Газопламенная обработка металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Свойства, получение и область применения кислорода

2. Получение кислорода

3. Применение кислорода

4. Флюс для газовой сварки

5. Металлургическая и технологическая разрезаемость стали. Влияние элементов в стали на процесс резки

Список литературы

1. Свойства, получение и область применения кислорода

Химический элемент кислород образует два простых вещества - кислород О2 и О3 различные по физическим свойствам.

Кислород О2-- газ, не имеющий цвета и запаха. Молекула его О2. Она парамагнитна (притягивается магнитом), так как в ней содержатся два неспаренных электрона. Строение молекулы кислорода можно представить в виде следующих структурных формул:

О -- О или О -- О

Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное расстояние в молекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный и жидкий) -- парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2 неспаренных электрона. Этот факт можно объяснить тем, что в молекуле на каждой из двух -разрыхляющих орбиталей находится по одному неспаренному электрону.

Энергия диссоциации молекулы О2 на атомы довольно высока и составляет 493,57 кДж/моль.

Молекула кислорода О2 довольно инертна. Устойчивость молекулы кислорода и высокая энергия активации большинства реакций окисления обусловливают то, что при низкой и комнатной температурах многие реакции с участием кислорода протекают с едва заметной скоростью. Только при создании условий для появления радикалов -- О -- или R--О--О--, возбуждающих цепной процесс, окисление протекает быстро. В этом случае применяют, например, катализаторы, которые способны ускорить окислительные процессы.

При нормальных условиях плотность газа кислорода 1,42897 кг/мЗ.

Температура кипения жидкого кислорода (жидкость имеет голубой цвет) -182,9°С. При температурах от -218,7°С до -229,4°С существует твердый кислород с кубической решеткой (-модификация), при температурах от -229,4°С до -249,3°С -- -модификация с гексагональной решеткой и при температурах ниже -249,3°С -- кубическая -модификация. При повышенном давлении и низких температурах получены и другие модификации твердого кислорода.

При 20°С растворимость газа О2: 3,1 мл на 100 мл воды, 22 мл на 100 мл этанола, 23,1 мл на 100 мл ацетона. Существуют органические фторсодержащие жидкости (например, перфторбутилтетрагидрофуран), в которых растворимость кислорода значительно более высокая.

Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2приводит к тому, что при комнатной температуре газообразный кислород химически довольно малоактивен. В природе он медленно вступает в превращения при процессах гниения. Кроме того, кислород при комнатной температуре способен реагировать с гемоглобином крови, что обеспечивает перенос кислорода от органов дыхания к другим органам.

Со многими веществами кислород вступает во взаимодействие без нагревания, например, с щелочными и щелочноземельными металлами (образуются соответствующие оксиды типа Li2O, CaO и др., пероксиды типа Na2О2, BaO2 и др. и супероксиды типа КО2, RbО2 и др.), вызывает образование ржавчины на поверхности стальных изделий. Без нагревания кислород реагирует с белым фосфором, с некоторыми альдегидами и другими органическими веществами.

При нагревании, даже небольшом, химическая активность кислорода резко возрастает. При поджигании он реагирует со взрывом с водородом, метаном, другими горючими газами, с большим числом простых и сложных веществ.

Обычный атмосферный кислород состоит из смеси трех изотопов: 16О(99,7%), 17О(0,01%), 18О(0,2%). Ввиду того что содержание изотопов 17О и 18О в кислороде небольшое по сравнению с изотопом 16О, атомная масса кислорода принята равной 15,9994 у. е.

В зависимости от природных условий изотопный состав кислорода может изменяться, то обогащаясь тяжелыми изотопами, то обедняясь ими. Так, молекулы воды Н216О переходят в парообразное состояние относительно легче, чем молекулы Н217О и Н218О. Поэтому в состав водяных паров, испаряющихся из моря, входит кислород с относительно меньшим содержанием тяжелых изотопов, чем кислород, остающийся в морской воде.

С помощью атомов тяжелого изотопа кислорода 18О удалось выяснить «происхождение» кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза.

Раньше считали, что это кислород, высвобожденный из молекул оксида углерода, а не воды. В настоящее время стало известно, что растения связывают кислород оксида углерода, а в атмосферу возвращают кислород из воды.

2. Получение кислорода

Многообразие химических соединений, содержащих кислород, и их доступность позволяют получать кислород различными способами. Все способы получения кислорода можно разделить на две группы: физические и химические.

Большинство из них относится к химическим, т. е. в основе получения кислорода лежат те или иные реакции. Например, когда необходим особо чистый кислород, его получают из воды путем разложения ее. Рассмотрим этот способ.

В сосуд, наполненный электролитам (дистиллированная вода, подкисленная серной кислотой), опускают электроды, чаще всего платиновые, и пропускают электрический ток. Положительно заряженные ионы водорода перемещаются к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные гидроксид-ионы ОН- и сульфат-ионы SO42- направляются к положительно заряженному электроду (аноду). На электродах ионы разряжаются. Следует заметить, что разряд ионов Н+ и ОН- происходит намного легче, чем сульфат- ионов SO42- Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде -- кислород:

4Н+ + 4ё -- 2Н2

4ОН- - 4ё -- 2Н2О + О2

Выделяющиеся газы собирают в разные сосуды или непосредственно используют.

В условиях школьной лаборатории в качестве электролита удобнее воспользоваться раствором щелочи. Тогда электроды можно изготовить из железной проволоки или листа. В щелочной среде разрядке на катоде подвергаются непосредственно молекулы воды:

Н2О + ё -- Н° + Н-

Н° + Н° -- H2

Для опыта используют лабораторный электролизер. Это U-образная трубка из стекла, в которую впаяны электроды. При электролитическом способе получают достаточно чистый кислород (0,1% примесей).

Рассмотрим еще один химический способ получения кислорода. Если нагревать оксид бария ВаО до 540СС, то он присоединяет атмосферный кислород с образованием пероксида бария ВаО2. Последний при нагревании до 870°С разлагается, и выделяется кислород:

2ВаО + О2 = 2ВаО2

2ВаО2 = 2ВаО + О2

Пероксид бария выполняет роль переносчика кислорода.

В прошлом столетии были разработаны установки для получения кислорода этим способом. Они включали в себя вертикально расположенные емкости, которые имели систему подогрева. Через нагретый до 400 -- 500°С оксид бария пропускали ток воздуха. После образования пероксида бария подачу воздуха прекращали, а емкости нагревали до 750°С (температура разложения ВаО2).

С развитием техники получения низких температур был разработан физический способ получения кислорода из атмосферного воздуха. Он основан на глубоком охлаждении воздуха и использовании различия в температурах кипения газов, входящих в состав воздуха.

Жидкий воздух, получаемый в холодильных установках, представляет собой смесь, состоящую из 79% азота и 21 % кислорода по объему. Жидкий азот кипит при температуре -- 195,8°С, а жидкий кислород -- при температуре -- 182,9°С.

На разности температур кипения азота и кислорода основано их разделение. Для полного разделения жидкого кислорода и газообразного азота применяют многократное испарение жидкого воздуха, сопровождающееся конденсацией его паров. Этот процесс носит название фракционной перегонки или ректификации.

В настоящее время этот способ стал основным способом получения технического кислорода (дешевое сырье и большая производительность установок). Жидкий кислород хранят и перевозят в специально приспособленных для этого емкостях-цистернах и танках, снабженных хорошей теплоизоляцией.

Поскольку физический способ получения кислорода широко используют в промышленности, химические способы получения практически утратили свое техническое значение и служат для получения кислорода в лаборатории.

3. Применение кислорода

Применение любых веществ связано с их физическими и химическими свойствами, а также распространением их в природе. Количество металла, производимого на душу населения, является одной из мер уровня развития промышленности в каждой стране. Выплавка же черных и цветных металлов невозможна без кислорода.

Сейчас в нашей стране только черная металлургия поглощает свыше 60% получаемого кислорода. Но кислород используется еще и в цветной металлургии.

Кислород интенсифицирует не только пирометаллургические процессы, но и гидрометаллургические, где основной процесс извлечения металлов из руд или их концентратов основан на воздействии специальных реагентов на водные растворы. Так, в настоящее время основным способом извлечения золота из руд является цианирование. Оно позволяет извлекать из золотоносных руд до 95% золота и поэтому применяется даже при переработке руд с низким содержанием золота. Процесс растворения золота, содержащегося в рудах, очень трудоемкая операция. Оказалось, что растворение этого металла можно значительно ускорить, если вместо воздуха использовать чистый кислород. Золото в цианистых растворах образует комплексное соединение Na[Au(CN)2], которое далее обрабатывают цинком, и в результате выделяется золото:

4Аu + 8NaCN + 2H2O + O2 = 4Na [Au(CN)2] + 4NaOH

2Na [Аu(CN)2] + Zn = Na2 [Zn (CN)4] + 2Аu

Данный метод извлечения золота из руд был разработан русским инженером П. Р. Багратионом, родственником героя Отечественной войны 1812г. кислород разрезаемость сталь напряжение

Кислород находит широкое применение в химической промышленности. На нужды этой отрасли в нашей стране расходуется около 30% производимого кислорода. Замена воздуха на кислород в процессе производства серной кислоты контактным способом повышает производительность установки в пять- шесть раз. Но не только в этом заключается выгода от применения кислорода вместо воздуха. Чистый кислород позволяет получить 100-процентный оксид серы без проведения дополнительных трудоемких операций, которые необходимы при использовании воздуха в качестве окислителя.

При получении азотной кислоты способом каталитического окисления аммиака в качестве окислителя также используется кислород. Если содержание его в воздухе повысить до 25%, то производительность установки возрастает в два раза.

При участии кислорода в процессе термоокислительного крекинга в больших масштабах получают ацетилен, который широко используется для резки и сварки металлов и для синтезов органических веществ:

6СН4 + 4О2 = С2Н2 + 8Н2 + 3СО + СО2 + 3Н2О

Кислород применяется для получения высоких температур. Если сжигать водород в токе кислорода, то при образовании 1 моль воды выделяется 286,3 кдж, а 2 моль -- 572,6 кдж. Это же колоссальная энергия! Высокие температуры, достигаемые в пламени таких горелок (до 3000°С), используются для резки и сварки металлов.

Кислород служит и в космосе. Так, в двигателе второй ступени американской космической ракеты «Центавр» окислителем служил жидкий кислород. Кислород широко применяется и в ракетах для различных высотных исследований.

Жидкий кислород входит в состав взрывчатых веществ. Длительное время для различных взрывных работ применяли аммониты и другие азотсодержащие взрывчатые вещества. Их использование представляло определенные трудности, например сложность и опасность транспортировки, необходимость строительства складов. В настоящее время взрывчатые вещества с жидким кислородом можно изготовить на месте употребления. Любое пористое горючее вещество (опилки, торф, сено, солома), будучи пропитанным жидким кислородом, становится взрывчатым. Такие вещества называются оксиликвитами и при необходимости могут заменить динамит при разработке рудных месторождений. При взрыве применяют оксиликвитный патрон -- простой длинный мешочек, наполненный горючим материалом, в который вставляют электронный запал. Его заряжают непосредственно перед закладкой в шпур путем погружения в жидкий кислород. Шпур -- это круглое отверстие, которое бурят обычно в горных породах и наполняют взрывчатым веществом. Если взрыва оксиликвитного патрона в шпуре почему-либо не произойдет, патрон разряжается сам в результате испарения из него жидкого кислорода. Действие оксиликвитов основано на чрезвычайно быстром сгорании органических веществ в чистом кислороде. Кратковременный процесс сгорания сопровождается интенсивным выделением больших количеств тепла и газов, что обуславливает применение оксиликвитов в качестве мощных взрывчатых веществ, обладающих бризантным (дробящим) действием.

Кислород применяется в медицине, в авиации. В лечебной практике при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание, больным дают кислород из кислородных подушек, помещают их в специальные палаты, в которых поддерживается необходимая концентрация кислорода. Один вдох кислорода человеком равносилен пяти вдохам воздуха. Таким образом, при вдыхании этот газ не только поступает в организм больного в достаточном количестве, но и сберегает силы для самого процесса дыхания. Кроме этого, подкожное введение кислорода оказалось эффективным при лечении некоторых заболеваний, например гангрены, тромбофлебита, слоновости и тропических язв.

4. Флюс для газовой сварки

В процессе газовой сварки все металлы и их сплавы, соединяясь с кислородом окружающего воздуха и кислородом сварочного пламени, образуют оксиды, которые имеют более высокую температуру плавления, чем сам металл. Для защиты расплавленного металла от окисления и удаления образовавшихся при сварке оксидов применяют сварочные порошки или пасты, называемые флюсами.

Сварочные флюсы - вещества, которые вводят в сварочную ванну для раскисления расплавленного металла и удаления из него образовавшихся оксидов и неметаллических включений.

При газовой сварке флюс применяется в виде порошков, паст или легкоиспаряющейся жидкости. В первых двух случаях он подается в зону сварки вручную, т. е. наносится на кромки свариваемого металла и на присадочные прутки, либо вносится в ванну в процессе сварки периодическим погружением присадочного прутка в сосуд с флюсом.

В случае применения флюса в виде паров (например, флюса БМ-1 при сварке меди, медных и никелевых сплавов) он подается в пламя горелки автоматически в строго дозированном количестве специальным прибором.

В процессе газовой сварки флюсы, вводимые в сварочную ванну, расплавляются и образуются с окислами легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность сварочной ванны. При этом пленка покрывает расплавленный металл шва, предохраняя его от дальнейшего воздействия атмосферного воздуха. Необходимость применения флюсов при сварке металлов и сплавов, высоколегированных сталей и чугуна вызывается тем, что при нагревании металлов до высокой температуры на их поверхности образуется оксидная пленка, которая при расплавлении переходит в сварочную ванну, препятствуя при этом надежному сплавлению основного и присадочного металла. При сварке углеродистых сталей флюсы, как правило, не применяют.

К сварочным флюсам, применяемым при газовой сварке и пайке, предъявляют следующие требования:

· флюс должен быть более легкоплавким, чем основной и присадочный металлы;

· расплавленный флюс должен хорошо растекаться по нагретой поверхности металла, т. е. обладать достаточной жидкотекучестью;

· расплавленный флюс не должен выделять ядовитых газов в процессе сварки и вызывать коррозию сварочного соединения;

· флюс должен обладать высокой реакционной способностью, активно раскислять окислы, переводить их в более легкоплавкие химические соединения или удалять их, растворяя так, чтобы процесс растворения заканчивался до затвердевания сварочной ванны;

· образовавшийся в процессе сварки шлак должен хорошо защищать металл от окисления кислородом и азотом воздуха;

· шлаки должны хорошо отделяться от шва после сварки;

· плотность флюса должна быть меньше плотности основного и присадочного металла, чтобы в процессе сварки образуемый флюсом шлак всплывал на поверхность сварочной ванны, а не оставался в металле шва;

· флюс должен сохранять свои свойства на протяжении всего процесса сварки:

· флюс должен быть дешевым и недефицитным.

В зависимости от вида свариваемого металла в сварочной ванне образуются основные и кислые оксиды. Если образуются основные оксиды, то применяют кислый флюс, если кислые - основной флюс. В обоих случаях реакция протекает по следующей схеме:

кислотный оксид + основной оксид = соль.

В качестве флюсов используют буру, борную кислоту, оксиды и соли бария, калия, лития, натрия, фтора и др. Состав флюса выбирают в зависимости от свойств свариваемого металла. При сварке чугуна в сварочной ванне образуется кислый оксид SiO2, для растворения его вводят сильные основные оксиды - К2O, Na2O. В качестве основных флюсов применяют углекислый натрий Na2CO3, углекислый калий К2СO3и буру Na2B4O7.

При газовой сварке меди, латуни образуются основные оксиды (Cu2O, ZnO, FeO и др.), поэтому для растворения их вводят кислые флюсы. Они обычно представляют собой соединения бора.

При кислородной резке нержавеющих сталей, чугуна и цветных металлов флюс вводится в струю режущего кислорода. Основой флюса для кислородной резки служит железный порошок.

5. Металлургическая и технологическая разрезаемость стали. Влияние элементов в стали на процесс резки

По аналогии со сваркой следует различать металлургическую и технологическую разрезаемость.

Металлургическая разрезаемость характеризуется физико-химическими процессами, протекающими во время резки в разрезе.

Технологическая разрезаемость характеризуется способностью металла получать сквозной разрез на всю толщину с обеспечением заданных качественных требований к поверхности реза в зоне термического влияния.

Оценка разрезаемости меняется с развитием техники. С совершенствованием технологии и разработки новых способов резки непрерывно уменьшается число марок сталей и других металлов, не поддающихся резке. В настоящее время почти все выпускаемые промышленностью черные и цветные металлы можно обрабатывать различными способами резки, хотя степень их разрезаемости различна.

В основном разрезаемость зависит от химического состава и толщины разрезаемого металла.

Как правило, наличие легирующих элементов в сплавах оказывает влияние на температуру плавления металла и его окислов. Изменяются также их физические свойства: вязкость, теплосодержание, теплота реакции окисления и т. д. При некоторых критических концентрациях легирующих элементов в железистых сплавах осуществлять резку их обычным способом невозможно.

К таким сплавам относятся, например, сплавы на основе железа, содержащие свыше 2% С; 10--15% А1; 34% Ni; 12--20% Сr и т. д.

Затруднения с резкой чугуна и сплавов, содержащих свыше 0,2% С, связаны с тем, что температура воспламенения выше температуры их плавления. Препятствует процессу резки также образование значительного количества окислов СО и С02, загрязняющих режущий кислород и снижающих эффективность процесса окисления.

Ухудшение разрезаемости сплавов, легированных значительным количеством А1, Сr, обусловлено высокой температурой плавления окислов, образующихся на поверхности нагреваемой стали и препятствующих процессу окисления металла. Так, например, при резке высокохромистой стали на ее поверхности образуется вязкая пленка окислов, состоящая главным образом из Сr203, температура плавления которого равна 1990° С.

Цветные металлы также не поддаются резке обычным способом вследствие значительной их теплопроводности и (или) высокой температуры плавления окислов. Для обработки этих металлов из чугуна иcпользуют кислородно-флюсовую резку.

Пределы разрезаемых толщин для различных металлов достаточно широки. Для сталей они составляют от 3 до 2000 мм. Практически возможна резка стали толщиной свыше 2 м при применении специальных способов резки (кислородным или кислородно-порошковым копьем). Для чугуна и цветных металлов максимальная толщина прорезания намного меньше, порядка 150-- 300 мм.

Наиболее универсальное применение кислородная резка получила для обработки конструкционных и высоколегированных сталей.

Разрезаемость этих сталей принято оценивать по их склонности к образованию трещин. Кроме того, для высоколегированных сталей нужно учитывать влияние процесса резки на специфические свойства металла (стойкость против межкристаллитной коррозии, жаростойкость и т. д.). Эти основные признаки разрезае- мости стали определяют ее поведение при резке, необходимость выбора специальных способов резки и приемов термической обработки для получения заданных свойств металла реза.

К методам термической обработки, улучшающим разрезаемость стали, относятся предварительный нагрев, отпуск, отжиг, сопутствующий резке подогрев, а также повторный нагрев и регулируемое охлаждение во время или после резки.

Режимы подогрева и охлаждения зависят от химического состава и толщины разрезаемого металла. Подогрев может быть общим или местным (в зоне резки), в зависимости от размеров разрезаемого изделия и имеющихся для этих целей подогревающих устройств.

Основываясь на вышеуказанных признаках, все стали по их разрезаемости подразделяют на четыре разряда.

Разрезаемость конструкционных сталей (1 и 2-го разрядов). Как известно, основные затруднения при кислородной резке углеродистых, низко- и среднелегированных сталей связаны с возможностью появления участков закаленной структуры с образованием трещин в металле поверхности реза и прилегающей к ней зоне.

Увеличение объема закаленного слоя при образовании мартенсита способствует возникновению внутренних структурных напряжений. На эти напряжения накладываются тепловые напряжения, вызываемые неравномерным нагревом и охлаждением металла ЗТВ стали и зависящие от температурного коэффициента растяжения и сжатия стали.

Совместное действие обоих видов напряжений определяет положение и максимум напряжений, которые могут быть различны в зависимости от свойств и толщины разрезаемой стали.

Так, например, у незакаливающихся сталей (содержащих до 0,25% С) максимум растягивающих напряжений достигается на поверхности реза, поскольку отсутствуют объемные изменения от внутренних структурных превращений. У закаливающихся сталей (с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов) максимальные значения напряжений выявляются преимущественно в закаленных участках, а на поверхности реза возникают напряжения сжатия.

Предварительный подогрев способствует уменьшению скорости охлаждения и, в ряде случаев, уменьшению напряжений, вызванных структурными превращениями. Кроме того, предварительный подогрев дает возможность управлять физико-химическими и металлургическими процессами, протекающими во время резки, и, в частности, изменять концентрацию углерода и легирующих элементов в литом участке ЗТВ.

За последние годы в технической литературе опубликованы работы, в которых предлагаются различные способы количественного определения необходимой температуры предварительного подогрева стали перед кислородной резкой в зависимости от химического состава стали.

Так, например, В. Хофман и Р. Крал предлагают для этих целей использовать диаграммы термокинетических превращений путем нанесения на них кривых скоростей охлаждения металла при резке. Этот способ представляет теоретический интерес, но практическое использование его затруднительно ввиду отсутствия данных по скоростям охлаждения сталей разного состава и толщины.

Способ, предложенный Е. Цорном и Г. Кюппером с сотрудниками, основан на установлении связи между твердостью металла в зоне термического влияния и химическим составом разрезаемой стали. Этот способ не распространяется на большую группу так называемых среднелегированных сталей и не позволяет учитывать влияние толщины разрезаемого металла.

Этих ограничений не имеет другой способ, основанный на определении температуры предварительного подогрева в зависимости от температуры мартенситного превращения в зоне термического влияния.

Известно, что возможность появления участков закаленной структуры, обладающих повышенной склонностью к образованию трещин, связана с температурой мартенситного превращения (Мн).

Начало мартенситного превращения зависит от химического состава стали.

Влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки (температура мартенситного превращения -- Мн) подчиняется аддитивному закону. При этом каждому элементу отвечает некоторый коэффициент, определяющий степень влияния его на положение мартенситной точки, которая может быть определена по видоизмененной формуле Ценера

Мн (°С) = 550 -- [360 С + 55 (Сr + Мо) + 50 (Мn + V) + 40Si + 16 (Ni + Сr)].

В соответствии с формулой (33) выражение для определения эквивалента углерода -- См по температуре начала мартенситного превращения примет вид

См = С +0,155 (Сг + Мо) + 0,14 (Mn +V) +0,llSi + 0,045 (Ni + Сu).

Основываясь на методике, принятой при выборе режимов сварки низколегированных сталей, температуру предварительного подогрева (Тп) выбирают в зависимости от химического состава стали (эквивалент по углероду).

Список литературы

1. Антонов М.И. Газопламенная обработка металлов. -М.: Машиностроение, 1976. -264 с.

2. Евсеев Г.В., Глизманенко Д.Л. Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов. М.:Машиностроение, 2004. -.314 с.

3. Никифоров, Николай Иванович Справочник газосварщика и газорезчика [Текст] : справочное издание / Н. И. Никифоров, С. П. Нешумова, И. А. Антонов. - 3-е изд., испр. - М. : Высшая школа, 2002. - 239 с.

4. Соколов И.И. Газовая сварка и резка металлов. -М. Высш.шк.,1986. -303 с.

5. Спектор О.Ш., Асиновская Г.А. Кислородная резка в металлургии. -М.:Металлургия, 1972. -216 с.

6. Спектор О.Ш. Кислородно-флюсовая резка. - М.:Машиностроение, 1974. -97 с.

Размещено на Allbest.ru