RU2060128C1 - Metal plasma cutting method - Google Patents

Abstract

FIELD: plasma cutting of metals in billet manufacture and repair operations for production and operation of metal constructions. SUBSTANCE: method involves stabilizing plasma arc by working medium free of nitrogen and nitrogen compounds; supplying working medium into plasma arc and generating annular protective flow of water-containing medium and supplying it so that this flow concentrically covers plasma arc through the whole length from nozzle to billet; providing protection of plasma arc by superheated steam, with water steam being preferably used. EFFECT: increased efficiency, improved quality of cut metal billets and reduced cost of plasma arc stabilization process by using water steam. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к термической резке материалов, в частности к способам плазменной резки металлов, и может быть использовано в заготовительных и ремонтных операциях при производстве и эксплуатации машин и металлических конструкций. The invention relates to thermal cutting of materials, in particular to methods for plasma cutting of metals, and can be used in procurement and repair operations in the production and operation of machines and metal structures.

Известны способы резки металлов плазменными дугами, в которых в качестве рабочих сред используются различные газы: аргон, азот и их смеси с водородом, гелий, кислород, сжатый воздух и его смеси, углекислый газ, а также вода, аммиак и др. Наибольшее распространение получили наиболее экономические и доступные воздушно-плазменная и азотно-плазменная резка, использование других процессов ограничено прежде всего по экономическим соображениям. Known methods of cutting metals by plasma arcs, in which various gases are used as working media: argon, nitrogen and their mixtures with hydrogen, helium, oxygen, compressed air and its mixtures, carbon dioxide, as well as water, ammonia, etc. The most widely used the most economic and affordable air-plasma and nitrogen-plasma cutting, the use of other processes is limited primarily for economic reasons.

Однако, плазменную резку в азотсодержащих средах сопровождают образование в плазме токсичных окислов азота и выбросы их атмосферу, что нарушает экологические и санитарно-гигиенические требования. However, plasma cutting in nitrogen-containing environments is accompanied by the formation of toxic nitrogen oxides in the plasma and their atmospheric emissions, which violates environmental and sanitary requirements.

Наряду с этим происходит поглощение азота расплавом металла, остающимся на кромках вырезаемых заготовок. В результате этого при последующей сварке вырезанных заготовок, в частности из имеющих преобладающее применение конструкционных сталей, возникает недопустимая аномальная пористость сварных швов [1]
В целях экономической защиты столба дуги и зоны резки в случае стабилизации дуги сжатым воздухом предложено инжектировать воду в плазму [2]
Известно что подача воды в зону пламени, где происходит реакция образования NO, снижает концентрацию азота в этой зоне, создает отвод теплоты на испарение воды и повышение теплосодержания образующегося пара [3] Однако содержание NO в продуктах сгорания при этом снижается не более чем на 1/5. Не больший эффект достигается и при азотно-плазменной резке тем более, что воду при этом вдувают в уже сформированный столб дуги, т.е. в его внешние области. Подача воды в катодное пространство резательного плазмотрона неприемлема, так как присутствие влаги в зоне формирующего сопла ухудшает электрическую изоляцию его стенок, вызывает появление мелких дуговых разрядов на участке катод-сопло с выплавлением и эрозией меди, провоцирующих его разрушение двойной дугой [4] т.е. в случае применения азотосодержащих рабочих сред в процессе плазменной резки металлов не удается добиться удовлетворительных результатов по снижению уровня загрязнения окружающей среды окислами азота и азотонасыщения кромок реза, а незначительное их снижение сопровождается появлением дополнительных вредностей.Along with this, nitrogen is absorbed by the molten metal remaining on the edges of the cut blanks. As a result of this, during the subsequent welding of cut workpieces, in particular from structural steel having a predominant use, an unacceptable anomalous porosity of welds arises [1]
In order to economically protect the arc column and the cutting zone in the case of stabilization of the arc by compressed air, it was proposed to inject water into the plasma [2]
It is known that the water supply to the flame zone where the NO formation reaction takes place reduces the nitrogen concentration in this zone, creates heat removal to evaporate the water and increases the heat content of the generated vapor [3] However, the NO content in the combustion products decreases by no more than 1 / 5. A small effect is also achieved with nitrogen-plasma cutting, especially since water is blown into the already formed column of the arc, i.e. in its outer areas. Water supply to the cathode space of the cutting plasma torch is unacceptable, since the presence of moisture in the zone of the forming nozzle worsens the electrical insulation of its walls, causes the appearance of small arc discharges in the cathode-nozzle section with the smelting and erosion of copper, provoking its destruction by a double arc [4] ie . in the case of the use of nitrogen-containing working fluids in the plasma cutting of metals, it is not possible to achieve satisfactory results in reducing the level of environmental pollution with nitrogen oxides and nitrogen saturation of the cutting edges, and their slight decrease is accompanied by the appearance of additional hazards.

Эти недостатки привели, несмотря на некоторое снижение экономичности, к использованию в качестве рабочих сред наименее дорогих из числа не содержащих азота газов, в частности кислорода. Однако заметное насыщение металла азотом и образование и выбросы его окислов наблюдаются и при резке плазмой, не содержащей азота. В этих случаях азот поступает в плазму из окружающего атмосферного воздуха путем его турбулентного массопереноса и частично термодиффузии в столб дуги. These shortcomings led, despite a slight decrease in efficiency, to the use of the least expensive of the nitrogen-free gases, in particular oxygen, as working media. However, a noticeable saturation of the metal with nitrogen and the formation and emission of its oxides are also observed when cutting with plasma containing no nitrogen. In these cases, nitrogen enters the plasma from the surrounding atmospheric air by means of its turbulent mass transfer and partially thermal diffusion into the arc column.

Для уменьшения такого массопереноса используют защитный обдув режущей плазменной струи концентричным потоком не содержащего азота газа, как правило, того же, что используют для стабилизации дуги [5] Однако и в этом случае для традиционно используемых в плазменной резке не содержащих азота и/или его смесей газов не удается добиться полного отсутствия азота в кромках реза и загрязнения окружающей атмосферы его окислами, так как, не обладая достаточной текучестью, эти газы не в состоянии образовать неразрывную защитную пленку в области реза, где и происходят нежелательные реакции с воздухом содержащим азот. К тому же, поскольку такие газы дороже сжатого воздуха и азота (кислород, аргон и т.д.) организация защитного потока с их помощью сопровождается значительным понижением экономичности резки. To reduce such mass transfer, a protective blowing of the cutting plasma jet with a concentric stream of nitrogen-free gas is used, as a rule, the same as that used to stabilize the arc [5] However, in this case as well, for nitrogen-free and / or its mixtures traditionally used in plasma cutting gases it is not possible to achieve a complete absence of nitrogen in the edges of the cut and pollution of the surrounding atmosphere with its oxides, since, not having sufficient fluidity, these gases are not able to form an inextricable protective film in the area of the cut where undesired reactions occur with air containing nitrogen. In addition, since such gases are more expensive than compressed air and nitrogen (oxygen, argon, etc.), the organization of a protective flow with their help is accompanied by a significant decrease in cutting efficiency.

По технической сути и достигаемым результатам наиболее близким техническим решением к изобретению является способ резки кислородно-плазменной дугой с инжекцией воды в столб дуги и одновременной его защитой концентричным водяным колоколом. При этом около 10% воды испаряется, заполняя периферийную часть дуги, остальные 90% образуют защитную водяную оболочку дуги. Выделяющиеся в процессе резки вредные испарения и частично газы осаждаются водой и их концентрация в выбросах уменьшается примерно на 50% С другой стороны, имеющее место в данном случае повышение содержания кислорода в плазме способствует уменьшению слоя расплавленного металла на кромках, при этом на его поверхности образуется окисная шлаковая пленка, ограничивающая доступ азота (кислород снижает скорость адсорбции азота жидким железом). В результате азотонасыщение кромок уменьшается настолько, что это предотвращает появление пор в швах при последующей сварке стальных заготовок толщиной 8-10 мм и более. In technical essence and the achieved results, the closest technical solution to the invention is a method of cutting an oxygen-plasma arc with the injection of water into the arc column and its simultaneous protection with a concentric water bell. At the same time, about 10% of the water evaporates, filling the peripheral part of the arc, the remaining 90% form a protective water shell of the arc. The harmful fumes emitted during the cutting process and partially gases are deposited by water and their concentration in emissions decreases by about 50%. On the other hand, an increase in the oxygen content in the plasma in this case reduces the layer of molten metal at the edges, and an oxide layer forms on its surface slag film restricting the access of nitrogen (oxygen reduces the rate of nitrogen adsorption by liquid iron). As a result, the nitrogen saturation of the edges is reduced so much that it prevents the appearance of pores in the joints during the subsequent welding of steel billets with a thickness of 8-10 mm and more.

Тем не менее при резке и последующей сварке стали толщиной 4-6 мм и менее пористость сварных швов остается на недопустимом уровне и с помощью описанного способа невозможно уменьшить газонасыщение кромок настолько, чтобы исключить поры при сварке. Не исключается также образование окислов азота, а на кромках реза возникает грат, увеличивающийся с ростом толщины разрезаемого металла. Nevertheless, during cutting and subsequent welding of steel with a thickness of 4-6 mm and less, the porosity of the welds remains at an unacceptable level and using the described method it is impossible to reduce the gas saturation of the edges so as to exclude pores during welding. The formation of nitrogen oxides is also possible, and grata occurs on the edges of the cut, increasing with increasing thickness of the metal being cut.

Во избежание нарушения сплошности жидкого потока, защищающего столб дуги, расход воды должен быть не менее 10 л/ч, что не экономично и требует применения громоздких водосборных систем. Кроме того, формирование водяного потока, концентрично охватывающего плазменную дугу на срез сопла (снаружи плазмотрона), имеет тот недостаток, что из за радиального перераспределения статического давления в поперечном сечении дугового столба в центральной его части имеет место разряжение порядка 0,01МПа, в результате чего происходит подсос воды в катодно-сопловую (внутреннюю) полость плазмотрона. Следствием попадания воды в плазмотрон в количестве 0,1 л/мин и более является (до 50%) износ катода; свыше 0,2 л/мин ухудшаются условия зажигания плазмотрона вплоть до отказа. In order to avoid disruption of the continuity of the liquid flow protecting the arc column, the water flow rate should be at least 10 l / h, which is not economical and requires the use of bulky drainage systems. In addition, the formation of a water stream concentrically covering the plasma arc at the nozzle exit (outside the plasma torch) has the disadvantage that, due to the radial redistribution of static pressure in the cross section of the arc column in its central part, there is a discharge of the order of 0.01 MPa, as a result of which there is a suction of water into the cathode-nozzle (internal) cavity of the plasma torch. The consequence of the ingress of water into the plasma torch in an amount of 0.1 l / min or more is (up to 50%) cathode wear; above 0.2 l / min, the ignition conditions of the plasma torch are worsened up to failure.

Наряду с этим во всех известных случаях использования воды при плазменной резке влечет за собой недопустимую интенсивность коррозии кромок вырезаемых деталей. Причиной этого является образование на разрезаемом металле в зоне реза в результате контакта с жидкой водой или конденсирующимся паром поверхностной пленки электролита и его электрохимическое взаимодействие с металлом, усиливаемое при плазменной резке утечкой электрического тока через границу металла с агрессивной средой и вызывающее интенсивную коррозию. Для ее предупреждения необходимо добавлять в воду ингибитор, а после резки наносить на металл защитный слой грунтовки, подлежащий последующему удалению перед сваркой заготовок. Эти операции снижают экономичность и увеличивают трудоемкость резки заготовок и изготовления сварных конструкций в целом. Along with this, in all known cases of using water for plasma cutting, it leads to an unacceptable rate of corrosion of the edges of the cut parts. The reason for this is the formation of a surface electrolyte film on the metal being cut in the cutting zone as a result of contact with liquid water or condensing vapor and its electrochemical interaction with the metal, intensified during plasma cutting by the leakage of electric current through the metal boundary with an aggressive medium and causing intense corrosion. To prevent it, it is necessary to add an inhibitor to the water, and after cutting, apply a protective primer layer to the metal, which must be removed before welding the workpieces. These operations reduce profitability and increase the complexity of cutting blanks and manufacturing welded structures in general.

Целью изобретения является повышение качества реза, а также экологической безопасности и надежности процесса. The aim of the invention is to improve the quality of the cut, as well as environmental safety and process reliability.

Поставленная цель достигается тем, что в способе плазменной резки металла, предусматривающем стабилизацию плазменной дуги рабочей средой, не содержащей азота и/или его соединений посредством ее подачи в плазменную дугу и создание кольцевого защитного потока из водосодержащей среды, концентрично охватывающего плазменную дугу на всем протяжении от сопла до заготовки, защиту плазменной дуги осуществляют перегретым водяным паром, а с целью удешевления процесса и стабилизацию плазменной дуги осуществляют перегретым водяным паром. This goal is achieved in that in a plasma cutting method for metal, which provides stabilization of the plasma arc by a working medium that does not contain nitrogen and / or its compounds by feeding it into the plasma arc and creating an annular protective flow from a water-containing medium concentrically covering the plasma arc throughout nozzles to the workpiece, the plasma arc is protected by superheated water vapor, and in order to reduce the cost of the process and the plasma arc is stabilized by superheated water vapor.

На фиг. 1 представлена схема процесса резки плазменной дугой стабилизированной кислородом и защищенной перегретым паром; на фиг. 2 схема процесса резки плазменной дугой стабилизированной и защищенной прогретым паром. In FIG. 1 shows a diagram of the process of cutting a plasma arc stabilized by oxygen and protected by superheated steam; in FIG. 2 diagram of the process of cutting a plasma arc stabilized and protected by heated steam.

На чертеже даны следующие обозначения: 1 катод; 2 внутреннее (формирующее сопло); 3 наружное (защитное) сопло; 4 дуговая камера; 5 поток стабилизирующего кислорода; 6 поток перегретого пара; 7 режущая дуга; 8 разрезаемый металл. The following notation is given in the drawing: 1 cathode; 2 internal (forming nozzle); 3 outer (protective) nozzle; 4 arc chamber; 5 stabilizing oxygen stream; 6 stream of superheated steam; 7 cutting arc; 8 cut metal.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, следующим образом: стандартную машину для плазменной резки листовой углеродистой стали с использованием обычного вентилируемого раскройного стола укомплектовывают обычным резательным плазмотроном, содержащим катод 1 и узел стабилизации дуги с формирующим 2 и соосным ему защитным 3 кольцевыми соплами. В дуговую камеру этого плазмотрона 4 для плазмообразования и стабилизации дуги 7 подают рабочую среду, не содержащую азота, например, кислород 5 из баллонов или от заводской магистрали с давлением и расходом до 5 м³/ч на плазмотрон и до 5 кг/см². В защитное сопло 3 подают перегретый водяной пар 6 при температуре от 120-130^оС и давлении не менее 2-3 кг/см² в количестве от 3 м³/ч, регулируя его подачу дросселирующим устройством. С этой целью резательную установку укомплектовывают парагенератором с пароперегревателем и подают в него техническую воду без ингибиторов или аналогичных средств. После подачи в плазмотрон рабочей и защитных сред возбуждают обычными методами режущую дугу и выполняют резку заготовок в соответствии с технологическими инструкциями по резке сталей заданных марок с заданным качеством и производительностью для данных толщин. Для обеспечения максимальной экономичности резки в плазмотрон, описанный выше, для стабилизации режущей дуги 7 (фиг. 3) в дуговую камеру 4 в качестве рабочей среды, не содержащей азота, подают перегретый пар.The proposed method can be implemented, for example, as follows: a standard machine for plasma cutting of carbon steel sheets using a conventional ventilated cutting table is equipped with a conventional cutting plasma torch containing a cathode 1 and an arc stabilization unit with forming 2 ring nozzles aligned with its protective 3. In the arc chamber of this plasma torch 4 for plasma formation and stabilization of the arc 7 serves a working medium that does not contain nitrogen, for example, oxygen 5 from cylinders or from the factory line with a pressure and flow rate of up to 5 m ³ / h to the plasma torch and up to 5 kg / cm ² . The protective nozzle 3 is supplied superheated steam 6 at a temperature of 120-130 ^C and pressure of at least 3.2 kg / cm ² in an amount of 3 m ³ / h by adjusting its flow throttling device. For this purpose, the cutting unit is equipped with a para-generator with a superheater and technical water is supplied to it without inhibitors or similar means. After supplying the working and protective media to the plasma torch, a cutting arc is excited by conventional methods and the workpieces are cut in accordance with the technological instructions for cutting steels of specified grades with a given quality and productivity for these thicknesses. To ensure maximum economy of cutting, superheated steam is supplied to the arc chamber 4 (Fig. 3) to stabilize the cutting arc 7 (Fig. 3) in the arc chamber 4 as a working medium that does not contain nitrogen.

Перегретый водяной пар не уступает по экономичности сжатому воздуху и в отличие от капельной жидкости (воды) и ее насыщенного пара обладает рядом благоприятных специфических свойств, которые делают предпочтительным использование перегретого водяного пара для осуществления экологичной высококачественной плазменной резки при большой надежности самого процесса:
В отличие от насыщенного перегретый пар не конденсируется даже в цилиндре паровой машины; это его свойство полностью исключает конденсацию на поверхностях вырезаемых деталей, устраняя возможность появления электролитной пленки и развития коррозии без применения ингибиторов и других защитных мер, что позволяет повысить качество реза по отношению к прототипу, обеспечивая при этом экономичность процесса;
Высокая текучесть перегретого пара, его способность проникать в зазоры, щели по-видимому обеспечивает отсутствие нарушений сплошности защитной паровой струи вокруг дуги и, что особенно важно, в полости реза и надежную защиту металла на его поверхностях от азотонасыщающего контакта с атмосферным воздухом, в результате чего и удается снизить азотонасыщение кромок реза практически до нуля, существенно повышая их качество и качество сварных швов при последующей сварке (при сварке заготовок из сталей толщиной менее 4-6 мм, вырезанных предлагаемым способом, пористость в сварных швах отсутствует).Superheated water vapor is not inferior in efficiency to compressed air and, unlike drip liquid (water) and its saturated steam, has a number of favorable specific properties that make it preferable to use superheated water vapor for environmentally friendly high-quality plasma cutting with high reliability of the process:
In contrast to saturated, superheated steam does not condense even in the cylinder of a steam engine; this property of it completely eliminates condensation on the surfaces of cut parts, eliminating the possibility of the appearance of an electrolyte film and the development of corrosion without the use of inhibitors and other protective measures, which allows to improve the quality of the cut relative to the prototype, while ensuring the efficiency of the process;
The high fluidity of superheated steam, its ability to penetrate into gaps and crevices, apparently ensures the absence of violations of the continuity of the protective steam jet around the arc and, most importantly, in the cut cavity and reliable protection of the metal on its surfaces from nitrogen-saturated contact with atmospheric air, as a result of which and it is possible to reduce the nitrogen saturation of the edges of the cut to almost zero, significantly increasing their quality and the quality of welds in subsequent welding (when welding billets of steel with a thickness of less than 4-6 mm, cut used method, the porosity in the welds offline).

Низкая теплопроводность и высокая теплоемкость перегретого водяного пара определяют малые значения коэффициентов турбулентного массообмена и диффузионного массообмена, ограничивающих массопередачу атмосферного воздуха в дугу и зону резки, что исключает присутствие в них азота и его вредные последствия, делая процесс плазменной резки металла экологически безопасным. Low thermal conductivity and high heat capacity of superheated water vapor determine small values of the coefficients of turbulent mass transfer and diffusion mass transfer, limiting the mass transfer of atmospheric air into the arc and the cutting zone, which eliminates the presence of nitrogen and its harmful effects, making the plasma cutting of metal environmentally safe.

Наряду с этими специфическими преимуществами водяного пара, характерные для него низкие тепло- и электропроводость делают возможным не только внешний обдув дуги, но и подачу его в катодное пространство, как среды, обеспечивающей электрическую и тепловую изоляцию столба дуги от поверхности соплового канала и высокую надежность работы плазмотрона, что позволяет использовать перегретый водяной пар как высокоэкономичную, не содержащую азота плазмообразующую среду для стабилизации режущей дуги, защищенной концентричной оболочкой также перегретого пара. Along with these specific advantages of water vapor, its low thermal and electrical conductivity makes it possible not only to external blow the arc, but also to supply it to the cathode space, as a medium providing electrical and thermal insulation of the arc column from the surface of the nozzle channel and high reliability plasma torch, which allows the use of superheated water vapor as a highly economical, nitrogen-free plasma-forming medium for stabilization of the cutting arc, protected by a concentric shell regretogo steam.

Предлагаемый способ может быть реализован в любых пространственных положениях при ручной или машинной резке на отдельных позициях, в условиях механизированных или автоматизированных поточных линий и т.д. The proposed method can be implemented in any spatial positions for manual or machine cutting at individual positions, in the conditions of mechanized or automated production lines, etc.

Claims (2)

1. Способ плазменной резки металла, при котором используют водосодержащую среду, подаваемую двумя потоками, один из которых, рабочий, служит для плазмообразования, а другой, дополнительный, для защиты режущей дуги, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующей среды используют перегретый водяной пар. 1. The method of plasma cutting of metal, in which a water-containing medium is used, supplied by two streams, one of which, the worker, serves for plasma formation, and the other, additional, for protecting the cutting arc, characterized in that superheated water vapor is used as the plasma-forming medium. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного потока для защиты режущей струи используют перегретый водяной пар. 2. The method according to claim 1, characterized in that as an additional stream to protect the cutting stream using superheated water vapor.

Images