天然气切割应用于重型矿山装备制造的可行性

肖德政，王志平，曾令琴，段世新

（中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471039）

0 前言

天然气切割技术是在天然气中混合加入一定比例的增效剂，使混合后的天然气燃烧温度提高，满足切割要求的一种技术。天然气切割相比丙烷，具有高效、节能、环保和安全等特点[1]。近年来，天燃气切割技术已经在矿用机械、车轮制造、船舶制造等领域的钢板切割中得到应用，并且相关企业描述应用天然气切割能节约成本约30%～50%，但天然气切割推广的速度仍然缓慢且应用范围不广。天然气切割的推广和应用除了受企业当地是否有天然气资源限制外，企业对天然气切割到底能节约多少成本，是否需要对设备进行改造以及钢板切割面质量是否满足使用要求的疑虑也是一方面原因。相关文献进行了天然气与丙烷切割的成本对比分析[2]，但没有综合考虑燃气和氧气的消耗成本，也没有涉及到天然气切割特厚钢板的数据，而切割特厚板是大型矿山机械制造企业经常遇到的问题。

1 天然气切割试验

1.1 天燃气切割特厚钢板试验

天然气供应采用六罐装瓶组，通过减压装置将输出压力减到0.23 MPa，即燃气供应压力。天然气经过增效剂混合装置后连接到数控机床的燃气输入软管。由于厚板切割时氧气消耗量大，瓶装氧气供应量不足以满足切割要求。试验用氧气采用车间管道氧气，管道氧气压力为1.68 MPa，即氧气供应压力。切割设备为特厚板数控火焰切割机，型号OMN IMATP6000。试验割嘴使用原有丙烷割嘴，数控火焰切割机床不做任何改动。试验切割厚度为280 mm和500 mm两种钢板，材质Q235A，使用丙烷割嘴型号分别为300-450和450-600。

1.2 天然气与丙烷切割成本对比试验

燃气供应分别为丙烷气瓶和天然气罐装瓶组，氧气供应为氧气瓶。试验时用两个氧气瓶分别连接数控机床的高压和低压氧气软管，作为氧气供应。丙烷气瓶或天然气连接到数控机床的燃气软管，作为燃气输入。在天然气减压后输入数控切割机之前安装一个FQL-I智能流量积算仪，即天然气流量计，来统计天然气的消耗量。切割设备仍采用特厚板数控火焰切割机，使用丙烷割嘴型号为60-100。切割同等工作量的钢板，统计两种切割方法燃气和氧气的消耗量。

切割前后用磅秤对供气气瓶进行称重，来统计丙烷气、低压氧气和高压氧气的消耗量。气瓶称重时带减压阀，软管不拆卸。试验前后气瓶称重的状态都保持一致，使称重误差处于同一个水平。当两组数据相减时，可以抵消一定误差，使试验误差减小。天然气的消耗量从流量计上读取流量后计算。

试验工作量为60 mm厚钢板切割一个60 mm×2 000 mm的长方形料和100 mm厚钢板切割一个100 mm×1 000 mm的长方形料，材质为Q235A的钢板。试验切割过程完全模拟实际生产过程。切割前对气瓶进行称重并记录，切割后关闭数控机床的燃气阀门，对气瓶进行称重并记录。

2 试验结果

2.1 特厚板切割

厚280 mm钢板切割时，切割速度90 mm/min，天然气供应压力0.23 MPa，氧气采用车间管道氧气，供应压力1.68 MPa。切割面平面度良好，没有割痕。将钢尺直边靠近切割面时，900 mm范围内贴合紧密，如图1所示。将钢板吊下数控床后目测垂直度良好，靠直角尺测量切割面垂直度，如图2所示，用φ1.2的焊丝作参考可知，垂直度远小于1 mm。

厚500 mm钢板切割时，切割速度30 mm/min，天然气供气压力0.23 MPa，氧气采用车间管道氧气，供应压力1.68 MPa。切割面表面质量良好，仅在切割开始和结束时切割面底部存在割痕，上部和中间没有割痕。在上部和中间整个切割面平面度测量小于1 mm，如图3所示，底部平面度在切割结束的地方最大为4 mm（即割痕深度）。靠直角尺测量切割面垂直度为4mm，如图4所示，参考焊丝直径1.2 mm。切割开始和结束时切割面底部出现割痕是特厚板切割都会遇到的问题，如果在切割缝开始和结束的地方焊接工艺板（类似于引灭弧板），来保持切割火焰流的稳定性，可以提高切割质量。

图1 厚280 mm钢板切割面平面度Fig.1 Flatnessofcuttingsurface（thicknessof280 mm）

图2 厚280 mm钢板切割面垂直度Fig.2 Perpendicularityofcuttingsurface(thicknessof280mm)

图3 厚500 mm钢板切割面平面度Fig.3 Flatness of cutting surface(thickness of 500 mm)

2.2 切割成本对比

图4 厚500 mm钢板切割面垂直度Fig.4 Perpendicularity of cutting surface（thickness of 500 mm)

试验天然气供应压力0.23 MPa，丙烷气瓶供应压力0.07 MPa，高压和低压氧气瓶供应压力0.9～1MPa。厚60 mm钢板天然气切割速度300 mm/min，丙烷切割速度269 mm/min。厚100 mm钢板天然气切割速度201 mm/min，丙烷切割速度189 mm/min。以某天然气切割增效剂使用成本4.5元/m3为例，即每立方天然气消耗增效剂成本。氧气按1.2元/m3，丙烷按9元/kg，天然气按2.58元/m3，氧气按密度1.429 kg/m3换算成标准立方后计算成本。切割同等工作量，进行天然气和丙烷切割成本对比，如表1所示，从对比数据可知，天然气切割成本相比丙烷下降44.1%。

3 结论

（1）燃气公司供应给企业的管道天然气压力一般为0.2～0.4 MPa，天然气供应压力0.23 MPa即可满足特厚钢板切割的条件。天燃气切割特厚钢板的切割面质量良好，切割面的平面度和垂直度能满足企业生产要求。

表1 天然气与丙烷切割成本对比Tab.1 Cutting cost comparison between natural gas and propane

（2）采用天然气切割不需要更换原有丙烷割嘴，不需要对设备进行改造。就天然气使用压力而言，输气管道也可以沿用原有丙烷管道。除增加天然气增效剂混合装置外，不会使企业产生额外的设备改造成本。

（3）天然气切割钢板的速度稍微比丙烷快。在不考虑效率的情况下，使用天然气切割相比丙烷切割成本要下降44.1%。天然气切割能节约企业的制造成本，同时具有更安全、高效率的特点，可以在大型矿山机械制造企业应用。

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[1]吴虎修，汪长金，刘 虹.天然气在金属切割中的应用[J].燃气技术，2008（395）：8-11.

[2]刘海鸽，张海霞，张亚南.天然气替代丙烷切割在液压支架中的推广使用[J].新技术新工艺，2011（11）：78-79.