Центральный металлический портал РФлучшие сервисы для Вашего бизнеса

 ГЛАВНАЯ   НОВОСТИ   МЕТАЛЛОТОРГОВЛЯ   ОБЪЯВЛЕНИЯ   ПРАЙСЫ   КОМПАНИИ   СТАТЬИ   РАБОТА   ФОРУМ   ГОСТы   МАРОЧНИК   КАЛЬКУЛЯТОР   БИРЖЕВЫЕ ЦЕНЫ   ВЫСТАВКИ  

Полезные статьи -> Сварка, резка и пайка металлов -> Газовая сварка -> Сварочное пламя

Сварочное пламя

Строение и состав сварочного пламени 

Химическое взаимодействие пламени с металлом 

Температура ацетилено-кислородного пламени и нагрев металла пламенем 

 

Строение и состав сварочного пламени

Для газопламенной обработки металлов в качестве горючих газов в основном применяются различные углеводороды и только в некоторых случаях водород.

Строение пламени при горении углеводородов в кислороде или в воздухе характеризуется наличием трех зон:

1) ядра;

2) средней зоны;

3) факела.

Форма, вид и относительные размеры этих зон зависят от соотношения кислорода (Vк) и горючего газа (Vг) в смеси, т. е. регулирования пламени, характеризуемого коэффициентом B = Vк/Vг.

Процесс горения проходит в несколько стадий.

Первая стадия - подготовка горючего к сгоранию - характеризуется распадом углеводорода в конечном виде на углерод и водород. Так, например, реакция распада ацетилена имеет вид:

С2Н2 -> 2С + Н2 + 54 ккал/г·мол.

Реакция ускоряется в случае присутствия кислорода в смеси с углеводородом. Реакции распада осуществляются внутри ядра пламени.

Вторая стадия горения характеризуется образованием СО и Н2. Выделяющийся в результате распада углерод окисляется находящимся в смеси кислородом по реакции

С2Н.2 + 02->2С + Н2 + 02- >2СО + Н2 + 112,8 ккал/г·мол.

Продукты этой реакции определяют состав второй зоны пламени.

 

При горении элементарные частицы углерода накаливаются, их свечение и показывает границу ядра пламени. Если кислорода в горючей смеси достаточно, за этой границей ядра свободного углерода уже нет.

При недостаточном количестве в горючей смеси подаваемого через горелку (первичного) кислорода (B < 1) часть углерода не окислится, и его частицы будут догорать в других частях пламени, уже за счет кислорода воздуха (вторичного кислорода). При взаимодействии пламени с металлом, растворяющим углерод, в этом случае будет происходить науглероживание металла.

При избытке кислорода (B > 1) уже во второй зоне пламени начинается третья стадия горения, заключающаяся в том, что образующиеся СО и Н2 частично окисляются в СО2 и Н2О.

Вторая зона находится непосредственно за ядром и имеет вид клина сероватого цвета. При избытке кислорода эта зона уменьшается в своих размерах, а при недостатке кислорода (избытке ацетилена) вокруг ядра видна область белого цвета, где углерод догорает за счет реакции с кислородом воздуха.

При B = 1 процессы окисления СО и Н2 осуществляются в третьей зоне за счет кислорода воздуха по реакциям:

2СО + 02 -> 2С02 + 136,4 ккал/г·мол;

Н2 + 0,502 -> Н20 +57,8 ккал/г·мол.

Продукты сгорания вместе с попавшим в пламя воздухом образуют факел оранжево-фиолетовых оттенков при B = 1, желто-оранжевых оттенков при B < 1 и фиолетовых при B > 1.

Строение и схема изменения состава ацетилено-кислородного пламени при B = 1 показана на рис. 29, а внешний вид пламени при различных значениях B - на рис. 30. Однако на состав пламени, кроме того, могут влиять происходящие при высоких температурах реакции диссоциации газовых молекул (рис. 31). Так, например, непосредственно за ядром, где имеет место наивысшая температура, происходит частичный распад молекулярного водорода по реакции:

Н2-> 2Н - 103,8 ккал/г·мол.

Поэтому во второй зоне пламени обычно кроме СО и Н2 имеется кислород и атомарный водород. Примерный состав этой зоны в момент горения при р = 1 следующий: 60% СО, 20% Н2, 20% Н и небольшое количество (~10-3-10-5%) свободного кислорода. Экспериментальный отбор газа, кроме того, показывает присутствие также и некоторого (около 8%) количества азота из воздуха.

В пламени с избытком кислорода (B > 1,3) во второй зоне кроме СО, Н2 и Н имеются значительные количества С02 и Н20 и большее количество свободного кислорода. Эта зона пламени горячее (имеет более высокую температуру, чем при B = 1-1,1) вследствие дополнительного теплового эффекта сгорания СО в С02 и Н2 в Н20 и обладает более высокой окислительной способностью по отношению к нагреваемому и расплавляемому металлу.

При недостатке кислорода (B < 1) во второй зоне пламени не только появляется свободный углерод, но и уменьшается тепловой эффект горения. Так, например, при р = 0,8

С2Н2 + 0,8О2-> 1,6СО + 0,4С + Н2 + 101,04 ккал/г·мол.

Регулировка ацетилено-кислородного пламени осуществляется по внешнему виду.

Пламя заменителей ацетилена (различных углеводородов, наиболее часто пропан-бутана) принципиально подобно ацетилено-кислородному и имеет три зоны. Соотношения количеств кислорода к горючему газу, дающих пламя нормальной регулировки, зависят от состава этих горючих газов. Так, при пропано-бутановых смесях значение B примерно равно 3,5.

Как правило, регулировка пламени газов-заменителей, осуществляемая по внешнему виду, сложнее, чем ацетилено-кислородного, так как зоны пламени менее четкие. Наиболее трудно производить регулировку по внешнему виду водородно-кислородного пламени, которое не имеет ядра. В этих случаях регулировку следует осуществлять с использованием ротаметров.

 

Химическое взаимодействие пламени с металлом

Взаимодействие металла с пламенем определяется свойствами металла, температурой, давлением и составом газовой фазы пламени. Состав газовой фазы устанавливается при сварке посредством регулирования пламени. Теоретические основы регулирования впервые разработаны А. Н. Шашковым.

Одним из наиболее распространенных процессов, происходящих при воздействии пламени на металл, является окисление. Типовой реакцией окисления при сварке является

2Ме + О2 =2МеО + Q

Направление реакции, т. е. окисление (слева направо) или восстановление окисла (справа налево) зависит от концентрации (парциального давления) кислорода в газовой фазе, контактирующей с металлом, температуры взаимодействия и свойств окисла (сродства металла к кислороду, определяющего стойкость окисла, его устойчивость против разложения, диссоциации). При определенных условиях такие обратимые реакции достигают равновесия, т. е. скорости реакции как слева направо, так и справа налево становятся равными. Для конкретных реакций (например, для окисления - диссоциации окислов определенного металла) достижение равновесия определяется температурой и составом газовой фазы. Например, равновесие различных газовых смесей с железом и его окислами представлено на рис. 32. Из рис. 32, а следует, что при общем давлении 1 кгс/см2 окисления железа при температурах сварочной ванны (заштрихованная область) при его взаимодействии со смесью водорода и паров воды не будет происходить только в случае содержания водорода в смеси более 45% (т. е. паров воды менее 55%). Такое водородно-кислородное пламя может быть получено при В=Vк /V в = 1/4 по реакции:

2 + О2->2Н2 + 2Н2О + Q

Пламя при горении углеводородов имеет больше составляющих, и поэтому необходимо учитывать парциальные давления не только Н2 и Н2О, но и СО и СО2. Как показано выше, в ацетилено-кислородном пламени с B < 1 имеется свободный углерод, в связи с чем может происходить науглероживание металла.

 

При B > 1 во второй зоне пламени появляется СО2 и Н2О, допустимое количество которых (когда при сварке железа не образуется FeO) позволяет определить максимальное значение B.

 

Так, если пренебречь влиянием парциальных давлений, пользуясь рис. 32, можно подсчитать В, при котором пламя будет находиться в равновесии с FeO:

С2Н2 + О2 = 2СО + Н2

+

2СО + 0,1602 = 1,68СО + 0,32СО2

+

Н2 + 0,275О2 = 0,45Н2 + 0,55Н2О

--------------------------------------------------------------

С2Н2 + 1,435О2 = 1,68СО + 0,32СО2 + 0,45Н2 + 0,55Н2О

Если учесть влияние парциальных давлений и кислорода воздуха, попадающего в пламя, максимальное значение В будет не 1,435, а примерно 1,3. Таким образом, применительно к железу пламя при В < 1 является науглероживающим, а при р > 1,3 - окислительным. Пламя со значениями В = 1 - 1,3 для расплавленного железа является отчасти восстановительным и носит название пламени нормальной регулировки.

Пламя с В > 1,3 может применяться лишь для нагрева твердого железа или сталей с малым количеством других элементов (например, при поверхностной закалке).

Элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (Al, Si, Мп, Сг и т. д.), могут интенсивно окисляться тогда, когда реакции образования FeO не происходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находясь в виде примесей или легирующих добавок в железных сплавах, причем чем больше их в сплаве, тем их окисление будет интенсивнее. Поэтому при сварке легированных, особенно средне- и высоколегированных сталей, в ряде случаев необходимо применять регулировку пламени с другими значениями В, чем при сварке нелегированных сталей. Окисление некоторых элементов, например Al, Тi, Si и др., вообще не удается исключить ни при какой регулировке пламени. Поэтому, например, алюминий, магний и их сплавы необходимо сваривать газовой сваркой с применением дополнительных средств защиты сварочной ванны от окислов посредством применения флюсов.

Некоторые элементы (Ni, Си и пр.) окисляются слабее, чем железо, и меньше окисляются, находясь в сталях в виде легирующих добавок.

Однако при сварке условия равновесия металла и газовой фазы не достигаются, и в результате взаимодействия пламени с металлом возможно образование таких окислов, которые в равновесных условиях не образуются.

Вследствие растворимости в расплавленных элементах их окислов (например, NiO в никеле) образовавшийся в какой-то период окисел, растворяясь в ванне, не взаимодействует более с восстанавливающими газами, приводя в конечном счете к окислению сварочной ванны. Степень этой окисленности тем меньше, чем меньше B. Но при уменьшении B, как показано выше, в пламени появляется повышенное количество свободного водорода, что может отрицательно сказаться на сварке некоторых металлов.

Поэтому при газовой сварке различных металлов и сплавов подбирают такое соотношение кислорода и горючего газа, которое позволяет получать наиболее благоприятный характер взаимодействия пламени со свариваемым металлом.

 

Температура ацетилено-кислородного пламени и нагрев металла пламенем

Температура является одной из важнейших характеристик пламени. Чем выше температура пламени, тем эффективнее процессы нагрева и плавления металла.

Экспериментальные исследования Н. Н. Клебанова по определению температуры ацетилено-кислородного пламени нормальной регулировки мощностью 500 л/ч дали следующие значения:

Изменение температуры по длине пламениОбщий характер изменения температуры по длине ацетилено-кислородного пламени различной регулировки представлен на рис. 33. Как видно, максимальная температура имеет место во второй зоне, где и состав газов наиболее благоприятен по химическому воздействию пламени на металл.

Аналогично, но с другим характером перепада (градиентом), изменяется температура и в поперечном сечении пламени, уменьшаясь от оси пламени к периферии.

Нагрев металла пламенем обусловливается лучистым (5-10%) и в основном конвективным теплообменом между потоком горящих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла.

Общее количество тепла q (в ккал/см2.сек), вводимое пламенем в единицу времени через единицу площади нагреваемой поверхности металла, равно

q = а(Тг - Тм),

где а - коэффициент теплообмена, равный сумме коэффициентов конвективного (ак) и лучистого (ал) теплообмена, в ккал/см2·сек·°С;

Тг - температура потока газов в °С;

Тм - температура поверхности металла в °С.

Теоретические расчеты распространения тепла при нагреве металла газовым пламенем разработаны акад. АН СССР Н. Н. Рыкалиным, а экспериментальные исследования проведены М. X. Шоршоровым и А. К. Нинбургом.

При соприкосновении с поверхностью металла газовый поток пламени растекается, образуя при перпендикулярном направлении потока симметричное относительно центра пятно нагрева (рис. 34, а).

Характер распределения удельного теплового потока по пятну нагрева схематически предоставлен нижней частью рис. 34, а и приближенно может быть выражен математической формулой:

qr = qmax·e-Rr2, (31)

где qr - удельный тепловой поток в любой точке А пятна нагрева на расстоянии r от центра в кал/см2 •сек;

qmax - максимальный удельный тепловой поток на оси пламени в кал/см2.сек;

е - основание натуральных логарифмов;

R - коэффициент сосредоточенности в 1 /см2.

При отклонении оси пламени от перпендикуляра к поверхности изделия на угол 90° - ф пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается с боков (рис. 34, б). Интенсивность нагрева впереди ядра пламени увеличивается, а за ним - уменьшается.

Распределение теплового потока по пятну нагрева горелкой с различными наконечниками при перпендикулярном направлении пламени представлено на рис. 35.

При перемещении пламени относительно поверхности металла нагретые газы соприкасаются с более холодным металлом, в связи с чем растет ввод тепла в единицу времени. Эффективная мощность пламени с увеличением расхода газа также увеличивается, но в меньшей степени, чем расход горючего. Вследствие этого эффективный к. п. д. ηu с увеличением мощности пламени падает. Значение ηu определяется по формуле:

ηu=qэф/qn (32)

где qэф - количество тепла, полученное металлом, в кал/сек;

qn - полная тепловая мощность пламени, соответствующая низшей теплотворной способности горючего (для ацетилена 12 600 кал/л).

Для ацетилена

где Va - расход ацетилена в л/ч.

Результаты экспериментальных исследований qэф и ηu для сварочных горелок с различными наконечниками представлены на рис. 36.

На эффективную мощность пламени в наибольшей степени влияет расход горючего. Однако некоторую роль играют и другие параметры режима нагрева: угол наклона пламени к поверхности металла, скорость перемещения пламени, скорость истечения газов, значение коэффициента В, толщина металла, его тепло-физические свойства и др.

Вследствие меньшей концентрации тепла при воздействии на металл пламенем по сравнению с электрической дугой характер распределения температур в металле при нагреве пламенем является более плавным, с меньшим градиентом, а относительная доля тепла, используемая на проплавление металла при сварке, уменьшается.

Полный коэффициент проплавления может быть определен из формулы

где υ - средняя скорость перемещения горелки в см/сек;

Fnp - площадь поперечного сечения металла шва в см2;

у - удельный вес металла в г/см3;

Sпл - теплосодержание расплавленного металла при температуре плавления в кал/г;

Va - расход ацетилена в л/ч.

Изменение полного к. п. д. в зависимости от толщины металла с использованием различных горелок и горючих газов при ручной газовой сварке представлено на рис. 37.

Как следует из рисунка, полный к. п. д. при газовой сварке мал, и остальное тепло сжигаемого горючего составляет различные потери. Например, при ацетиленокислородной сварке стали толщиной 3 мм затраты тепла на нагрев свариваемого металла вокруг расплавляемой зоны (ванны, шва) составляют около 45%. При увеличении толщины свариваемого металла или его теплопроводности составляющая расхода на его нагрев вне расплавляемой зоны увеличивается.

Важное значение для проплавления металла и управления сварочной ванной имеет и механическое действие пламени, достигающее по оси пламени максимальной величины. При сварочных горелках большой мощности удельное давление газов пламени достигает 0,1 кгс/см2.

Газовая сварка ввиду ее меньшей производительности и тепловой эффективности по сравнению с дуговой применяется в основном для сварки стали малых толщин, чугуна и некоторых цветных металлов. При больших толщинах газовая сварка стали применяется только в тех случаях, когда по каким-либо причинам затруднено применение электросварки.

Основными путями повышения производительности газовой сварки является рациональное использование тепловой мощности пламени, в частности подбором мощности и регулировки, позволяющим получать хорошее качество сварки при увеличении ее скорости, а также использованием в частных случаях тепла отходящих газов.

Автор: Администрация   Общая оценка статьи:    Опубликовано: 2012.06.02   

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ:



запомнить  Регистрация

Металлоторговля:
Объявления
Прайсы (по торг. позициям)
Прайсы (в файлах)

Марки металлов
Калькулятор веса металла

Новости

НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ

15:14 Роторная буровая установка SANY SR265C10

15:14 Штанги Келли для буровых установок Bauer BG 26

15:14 Hyundai HD170 рефрижератор 2012 г, г/п 7 тонн

15:14 Теплообменник флегмы (рекуперативный) -360м2

15:14 Холодильное оборудование для нефтехимии

15:14 Воздухоохладительная установка типа АжКж-0,06

15:14 Туннельная машина шоковой заморозки

15:14 Моноблок Rivacold PTL450Z012

15:14 Эжектор пароструйный основной ЭП-3-750-2

15:14 ПВХ Logicroof V-RP 1,2 мм мембрана серая 2,10x25 м

НОВОСТИ

24 Сентября 2020 17:11
Современные обрабатывающие центры с ЧПУ в работе (подборка видео)

22 Сентября 2020 17:16
Разварка стальных колесных дисков методом вваривания пластины

24 Сентября 2020 17:40
Тайваньский импорт за 7 месяцев упал до 10-летнего минимума

24 Сентября 2020 16:56
”Стойленский ГОК” возобновил производство

24 Сентября 2020 15:43
Китай в августе увеличил добычу бокситов на 0,75%

24 Сентября 2020 14:58
”Якутуголь” развивает кооперацию с металлургическими предприятиями ”Мечела”

24 Сентября 2020 13:29
”Северсталь” начала отгрузку ТБД для Харасавэйского газоконденсатного месторождения

НОВЫЕ СТАТЬИ

Циклонные фильтры промышленного назначения для очистки воздуха

Минитракторы и тракторы для сельского хозяйства

Токарные станки промышленного назначения

Прокат строительного оборудования и генераторов

Основные способы выполнения шпунтовых ограждений котлованов

Что такое комплексная логистика

Виды и особенности складских стеллажей

Лицензионная музыка для фитнеса

Вопросы выбора современных межкомнатных дверей

Климатическое оборудование для общественных и промышленных помещений

Какие металлоискатели лучше выбрать для поиска по типу металлов?

Возможность проката оборудования для строительных работ

Преобразование ржавчины и очистка металла перед покраской

Общие основы классификации видов строительной арматуры

Особенности огнезащиты металлических конструкций

Сталь конструкционная углеродистая

Сталь конструкционная низколегированная

Лист нержавеющий AISI 409 - особенности марки и применение

 ГЛАВНАЯ   НОВОСТИ   МЕТАЛЛОТОРГОВЛЯ   ОБЪЯВЛЕНИЯ   ПРАЙСЫ   КОМПАНИИ   СТАТЬИ   РАБОТА   ФОРУМ   ГОСТы   МАРОЧНИК   КАЛЬКУЛЯТОР   БИРЖЕВЫЕ ЦЕНЫ   ВЫСТАВКИ  

Рейтинг@Mail.ru

О портале : Информация и правила : Реклама : Тарифы для компаний : Наши контакты : Связаться : Личный кабинет : Регистрация

2009-2019 © Любое копирование материалов без активной ссылки на metallicheckiy-portal.ru запрещено!
Использование материалов в печатных изданиях только с разрешения администрации портала.