Efektyvus kaitinimas liepsna virinant ir pjaunant šiuolaikinį plieną

Siekis kurti stipresnes ir mažesnio svorio suvirintas konstrukcijas paskatino naujų stipraus plieno rūšių kūrimą. Tokį, daugeliu atveju geresnių mechaninių savybių plieną, prieš suvirinimą būtina kaitinti. Kai kuriais atvejais kaitinti rekomenduojama ir prieš tokio plieno pjovimą. Kaitinti plieną galima įvairiais būdais, kurie turi savų privalumų ir trūkumų. Šiame straipsnyje paaiškinsime, kaip veikia kaitinimas liepsna, įskaitant tokio jau primiršto būdo privalumus ir trūkumus.

Kodėl plieną reikia kaitinti?

Dėl pagerėjusių mechaninių plieno savybių metalas yra jautresnis šaltiesiems įtrūkiams suvirinimo metu. Šaltųjų įtrūkių atsiradimas priklauso nuo tokių veiksnių:

Bazinių medžiagų ir suvirinimo siūlės cheminės sudėties
Plokštės storio
Vandenilio kiekio suvirinimo siūlėje
Lanko energijos ir karščio
Įtampos

Suvirinamos medžiagos mikrostruktūrai didelės įtakos turi jos cheminė sudėtis, storis ir karščio energija.

Kaip išvengti siūlės įtrūkimų, kuriuos sukelia vandenilis?

Siūlės įtrūkimai priklauso nuo įvairių veiksnių – suvirinamos medžiagos, jos konstrukcijos, suvirinimo proceso ir parametrų (karščio energijos, priedų, dujų ir (arba) vandenilio kiekio) pasirinkimo, suvirinimo eigos kontrolės, taip pat kaitinimo prieš suvirinimą ir po jo.

Šiame straipsnyje aptariamas kaitinimas liepsna kaip būdas sumažinti šaltųjų įtrūkių riziką suvirinimo (ar pjovimo) metu. Kaitinimas sulėtina vėsimo greitį (tai turi poveikį struktūriniams pokyčiams, pvz., sumažina martensito kiekį bei siūlės ir terminio poveikio zonos kietumą). Kaitinimas sumažina ir deguonies kiekį (tai taip pat galima pasiekti taikant terminį apdorojimą po suvirinimo).

Feritiniam plienui taikomas standartas EN 1011-2: 2001. Tipinis kai kurių medžiagų temperatūros diapazonas:

CMn- ir HSS plienas 50–150 °C
Nerūdijantis plienas: 75–200 °C
Įrankinis plienas: 200–350 °C

Kaip matyti, temperatūros diapazono variacijos yra gama didelės, todėl konkrečiu atveju visuomet geriausia pasitarti su plieno tiekėju. Mažiau žinoma yra tai, kad kai kurias medžiagas, pvz., HARDOX plieną, taip pat reikia pakaitinti prieš pjovimą.

Kaitinimo variantai

Rinkoje siūloma keletas plieno kaitinimo technologijų, kurios turi savų privalumų ir trūkumų. Pavyzdžiui, varžinis ir indukcinis kaitinimas, kaitinimas krosnyje. Šiame straipsnyje aptariamas tik kaitinimas liepsna.

Kaitinimas liepsna

Šis metodas taikomas jau daug metų, tačiau atsiradus naujo tipo degikliams ir pradėjus naudoti orą kaip oksidatorių, susidarė naujos pakaitinimo efektyvumo ir saugos aplinkybės.

Degimo dujų ir oksidacinės aplinkos pasirinkimas

Norint pakaitinti medžiagą ir padidinti jos temperatūrą būtina naudoti degimo dujas ir oksidacinę aplinką. Teoriškai galima naudoti bet kokias degias dujas, degančias mišinyje su oru, tačiau praktikoje dažniausiai naudojamas acetilenas, propanas, propilenas arba gamtinės dujos. Oksidacinei aplinkai, atsižvelgiant į norimą liepsnos temperatūrą, naudojamas deguonis (ODOROX), suspaustas oras arba atmosferos oras.

Acetilenas

Iš visų degių dujų karščiausia yra acetileno ir deguonies mišinio liepsna – maždaug 3100 °C. Naudojant acetileną karštis taip pat yra labai koncentruotas, nes didžioji dalis energijos yra pirminėje degimo liepsnoje. Acetilenas greitai ir tiksliai įkaitina medžiagą, todėl jį rekomenduojama naudoti siekiant efektyvaus ir tikslaus suvirinimo.

Suspausto oro mišinio temperatūra yra žemesnė – siekia apie 2300 °C. Taigi tokiu būdu išgaunama mažiau karšta, tačiau vis tiek veiksminga liepsna, tinkanti įvairiems kaitinimo poreikiams. Oras sumažina degimo greitį, todėl toks darbas yra saugus atoveiksmio požiūriu.

Propanas

Propano ir deguonies mišinio liepsnos temperatūra siekia 2800 °C. Skirtingai nuo acetileno, liepsnos struktūroje ji pasiskirsto vienodai, todėl kaitinimo tikslumas yra mažesnis. Propaną rekomenduojama naudoti kaitinant šiurkštesnes medžiagas. Deguonis ir propanas maišomas santykiu 4:1, o tai reiškia, kad ne tik sunaudojama daug daugiau deguonies, tačiau ir liepsnos triukšmo lygis yra ženkliai aukštesnis. Dėl didelės liepsnos taip pat išauga karščio apkrova operatoriui.

Naudoti suspaustą orą vietoj deguonies nėra realistiška, nes tuomet oro srautas būtų labai didelis. Tačiau tai gali būti įmanoma naudojant mažus degiklius.

Propilenas, gamtinės dujos

Propilenas ir gamtinės dujos taip pat siūlomos rinkoje kaitinimo tikslams. Propileno (kartais parduodamo su „Thermolen“ prekės ženklu) savybės labai panašios į propano. Tačiau liepsnos temperatūra yra šiek tiek aukštesnė, taip pat mažiau reikia deguonies. Gamtinės dujos dažniausiai siūlomos ten, kur yra jų tiekimo tinklai. Jų liepsnos temperatūra yra šiek tiek žemesnė nei propano ir deguonies mišinio.

Be to, rinkose siūloma įvairių vadinamųjų Bunzeno degiklių. Juose naudojamas degių dujų ir atmosferos oro mišinys. Tačiau apskritai tokie degikliai yra per mažai efektyvūs pramoniniam kaitinimui.

Degikliai

Rinkoje yra didelis kaitinimo degiklių pasirinkimas. Paprasčiausias variantas yra prie turimo degiklio pritvirtinti kaitinimo antgalį. Tačiau yra ir specialių kaitinimui skirtų degiklių. Tokie degikliai būna skirti rankiniam ir mechaniniam naudojimui; juos galima pritaikyti įvairiausiems kaitinimo tikslams.

Mechaninis degiklis acetileno ir suspausto oro mišiniui.

Mechaniniai degikliai patogūs didelės apimties gamybai. Siekiant užtikrinti saugumą, juos galima montuoti su automatiniu dujų mišinio tiekimu, nuotoliniais temperatūros ir liepsnos davikliais. Pagal mišinio srautą degikliai gali būti skirti iki 30.000 l/h mišinio.

Viršuje: rankinis kaitinimas liepsna.i iki 30.000 l/h mišinio.

Rankinių degiklių yra pačių įvairiausių, skirtų skirtingiems degių dujų ir deguonies ar suspausto oro mišiniams. Jų pasiūla plati net mišinio srauto atžvilgiu. Mažiausi degikliai yra skirti poros šimtų litrų mišinio srautui per valandą, o dideli tinka ir 20.000 l/h – pastarieji yra skirti šiurkščių medžiagų kaitinimui. Darbui su plonesnėmis medžiagomis arba jei reikia minkštesnės liepsnos, vietoj deguonies ar ODOROX galima naudoti suspaustą orą.

Kodėl rinktis kaitinimą liepsna?

Pastaraisiais metais šis kaitinimo būdas buvo primirštas, tačiau jis išties yra efektyvus, todėl jo naudojimą galima apsvarstyti beveik visose situacijose, kuriose reikalingas kaitinimas. Kaitinimo liepsna privalumai:

Didelis lankstumas
Didelis efektyvumas
Greitas kaitinimas
Nedidelės investicijos
Degių dujų pasirinkimą galima koreguoti pagal konkrečius poreikius

Žinoma, yra ir šio būdo trūkumų:

Reikia žinoti degių dujų poreikį. Reikia atsižvelgti į galimybes užpildyti balionus reikiamomis dujomis; acetileno ryšulių kiekį reikia apskaičiuoti pagal degiklio dydį.
Toks kaitinimo būdas yra saugus ir efektyvus tik jei jį naudoja kvalifikuoti darbuotojai.

Taikymo pavyzdžiai

Taikymo pavyzdžių sąrašas gali būti labai ilgas – toliau pateikiame tik keletą kaitinimo liepsna gamyboje pavyzdžių.

Specialių vamzdžių kaitinimas vėjo jėgainių generatorių gamyboje.

Acetileno ir oro mišinio degikliai mechaniniam kaitinimui siūlo ekonomišką ir netriukšmingą sprendimą. Taikoma išilginiam suvirinimui specialių vamzdžių gamyboje, jungčių suvirinimui vėjo jėgainių turbinų gamyboje.