Г азы—заменители ацетилена могут быть использованы в тех процессах газопламенной обработки, для которых не требуется слишком высокая температура подогревающего пламени. К таким процессам относятся: сварка легкоплавких металлов (алюминия, магнця и их сплавов, свинца), высоко - и низкотемпературная пайка, поверхностная закалка, сварка тонколистовой стали, кислородная разделительная и поверхностная резка. Широкое применение газы-заменители находят при кислородной разделительной резке, где температура подогревающего пламени не влияет на характер протекания процесса, а лишь сказывается на длительности началь­ного подогрева металла перед резкой. Поэтому для резки могут использоваться все газы-заменигели, у которых температура пла­мени при сгорании в смеси с кислородом не ниже 1800—2000° С, а теплотворная способность не менее 10 000 кДж/м3 (~ 2400 ккал/м3).

Газы-заменители, как правило, дешевле ацетилена, недефи­цитны и доступны для использования в районах их производства. Использование местных дешевых горючих газов вместо ацетилена значительно снижает стоимость газопламенной обработки и упро­щает организацию работ.

Эффективность и условия использования газов-заменителей при обработке материалов газокислородным пламенем в основном определяются следующими их свойствами: низшей теплотворной способностью; плотностью; температурой воспламенения и ско­ростью горения в смеси с кислородом; соотношением между кисло­родом и горючим в смеси; эффективной тепловой мощностью пла­мени; температурой пламени при сгорании в смеси с кислородом; удобствами и безопасностью при получении, транспортировке и использовании.

Рассмотрим некоторые, наиболее важные свойства газов-заме­нителей.

Низшая теплотворная способность Qn представляет собой коли­чество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы объема или массы горючего; имеет размерность соответственно ккал/м3 или ккал/кг. Для чистых углеводородов и водорода теплотворная способность является физической константой. Для ее определения пользуются газовым каториметрированием.

Для сложных газовых смесей известного состава теплотворная способность в ккал/м3 (при 20° С и 760 мм рт. ст.) может быть под­считана по формуле

Q, =24Н2 + 80СН4 + 206С3Н8+ 140СгаН„+ 28СО + 275С, Н10. (6)

Содержание составных частей в формуле (6) приведено в объем­ных процентах. Символом СтНп обозначена сумма прочих высоко­молекулярных углеводородов, содержащихся в газе. Коэффициенты перед обозначениями составных частей газа получены как значения 0,01 Qh для каждого горючего, входящего в состав газа-замени­теля.

Плотность (кг/м3) для сложных газовых смесей определяют по формуле

Рем = foPi + Т2Р2 + • • • + f яРл)0,01, (7)

где гиг2, ..., гп—содержание элементарных частей смеси, об. %;

Pi> Рз* *п> ~ плотность элементарных частей смеси, кг/м3.

Пример. Коксовый газ имеет состав: 58,6% Н2; 25,2% СН4; 2,4% С3Н8; 7,1% СО; 2,4% С02; 0,6% 02; 3,7% N2.

Плотности составляющих частей смеси (при 20 °С и 760 мм рт. ст.): рн = 0,084 кг/м3; р СН4=0.67 кг/м3; 1.86 кг/м3; р сО“ кг/м3;

рс^ = 1,84 кг/м3; Ро2 = 1.33 кг/м3, Рд^2= 1.16 кг/м3.

Длотность коксового газа равна

рсм=(58,6 • 0,084+ 25,2 ■ 0,67+2,4 • 1,86+7,1 . 1,16+2,4- 1,84+0,6-1,33 +

+ 3,7-1,16)0,01 =0,44 кг/м3.

Теоретическое соотношение между количествами кислорода и горючего для полного сгорания определяется элементарным соста­вом горючего газа. Для газовых смесей оно может быть определено по формуле

рт=.0,01 [0,5Н2+ 2СН4 + 5CjH8+ 0,5СО- 1 - О*]. (8)

Пример. Сланцевый газ имеет состав: 40% Н2; 14% СН4; 4% С3Н8; 20% СО; И 15% С02; 0.5% 02 и 6,5% N2. Количество кислорода, необходимого для полного Я сгорания в 1 м3 газа, составляет Я

рт=0,1 [0,5-40+ 2- 14 + 5 -4+ 0,5 -20—0,5]=о,775 м3. I

Эффективная мощность пламени — это количество теплоты, Я вводимой в нагреваемый металл в единицу времени (кал/с), в наи- " большей степени эффективная мощность пламени для данного горю­чего газа зависит от двух величин: соотношения кислорода и горю­чего газа в смеси (рис. 7) и расхода горючего газа (рис. 8). Соотно­шение кислорода VK и горючего газа Vr в смеси для различных горючих принимают следующим:

Ацетилен.....................

Водород......................

Природный газ (метан)

Пропан технический. .

Коксовый газ....

Нефтяной газ. .

Сланцевый газ. . .

Коэффициент замены ацетилена — отношение расхода газа - заменителя V3 к расходу ацетилена Va при равном тепло^рм воз-| действии на нагреваемый металл—обозначается Ь — Для'

а

определения значения коэффициента замены пользуются графиками

Рис. 7. Зависимость эффективной мощности пламени от соотношения кислорода и горючего газа. Рас­ход горючего газа VT = 0,8 м3/ч:

/ — пропано-бутановая смесь; 2 — аце-
тилен; 3 — метан; 4 — коксовый газ;
5 — водород

состава: кислород/ацетилен = 1,15. Принимаемые на практике

значения коэффициентов замены ацетилена другими горючими приведены в табл. 3.

Рассмотрим основные свой­ства и области применения га­зов-заменителей.

Водород. В нормальных усло­виях водород представляет со­бой газ без цвета и запаха, плот­ностью 0,084 кг/м3. Эго взрыво­опасный газ, способный прони­кать через малейшие неплотно­сти в окружающую среду, об­разуя взрывоопасные смеси с воздухом.

Поэтому при работе с водо­родом необходимо обращать осо­бое внимание на герметичность аппаратуры и газовых комму­никаций.

Температура водородно-кислородного пламени 2000—2100° С. Его можно применять для получения высокочистых металлов в газовом пламени и для безокислительной пайки сталей.

Природный газ (метан). Состав природного газа определяется характером газового месторождения, и в среднем он примерно следующий (об.%): СН4—97,8; С2Н6 и С3Н8 — 0,9; N2 и СОа—1,3. Плотность природного газа может быть принята равной 0,7— 0,9 кг/м3, низшая теплотворная способность 31 000—33 000 кДж/м3 (7500—7900 ккал/м3). Температура пламени при сгорании газа в смеси с кислородом равна 2100—2200° С.

Природный газ применяется при разделительной и поверхност­ной кислородной резке стали, сварке стали толщиной до 4—5 мм, сварке легкоплавких металлов и сплавов, пайке и других процессах газопламенной обработки, допускающих использование пламени с более низкой температурой, чем кислородно-ацетиленовое.

Пропан технический и пропано-бутановая смесь. Эти газы — побочные продукты при переработке нефти. По ГОСТ 10196—62 пропан технический состоит главным образом из пропана (С3Н8) или из пропана и пропилена (С3Нв), количество которых в сумме должно быть не менее 93 об.%. Кроме того, в нем содержится в сумме не более 4% этана (С2Нв) и этилена (С2Н4) и не более 3% бутана (С4Н10) и бутилена (С4Н8).

Плотность пропана 1,88 кг/м3, бутана 2,52 кг/м3. Плотность относительно воздуха для пропана 1,57, для бутана 2,1. Низшая теплотворная способность пропана равна 87 000 кДж/м3 (20 800 ккал/м3), бутана 116 000 кДж/м3 (27 800 ккал/м3).

Температура пламени пропана и пропано-бутановой смеси при сгорании в смеси с кислородом равна 2400—2500° С и при допол­нительном подогреве смеси в мундштуке может достигать 2700 °С. При повышении давления или при понижении температуры пропан, бутан и их смеси переходят в жидкое состояние, их называют тогда сжиженными газами. При температуре 20° С и давлении 760 мм рт. ст. они находятся в газообразном состоянии.

Сжиженные газы широко применяются в качестве заменителей ацетилена. Пропан, бутан и их смеси можно использовать при сварке стали толщиной до 6 мм (в отдельных случаях до 12 мм), сварке и пайке чугуна, цветных металлов и сплавов, кислородной и кисло- родно-флюсовой резке (разделительной и поверхностной) сталей, наплавке, поверхностной закалке, металлизации, напылении пласт­масс, нагреве при гибке, правке, формовке и других подобных про­цессах.

При использовании технического пропана отбор его из газовой фазы баллона можно производить при температурах окружающей среды до минус 25° С. При пропано-бутановой смеси это можно делать при окружающей температуре не ниже +8° С. При более низких температурах применяют общий подогрев баллонов до 10—20° С в камерах, обогреваемых воздухом, поступающим из электрокалорифера.

При разделительной резке, сварке цветных металлов, пламен­ной закалке и пайке для замены 1 т карбида кальция (что экви­валентно примерно 235 м3 ацетилена) требуется 0,3 т сжиженного

газа. При поверхностной кислородной резке, сварке черных метал­лов, металлизации и другій процессах 1 т карбида кальция заме­няется 0,5 т сжиженного газа.

Коксовый и сланцевый газы. Коксовый газ получают в процессе коксования каменного угля. Средний состав коксового газа сле­дующий: 50—59% Н2; 25—30% СН4-1,8—3% С2Н4 и других непре­дельных углеводородов; 5—7% СО; 6—13% N2 и С02; 0,5—0,8% О...

Сланцевый газ получают при газификации горючих сланцев. Его состав приблизительно следующий: 25—40% Н2; 14—17% СН4; 10—20% СО; 10—20% С02; 4—5% С, Н6 и других углеводородов; 22-25% N2; до 1% 02.

Характеристика этих газов следующая:

Коксовый и сланцевый газы к постам газопламенной обработки подают по трубопроводу. Их используют при сварке легкоплавких металлов, пайке, разделительной и поверхностной кислородной и кислородно-флюсовой резке и других процессах, для которых достаточна температура пламени 2000° С.

Городской газ. Состав газа не регламентирован ГОСТ 5542—50. Плотность городского газа 0,84—1,05 кг/м3, низшая теплотворная способность 18 800—21 000 кДж/м3 (4500—5000 ккал/м3), темпе­ратура газокислородного пламени 2000° С. Области применения те же, что и для коксового газа.

Керосин и бензин. Характеристики этих заменителей следующие:

Керосин более безопасен в работе. Применяется только осве­тительный керосин по ГОСТ 4753—68. Перед заливкой в бачок керосин рекомендуется профильтровать через слой войлока и ку­скового едкого натра NaOH для очистки от механических частиц, остатков смолистых веществен обезвоживания. Керосин используют при резке стали, бензин — при резке под водой. Применение эти­лированного бензина запрещается.

Пиролизный и нефтяной газы. Это смеси газообразных продук­тов термического разложения нефти, нефтепродуктов и мазута при температуре 720—740° С в ретортах, Выход газа составляет 0,35—

О 4 м;’ на 1 кшефти. Состав газа зависит от состава нефти и режима переработки. При наполнении в баллоны газ находится частично сжиженном состоянии. При отборе газа состав его изменяется ксле;Ч'твие испарения в первую очередь более летучих компонен­тов Для выравнивания состава газа и предупреждения частичной конденсации в трубопроводах и шлангах перед горелкой иногда Приходится устанавливать промежуточный ресивер емкостью 40 дм3, в ковром газ находится под избыточным давлением 0,3—0,4 МПа

(3_ 4 кгс/см2); из ресивера газ через регулятор давления поступает

в го|)елкУ или резак. Характеристика этих газов следующая:

Пиролизный газ ’ Нефтяной газ

газовым постам нефтяной газ подается в баллонах под дав­лением до 15—16,5 МПа (150—165 кгс/см2), пиролизный газ — по трубопроводу под давлением, имеющимся в установке для разложе - ниянефти. Области применения этих газов те же, что и при исполь­зовании пропана и пропано-бутановых смесей. Ввиду более низкой температуры пламени пиролизный и нефтяной газы можно исполь­зовать Для сварки стали толщиной не более 3 мм.