1.2 Процесс горения и строение газового пламени

1.2.1. Виды процессов горения

Горением называется быстро совершающаяся реакция, сопровождающаяся выделением такого количества теплоты, что образующиеся при этом газы нагреваются до температуры их свечения.

Большинство реакций горения протекает в результате соединения различных твердых, жидких и газообразных веществ с кислородом. Для процессов обработки металлов газовым пламенем наибольший интерес представляет горение различных газов и паров жидких горючих в смеси с кислородом или воздухом.

Процесс горения газовой смеси при газопламенной обработке начинают с ее воспламенения посторонним вспомогательным маломощным пламенем. После того как началось горение, дальнейший нагрев горючей смеси внешним источником теплоты становится излишним благодаря выделению образовавшимся пламенем теплоты в количестве, достаточном для поддержания горения новых порций горючей смеси (для нагрева поступающих еще не воспламенившихся объемов газа и для компенсации потерь теплоты в окружающую среду).

В зависимости от скорости воспламенения горючей смеси (скорости распространения пламени) процессы горения делятся на следующие виды:

1) спокойное горение – со скоростью распространения пламени, не превышающей 10 – 15 м/сек;

2) взрывчатое горение – со скоростью распространения пламени, измеряемой сотнями метров в секунду;

3) детонационное горение – со скоростью распространения пламени свыше 1000 метров в секунду.

Скорость распространения пламени, или скорость воспламенения, зависит в основном от состава газовой смеси, давления, под которым находится газовая смесь и характера пространства, в котором происходит горение (в случае горения, например, в трубках основным параметром, определяющем эти условия, является диаметр этой трубки). Для каждой смеси горючего газа с кислородом существует максимальная скорость воспламенения, соответствующая определенному соотношению кислорода с горючим газом.

Избыток кислорода в смеси сверх этого соотношения снижает скорость воспламенения: не участвуя в горении, он является тепловым балластом процесса.

Скорость воспламенения зависит также от чистоты горючего газа; с увеличением содержания в нем негорючих компонентов скорость воспламенения уменьшается.

С увеличением давления горючей смеси скорость воспламенения растет. Повышение скорость воспламенения наблюдается также с увеличением диаметра трубки, в которой происходит горение смеси.

1.2.2. Строение газового пламени

Применяемые для нагрева и плавления металлов при сварке горючие газы или пары горючих жидкостей представляют собой преимущественно углеводороды или смеси углеводородов с другими газами, например с СО или СО₂. Из всех горючих газов горючих газов в чистом виде применяется только водород.

Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют пламя со светящимся ядром внутри. Такое же строение имеет ацетиленокислородное пламя (рис.1). Чем больше углеводородов в составе горючего газа, тем резче очерчено светящееся ядро пламени. Кроме ацетилена С₂Н₂ к горючим газам, имеющим пламя со светящимся ядром , относятся метан, природный газ и др.

В отличие от углеводородных газов, водородно-кислородное пламя ядра не образует и имеет светло-желтый оттенок. Отсутствие светящегося ядра, которое у других горючих газов обусловлено наличием в их составе углерода, делает затруднительной регулировку пламени по внешнему виду.

Наибольшее распространение в качестве горючего газа для сварки и нагрева металла в других сварочных процессах получил ацетилен С₂Н_{2 .}

В ацетиленокислородном пламени по внешнему виду при изучении его свойств и строения можно выделить три зоны: ядро, среднюю зону (восстановительную) и факел (окислительную зону). По относительным размерам и очертанию этих зон, зависящих от соотношения ацетилена и кислорода в смеси, выходящей из мундштука сварочной горелки, ацетиленокислородное пламя принято делить на нормальное, окислительное и науглероживающее.

Нормальное пламя имеет резко очерченное ядро, плавно закругляющееся в конце (рис. 1а). При избытке горючего газа реакции окисления замедляются, а количество горючего, сгорающего за счет кислорода окружающего воздуха, и размеры пламени увеличиваются. Ядро пламени теряет резкость своего очертания, а граница между средней зоной пламени и факелом исчезает (рис. 1б). Факел пламени приобретает красноватый оттенок и выделяет некоторое количество копоти, зависящее от излишка горючего газа.

При избытке кислорода ядро пламени приобретает конусообразную форму, значительно сокращается по длине и становится менее отчетливым. Вследствие более энергичного окисления сокращаются по длине также средняя зона и факел пламени.

Окислительное пламя имеет голубоватый оттенок и горит с шумом, степень которого зависит от давления кислорода и соотношения с ацетиленом в смеси. Чем больше содержание кислорода в смеси, тем с большим шумом горит пламя.