22.2 Газосварочное ацетилено-кислородное пламя, его структура и свойства. Основные стадии горения газа. Способы газотермической обработки и области их применения

Газосварочное пламя

Применяемое е сварочных процессах газосварочное пламя получается сжиганием смесей горючих газов с кислородом. Большинство горючих газов представляет собой соединения водорода и углерода (водород используют иногда в чистом виде). В общей форме процесс сгорания этих газов сводится к следующим трем реакциям:

(III.8)

то при расчете по формуле (Ш.9) в случае отсутствия тепловых потерь получим температуру продуктов реакции (Н20) 7,Г5300°С. Так как при высоких температурах идет реакция Н20 -> Н2+ -f-1/202QH 0, часть Н20 распадается, а число газовых молекул увеличивается. В результате температура пламени будет ниже. Предположим, что распалось х частиц Н20, где х степень диссоциации паров воды при установившихся температуре и давлении. Молекулы Н2 и 02 при высоких температурах также частично диссоциируют и в конечном состоянии пусть их степень диссоциации характеризуется соответственно величинами z и у. Тогда температура пламени при сжигании Еодорода будет определяться формулой:

(III. 10)

где QH и Q0 тепловые эффекты образования молекул Н2 и 02 соответственно из атомов водорода и кислорода (QH = 103 800 кал/моль или 540,8 кДж/моль; QQ =117 400 кал/моль или 544,3 кДж/моль); (1х) масса паров воды (за исключением диссоциированной части х) (x z) и ^ yj масса недиссоциировавших молекул

При этом может выделяться значительное количество тепла (Q1+Q2V2 кал/моль (кДж/моль). Например, при распаде ацетилена этот тепловой эффект составляет ~ 54 000 кал/моль (225,7 кДж/моль). В присутствии кислорода этот процесс пирогенного разложения сопровождается процессами окисления, идущими с дополнительным выделением тепла. В этом случае схема разложения ацетилена может быть представлена так:

Остальные горючие дают еще меньшую температуру пламени. Однако для целого ряда видов газопламенной обработки металлов, а также сварки более легкоплавких или менее теплопроводных металлов в качестве заменителя ацетилена с успехом применяются такие горючие, как пропано-бутановые смеси, метан, водород и др. .Внешний вид, температурные характеристики, а также состав различных участков (зон) ацетиленокислородного пламени зависят от соотношений газов в горючей смеси. На рис. III-4, а изображено строение пламени смеси ацетилена и кислорода, предварительно перемешанных внутри газосварочной горелки обычной конструкции с одним общим отверстием для вытекания смеси.

кал/моль (471,5 кДж/моль), (III. 13) где тепловой эффект определяется выделением тепла при распаде С2Н2 (54 ООО кал/моль или 225,7 кДж/моль) и сгоранием С в СО(2х X 29 400=58 800 кал/моль или 245,8 кДж/моль). За пределами ядра при р=1 свободного углерода уже нет. Вторая, средняя зона пламени представляется в виде темного клина, являющегося продолжением ядра. В этой зоне начинается процесс окисления СО и Н2 кислородом воздуха. Третья стадия горения завершается в факеле пламени с получением С02 и Н20 согласно реакции: 2СО+Н2+3/2О2->2СО2+Н2О+194 200 кал/моль (811,6 кДж/моль). (III.14) Факел пламени имеет значительные размеры и окрашен в желто-фиолетовые цвета. Соотношение различных основных газов по продольной оси пламени схематически представлено на рис. III.4, б. При этом в каждом сечении пламени вдоль его продольной оси сумма объемов всех газов равна 100%. Базовой частью для расчетов приняты газы, поступившие -в пламя из горелки, а также продукты их распада или [сгорания (СО, С02, Н2, Н20). Относительное расширение по длине пламени определяется увеличением общего объема газов в различных сечениях в результате поступления в пламя кислорода и азота из окружающего пламя воздуха. При р < 1 часть углерода на поверхности ядра не окисляется и его частицы догорают во второй зоне пламени уже вследствие реакций с кислородом воздуха (вторичным кислородом). Если такая зона пламени будет взаимодействовать с металлом, растворяющим углерод, то в этом случае происходит науглероживание металла. Вторая зона такого пламени с избытком ацетилена имеет белый оттенок и оторочена темной окантовкой неправильной формы. Факел имеет большие размеры^ чем при нормальной регулировке (т. е. при Р=1), и характеризуется преобладанием желтых цветов в окраске. Основные реакции в таком пламени (например, при |3=0,8) можно представить так: С2Н2+0,8О21,600+0,4С+Н2+101040 кал/мол (422,3 кДж/моль);

(III.15) 1,6СО+0,4С+Н2+1,702 -> 2СО2+Н2О+205 960 кал/моль (861,1 кДж/моль). (II 1.16) При избытке кислорода F > 1) ядро уменьшается в своих размерах и заостряется. Во второй зоне в значительном количестве образуются С02 и Н20. Факел пламени характеризуется меньшими размерами и преобладанием синих цветов. Реакции в окислительном пламени (пламени с избытком кислорода (для (3=1,5) можно представить так: С2Н2 + 1,502 -> 1.65СО+ 0,35СО2+0,35Н2+0,65Н2О+

+ 172 240 кал/моль (740,9 кДж/моль); (III.17) 1,65СО+0,35СО2+0,35Н2+0,65Н2О+О2 -> 2С02+Н20+ 134 760 кал/моль (562,3 кДж/моль). (III.18) Все эти реакции усложняются наличием в пламени избытка воздуха, различного в отдельных участках (см., например, рис. III.4, б), а также ряда промежуточных соединений и атомов (ОН, Н и др.). Регулировка ацетилено-кисло-родного пламени производится по его внешнему виду. Распределение температуры в пламени определяется тепловым эффектом реакций и количеством газа, нагреваемого этим теплом. Характерное распределение температуры вдоль продольной оси ацетилено-кислородного пламени при различной регулировке показано на рис. II 1.5, где а температуры при окислительном пламени, б нормальном пламени, в пламени с избытком ацетилена. От оси пламени к его периферийным частям также имеется значительный спад температуры.

плотность теплового потока в центре пятна нагрева, кал/(см2-с); qr плотность теплового потока на расстоянии гот центра; k коэффициент сосредоточенности ввода тепла, зависящий от размеров и распределения тепловыделения в пламени. Характер ввода тепла при различной мощности (в зависимости от номера наконечника) ацетилено-кислородного пламени в виде плоских разрезов q=f(r) представлен на рис. 111.6,6. Цифровые характеристики приведены в табл. III.2.

(II 1.20) где v - скорость струи газа, см/с; G удельный объем газа (величина, обратная плотности), см3/г; g ускорение силы тяжести (981 см/с2). В результате совместного действия струи газов, движущихся с различной скоростью, расплавленный металл под пламенем выдувается в центре интенсивней, чем на периферии (рис. III.7, а). При наклоне горелки к поверхности тепловой поток и характер механического воздействия изменяются. При этом изменяется и характер выдувания жидкого металла при сварке (рис. 111.7,6). Газосварочное пламя как ацетилено-кислородное, так и горючих газов заменителей ацетилена является технологически гибким источником тепла, позволяющим регулировать в широких пределах как тепловую мощность, так и химическое воздействие пламени на свариваемый металл (см. гл. V). Сварочное пламя Ацетилено-кислородное пламя, имеющее наибольшее значение для сварочной техники. Схематически процесс сгорания ацетилена в смеси с кислородом можно представить следующим образом. Сначала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на элементы по уравнению С2Н2 +О2=2С+Н2+02, а затем — первая стадия сгорания ацетилена и процесс окисления углерода по формуле 2С + Н2 + О2 =2СО + Н2.Во второй стадии СО окисляется в СO2, а Н2—в Н2О: 2СО + Н2 +3/2 О2= 2СО2 + Н20. Необходимый для первой стадии горения кислород называется первичным и в сварочное пламя вводится в технически чистом виде из баллона. Кислород, необходимый для второй, заключительной, стадии горения, называется вторичным и в сварочное пламя поступает главным образом из окружающего атмосферного воздуха. Рассмотренная схема процесса горения с разделением водорода Н2, обладает восстановительными свойствами по отношению к окислам многих металлов, в том числе и к окислам железа. Поэтому сварочная зона иногда называется также восстановительной зоной. Факел, или хвост пламени, образует наружную или третью зону, в которой за счет кислорода атмосферного воздуха протекает вторая стадия горения ацетилена. В этой зоне основными составными частями, помимо азота, являются двуокись углерода CO и пары воды, а также продукты их диссоциации. Как двуокись углерода, так и водяные пары при высоких температурах окисляют железо, поэтому наружная зона, или факел пламени, называется также окислительной зоной.   H а рисунке схематически показано так называемое нормальное пламя, характеризующееся ярким, резко очерченным ядром. На рисунке показана Форма ядра пламени в зависимости от состава смеси: цилиндрической формы, белого цвета, в котором отношение О2:С2Н2=1,1:1,2.При увеличении этого отношения, т. е. относительном увеличении содержания кислорода или уменьшении содержания ацетилена в смеси, форма и строение пламени меняются; особенно заметны изменения ядра пламени. Увеличение содержания кислорода в смеси ускоряет реакции окисления, ядро пламени укорачивается, уменьшается образование свободного углерода, ядро бледнеет, приобретает синеватую окраску и коническую заостренную форму.   С уменьшением отношения O2 : C2H2, т. е. с уменьшением содержания кислорода или увеличением содержания ацетилена в газовой смеси, реакции окисления замедляются, поэтому ядро пламени удлиняется; увеличивается количество свободного углерода, частицы которого появляются и в сварочной зоне; очертания увеличенного ядра становятся размытыми и теряют четкость. При значительном избытке ацетилена частицы углерода появляются и в наружной зоне, пламя становится коптящим, удлиняется и приобретает красноватую окраску. При некотором навыке по виду пламени можно точно установить нормальный состав газовой смеси, не пользуясь никакими измерительными приборами для расхода газов. Сварочная зона нормального пламени состоит преимущественно из смеси СО и Н2, восстанавливает окислы железа и мало влияет на содержание углерода в расплавленной стали. Нормальное пламя может быть названо восстановительным по отношению к окислам металла и нейтральным по отношению к углероду в металле. Пламя с некоторым избытком кислорода будет частично выжигать углерод и по отношению к нему может быть названо окислительным, или обезжиривающим. Пламя с избытком ацетилена будет повышать содержание углерода в наплавленном металле и называется науглероживающим, или ацетилестым. Т емпература пламени различна в различных его точках и зависит от состава смеси и степени чистоты применяемых газов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, причем она незначительна в первой зоне или ядре пламени, достигает максимума в сварочной зоне, на расстоянии 2—3 мм от конца ядра, или наружной зоне. Максимальную температуру ацетилено-кислородного пламени определили многие исследователи как теоретически — путем расчетов, так и экспериментально-непосредственным измерением. Оба метода дают удовлетворительное совпадение результатов. На рис.156 приведена диаграмма зависимости максимальной температуры пламени от состава газовой cмеси. Максимальная температура сосредоточена на небольшом участке пламени, который в процессе сварки должен находиться у поверхности металла. Из диаграммы видно, что наивысшая температура пламени, а следовательно, и наивысшая производительность сварки наблюдается при некотором избытке кислорода в смеси по сравнению с нормальным пламенем. Максимальную температуру нормального пламени для достаточно чистых кислорода и ацетилена можно принять равной 3100—3200° С.