3.8. Газовое пламя

При газопламенной обработке (сварке, резке, поверхностной обработке, пайке) в качестве источника тепла используется газовое пламя — пламя горючего газа, сжигаемого для этой цели в кисло­роде в специальных горелках.

В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, при­родные газы, нефтяной газ, пары бензина, керосина и др. Наиболее высокую температуру по сравнению с пламенем других газов имеет ацетилено-кислородное пламя, поэтому оно нашло наибольшее при­менение.

Ацетилен (С₂Н₂) является химическим соединением углерода и водорода. Его получают в специальных аппаратах — газогенера­торах при взаимодействии воды с кар­бидом кальция (СаС₂). Реакция разло­жения карбида кальция с образовани­ем газообразного ацетилена и гашеной извести протекает со значительным вы­делением теплоты Q:

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)₂ + Q

При разложении 1 кг карбида каль­ция образуется 0,25—0,3 м³ ацетилена.

Карбид кальция получают в элект­рических дуговых печах при температу­ре 1900—2300°С сплавлением кокса с негашеной известью по реакции

Схема нормального ацетилено-кислородного пламени и распределения тем­ператур

Ацетилено-кислородное пламя состо­ит из трех зон: ядра пламени 1, средней восстановительной зоны 2, факела

пламени —окислительной зоны 3. Ядро представляет собой газовую смесь сильно нагретого кислорода и диссоциированного (разложенно­го) ацетилена — 2С+Н₂+О₂, ядро выделяется резким очертанием и ярким свечением. Горенке начинается на внешней оболочке ядра и продолжается во второй зоне. В зоне 2 происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона по реакции 2С+Н₂+О^-₂ = 2СО+Н₂. Углерод сгорает не полностью, а водород, как имеющий меньшее сродство к кислороду по сравне­нию с углеродом, в этой зоне не окисляется (не сгорает). Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая восстанови тельными свойствами, называется сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода но реакции:

2СО + Н₂ + 3/2О₂ = 2СО + Н₂О

Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют железо, поэтому эту зону называют окислительной.

Для полного сгорания одного объема ацетилена требуется два с половиной объема кислорода: один объем поступает из кислородного баллона и полтора объема — из воздуха. Количество тепла в джоулях, получаемое при полном сгорании 1 м³ газа, назы­вается теплотворной способностью.

Газовое пламя нагревает металла вследствие процессов теплообмена — вынужденной конвекции и излучения.

Тепловые характеристики газового пламени (температура, эффективная тепловая мощность, распределение теплового потока пламени по пятну нагрева) зависят от теплотворной способности горючего газа, чистоты кислорода и их соотношения в смеси.

Температура газового пламени (°С) неодинакова в различ­ных его частях и достигает наибольшего значения на оси пламени вблизи конца ядра. Тепловую мощность газового пламени, полу­чаемого в сварочных горелках, условно оценивают часовым расхо­дом ацетилена (л/ч).

Эффективная мощность пламени q_и, т. е. количество тепла, вво­димое в нагреваемый металл в единицу времени, возрастает с уве­личением расхода газа.

Эффективный к. п. д. процесса нагрева металла η_и, газовым пла­менем, определяемый как отношение эффективной мощности q_и к полной мощности пламени q, равен:

η_и = q_и /KV_ацет.

где КV_ацет. — полная тепловая мощность ацетилено-кислородного иламени; К — коэффициент, К = 0,84; ) η_и зависит от мощности пла­мени и меняется в пределах от 0,8 (малая мощность) до 0,25 (боль­шая мощность).

Газовое пламя является рассредоточенным источником тепла, Наибольший тепловой поток на оси ацетилене-кислородного пла­мени обычной сварочной горелки в 8—12 раз меньше, чем у откры­той сварочной дуги примерно одинаковой эффективной мощности, поэтому газовое пламя нагревает металл медленнее и плавнее, чем сварочная дуга.