Témata
Reklama

Tepelné dělení materiálu kyslíkem

Tepelné dělení materiálu prodělalo v průběhu posledních desetiletí značný vývoj. Bezesporu nejstarší metodou je dělení nelegovaných a podmíněně i nízkolegovaných ocelí kyslíkem. Ačkoliv jí dnes úspěšně konkurují metody modernější, má v praxi řezání materiálu kyslíkem stále své místo.

Jan Kašpar

Vedoucí oddělení svařování/dělení materiálu ve společnosti Messer Technogas, specialista v oblasti technických plynů pro laserové aplikace a 3D tisk a spoluřešitel projektu AdMan Tool.

Metoda dělení ocelí kyslíkem není v současnosti v centru zájmu a její vývoj se prakticky zastavil. Ve strojírenské výrobě nacházejí stále častěji uplatnění modernější metody - laserové a plazmové řezání. Avšak i tyto moderní metody mají své výhody a nevýhody i hranice své použitelnosti. A tak i dnes jsou oblasti, kde má tepelné dělení kyslíkem stále své nezastupitelné místo. Podívejme se nejprve na oblasti použití jednotlivých metod.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Dělení hlav ingotů v Poldi Hütte Kladno

Laserové dělení materiálu

Laserové dělení materiálu vyniká především vysokou rychlostí řezu, která při optimálních podmínkách dosahuje až 12 m.min-1. Dosažení této rychlosti je závislé na mnoha faktorech. Za zmínku stojí zejména jakost a tloušťka řezaného materiálu, tlak asistenčního plynu, průměr trysky a tvar výpalku. Další výhodou je vynikající kvalita řezu, a to jak při řezání nelegovaných ocelí, nerezových ocelí, tak i hliníku. Podmínkou dosažení vysoké kvality řezu je použití řezných (asistenčních plynů) požadované čistoty. V případě řezání nelegovaných ocelí je nutné použít kyslík čistoty 3.5 (99,95 %) a pro řezání nerezových ocelí a hliníku dusík čistoty 5.0 (99,999 %). Nevýhodou laserového řezání je omezení tloušťky řezaného materiálu na přibližně 25 mm u nízkolegovaných ocelí a na cca 15 mm v případě nerezových ocelí a slitin hliníku.

Obr. 2. Provedený řez ingotem

Plazmové řezání

Plazmové řezání nachází uplatnění zejména v oblasti středně silných materiálů. Nelegované oceli lze touto metodou běžně dělit do tloušťky cca 50 mm, vysokolegované oceli a hliník pak zhruba do 30 mm. Maximální dosažitelná rychlost řezu je za optimálních podmínek 6 m.min-1, což je přibližně polovina maximální rychlosti laserového dělení. Kvalitu řezu do jisté míry degraduje známé „podkosení", které je způsobeno klesající kinetickou energií plazmatu v závislosti na tloušťce materiálu. Výkon řezného procesu je dán typem proudového zdroje, konstrukcí hořáku, ale také použitým plazmovým a fokusačním plynem. Dříve hojně používané vzduchové plazmy jsou často nahrazovány modernějšími, které využívají kromě vzduchu i různé plazmové plyny a směsi plynů. Pro řezání nelegovaných ocelí se s výhodou používá kyslíková plazma, pro vysokolegované oceli a hliník pak směsi plynů Ar, H2, N2 (nejčastěji směs H35 - 35 % vodíku v argonu a F5 - 5 % vodíku v dusíku). Mezi nevýhody plazmového řezání patří značná hlučnost procesu a vývin velkého množství škodlivých emisí. Tyto nežádoucí účinky lze do značné míry eliminovat řezáním pod vodou.

Obr. 3. Kyslíkové kopí

Řezání kyslíkem

Řezání kyslíkem je omezeno na dělení nelegovaných a podmíněně i nízkolegovaných ocelí. Toto omezení plyne z vlastního principu metody, který spočívá ve spalování řezaného materiálu kyslíkem. Vhodným hořlavým plynem ve směsi s kyslíkem se zahřeje povrch řezaného materiálu na zápalnou teplotu a po vpuštění řezného kyslíku (čistoty alespoň 2.5, tj. 99,5 %) dojde ke spalování materiálu - exotermické reakci. Produkty hoření (oxidy) jsou vyfukovány ve formě strusky proudem kyslíku a vzniká řezná spára. Pro kvalitní řez musí být splněny následující podmínky:

  • zápalná teplota řezaného materiálu musí být nižší než jeho teplota tavení;
  • tavicí teplota oxidů musí být nižší než tavicí teplota řezaného kovu;
  • zplodiny hoření (oxidy) musí být dostatečně tekuté;
  • při hoření kovu se musí uvolnit dostatečné množství tepla pro udržení řezného procesu.

Těmto podmínkám vyhovují právě nelegované oceli, které se mohou dělit kyslíkem do tloušťky i více než 1 000 mm. Dobré kvality řezu se dosahuje do tloušťky cca 300 mm. Za optimálních podmínek můžeme docílit rychlosti řezu až 800 mm.min-1, což je v porovnání s laserem a plazmou rychlost velmi nízká.

Z výše uvedeného vyplývá, že se řezání kyslíkem uplatní především tam, kam rozsah použití ostatních metod nedosahuje. Jedná se především o dělení nelegovaných ocelí velkých tlouštěk.

Obr. 4. Souhra paličů při řezání kyslíkovým kopím

Dělení hlav ingotů kyslíkem

Jednou z konkrétních aplikací je dělení hlav ingotů ve firmě Poldi Hütte Kladno. Jedná se o ocelové bloky o rozměrech až 900 x 900 x 1 500 mm a hmotnosti cca 10 tun. Takto velké kusy oceli nelze vkládat do elektrické obloukové pece k opětovnému přetavení.

K jejich dělení lze s výhodou použít hořák Messer SMB 663 s tryskou příslušné velikosti. Určité potíže při dělení hlav ingotů způsobuje zatavený písek, vzduchové bubliny a velké množství strusky a nečistot uvnitř materiálu. Řeznému procesu též brání silná vrstva okují na povrchu ingotu. Při správné volbě řezných parametrů a dostatečné zručnosti paliče ani tyto negativní vlivy úspěšnému dělení materiálu nezabrání. Je zřejmé, že kvalita řezu v tomto případě nehraje významnou roli. Jde pouze o tzv. dělicí řez.

Z řezných parametrů hraje hlavní roli správné nastavení tlaku kyslíku, jeho čistota (min. 2.5) a dostatečné průtočné množství. Tyto hodnoty jsou uváděny v příslušných řezných tabulkách a pro jejich dodržení je nutné přizpůsobit celý kyslíkový zásobovací systém. Spotřeba kyslíku při dělení silných materiálů dosahuje až 180 m3.hod-1. Pro takovou spotřebu jsou vhodné dodávky kapalného kyslíku do stacionárního zásobníku. Kapalný kyslík se průchodem odpařovačem přemění na plynnou fázi, následuje redukce na potřebný tlak (15-20 bar) a distribuce plynu k místu odběru.

Kyslíkové kopí

Pro dělení hlav ingotů lze použít i kyslíkové kopí. Je to jednoduchá, málo známá, ale velmi účinná metoda. Kyslíkové kopí je vlastně trubka z nízkouhlíkové oceli naplněná ocelovými dráty a upnutá do sklíčidla. Do trubky se vhání proud kyslíku čistoty min. 2.5 pod tlakem až 20 bar. Řezaný materiál je nutné lokálně ohřát na zápalnou teplotu (přibližně 1 200 °C). Po přiložení konce trubky k zahřátému místu a vpuštění kyslíku dojde k prudké exotermické reakci. Začne se spalovat jak řezaný materiál, tak i konec trubky. Dynamickým účinkem proudu kyslíku jsou vyfukovány vznikající oxidy a tvoří se řezná spára. U této metody dochází k externímu ohřevu řezaného materiálu pouze na začátku procesu. Množství tepla vznikajícího při exotermické reakci musí tedy plně zajistit průběžné ohřívání okolního materiálu na zápalnou teplotu, jinak by se řezný proces zastavil. V takovém případě je nutné materiál dohřát na zápalnou teplotu, což vyžaduje dobrou souhru paličů.

Obr. 5. Odstraňování vady za tepla při kování ingotů

Odstranění vady za tepla

Kyslíkové dělení materiálu se s výhodou uplatní i v kovárnách. Při kování ingotů se může objevit vada, kterou je třeba odstranit. K odstranění vady může dojít za studena, což obnáší sundání ingotu z manipulátoru, vyčkání, až vychladne na teplotu okolí, a následné odstranění vady. Nevýhodou je nutnost opětovného ohřevu na kovací teplotu. Tento proces je nejen zdlouhavý, ale také ekonomicky velmi náročný.

Výhodnější je odstranění (vypálení) vady za tepla přímo na manipulátoru u kovacího lisu. Zde je nutné (vzhledem k teplotě ingotu) důsledně dodržovat bezpečnostní předpisy, zejména použít ochranné pomůcky. Použití kyslíkového hořáku je v tomto případě velmi operativní a přináší nemalé finanční úspory.

Obr. 6. Řezání pomocí práškového hořáku

Kyslíkové řezání s přídavkem prášku

Další zajímavou aplikací je kyslíkové řezání s přídavkem prášku. Železný prášek se přivádí samostatnou trubičkou do proudu řezného kyslíku. Existují ale i speciální řezné trysky, které jsou přímo vybaveny kanálem pro distribuci prášku do plamene hořáku. Velkým přínosem práškového řezání je rozšíření oblasti použití kyslíkového dělení na vysokolegované oceli, litiny i neželezné kovy. Přidávaný prášek silně podporuje exotermickou reakci za vzniku oxidů železa (FeO, Fe2O3, Fe3O4), jimiž se ředí vznikající těžkotavitelné oxidy řezaného materiálu.(V případě chromových a chromniklových ocelí jde o oxidy chromu, u litin jsou to oxidy křemíku a velké množství uhlíku.) Tato metoda se uplatní zejména při práci destrukčního charakteru, bez požadavků na dobrou kvalitu řezu.

Závěr

Tepelné dělení materiálu kyslíkem má velmi dlouhou a bohatou historii a jistě ho čeká i zajímavá budoucnost. I přes nástup modernějších a výkonnějších technologií si stále drží své nezastupitelné místo snad v každé strojírenské výrobě. Je to nejen díky široké oblasti použití, ale také vzhledem k relativně nízkým investičním nákladům.

Jan Kašpar

jan.kaspar@messergroup.com

Messer Technogas

Reklama
Související články
Ruční laserové svařování s ochranným plynem

Laserové svařování není příliš rozšířenou metodou, ale pro své nesporné výhody nachází stále větší uplatnění. V praxi jsme se doposud setkávali především s robotickým laserovým svařováním v sériové či velkosériové výrobě. V poslední době však nachází své uplatnění také ruční laserové svařování, které lze využít i pro malé série výrobků či kusovou výrobu.

Laserové navařování, 3D tisk a volba technických plynů

V tomto článku bychom se chtěli zamyslet nad současným postavením technologie návarů vysoce výkonným laserem, porovnat tuto metodu s 3D tiskem a objasnit některá technická úskalí obou metod. Za zmínku stojí také ochranné plyny vhodné pro tyto moderní metody.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Související články
Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Metody spojování využívající principy plastické deformace

Součástí automobilů je množství nejrůznějších dílů, k jejichž výrobě se používají různé technologické procesy a široké spektrum materiálů. Technologie jako svařování, lepení a mechanické spojování jsou obvykle používány ke spojování jednotlivých dílů během montáže automobilu. Ačkoliv je technologie svařování velmi rozšířená, může svou podstatou ovlivňovat celkovou kvalitu spojovaných částí, jejich přesnost a spolehlivost. Vynaložená energie a síla potřebná pro spojování je při použití lepení nebo mechanických spojů vždy nižší než při svařování. Přitom stále rostou požadavky na vyšší stupeň deformace, produktivitu práce a na nižší náklady spojovacích operací.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Řezání vysokým tlakem

Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Trhací nýty pro vysoké zátěže

Strukturální trhací nýty jsou ideální alternativou ke svařování nebo šroubovému spojení. Bezpečně a rychle se instalují a nabízejí značné výhody z hlediska smyku, tahu a dynamického zatížení. Použití strukturálních trhacích nýtů M-Lok při montáži rámů strojů a strojních součástí umožnilo firmě Zahoransky zkrátit jejich výrobní časy.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit