Процесс газовой резки требует вполне определенного количества кислорода. Недостаток кислорода приводит к неполному сгоранию железа и недостаточно интенсивному удалению окислов. Избыток кислорода охлаждает металл.
Количество проходящего через сопло кислорода зависит от скорости истечения струи, определяемой конструкцией (формой) сопла, его наименьшим (критическим) сечением и давлением кислорода.
Истекающая из режущего сопла струя кислорода должна вызывать непрерывное окисление металла по всей толщине разрезаемого листа или заготовки, причем скорость перемещения режущего сопла вдоль линии реза должна соответствовать скорости окисления металла по толщине.
В значительной мере скорость окисления металла по толщине зависит от скорости истечения кислородной струи. Кислородная струя должна интенсивно удалять из зоны резки образующиеся при сгорании металла окислы, для чего также необходима высокая скорость истечения струи.
Струя кислорода должна обеспечивать равномерную ширину реза по толщине разрезаемого металла и минимально возможную величину отставания, для чего необходимо сохранение цилиндрической формы струи по всей ее длине в пределах толщины разрезаемой стали.
Максимальная скорость истечения режущей струи кислорода, превышающая скорость звука, и необходимая цилиндричность струи достигаются применением расширяющихся профилированных сопл типа, представленного на рис. 87. Такие сопла при их достаточной длине обеспечивают полное расширение газа в устье канала сопла до давления окружающей атмосферы и, следовательно, полное превращение потенциальной энергии газа в кинетическую.


Истечение газа из сопла характеризуется следующими параметрами: формой и относительными размерами сопла; рабочим давлением и характером падения давления внутри сопла; расходом газа и скоростью его истечения. Особенно важна зависимость характера истечения от формы сопла и рабочего давления газа перед соплом.
В условиях газовой резки давление среды, в которую истекает кислород, ρвых=101325 Па (1 ат), и, таким образом, уже при давлении кислорода на входе в сопло ρвых=188943 Па (1,893 ат), т.е. избыточном давлении 87618 Па (0,893 ат), наступает критическое отношение давлений, соответствующее переходу к сверхзвуковой скорости.
В соплах с каналами цилиндрической формы, когда избыточное давление кислорода на выходе в сопло больше 87618 Па (0,893 ат) - а это имеет место в подавляющем большинстве случаев резки, расширение газа в устье канала сопла не полное и давление в нем больше давления окружающей атмосферы. Расширение кислорода происходит вне сопла и его струя менее направленная, чем при истечении из расширяющихся сопл при тех же давлениях кислорода.
Исследования кислородных струй методом интерференционных полос, основанным на фотографировании освещенной кислородной струи, показывают, что относительная цилиндричность струи, истекающей из сопла цилиндрической или ступенчато-цилиндрической формы, наблюдается только при сравнительно низких избыточных давлениях кислорода, не превышающих 490330-582396 Па (5-6 ат). При дальнейшем повышении давления режущая струя заметно расширяется и приобретает конусообразную форму. Особенно сильное расширение струи наблюдается у цилиндрических сопл.
Расширяющиеся сопла при их рациональной форме и длине и при соответствующем давлении кислорода обеспечивают полное расширение газа в устье канала сопла (случай равенства давлений окружающей среды и струи), т.е. полное превращение потенциальной энергии газа в кинетическую, в результате чего отсутствуют затраты энергии на расширение струи на выходе из сопла; вся энергия струи идет только на увеличение скорости истечения кислорода, на увеличение длины струи и ее пробивной способности.
Однако сказанное относится только к свободно истекающей струе, так как при резке, когда струя проходит через образуемый в металле разрез, при большой скорости истечения имеет место подсос воздуха, и часть струи затрачивается на эжектирование.
Суживающиеся сопла не обеспечивают сверхзвуковой скорости истечения кислорода и работают на дозвуковой или звуковой скорости истечения газа. Однако эти сопла менее чувствительны к изменению рабочего давления и при низких давлениях кислорода, не создавая подсоса воздуха, обеспечивают необходимую кинетическую энергию и пробивную способность струи.
Выбор формы сопла и рабочего давления кислорода при резке в большей мере зависит от толщины разрезаемой стали. Так, при резке листовой стали толщиной до 100 мм, применяя давление кислорода не более 490000 Па (5 кгс/см2), весьма удовлетворительных результатов достигают при использовании цилиндрических сопл, отличающихся удлиненным цилиндрическим каналом режущего кислорода.
Отличительная особенность этих резаков состоит также и в том, что в них применяют цилиндрические сопла в сочетании с удлиненным кольцевым каналом горючей смеси, образуемым двумя составными мундштуками - внутренним и наружным, при увеличенных размерах камеры горючей смеси в головке резака (рис. 88). В результате и кислородная струя, и подогревающая смесь газов приобретают большие скорости истечения и создают концентрированный нагрев и окисление металла. Увеличенные же размеры камеры горючей смеси обеспечивают необходимый запас газов и удлиненную форму ядра пламени.


Применение подобных сопл обеспечивает малую ширину реза и высокую производительность. В некоторых случаях, при резке стали указанной и большей толщины используют суживающиеся конусные или профилированные сопла. Однако наибольшее применение при резке стали толщиной до 300 мм нашли выпускаемые промышленностью резаки с простыми в изготовлении ступенчатоцилиндрическими соплами.
При резке стали толщиной до 700 мм используют как цилиндрические, так и конусные суживающиеся сопла, работающие на пониженном давлении кислорода. В некоторых случаях резки стали этих толщин применяют и плавно расширяющиеся, профилированные сопла, также работающие на низком давлении кислорода и обеспечивающие плавное, безударное истечение газа.
Наконец, при резке стали толщиной 700-2000 мм используют преимущественно профилированные расширяющиеся сопла, обеспечивающие при сверхзвуковой скорости истечения относительно малую и равномерную по толщине стали ширину реза, малое отставание, интенсивное удаление образующихся окислов (шлаков) и высокую производительность процесса.