Свойства газового пламени

Место дисциплины в учебном процессе

Дисциплина «Газопламенная обработка материалов» - ГПО, изучаемая на 5 курсе, является одной из наиболее важных в подготовке инженеров сварочного производства. ГПО базируется на знании таких фундаментальных наук, как физика, химия, металловедение, материаловедение и др. Газопламенная обработка охватывает ряд технологических процессов, связанных с пламенной обработкой, к которой можно отнести сварку и наплавку, кислородно-флюсовую и плазменно-дуговую резку металлов и неметаллических материалов, металлизацию и напыление, поверхностную закалку и пайку.

Газопламенные методы, обладая значительной технологической гибкостью, находят всё большее применение. Знания методов и способов газопламенной обработки необходимы при изучении такой значимой дисциплины, как «Производство сварных конструкций», так и, естественно, в дипломном проектировании.

Свойства газового пламени

Для процесса газопламенной обработки наибольшее значение имеет процесс горения различных горючих газов и паров жидких горючих веществ в кислороде или в воздухе. Горение любой газовой смеси начинается с воспламенения её при какой-то определённой температуре, зависящей от условий процесса горения.

Как уже сказано выше, сварочное пламя образуется при сжигании горючего газа или паров горючей жидкости в кислороде. Пламя нагревает и расплавляет основной и присадочный металл в месте сварки. Наибольшее применение при газовой сварке нашло кислородно-ацетиленовое пламя, так как оно имеет высокую температуру (3150 ^оС) и обеспечивает концентри­рованный нагрев. Однако в связи с дефицитностью ацетиле­на в настоящее время получили широкое распространение (особенно при резке метал­лов) газы—заменители аце­тилена — пропан-бутан, ме­тан, природный и город­ской газы.

От состава горючей сме­си, т. е. от соотношения кислорода и горючего газа, зависят внешний вид, тем­пература и влияние свароч­ного пламени на расплав­ленный металл. Изменяя состав горючей смеси, свар­щик тем самым изменяет ос­новные параметры свароч­ного пламени.

Для получения нормального пламени отношение кислорода к горючему газу должно быть для ацетилена — 1, 1-1, 2, природного газа - 1, 5-1, 6, пропана -3, 5.

Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют сварочное пламя, которое имеет три ярко различимые зоны: ядро, восстановительную зону и факел (рис. 1). Водородное пламя ярко различимых зон не имеет, что затрудняет его регулировку по внешнему виду.

При зажигании газовой струи, вытекающей из сопла, пламя перемещается по направлению движения струи газо­вой смеси. Скорость истечения для каждого газа подбирает­ся такой, чтобы пламя не проникало внутрь сопла горелки и не отрывалось от него. Газ в струе должен прогреваться до температуры воспламенения, ацетилен воспламеняется при температуре 450—500°С, а газы-заменители — 550—650°С. Поэтому ядро пламени при сгорании газов-заменителей длиннее, чем при сгорании ацетилена.

Процесс сгорания ацетилена в кислороде можно условно разделить на две стадии. Сначала под влиянием нагрева происходит распад ацетилена на элементы: С₂Н₂=2С+Н₂. Затем происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода смеси по реакции 2С+Н_а+О₂—2СО+Н_а. Вторая стадия горения протекает за счет кислорода возду­ха: 2СО+Н₂+1, 5О₂=2СО₂+Н₂О. Процесс горения горю­чего газа в кислороде экзотермичен, т. е. идет с выделением теплоты.

а) б) в)

Рис.1. Виды сварочного пламени:

а — окислительное, б — нормальное, в— науглероживающее; 1— ядро, 2—

восстановительная зона, 3 - факел

Ядро имеет резко очерченную форму (близкую к фор­ме цилиндра), плавно закругляющуюся в конце, с ярко све­тящейся оболочкой. Оболочка состоит из раскаленных час­тиц углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от состава горючей смеси, ее расхода и скорости истечения. Диаметр канала мундштука горелки определяет диаметр ядра пламени, а скорость истечения га­зовой смеси — его длину.

Площадь поперечного сечения канала мундштука горел­ки прямо пропорциональна толщине свариваемого металла. Сварочное пламя не должно быть слишком «мягким» или «жестким». Мягкое пламя склонно к обратным ударам и хлопкам, жесткое — способно выдувать расплавленный ме­талл из сварочной ванны. При увеличении давления кисло­рода скорость истечения горючей смеси увеличивается и ядро сварочного пламени удлиняется, при уменьшении ско­рости истечения ядро укорачивается. С увеличением номера мундштука размеры ядра увеличиваются. Температура ядра достигает 1000 ^оС.

Восстановительная (средняя) зона рас­полагается за ядром и по своему более темному цвету замет­но отличается от него. Длина ее зависит от номера мундшту­ка и достигает 20 мм. Зона состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена — оксид углерода и водорода. Она называется восстановительной, так как оксид углерода и во­дорода раскисляют расплавленный металл, отнимая кисло­род от его оксидов. Если в процессе сварки расплавлен­ный металл сварочной ванны находится в средней зоне, сварочный шов получается без пор, газовых и шлаковых включений. Этой зоной пламени выполняют сварку и поэто­му ее называют рабочей. Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру (3140°С) в точке, отстоящей на 3—6 мм от конца ядра.

Зона полного сгорания(факел) располага­ется за восстановительной зоной. Она состоит из углекис­лого газа, паров воды и газа, которые образуются в пламени при сгорании оксида углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха.

Температура этой зоны значительно ниже, чем температура восстанови­тельной, и колеблется от 1200 до 2520°С.

Схема нормального ацетиленокислородного пламени и график распределения температур по его длине, а также со­став пламени по зонам представлены на (рис.1).

В зависимости от соотношения между кислородом и аце­тиленом получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее. Нормальное пламя (см.рис.1, б) теоретически полу­чают тогда, когда в горелку на один объем кислорода по­дают несколько больше от 1, 1 до 1, 3 объема ацети­лена. Нормальное пламя характеризуется отсутствием сво­бодного кислорода и углерода в его восстановительной зоне. Кислорода в горелку подается немного больше из-за небольшой его загрязненности и расхода на сгорание водо­рода. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Восстановительная зона

Рис.2. Схема кислородно-ацетиленового пламени

и распределение температур

Окислительное пламя (см. рис.1, а) по­лучается при избытке кислорода, при подаче в горелку на один объем ацетилена более 1, 3 объема кислорода. При этом ядро приобретает конусообразную форму, значительно со­кращается по длине, становится с менее резкими очерта­ниями и приобретает более бледную окраску. Сокращаются по длине также восстановительная зона и факел. Все пламя приобретает синевато-фиолетовую окраску. Пламя горит с шумом, уровень которого зависит от давления кислорода.

Температура окислительного пламени выше нормального, однако сваривать стали таким пламенем нельзя из-за нали­чия в пламени избытка кислорода. Избыток кислорода при­водит к окислению металла шва, шов получается пористым и хрупким. Окислительное пламя можно применять при сварке латуни и пайке твердыми припоями.

Науглероживающее пламя (см.рис.1, в) получается при избытке ацетилена, когда в горелку на один объем ацетилена подается 0, 95 и менее объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, на конце его появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона значительно светлее и почти сливается с ядром, а факел приобретает жел­товатую окраску. При большом избытке ацетилена пламя начинает коптить, так как в нем ощущается недостаток кис­лорода, необходимого для полного сгорания ацетилена. На­ходящийся в пламени избыточный углерод легко поглоща­ется расплавленным металлом и ухудшает качество металла шва.

Температура науглероживающего пламени ниже, чем нормального и окислительного. Уменьшая подачу ацетиле­на в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра, ацетиленовое пламя превращается в нормаль­ное. Слегка науглероживающее пламя применяют для свар­ки чугуна и при наплавке твердыми сплавами.

Устойчивый процесс горения возможен лишь в том случае, если выделяющейся при сгорании рабочей 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 (из-за большой величины отношения площади поверх­ности канала к его объему), горение газа невозможно.