемого к эксплуатации оборудования. Разработчик на основании полученных исходных данных предлагает такую конструкцию оборудования, которая обеспечит наиболее оптимальную технологию процесса. В данном случае мы говорим о разработке оборудования для кислородной резки сталей, работающего с горячим и холодным металлом в тяжелых условиях металлургических производств. Основными исполнительными технологическими элементами этого оборудования являются газовые резаки, так как они осуществляют процесс резки металла, и при разработке конструкции резака учитываются все параметры энергоносителей, указанные заказчиком в исходных данных.

Для проведения расчетов на этапе разработки рассмотрим процесс кислородной резки, осуществляемой резаком. Горючая смесь, горящая на выходе из мундштука, подогревает поверхность металла в месте врезания до температуры воспламенения. Далее режущий кислород подается в пятно нагретого металла вследствие чего начинается горение металла. При сгорании частиц металла выделяется большое количество тепла, которым совместно с теплом подогревающего пламени подогревается металл в области реза и происходит его сгорание в струе режущего кислорода. Таким образом происходит сгорание металла по всей толщине. Образующиеся при сгорании металла окислы, находящиеся в расплавленном состоянии, образуют шлак, который удаляется струей режущего кислорода из полости реза. Но часть шлака остается на нижней кромке разрезаемого металла и называется гратом. Величина образующегося грата зависит от ряда основных факторов: 
— толщины разрезаемого металла;
— скорости резки;
— состава подогревающего пламени;
— соотношения объема горючей смеси (мощности подогревающего пламени) и режущего кислорода.

Ориентировочный состав шлаков при оптимальном процессе резки, образующихся при взаимодействии металла реза с кислородом: 
Fe —  15% (количество расплавленного металла, выдуваемого кислородом, в расплавленном виде);
FeO —  50% (количество окисленного металла);
Fe₂O₃ —  20% (количество окисленного металла); 
Fe₃O₄ —  15% (количество окисленного металла).
Но при изменении скорости резки, количества режущего кислорода, мощности пламени этот состав может изменяться. 
Для определения количества режущего кислорода для сжигания 1 см³ железа воспользуемся следующим соотношением:
V = ρ_ст. · 0,27 / ρ_кисл. = 7,85 · 0,27 / 1,312 = 1,6 л/см³;
где: ρ_ст. — удельный вес железа, 7,85 г/см³; 
ρ_кисл. — удельный вес кислорода, 1,312 г/см³;
для сжигания 1 килограмма железа расходуется 0,27 кг (на 1г железа 0,27г кислорода) или 0,35 м³ кислорода.

При расчёте количества потребного кислорода необходимо учитывать тепловой баланс кислородной резки. При разделительной кислородной резке количество теплоты, вводимое в зону резки, исходит из двух источников и зависит от толщины разрезаемого металла. Большая часть теплоты (ориентировочно 67…90%) образуется в результате реакции окисляемого металла и меньшая часть теплоты (10…33%) образуется от подогревающего пламени. Чем меньше толщина металла, тем больше количество теплоты от подогревающего пламени вводится в рез.

При разделительной кислородной резке потери тепла в окружающую среду составляют 36% от общего объема, количество теплоты, идущей на нагрев основного металла, составляет 41%, а на нагрев шлака уходит 23% теплоты.
Учитывая вышесказанное, мы можем рассчитать расход режущего кислорода, потребный для разделительной резки металла в зависимости от его толщины.

Для определения объема режущего кислорода при резке холодного металла воспользуемся следующей формулой:
V_кр = 4 · 10–3 · (90 + b) · К_м^–1 · h^0,8;
где: V_кр — расход режущего кислорода, м³/час; b — расстояние от торца мундштука до поверхности металла, мм; К_м — коэффициент металла, учитывающий тип и состав стали; h — толщина разрезаемого металла, мм.

Для определения объема режущего кислорода при резке горячего металла воспользуемся следующей формулой:
V_кр = 3,3 · (600 h – 1400) / √(T_s · (T_s – T₀));
где: V_кр — расход режущего кислорода, м³/час; h — толщина разрезаемого металла, мм; T_S — температура поверхности реза, =1600°С; T₀ — температура металла перед резкой, °С.

Определив потребный объем режущего кислорода можем рассчитать конфигурацию его сопла. Так как струя режущего кислорода должна обладать наибольшей кинетической энергией и вытекать с максимальной скоростью из сопла, то сопло должно иметь ковергентно-дивергентную форму (сопло Лаваля). Из классической термодинамики скорость потока кислорода в подобных соплах определяется по формуле:
ω = 730 · √(1 – ((Р₂ + 1) / ( Р₁ + 1))^0,286);
где: ω — скорость потока кислорода, м/с; Р₁ — давление на входе в сопло, кгс/см³; Р₂ — давление среды в которую истекает газ, кгс/см³.

При такой форме сопла происходит выравнивание исходного давления до атмосферного и происходит полное превращение потенциальной энергии в кинетическую, а струя кислорода приобретает наибольшую скорость истечения и наибольшую длину. Форма и энергия струи режущего кислорода влияют на скорость резки, качество и ширину реза, а также на количество грата, образующегося на нижних кромках металла.

Расчет горлового канала режущего кислорода для сопла мундштука в зависимости от входного давления кислорода по формуле:
V_кр = 0,45 d_г² · (Р₁ + 1);
где: V_кр — расход режущего кислорода, м³/час; d_г — диаметр горлового канала сопла режущего кислорода, мм;
Р₁ — давление режущего кислорода перед резаком, кгс/см³.

Используя вышеперечисленные расчеты можно рассчитать ширину реза. Так как ширина реза в основном зависит от расхода режущего кислорода, а расход режущего кислорода определяется объемом металла, удаляемого из реза, определяется по формуле:
V_кр = А · v · b · h / η_о²;
где: V_кр — расход режущего кислорода; А — коэффициент, зависящий от теплофизических свойств металла (для м/у сталей = 5,6); v — скорость резки, см/с; b — ширина реза, см; h — толщина разрезаемого металла, см; η_о² — коэффициент использования кислорода, равный отношению кислорода необходимого для окисления металла реза, к общему расходу кислорода режущего кислорода для разделительной резки на металлургических производствах, где допускаются линии отставания до 20%, коэффициент = 0,65.

При резке горячего металла ширина реза определяется по формуле:
b = 0,484 (600h – 1400) / v · c · γ · h · √(T_s · (T_s – T₀));
где: b — ширина реза, см; h — толщина разрезаемого металла, см; v — скорость резки, см/с; c · γ — удельная теплоемкость металла, кал/см²; T_s — температура поверхности реза, = 1600°С; T₀ — температура металла перед резкой, °С.

В данной статье мы рассмотрели методику расчета параметров кислородной резки влияющих на качество и скорость, также зависимость от них ширины реза. 

Из приведенных расчетов видно, что потери металла в УНРС могут быть сокращены за счет уменьшения расхода кислорода за счет увеличения давления перед резаком, что приводит к уменьшению диаметра сопла мундштука, увеличивает кинетическую энергию струи, уменьшает ее диаметр и как следствие уменьшает ширину реза. Уменьшение ширины реза обеспечивает уменьшение потерь метала как при резке горячего непрерывнолитого слитка на МГР УНРС, так при резке холодных слябов при последующих переделах заготовок.
 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2025