Kỹ thuật cắt kim loại bằng ngọn lửa khí - Cắt Plasma

Kỹ thuật cắt kim loại bằng ngọn lửa khí là gì?

Cắt kim loại bằng ngọn lửa khí là dùng nhiệt lượng của ngọn lửa khí cháy axetylen hoặc các khí cháy khác với oxy để nung nóng chỗ cắt đến nhiệt độ cháy. Khi đã đạt đến nhiệt độ cháy, cho dòng oxy kỹ thuật tinh khiết vào để nó trực tiếp oxy hóa kim loại tạo thành oxit, sau đó lớp oxit kim loại bị thổi đi để tạo thành rãnh cắt. Cắt kim loại bằng oxy được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đóng tàu, chế tạo toa xe, luyện kim, xây dựng... để cắt tấm thép, thép tròn và các dạng phôi khác.


Cắt bằng ngọn lửa khí có các đặc điểm sau:

- Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng.

- Có thể cắt được kim loại có chiều dày lớn.

- Năng suất cắt cao.

- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn do vậy sau khi cắt, vật cắt dễ bị cong vênh, biến dạng, đặc biệt là khi cắt các tấm dài.

Cắt bằng ngọn lửa khí có hai phương pháp: cắt bằng oxy và cắt bằng oxy dùng trợ dung (cắt bằng oxy thuốc).

Cắt bằng oxy (cắt bằng khí cháy với oxy)

1.Điều kiện cắt được của kim loại bằng oxy

Những kim loại và hợp kim cắt được bằng oxy phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Nhiệt độ nóng chảy của kim loại với oxy phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó.

Những kim loại và hợp kim không thỏa mãn yêu cầu này thì không cắt được bằng oxy. Các vật liệu thỏa mãn yêu cầu gồm các thép cacbon với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,7%. Vì thép với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,7% có nhiệt độ cháy 1300ºC, còn nhiệt độ chảy 1500ºC. Khi hàm lượng cacbon tăng thì việc cắt bằng oxy khó khăn. Trong trường hợp này muốn cắt được phải nung nóng trước. 

Ví dụ: Để cắt thép cacbon có hàm lượng C = (1,1 ÷ 1,2)% bằng oxy, trước khi cắt phải nung nóng đến nhiệt độ (300 ÷ 600) độ C.

- Nhiệt độ chảy của oxit kim loại tạo thành khi cắt phải nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó. Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì lớp oxit trên bề mặt tại thành không nóng chảy và không bị thổi đi, làm ngăn cản việc oxy hóa lớp kim loại phía dưới.

Ví dụ: Khi cắt thép crôm do tạo thành lớp oxit crôm (Cr2O3) có nhiệt độ chảy cao (2050 độ C), nên thép này không cắt được bằng oxy.

- Nhiệt lượng sinh ra trong phản ứng cháy của kim loại với oxy phải đủ để duy trì quá trình cắt liên tục. Khi cắt thép, gần 70% nhiệt lượng sinh ra là do phản ứng cháy của kim loại với oxy cung cấp, chỉ có 30% nhiệt lượng là do ngọn lửa nung nóng.

- Xỉ tạo thành khi cắt phải chảy lỏng cao để dễ thổi khỏi rãnh cắt.

- Độ dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim không được quá cao. Nếu độ dẫn nhiệt quá cao thì nhiệt lượng bị truyền ra xung quanh, làm nhiệt độ tại chỗ cắt không đủ hoặc làm gián đoạn quá trình cắt.

- Kim loại và hợp kim dùng để cắt cần phải hạn chế hàm lượng của một số nguyên tố làm cản trở đến quá trình cắt: cacbon, crôm, silic...

2. Ảnh hưởng của thành phần hóa học của thép đến quá trình cắt bằng oxy

Phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và các nguyên tố có trong thép mà chịu cắt bằng oxy mức độ khác nhau.

a) Cacbon

Cacbon có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu cắt bằng oxy của thép và chất lượng của đường cắt. Thép có khả năng cắt tốt khi hàm lượng cacbon trong thép nhỏ hơn 0,3%. Khi hàm lượng cacbon tăng lên đến 0,7% thì tính chịu cắt của thép giảm, đồng thời mép cắt dễ bị tôi cứng, do vậy gây khó khăn cho gia công cơ. Khi hàm lượng cacbon trong thép lớn hơn 1,2% thì thép không cắt được bằng oxy.

b)Silic 

Silic hầu như không ảnh hưởng đến tính chịu cắt của thép khi thép có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,3% và hàm lượng silic nhỏ hơn 4%, thì quá trình cắt khó khăn do tạo thành SiO2 khó nóng chảy. 

c) Mangan

Mangan không ảnh hưởng đến quá trình cắt. Thép chỉ cắt được bằng oxy khi hàm lượng crôm nhỏ hơn 1%. Nếu hàm lượng crôm bằng (1,5 ÷ 5)% thì muốn cắt được bằng oxy phải nung nóng sơ bộ trước khi cắt, tuy nhiên sau khi cắt, mép cắt có thể bị lẫn xỉ. Nếu hàm lượng crôm vượt quá giới hạn này thì phải cắt bằng oxy thuốc.

d) Niken

Với hàm lượng niken trong thép dưới 4% và hàm lượng cacbon dưới 0,5% thì quá trình cắt dễ dàng. Nếu hàm lượng cacbon lớn hơn sẽ gây khó khăn cho quá trình cắt.

e) Photpho, lưu huỳnh

Với hàm lượng thông thường mà thép đã quy định thì photpho và lưu huỳnh hầu như không ảnh hưởng đến quá trình cắt.

3.  Chế độ cắt bằng oxy

Chế độ cắt bằng oxy bao gồm các thông số chủ yếu sau: 

a) Công suất ngọn lửa

Công suất ngọn lửa được đặc trưng bằng lượng tiêu hao khí cháy trong một giờ. Công suất ngọn lửa phụ thuộc vào chiều dày kim loại cắt và tính chất lý nhiệt của kim loại cắt.

b) Áp suất của oxy cắt

Chọn áp suất của oxy cắt căn cứ vào:

 - Độ tinh khiết của oxy

Ôxy càng tinh khiết thì lượng tiêu hao oxy cắt càng giảm.

- Chiều dày kim loại cắt

Vật cắt càng dày thì áp suất oxy cắt càng lớn. Áp suất oxy cắt phụ thuộc vào chiều dày kim loại cắt như trong bảng

c) Khoảng cách từ mỏ cắt đến bề mặt vật cắt 

Khoảng cách từ đầu nhân ngọn lửa đến bề mặt vật cắt có ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất quá trình của quá trình cắt, do vậy khi cắt phải xác định đúng khoảng cách này. Khoảng cách thích hợp nhất từ mỏ cắt đến bề mặt vật cắt là (1,5 ÷ 2,5)mm.

- Cắt thép có chiều dày nhỏ hơn 100mm thì khoảng cách từ mỏ cắt đến bề mặt vật cắt có thể lấy bằng:

h = L + 2 (mm)

L: Chiều dài ngọn lửa, mm

- Khi cắt bằng ngọn lửa khí oxy - axetylen thì khoảng cách từ đầu mỏ cắt đến bề mặt vật cắt như trong bảng:

d) Tốc độ cắt (tốc độ di chuyển của mỏ cắt)

Độ ổn định và chất lượng của quá trình cắt phụ thuộc vào tốc độ cắt. Khi cắt tốc độ cắt phải phù hợp với tốc độ cháy của kim loại.

Tốc độ cắt phụ thuộc vào các yếu tố:

- Chiều dày và tính chất vật lý của vật cắt.

- Phương pháp cắt (bằng tay hay bằng máy) và hình dạng đường cắt.

Nếu tốc độ cắt nhỏ thì mép cắt dễ bị cháy, hỏng. Nếu tốc độ cắt lớn thì có chỗ cắt không hoàn toàn.

Cắt bằng thủ công, tốc độ cắt có thể xác định bằng công thức sau:

Chiều dày vật cắt càng lớn thì mép càng nhám và chiều rộng vết cắt càng lớn.

Dấu hiệu để xác định tốc độ cắt hợp lý là dựa vào sự thoát ra của chùm tia lửa từ mặt dưới của tấm cắt như hình:

- Nếu tốc độ cắt nhỏ thì chùm tia lửa thoát ra theo hướng cùng hướng cắt.

- Nếu tốc độ cắt lớn thì chùm tia lửa thoát ra theo hướng ngược với hướng cắt

- Tốc độ cắt là tối ưu khi dòng tia lửa thoát ra gần như song song với dòng oxy cắt

4. kỹ thuật cắt

a) Chuẩn bị vật cắt

Việc chuẩn bị vật cắt trước khi cắt có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt cắt và năng suất của quá trình cắt.

Chuẩn bị vật cắt gồm các công việc:

- Làm sạch bề mặt vật cắt:  Làm sạch gỉ, dầu mỡ, sơn,...

- Lấy dấu

Đối với thép định hình, trước khi cắt phải phân loại theo profin.

- Đặt vật cắt lên giá đỡ 

Vật cắt đặt lên giá đỡ phải đảm bảo khoảng cách từ mặt dưới của kim loại cắt đến nền (100 ÷ 200)mm để việc thổi xỉ và kim loại lỏng ra khỏi rãnh cắt dễ dàng.

b) Tiến hành cắt

Hướng ngọn lửa vào chỗ cắt để đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy, sau đó mở van oxy cắt.

- Cắt thép tấm dày

Khi cắt thép tấm dày, tốt nhất cắt từ mép tấm vì cắt từ mép thì việc nung nóng kim loại ở chỗ đó đến nhiệt độ cắt tốt hơn và quá trình cắt diễn ra dễ dàng hơn.

Trường hợp phải cắt thủng các phần ở trong tấm hoặc cắt từ giữa tấm ra thì trước khi cắt phải tạo ra lỗ nhỏ ban đầu. Khi bắt đầu cắt đặt đầu mỏ cắt vuông góc với bề mặt vật cắt tại lỗ đó để  nung nóng kim loại đến nhiệt độ cắt, sau đó tùy thuộc vào chiều dày vật cắt mà nghiêng đầu mỏ cắt với góc độ thích hợp. 

Khi cắt theo đường thẳng, để quá trình cắt được dễ dàng thường dùng dưỡng đặt theo đường cắt và cắt theo dưỡng đó.

Chú ý:

Khi cắt thép có chiều dày lớn hơn 300mm thì khoảng cách từ đầu mỏ cắt đến bề mặt vật cắt phải lớn hơn so với cắt bình thường và trong trường hợp này nên dùng ngọn lửa cacbon hóa để có ngọn lửa dài hơn.

- Cắt thép tấm mỏng

Khi cắt thép tấm mỏng thường xảy ra hiện tượng: kim loại hay bị cháy và sản phẩm dễ bị cong vênh. Do vậy khi cắt cần sử dụng ngọn lửa với công suất nhỏ và tốc độ cắt lớn.

- Cắt thép góc

Cắt thép góc có thể cắt theo hai cách

+ Cắt từ cạnh của nhánh 

Khi cắt đầu mỏ cắt đặt vuông góc với đầu mép của nhánh sau đó di chuyển mỏ cắt đến đỉnh của góc rồi xoay đầu mỏ cắt để cắt nhánh thứ hai

+ Cắt từ đỉnh của góc

Cắt từ đỉnh của góc được kéo dài theo trình tự như hình 

Cắt bằng oxy thuốc

Nhiều kim loại và hợp kim không cắt được bằng oxy thường như: gang, thép không gỉ, kim loại và hợp kim màu vì những kim loại và hợp kim này khi bị oxy hóa tạo nên lớp oxit: SiO2, CrO3, Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao. Lớp oxit này làm cho quá trình oxy hóa lớp kim loại phía dưới không tiếp tục được. Mặt khác, do tính dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim màu lớn, làm nhiệt độ tại chỗ cắt không đủ hoặc làm gián đoạn quá trình cắt.

Để cắt được các kim loại và hợp kim này, ngoài oxy cắt còn phải dùng thuốc cắt.

Thuốc cắt là gì?

Thuốc cắt có tác dụng:

- Bóc đi lớp oxit khó nóng chảy 

- Làm tăng nhiệt độ của vùng phản ứng và tạo ra xỉ lỏng để dễ thổi khỏi rãnh cắt 

Thuốc cắt thường sử dụng là: Oxit Silic (SiO2), bột nhôm (bột nhôm - magie) và bột sắt.

a) Oxit Silic

Oxit Silic có tác dụng bóc đi lớp oxit khó nóng chảy làm cho việc oxy hóa lớp kim loại phía dưới được dễ dàng. Tuy nhiên oxit silic lại có hại cho sức khỏe nên ít được sử dụng.

b) Bột nhôm

Bột nhôm khi cháy trong dòng oxy cho nhiệt lượng rất cao (lớn hơn 3 lần so với bột sắt), nhưng bột nhôm dễ cháy nên ít được sử dụng.

c) Bột sắt

Bột sắt được sử dụng rộng rãi để cắt gang, đồng. Khi cắt gang, ngoài bột sắt người ta còn cho thêm photpho và silic để tăng tính chảy loãng của xỉ.

Khi cắt, thuốc cắt được đẩy vào chỗ cắt (vùng phản ứng) theo các cách sau:

- Phun kép

Thuốc cắt được đẩy qua bộ phận phun vào mỏ cắt và từ mỏ cắt được dòng oxy cắt đẩy vào vùng phản ứng.

- Đẩy thuốc bằng dòng oxy áp suất cao 

Thuốc được đẩy trực tiếp bằng dòng oxy vào mỏ cắt và qua lỗ của pép vào vùng phản ứng.

Khi cắt bằng oxy thuốc, điều kiện cần thiết là thuốc phải tự cháy trên bề mặt cắt của kim loại đã được nung nóng. Do vậy, khoảng cách từ đầu mỏ cắt đến bề mặt vật cắt phải tương đối lớn. Khoảng cách này phụ thuộc vào chiều dày vật cắt và phương pháp đẩy thuốc. Ví dụ cắt thép không gỉ chiều dày nhỏ hơn 100mm thì khoảng cách này là (15 ÷ 40)mm.

Khi cắt bằng oxy thuốc, ngọn lửa không chỉ nung nóng vật cắt mà còn phải nung nóng cả thuốc cắt nên công suất ngọn lửa khi cắt phải lớn (15 ÷ 20)% so với cắt bằng oxy thường. Mặt khác cắt bằng oxy thuốc, xỉ sinh ra nhiều nên tiêu hao oxy lớn và pép cắt phải dùng lớn hơn một số so với cắt bằng oxy thường.