СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ ДЛЯ СВАРКИ И РЕЗКИ

Как уже отмечалось выше, технически чистый кислород для; процессов газовой сварки и кислородной резки в большинстве слу­чаев не может быть ничем заменён. Более разнообразен выбор го­рючих. Существует много горючих газов, достаточно калорийных,, не дефицитных и доступных для широкого промышленного- использования. Кроме того, возможно использование жидких, и даже твёрдых порошкообразных горючих, однако всё это разно­образие горючих может быть использовано преимущественно дли кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени. Для газовой сварки применяется почти исключительно горючий газ. ацетилен, и все попытки заменить его в сварке пока не дали серьёзных результатов. При сжигании в технически чистом кисло­роде один лишь ацетилен даёт температуру, достаточную для сварки стали. Прочие газы дают температуру не достаточную для, сварки, настолько снижающую её производительность, что приме­нение их для этой цели становится в большинстве случаев нерента­бельным и практически нецелесообразным.

В качестве твёрдых горючих для газовой сварки известно при­менение в лабораторных опытах порошкообразных алюминия и дре­весного или каменного угля. Практического применения для газо­вой сварки горючие порошки пока не нашли. Для сварки могут - быть применены жидкие горючие с высокой теплотворной способ­ностью, например бензин, керосин, бензол. Обычно жидкие горю - чиє предварительно испаряются так, что в зону пламени подводятся уже пары, поэтому жидкие горючие правильнее отнести к категории газообразных. Следует, однако, заметить, что жидкие горючие мо­гут поступать в зону пламени и в мелко распылённом капельном, состоянии, и в этом случае, как показывает опыт, можно обеспе­чить достаточно полное их сгорание в активной зоне сварочного пламени.

Жидкие горючие транспортабельны, удобны в обращении, сравнительно дёшевы и безопасны, поэтому получили широкое при­менение для кислородной резки; применение их для сварки весьма незначительно из-за недостаточно высокой температуры пламени.

Для широкого промышленного использования доступны доста­точно многочисленные технические горючие газы, как, например, водород, светильный газ, природный газ, коксовый газ, метан, сжи­женный газ (пропанобутановая смесь) и т. д. В связи с быстра развивающейся газификацией нашей страны особого внимания за­служивает природный газ, саратовский, дашавский и газ других месторождений, поступающий в огромных количествах в важней­шие промышленные центры. В большинстве случаев природный газ состоит почти целиком из метана СН4. Не вызывает никаких сомнений возможность и целесообразность использования природ­ного газа для кислородной резки. Для основных сварочных работ по стали при современной технике газовой сварки применение пере­численных выше горючих газов и жидкостей следует признать не­целесообразным. Эти газы могут быть использованы лишь для сварки легкоплавких металлов: свинца, цинка, алюминия, магния и их сплавов, латуни, частично чугуна при небольших толщинах и размерах изделий и, в виде исключения, для стали малых толщин. В газовой сварке стали до настоящего времени применяется исклю­чительно ацетилен.

Основное и незаменимое преимущество ацетилена состоит в том,, что он даёт максимальную температуру, на несколько сотен граду­сов превышающую температуру, получаемую при других горючих газах. Эти несколько сотен градусов являются решающими. Аце­тилен даёт температуру, едва достаточную для сварки стали, дру­гие же газы дают температуру, явно недостаточную, исключающую серьёзные промышленные применения этих газов для сварки стали. Помимо высокой температуры пламени ацетилен имеет и некото­рые другие преимущества. Он легко получается на месте работ из твёрдого вещества карбида кальция, удобного для перевозки и хра­нения. Ацетилено-кислородное пламя легко и удобно регулируется по виду центральной части, так называемого ядра пламени. Наряду с перечисленными преимуществами применение ацетилена связано и с существенными недостатками. Ацетилен дорог, стоимость его в 10—20 раз превышает стоимость других промышленных горючих газов. Кроме того, ацетилен дефицитен, а главное, весьма взрыво­опасен, применение его связано с необходимостью строгого соблю­дения правил техники безопасности. Несоблюдение этих правил мджет привести к разрушительным взрывам большой силы. Высо­кая стоимость ацетилена и его взрывоопасность давно выдвигают проблему создания более дешёвого, менее дефицитного и безопас­ного в обращении заменителя ацетилена. До сих пор работы в этом направлении не дали существенных результатов.

Рассмотрим основные свойства ацетилена, обусловливающие его исключительное значение для газосварочной техники. Ацетилен СгН2, или Н—С = С—Н, по составу представляет собой непредельный углеводород, первый член ряда СпН2п—2 с наименьшим возмож­ным содержанием водорода. Как видно из структурной формулы состава ацетилена, два углеродных атома его молекулы связаны тройной связью, объясняющей многие особенности ацетилена. По физическим свойствам ацетилен при нормальном давлении и тем­пературе представляет собой бесцветный газ. Химически чистый газообразный ацетилен обладает слабым эфирным запахом. Тех­нический ацетилен, применяемый для сварки, за счёт примесей имеет неприятный резкий чесночный запах, предупреждающий сварщика об опасном появлении ацетилена в окружающей ат­мосфере. 1 м3 ацетилена при 0° и 760 мм рт. ст. весит 1,179 кг. Ацетилен хорошо растворяется во многих жидкостях: в воде 1,15 объёма, а в органической жидкости — ацетоне СНз СО СН3 — 23 объёма при 15° и 760 мм рт. ст.

Ацетилен является эндотермическим химическим соединением, т. е. его образование из элементов углерода и водорода происходит с поглощением значительного количества энергии, а распадается он на элементы экзотермически с выделением того же количества энергии в форме тепла. Энергия, затрачиваемая на образование ацетилена или освобождающаяся при его распадении на элементы, составляет 54 ккал на 1 г-мол (26 г). Этого количества тепла до­статочно для повышения температуры продуктов распада примерно на 3000°. Распад ацетилена происходит по уравнению

С2Н2 = 2С + Н2.

Продуктами распада ацетилена являются тонко раздроблённый твёрдый углерод (сажа) и газообразный водород. Если распад происходит в замкнутом пространстве, то давление скачкообразно увеличивается в 11 раз вследствие повышения температуры, и про­цесс распада имеет характер взрыва. Таким образом, молекула ацетилена неустойчива и склонна к распаду, легко принимающему характер взрыва. Ацетилен должен быть признан взрывчатым ве­ществом, взрыв может происходить, в отличие от большинства других горючих газов, не только в смеси с кислородом, но и при полном отсутствии кислорода или воздуха, что увеличивает опас­ность ацетилена в эксплоатации. Ацетилен не всегда разлагается со взрывом, разложение может иттн медленно, часто сопровож­даясь образованием тяжёлых молекул более сложного состава (по­лимеризация), дающих смолообразные продукты, жидкие при нор­мальных условиях. Быстрому распаду ацетилена, переходящему во взрыв, способствуют многие обстоятельства, в особенности повыше­ние давления и температуры ацетилена. Поэтому промышленное

применение ацетилена запрещено при давлении выше предельно до­пустимого. В СССР предельно допустимое давление ацетилена для сварки и резки установлено в 1,5 атм или 15000 мм вод. ст. Не­устойчивость молекулы ацетилена и экзотермичность процесса её распада одновременно делают ацетилен незаменимым горючим га­зом для газовой сварки. Ацетилено-кислородное пламя в наиболее горячей части имеет температуру около 3100°. Ни один другой про­мышленный горючий газ не может дать температуры выше 2500— 2700°, разница в 400—600° безоговорочно решает вопрос в пользу ацетилена.

Теплота сгорания ацетилена определяется следующими про­цессами:

распад ацетилена С2Н2 = 2С - f Н2.......................................... 54 ккал/г-мол;

сгорание углерода 2С + 202 = 2С02 — 2 X 97,7 . 195,4 ккал/г-мол; сгорание водорода На-}-V2^2 = Н20 57,■4 ккал/г-мол;

Итого. . 306,8 ккал/г-мол,

т. е. 11900 ккал на 1 кг ацетилена или 13700 ккал на 1 ж3 аце­тилена при 15° и 760 мм рт. ст.

Специфической реакцией в процессе сгорания ацетилена яв­ляется его предварительный распад на углерод и водород. Теоре­тический подсчёт показывает, что полный распад ацетилена вызы­вает повышение его температуры на 3000°. После распада ацети­лена следующей реакцией, обеспечивающей дополнительное коли­чество тепла, является неполное сгорание углерода ацетилена в окись углерода 2С+02 = 2С0 с тепловым эффектом 2x29,3 = = 58,6 ккал/г-мол. Эта реакция и вызывает достижение максимума температуры, так как окись углерода при высоких температурах практически не диссоциирует. Дальнейшие реакции сгорания аце­тилена: догорание СО до С02 по уравнению 2С0 + 02 = 2С0г и во­дорода Н2 + И Оа = Н20 имеют меньшее значение, так как продукты этих реакций недостаточно устойчивы и диссоциируют при высоких температурах с поглощением тепла, что задерживает возрастание температуры пламени.

Ацетилен обладает чрезвычайно высокой взрывчатостью; смеси ацетилена с воздухом взрывчаты при содержании в них ацетилена от 2,8 до 65%, с кислородом — при содержании ацетилена от 2,8 до 93%. Ацетилен образует взрывчатые соединения с серебром и ме­дью, потому применение этих металлов в ацетиленовых генераторах не допускается (медные сплавы, например латунь, допускаются). Взрывчатость ацетилена быстро возрастает с увеличением его дав­ления, и при давлении около 2—2,5 атм могут происходить само­произвольные взрывы ацетилена при отсутствии в нём примеси кислорода или воздуха.

Взрывчатость ацетилена требует строгого соблюдения специаль­ных правил по технике безопасности, установленных для работ с ним. Нестойкость молекулы ацетилена, помимо его взрывчатости, обусловливает повышенную способность ацетилена к химическим реакциям, что делает ацетилен весьма ценным исходным полупро­дуктом для химической промышленности. Из ацетилена могут быть получены, например, этиловый (винный) спирт, уксусная кислота, синтетический каучук и многие другие ценные продукты. При на­гревании ацетилена легко идёт процесс полимеризации, т. е. соеди­нения нескольких молекул ацетилена в одну более сложную моле­кулу по общему уравнению

пС2Н2 = С2пН2п-

В результате образуются такие соединения, как бензол СбНо, стирол CsHs и т. д., дающие жидкие смолообразные продукты сложного состава. В условиях работы ацетиленовых генераторов полимеризация может начинаться в заметных размерах при тем­пературах 150—180°. Наличие полимеризации, обнаруживаемое по смолистым продуктам в трубопроводах и по желтоватой окраске ила, удаляемого из генератора, указывает на ненормальные усло­вия работы генератора и сильный перегрев ацетилена. В хорошо сконструированных и правильно работающих ацетиленовых гене­раторах полимеризация ацетилена практически отсутствует.

40. карбид кальция

В настоящее время ацетилен в промышленных масштабах полу­чается исключительно из карбида кальция СаС2 при взаимодей­ствии его с водой. Другие методы получения ацетилена, например из нефти при обработке её дуговыми разрядами (ннж. Татаринов, СССР), пока не вышли из стадии лабораторных исследований.

Технический карбид кальция представляет собой твёрдое кри­сталлическое вещество, весьма тугоплавкое, тёмносерого цвета, с удельным весом 2,2 и характерным резким чесночным запахом, обусловленным взаимодействием карбида с парами воды в атмос­ферном воздухе. Карбид кальция бурно реагирует с водой, также и с парами воды, выделяя ацетилен и оставляя гидрат окиси каль­ция по уравнению

СаС2 + 2НаО = С2Н2 — Са(ОН)2.

На воздухе карбид кальция разлагается, взаимодействуя с па­рами воды, всегда имеющимися в воздухе, выделяя ацетилен и из­давая чесночный запах. Поэтому продолжительное хранение кар­бида кальция возможно лишь в герметически закрытых барабанах из листового железа. Карбид кальция получается сплавлением из­вести с углём при высокой температуре в специальных карбидных электрических печах по уравнению

СаО - ь ЗС = СаС2 - Ь СО.

Карбид кальция получается в расплавленном виде и периоди­чески выпускается из печи в формы, где, затвердевая, образует слитки — блоки. Расход электроэнергии на 1 т карбида кальция равен от 3000 до 4000 квт-час для мощных промышленных печей. Карбид кальция производится в больших размерах на крупных карбидных заводах для сварки и резки металлов, химических про­изводств и других целей. Блоки карбида по остывании дробятся и сортируются по величине кусков. Товарный карбид выпускается семи грануляций от 2—4 до 80—100 мм. Карбидная пыль, полу­чающаяся при дроблении, является отходом и непригодна для нор­мальных ацетиленовых генераторов из-за слишком энергичного раз­ложения водой, перегрева и опасности взрыва. Гранулированный карбид упаковывается в барабаны пз тонкого листового железа, герметически закрывающиеся; барабан вмещает 100—120 кг кар­бида. Технический карбид содержит 10—15% примесей преимуще­ственно непрореагировавших угля и извести.

1 кг химически чистого СаСг даёт около 340 л ацетилена (15° и 760 мм Hg). Технический карбид по действующему стандарту должен давать при лабораторном испытании, в зависимости от сорта и грануляции, от 230 до 300 л ацетилена. Реакция получения ацетилена из карбида кальция экзотермична (выделяется около 400 ккал на 1 кг технического карбида), поэтому необходимо при­нимать меры к энергичному охлаждению зоны реакции, иначе воз­можны сильный перегрев, полимеризация и взрыв ацетилена.