1.2.3. Стадии горения ацетиленокислородного пламени
Полное сгорание ацетилена происходит по уравнению
С2Н2 + 2.5О2 = 2СО2 + Н2О + Q (1)
где Q – выделяющаяся при реакции теплота, (кал/моль)
Данное уравнение, согласно которому для полного сгорания 1 объема ацетилена требуется 2.5 объема кислорода, является термодинамическим процессом перехода системы из начального состояния (ацетилен плюс кислород) в конечное (продукты сгорания) за одну стадию. Однако в условиях сварочного пламени переход системы из начального состояния в конечное (продукты сгорания) происходит с образованием промежуточных компонентов газовой смеси и процесс горения ацетилена протекает в три стадии (рис.2).
Первая стадия процесса (участок а – б, рис.2) – подготовка горючего к сгоранию. Она представляет собой пирогенное (тепловое) разложение ацетилена и его частичное окисление кислородом, подаваемым в составе газовой смеси из горелки. Будучи ненасыщенным соединением, ацетилен при нагреве легко распадается. Поэтому реакции первой стадии горения начинаются уже на выходе из мундштука горелки и завершаются внутри светящегося ядра газового пламени.
Рис.2. Изменение скорости процесса горения во времени
Реакции пирогенного разложения ацетилена и его взаимодействия с кислородом можно представить в виде следующей цепи реакций:
С2Н2 + О = С2Н2О; (2)
С2Н2О + О2= С2Н2О2+ О
С2Н2О2→НСНО + СО С2Н2+О2=2СО+Н2+Q
↓
Н2 + СО
В результате цепи реакций (2) последовательного разложения ацетилена и его частичного окисления образуются новые, более устойчивые продукты СО и Н2 и выделяется теплота.
В процессе разложения некоторая (незначительная) часть ацетилена распадается полностью
С2Н2 → 2С + Н2 (3)
с последующим окислением и углерода, и водорода.
В результате появляется свободный углерод в виде мельчайших частиц сажи, который, выходя на поверхность ядра пламени, распределяется по ней тонким раскаленным слоем и вызывает свечение ядра [1, с.121]. Свечение ядра, наблюдаемое в виде светящегося контура его поверхности, авторы некоторых работ объясняют также окислением элементарных частиц углерода на поверхности ядра [ 2, с.85 ].
Вторая стадия горения – ускорение окислительных процессов, стадия воспламенения (участок б – в, рис.2) . Она происходит в средней зоне ацетиленокислородного пламени.
Эта зона пламени представляется в виде темного клина, являющегося продолжением ядра. В ней на второй стадии начинается процесс интенсивного окисления СО и Н2 в углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О) кислородом воздуха.
Третья стадия – завершение процесса горения (участок в – г, рис.2) Завершение процесса горения происходит в факеле пламени и представляет собой продолжение процесса окисления СО и Н2 в углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О) кислородом воздуха. В участках факела, граничащих со средней зоной, процесс догорания СО и Н2 продолжает происходить интенсивно, а затем, по мере удаления от средней зоны, наблюдается резкое падение скорости горения.
Несмотря на то, что процессы горения на второй и третьей стадиях происходят в разных зонах пламени, их можно представить в виде одного и того же химического уравнения
2СО + Н2 + 1,5 О2 = 2 СО2 + Н2О + 194200 кал/моль (811.6 кДж/моль) (4)
Рассматривая процессы горения на второй и третьей стадиях, важно отметить, что различие процесса горения на этих стадиях заключается не только в интенсивности окисления СО и Н2 кислородом воздуха и в интенсивности выделения тепла в средней зоне и факеле пламени. Существенное различие процессов горения на второй стадии в средней зоне и на третьей стадии в факеле заключается в составе и свойствах газовой смеси в этих зонах пламени. В средней зоне процесс окисления СО и Н2 кислородом, поступающим из воздуха, только начинается. Поэтому в средней зоне имеет место избыток молекул окиси углерода и водорода по сравнению с количеством кислорода, требуемым для их полного окисления.
Благодаря избытку окиси углерода и водорода и недостаточному содержанию свободного кислорода, средняя зона приобретает восстановительные свойства и возможность надежно защищать жидкий металл при сварке от вредного воздействия воздуха. И окись углерода, и водород при газопламенной сварке не только оттесняют от поверхности жидкого металла кислород и азот воздуха, они способны также восстанавливать поверхностные окислы железа и некоторых легирующих компонентов сталей.
В факеле пламени заметного избытка молекул СО и Н2 нет и поэтому он не обладает восстановительными свойствами.