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 (из-за большой величины отношения площади поверх­ности канала к его объему), горение Таза 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 (скорость распространения пламени) раз­личают следующие три вида горения:

1) спокойное — со скоростью распро­странения пламени, не цревышающей 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 (скорость распространения пламени) зависит от состава газовой смеси, давления, под которым газовая смесь находится, характера и объема простран­ства, в котором происходит горение, термомеханических условий на его границе (так, например, при горении смеси в трубках, основным параметром, определяющим эти условия, является диаметр трубки), 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. Из всех горючих в чистом виде применяется только водород. 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. В отличие от углеводородных газов, водородно­кислородное пламя светящегося ядра не образует, что затрудняет регулировку пламени по внешнему виду.

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 ацетил єно-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 +2,502 =2СОа + Н20 + 1300,6 кДж/моль (311,15 ккал/г-мол).

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+02 =2СО.+ Н2 + 452,64 кДж/моль (107,58 ккал/г-мол).

Во второй фазе сгорания горючего также условно и схематично окончательное окисление (догорание) его происходит за счет под­сасывания в пламя кислорода воздуха:

2СО +Н2 + 1,502 =2С02 +Н20 +

+ 865,54 кДж/моль (203,57 ккал/г-мол).

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

р0= 1,05-5-1,2.

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

С2Н3 +0,5О2 =СО +С +Н2.

В этом случае в средней зоне пламени появляется значительное количество свободного углерода, вследствие чего она становится науглероживающей.

При большем избытке ацетилена свободный углерод присутст­вует также в факеле пламени, что внешне характеризуется краснова­тым оттенком пламени с ярко светящимися твердыми частицами углерода.

Современная теория горения ацетилено-кислородного пламени и пламени других углеводородных газов с кислородом, разработан­ная школой академика Н. Н. Семенова, рассматривает следующие основные стадии (периоды) горения.

Стадия подготовки горючего к сгоранию (период индукции) характеризуется пирогенным разложением ацетилена в присутст­вии кислорода. Процесс пирогенного разложения ацетилена про­текает в ядре сварочного пламени.

Простое пирогенное разложение (без участия кислорода) заклю­чается в распаде горючего при температуре 800—1250 с на состав­ные элементы — углерод С и водород Н, с возможным существо­ванием в качестве промежуточного продукта метана СН4.

Для углеводородов типа С*Ну при отсутствии кислорода про­цесс разложения протекает по схеме

СДЇу ^ хС - f - ^ Н2.

При элементарном разложении ацетилен распадается на углерод и водород по реакции

С2Н2 = 2С+На.

При температуре выше 800° С процесс разложения ацетилена может протекать с образованием метана, более теплоустойчивого, чем ацетилен:

2С2Н2=СН4+ ЗС.

Однако при температуре свыше 1000° С метан также распадается: СН4 = С + 2Н2.

В присутствии кислорода температура начала разложения аце­тилена понижается, а скорость процесса возрастает в связи с окис­лением продуктов распада ацетилена, приобретающих в окисленном состоянии меньшую теплоустойчивость. Конечными продуктами пирогенного разложения ацетилена в присутствии кислорода являются СО и н2. По одной из существующих гипотез процесс разложения ацетилена в присутствии кислорода можно представить следующим образом:

С2Н2 + О = С2Н20; С2Н20 +Оа = С2Н А + о,

С2Н202 HCjHO + со

н2 + со

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.

При избытке ацетилена количество свободного углерода возрастает, внут­реннее ядро пламени увеличивается, зона яркого свечения, насыщенная рас­каленными частицами сажи, расши­ряется. При дальнейшем повышении содержания ацетилена в смеси, сред­няя зона пламени (область воспламене­ния), содержащая конечные продукты пирогенного разложения (СО и Н2), ис­чезает полностью и пламя становится сильно коптящим.

Стадия восстановления — средняя зона пламени характеризуется ускоре­нием окислительных процессов и началом активного окисления СО и Н2 в углекислый газ С02 и водяной пар Н20.