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»:
QPh. ацет. х ηацет. / QPн. маф х ηмаф = 12600×0,56/21200×0,54=0,62
Коэффициент замены пропан – бутана на «МАФ»:
QPн. проп. х ηпроп. / QPн. маф х ηмаф = 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