1.2.4. Виды ацетиленокислородного пламени и их свойства

Процессы, протекающие на первой стадии, упрощенно можно представить в виде обобщающей части реакций (2):

С₂Н₂ + О₂ = 2 СО + Н₂ + 112800 кал/моль (471.5 кДж/моль) (5)

Из реакции (5) следует, что для сгорания ацетилена в СО и Н₂ на один объем ацетилена V_а требуется один объем кислорода V_к . Пламя с таким составом газовой смеси называют нормальным. Однако из-за того, что в ядре пламени небольшая часть водорода тоже сгорает (в водяной пар), а также из-за некоторой загрязненности кислорода примесями, нормальное пламя образуется при несколько большем количестве поступающего из горелки кислорода. Поэтому нормальное пламя практически устанавливается при соотношении β объемов кислорода и ацетилена, поступающих из горелки, равном:

(6)

При β = 1.1 – 1.2 содержание СО и Н₂ в средней зоне достигает максимальных значений, составляя для СО 60 – 66% и для Н₂ 34 – 40%.

Большая часть образовавшегося молекулярного водорода вследствие высокой температуры диссоциирует. В результате содержание в средней зоне пламени атомарного водорода становится больше, чем молекулярного. Благодаря высокому содержанию СО и атомарного водорода средняя зона ацетиленокислородного пламени приобретает восстановительные свойства. Однако протяженность средней зоны невелика и составляет всего несколько миллиметров. Поэтому сварку малоуглеродистых и низколегированных сталей ацетиленокислородным пламенем производят почти касаясь ядром поверхности свариваемых изделий (чтобы они находились в средней зоне пламени).

С увеличением β количество СО и Н₂ в средней зоне пламени уменьшается, а количество СО₂ и Н₂О возрастает. Пламя приобретает окислительный характер.

При избытке ацетилена часть углерода на поверхности ядра не окисляется и количество свободного углерода, попадающего в среднюю зону, резко возрастает. Внутреннее ядро пламени увеличивается, зона яркого свечения, насыщенная раскаленными частицами сажи, расширяется. Углерод, присутствующий в средней зоне, окисляется в ней, перемещаясь от ядра пламени, только кислородом, подсасываемым из окружающего воздуха. Если такая зона пламени будет взаимодействовать с металлом, растворяющим углерод, то в этом случае происходит науглероживание свариваемого металла. Поэтому такое пламя с избытком ацетилена ( β  1) называют науглероживащим.

Реакции (4) и (5) в науглероживающем пламени (например, при β = 0.8) можно представить так:

С₂Н₂ + 0.8 О₂ →1.6 СО + 0.4 С + Н₂ +101 040 кал/моль (423.3 кДж/моль) (7)

1.6СО + 0.4С + Н₂ +1.7 О₂ →2СО₂ + Н₂О + 205960 кал/моль (861.1 кДж/моль) (8)

При дальнейшем повышении содержания ацетилена средняя зона пламени ( область

воспламенения), содержащая конечные продукты пирогенного разложения ( СО и Н₂ ), исчезает полностью и пламя становится сильно коптящим.

Для окислительного пламени, в частности при β = 1.5, начальная и конечная стадии процесса горения характеризуются реакциями:

С₂Н₂ + 1.5 О₂ →1.65 СО + 0.35 СО₂ + 0.35 Н₂ + 0.65 Н₂О + +172 240 кал/моль (740.9 кДж/моль) (9)

1.65 СО + 0.35 СО₂ + 0.35 Н₂ + 0.65 Н₂О + О₂ → 2СО₂ + Н₂О + 134 760 кал/моль (562.3 кДж/моль) (10)

В средней зоне такого пламени присутствует около 6 – 7% кислорода и около 5% СО₂ [ 1, с.119]. Восстановительные свойства средней зоны утрачиваются и она приобретает окислительный характер.

В средней зоне нормального пламени избытка свободного кислорода и углерода нет. В средней зоне нормального пламени имеет место избыточное содержание лишь окиси углерода и водорода, которые имеют при температуре пламени большее сродство к кислороду, чем основа стали железо. Поэтому средняя зона такого пламени имеет восстановительный характер. Она способна не только препятствовать окислению жидкой стали, но и восстанавливать растворенные в ней окись железа (FеО) и окислы некоторых легирующих элементов. По этой причине сварку осуществляют нормальным пламенем и горелку располагают так, чтобы ядро пламени отстояло от поверхности металла и сварочной ванны на расстоянии 2 – 3 мм. Необходимость такого расположения сварочной горелки от поверхности изделия определяется также тем обстоятельством, что пламя достигает максимальной температуры на расстоянии от ядра, равном 3 – 4 мм.

Регулировку состава газовой смеси с целью получения нужного вида и свойств ацетиленокислородного пламени при сварке осуществляют по его внешнему виду (т.е. по размеру и форме ядра, средней зоны и факела пламени).