Температура ацетилено кислородного пламени

Сварочное пламя

Сообщение об ошибке

Сварочное пламя

Сварочное пламя образуется в результате сгорания горючих газов или паров горючих жидкостей в смеси с техническим кислородом. При этом пламя имеет сложную структуру и строение, которое показано на рис.1. Качество газовой сварки во многом зависит от правильности регулировки пламени, которое сварщик выставляет «на глаз» по форме и цвету. Поэтому очень важно знать строение и структуру пламени газовой горелки, чтобы учитывать это в повседневной работе. Форму, цвет и структуру пламени горелки меняют соотношением ацетилена и кислорода, подаваемых в зону горения. В качестве примера рассмотрим ацетилено-кислородное пламя.

Ядро пламени имеет форму цилиндра с заостренным концом, вокруг которого расположена ярко светящаяся оболочка. Длина ядра пламени регулируется скоростью подачи газовой смеси и ее качественным составом. Диаметр ядра зависит от размеров мундштука и расхода горючей смеси.

Строение пламени меняется при изменении соотношения смеси и может быть: нормальным, науглероженным и окислительным (рис.2).

Нормальное пламя получается, когда на один объем горючего газа подается один объем кислорода. Если в качестве горючего газа принят ацетилен, то процесс его нормального сгорания можно записать в следующем виде: С ₂ Н ₂ +О ₂ = 2СО+ Н ₂ .

Рис. 1. Составляющие ацетилено-кислородного пламени: 1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел пламени

Рис. 2. Разновидности ацетилено-кислородного пламени и зависимость температуры от вида пламени : А — нормальное; Б — науглераживающее; В — окислительное

При этом продукты неполного сгорания догорают за счет кислорода, присутствующего в атмосферном воздухе, по следующей реакции: 2СО +Н₂ + 1,5О₂ = 2С0₂ + Н₂О. Так как абсолютно чистых веществ в природе не бывает и кислород содержит в себе некоторое количество примесей, то нормальное пламя получается при некотором его повышенном значении, то есть при соотношении ацетилена и кислорода, равном 1,1 -1,2. Ядро нормального пламени светлое со слегка затемненной восстановительной зоной и факелом. По форме ядро пламени напоминает цилиндр с четкими очертаниями и закругленным концом. Диаметр цилиндра зависит от размера мундштука сварочной горелки, а длина – определяется скоростью истечения газовой смеси. Вокруг ядра пламени размещается светлая оболочка, в которой происходит сгорание раскаленных частиц углерода. При высокой скорости подачи газа пламя способствует сгоранию металла и выдуванию его из сварочной ванны. Малая скорость подачи газов чревата обратными ударами и хлопками.

Восстановительная зона пламени имеет более темный цвет и располагается в пространстве в пределах 20 мм от конца ядра. Температура пламени в этой зоне может достигать 3150°С (при сгорании ацетилена). Размер восстановительной зоны зависит от номера сварочного мундштука. При помощи этой зоны пламени нагревают метал, плавят его и ведут сварку. Остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной, состоящая из углекислого газа, паров воды и азота, имеет значительно меньшую температуру.

Науглероженное пламя получается, когда соотношение ацетилена и кислорода превышает указанное соотношение, то есть становится больше значения 1,1. Теоретически науглероженное пламя получается, когда в горелку подается 0,95 объема кислорода и менее. В этом случае ядро пламени увеличивается в объеме и теряет свои очертания. Недостаток кислорода в таком пламени приводит к неполному его сгоранию, и оно начинает коптить. Избыток ацетилена в науглероженном пламени приводит к его разложению на углерод и водород. Углерод из пламени переходит в металл, науглераживая его. Обычно науглероженное пламя применяют для сварки высокоуглеродистых сталей, чугуна, цветных металлов и при наплавке твердых сплавов.

Восстановительная зона науглероженного пламени светлая и практически сливается с ядром. Температура такого пламени ниже, поэтому работать с ним более тяжело. Для перевода пламени в нормальное состояние увеличивают подачу кислорода или снижают подачу ацетилена.

Окислительное пламя получается при недостатке ацетилена, то есть соотношение ацетилен: кислород становится меньше 1,1. Практически окислительное пламя получается при объеме кислорода, превышающем в 1,3 объем ацетилена. Ядро такого пламени укорачивается и заостряется, а его края становятся расплывчатыми, цвет бледнеет. Температура такого пламени выше температуры нормального. Избыточный кислород окисляет железо и примеси, находящиеся в стали, что в конечном итоге приводит к хрупкости сварочного шва, пористости его структуры, обедненной марганцем и кремнием. Поэтому при сварке сталей окислительным пламенем пользуются присадочной проволокой с повышенным содержанием этих элементов, являющихся раскислителями. Самая высокая температура нормального пламени достигается в восстановительной зоне. Окислительное пламя можно применять при сварке латуни и пайке твердым припоем.

Примерный химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени приведен в таблице 1. Нужно отметить, что ацетилено-кислородная смесь дает самую высокую температуру пламени. Изменение горючих газов несколько снижает температуру пламени и распределение ее по объему. Графическая зависимость изменения температур метан-кислородного и пропан-бутан-кислородного пламени представлена на рис.3.

Таблица 1. Химический состав нормального ацетилено-кислородного пламени

Часть пламени

Содержание по объему %

СО

Н ₂

CО ₂

35.Структура ацетилено-кислородного пламени. Виды пламени.

Строение, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл зависят от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси. Горение ацетилена может быть представлено следующей реакцией, протекающей в две стадии: С₂Н₂+2,5О₂=2СО₂+Н₂О_пар В первой стадии в горелку подают один объем ацетилена и один объем кислорода(С₂Н₂+О₂=2СО+Н₂). Во второй стадии за счет кислорода окружающего воздуха протекает реакция 2СО+Н₂+1,5О₂=2СО₂+Н₂О. В зависимости от соотношения кислорода и ацетилена в исходной горючей смеси различают три вида кислородно-ацетиленового пламени:1)Нейтральное, или нормальное восстановительное, пламя при соотношении О₂ :С₂Н₂=1:1,2;таким пламенем сваривают большинство металлов и сплавов;2)науглероживающее пламя при соотношении О₂:С₂Н₂ 1,2, т.е. при избытке кислорода. Пламя при этом приобретает голубоватый оттенок, размеры ядра пламени уменьшаются; применяют при сварке латуней.

36.Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом:хар-ка,сущ-ть,материалы,область применения.

Дуговая сварка в среде защитных газов является одним из широко применяемых технологических процессов в машиностроении. В первом случае электрическая дуга возбуждается между вольфрамовым или угольным электродом и основным металлом и горит в среде защитного газа. Для заполнения разделки в дугу подается присадочная проволока.При сварке плавящимся электродом электрическая дуга горит в среде защитного газа между сварочной проволокой и основным металлом. Проволока подается механически с постоянной скоростью или переменной, зависящей от напряжения дуги. Установка для сварки в среде защитных газов состоит из источника тока, сварочного автомата и полуавтомата, набора газоэлектрических горелок, очистителя и баллонов с газами. Газоэлектрические горелки для сварки в среде защитных газов разделяются на малые (ток 120 а), средние (ток до 240 — 400), и тяжелые (ток до 400 — 600 а). Горелки предназначаются для крепления электрода, подведения к нему сварочного тока, регулирования расхода газа и направления струи газа. Горелки имеют воздушное или водяное охлаждение. Для полуавтоматической сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов применяются специальные шланговые полуавтоматы (ПШВ-1); сварочная головка полуавтомата перемещается вдоль шва, опираясь на подаваемую механически присадочную проволоку диаметром 1 — 2 мм. Для автоматической сварки неплавящимся и плавящимся электродом в среде защитных газов применяются специальные универсальные автоматы (АРК-1 и др.). Головка автомата укреплена вращающейся консоли, что дает возможность производить сварку на нескольких рабочих местах, расположенных вокруг колонны. В качестве защитных газов применяются чистые аргон и гелий, смеси их между собой, а также смесь с некоторыми активными газами (водородом, кислородом и углекислым газом).Аргон— инертный газ несколько тяжелее воздуха, надежно защищает дугу и зону сварки. Дуга в аргоне горит очень устойчиво. При сварке алюминиевых сплавов на переменном или постоянном токе обратной полярности происходит разрушение окисной пленки на поверхности металла.Гелий — инертный газ в 10 раз легче воздуха. Расход гелия при сварке превышает расход аргона на 30 — 40%. При одном и том же сварочном токе дуга в гелии имеет большую тепловую мощность, чем в аргоне, и, следовательно, обладает большей проплавляющей способностью. Аргоно-гелиевая смесь повышает устойчивость горения дуги и ее тепловую мощность.При сварке в аргоно-кислородной смеси (95 — 97% Аr и 5º — 3%О2) понижается так называемый критический ток, при котором электродный металл начинает переходить в сварочную ванну не в виде отдельных капель, а в виде конической струи. Кроме того, повышается плотность наплавленного металла и увеличивается скорость сварки. Применение аргоно-водородной смеси (85% Аr + 15% Н2) позволяет увеличить напряжение на дуге, повысить ее тепловую мощность и способствует повышению чистоты и плотности металла шва. Добавление к аргону углекислого газа (90% Аr + 10% СО2) позволяет устранить пористость швов и повышает устойчивость горения дуги и улучшает формирование наплавленного металла. Аргоно-азотная смесь (80 — 70% Аr + 20 — 30% N2) применяется при сварке плавящимся электродом меди и ее сплавов.

Температура ацетилено кислородного пламени

Сварочное пламя используется в процессах газовой сварки и резки. От кислорода и ацетилена (состав горючей смеси) зависит внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл. Для того чтобы изменить свойства сварочного пламени, нужно изменять состав горючей смеси. Во время сгорания ацетилена в воздухе без добавления кислорода, пламя будет иметь желтоватый цвет и длинный факел без светлого ядра. Естественно данное пламя будет не пригодно для сварки потому, что имеет низкую температуру и сильно коптит, в тоже время выделяя много сажи несгоревшего углерода. Если же в данное пламя добавить кислород (открыть кислородный вентиль горелки), то цвет и форма пламени резко изменится и повысится температура.

Во время изменения соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси, можно получить 3 основных вида сварочного пламени:

• науглероживающее (ацетилен в избытке);
• нормальное (восстановительное);
• окислительное (кислород в избытке).

Для большинства металлов при сварке применяют нормальное пламя. Из теории оно получается, когда в смесь на один объем ацетилена подается один объем кислорода, т.е. 1:1. За счет кислорода смеси, сгорает ацетилен по реакции: C₂H₂+O₂=2CO+H₂ – 1 фаза горения

За счет кислорода, который поступает из окружающего воздуха, уже происходит дальнейшее горение по реакции: 2СО+Н₂+1,5О₂=2СО₂+Н₂О – 2 фаза горения

Образующиеся в пламени окиси углерода и водорода, раскисляют металл, восстанавливая из окислов металл в сварочной ванне. Если использовать смеси с соотношением 1:1 объемов кислорода и ацетилена, металл шва получается достаточно однородным, без пор, газовых пузырей и включений окислов. При избытке кислорода в смеси до 30% против теоретического за счет поступления его из окружающего воздуха, можно получить практически нормальное восстановительное пламя. И за счет этого соотношение ацетилена и кислорода изменяется от 1:1 до 1:1,3. Если пламя имеет светлое ядро, несколько темную восстановительную зону и факел, то это пламя нормальное.

Ядро должно иметь четкую форму, близкую к форме цилиндра с закругленным концом и ярко светящуюся оболочку, которая состоит из раскаленных частиц углерода. В наружном слое оболочки происходит сгорание этих частиц. Диаметр и длина являются размерами ядра пламени. Диаметром канала мундштука и расходом горючей смеси определяется диаметр ядра. В комплекте с горелкой присутствует набор мундштуков нескольких номеров. Чем больше номер мундштука и расход горючей смеси, тем больше диаметр ядра.

Скоростью истечения газовой смеси определяется длина ядра пламени. Основным фактором определяющим устойчивость горения пламени является скорость истечения газовой смеси.

Когда происходит маленькая скорость истечения газовой смеси пламя склонно к образованию хлопков и обратных ударов, а когда происходит завышение скорости истечения газовой смеси, пламя выдувает расплавленный металл из сварочной ванны.

Обычно восстановительная зона имеет более темный цвет, отличающийся от цвета ядра и остальной части пламени. В зависимости от номера мундштука она занимает пространство в пределах 20 мм от конца ядра. Сама же восстановительная зона состоит из окиси углерода и водорода и имеет наиболее высокую температуру в точке, отстоящей на 2-6 мм от конца ядра. Именно этой зоной пламени нагревают и расплавляют металл в процессе сварки.

Факелом называется остальная часть пламени, расположенная за восстановительной зоной и состоит из углекислого газа, паров воды и азота, которые появляются в пламени при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Температура факела значительно ниже температуры восстановительной зоны.

Итого получается в восстановительной зоне, в точке отстоящей чуть дальше от конца ядра, достигается максимальная температура ацетилено-кислородного пламени 3150°С, а при метан-кислородном пламени максимальная температура, равная 2150°С может быть достигнута на расстоянии 3-3,5 длины ядра от среза мундштука горелки. Максимальная температура пропан-бутан-кислородное пламя достигает 2400°С на расстоянии 2,5 длины ядра от среза мундштука.

Эти ориентировочные данные предоставлены для того, чтобы сварщик мог наиболее рационально использовать пламя горелки при сварке металла заданной толщины.

При увеличении подачи кислорода или уменьшении подачи ацетилена, до величины объема кислорода в смеси, превышающей в 1,3 объем ацетилена получается окислительное пламя. Окислительное пламя имеет укороченное заостренное ядро с менее резкими очертаниями и бледным цветом. Температура окислительного пламени выше, чем температура нормального восстановительного пламени. Свариваемый металл из-за такого пламени сильно окисляется, что приводит к получению хрупкого и пористого шва и выгоранию полезных примесей кремния и марганца. Возможно применение окислительного пламени при сварке сталей, но при этом необходимо использовать присадочную проволоку, в которой содержится повышенное содержание марганца и кремния, являющиеся раскислителями.

При уменьшении подачи кислорода или увеличении подачи ацетилена получается науглероживающее пламя. Данное пламя образуется при подачи в горелку 0,95 и менее объема кислорода на один объем ацетилена. Хотелось бы добавить, что в науглероживающем пламени размеры зоны сгорания увеличиваются, ядро теряет резкие очертания, оно становится расплывчатым, а на конце ядра появляется зеленый венчик, по которому судят о наличии избытка ацетилена. Пламя принимает желтоватую окраску, а восстановительная зона светлеет и почти сливается с ядром. Когда избыток ацетилена очень велик, пламя начинает коптить, так как не хватает кислорода и не получатся полного сгорания ацетилена. Избыточный ацетилен разлагается на водород и углерод. Ацетиленистое пламя будет науглероживать металл шва, так как углерод переходит в металл шва. Температура нормального пламени будет выше температуры этого пламени. Для того чтобы перевести ацетиленистое пламя в нормальное, нужно уменьшать подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра. Применение пламени с избытком ацетилена происходит при наплавке твердых сплавов, а также при сварке алюминиевых сплавов и магниевых.

От состава сварочного пламени зависят качество наплавленного металла и прочность сварного шва. Именно поэтому сварщики должны обращать особое внимание на характер и правильность регулирования сварочного пламени. По форме и цвету пламени, определяется характер пламени сварщиком на глаз. Во время формирования шва учитываются два основных фактора:
-угол наклона мундштука;
-скорость истечения газовой смеси.

Сварочное пламя должно обладать достаточной тепловой мощностью, которую выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и его физических свойств. Во время изменения тепловой мощности пламени, можно в довольно широких пределах регулировать скорость нагрева и расплавления металла, что является одним из их положительных качеств процесса газовой сварки.

Это следует помнить, КПД использования теплотворной способности горючего при газовой сварке равно всего лишь 7%. При сгорании ацетилена, выделяющееся тепло расходуется следующим образом: КПД для расплавления металла равно 6-7%.

• от неполноты сгорания 55-63%;
• с отходящими газами 13-15%;
• на излучение и конвенцию 9-10%;
• на нагрев прилегающих к шву участков 15-18%;
• от угара и разбрызгивания металла 1-2%.

Ацетилен – газ с самой высокой температурой пламени!

При нормальном давлении и температуре от -82,4°С (190,6 К) до -84,0°С (189 К) ацетилен переходит в жидкое состояние, а при температуре -85°С (188 К) затвердевает, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м 3 . Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от трения, механического или гидравлического удара и действия детонатора. Технический ацетилен при нормальных давлении и температуре представляет собой бесцветный газ с резким специфическим чесночным запахом из-за содержащихся в нем примесей в виде сернистого водорода, аммиака, фосфористого водорода и др.

В 1836 г. в Бристоле на заседании Британской ассоциации Эдмунд Дэви (Edmund Davy), профессор химии Дублинского Королевского общества и двоюродный брат Гемфри Дэви (Humphry Davy), сообщил:

. При попытке получить калий, сильно нагревая смесь прокаленного винного камня с древесным углем в большом железном сосуде, я получил черное вещество, которое легко разлагалось водой и образовывало газ, оказавшийся новым соединением углерода и водорода. Этот газ горит на воздухе ярким пламенем, более густым и светящимся даже сильнее, чем пламя маслородного газа (этилена). Если подача воздуха ограничена, горение сопровождается обильным отложением сажи. В контакте с хлором газ мгновенно взрывается, причем взрыв сопровождается большим красным пламенем и значительными отложениями сажи. Дистиллированная вода поглощает около одного объема нового газа, однако при нагревании раствора газ выделяется, по-видимому, не изменяясь. Для полного сгорания нового газа необходимо 2,5 объема кислорода. При этом образуются два объема углекислого газа и вода, которые являются единственными продуктами горения. Газ содержит столько же углерода, что и маслородный газ, но вдвое меньше водорода. Он удивительно подойдет для целей искусственного освещения, если только его удастся дешево получать.

Дэви получил карбид калия К₂С₂ и обработал его водой.

В статье «Карбид кальция и ацетилен – друзья не разлей вода!» мы писали о том, что его «двууглеродистый водород» впервые был назван ацетиленом французским химиком Пьером Эженом Марселеном Бертло (Marcellin Berthelot) в 1860 г. Только через 60 лет после открытия Дэви предсказанное им использование ацетилена для освещения явилось первым толчком для его промышленного получения.

Для полного сгорания 1 м 3 ацетилена по реакции: С₂Н₂ + 2,5O₂=2СO₂ + Н₂O + Q₁

требуется теоретически 2,5 м 3 кислорода или = 11,905 м 3 воздуха. При этом выделяется тепло Q₁ ≈ 312 ккал/моль. Высшая теплотворная способность 1 м 3 ацетилена при 0°C и 760 мм рт. ст., определенная в газовом калориметре, составляет Q_В = 14000 ккал/м 3 (58660 кДж/м 3 ), что соответствует расчетной:

312×1,1709×1000/26,036 = 14000 ккал/м 3

Низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята Q_H = 13500 ккал/м 3 (55890 кДж/м 3 ).

Практически при сжигании – ацетилена в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м 3 кислорода на 1 м 3 ацетилена, а всего лишь от 1 до 1,2 м 3 у что примерно соответствует неполному сгоранию по реакции:

где Q2 ≈ 60 ккал/моль или 2300 ккал/кг ацетилена. Остальные 1,5-1,3 м 3 кислорода поступают в пламя из окруающего воздуха, в результате чего в наружной оболочке пламени протекает реакция:

Реакция неполного горения протекает на внешней оболочке светящегося внутреннего конуса пламени, причем под влиянием высокой температуры на внутренней поверхности конуса происходит распад ацетилена на его составляющие по реакции:

где Q₄≈54 ккал/моль или 2070 ккал/кг ацетилена.

Таким образом, общая полезная теплопроизводительность пламени ацетилена применительно к сварочным процессам представляет собой сумму тепла, выделяемого при распаде ацетилена, и тепла, выделяемого при неполном сгорании, что составляет Q4 + Q2 = 2070 + 2300 = 4370 ккал/кг или 4370×1,1709 ≈ 5120 ккал/м 3 .

При содержании ацетилена в смеси около 45% (т. е. при отношении кислорода к ацетилену, примерно равном 1,25) достигается максимальная температура ацетилено-кислородного пламени, которая составляет 3200°С. Следовательно температура пламени изменяется в зависимости от состава смеси.

При содержании 27% ацетилена достигается максимальная скорость воспламенения ацетилено-кислородной смеси, которая равна 13,5 м/сек. Следовательно, в зависимости от состава смеси также изменяется и скорость воспламенения.

Данные зависимостей скорости воспламенения и температуры пламени и от содержания в ней ацетилена представлены ниже в таблице.

Содержание ацетилена в смеси в объемных процентах