Tepelné dělení materiálu prodělalo v průběhu posledních desetiletí značný vývoj. Bezesporu nejstarší metodou je dělení nelegovaných a podmíněně i nízkolegovaných ocelí kyslíkem. Tato metoda není v současnosti centrem zájmu a její vývoj se prakticky zastavil. Ve strojírenské výrobě nacházejí stále častěji uplatnění modernější metody – laserové a plazmové řezání. Avšak i tyto mají své výhody a nevýhody, hranice své použitelnosti. A tak i dnes jsou oblasti, kde má tepelné dělení kyslíkem stále své nezastupitelné místo.
Použití jednotlivých metod
Laserové dělení materiálu vyniká především vysokou rychlostí řezu, která při optimálních podmínkách dosahuje až 12 m/min. 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. Plazmové řezání nachází uplatnění zejména v oblasti středně silných materiálu. 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, 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. K 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. 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 1000 mm. Dobré kvality řezu se dosahuje do tloušťky cca 300 mm. Za optimálních podmínek můžeme docílit rychlosti řezu až 800 mm/min, což je v porovnání s laserem a plasmou rychlost velmi nízká. Z uvedeného vyplývá, že se řezání kyslíkem uplatní především tam, kam rozsah použití ostatních metod nedosahuje. Jedná se především o dělení nelegovaných ocelí velkých tlouštěk.
Tepelné dělení kyslíkem v praxi
Jednou z konkrétních aplikací je dělení hlav ingotů ve firmě Poldi Hütte Kladno (obr. 1). Jedná se o ocelové bloky o rozměrech až 900 × 900 × 1500 mm a hmotnosti cca 10 tun. Takto velké kusy oceli nelze vkládat do elektrické obloukové pece k opětovnému přetavení. K jejich dělení se dá 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 (obr. 2). 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/h. 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 až 20 barů) a distribuce plynu k místu odběru. Pro dělení hlav ingotů se dá použít i kyslíkové kopí (obr. 3). 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 barů. Řezaný materiál je nutné lokálně ohřát na zápalnou teplotu (přibližně 1200 °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. 4). 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 zatepla, přímo na manipulátoru u kovacího lisu (obr. 5). 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. 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 vybavené 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 se jedná 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 (obr. 6).
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. /f/
