книги из ГПНТБ / Коровин, А. И. Газопитание сварочных участков

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ АВТОГЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ВНИИАВТОГЕНМАШ

А. И. Коровин

ГАЗОПИТАНИЕ

СВАРОЧНЫХ

УЧАСТКОВ

Под редакцией И. А. АНТОНОВА и Д. Л. ГЛИЗМАНЕНКО

Москва «Машиностроение» 1974

Коровин А. И.

К68 Газопитание сварочных участков. М., «Ма­ шиностроение», 1974.

54 с. с ил.

В брошюре рассмотрены физико-химические свойства пламе­ ни, эксплуатационные характеристики огневой аппаратуры, ' вы­ пускаемой серийно, и использование пламени в различных об­

кислородной резки и пламенной поверхностной закалки с опи­ санием ряда нестандартных элементов автоматической защиты и блокировки газовых систем. Брошюра предназначена для ра­

038(01)-74

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

I. ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Физико-химические свойства пламени

Все процессы газопламенной обработки имеют общие и специфические признаки, что несколько затрудняет их классификацию. В основе всех процессов лежит получе­ ние устойчивого пламени, а отдельные методы обработки или виды применения основаны на использовании физи­ ко-химических свойств пламени (рис. 1). В образовании

Рис. 1. Схема получения горючей смеси и свойства пламени

4

пламени участвуют горючие газы или пары горючих жидкостей и окислитель. Окислителем может быть техни­ ческий кислород или воздух, подводимый под атмосфер­ ным давлением из окружающей среды или под из­ быточным давлением (2—6 кгс/см2). Горючий газ и окислитель перед сжиганием должны быть хорошо сме­ шаны, чтобы образовалась однородная горючая смесь. При этом условии их молекулы находятся в непосредст­ венном контакте и могут вступать в химическую реак­ цию.

Для большинства применяемых горючих смесей уста­ новлены объемные соотношения окислителя и горючего, характеризуемые коэффициентом {5= Гк : Уг {где VK, Vr — расходы кислорода (или воздуха) и горючего газа, м3/ч]. Часто, для сокращения, слово коэффициент опу­ скают и говорят о составе горючей смеси, подразумевая указанное соотношение. Практически составы горючих смесей изменяются в узких пределах. Например, состав ацетилено-кислородной смеси при сварке находится в пределах р = 1,0-т-1,4, в то время как эта смесь может воспламеняться и взрываться при содержании ацетилена от 2,3 до 93.%.

Смеси с содержанием ацетилена в указанных преде­ лах при нормальных условиях (давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20°С) могут храниться в замкнутом объе­ ме или подаваться по газопроводу без воспламенения. Однако достаточно искры или повышения температуры до 300—400° С, илй резкого повышения давления, как произойдет вспышка, свидетельствующая о начале бур­ ной химической реакции. В зависимости от условий про­ текания она может иметь характер взрыва, сопровож­ даться распространением детонационных волн или прохо­ дить стабильно с образованием устойчивой зоны горения. Аналогичные явления наблюдаются и при использовании других горючих смесей.

Технические средства газопламенной обработки (го­ релки, резаки и вспомогательная аппаратура) служат для получения, формирования и последующего исполь­ зования устойчивого пламени. Горение газовой смеси со­ провождается выделением различных видов энергии: теп­ ловой, механической, химической и др. В широко приме­ няемых процессах газопламенной обработки используют главным образом тепловую и механическую энергию пламени. Это объясняется тем, что пламя является кон­

5

вективным теплообменным источником, от которого теп­ лота к изделию передается высокотемпературными ча­ стицами газов, обладающими значительными скоростями. При этом доля теплоты, передаваемой излучением, не пре­ вышает 15%. При оценке пламени можно отметить не только ярко выраженные признаки, но и другие менее су­ щественные физико-химические свойства.

Каковы же свойства пламени и его особенности, обу­ словливающие непрерывное расширение области приме­ нения? Не останавливаясь на свойствах пламени от­ дельных горючих, достаточно полно освещенных в специ­ альной литературе, отметим лишь пределы их изменения для совокупности наиболее применяемых пламен.

Температура пламени может изменяться в очень ши­ роких пределах. Применяя ацетилен, водород, природный газ, пропан, коксовый газ и другие горючие газы в смеси с воздухом или кислородом, можно получать горючую смесь с температурой пламени в интервале 300—3200° С.

Скорость истечения газовой смеси, определяющая скорость продуктов сгорания, может изменяться от 2—3 до 800—1000 м/с (в горелках ракетного типа). В серий­ ной огневой аппаратуре (сварочных и линейных закалоч­ ных горелках и резаках для кислородной резки) скоро­ сти истечения смеси находятся в пределах 40—160 м/с.

Коэффициенты теплопередачи от пламени к нагре­ ваемому изделию зависят от температуры пламени и ско­ рости продуктов сгорания. По аналогии с принятыми в теплотехнике методами расчеты местного нагрева газо­ вым пламенем иногда ведут исходя из величины удель­ ного теплового потока, который при газопламенной обра­ ботке может изменяться в пределах 50—140 кал/(см2-с).

Нагрев газовым пламенем чаще рассчитывают на Ос­ нове теории распределенных источников акад. Н. Н. Рыкалина, использующей понятия эффективной мощности пламени и учитывающей специфику распределения его удельного теплового потока. Под эффективной мощно­ стью пламени понимают количество теплоты, вводимой в изделие в единицу времени (в кал/с или Вт). Эффек­ тивная мощность пламени зависит от расхода горючего газа, состава смеси и скорости ее истечения, а также от толщины изделия, скорости перемещения горелки и ее положения относительно нагреваемой поверхности. Мощ­ ность определяют экспериментально, измеряя теплосо­ держание нагретых образцов с помощью калориметра.

6

Опытами, проведенными во ВНИИАвтогенмаше уста­ новлено, что значение эффективной мощности для раз­ личных пламен может изменяться широком интерва­ ле— от 1,5 -102 до (3-5-4) • 103 кал/с.

В первом приближении можно считать, что чем рав­ номернее распределен тепловой поток и чем больше его интенсивность, тем больше эффективная мощность пла­ мени.

В зависимости от назначения технологического процес­ са тепловой поток пламени может быть распределен по-разному. Для сварочных горелок удельный тепловой поток на оси пламени максимален, но быстро убывает к его периферии. График распределения интенсивности имеет форму колокола, а математически может быть представлен кривой вероятности Гаусса. У многосопло­ вых горелок распределение теплового потока зависит от расположения сопл и должно быть определено при кон­ структивной разработке. Например, для автоматической газовой сварки труб или термической обработки ленты в целях достижения высокой производительности горел­ ки имеют значительную длину и линейное расположение сопл. При этом удельный тепловой поток распределен равномерно по длине горелки, а в поперечном направле­ нии — по кривой вероятности. Возможность получения заданного распределения теплового потока пламени при­ менительно к форме и размерам нагреваемого изделия является одним из основных преимуществ местного га­ зового нагрева.

Химический состав продуктов сгорания зависит от рода горючего газа, окислителя и их соотношений. В пла­ мени могут находиться водород, углерод и азот в молеку­ лярном и атомарном состояниях, а также их окислы и свободный кислород.

Состав горючей смеси, подаваемой в горелки, выби­ рают в зависимости от вида обработки с учетом требуе­ мых температуры пламени и характера его воздействия на нагреваемый материал. Путем выбора горючего и окислителя можно проводить нагрев в восстановительной, нейтральной или окислительной среде при различных температурах. Например, ацетилено-кислородное пламя при нормальной регулировке состава, когда р=1,1-И,2, имеет восстановительный характер, при р<1 способно науглероживать, а при р>1,3 является окислительным. Горение пламени сопровождается образованием актив­

7

ных частиц, обладающих энергией активации, т. е. спо­ собных при столкновении с другими частицами увеличи­ вать их энергию, заставлять взаимодействовать друг с другом. Такими центрами активации могут быть атомы и молекулы химически активных элементов и их соеди­ нения.

Излучение пламени в виде света, видимого челове­ ческим глазом, обусловлено главным образом наличием молекул углерода. Поэтому наибольшей светимостью обладают пламена, образующиеся при сгорании горючих с большим содержанием углерода, а также при недоста­ точном его окислении. По мере увеличения содержания кислорода в смеси пламя приобретает фиолетовый от­ тенок, и интенсивность его видимого излучения понижа­ ется. Одновременно в нем увеличивается содержание углекислого газа и паров воды, которые обусловливают возрастание теплового или инфракрасного излучения.

Из применяемых в технике пламен наибольшей све­ тимостью обладает ацетилено-кислородное, а наимень­ шей — водородно-кислородное.

Электрические свойства пламени обусловлены воз­ никновением в нем положительно заряженных частиц (во внешних слоях) и электронов во внутренней обла­ сти. Этим объясняются электропроводность и возмож­ ность взаимодействия пламен с магнитными и электри­ ческими полями.

Звуковая энергия в обычных горелках возникает при горении пламени вследствие термического разложе­ ния молекул горючего газа и при истечении продуктов сгорания со сверхзвуковой скоростью в горелках ракет­ ного типа.

Использование пламени для обработки материалов

Обзор применения местного газопламенного нагрева целесообразно провести исходя из физико-химических свойств пламени. Как упоминалось выше, не все свойст­ ва пламени используются в равной степени, и для обра­ ботки материалов некоторые из них еще не нашли при­ менения. Совокупность применений пламени можно раз­ делить на две группы: обработка материалов и другие области (рис. 2).

Группу обработки материалов естественно разделить на две области применительно к металлам и неметалли-

8

ческим материалам. Дальнейшая классификация процес­ сов является условной, а >в данном случае отражает только основное назначение методов в каждой области. Следует отметить, что почти все приведенные методы при­ меняют для обработки металлов и неметаллических ма­ териалов и могут быть выполнены с помощью ручной огневой аппаратуры или механизированных установок и.

автоматов.

Если продолжить классификацию с внесением допол­ нительных признаков, то неизбежно появятся такие раз­ новидности процессов, которые имеют ограниченное при­ менение из-за малой экономической эффективности. Остановимся лишь на тех методах газопламенной обра­ ботки, которые мало освещены в литературе, но имеют

перспективу для развития.

Обработка металлов. Новые возможности для обра­ ботки металлов связаны с использованием ацетилено­

9