Технически газове при газо-кислородно рязане

Инструменти, материалиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

Характеристики на използваните газове, критерии за избор

 Газо-кислородното рязане е един от най-разпространените технологични процеси при термичното обработване на материалите. То е широко използвано при рязане на черни, нисколегирани стомани с дебелина обикновено варираща в диапазона от около 1 до към 280 мм. По своята същност газо-кислородното рязане представлява химична реакция между чист кислород и стомана, при която се образува железен оксид. Самото рязане започва с нагряването на горната повърхност или ръб на метала с подгряващ пламък до неговото нажежаване, но до степен малко преди достигане на точката на топене. Температурата до която се нагрява металът, варира в зависимост от химическия състав на стоманата, като средно е от порядъка на 800 - 900 оС. При достигане на температурата на възпламеняване, към метала под високо налягане се подава тънка струя чист кислород. Под действието на кислорода, стоманата се окислява, при което се образува железен оксид и шлака, и се отделя значително количество топлина, осигуряваща нагряване на метала в горния му ръб до температура на топене. Образувалите са шлака и железен оксид с помощта на кислородната струя се отстраняват по страничния ръб на метала, като същевременно се осъществява нагряване на по-ниските слоеве на метала, които последователно се окисляват, докато металът не бъде разрязан по цялата дълбочина. Едновременно с това започва преместване на режещата струя с определена скорост по посока на рязането. Върху предната повърхност на разреза по цялата дебелина се образува непрекъснат слой от изгарящ метал. Окислението на метала започва отгоре и последователно се пренася към ниските слоеве на метала. За образуването на подгряващия пламък се използват запалими в кислород газове като ацетилен, например. Най-висока температура при горене в кислород дава именно ацетиленът (до около 3160 °С), поради което той е и сред най-широко използваните в практиката газове.

Чистотата на кислорода
Кислородът, използван за изгаряне на нагретия материал, обикновено се нарича режещ. В процеса на рязане струята режещ кислород се подава към мястото на рязане отделно от кислорода, използван за образуване на горивната смес, необходима за подгряване на метала. При газо-кислородното рязане от особена важност се явява чистота на режещия кислород. Тя оказва влияние върху скоростта на рязане и качеството на разреза. От своя страна, чистотата на кислородната струя зависи от конструкцията на дюзата. Необходимо е тя да осигурява надеждна защита на кислородната струя от вредното въздействие на въздуха. Препоръчва се чистотата на кислорода да е в границите 98,5 - 99,5%, като често се посочва, че е добре да е не по-малко от 99,5%. Това е така, защото с понижаването на чистотата на кислорода, силно намалява производителността на рязане, като в същото време се увеличава и разходът на кислород. Посочва се, че влошаването на чистотата с 1% води до редуциране на скоростта на рязане с около 25% и до увеличаване на консумацията на горивен газ с около 25%.
Като подходящи горивни газове се считат тези, които при изгаряне в кислород имат температура на пламъка не по-малка от 1800 оС. Подходящото съотношение на горивен газ и кислород би гарантирало максимална температура на пламъка и ефективно загряване на материала. По отношение на горивния газ е добре да се има предвид, че при рязане на много тънки материали е добре да се използва ацетилен, тъй като се осигурява много малко изкривяване на материала и се получава чист разрез. За материали с дебелина между 1/4” и 2”, всеки един от горивните газове би могъл да осигури качествено рязане, но оперативните разходи ще се различават. При материали с дебелина над 2” използването на ацетилен не се препоръчва.

Избор на горивен газ
Изгарянето на горивния газ се случва в две отделни зони. Във вътрешната зона или в първичната зона на пламъка, горивния газ се смесва с кислород за формирането на въглероден оксид и водород като за ацетилена реакцията се описва със следното уравнение 2C2H2 + 2O2 ® 4CO + 2H2 . Горенето продължава във втората или външната зона на пламъка с допълнително доставян кислород от въздуха. Реакцията, съответно, има вида 4CO + 2H2 +3O2 ® 4CO2 +2H2O. По този начин горивните газове обикновено се характеризират със своята 
- температура на пламъка – най-горещата част е на върха на първичния пламък (вътрешната зона); 
- съотношението горивен газ - кислород – количеството горивен газ, необходимо за горенето, което обикновено варира в зависимост от това дали пламъкът е неутрален, оксидиращ или намаляващ;
- топлина на горене – топлината на горене е по-голяма във външната част на пламъка.
Петте най-често използвани горивни газове са ацетилен, пропан, МАРР (метилацетилен-пропадиен), пропилен и природен газ. Относителната производителност на горивни газове по отношение на пробивното време, скоростта на рязане и качеството на разреза, се определят от температурата на пламъка и разпределението на топлината в рамките на вътрешната и външната зона на пламъка.

Ацетилен (С2Н2)
Ацетиленът е най-масово използваният газ при газо-кислородното рязане. Сред причините за това е, че с него се постига най-висока температура на пламъка в сравнение с всички други технически газове, намиращи приложение при газо-кислородното рязане. Максималната температура на пламъка при използването на ацетилен е приблизително 3160 °C. За сравнение, максималната температура при използването на пропан, например, е от порядъка на 2810 °C.
Ацетиленът е безцветен горим газ. Чистият ацетилен почти няма миризма, докато техническият е с остра характерна миризма поради наличието на примеси.
При газо-кислородното рязане ацетиленът и кислородът се подават към режещата дюза по две отделни гъвкави тръби. В процеса на кислородно рязане има опасност от произволно възпламеняване на горещата смес в режещата дюза. По тази причина, специалистите препоръчват, за да не се допуска достигане на пламъка до генератора посредством тръбата, което може да доведе до неговото взривяване, предпазният воден затвор да се поддържа в добро изправно състояние. Необходимо е в него винаги да има вода до нивото на контролния кран.
Благодарение на високата температура на пламъка, която се постига при използването на ацетилен, се достига бързо пробиване на материалите, като времето за подгряване и пробиване при рязане с ацетилен обикновено е 1/3 част от времето, необходимо за подгряване и пробиване при рязане с пропан, например.
Високата скорост на пламъка (7,4 m/s при ацетилена, в сравнение с 3,3 m/s за пропана) и високата калоричност на подгряващия пламък (приблизително 18 890 kJ/m3 при ацетилена спрямо 10 433 kJ/m3 за пропана) осигурява пламък с по-голям интензитет върху повърхността на метала, като намалява ширината на зоната, подложена на топлинно влияние и намалява топлинните деформации.

Пропан (C3H8)
Пропанът е безцветен, запалим, втечнен газ с мирис на природен газ. Както вече бе отбелязано, температурата на пламъка при използването на пропан е по-ниска в сравнение с тази на ацетилена. При използването на пропан времето необходимо за пробиване на материала е повече в сравнение с това при използването на ацетилен. Но след нажежаването на материала и формирането на шлаката, благодарение на по-високата температура, получена при пускането на кислородната струя, се постига същата скорост на рязане, както при това с ацетилен. Газо-кислородното рязане с горивен газ пропан, се използва предимно при рязането на скрап, където не се изисква високо качество на процеса. В подобни случаи, използването на пропана може да се окаже ефективно. Добре е да се има предвид, че необходимото изходно съотношение горивен газ – кислород при пропана е по-високо. Ако за постигането на максимална температура на пламъка в кислородна среда, съотношението на количеството кислород към горивния газ при ацетилена е 1,2 към 1, то при пропана е 4,3 към 1.

Природен газ (метан CH4)
Доставянето на природен газ обикновено е посредством местната газопреносна мрежа ниско налягане. Препоръчва се използването на съоръжения за преодоляване на ниското налягане на доставянето на газа.
При използването на природен газ пламъкът е с по-ниска температура, подобно на пропана, а топлинната енергия от пламъка е от порядъка на 1490 kJ/m3, докато за ацетилена тя е 18 890kJ/m3. Това определя и по-дългото време необходимо за пробиване на материала, в сравнение с други горивни газове. Едно от предимствата на използването на природен газ е отпадането на необходимостта от използването на съдове за съхраняване и складиране. Също така, той е по-евтин от други горивни газове, поради което използването му на пръв поглед изглежда по-икономически изгодно. Трябва да се има предвид обаче, че поради по-дългото време на пробиване на материала, може да се окаже, че това не е толкова добро решение.

Пропилен (C3H6)
Пропиленът е безцветен, запалим, втечнен газ с леко сладък мирис. Температурата на пламъка е от порядъка на 2872 °C, която е по-висока от таза на пропана, но по-ниска от тази на ацетилена. Топлинната енергия, отдавана от пламъка във външната зона, е много висока - от порядъка 72 000 kJ/m3, но както при пропана, съотношението на количеството кислород към горивния газ е високо.

Метилацетилен пропадиен (CH3C:CH)
или известен още като МАП газ, представлява смес на различни въглеводороди, предимно метилацетилен и пропадиен. Температурата на пламъка, която се постига е от порядъка на 2927 °C, а получената топлинна енергия е от порядъка на 15 445 kJ/m3, по-малко от тази на ацетилена (18 890 kJ/m3 ), но много повече от тази при използването на пропан (10 433 kJ/m3). Комбинацията от по-ниска температура на пламъка, по-разпределени източници на топлина и по-големи газови потоци в сравнение с ацетилена води до значително по-дълго време за пробиване на материала. От друга страна, този газ може да се използва при по-високи налягания отколкото ацетилена, а съща така е подходящ и за подводно рязане.




Top