Как получают аргон для сварки
Обновлено: 13.05.2024
В зависимости от области применения к чистоте аргона предъявляют различные требования. Нормативная документация разделяет газообразный аргон на следующие сорта и марки:
Устаревший ГОСТ 10157-62 разделял аргон на три марки: А, Б и В.
| Наименование показателя | Марка | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| А | Б | В | ||||||
| Объемная доля аргона, %, не менее | 99,99 | 99,96 | 99,90 | |||||
| Объемная доля кислорода, %, не более | 0,003 | 0,005 | 0, 005 | |||||
| Объемная доля азота, %, не более | 0,01 | 0,04 | 0,10 | |||||
| Содержание паров воды про 760 мм. рт. ст. г/м 3 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | |||||
Сферы применения марок аргона при сварке и резке:
- марка «А» — редкие и активные металлы (Ti, Zr, Nb) и их сплавы.
- марка «Б» — сплавы на основе алюминия и магния; сплавы, чувствительные к примесям растворенных в них газов. Обработку проводят плавящимися или неплавящимися вольфрамовыми электродами.
- марка «В» — чистый алюминий, жаропрочные, хромо-никелевые, коррозионностойкие сплавы, легированные стали.
Обновленный ГОСТ 10157-79 с изменениями 1,2,3 повышает требования к чистоте и разделяет аргон на два сорта — высший и первый.
| Высший сорт | Первый сорт | |
|---|---|---|
| Объемная доля аргона, %, не менее | 99,993 | 99,987 |
| Объемная доля кислорода, %, не более | 0,0007 | 0,002 |
| Объемная доля азота, %, не более | 0,005 | 0,01 |
| Объемная доля водяных паров, %, не более | 0,0009 | 0,001 |
| Температуре насыщения аргона водяными парами при давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), °С, не выше | - 61 | - 58 |
| Объемная доля суммы углеродсодержащих соединений в пересчете на СО2, %, не более | 0,0005 | 0,001 |
Повышение требований к чистоте аргона
В связи с повышением требований современных стандартов к качеству промышленной продукции и точности измерительных приборов, повысились и требования к чистоте применяемых газов. Для точного спектрального анализа особенно важно чтобы аргон, используемый в работе спектрометра, соответствовал требуемой чистоте. Например, подаваемый в эмиссионный спектрометр аргон должен быть марки ВЧ с содержанием аргона 99, 998 % или более. Ухудшение качества аргона ведет к изменению параметров плазмы искрового разряда и, как следствию, искажению результатов анализа. По этой причине многие производители рекомендуют подключать спектрометр к баллону через фильтры очищающие аргон до нужной степени.
Для удовлетворения современных требований к качеству, производителями аргона были усовершенствованы технологии получения и очистки, разработаны новые нормативы на газообразный и сжиженный аргон. На данный момент можно приобрести аргон ВЧ , соответствующий следующим стандартам:
* Объёмная доля суммы углеродсодержащих соединений в пересчете на СО2
Обозначения вида «марка X.Y» используются также зарубежными производителями и потребителями аргона. Оно напрямую связано с чистотой газа: первая цифра «X» это количество «девяток» в объёмной доле аргона в газовой смеси, а вторая цифра «Y» — это последняя значащая цифра. Например, аргон ВЧ высшего сорта по ГОСТ 10157-79 можно назвать «аргон марки 4.3», это просто значит, что объёмная доля аргона аргона там не менее 99,993%.
Аргон – самый ленивый газ
Аргон химический элемент периодической системы Д. И. Менделеева, инертный газ, атомный номер 18, атомная масса 39,948. Объемная концентрация аргона в воздухе 0,9325% об. или 1,2862% вес. Аргон тяжелее воздуха, плотность 1,78 кг/м 3 при нулевой температуре и нормальном давлении. Температура кипения -185,85°C. Обладает низким потенциалом ионизации 15,7 В. С большинством элементов аргон не образует химических соединений, кроме некоторых гидридов. В металлах аргон, как в жидком, так и в твердом состоянии нерастворим. При обычных условиях - бесцветный, негорючий, неядовитый газ, без запаха и вкуса. Химическая формула - Ar.
Содержание
На данный момент известны изотопы аргона с массовыми числами от 29 до 54, но в в земной атмосфере он представлен тремя стабильными изотопами:
- 40 Ar (изотопная распространённость 99,600 %)
- 36 Ar (изотопная распространённость 0,337 %)
- 38 Ar (изотопная распространённость 0,063 %)
История открытия aргона
Аргон был открыт Джоном Уильямом Стреттом (John Strutt) и Сэром Уильямом Рамзаем (Sir William Ramsay) при исследовании азота, полученного из воздуха химическим путем. Несовпадение плотности этого газа при различных способах получения натолкнуло этих ученых на идею о присутствии в воздухе какого-то тяжелого инертного газа, который и был выделен ими в 1894 г. и назван argon, что с греческого переводится как «ленивый», «медлительный», «неактивный».
Способы получения аргона
Аргон получают как побочный продукт, при производстве кислорода и азота из воздуха методом низкотемпературной ректификации (см. получение аргона)
Применение аргона
Наиболее часто аргон применяют:
- как защитный газ при сварке;
- как плёнкообразующий газ при плазменной сварке и резке;
- для вытеснения кислорода и влаги из упаковки при хранении пищевых продуктов, что увеличивает срок их хранения (пищевая добавка Е938);
- как газ для тушения огня в некоторых системах пожаротушения.
Применение аргона в сварке
Аргон применяют в качестве защитной среды при сварке активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и сплавов на их основе, алюминиевых и магниевых сплавов, а также хромоникелевых коррозионностойких жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок.
Для сварки черных металлов аргон обычно используются в смеси с другими газами - кислородом, гелием, двуокисью углерода или водородом.
Аргон, являясь более тяжелым, чем воздух, своей струей лучше защищает металл при сварке в нижнем положении. Растекаясь по поверхности свариваемого изделия, он защищает достаточно длительно довольно широкую и протяженную зону как расплавленного, так и нагретого при сварке металла.
Низкий ионизационный потенциал аргона помогает получить превосходный профиль сварочного шва и сохранять хорошую и устойчивую дугу от начала до конца. В тоже время, низкий потенциал ионизации является причиной и низкого напряжения на дуге, что снижает тепловую мощность дуги. Для более подробной информации рекомендуем статью о свойствах сварочной дуги в инертных газах - аргоне и гелии.
Применение аргона позволяет повысить температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом. При этом проплавление приобретает «кинжальную» форму, что дает возможность выполнять однопроходную сварку в щелевую разделку металла больших толщин. При сварке в среде аргона (как и иных инертных газов) минимизируется выгорание активных легирующих элементов, что позволяет использовать более дешевые сварочные проволоки.
При TIG сварке аргон служит защитой не только для сварочной ванны от вредного воздействия воздуха, а также инертной защитой конца электрода.
Для дуговой сварки в целом аргон применяется гораздо чаще, чем гелий, однако при сварке листового алюминия толщиной менее 6 мм аргон рекомендуют смешивать с гелием, чтобы обеспечить нужную теплопроводность. В некоторых случаях аргонно-гелиевые смеси используют для зажигания дуги, после чего сварка происходит в присутствии гелия. Этот метод применяется для сварки толстолистового алюминия вольфрамовым электродом при постоянном токе.
Вредность и опасность аргона
Аргон не оказывает опасного воздействия на окружающую среду, но относится к асфиксантам (удушающий газ). Поскольку газообразный аргон тяжелее воздуха он может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что вызывает кислородную недостаточность и удушье. Поэтому можно сделать вывод, что в больших количествах аргон вреден для организма человека.
Жидкий аргон – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз человека.
Хранение и транспортировка аргона
Газообразный и жидкий аргон поставляется по ГОСТ 10157. Хранят и транспортируют газообразный аргон в баллонах по ГОСТ 949 под давлением 15МПа.
Стальные баллоны должны соответствовать ГОСТ 949. Баллон окрашивается в серый цвет с зеленой полосой и зеленой надписью «АРГОН ЧИСТЫЙ».
Возможна транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией.
Аргон имеет довольно значительное содержание в воздухе, поэтому его получают как побочный продукт, при добыче кислорода и азота из воздуха в специальных аппаратах методом низкотемпературной ректификации. О данном сопособе получения уже упоминалось в статье о характеристах и свойствах аргона, а здесь мы рассмотрим процесс более подробно.
Получение аргона путем двойной ректификации воздуха
Аргон по летучести занимает промежуточное положение между азотом и кислородом - основными компонентами воздуха. Этим и объясняется специфическое поведение аргона при ректификации жидкого воздуха. Окончательное разделение жидкого воздуха на азот и кислород производится в колонне низкого давления воздухоразделительного аппарата. Дистиллятом этой колонны является газообразный азот, а нижним продуктом - газообразный или жидкий кислород.
Схема аппарата двойной ректификации воздуха
- колонна высокого давления
- колонна низкого давления
- промежуточный койденсатор-испаритель
В верхней части колонны низкого давления аргон выступает в роли тяжелолетучего (по сравнению с азотом) компонента, а в нижней части - легколетучего (по сравнению с кислородом). Этим объясняется существование в колонне низкого давления зон повышенной концентрации аргона в обеих секциях колонны - концентрационной (выше ввода жидкости из куба колонны высокого давления) и отгонной (ниже ввода). На распределение аргона по тарелкам ректификационной колонны низкого давления сильно влияет сопутствующий ему третий компонент - кислород. Содержание аргона в зоне повышенной концентрации верхней секции колонны возрастает по мере уменьшения содержания кислорода в дистилляте при неизменном составе продукционного кислорода (этого можно достичь увеличением числа тарелок в колонне).
Процесс получения аргона
Схематично процесс добычи аргона описывается следующим образом. Вначале воздух очищается от пыли и сжимается до сжижения. Жидкий воздух подвергается ректификации с целью разделения его на составные части. Получающаяся аргоно-азотно-кислородная смесь (сырой аргон) затем очищается от кислорода и азота.
Разделение воздуха и попутное извлечение из него аргона в промышленном масштабе осуществляется путем сжижения и ректификации при низкой температуре.
Присоединение аргонной колонны к аппарату двойной ректификации воздуха
- воздухоразделительный аппарат
- аргонная колонка
- переохладитель
Способы очищения аргона
Сырой аргон от кислорода можно очищать несколькими способами. Один из них основан на каталитическом окислении водорода, содержащегося в сыром аргоне, при температуре 400-500° С. Вследствие тоге, что при этом способе продукты реакции смешиваются с очищенным аргоном, необходимо, чтобы они легко отделялись от него. Для этой цели применяется только электролитический водород, не содержащий примесей, загрязняющих аргон. Так как при этом способе очистки содержание кислорода не должно быть более 2-2,5%, в схеме предусмотрена циркуляция газа для разбавления сырого аргона очищенным газом, не содержащим кислорода. Циркуляция газа осуществляется с помощью газодувки.
Водяной пар, полученный в результате соединения водорода с кислородом в контактном аппарате, конденсируют в холодильнике и удаляют через влагоотделитель, после чего газ осушают. Полученная смесь аргона с азотом подвергается ректификации по схеме, которая аналогична применяемой при ректификации воздуха. При этом используется насос для жидкого аргона, что позволяет избежать загрязнения чистого газа при его сжатии и заполнении баллонов. При помощи компрессора смесь аргона и азота сжимается и через ресивер подается в блок адсорбционной осушки, где из нее удаляются остатки влаги. После этою через теплообменник смесь поступает в ректификационную колонку, где охлаждается до температуры сжижения выходящими из колонки продуктами разделения - азотом и аргоном.
Для обеспечения условий ректификации и восполнения потерь холода в ректификационную колонку подают жидкий азот и парообразную кислородно-азотную смесь из основного воздухоразделительного аппарата. Чистый Ar собирается в нижней части колонки, а «отбросный» азот отводится в атмосферу из верхней части колонки через теплообменник.
Существуют и другие способы его получения, например при производстве синтетического аммиака. Его получают при синтезе азотно-водородной смеси в колонках. В продувочном газе содержится 10-19% аргона, и именно из этого газа его и извлекают.
В любом случае качество газа зависит от совершенства систем очистки и от точности определения малых примесей азота, кислорода, водорода и паров воды в аргоне.
Аргон
Сварочные смеси бывают не только из аргона и углекислого газа
Сварочные смеси применяются в сварочном производстве относительно недавно и связано это в первую очередь с высокой стоимостью отдельных компонентов: аргона и гелия. До середины 90-х годов повсеместно в странах СНГ для сварки полуавтоматом углеродистых сталей применяли углекислый газ, поскольку он тяжелее воздуха и хорошо обеспечивает защиту сварочной ванны, а для сварки алюминия и нержавеющих сталей — аргон, так как он, являясь инертным газом препятствует окислению и выгоранию легирующих элементов. Но по ряду отрицательных характеристик, однокомпонентные газы заменяются двух-, трех- и даже четырехкомпонентными сварочными смесями, чтобы полностью использовать все положительные качества каждого отдельно взятого газа.
Аргонная сварка - много имен, но суть одна
Сварка аргоном осуществляется неплавящимся электродом в среде инертного газа – аргона (TIG, GTAW), от чего и происходит её название. Но для этого можно использовать также и плавящийся металл, т.е. полуавтоматическая сварка (MIG, GMAW). В качестве неплавящегося электрода обычно используют вольфрам.
Другие названия аргонной сварки – "сварка аргоном", "аргоновая сварка", "аргонодуговая сварка".
Свойства сварочной дуги в инертных газах – аргоне и гелии
В статье «Электрическая дуга» подробно рассказано, что такое сварочная дуга. В данной статье речь пойдет о свойствах сварочной дуги в среде инертного газа – аргоне или гелии.
Баллоны для сжатых газов
Для хранения и транспортировки сжатых, сжиженных и растворенных газов, находящихся под давлением, применяют стальные баллоны. Баллоны имеют различную вместимость - от 0,4 до 55 дм 3 .
Объем, размеры и устройство газового баллона
Газовый баллон - стальная емкость, предназначенная для хранения и транспортировки сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением.
Газовые баллоны изготовляют из бесшовных труб углеродистой и легированной стали. Для сжиженных газов допускается применение сварных корпусов при рабочем давлении менее 3 МПа.
Некоторые стандарты допускают изготовление корпуса из алюминия или композитных материалов, например ISO 11439. В качестве композитного материала применяют полимер, армированный углеродным волокном, который имеет очень высокие прочностные показатели. Газовые баллоны из композитных материалов сложнее в изготовлении, но у них есть главное преимущество - малый вес.
Подогреватель, расходомер, осушитель газа для сварки
Подогреватель, расходомер и осушитель применяют при полуавтоматической сварке или как её еще называют MIG и MAG. Расходомер необходим для учета и установке оптимального расхода газа или сварочной смеси.
Поскольку углекислый газ в баллоне находится в жидком состоянии, при отборе из баллона происходит процесс испарения и превращение в газ, который уже поступает в сварочную горелку полуавтомата. В результате перехода из жидкого состояния в газообразное резко уменьшается температура газа и происходит процесс замерзания влаги в каналах редуктора и их заполнение льдом. Во избежание данного негативного эффекта применяют подогреватели газа, которые устанавливают между вентилем баллона и редуктором или расходомером. Но и этого иногда недостаточно так как из углекислоты необходимо удалить лишнюю влагу и для этого применяют осушители газа.
История открытия Аргона
Впервые неизвестный до этого газ, при химических и физических экспериментах, обнаружил в 1785 году Генри Кавендиш — английский физик и химик. Но он не смог разгадать загадку и прекратил исследования. Позднее на записи Кавендиша обратил внимание Джеймс Максвелл.
И лишь спустя более ста лет, в 1894 году, химик Уильям Рамзай и физик Джон Уильям Стретт (Лорд Рэлей) сделали доклад об открытии нового элемента, который, за свою химическую неактивность, назвали аргоном. Это случилось в Оксфорде на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей, физиков и химиков. Название нового газа произошло от греческого слова ἀργός, что в переводе означает — неактивный, медленный.
Спустя еще 10 лет, эти ученые получили Нобелевские премии за исследования газов, открытие аргона и других инертных газов в атмосфере.
Получение Аргона
Аргон — наиболее распространенный в воздухе инертный газ. В 1 м 3 содержится примерно 0,09 см 3 ксенона, 1,1 см 3 криптона, 5,2 см 3 гелия, 18,2 см 3 неона, 9000 см 3 аргона.
В атмосфере Земли аргон занимает третье место. На первом – азот, на втором - кислород. В процентном отношении это примерно 0,93% по объёму или 1.3% по массе. По этой причине он является самым легкодоступным и недорогим инертным газом.
Получение и промышленное производство этого газа происходит как выделение сопутствующего газа при добыче азота и кислорода из атмосферного воздуха. Наиболее простой метод — это глубокое охлаждение и ректификация с последующей доочисткой от примесей.
Кроме того, аргон получают при производстве аммиака. Доочистку аргона осуществляют по технологии гидрирования с платиновым катализатором или адсорбционным методом с использованием молекулярных сит или активного угля.
Основными потребителями аргона являются:
Металлургия. Применение аргона в современных технологических процессах выплавки стали — продувка расплава в ковше. Эта операция выполняет несколько функций: охлаждение металла, ускорение плавления вводимых в ковш лигатур и раскислителей, гомогенизация металла по химическому составу и температуре, очищение от неметаллических включений, образующихся от раскисляющих и легирующих добавок, углеродное раскисление металла и его обезуглероживание, удаление водорода и азота, ускорение десульфурации (удаление серы из расплава), вдувание раскисляющих и легирующих порошкообразных добавок.
В металлургии высококачественных сплавов аргон используется для защиты расплава от контакта с воздухом во время выплавки и разливки. Высокотемпературная обработка титана и его сплавов требует защитной аргоновой атмосферы. Незаменим аргон и в технологиях обработки таких редких металлов как цирконий, вольфрам, тантал, ниобий, бериллий, гафний и др.
Металлообрабатывающая промышленность. Основное использование аргона — создание защитной завесы при электродуговой (АРДЭС), контактной и лазерной сварке, термообработке. Аргон — плазмообразующий газ в установках сварки и резки активных, редких металлов, сплавов на их основе, например, алюминиевых и магниевых, нержавеющих, хромоникелевых, жаропрочных сплавов и легированных сталей.
Радиоэлектронная промышленность. Здесь аргон незаменим для создания инертной среды в установках плазменного напыления, заполнение колб электрических и люминесцентных ламп, электровакуумных приборов, газосветной рекламы. Например, сине-голубое свечение получается при заполнении трубок аргоном с парами ртути.
Пищевая промышленность. Благодаря своей химической нейтральности, аргон широко используют как пропеллтен («выталкивающий» газ) в аэрозольных упаковках, антифламинг (вещество снижающее образование пены) и «упаковочный» газ в пищевой промышленности.
Спектральный анализ и метрология. В данной сфере аргон наиболее часто используется как газ-носитель, инертная среда и плазмообразующий газ в контрольно-измерительных приборах, а также при производстве поверочных газовых смесей (ПГС) для различных газоанализаторов.
В данной сфере применения чистота аргона имеет ключевое значение. Даже при минимальных отклонениях качества аргона от соответствующих ГОСТов и ТУ, регламентированных для использования в конкретных приборах, изменяются условия работы и анализа, что приводит к серьезным искажениям результатов измерений, нарушению работоспособности оборудования, снижению качества продукции, снижению ресурса фильтров и, как следствие, серьезным экономическим убыткам.
Для предотвращения вышеописанного, могут использоваться специализированные фильтры, а также установки доочистки аргона (инертных газов) лабораторного или промышленного назначения.
Так как наша компания занимается разработкой и производством спектрометров, применение аргона в этих приборах мы решили рассмотреть более подробно. Ниже в статье этому будет посвящена отдельная глава.
Прочие сферы применения. Огнетушительные установки, заполнение стеклопакетов и поддув сухих гидрокостюмов водолазов для лучшей теплоизоляции, в медицине — очистка разрезов при хирургическом вмешательстве, в химической промышленности — инертная среда для нестабильных на воздухе соединений, а так же в прочих областях промышленности.
Читайте также: