Structura și compoziția flăcării de sudură
Pentru tratamentul cu flacără de metale ca gaze combustibile sunt utilizate în principal diferite hidrocarburi și numai în unele cazuri de hidrogen.
Structura flăcării în timpul arderii hidrocarburilor în oxigen sau în aer se caracterizează prin trei zone:
Forma, forma si dimensiunile relative ale acestor zone sunt dependente de raportul de oxigen (VR) și gazul combustibil (Vg) în amestec, adică. E. Reglarea flăcării, caracterizat printr-un coeficient B = Vc / Vr.
Procesul de ardere are loc în mai multe etape.
Prima etapă - Prepararea combustibilului pentru arderea - se caracterizează prin dezintegrarea hidrocarburii în forma finală de carbon și hidrogen. De exemplu, reacția de descompunere a acetilenei este după cum urmează:
Reacția este accelerată în cazul prezenței oxigenului într-un amestec cu o hidrocarbură. Reacțiile de descompunere apar în interiorul nucleului flăcării.
Cea de a doua treaptă de ardere se caracterizează prin formarea de CO și H2. carbon prinderea dezintegrare fiind în amestec oxidat prin reacția cu oxigen
Produsele acestei reacții, determina compoziția a doua zonă de flacără.
In arderea particulelor de carbon elementare străluciri, luminiscență lor și arată că limita nucleului flăcării. Dacă oxigenul din amestecul combustibil este suficient pentru granița nucleului de carbon liber nu mai este.
Cu cantitate insuficientă a amestecului combustibil alimentat prin arzător (primar) oxigen (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.
Atunci când un exces de oxigen (B> 1), pentru a doua zonă de ardere cu flacără începe a treia etapă, care constă în aceea că au format CO și H2 sunt parțial oxidat la CO2 și H2O
Cea de a doua zonă este situată chiar în spatele miezului și pană are o culoare gri. Atunci când un exces de oxigen, această zonă este redusă în mărime, și cu un deficit de oxigen (exces de acetilenă) este vizibil în jurul regiunii de bază de culoare albă, în care arde carbonul datorită reacției cu oxigenul atmosferic.
Când B = 1, procesele de oxidare a CO și H2 în a treia zonă se efectuează în detrimentul oxigenului, conform reacțiilor de aer:
2CO + 02 -> 2S02 + 136,4 kcal / g-mol;
Produsele de ardere cu aerul intrat în flacără pentru a forma un nuanțe portocaliu-violet cu B = 1, galben-portocaliu nuanțe cu B <1 и фиолетовых при B> 1.
Diagrama structurii și schimbarea compoziției flacăra oxiacetilenică la B = 1 este prezentată în Fig. 29, și apariția flăcării la diferite valori ale lui B - Fig. 30. Cu toate acestea, compoziția flăcării, în plus, pot influența apar la temperaturi ridicate, disocierea moleculelor de gaz (fig. 31). De exemplu, imediat după miezul unde există cea mai mare temperatură, o descompunere parțială a hidrogenului molecular prin reacția:
H2 -> 2H - 103,8 kcal / g-mol.
Prin urmare, în a doua zonă de flacără este, în general, altele decât CO și H2 are oxigen și hidrogen atomic. O compoziție exemplară a acestei zone de ardere în momentul când p = 1 este: 60% CO, 20% H2. 20% H, și o cantitate mică (
10 -3 -10 -5%) de oxigen liber. Selecția experimentală de gaz, în plus, arată prezența unor asemenea (circa 8%) cantități de azot din aer.
În flacăra cu exces de oxigen (B> 1,3), în a doua zonă cu excepția CO, H2 și H sunt cantități semnificative de H2 0 și C02, și o cantitate mai mare de oxigen liber. Această zonă de flacără fierbinte (are o temperatură mai mare decât atunci când B = 1-1,1) datorită efectului de ardere termică suplimentară de CO și H2 în H2 0 C02 și are o capacitate mai mare de oxidare în raport cu metalul încălzit și topit.
Când deficit de oxigen (B <1) во второй зоне пламени не только появляется свободный углерод, но и уменьшается тепловой эффект горения. Так, например, при р = 0,8
Reglarea flăcării oxiacetilenică se realizează în aparență.
înlocuitorii de flacără acetilena (diverse hidrocarburi, cel mai adesea propan-butan) fundamental similară acetilenă-oxigen și are trei zone. Raporturile de oxigen la cantitățile de gaz combustibil, care dau ajustări normale a flăcării depind de compoziția gazelor combustibile. Astfel, atunci când un propan-butan amestecuri valoarea B aproximativ egală cu 3.5.
De obicei, înlocuitorii de gaz de reglare a flăcării, efectuate în aparență, este mult mai complicat decât oxiacetilenica, ca zona de aprindere mai puțin clară. Cel mai dificil de a face ajustări în aparență cu flacără de hidrogen-oxigen, care nu are nici un miez. În aceste cazuri, ajustarea ar trebui să fie efectuată cu utilizarea debitmetrele zonei variabile.
interacțiunea chimică a flăcării la metal
Interacțiunea cu flacăra metalică determinat proprietățile metalului, temperatura, presiunea și compoziția flăcării în fază gazoasă. Compoziția fazei gazoase este stabilită în timpul sudării prin flacără. Cadrul de reglementare teoretic dezvoltat pentru prima oară A. N. Shashkovym.
Una dintre cele mai frecvente procese care au loc în timpul expunerii la flacără la metal, este oxidarea. reacția de oxidare tipică atunci când sudura este
2me + O2 = 2MeO + Q
direcția de reacție, t. e. oxidarea (stânga la dreapta) sau oxid de reconstituire (dreapta), dependent de concentrație (presiunea parțială) a oxigenului în faza gazoasă, în contact cu metalul, temperatura de reacție și proprietățile oxidului (afinitate de metal față de oxigen determină rezistența oxidului, stabilitatea contra disociere descompunere). În anumite condiții, astfel de reacții reversibile ajunge la echilibru, adică. E. Viteza de reacție de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga sunt egale. Pentru reacțiile specifice (de exemplu, oxidarea - disociere anumiți oxizi metalici), determinată prin atingerea temperaturii de echilibru și compoziția fazei gazoase. De exemplu, balanța cu diferite amestecuri de gaze și de oxizi de fier este prezentat în Fig. 32. Din fig. 32, și rezultă că o presiune totală de 1 kgf / cm2 oxidării fierului la temperaturi ale piscinei de sudură (zona hașurată), atunci când interacționează cu un amestec de hidrogen și vapori de apă nu va avea loc numai în cazul conținutului de hidrogen în amestec este mai mare de 45% (vol. E . vapori de apă mai mică de 55%). O astfel de flacără de hidrogen-oxigen poate fi obținut cu B = Vc / V = 1/4 în reacție:
Flacăra prin combustia hidrocarburilor are mai multe componente, și, prin urmare, presiunea parțială necesară luarea în considerare nu numai H2 și H2O, dar, de asemenea, CO și CO2. După cum sa arătat mai sus, într-o flacără acetilenă-oxigen cu B <1 имеется свободный углерод, в связи с чем может происходить науглероживание металла.
Când B> 1, în a doua zonă de flacără apare CO2 și H2O, numărul admisibil de care (atunci când nu este format în timpul sudării de fier FeO), pentru a determina valoarea maximă B.
Deci, dacă vom neglija influența presiunilor parțiale folosind Fig. 32, este posibil să se calculeze B, în cazul în care flacăra va fi în echilibru cu FeO:
Având în vedere efectul presiunilor parțiale ale oxigenului și a aerului care intră în flacără, valoarea maximă a B nu va fi 1.435 și aproximativ 1,3. Astfel, în ceea ce privește flacără de fier de la B <1 является науглероживающим, а при р> 1.3 - oxidant. Flame cu valori V 1 - 1,3 la fier topit este reducerea parțială a flăcării și se numește o ajustare normală.
Flacăra> 1.3 poate fi utilizat numai pentru încălzirea fierului solid sau oțeluri cu cantități mici de alte elemente (de exemplu, călire de suprafață).
Poate să oxideze rapid atunci când FeO reacția de formare are loc elemente având o afinitate mai mare pentru oxigen decât fierul (e. Al, Si, Mn, Cr, și așa mai departe.). Ele sunt ușor de oxidat nu numai în formă pură, ci fiind sub formă de impurități sau elemente din aliaje de fier, iar cel mai mare dintre aliajul aliere, deci nu va fi oxidarea mai intensă. De aceea, când sudarea aliaj, în special oțeluri mediu și înalt aliate, în unele cazuri, să fie aplicat cu alte ajustări flacără valori B decât la sudarea oțelurilor nealiate. Oxidarea unor elemente, de exemplu, Al, Ti, Si, etc. In general, nu este posibil de a elimina sub o ajustare a flăcării. De aceea, de exemplu, aluminiu, magneziu și aliajele lor trebuie să fie sudate sudarea cu gaz cu protecție suplimentară oxizi pool de sudură prin aplicarea fluxuri.
Unele elemente (Ni, Cu și așa mai departe.) Mai puțin oxidate decât fierul și mai puțin oxidate în timp ce în oțeluri dopants.
Cu toate acestea, atunci când se sudează un metal condiții de echilibru și faza gazoasă nu sunt obținute, și ca rezultat al interacțiunii cu flacăra poate fi formată din oxizi metalici, care nu sunt formate în condiții de echilibru.
Din cauza solubilității în elemente topite oxizii lor (de exemplu, NiO în nichel) format într-un oxid perioadă se dizolvă în baie nu reacționează cu gazele reducătoare, conducând în final la oxidarea piscinei de sudură. Amploarea acestei oxidari este mai mic, mai mic B. Cu toate acestea, odată cu scăderea B, așa cum sa arătat mai sus, flacăra apare cantitate mai mare de hidrogen liber, care ar putea afecta negativ sudarea anumitor metale.
Prin urmare, atunci când sudarea cu gaz a diferite metale și aliaje sunt selectate astfel încât raportul dintre oxigen și gaz combustibil, ceea ce permite să se obțină cea mai favorabilă interacțiune caracter flacără cu metalul de bază.
Temperatura de flacără acetilena-oxigen și flacăra încălzirea metalului
Temperatura este una dintre cele mai importante caracteristici ale flăcării. Temperatura flăcării mai mare, cu atât mai eficiente procesele de încălzire și topire a metalului.
Studiile experimentale NN Klebanova prin definiție a temperaturii flăcării oxiacetilenică reglare capacitate normală de 500 l / oră a dat următoarele valori:
In mod similar, dar cu un diferențial diferit de caractere (gradient), schimbările de temperatură și flacăra în secțiunea transversală, în scădere cu axa flăcării la periferie.
Încălzirea metalului este cauzată de flacără radiantă (5-10%) și, în principal, prin schimb de căldură convectiv între fluxul de gaze și arderea lor în contact cu suprafața metalică.
Cantitatea totală de căldură q (în kcal / cm2 sec) flacără administrată în unitatea de timp prin unitatea de suprafață a suprafeței încălzite a unui metal este egal cu
și în care - coeficientul de transfer termic egal cu suma coeficienților convective (ak) și radiativ de căldură (al) în kcal / cm2 · sec · ° C;
Temperatura de curgere a gazului în ° C - Tr;
Tm - temperatura suprafeței metalului în ° C
Calculele teoretice ale distribuției căldurii atunci când încălzirea flacăra gazului de metal dezvoltat Acad. Academia de Științe a URSS N. N. Rykalinym și studii experimentale efectuate M. X. Shorshorovym și AK Nienburg.
În contact cu suprafața metalică a fluxurilor flux de gaz de flacără, formând astfel o direcție perpendiculară de curgere relativ simetric față de punctul de încălzire centrală (fig. 34 a).
Modelul de distribuție a fluxului termic specific al locului de încălzire este prevăzut schematic partea inferioară fig. 34a și poate fi exprimată aproximativ prin formula matematică:
unde qr - fluxul de căldură în orice moment un spot termic la o distanță r de centrul în cal / cm2 • sec;
Qmax - căldura specifică maximă a flăcării axa fluxului în cal / cm 2 sec;
e - baza logaritmilor naturali;
R - coeficientul de concentrație 1 / cm2.
În cazul în care axa flăcării de perpendiculara pe suprafața obiectului, la un unghi de 90 ° - la fața locului de încălzire p este tras în direcția axei și ingusteaza lateral (Figura 34, b.). Verde de încălzire cu flacără crește kernel, urmată de o - scădere.
Se încălzește distribuția fluxului pe arzătorul de încălzire la fața locului, cu diferite duze la direcția perpendiculară a flăcării prezentată în Fig. 35.
Atunci când se deplasează flacără în raport cu suprafața metalică în contact cu gazele fierbinți peste rece de metal și, prin urmare, crește aportul de căldură pe unitatea de timp. Puterea efectivă a flăcării cu creșterea debitului de gaz este, de asemenea, a crescut, dar într-o măsură mai mică decât consumul de combustibil. Datorită acestei eficiente. N. D. Ηu cu creșterea puterii scade cu flacără. Valoarea Ηu determinată prin formula:
în care QEF - cantitatea de căldură primită de metal, în cal / sec;
qn - capacitatea totală a căldurii a flăcării corespunzătoare LHV de combustibil (pentru acetilenă 12600 cal / litru).
unde Va - fluxul de acetilenă în l / h.
Rezultatele cercetărilor experimentale și arzătoarele QEF sudură ηu cu diferite sfaturi sunt prezentate în Fig. 36.
Puterea efectivă a flăcării în cele mai afectate de consumul de combustibil. Cu toate acestea, un joc de rol, și alt mod parametrii de încălzire: unghiul de înclinare a flăcării pe suprafața metalică, viteza de deplasare a flăcării, viteza gazului de eșapament, coeficientul B, grosimea metalului, căldura și alte proprietăți fizice.
Datorită unei concentrații mai mici de căldură atunci când sunt expuse la flacără metalic în comparație cu natura arc a distribuției temperaturii în metalul în timpul flacăra de încălzire este mult mai lin, cu mai puțin de gradient, iar proporția relativă de căldură utilizate pentru sudarea penetrarea metalului scade.
Factorul de penetrare completă poate fi determinată din formula
unde υ - viteza medie a arzătorului în cm / sec;
FNP - aria secțiunii transversale a metalului sudat în cm 2;
y - procent din greutatea metalului în g / cm3;
Va - fluxul de acetilenă în l / h.
Schimbarea pentru a finaliza. N. D., în funcție de grosimea metalului folosind diferite gaze cu arzător și gaz combustibil în sudarea manuală prezentată în Fig. 37.
După cum rezultă din desen, pentru a finaliza. N. D. La gazul de sudare este mic, iar căldura rămasă de combustibil folosit este de pierderi mari. De exemplu, când sudarea oxiacetilenică a oțelului cu o grosime de 3 mm pierdere de căldură pentru încălzirea zonei de metal în jurul sudurii dispensabil (cusătură baie) sunt de aproximativ 45%. Prin creșterea grosimii metalului sudat sau o componentă conducta de căldură în zona de încălzire a fluxului este crește de consum.
Esențial pentru penetrarea metalului și controlul baltoaca de sudură are acțiune mecanică a flăcării atingând o valoare maximă a axei flăcării. La sudarea arzătoarele cu capacitate mare de gaze cu flacără presiune specifică ajunge la 0,1 kgf / cm2.
sudare cu gaz, din cauza capacității sale mai mici și eficiență termică în comparație cu arc electric este folosit în principal pentru sudare otel de grosime mica, fonta si unele metale neferoase. La grosimi mari, se utilizează sudarea cu gaz a oțelului numai în acele cazuri în care, pentru un motiv oarecare dificil de utilizat de sudură.
Principalele modalități de îmbunătățire a performanței de sudare cu gaz este o utilizare rațională a puterii termice a flăcării, în special, ajustarea de selecție și de putere, permițând să se obțină o calitate bună de sudare prin creșterea vitezei acestuia, precum și utilizarea în cazuri particulare de căldură a gazelor de eșapament.