1.2.Материалы для сварки и резки

При газовой сварке и резке используют флюсы, горючие газы и жидкости и кислород, сварочную проволоку и присадочные прутки.

1.2.1.Газы и жидкости, используемые для газопламенной обработки

Для процессов газопламенной обработки применяются горючие газы и пары горючих жидкостей, при сгорании которых в кислороде образуется высокотемпературное пламя.

Горючие газы подразделяются на природные и искусственные (технологические). Технические требования к сжиженным горючим газам определяются ГОСТ 5542-87, к сжатым горючим газам – ГОСТ 20448-90.

Природный газ представляет собой смесь газообразных предельных углеводородов с преобладающим количеством метана (76-99 %) и небольшим количеством инертных газов и азота. В зависимости от месторождений, где добывается природный газ, его состав может быть различным, хотя основой в большинстве случаев является метан. Химический состав природного газа различных месторождений приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав природного газа различных месторождений

Месторождение газа	Состав газа, % (по объему)
	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	CO2	H2S	N2 + редкие газы
Степновское	95,1	2,3	0,7	0,4	0,8	0,2	-	0,5
Пуглинское	86,1	2	0,6	0,34	0,35	8,5	-	2
Медвежье	99,2	0,12	0,005	-	-	0,095	-	0,6
Заполярное	98,5	0,2	0,05	0,012	0,001	0,5	-	0,7
Уренгойское	97,6	0,1	0,01	-	-	0,3	-	1,95
Оренбургское	85	4,9	1,6	0,75	0,55	0,6	1,3	5
Вухтылское	74,8	8,8	3,9	1,8	6,4	-	-	4,3
Верхнеомринское	82,7	6	3	1	1,2	0,1	-	7
Гизлинское	93	3,1	0,7	0,6	-	0,1	-	2,5
Карадагское	93,2	2,1	1,2	1	1,2	0,8	-	0,5
Ачакское	93	3,6	0,95	0,25	0,31	0,4	-	1,3
Небит-Дагское	91	3	2,3	1,3	1,8	0,5	-	0,1
Ромашкинское	40	19,5	18	7,5	4,9	0,1	-	10
Туймазинское	39,5	20	18,5	7,7	4,2	0,1	-	10

Смесь природного газа с низкокалорийными технологическими газами (коксовым, генераторным и др.) называют городским газом. Этот газ может применяться при кислородной резке.

Коксовый газ представляет собой смесь газообразных продуктов сухой перегонки каменного угля. В зависимости от места добычи и технологии выработки коксовый газ содержит 40-60 % Н₂, 20-30 % СН₄, 5-12 % СО, 1,5 % тяжелых углеводородов, 2-3 % СО₂, до 1 % О₂. Для газопламенной обработки применяют только хорошо очищенный коксовый газ, для предотвращения засорения каналов аппаратуры смолистыми веществами и коррозии стенок газопровода сернистыми соединениями.

Сланцевый газ получают при газификации горючих сланцев при доступе воздуха. Его состав зависит от исходных материалов и технологии производства. Сланцевый газ можно использовать при газовой резке.

Пиролизный газ – продукт термического разложения нефтяного мазута. Ограниченно применяется для газопламенной обработки, чаще всего при резке. Требует тщательной очистки от сернистых соединений во избежание сильной коррозии газовой аппаратуры.

Нефтяные газы представляют собой смесь горючих газов. В зависимости от способа получения нефтяные газы подразделяют на попутные и заводские (искусственные) газы. Основными компонентами попутных газов являются метан, этан, пропан, бутан. В составе заводских газов содержатся также этилен, пропилен, бутилен, амилен и до 60 % водорода.

Для газопламенных процессов используют метилацетилен-пропадиен (МАПП) – смесь горючих газов; по своим свойствам он близок к пропану. Применяют также метил-ацетиленовую фракцию (МАФ), являющуюся отходом производства олефинов и этилена.

При газопламенной обработке широко применяют пропан-бутановые смеси. Они состоят из пропана с примесью бутана в количестве от 5 до 30 %. Для работы при отрицательных температурах выпускается так называемый «зимний» пропан. Это пропан-бутановая смесь, в которой количество пропана находится на верхнем пределе и при положительной температуре его количество в смеси уменьшается.

Основным горючим газом является ацетилен С₂Н_2. Кроме него применяют более дешевые и менее дефицитные газы-заменители: метан СН_4, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ , этилен С₂Н₄, водород Н₂ и окись углерода СО. Этан, этилен и окись углерода входят в состав газовых смесей различного происхождения.

Кроме газообразных продуктов переработки нефти, иногда для газопламенной обработки используют горючие жидкости – осветительный керосин С₇Н₁₄, выпускаемый по ТУ-38.71-58-10-90, и бензин С₇Н₁₅, изготавливаемый в соответствии с требованиями ГОСТ 2084-77. Керосин применяют для сварки и пайки легкоплавких металлов и резки. Бензин имеет такое же применение, кроме того, он используется при подводной резке. Кроме горючих газов в составе смеси имеется также газообразный кислород О₂. Основные свойства горючих газов и жидкостей приведены в табл. 2.

Технический ацетилен (С₂Н₂). Молекулярная масса 26,038. Ацетилен в 1,1 раза легче воздуха. Плотность ацетилена при 20 С и 760 мм рт. ст. равна 1,091 кг/м³. Критическое давление – 61,6 кг/см². Критическая температура 35,9 С. Температура перехода ацетилена в жидкое состояние – (- 84 С), температура затвердевания – (- 85 С).

Таблица 2

Основные свойства горючих газов и жидкостей

Газ или жидкость	g, кг/м3	Т, Дж/м3	Tпл,  С	Qк, на 1м3 газа		Vв, м/с
Ацетилен	1,09	52753680	3200	1,7	1	13,7
Метан	0,67	33494400	2200	2	1,6	3,3
Пропан	1,88	87085440	2750	3,5	0,65	4,5
Бутан	2,54	116393040	2500	4	0,45	3,7
Водород	0,084	10048320	2500	0,4	5,2	4,2
Этан	1,27	60289920	2200	-	-
Пропан-бутан	1,92	86248080	2100	3,5 - 4	0,6
Этилен	1,17	59536296	2900	-	0,9
Окись углерода	1,16	117230040	2800	-	4,5
Сланцевый	1	14235120	2000	0,7	4
Коксовый	0,55	18421920	2200	0,9	3,2
Природный	0,9	37681200	2200	2,1	1,8
Нефтяной	1,37	61964640	2400	2,9	1,2
Городской	1,05	20934000	2300	1,2	3
Пиролизный	0,85	37681200	2400	-	1,8
МАПП, МАФ	1,76	88760160	2900	-	0,55
Бензин	0,7 – 0,74	43961400	2400	-	1,2	-
Керосин	0,79 - 0,82	42705360	2300	-	1,3	-

Примечания: g – плотность газа при 20 С и 760 мм рт. ст; Т – низшая теплота сгорания при 20 С и 760 мм рт. ст; T_пл – температура пламени в смеси с кислородом; Q_к – количество кислорода на 1 м³ газа;  - коэффициент замены; V_в – скорость воспламенения

Ацетилен, применяемый для газопламенной обработки, в нормальных условиях, представляет собой горючий бесцветный газ с резким запахом. Запах объясняется наличием примесей, таких как Н₂S и PH₃, образующихся при получении ацетилена из карбида кальция в результате разложения содержащихся в нем примесей CaS и Ca₃P₂. Примеси повышают взрывоопасность ацетилена. Взрывоопасными являются и смеси ацетилена с воздухом и кислородом. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие около 30 % ацетилена и 70 % кислорода и смеси ацетилена с воздухом при содержании ацетилена 7-13 %. Кроме того, при длительном соприкосновении ацетилена с медью и ее оксидами образуется ацетиленид меди CuC₂, легко взрывающийся при перегреве, трении или ударе. По этой причине для ацетиленовой аппаратуры допускается применение медных сплавов лишь при содержании ее не более 70 %. Одним из важных свойств ацетилена является его хорошая растворимость в некоторых жидкостях, в частности в ацетоне (CH₃COCH₃). При 20 С один объем ацетона растворяет около двадцати объемов ацетилена при атмосферном давлении, а при избыточном давлении растворимость возрастает пропорционально давлению.

Технический ацетилен получают двумя способами:

- из карбида кальция;

- при переработке природного газа, нефти, угля, торфа.

Ацетилен, получаемый из природного газа, называют пиролизным. Себестоимость получения пиролизного ацетилена на 30-40 % дешевле, чем из карбида кальция.

Основным сырьем для получения ацетилена является карбид кальция СаС₂. Он активно взаимодействует с водой и интенсивно поглощает влагу из воздуха, выделяя при этом ацетилен. При взаимодействии с водой карбид кальция быстро разлагается с образованием газообразного ацетилена и гашеной извести по реакции

.

Эта реакция протекает бурно с выделением большого количества тепла. Скорость разложения карбида кальция зависит от температуры и чистоты воды, грануляции и чистоты карбида кальция. Чем выше температура и чистота воды, тем быстрее он разлагается. Объем ацетилена, получаемый при разложении 1 кг карбида кальция, подсчитывается по формуле

где V₁ – объем ацетилена в мерном сосуде прибора; p₀ - барометрическое давление; p_в – упругость водяных паров при температуре получения ацетилена; T – температура, полученного ацетилена; G – вес карбида кальция в приборе.

Грануляция карбида кальция должна соответствовать требованиям ГОСТ 1460-81*, чем меньше куски карбида кальция, тем больше скорость его разложения. Карбид кальция гигроскопичен, он поставляется в герметичной упаковке – стальных барабанах из кровельной стали.

В соответствии с ГОСТ 5457-75* по содержанию допустимого количества примесей различают ацетилен растворенный (с государственным знаком качества) (А); растворенный (Б) и газообразный (С). Допустимый состав технического ацетилена приведен в табл. 3.

Таблица 3

Химический состав технического ацетилена по ГОСТ 5457-75*

Содержание, %	Сорт
	А	Б	С
Объемная доля С2Н2, не менее	98,585	98,31	97,67
Объемная доля воздуха, не более	0,9	1,0	1,5
Объемная доля Н2S, не более	0,005	0,05	0,15
Объемная доля PH3, не более	0,01	0,04	0,08
Массовая концентрация паров H2O, не более, г/м3	0,5	0,6	0,6

Пропан (С₃Н₈) является продуктом переработки нефти и относится к сжимаемым горючим газам. Плотность пропана при 20 С и 760 мм рт.ст. 1,88 кг/м³. Пропан в 1,57 раза тяжелее воздуха, что может привести к скоплению его в нижней части помещения, колодцах, приямках и т.д., создавая взрывоопасную концентрацию. Температура кипения пропана – (-44,5 С). Температура вос-пламенения 510 С. Химический состав газообразного пропана приведен в табл. 4.

Таблица 4

Химический состав технического пропана по ГОСТ 20448-90

Содержание, %	Сорт
	А	Б	С
Объемная доля С3Н8, не менее	98,585	98,31	97,67
Объемная доля воздуха, не более	0,9	1,0	1,5
Объемная доля Н2S, не более	0,005	0,05	0,15
Объемная доля PH3, не более	0,01	0,04	0,08
Массовая концентрация паров H2O, не более	0,5	0,6	0,6

Бутан (С₄Н₁₀) получают, как и пропан, при переработке нефти. Бутан также относится к сжимаемым горючим газам. Плотность бутана при 20 С и 760 мм рт. ст. 2,52 кг/м³. Бутан в 2,1 раза тяжелее воздуха и так же, как пропан, может скапливаться в нижней части помещения, подвалах и стать причиной самопроизвольного взрыва. Температура кипения бутана – (– 0,5 С), температура воспламенения 540 С. Химический состав газообразного бутана приведен в табл. 5.

Таблица 5

Химический состав технического бутана по ГОСТ 20448-90

Содержание, %	Сорт
	А	Б	С
Объемная доля С3Н8, не менее	98,585	98,31	97,67
Объемная доля воздуха, не более	0,9	1,0	1,5
Объемная доля Н2S, не более	0,005	0,05	0,15
Объемная доля PH3, не более	0,01	0,04	0,08
Массовая концентрация паров H2O, не более	0,5	0,6	0,6

На практике чаще всего используют пропан-бутановые смеси. Соотношение пропана и бутана в смесях меняется в зависимости от температуры окружающей среды. При отрицательной температуре в смеси больше бутана, при положительной – больше пропана.

Метан (СН₄) получают из природного или коксового газа методом глубокого охлаждения. Температура воспламенения метана – (+340 С). Температура сжижения метана – (– 158 С). В чистом виде метан при газопламенной обработке применяется редко. Он является основным компонентом природных газов и входит в состав других горючих газовых смесей. Химический состав газообразного метана приведен в табл. 6.

Водород (Н₂) – атомная масса 1,00792. При обычных условиях водород – газ без цвета, запаха и вкуса, в 14,5 раза легче воздуха. При нулевой температуре и давлении 101,3 кПа плотность 0,084 кг/м³. Критическая температура – 240 С. Водород взрывоопасен. С воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь, в смеси с кислородом (2:1) – гремучий газ. Температура самовоспламенения 510 С. При высоких концентрациях вызывает удушье. При высоком давлении оказывает наркотическое действие. Водород редко используется в сварочном производстве для атомно-водородной сварки и дуговой сварки в защитных газах (в смеси Ar + H₂), а также при плазменной обработке материалов. В соответствии с ГОСТ 3022‑80* выпускают водород трех марок. Для сварки используют марки А и Б. Химический состав газообразного водорода приведен в табл. 7.

Таблица 6

Химический состав газообразного метана по ГОСТ 5542-87

Содержание, %	Сорт
	А	Б	С
Объемная доля СН4, не менее	98,585	98,31	97,67
Объемная доля воздуха, не более	0,9	1,0	1,5
Объемная доля Н2S, не более	0,005	0,05	0,15
Объемная доля PH3, не более	0,01	0,04	0,08
Массовая концентрация паров H2O, не более	0,5	0,6	0,6

Таблица 7

Химический состав газообразного водорода по ГОСТу 3022-80*

Содержание, %	Сорт
	А	Б
Объемная доля Н2, не менее	99,99	99,95
Объемная доля O2, не более	0,01	0,05
Объемная доля газов O2,N2, CO, не более	0,005	0,05
Массовая концентрация паров H2O, не более	0,2	0,2

Кислород (О₂) – при нормальных условиях газ без цвета, запаха и вкуса. В атмосфере находится в свободном состоянии и составляет 23 % массы воздуха. Плотность газообразного кислорода при нулевой температуре и нормальном давлении 1,332 кг/м³. Критическая температура – 118,84 С, критическое давление 4,97 МПа. Температура кипения – (+182,9 С). Кислород нетоксичен, не горюч и невзрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, резко увеличивает способность других материалов к окислению. Накопление кислорода в воздухе создает опасность возникновения пожаров. Объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В сварочном производстве кислород широко применяется для газовой сварки и резки, а также при дуговой сварке в составе газовых смесей. При достаточно высоком содержании раскислителей в переплавляемом дугой металле кислород может вводиться в зону сварки для уменьшения вредного влияния водорода, улучшения формирования металла шва и переноса электродного металла. Как активный элемент кислород уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, тем самым способствуя образованию на конце электрода более мелких капель и их более равномерно направленному (струйному) переносу в сварочную ванну. Технический кислород выпускается по ГОСТ 5583-78* трех сортов. Химический состав газообразного кислорода приведен в табл. 8.

Выбор горючего газа зависит также от его теплотворной способности. Теплотворной способностью газа называется количество тепла, получаемое при полном сгорании 1м³ газа. Чем выше теплотворная способность газа, тем меньше его расход при сварке и резке металлов.

Таблица 8

Химический состав газообразного кислорода по ГОСТ 5583-78*

Содержание, %	Сорт
	Первый	Второй	Третий
Объемная доля O2, не менее	99,7	99,5	99,2
Объемная доля Н2, не более	0,3	0,5	0,7
Массовая концентрация паров H2O, не более	0,05	0,07	0,07

Для полного сгорания одинакового объема различных горючих газов требуется различное количество кислорода, от этого зависит эффективная мощность пламени.

Для расчетов замены ацетилена другим газом-заменителем пользуются коэффициентом замены ацетилена. Его определяют из выражения:

где Q_з – расход газа-заменителя; Q_а – расход ацетилена при одинаковой эффективной тепловой мощности.