Loading…

 

مبانی برش فولاد با استفاده از هوا گاز


خلاصه فرآیند برش فولاد در این شکل نشان داده شده است.

1

گاز اکسیژن (سوخت اول) و سوخت مورد نظر (سوخت دوم)، در داخل تورچ یا مشعل با یکدیگر ترکیب شده و بصورتی که در شکل نمایش داده شده است، به سمت نازل هدایت می شوند.

همانگونه که در شکل نیز مشخص است، نازل مشعل دارای یک خروجی (اوریفیس) در مرکز بوده که گاز اکسیژن خالص به تنهائی از آن خارج میشود.

در حالی که خروجی های محیطی تورچ، وظیفه انتقال گاز ترکیبی را به خارج از نازل بعهده دارند.

گاز ترکیبی بلافاصله پس از خروج از نازل مشتعل میشود، فولاد را پیش گرمایش فولاد می نماید، بگونه ای که دمای نقطه مورد نظر را بالا برده تا آنجا که کاملاً سرخ شده اما ذوب نشود.

این دما برای فولاد بین 700 تا 900 درجه سانتیگراد می باشد.

خروجی مرکزی نازل، گاز اکسیژن خالص را با فشار زیاد به سمت نقطه حرارت داده شده (پیش گرم شده) پرتاب می نماید که این امر، باعث یک واکنش شیمیایی شدیداً حرارت زا بین اکسیژن و فلز شده و منجر به شکل اکسید آهن یا اسلگ (در اصطلاح عامیانه به آن گل گفته می شود) می شود.

اکسیژن خالصی که کماکان از اوریفیس مرکزی و با فشار به سمت بیرون هدایت می شود، سپس باعث می شود تا اکسید آهنی که بدلیل واکنش شیمیائی بین اکسیژن و فلز تشکیل شده است به سمت بیرون پرتاب و باعث ایجاد سوراخ در فلز شود.

تکرار این فرایند، باعث می شود تا مشعل بتواند بر روی سطح فلز حرکت نموده و نهایتاً ورق فولادی بریده شود.

درباره نازل

آخرین نقطه یک مشغل، نازل آن است که گاز از آن خارج می شود.

همانگونه که در شکل نیز مشاهده می شود، نازلها انواع گوناگونی داشته که با توجه به نوع کاربری، مورد استفاده قرار می گیرند.

اما آنچه که در بیشتر مواقع می توان در نازلها مشاهده نمود، چیدمان اوریفیس ها یا همان نقاط خروج گاز از نازل است.

2

نازلها دارای سطح مقطع دایره ای بوده و بطور رایج دارای یک خروجی گاز در مرکز نازل (خروجی برش) و سایر خروجی ها در محیط دایره نازل (خروجی های پیش گرمکن) تعبیه شده اند.

خروجی مرکزی نازل، فقط گاز اکسیژن را عبور داده و سایر خروجیهای نازل که بر روی محیط دایره نازل واقع شده اند، وظیفه انتقال گاز اکسیژن و سوخت دوم را که در تورچ و پیش از رسیدن به نازل با یکدیگر ترکیب شده اند را بعهده دارند.

نقش گاز اکسیژن و نازل در برش فولاد

اولین و مهمترین معیار برای سرعت برش فولاد و کیفیت برش آن، خلوص گاز اکسیژن می باشد.

خلوص اکسیژن در دو مرحله نیاز به بررسی و تضمین کیفیت دارد:

مرحله اول:  تهیه اکسیژن خالص از تامین کننده اصلی

برای داشتن سرعت مناسب برش و کیفیت بالای برش، بایستی از اکسیژن با درجه خلوص حداقل 99.5% استفاده نمود.

به ازای هر یک درصد کاهش خلوص اکسیژن، مصرف گاز در حدود 25% بالا رفته و نیز باعث می شود تا سرعت برش ، تا میزان 25% کاهش یابد.

مرحله دوم:  حفاظت کامل اکسیژن تا پایان مرحله واکنش حرارت زا

در لحظه خروج گاز اکسیژن از نازل تورچ، امکان مداخله هوای اطراف و ترکیب آن با اکسیژن و گاز ترکیبی وجود دارد.

درصورتی که هوا بتواند به سادگی با اکسیژنی که از نازل تورچ خارج میشود ترکیب شود، این امر به شدت در سرعت برش و نیز کیفیت برش تاثیر منفی ایجاد نماید.

حفاظت از گاز اکسیژن از لحظه خروج از نازل تورچ تا لحظه احتراق به عهده نازل می باشد.

در واقع، این طراحی نازل تورچ است که می تواند در عمل، باعث حفاظت یا عدم حفاظت کامل از اکسیژن خالص خروجی از نازل شود.

لذا طراحی درست نازل و نیز هماهنگی طراحی نازل با نوع سوختی که بعنوان سوخت دوم مورد استفاده قرار می گیرد، یکی از اساسی ترین فاکتور ها در برش فلزات با استفاده از هوا و گاز می باشد.

طراحی نازل پیش گرم کن

در بازار آمریکا، 4 نوع گاز بعنوان گاز پیش گرم کن استفاده می شوند:

  1. استیلن
  2. پروپان
  3. گاز طبیعی
  4. پروپیلن

گرچه در برخی مواقع، از مواد افزودنی برای بهبود عملکرد برش، با گاز طبیعی یا گاز مایع استفاده می شود، اما این مواد افزودنی نمیتوانند تا نوع طراحی نازل را تغییر دهند.

بر خلاف قسمت میانی که مخصوص عبور اکسیژن خالص است، طراحی قسمت پیش گرمایش نازل نیازی به تغییر براساس تغییر ضخامت ورق ندارد.

در تصویری که در این قسمت آمده است، سه طرح مختلف پیش گرم کن را برای 4 نوع سوخت مختلف مشاهده می نمایید.

3

لازم به ذکر است که مبانی طراحی قسمت پیش گرمکن نازل برای گاز مایع (پروپان) و گاز طبیعی مشابه یکدیگر است.

هر نوع گازی، نیاز به طراحی خاص خود برای قسمت پیش گرمکن دارد، این نیاز به آن دلیل است که سرعت شعله در گازهای مختلف، متفاوت است.

در این تصویر،

نازل شماره یک برای استیلن

نازل شماره دو برای گاز طبیعی و گاز مایع (پروپان)

نازل شماره 3 برای گاز پروپیلن

و نازل شماره 4 باز هم برای گاز طبیعی و گاز مایع (پروپان)

طراحی و تولید شده اند.

نازل شماره یک که برای گاز استیلن طراحی شده است، دارای سطحی تخت و صاف بوده فاقد حفره ای برای نگهداری شعله می باشد. (Flame holding Skirt)

سرعت شعله گاز استیلن، از سایر سوختها بسیار بیشتر است و درصورتی که اوریفیسهای پیش گرمکن بدرستی و در جای خود طراحی و ساخته شده باشند، اثر متقابل شعله های خروجی از آنها بر روی یکدیگر، باعث می شود تا شعله را با همان میزان و نسبتی که برای برش مورد نیاز است، بر روی سطح نازل نگه دارد.

به این نکته دقت کنید که فرورفتگی نازل شماره 3 از فرورفتگی نازل شماره 2 کمتر بوده و بیانگر آن است که سرعت شعله گاز پروپیلن از گاز طبیعی یا پروپان بیشتر است، بنابراین فرورفتگی کمتر برای پروپیلن مناسب تر است.

توالی نزدیک شیارها در قسمت پیش گرمکن مغزی، همان عاملی است که باعث نگه داشت و ماندگاری شعله در خروجی نازل های مخصوص گاز طبیعی، گاز مایع و پروپیلن می شود.

در بخش پیش گرمکن مغزی، آرایش و چیدمان شیارها و مجاری خروجی گاز ترکیبی بر روی شعله نهائی به همان اندازه مهم است دیواره نازل (Skirt Wall) اهمیت دارد.

درصورتی که برای کار با گاز استیلن از مغزی طراحی شده برای گاز طبیعی/گاز مایع استفاده نمایید، به شدت دچار مشکل خواهید شد، چرا که این کار باعث تمرکز حرارت بالا و سوختگی مغزی یا نازل یا هردوی آن ها خواهد شد.

درصورتی که از مغزی طراحی شده برای کار با گاز استیلن استفاده کرده ولی به جای آن از گازی به غیر از استیلن استفاده نمایید، باعث ایجاد مشکل جدی نخواهد شد اما باعث خواهد شد تا شعله شما بازدهی لازم و مناسب را نداشته و بویژه در دبی های پایین گاز، منجر به پرش شعله خواهد شد.

حرارت دهی بیش از حد در مرحله پیش گرمکن، معمولاً باعث می شود تا اسلاگ (گل ) ایجاد شده ناشی از برش فولاد، محکم به قطعه فولادی چسبیده و جدا کردن آن با مشکل مواجه شود.

انتخاب نوع سوخت

احتراق سوخت گازی شکل در دو مرحله مجزا رخ می دهد.

در مرحله اول، که به آن شعله اولیه یا مخروط داخلی نیز گفته می شود، سوخت گازی شکل با اکسیژن واکنش داده و در نتیجه این واکنش، مونوکسید کربن و هیدروژن تولید می شود که برای گاز استیلن بصورت زیر خواهد بود:

2C2H2 + 2O2 → 4CO + 2H2

با عبور از این مرحله، احتراق ادامه یافته تا به مرحله دوم برسد.

در مرحله دوم احتراق ، ناحیه خارجی شعله و اکسیژن، توسط هوای محیط پشتیبان شده و منجر به تولید دی اکسید کربن و آب می شود.

4CO+2H2 +3O2 → 4CO2 +2H2O

بنابراین، سوختهای گازی شکل بوسیله سه مولفه اصلی شناخته می شوند:

الف:    دمای شعله:

داغترین قسمت شعله، در نوک مخروط داخلی یا همان شعله اولیه قرار دارد

ب:      نسبت سوخت گازی شکل به اکسیژن

مقدار اکسیژنی که سوخت گازی شکل برای انجام فرایند احتراق بصورت کامل نیاز دارد، که البته این مقدار اکسیژن مورد نیاز به نوع شعله بستگی دارد که خنثی باشد، یا اکسیدی یا کاهشی

ج:      گرمای احتراق

          گرمای احتراق از قسمت خارجی شعله بیشتر است.

سوختهای گازی شکل که در دنیا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند شامل پنج گاز استیلن، گاز مایع (پروپان، بوتان یا ترکیبی از این دو)، پروپیلن MAPP و گاز طبیعی است.

البته لازم به ذکر است که در ایران، معمولاً گازهای استیلن یا گاز مایع برای فرایند برش فولاد یا عملیات حرارتی بر روی فلزات استفاده می شود.

مشخصات برخی گازها در جدول آمده است.

عملکرد نسبی سوختهای گازی شکل در مواردی همچون زمان ایجاد سوراخ (pierce time) ، سرعت برش و کیفیت لبه کار، بوسیله دمای شعله و توزیع گرما در مخروط شعله درونی و بیرون برآورد شده است.

گاز مایع:

همانگونه که در جدول نیز مشاهده می شود، گاز مایع با دمای شعله ای در حدود 2.828 درجه سانتیگراد، جایگاه پایین تری را نسبت به استیلن با دمای شعله 3.160 درجه سانتیگراد دارد.

این در حالیست که گاز مایع، مجموع گرمای احتراق بالاتری را نسبت به گاز استیلن به خود اختصاص داده است.

تمرکز حرارت در گاز مایع، کمتر از گاز استیلن است، به همین دلیل، فرآیند سوراخکاری (piercing) با گاز مایع در مقایسه با گاز استیلن، زمان بیشتری را به خود اختصاص می دهد.

اما از آنجائی که فرایند سوختن و تشکیل سرباره (Slag) تحت تاثیر جت اکسیژن به انجام میرسد، سرعت برش در هر دو حالت تقریباً یکسان است.

از طرف دیگر، پروپان در مقایسه با استیلن، به اکسیژن بیشتری برای انجام فرآیند کامل احتراق (که به آن استوکیومتریک گفته می شود) نیاز دارد.

توضیح: به نسبتی از هوا و سوخت که در آن، تمام سوخت بطور کامل بسوزد، استوکیومتریک گفته می شود.

همانگونه که در جدول نیز مشاهده می شود، نسبت حجم اکسیژن به گاز استیلن برابر با 1.2 بوده درصورتی که همین نسبت برای گاز مایع (پروپان) برابر با 4.3 می باشد.

                    4                      5

Fig.2. Oxyacetylene gas jet and nozzle design

گاز طبیعی:

در میان سوختهای گازی شکل مرسوم، کمترین میزان دمای شعله به گاز طبیعی اختصاص دارد که در حدود گاز مایع (پروپان) می باشد.

همچنین از نظر مجموع میزان توزیع حرارت نیز با اختصاص مجموع توزیع حرارت به مقدار Kj/m3 37,260  رکورد دار کمترین میزان توزیع حرارت در بین سوختهای گازی شکل معمول می باشد.

از طرف دیگر، حداکثر مقدار توزیع حرارت در شعله داخلی برای گاز طبیعی، معادل 1,490 Kj/m3 بوده که در مقایسه با گاز استیلن با مقدار 18,890 Kj/m3، بسیار پایین است.

به همین دلیل، بدیهی است تا مدت زمانی که گاز طبیعی نیاز دارد تا اولین حفره  (piercing)را ایجاد نماید، در مقایسه با گاز استیلن بیشتر باشد.

Fuel Gas Maximum Flame
Temperature °C
Oxygen to fuel gas
(.Ratio (Vol
Heat distribution
kJ/m3
Primary Secondary
Acetylene 3,160 1.2:1 18,890 35,882
Propane 2,828 4.3:1 10,433 85,325
MAPP 2,976 3.3:1 15,445 56,431
Propylene 2,896 3.7:1 16,000 72,000
Natural Gas 2,770 1.8:1 1,490 35,770

نتیجه گیری:

با توجه به تمامی مواردی که در بالا به آنها اشاره شد، و با نگاهی به جدول ارائه شده، و نیز در نظر گرفتن قیمت انرژی در کشور ایران، در می یابیم که با صرفه ترین نوع سوخت گازی برای انجام فرآیندها و عملیات حرارتی همراه با اکسیژن، گاز طبیعی است.

چرا که گاز مایع با داشتن حداکثر حرارت شعله ای که بسیار به گاز مایع نزدیک است، میزان توزیع حرارت گاز مایع در شعله بیرونی، تقریباً معادل با گاز استیلن می باشد.

از طرف دیگر، توزیع حرارت بسیار پایین در شعله درونی، نه تنها بعنوان یک ایراد مطرح نمیشود، بلکه از گداختگی بیش از حد فولاد در نقطه برش جلوگیری نموده و باعث می شود تا برشی یکنواخت تر نسبت به استیلن و گاز مایع به دست دهد.

از جمله سایر مزایای گاز طبیعی نسبت به گاز مایع یا گاز استیلن، می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  1. گاز طبیعی دارای شبکه لوله کشی گسترده در سراسر ایران است.
  2. گاز طبیعی ارازنترین سوخت فسیلی در ایران است تا آنجا که استفاده از گاز طبیعی بعنوان سوخت گازی شکل همراه با اکسیژن، می تواند تا 75% باعث کاهش هزینه انرژی مصرفی کاربر شود.
  3. گاز طبیعی پاک ترین نوع سوخت فسیلی در جهان است و به همین دلیل، مونوکسید کربن تولید شده ناشی از سوختن گاز طبیعی، 10 برابر کمتر از زمانی است که گاز مایع می سوزد.
  4. مصرف گاز اکسیژن همراه با گاز مایع، تقریباً بیش از دو برابر گاز طبیعی است. بعبارت دیگر، گاز طبیعی یکی از بهترین سوختهای گازی شکل برای صرفه جوئی در مصرف گاز اکسیژن می باشد.