Лекция 3 технология газовой сварки
Процесс горения и строение пламени
Для процессов газопламенной обработки наибольшее значение имеет процесс горения различных горючих газов и паров жидких горючих веществ в кислороде или воздухе. Горение любой газовой смеси начинается с воспламенения ее при какой-то определенной температуре, зависящей от условий процесса горения. После того как горение началось, дальнейший нагрев газа внешним источником теплоты становится излишним, так как теплота сгорания газа оказывается достаточной для поддержания горения новых порций горючей смеси.
Однако устойчивый процесс горения возможен лишь в том случае, если выделяющейся при сгорании горючей смеси теплоты достаточно и для нагрева новых порций газа, и для компенсации потерь теплоты в окружающую среду. Так, например, в трубках малых диаметров и особенно в капиллярах, где теплоотвод стенками трубки велик, горение газа невозможно.
Необходимое условие горения газа в кислороде или в воздухе — содержание горючего газа в смеси в определенных пределах, называемых пределами воспламенения. В зависимости от скорости воспламенения горючей смеси различают следующие три вида горения:
1) спокойное — со скоростью распространения пламени, не выше 10—15 м/с;
2) взрывчатое — со скоростью распространения пламени, достигающей нескольких сот метров в секунду;
3) детонационное — со скоростью распространения пламени свыше 1000 м/с. Скорость воспламенения зависит от состава газовой смеси, давления, под которым газовая смесь находится, характера и объема пространства, в котором происходит горение, термомеханических условий на его границе, от чистоты горючего газа и кислорода. С увеличением содержания в них примесей скорость воспламенения уменьшается.
Применяемые в процессах газопламенной обработки горючие газы или пары жидких горючих веществ представляют собой преимущественно смеси углеводородов с другими газами, например с окисью или двуокисью углерода. Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют пламя со светящимся ядром, аналогичным по строению ацетилено-кислородному пламени (рис. 35). Чем больше углерода в составе горючего газа, тем резче очерчено светящееся ядро пламени.
Кроме ацетилена, к горючим газам, образующим пламя со светящимся ядром, относятся метан, пропан, бутан, пропано-бутановые смеси, природные газы, нефтяной газ, пиролизный газ и др.
Наибольшее распространение в процессах газопламенной обработки, в особенности в процессах газовой сварки, получил ацетилен. Сварочное ацетилено-кислородное пламя принято делить на нормальное, окислительное и науглероживающее.
В сварочном пламени рассматривают три зоны: ядро, среднюю восстановительную зону и факел — окислительную зону.
Полное сгорание ацетилена в кислороде протекает по реакции
С2Н2 + 2,5О2 = 2СО2 + Н2О+1300,6 кДж/моль.
Реакции горения сварочного пламени, характеризующие начальные и конечные стадии процесса горения ацетилена в кислороде, в первом приближении можно представить протекающими в две фазы.
Очень условно и схематично первая фаза сгорания ацетилена в кислороде происходит при их поступлении из горелки в соотношении 1:1:
С2Н2 + О2 = 2СО + Н2 + 452,64 кДж/моль.
Во второй фазе сгорания горючего также условно и схематично окончательное окисление (догорание) его происходит за счет подсасывания в пламя кислорода воздуха:
2СО + Н2 + 1,5О2 = 2СОа + Н2О + + 865,54 кДж/моль.
Пламя, образуемое при сгорании ацетилена в кислороде при подаче их в горелку в пропорции 1:1, принято называть нормальным.
Однако, практически, некоторая относительно небольшая часть водорода сгорает в водяной пар за счет кислорода, поступающего из горелки; кроме того, кислород имеет примеси, поэтому нормальное пламя образуется при несколько большем количестве поступающего из горелки кислорода, а именно при соотношении смеси
Ро= 1,05–1,2.
Для окислительного пламени, например, с соотношением смеси Ро = 1,5, начальная стадия горения, соответствующая средней зоне пламени, может быть выражена реакцией
С2Н2 + 1,502 = 2СО + Н2 + 0,5О2.
В этом случае средняя (рабочая) зона пламени утрачивает свои восстановительные свойства и приобретает окислительный характер.
Для науглероживающего пламени, в частности при соотношении смеси Р0 = 0,5, реакцией, характеризующей сгорание горючего в средней зоне пламени, будет
С2Н2 + 0,502 = СО + С + Н2.
В этом случае в средней зоне пламени появляется значительное количество свободного углерода, вследствие чего она становится науглероживающей.
Современная теория горения ацетилено-кислородного пламени и пламени других углеводородных газов с кислородом, разработанная школой академика Н. Н. Семенова, рассматривает следующие основные стадии горения.
Стадия подготовки горючего к сгоранию характеризуется пирогенным разложением ацетилена в присутствии кислорода. Процесс пирогенного разложения ацетилена протекает в ядре сварочного пламени.
Простое пирогенное разложение заключается в распаде горючего при температуре 800—1250° С на составные элементы — углерод С и водород Н.С2Н2 = 2С - Н2.
В результате цепи реакций последовательного окисления и разложения образуются новые наиболее устойчивые продукты СО и Н2. Однако в действительности в процессе разложения некоторая часть ацетилена в определенный промежуток времени распадается полностью на элементы, в результате чего появляется свободный углерод в виде мельчайших раскаленных частиц сажи, окружающих тонким слоем внутреннее ядро пламени.
Таким образом, можно считать, что яркость свечения ядра пламени любого углеводородного газа обусловлена сосредоточением на периферии ядра раскаленных частиц углерода.
Стадия восстановления — средняя зона пламени характеризуется ускорением окислительных процессов и началом активного окисления СО и Н2 в углекислый газ СО2, и водяной пар Н2О.
Стадия догорания — факел пламени характеризуется протеканием интенсивного окисления продуктов пирогенного разложения ацетилена с образованием конечных продуктов горения СО2 и Н2О.
Изменение температурного состояния смеси в процессе горения может быть качественно представлено графиком на рис. В первой стадии горения (внутреннее ядро пламени) происходит повышение температуры смеси от Т0 до температуры воспламенения Тв. В стадии воспламенения (средняя зона пламени) температура резко возрастает от температуры воспламенения Те до максимальной температуры пламени ТП. В стадии догорания температура понижается.
Химический состав пламени
Состав пламени в различных его частях весьма неоднороден, так как зависит от состава газовой смеси и условий подсоса воздуха, т. е. от скорости истечения смеси и давления окружающей атмосферы.
Для процесса сварки наибольшее значение имеет состав средней рабочей зоны пламени.
Химический состав пламени может быть определен экспериментально — непосредственно химическим анализом отобранных проб, или спектральным методом. Имеются также приближенные расчетные методы.
Из реакции сгорания ацетилена в кислороде объемное отношение кислорода к ацетилену должно составлять р0 = 1, однако, с учетом того, что небольшая часть водорода сгорает в водяной пар за счет кислорода горючей смеси, а также из-за загрязненности кислорода, минимальное содержание кислорода в смеси должно быть больше и соответствовать р0 = 1,05 -т- 1,1.
При недостатке кислорода пламя имеет избыток свободного углерода, который сгорает в кислороде воздуха и образует дополнительную зону в виде конуса беловатого оттенка, обрамляющего ядро пламени, способного науглероживать металл при сварке.
С учетом подсоса воздуха, в результате которого в средней зоне пламени появляется дополнительный кислород в количестве 7—10% объема кислорода, поступающего из горелки, максимально допустимое отношение кислорода к ацетилену в нормальном пламени при сварке низкоуглеродистой стали р0 = = 1,3 - 1,35. При более высоком содержании кислорода в пламени на поверхности сварочной ванны появляются белые, ярко светящиеся окисные частицы, свидетельствующие о переходе от нормального пламени к окислительному.
Температура пламени
Температура пламени — один из важнейших параметров, определяющих его тепловые свойства. Чем выше температура, тем эффективнее нагрев и плавление металла.
Неоднородность состава пламени вдоль его оси « в поперечном сечении вызывает различие в температуре отдельных его зон. У большинства углеводородных газов наивысшая температура пламени сосредоточена в непосредственной близости от внутреннего ядра, в средней зоне пламени. Так как средняя зона, имея в своем составе окись углерода и водород, обладает к тому же и восстановительными свойствами, то сварку естественно осуществляют именно этой зоной, располагая горелку так, чтобы ядро пламени отстояло от поверхности металла на расстоянии 2— 3 мм.
Существенное влияние на температуру пламени оказывает соотношение смеси горючего газа с кислородом. С увеличением р0 максимум температуры возрастает и смещается влево, в сторону мундштука горелки, что объясняется увеличением скорости процесса горения смеси при избыточном содержании в ней кислорода
Температура ацетилено-кислородного пламени сварочной горелки с удельным расходом ацетилена 250—400 л/ч при соотношении смеси газов р0 = 1,1 - 1,2, на различных расстояниях от внутреннего ядра пламени составляет:
Расстояние, мм ....... 3 4 11 25
Температура, °С ....... 3050-3150 2850-3050 2650-2850 2450-2650