丙烯基工业切割气性能研究

徐建昌耿建铭王乐夫杨明芳张北述张思行

摘要在丙烯燃气中加入多种不同功能的添加剂，以提高火焰传播速度，达到提高火焰温度的目的.所配制的丙烯基燃气，火焰温度可达3220℃，可有效地应用于金属切割及薄壁低碳钢工件的焊接.
关键词丙烯；燃气；添加剂；性能
中图资料分类号T G406

STUDIES ON PROPENE BASED INDUSTRIAL CUTTING GAS

Xu JianchangGeng JianmingWang LefuYiang MingfangZhang BeishuZhang Shihang
(Dept. of Chemical Engineering, South China Univ. of Tech.)

AbstractAdditives with different functions were mixed into the propene fuel gas in order to increase flame propagation speed and raise flame temperature. The flame temperature of 3220℃could be reached with formulated propene based fuel gas. The fuel gas can be effectively applied to metal cutting and welding of thin low carbon steel workpieces.
Key wordspropene; fuel gas; additive; property

用乙炔为燃气的氧炔焰进行金属材料的切割和焊接，是一项传统的工艺.它具有火焰温度高，切割、焊接速度快，工艺成熟，操作方式为实际操作人员所熟悉等优点，同时也具有成本高，污染大，操作过程中易发生回火等缺点，而且乙炔气的爆炸极限范围广，操作危险性较大，对安全工作的要求高，所以人们正不断地寻求其它的燃气来替代乙炔气.
常用的燃气主要有丙烷、丙烯、丁烷、甲烷、液化石油气等，对于这些烃类燃气，其爆炸极限都较乙炔范围窄，因而操作安全性较高.但另一方面，这些燃气的火焰传播速度较慢，火焰温度也较乙炔低，在实际使用过程中，和乙炔气相比，在性能和操作方式上会有一定的差异.
用丙烯作燃气用于切割金属，工件不易烧塌，切口光滑平整，挂渣少易清除.切割时，与乙炔相比，预热时间稍长，但切割速度与乙炔相当.此外，我不知道手术分级管理制度。丙烯气成本低无污染，使用方便安全可靠.因此，在金属切割中，已越来越广泛地使用丙烯燃气.
但是，与乙炔相比，丙烯燃气的火焰温度较低，火焰传播速度不高，改善火焰传播速度，是丙烯燃气能够全面替代乙炔燃气的关键.

1实验

1.1实验设计
工业用燃气有一个共同的特点，即所有的燃气都需要有氧气来促进燃烧，一种适用于焊接的燃气在氧内燃烧时必须具有以下性能：
(1)火焰温度高.
(2)火焰传播速度高.
(3)具有足够的热值.
(4)火焰与母材及填充金属的化学反应最少.
在工业上实用的燃气中，乙炔气很好地满足了上述所有要求，其它一些燃气，如丙烯、丙烷、天然气以及以这些气体为基础的一些专门的气体都具有足够高的火焰温度，但其火焰传播速度低，在氧与燃气的比例高到足以形成有效的传播速度时，这些气体的氧化性就过强了^［1］ .
因此，我们为了使氧-丙烯火焰可用于焊接，主要是要提高其火焰温度，改善火焰的传播速度，同时应避免因氧的过量而导致工件及填充材料的过度氧化，影响焊接质量.从有关文献^［2，3］ 可以知道，一些含氧有机物可以作为氧-丙烯火焰的燃烧活化剂，并可提高火焰的传播速度.本研究在添加含氧有机物以促进火焰的燃烧方面，主要使用醇、醚、酮等有机含氧化合物.在配方设计过程中尚需考虑其与主燃气之间的相容性，挥发性等因素时，还需添加部分氧化剂、汽化剂、稳定剂等辅助组分.
对配方研究，将主要以以下几部分进行：
(1)主燃气：丙烯.
(2)燃烧活化剂.
(3)汽化剂.
(4)火焰传播速度促进剂.
(5)助溶剂或溶解稳定剂.
也可根据实际情况，我维修部的情况介绍 单先生。增删以上一至两个组分，以火焰温度作为探针进行配方优劣的评价.
1.2温度测量
温度测量所采用的仪器为上海自动化仪表三厂生产的WGJ-01型精密光学高温计，量程为900～3200℃.
由光学高温计测得的亮度温度S按下式换算为真实温度T：

1/(T+273)=1/(S+273)+1.0404×10^-4 lgε_λ

这里ε_λ 为石墨的黑度系数0.95.
1.3配方实验及其火焰温度的测量
配方一：此配方中加入燃烧活化剂、氧化催化剂和溶解稳定剂，以及可以使这些液态添加剂均匀雾化的汽化剂，整个添加剂量为10%.
配方二：该配方中主要加入了可提高火焰传播速度的醇、醚添加剂，加入量为6%；
配方三：此配方中加入醇、酮添加剂并加入一定量的汽化剂，添加总量为7%；
配方四：此配方加入醇、醚，用于提高火焰传播速度，并加入氧化剂及汽化剂，添加总量为10%.
加入添加剂后的丙烯燃气的火焰温度测定如表1所示.

表1火焰温度测量结果
Table 1Measurement results of flame temperature

2实验及结果测试

2.1切割实验
采用G01-30型氧-乙炔割炬，专用梅花型氧-丙烯割嘴,对厚度为6～50mm的钢板进行了切割实验,与氧-乙炔焰相比,切割时预热时间稍长,且需较大的氧量,但进入正常切割之后,可再调小氧量.
切割质量要比氧-乙炔焰的好，主要是切口光滑平整，挂渣少而且容易清除.
2.2焊接实验
采用H01-6A型氧-乙炔焊炬，专用梅花型焊嘴，焊丝采用含脱氧剂的08Mn2Si焊丝.分别对厚度为2、3、6mm的低碳钢板进行焊接试验，试验结果如表2所示.

表2焊接试验结果
Table 2Testing results of welding

表3冷弯试验结果
Table 3Testing results of cold bending

冷弯试验结果表明，用乙炔焊接的试样，在试验条件下经弯曲180°而无裂口，所做5次试验全部合格，而用加了添加剂的丙烯燃气焊接的试样，只有3次试验合格，说明其焊接部位抗弯强度比乙炔焊接的稍差.
(2) 抗拉强度试验
采用厚度为2mm的A3号钢板，分别用乙炔燃气及配方四丙烯燃气焊接，采用平口对焊，焊条型号为08Mn2Si，按抗拉强度试验标准裁切4个相同的试样，试验结果如表4所示.

表4抗拉强度试验结果
Table 4Testing results of tensile strength

理论上，乙炔完全燃烧可用下述化学反应方程式表示：

C₂ H₂ +2.5O₂ ─→2CO₂ +H₂ O+1344kJ/mol

但实际上燃烧是分两个阶段进行的，一次反应发生在火焰的内区（焰心）内，用下述化学反应方程式表示：

C₂ H₂ +O₂ ─→2CO+H₂ +464kJ/mol

这一反应放出的热量和形成的高温是由于乙炔的分解，以及分解出的碳局部氧化而产生的.
当焊炬喷嘴中喷出的气体的比例如上述反应方程式所示的那样为1∶1时，反应形成典型的极为明亮的蓝色焰心，这种相当小的火焰产生出焊接钢板时所需的燃烧强度，此火焰称作中性焰.因为没有过剩的碳或氧使金属渗碳或氧化，反应后的产物实际上是还原性的，在焊接钢时是有益的.
对氧-乙炔焰，其中性焰温度为3100℃左右.
在火焰外层，一次反应产生的一氧化碳及氢和周围大气中的氧燃烧，形成二氧化碳和水蒸气，即发生二次反应，其方程式如下所示：

2CO+H₂ +1.5O₂ 2CO₂ +H₂ O+880kJ/mol

虽然外区燃烧产生的热量大于焰心产生的热量，但由于其横截面积大，所以，外焰的燃烧强度和温度均较低.
丙烯的完全燃烧可用下述化学反应方程式表示：

C₃ H₆ +4.5O₂ 3CO₂ +3H₂ O+2175kJ/mol

理论耗氧量为4.5:1.
其一次反应为：

C₃ H₆ +1.5O₂ 3CO+3H₂ +391kJ/mol

此时的氧-丙烯中性焰温度为2870℃，氧-丙烯焰的二次反应如下：

3CO+3H₂ +3O₂ 3CO₂ +3H₂ O+1784kJ/mol

因此，对于氧-丙烯焰来说，虽然其总热值2175kJ/mol大于氧-乙炔焰的总热值1344kJ/mol,但由于其一次反应的热值及中性焰温度都较低，因而，对于焊接，特别是焊接较厚的工件时，氧-丙烯火焰是有一定缺陷的.
我们的试验通过在丙烯燃气中加入添加剂的方法,来增加其燃烧总热值,提高火焰传播速度,进而达到提高火焰温度的目的.从试验结果来看,加入添加剂之后,火焰温度有较大幅度的提高.特别是用割炬测定的火焰温度(氧化焰)较高，在应用于金属切割时,得到很好的切割效果.焊接使用的是中性焰，而中性焰温度很大程度上受制于丙烯的一次反应，虽然我们在配方四试验中，加了添加剂后的丙烯燃气中性焰温度比纯丙烯燃气提高了110℃，达2980℃，但与乙炔中性焰温度3100℃相比，尚有较大的差距.

4结论

1.与纯丙烯燃气相比较，加入不同添加剂以后的丙烯燃气其火焰温度均有明显的提高，温度可提高30～220℃.
2.由于加入添加剂以后的丙烯燃气，其火焰温度得到提高，特别是氧化焰温度，因此，应用于金属切割时，有较大的改善，主要是缩短了预热时间，提高了切割速度，改善了切口的质量，并且降低了燃气用量.
3.加入添加剂后的丙烯燃气，其中性焰温度也有较大的提高.因此，可用于6mm以下的低碳钢及铝、铜等金属的焊接，焊接质量较好.

*广州石油化工总厂华穗公司
作者简介：徐建昌，男，1963年生，讲师；主要研究方向：多相催化
作者单位：(华南理工大学化学工程系广州)

参考文献

1齐晓东.四种燃气的基本特征.焊接，1992，（6）：11～15
2Kessler E L. Industrial gas.US.3,591,355,1971
3Frank H. Liquified fuel gas and process for making and using the same. WO 94/01515,1994