Применение газа – МАФ

Применение газа «МАФ» для сварки и резки металлов.

Главный конструктор АО «Эффект» Лилько М.М. г. Одесса,

(редакция и дополнения – директор УП «РОДАТ»   Навроцкий В.Н., г. Минск).

В последние годы  в Беларуси, России и на Украине для кислородной сварки и резки металлов начали применять газ «МАФ» (метилацетилен-алленовая фракция), относящийся к группе сжиженных газов. МАФ выпускается заводом «ПОЛИМИР» (г. Новополоцк, Беларусь) по ТУ 38.102.1267-89, марка «А» – для газопламенной обработки, марка «Б» – для газовой резки и органического синтеза. Основными горючими компонентами, определяющими свойства газа «МАФ», являются метилацетилен и аллен (пропадиен). Так как указанные компоненты склонны к взрывному распаду их содержание в смеси ограничивается 76%. Остальные – 24% составляет пропан, пропилен и другие углеводородные газы, снижающие взрывоопасность «МАФ». По огне- и взрывоопасным свойствам он аналогичен пропану. По ТУ в смеси может содержаться не более 6% углеводородов С₄ и 2% ацетонитрила. В поставляемом АО «ПОЛИМИР»  (г. Новополоцк) газе МАФ реальное содержание углеводородов С₄ограничивается до 0,01% и ацетонитрила до 0,2% _.

Пределы взрывоопасности газа в смеси с воздухом (по объему) 2,3-11,9%, в смеси с кислородом 2,5-60%, температура самовоспламенения 454 ± 3 °С.

Давление насыщенного пара при T=20°С   – 6,0 кгс/см, Т=50°С   – 13,5 кгс/см² (для пропан – бутана 9,0 кгс/см² и 18,3 кгс/см² соответственно). Предельное давление взрывного распада – 13,5 кгс/см² при T=50°С, (для ацетилена – 1,35 кгс/см² при T=50°С).

«МАФ» в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76, по степени воздействия на организм относится к 4-му классу опасности (малотоксичные).  Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров «МАФ» в воздухе рабочей зоны 300 мг/м³. При контакте «МАФ» с медью и ее сплавами, содержащими более 65%> меди, могут образовываться взрывоопасные ацетилениды меди (опасность может возникнуть только при организации подачи МАФ по медным трубопроводам большой протяженности). По ТУ 38.102.1267-89 условия работы с «МАФ», транспортировка и хранение, соответствуют действующим требованиям и нормам для сжиженных газов (пропан-бутан).

Технические характеристики газа приведены в таблице 1.

В 70-х годах прошлого века в США начал применяться аналогичный газ «МАПП» (MAPP) (метилацетилен+пропадиен), под таким же названием он известен в Европе. Так как их смесь термодинамическая не стойкая, в состав МАПП также вводят газы-стабилизаторы. Свойства газов «МАФ» и «МАПП» очень близки между собой. В то же время содержание метилацетилена и пропадиена в газе МАПП значительно ниже, чем в газе МАФ, что обуславливает его сравнительно сниженные пиротехнические параметры.

Таблица 1.

Наименов­ание	QpH Ккал/м3	Удельныйвес кг/м3	Предельная    т-ра пламени, °С, в смеси с:		Термический   к.п.д. относительно		Отношение кислорода   к горючему газу        при нормальном пламени	Теп­лота разло­жения моле­кул ккал/ кг.
			кислород	воздух	стали	меди	м3/м3
Ацетилен	12600	1,170	3087	2325	0,56	0,65	1,15	+2090
Пропан	22160	2,01	2500*	1925	0,46	0,57	3,5	-560
Бутан	27800	2,46	2400*	-	0,44	0,55	3,5	-510
МАПП	20800	1 ,78	2800-2900	-	0,52	0,62	-	**
МАФ	21200	1,70	2927	2165	0,54	0,63	2,2	**

* Без подогрева;

** Точной информации по данному вопросу нет, однако, исходя из состава газа, теплота разложения близка к ацетилену.

Как видно из таблицы 1, теоретическая температура горения ацетилена (t=3087°C) и МАФ (t=2927°C) близки между собой. Теплопередача от пламени на металл характеризуется термическим (пирометрическим) к.п.д., который выражает отношение разности между температурой пламени и температурой плавления металла, отнесенной к температуре пламени.

η= (trop-tпл.)/trop;

где: η – температурный к.п.д. trop.- теоретическая температура горения газа. tпл. – температура плавления металла; (для стали tпл. = 1350°С; для меди tпл. = 1085°С).

Подсчитанный таким образом к.п.д. для ацетилена, МАФ и пропан – бутана приведен в таблице 1.

Термический к.п.д. характеризует относительную скорость расплавления металла при сварке и пайке при одном и том же количестве металла и одинаковой тепловой мощности пламени горелки. У ацетилена и «МАФ» к.п.д. практически одинаковые. Отсюда коэффициент замены ацетилена на «МАФ»:

Q^P_{h. ацет.} х η_ацет. / Q^P_н. маф х η_маф = 12600×0,56/21200×0,54=0,62

Коэффициент замены пропан – бутана на «МАФ»:

Q^P_{н. проп.} х η_проп. / Q^P_{н. маф} х η_маф = 22160×0,46/2 1200×0,54=0,89.

Характерным показателем процесса горения является количество кислорода, которое необходимо подавать в резак (горелку). Для ацетилена и «МАФ» количество кислорода, подаваемое в резак (горелку) на 10000 ккал, примерно одинаковое: – 0,95м³ и 1,04м³ соответственно. Для пропана это составляет 1,68м³. Таким образом, при переходе с пропан – бутана на «МАФ», расход кислорода, на непосредственно сжигание газа, уменьшается в 1,6 раза. При сжигании 1м³ «МАФ» экономится -1,3м³кислорода, по сравнению с работой на пропан – бутане.

При применении газа «МАФ» прослеживаются существенно отличающиеся направления и подходы к его сжиганию: для сварки и резки металла.

1. Газокислородная сварка.

Возможности применения газа «МАФ» для сварки исследовались как в целом, во «ВНИИАвтогенмаш» г. Москва, так и в частности для сварки газопроводов низкого давления в НТК «ИЭС им. Э.О. Патона» (к.т.н. Ю.В. Демченко), (информация взята из Интернета). Испытания включали оценку качества сварных швов, определение механических свойств трубных стыковых соединений, металлографические исследования согласно ДБН В.2.5-20-2001 «Газопостачання» и ВБН А.3.1-36-3-96 «Сварка стальных газопроводов».

Сварку стыковых трубных соединений из сталей Ст2пс, СТЗпс, отвечающих требованиям ГОСТ 14637-83 и ДСТУ 2651-94, выполняли горелкой Г2 с мундштуками №3 и №4, модернизированными согласно рекомендациям «ВНИИАвтогенмаш». При сварке использовали проволоку марки СВ-08Г2С диаметром 2мм и 3мм по ГОСТ 2246-70, кислород технический, по ГОСТ 5583-78 и газ МАФ по ТУ 38.102.1267-89.

На основании результатов комплексных исследований автором (к.т.н. Ю.В. Демченко) была разработана технологическая инструкция «Выполнение газосварочных работ с использованием газа МАФ на объектах газоснабжения» и рекомендовано его применение вместо ацетилена для сварки труб из низкоуглеродистых сталей с условным диаметром не более 150 мм и толщиной стенки до 5 мм включительно при строительстве и ремонте газопроводов с давлением газа не более 0,6 МПа. Это подтверждается данными ВНИИАвтогенмаш  - МАФ-газ пригоден для сварки изделий из низкоуглеродистой стали толщиной до 6 мм. Упрочнение сварного шва обеспечивает кремне – марганцевая присадочная проволока марок Св-12ГС, Св-08ГС, Св-08Г2С, а проволока марки Св-08А применима для сварки неответственных деталей. Для использования газа МАФ при сварке ответственных деталей, подлежащих сдаче технадзору, должны быть проведены соответствующие стандартные испытания и оформление документов.

МАФ – газ имеет более мягкое пламя по сравнению с ацетиленом, что дает преимущества при работе с металлом малых толщин, с цветными металлами, а также при контурной резке изделий. Это показано испытаниями МАФ – во ВНИИАвтогенмаш и на ряде промышленных предприятий.

В АО «Эффект» (г. Одесса) выполнена работа по доработке конструкций ацетиленовой горелки «Эффект-ГК» для работы на газе МАФ (горелка внутрисоплового  смешивания,  патент №5442), путем изменения соотношений размеров инжектора, смесительной камеры и наконечника.

Характеристика горелок приведена в таблице 2.

Таблица 2.

1	2
Наименование	Газ «МАФ»
Номер наконечника	1М	2М	ЗМ	4М	5М
Толщина   свариваемого   металла, мм	0,5-1,0	1,0-1,5	1,5-3,0	3,0-5,0	5,0-9,0
Расход газа л/час	15-35	35-75	75-150	150-250	250-450
Расход кислорода л/час.	35-75	75160	160-330	330-550	550-1000

Тепловая мощность насадок смещена на один номер в сторону увеличения относительно аналогичных насадок, работающих на ацетилене. Специфика сжигания газов, склонных к взрывному распаду, таких как ацетилен, МАФ, состоит в том, что давление газокислородной смеси в мундштуке перед истечением из сопла находится в пределах – 0,25 кг/см . Этим и объясняется возможность поддержания низкого давления газа «МАФ» перед горелкой – (0,12-0,15) кгс/см , остальное давление   смеси   создается   инжекцией   в   горелке,   что   обеспечивает   хорошее перемешивание газа МАФ и кислорода и создание жесткого факела, при минимальном расходе кислорода, подаваемого в горелку.

Аналогичные работы по модернизации своей горелки ГЗУ выполнены Краматорским предприятием «ДОНМЕТ». Доработанная под МАФ, горелка ГЗУ-МАФ работает в широком диапазоне толщин свариваемых металлов.

Стоимостные сравнительные показатели в денежном выражении газосварочных работ при работе на ацетилене и газе МАФ не характерны т.к., в различных регионах стоимость газов существенно различаются. Поэтому  сравнение  проводится  по  косвенным  (энергетическим)  показателям, основанным на нижеследующем.

Теоретический выход ацетилена из 1 кг карбида кальция   сорта   «А»   производства   Румынии на   промышленных   генераторах составляет теоретически -0,3 м³ при размере фракций карбида 50×80 мм. Таким образом, для получения   1м³ ацетилена необходимо затратить 3,4 кг  карбида кальция. Для замены   1м³ ацетилена необходимо 0,62 м³ газа МАФ. При его удельном весе 1,7 кг/м³, это составляет 1,06 кг. Таким образом, 1 кг газа МАФ заменяет 3,2 кг карбида кальция. Если учесть, что в основной своей массе ацетилен получают на переносных генераторах типа АСП-10, в которые загружают, чаще всего, низкосортный карбид кальция и, как правило, меньше расчетной загрузки, составляющей – 3,4кг, то к.п.д. такого генератора падает, расход карбида возрастает до 3,8 кг и более на 1м³ ацетилена. Это подтверждается практическими результатами: – 1 баллон газа МАФ весом 21,2 кг заменяет 100-120кг карбида кальция или 4-5 баллонов ацетилена (емкость баллона ацетилена 5,5-6,0кг газа). Исходя,    из    стоимости    указанных    компонентов    может    быть    рассчитана эффективность внедрения газа МАФ в различных регионах.

2. Газокислородная резка.

Процесс газокислородной резки металла представляет из себя совмещение двух процессов: – нагрев металла до температуры воспламенения (t=1050 °C) и сжигание нагретого металла в струе чистого кислорода. Соответственно резак состоит из двух элементов: – горелки и кислородного копья, объединенных воедино, но работающих по своим законам, характерным для каждого процесса.

Теплопередача металлу и нагрев его до плавления в начале процесса резки осуществляется по тем же законам что и при сварке. Известно, что время нагрева металла при врезании в лист с кромки либо при пробивке отверстия посреди листа возрастает на – 30% при переходе с ацетилена на природный газ и пропан – бутан, ввиду резко уменьшения температурного к.п.д. При работе на газе МАФ это время соответственно уменьшается, см. таблицу 3.

Время нагрева металла МАФ – кислородным пламенем при врезании в лист и

прибивке отверстий.

Таблица 3.

1	2	3	4	5
Толщина металла, мм.	5-15	16-30	31-60	61-100
Время нагрева, сек.	5-10	10-15	15-25	25-35

При нагреве металла высокотемпературным пламенем появляется возможность врезания в лист «с хода» без остановки на прогрев кромки листа и переход без остановки через встречные резы.   Указанные режимы приведены в таблице 4. При

работе на пропан – бутане данные процессы реализовать не удается. Режимы неоднократно проверялись в НПО «Кислородмаш», при работе на ацетилене, они также соответствуют ОСТ 5.9526-71 «Тепловая резка металлов».

Режим врезания в лист «с хода» и переход через встречный рез.

Таблица 4.

1	2	3	4	5	6	7	8
Толщина металла, мм.	5	8	10	14	18	20	25
Скорость  резки, мм/мин.	180-200	150-180	130-170	130-150	50-70	30-50	Менее 30

Резка производилась короткими цилиндрическими шлифованными мундштуками. При применении конических шлифовальных кумулятивных мундштуков тип 3 и 4 при толщине металла – 30 мм достаточно коснутся кромки листа и далее начинать рез, (см. журнал Сварщик №3 2004 г, стр 21).

Расход горючего газа зависит от толщины разрезаемого металла, т.к. основное количество тепла, необходимое для процесса резки, выделяется за счет горения металла в среде кислорода. При толщине металла  10 мм с подогревающим пламенем вводится до 90 % необходимого тепла, а при толщине металла  100 мм – только 10 % необходимого тепла.

Внедрение указанных процессов, для которых необходим высокотемпературный энергоноситель, особенно эффективно при механизированной многорезаковой вырезке мелких деталей, типа фланцев, а также больших карт раскроя, когда необходимо многократное пробивание отверстий в листе, в том числе и при наличии термических перемычек. В этом случае резко сокращается время на прогрев листа перед началом процесса резки. Простое же увеличение тепловой мощности резаков приводит к ухудшению качества реза:- оплавление верхней кромки, образование не отделяемого грата и, по мнению «ВНИИАвтогенмаш», г. Москва, не целесообразно. Вид применяемого горючего газа и его теплотворность на расход режущего кислорода влияет косвенно, за счет улучшения параметров резания.

Для работы на газе МАФ, при работе с резаком «Эффект», необходимо заменить гильзу с маркировкой «П» на специальную гильзу с маркировкой «М». Хорошее перемешивание газа МАФ и кислорода подогревающего, что необходимо для устойчивого и экономичного горения подогревающего пламени, обеспечивается конструкцией смесительной камеры резаков «Эффект», где расположено от 3-х до 5-ти работающих в параллель микро-инжекторных узлов, построенных по классической схеме.

Для получения устойчивого процесса горения, имея в виду склонность газов (ацетилена, МАФ) к взрывному самораспаду, необходимо обеспечить хорошее перемешивание горючего газа и кислорода, подаваемого в резак (горелку). Также, при плохом смешивании кислорода и газа или недостатке кислорода, пламя МАФ коптящее, и имеет вид «метелки» (как и у ацетилена).

При использовании для МАФ любого стандартного резака, предназначенного для работы на ацетилене,  следует учитывать склонность МАФ к «обратному удару», и своевременно применять предусмотренные паспортом резака защитные приемы. Наилучшие результаты по экономичности и безопасности получаются при использовании резаков с внутрисопловым смешением газов («ЭФФЕКТ», «Мессер», «Проминь» и т.п.) или резака «ДОНМЕТ» Р1«МАФ».

Показатели внедрения газа МАФ при резке металла, по сравнению с работой на пропан – бутане, основаны на нижеследующем.

Согласно ДСТУ 4047-2001 в баллон для коммунально-бытового применения заправляют пропан – бутан марки «СПБГ». Объемная доля жидкого остатка при t=20 °С не должна быть более 1,6 %. В баллоне содержится 21,2 кг пропан – бутана. При удельном весе – 2,0 кг/ м³ из одного баллона можно получить – 10,4 м³ газообразного пропан – бутана (жидкий остаток не учтен). В реальных условиях величина жидкого остатка в баллоне пропан – бутана может достигать 20 %. В этом случае выход жидкого пропан – бутана составит – 17 кг, при газификации которого получится – 8,5 м³ пропан – бутана с удельным весом 2 кг/м³. Для замены 1м³ пропан – бутана необходимо 0,89 м³ газа МАФ с удельным весом 1,7кг/м³ , соответственно для замены одного баллона пропан – бутана весом 21,2 кг с остатком газа 20 % необходимо 7,6 м³ газа МАФ весом – 13,0 кг, что составляет – 0,6 баллона газа МАФ. Таким образом, 1 баллон газа МАФ весом 21,2 кг, может заменить 1,7 баллона пропан – бутана с жидким остатком – 20 %.

Для сжигания 1 м³ пропан – бутана в резак необходимо подавать 3,5 м³ кислорода, а при сжигании 1м³ газа МАФ – 2,2 м³. Это дает экономию в размере 18,00 м³кислорода на каждый баллон газа МАФ. На практике 1 баллон газа МАФ заменяет – 2 баллона пропан – бутана, а экономия кислорода при этом составляет – 22 м³.

При работе в зимнее время иногда есть необходимость в обогреве баллонов с газом МАФ, испарение газа полное при температуре газа не ниже минус 27 °С. В этом случае в сухом спокойном воздухе максимальный паросъем с баллона составляет -1,2 кг/час.

Эффективность использования газа МАФ подтверждается его широким распространением среди сварщиков Беларуси. Только по предприятию «РОДАТ» насчитывается свыше 3000 потребителей и число это растет.

В данной статье не нашли отражения материалы по использованию газа МАФ для газопламенного напыления, наплавки твердых материалов и т.п.

 

Навроцкий В.Н., УП «РОДАТ» , г. Минск, rodat@tut.by