6.2. Инертные газы, их свойства и способы получения
При сварке в инертных газах, если обеспечена полная изоляция расплавленного металла от воздуха, химические реакции между металлом и окружающей средой сводятся к минимуму. Потенциальная возможность протекания реакций в этом случае определяется степенью чистоты газа.
Аргон (лат. Аrgоn) Аr — химический элемент VIII группы периодической системы Д. И. Менделеева, инертный газ, атомный номер 18, атомная масса 39,948.
При обычных условиях аргон — бесцветный, неядовитый газ, без запаха и вкуса, почти в 1,5 раза тяжелее воздуха. В природе аргон присутствует только в свободном виде. Объемная концентрация аргона в воздухе 0,93 %. С большинством элементов аргон не образует химических соединений, кроме некоторых гидридов. В металлах аргон, как в жидком, так и в твердом состоянии нерастворим.
В сварочном производстве аргон широко используют в качестве защитной среды при сварке, резке и плавке активных и редких металлов и сплавов на их основе (алюминия, алюминиевых и магниевых сплавов, коррозионно-стойких хромоникелевых жаропрочных сплавов и легированных сталей различных марок).
В настоящее время основным промышленным способом получения аргона является метод низкотемпературной ректификации воздуха с получением основных продуктов — кислорода и азота с попутным извлечением аргона.
Производство аргона осуществляется на мощных воздухоразделительных установках типа КААр-30, которыми комплектуются кислородные станции заводов черной металлургии.
Аргон также получают на специализированных заводах на жидкостных воздухоразделительных установках типа Кж-1Ар, КжАжААр-1,6 и АжКжКААрж-2.
Осваивается производство аргона из отдувочных газов, аммиачных производств. Полученный таким путем аргон содержит некоторое количество кислорода.
Дальнейшую очистку газа от кислорода осуществляют беспламенным сжиганием водорода в аргоне или другим способом. В чистом аргоне все же остается небольшое количество кислорода, азота и влаги.
Поскольку по условиям сварки требуется аргон различной чистоты, то промышленность выпускает его двух сортов, поставляемые как в газообразном, так и в жидком состоянии. Газообразный аргон отпускают, хранят и транспортируют в стальных баллонах (по ГОСТ 949 — 73) или автореципиентах под давлением (15 ± 0,5) МПа или (20 ± 1,0) МПа при 20 °С.
Давление газа в баллоне и автореципиентах измеряют манометром соответствующего класса точности. Температуру газа в баллоне принимают равной температуре окружающего воздуха, в котором наполненный баллон должен быть выдержан не менее 5 ч перед измерением давления.
При поставке аргона в баллонах (по ГОСТ 949 — 73) вместимостью 40 дм3 объем газа в баллоне составляет при номинальном давлении 15 МПа и 20°С 6,20 м3; при номинальном давлении 20 МПа и 20 °С 8,24 м3.
Жидкий аргон перевозится по железным дорогам в специальных железнодорожных вагонах-цистернах. Автомобильным транспортом жидкий аргон перевозят в транспортных цистернах для жидкого аргона всех типоразмеров (по ГОСТ 17518 — 79), а также автомобильными газификационными установками типа АГУ.
Количество жидкого аргона в цистернах измеряют в тоннах или килограммах. При переводе массы или объема жидкого аргона в кубометры газообразного аргона при нормальных условиях используют следующие формулы:
Vп = m 1000/1,662 или Vп = Vж 1,392/1,662,
где m — масса жидкого аргона, т; Vж — объем жидкого аргона, дм3; 1,662 — плотность газообразного аргона при нормальных условиях, кг/м3; 1,392 — плотность жидкого аргона при нормальном давлении, кг/дм3.
Аргон нетоксичен и невзрывоопасен. Газообразный аргон тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования, в том числе и предназначенного для получения, хранения и транспортирования газообразного и жидкого аргона. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что вызывает кислородную недостаточность и удушье у электросварщика.
В местах возможного накопления газообразного аргона необходимо контролировать содержание кислорода в воздухе приборами автоматического или ручного действия с устройством для дистанционного отбора проб воздуха. Объемная доля кислорода в воздухе должна быть не менее 19 %.
Жидкий аргон — кипящая при низких температурах жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
При работе в атмосфере аргона необходимо пользоваться изолирующим кислородным прибором, шланговым противогазом или скафандром.
Гелий (лат. Нelium) Не — химический элемент VIII группы периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 2, атомная масса 4,0026, относится к инертным газам, без цвета и запаха, плотность 0,178 г/л. Впервые был открыт на солнце. Сжижается труднее всех известных газов (при —268,93°С). На земле гелия мало, в небольшом количестве содержится в воздухе и в земной коре, где он постоянно образуется при распаде урана и других α-радиоактивных элементов (α-частицы — это ядра атомов гелия). Объемное содержание гелия в воздухе 0,00052 %.
Газ не ядовит, хорошо диффундирует через твердые тела, значительно легче воздуха и аргона. Гелий не образует химических соединений с большинством элементов. Гелий получают из природных газов, естественно образующихся при распаде горных пород, содержащих уран, методом фракционной конденсации. В малом количестве гелий можно получать в качестве побочного продукта при разделении воздуха на кислород и азот.
Гелий для сварки поставляется промышленностью по ТУ 51-689—75 трех сортов: марки А, Б и В. Методы определения доли примесей и условий поставки регламентируются ГОСТ 20461—75.
Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении р = 15 МПа или в сжиженном состоянии при р ≤; 0,2 МПа. Стоимость гелия значительно выше, чем аргона, поэтому его применяют в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния. Из-за способности обеспечивать повышение проплавления (благодаря высокому значению потенциала ионизации) гелий применяют иногда в тех случаях, когда требуется получить большую глубину проплавления или специальную форму шва.