Применение кислорода в сварке металлов
Кислород является очень распространенным элементом. Как газ он применяется во многих областях. Это бесцветное вещество, не имеющее запаха. Сам по себе он не горючий, но при взаимодействии с защитными газами, использующимися для сварки, он существенно увеличивает температуру их горения. Благодаря этому появляется возможность проваривать металл большой величины. Из-за своей распространенности, легкому способу получения и небольшой стоимости, газ активно используется в различных областях. Он образует огромное количество соединений с другими элементами, так как обладает высокой активностью.
Применение кислорода является относительно безопасным, так как он не подвержен вероятности взрыва. Но со многими веществами он способен образовывать оксиды, что в свою очередь вредит им. При использовании в сварке такие свойства обходятся путем выполнения правил техники безопасности и использования, специальных вещей, которые разрешены при работе с кислородом. К примеру, инертные газы не вступают с ним в реакцию, поэтому, могут использоваться в качестве защитных. Также он не влияет на благородные металлы. Хранится и перевозится вещество чаще всего в жидком виде. Переходит в состояние газа только при нахождении на рабочем месте.
Кислород в баллонах
Область применения при сваркеОбласти применения кислорода очень широка, так как практически при каждом использовании газа, данное вещество добавляется в горелку. Оно не выполняет защитную функцию, как ацетилен или водород, химические свойства кислорода, создают такие условия, что основной функцией его является температурное воздействие. Поэтому, для того чтобы разрезать металл, а не сварить его, сварщику достаточно сделать более мощную струю кислорода, что поможет выжечь металл нужной толщины ровно и аккуратно.
В газовой сварке вещество используется в строительной сфере, где часто приходится создавать мощные металлоконструкции, рассчитанные на использование в качестве несущих, а также просто для соединения объектов. На многих из них лежит высокая ответственность, так что здесь применяются только самые надежные методы монтажа. Помимо этого, кислород применяется в различных мастерских по ремонту металлических изделий, автомобилей и прочих механизмов. На производстве в сварочных цехах он также является незаменимым веществом. Его используют практически с каждым защитным газом.
ПреимуществаХимические свойства кислорода обеспечивают для этого элемента ряд преимуществ:
- Стоимость кислорода является относительно небольшой, что делает его применение намного более выгодным;
- Использование газа довольно безопасное, так как это не горячая субстанция, у которой нет высокой опасности взрыва;
- Транспортировка и хранение в жидком состоянии очень выгодно и компактно, так как после перехода в газовое состояние вещество сильно увеличивается в объеме.
Тем не менее, здесь есть ряд недостатков, которые вызывает опасности для жизни, сопутствующих материалов и прочих вещей. К основным негативным свойствам относятся:
- Степень окисления кислорода очень высока и большинство вещей, с которыми он вступает в реакцию, окисляются;
- Запрещается контакт с маслом, которое может быть на баллоне, перчатках, рабочей одежде, инструментах и так далее;
- При повышении концентрации вещества в воздухе образуется взрывоопасная ситуация, а это сложно вычислить, так как запах газ не издает.
Формула кислорода выглядит так – О2. Несмотря на то, что это чистый газ, состоящий из одного элемента без примесей, в формуле обозначено два атома, так как он всегда соединяется, как минимум, с одним атомом вещества.
СоставСостав чистого кислорода соответствует его формуле. Это О2 без каких-либо примесей. В данном случае материал лучше всего проявляет свои свойства. Он наиболее эффективен и обеспечивает получение максимального коэффициента полезного действия. Снижение чистоты на несколько сотых процентов приводит не только к снижению эффективности, но и к увеличению расхода. Проблема состоит в том, что чистый материал можно получить только в лабораториях, тогда как в сварке применяют технический кислород. Здесь уже имеются определенные примеси, которые в свою очередь строго регламентированы ГОСТами. Исходя из чистоты, выделяют несколько сортов, параметры которых представлены в данной таблице:
Нет нормированных данных
Расчет плотности кислородаПлотность кислорода является скалярной величиной. Она является соотношением массы газа относительно занимаемого им объема. Естественно, что при различном давлении и прочих условиях данный показатель будет отличаться, поэтому, данная величина определяется при нормальных условиях. В отличие от плотных веществ, при вычислении газа применяются несколько иные формулы. В данном случае плотность = M/Vm.
М – это молярная масса кислорода.
Vm – это молярный объем, который в нормальных условиях будет равняться, примерно, 22,4 г/моль.
Валентность и молекулярная массаВалентность кислорода, также как и данный параметр в других элементах, является показателем количества атомов, которые может присоединить себе этот элемент. У этого газа валентность равняется двум, что означает – один атом может присоединить к себе еще два атома других элементов, валентность которых будет равняться 1, или же один с аналогичной валентностью. Но если брать в расчет формулу вещества, которая выглядит как О2, то здесь уже один атом соединился с другим с такой же валентностью и они образуют, так называемое, «полное вещество».
Молекулярная масса выражается в атомных единицах. Численно она соответствует молярной массе, но по размерности они обладают существенными отличиями. Данный параметр у газа равен 32 атомных единицы.
Удельная теплоемкостьУдельная теплоемкость кислорода напрямую зависит от температуры. В большом температурном промежутке данные могут быть по недиссоциированному состоянию. Это обусловлено тем, что до 1227 градусов Цельсия диссоциация газа не является каким-либо существенным фактором. При температуре 27 градусов Цельсия, данный параметр равняется 0,918 кДж/(кг*градусы Цельсия).
Инструкция по использованию при сварке
Физические и химические свойства кислорода обуславливают особенности его применения, которые нужно учитывать при сварке, чтобы не возникло несчастного случая, а также все прошло согласно предусмотренной технологии. Применение кислорода осуществляется не сразу, так как здесь требуется провести ряд предварительных подготовительных работ. Это касается не только зачистки и обработке металла. Здесь нужно убрать все масляные частицы и прочие органические соединения с поверхности заготовки, баллона и рабочей одежды, чтобы не возникло риска возгорания. Далее следует убедиться, что баллон находится от источника пламени и легко возгораемых предметов на расстоянии от 5 метров и дальше.
Температура горения кислорода вместе с защитными газами является высокой, так что при необходимости в предварительном подогреве, нужно сначала пустить в горелку один газ, а затем уже подключать кислород, когда начинается сварка. Чем больше данного элемента по отношению к защитному газу, тем выше температура общего пламени. Это же нужно соблюдать и при постепенном остывании, тогда полученный шов подогревается горелкой, чтобы не резко снижать температуру.
Если применение кислорода идет для резки, то его количество подачи должно быть намного выше, чем при сварке. В данном случае подается мощная струя, в которой достаточно сильная температура для расплавки металла. Чаще всего это делается в паре с ацетиленом, так как у него наиболее высокая температура горения.
«Важно!
По технике безопасности, баллоны с веществом должны стоять в вертикальном положении и при этом быть закреплены, чтобы не было падения.»
Схема использования кислорода для сварки
Заключение
Химические свойства кислорода выделяют его среди всех сварочных газов. С учетом стоимости и особенностей применения, для сварки он практически незаменим. Здесь нужно учитывать его безопасность, низкую стоимость, доступность и прочие факторы. Кислород в баллонах синего цвета присутствует практически на всех сварочных постах, где пользуются газом.
Разнообразие сортов технических разновидностей, обусловленных ГОСТами актуально преимущественно для ответственных работ. В частной сфере нередко применяют вещества не столь чисты, даже в сравнение со вторым сортом. Швы при помощи этого расходного материала получаются не столь качественными и надежными, но более дешевыми. Для ответственных соединений запрещается использовать подобные материалы.
Кислород. Роль кислорода в процессе газовой сварки
Газовая сварка – это метод газопламенной обработки различных металлов
При этом происходит целый ряд технических процессов, которые подразумевают под собой обработку свариваемой поверхности при помощи газового пламени высокой температуры. Для достижения высоких температур необходимы активаторы горения, такие как технический газ кислород. Кислород отличается высокими окислительными свойствами, которые воздействуют на температуру горения других технических газов, применяемых в процессе сварки. Среди этих газов находятся пропан, бутан и ацетилен. Для производства высококачественного сварочного процесса необходимо создание специально смесь технических газов. При этом горение обеспечивает технический горючий газ, а обеспечение высокой температуры горения ложиться на свойства кислорода. Для этого необходима организация процесса окисления кислородом горючего газа. Для газовой сварки допускается применение только технически чистого кислорода. Его чистота должна быть не ниже 98,5 процентов. Меньшая чистота технического кислорода недопустима.
Стадии горения горючего технического газа
При сварке различают насколько стадий горения горючего технического газа. В первую очередь происходит возгорание в результате подогрева газовой смеси. При этом наблюдается процесс частичного распада горючего технического газа. Температура горения на этой стадии составляет около полутора тысяч градусов. Этого недостаточно для производства сварочных работ. Вторая стадия горения сопровождается активными окислительными процессами за счет технического кислорода. На этой стадии кислород подается в сопло из специального баллона. На этой стадии достигается максимальная температура горения. Стоит понимать, что на этой стадии газы, которые подаются к сварочной поверхности кроме нагревательных свойств, обладают и высокими восстановительными свойствами за счет воздействия с окислами практически всех известных металлов. Поэтому эта стадия горения носит еще название восстановительной. На этой стадии не происходит качественного изменения уровня содержания углерода в составе свариваемых поверхностей. Третья стадия горения происходит за счет сгорания остаточных технических горючих газов в кислородной среде. На этой стадии происходит активное окисление сварочного шва. Поэтому часто эту стадию называют окислительной. Определить стадию горения опытный сварщик с легкостью может по факелу газовой горелки.
Использование кислорода для поддержания нужной температуры горения применяется практически с самого начала использования газовой сварки. В начале развития сварочного производства с использованием технического газа ацетилена использование кислорода не было предусмотрено. За счет этого сварочные швы получались сильно зашлакованными и деформированными. В результате этого применение ацетилена для сварки металлов было отложено до начала применения кислорода.
Производство технического кислорода
Технический газ кислород сегодня производиться по различным технологиям. Наиболее распространенным является метод получения кислорода при помощи разложения структурной части воздуха. Есть и другие способы. Кислород в настоящее время доставляется фирмами производителями непосредственно до производственной площадки заказчика. Производители и поставщики достаточно ответственно относятся к процессу производства и заправки кислорода, осознавая все последствия поставок не5качественно кислорода. Однако мы рекомендуем вам работать по этому вопросу только с теми производителями и поставщиками, которые зарекомендовали себя длительной безупречной работой. Отличить технически чистый кислород от газа, содержащего различные примеси, практически невозможно без применения специальной аппаратуры. Но вот последствия применения такого кислорода могут оказаться самыми неприятными.
В первую очередь, при использовании кислорода с чистотой меньше чем 98,5 процентов, происходит резкое снижение температуры горения в зоне сварочного процесса. За счет этого происходит снижение качества сварочных процессов и увеличивается риск деформации сварочного шва. Также при использовании такого технического газа происходит быстрый выход из строя газовых горелок. При снижении температуры горения происходит зашлакованность сопла газовой горелки. Это также ведет к снижению производительности труда сварщиков.
Технический чистый кислород – это один из самых важных элементов для производства газосварочных работ. Без применения кислорода практически невозможно производство сварочных работ на таких материалах, как высоколегированные и высокоуглеродистые стали. Для их сварки необходима высокая температура в месте образования сварочного шва. В большинстве случаев такие материалы поддаются обработке только при температуре свыше трех тысяч градусов. Получить такой температурный режим есть возможность только с применением кислорода для окислительных процессов в составе горючего технического газа.
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.
Кислород 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:
Читайте также: