Кислород для сварки и резки металлов
Обновлено: 24.04.2024
При газовой сварке и резке нагрев металла осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа или паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.
Кислород является самым распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле - до 50% по массе, в соединении с водородом в воде - около 86% по массе и в воздухе - до 21% по объему и 23% по массе.
Кислород при нормальных условиях (температура 20°С, давление 0,1 МПа) - это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0°С масса 1 м 3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении - 1,33 кг.
Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества теплоты, т. е. носят экзотермический характер.
При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами.
Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. Кислород способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.
Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при использовании его в процессах газопламенной обработки.
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем их объемном содержании: азота - 78,08%, кислорода - 20,95%, аргона-0,94%, остальное - углекислый газ, водород, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и азот методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при аргонодуговой сварке непрерывно возрастает. Азот применяют как защитный газ при сварке меди.
Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.
В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13°С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.
Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.
Технический кислород транспортируют также по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде - в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.
Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм 3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм 3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.
Для сварки и резки по ГОСТ 5583-78 технический кислород выпускается трех сортов:
- 1-й - чистотой не менее 99,7%
- 2-й - не менее 99,5%
- 3-й - не менее 99,2% по объему
Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода.
Кислород – рождающий кислоты
Кислород химический элемент, атомный номер 8, атомная масса 15,9994. Обычно концентрация кислорода (в виде молекул O2) в атмосфере на уровне моря составляет по объему 21%. Кислород немного тяжелее воздуха, вес 1 м 3 при 0° и 760 мм рт. ст. равен 1,43 кг. Плотность по отношению к воздуху 1,1. При температуре -182,97°C и давлении 760 мм рт. ст. кислород превращается в голубоватую легко подвижную жидкость, энергично испаряющуюся при нормальной температуре. При этом занимаемый газом объем уменьшается примерно в 850 раз. При нагревании жидкий кислород снова превращается в газ. Вес 1 л жидкого кислорода при температуре -183°C равен 1,14 кг. Жидкий кислород при атмосферном давлении затвердевает при температуре -218,4°C и образует кристаллы голубоватого цвета. Химическая формула – O. В обычных условиях молекула кислорода двухатомная - O2.
Содержание
Кислород при нормальных условиях (температуре и давлении) представляет собой прозрачный газ без запаха, вкуса и цвета. Не относится к горючим газам, но способен активно поддерживать горение.
По химической активности среди неметаллов он занимает второе место после фтора.
Все элементы, кроме благородных металлов (платина, золото, серебро, родий, палладий и др.) и инертных газов (гелий, аргон, ксенон, криптон и неон), вступают в реакцию окисления и образовывают оксиды. Процесс окисления элементов, как правило, носит экзотермический (с выделением теплоты) характер. Также необходимо учитывать тот факт, что при повышении температуры, давления или использовании катализаторов – скорость реакции окисления резко возрастает.
История открытия кислорода
Открытие кислорода приписывают Джозефу Пристли (Joseph Priestley). У него была лаборатория, оборудованная приборами для собирания газов. Он испытывал его физиологическое действие на себе и на мышах. Пристли установил, что после вдыхания газа некоторое время ощущается приятная легкость. Мыши в герметически закрытой банке с воздухом задыхаются быстрей, чем в банке с O2. Поскольку Пристли был приверженцем флогистонной теории он так и не узнал, что оказалось у него в руках. Он только описал этот газ, даже не догадываясь, что он описал. А вот лавры открытия кислорода принадлежат Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier), который и дал ему имя.
Лавуазье, поставил свой знаменитый опыт, продолжавшийся 12 дней. Он нагревал ртуть в реторте. При кипении образовывалась ее красная окись. Когда реторту охладили, оказалось, что воздуха в ней убыло почти на 1/6 его объема, а остаток ртути весил меньше, чем перед нагревом. Но когда разложили окись ртути сильным прокаливанием, все вернулось: и недостача ртути, и «исчезнувший» кислород.
Впоследствии Лавуазье установил, что этот газ входит в состав азотной, серной, фосфорной кислот. Он ошибочно полагал, что O2 обязательно входит в состав кислот, и поэтому назвал его «оксигениум», что значит «рождающий кислоты». Теперь хорошо известны кислоты, лишенные «оксигениума» (например: соляная, сероводородная, синильная и др.).
Способы получения кислорода
В основном кислород получают тремя способами:
- разделение воздуха путем низкотемпературной ректификации (глубокого охлаждения);
- разложение воды путем электролиза (пропускание электрического тока);
- химический способ.
Из атмосферного воздуха его получают методом глубокого охлаждения, как побочный продукт при получении азота.
Также O2 добывают путем пропускания электрического тока через воду (электролиз воды) с попутным получением водорода.
Химические способ получения малопроизводителен, а, следовательно, и неэкономичен, он не нашел широкого применения и используются в лабораторной практике.
Наверно многие помнят химический опыт, когда в колбе нагревают марганцовку (перманганат калия KMnO4), а потом выделяющийся в процессе нагрева газ собирают в другую колбу?
А весь фокус был, когда в данную колбу помещали тлеющую лучинку и она вспыхивала ярким пламенем и учитель объяснял, что выделившийся газ - O2, который поддерживает горение. И что процесс горения - это не что иное, как процесс окисления.
Применение кислорода
Помимо того, что все живые существам в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород, он широко применяется во многих отраслях промышленности: металлургической, химической, машиностроении, авиации, ракетостроении и даже в медицине.
В химической промышленности его применяет:
- при получении ацетилена из природного газа (метана);
- при производстве кислот (азотной, серной);
- для газификации твердого топлива;
- для производства аммиака, формальдегида и метанола.
В металлургии его используют:
- при получении цветных металлов из руд;
- при выплавке чугуна в доменных печах;
- при выплавке стали в мартеновских и электрических печах;
- кислородно-конверторной выплавке стали.
В медицинских целях больным, у которых нарушена нормальная деятельность органов дыхания или кровообращения, искусственно увеличивают содержание O2 в воздухе или дают дышать непродолжительное время чистым O2. Медицинский кислород, выпускаемый ГОСТ 5583, особенно тщательно очищают от всех примесей.
Применение кислорода в сварке
Сам по себе O2 является негорючим газом, но из-за свойства активно поддерживать горение и увеличения интенсивности (интенсификации) горения газов и жидкого топлива его используют в ракетных энергетических установках и во всех процессах газопламенной обработки. В таких процессах газопламенной обработки, как газовая сварка, поверхностная закалка высокая температура пламени достигается путем сжигания горючих газов в O2, а при газовой резке благодаря ему происходит окисление и сгорание разрезаемого металла.
При полуавтоматической сварке (MIG/MAG) кислород O2 используют как компонент защитных газовых смесей с аргоном (Ar) или углекислым газом (CO2).
Кислород добавляют в аргон при полуавтоматической сварке легированных сталей для обеспечения устойчивости горения дуги и струйного переноса расплавленного металла в сварочную ванну. Дело в том, что как поверхностно активный элемент он уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель.
При сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей полуавтоматом O2 добавляют в углекислый газ для обеспечения глубокого проплавления и хорошего формирования сварного шва, а также для уменьшения разбрызгивания.
Чаще всего кислород используют в газообразном виде, а в виде жидкости используют только при его хранении и транспортировке от завода-изготовителя до потребителей.
Вредность и опасность кислорода
За внешней безобидностью скрывается очень опасный газ, но об этом на нашем сайте опубликована статья про маслоопасность и взрывоопасность кислорода и мы не будем здесь дублировать информацию.
Хранение и транспортировка кислорода
Кислород газообразный технический и медицинский выпускают по ГОСТ 5583.
Хранят и транспортируют его в стальных баллонах ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашены в синий цвет с надписью черными буквами «КИСЛОРОД».
Жидкий кислород выпускается по ГОСТ 6331. O2 находится в жидком состоянии только при получении, хранении и транспортировке. Для газовой сварки или газовой резки его необходимо снова превратить в газообразное состояние.
Характеристики кислорода
Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:
Коэффициент перевода объема и массы O2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м 3 | Жидкость, л | |
| 1,337 | 1 | 1,172 |
| 1,141 | 0,853 | 1 |
| 1 | 0,748 | 0,876 |
Коэффициенты перевода объема и массы O2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м 3 | Жидкость, л | |
| 1,429 | 1 | 1,252 |
| 1,141 | 0,799 | 1 |
| 1 | 0,700 | 0,876 |
Кислород в баллоне
| Наименование | Объем баллона, л | Масса газа в баллоне, кг | Объем газа (м 3 ) при Т=15°С, Р=0,1 МПа |
|---|---|---|---|
| O2 | 40 | 8,42 | 6,3 |
Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:
- Сколько кислорода в баллоне в м 3 ?
Ответ: в 40 литровом баллоне 6,3 м 3 - Сколько в баллоне кислорода?
Ответ: в 40 литровом баллоне 6,3 м 3 или 8,42 кг - Сколько весит баллон кислорода?
Ответ:
58,5 кг - масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
8,42 - кг масса кислорода в баллоне;
Итого: 58,5 + 8,42 = 69,92 кг вес баллона с кислородом.
Для того, чтобы приблизительно узнать сколько кислорода в баллоне, нужно вместимость баллона (м 3 ) умножить на давление (МПа). Например, если вместимость баллона 40 литров (0,04 м 3 ), а давление газа 15 МПа, то объем кислорода в баллоне равен 0,04×15=6 м 3 .
Кислород технический газообразный
В газовой сварке кислород является незаменимым дополнительным материалом, который обеспечивает высокую температуру горения пламени, чтобы можно было расплавить металл нужной толщины. Он применяется как основная температурная сила, в то время как другие газы имеют защитную функцию. Кислород технически не имеет цвета и запаха. Он не горючий сам по себе, но при взаимодействии с другими веществами существенно повышает температуру горения. Он не взрывоопасен, как многие другие из этой области. Это доступное и относительно недорогое вещество. Существует несколько технических разновидностей, которые отличаются содержанием примесей, их объемом и количеством. Главным показателем качества является объем чистого газа.
Технический кислород в баллонах
Даже с примесями газ сохраняет высокую химическую активность. Он образует массу химических соединений, которые встречаются на Земле. Инертные газы не взаимодействуют с ним для образования соединений. Золото, серебро, платина и прочие благородные металлы также бесследно переносят его воздействия. Хранится кислород чаще всего в жидком виде, так как это более компактно, удобно и экономно. Зачастую перевод его в газообразное состояние начинается уже на месте использования.
Область применения при сваркеКислород технический газообразный находит очень широкое применение при сварке в среде защитных газов. Вне зависимости от того, какой основной защитный газ, вторым веществом, которое подается в горелку, практически всегда является кислород. Его можно встретить в строительстве, где создаются металлоконструкции и каркасы для будущих зданий. Также он является обязательным в каждой сварочной мастерской. Используется газ при ремонте труб, тонких металлических изделий, в ремонтных мастерских, на производстве в сборочных цехах и так далее.
Наиболее активно кислород применяется при резке металла. Здесь вещество подается в горелку под большим давлением, что дает длинную и мощную струю. Это позволяет прорезать металлические изделия на большую толщину. Края при таком выжигании получаются довольно ровными.
Виды технического кислородаКислород технический газообразный производится по ГОСТ 5583-65. Согласно данному стандарту выделяют два основных сорта, которые применяются в промышленности. Естественно, что есть и другие, более загрязненные варианты, которые могут использоваться в частной сфере, но к стандартам серьезных производственных работ, где на соединения возлагается высокая ответственность, они не имеют отношения. Выделяют первый и второй сорт газа с различными техническими характеристиками.
Характеристики марок газообразного кислородаНесмотря на то, что оба сорта применяются практически в одной и той же сфере и во многих случаях являются взаимозаменяемыми, иногда для сварки требуется исключительно первый сорт. Отличия в характеристиках у них также не принципиально значительные, как и отличия в составе. Здесь приведены основные данные по каждому из вариантов:
Кислород в баллонах
Использование кислорода в сфере газовой сварки происходит практически повсеместно. Кислород в баллонах используется вместе с другими горючими газами, чтобы повысить температуру горения, тогда как они обеспечивают защиту от влияния на сварочную ванну негативных факторов. Это негорючий газ, масса которого выше, чем у воздуха. Кислород не обладает запахом, но очень хорошо поддерживает горение, благодаря чему и получил столь широкое распространение.
Кислород в баллонах для сварки
Использование его совместно с инертными газами обусловлено тем, что, несмотря на высокую химическую активность, с ними он не способен образовывать оксиды. Стойкими к его окислению проявляют еще благородные металлы, но они не применяются в данной сфере.
Область примененияКислород в баллонах для сварки находит применение во многих областях промышленности. Практически все места, где используется полуавтомат или газовая сварка, требуют применение кислорода. С его помощью осуществляется газопламенная обработка металла, как до начала сварки, так и после нее.
Если рассматривать применение газа для резки, то он становится неотъемлемым, так как именно он дает высокую температуру струи, которая прожигает металлические изделия. минимально допустимая чистота кислорода для использования кислорода в сфере сварки составляет 99,2%. Лучше, если этот показатель будет выше, если речь идет об ответственных работах. В домашнем применении встречаются бюджетные варианты и 92% кислорода.
Преимущества использованияКислород в баллонах применяется почти постоянно во время сваривания металлов газами. Такая востребованность объясняется следующим рядом преимуществ:
- Использование кислорода хоть и является достаточно опасным из-за риска возникновения пожара или взрыва, но он более безопасный, чем другие газы подобного рода;
- Вещество доступно и обладает относительно невысокой стоимостью, что снижает себестоимость получаемых швов;
- Хранение и транспортировка не вызывают особых проблем, хоть и требуют соблюдения правил безопасности;
- Кислород нормально переносит взаимодействие с инертными газами и не ухудшает качество сварки;
- Его свойства отлично подходят для резки.
Баллоны для хранения и транспортировки данного газа производятся из углеродистой или высоколегированной стали. Толщина стенок у них составляет около 8 мм. Изделие обладает цилиндрической формы и закруглено с одной стороны. На горловине располагается кольцо, на которое устанавливается защитный колпак. Колпак служит для защиты редуктора от повреждения. С нижней стороны баллона располагается башмак для установки его в вертикальное положение.
На вентиль ставится специальный уплотнитель. Все используемые изделия должны пройти специальную проверку на техническую пригодность, которая проводится раз в несколько лет.
Конструкция и маркировка баллонов с кислородом
Заправка баллонов с кислородом разрешается только в проверенные емкости. Если на изделии заметны следы ржавчины и имеются вмятины, но корпус сохранен в целости, то их можно использовать, но при пониженном давлении.
Основные различия изделий состоят в объеме, так как выпускаются баллоны от 1 до 40 литров.
Виды баллонов с кислородом
Здесь приведены некоторые важные параметры распространенных видов:
Наиболее часто кислород в баллонах встречается в емкостях на 40 литров:
Расчет объема кислорода в баллонахКогда происходит заправка баллонов кислородом и прочие процедуры, которые требуют определить количество материала, требуется использовать формулы расчета. Чтобы узнать объем вещества, который находится в объеме, следует использовать такую формулу: V = K1•Vб.
В данном случае параметр К1 является коэффициентом определения объема газа в емкости. Для кислорода он составляет 0,968*Р + 1.
Vб – это вместительность конкретно взятого баллона, измеряемая в дм кубических.
Р – давление газа в баллоне. Оно измеряется манометром в единицах «кг*с/см 2 ».
Инструкция по использованию баллонов при сваркеКислород в баллонах не горюч и не токсичен, у него нет повышенной предрасположенности к взрывам, но из-за окислительных свойств для работы с ним нужно применять только разрешенные материалы. Во время работы нельзя использовать перчатки, на которых есть следы масла. Это может привести к воспламенению перчаток и прочей рабочей одежды.
Все легковоспламеняющиеся и горючие вещества должны находится на расстоянии, как минимум, 5-10 метров от баллона и источника пламени. Баллоны должны быть обезжиренными, чтобы технический кислород не воспламенил их. При работе нужно закреплять баллон, чтобы он не падал, так как это может привести к взрыву или пожару.
Хранение и транспортировка баллонов«Важно!
По технике безопасности баллон лучше всего располагать в вертикальном положении.»
Хранение баллонов с кислородом обусловлено ГОСТ 26460. Это означает, что давление газа при нормальных условия в то время, когда он не используются, должно составлять 14,7 МПа. Отклонения допускаются в размере 0,5 МПа. Транспортировка и хранение производится чаще всего в жидком виде, а газификация вещества делается уже на месте использования. Технический газ можно транспортировать по трубопроводу и давление в данном случае определяется параметрами самого трубопровода.
Превращение жидкого кислорода в газообразный производится при помощи специальных газификаторов или насосов. Это очень продуктивно, так как увеличение объема составляет, примерно, в 960 раз.
«Важно!
Согласно правилам, в возвратных баллонах давление кислорода должно составлять, как минимум, 0,05 МПа.
Заключение
Использование данного газа помогает достичь требуемых параметров сварки. Для каждого режима нужны свои параметры соотношения данного газа к защитному. Несмотря на то, что кислород в чистом виде является вредным для сварочной ванны, при использовании инертных газов он не создает большого вреда, как тот, который находится в атмосфере. Физические и химические свойства кислорода уникальны, что и делает его одним из самых часто используемых газов при сварке. Главное в данном деле не забывать о правилах безопасности.
Читайте также: