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天然氣用于金屬氧氣切割的局限與解決方法
  發布時間:2017-03-30 13:55   來源:未知   點擊: 次
金屬氧氣切割是利用氣體火焰(可以是氧-乙炔火焰、氧-丙烷火焰、氧-天然氣火焰)将鋼件(低碳鋼、中碳鋼、低合金鋼及钛等)切割處預熱至一定溫度(金屬燃點),然後用高速切割氧氣流(氧的純度大于99%)使切割部位燃燒,從而實現切割的一種方法。因此,金屬氧氣切割過程實質是金屬在氧中的燃燒過程,而不是熔化過程。切割燃氣(指乙炔、丙烷、天然氣等)在切割過程中的作用是為鋼件切割提供熱量,随着切割過程的進行,金屬與氧氣燃燒反應放出大量的熱,可進一步提高切割部位的溫度,促進金屬切割連續進行。
以切割燃氣為乙炔為例,介紹金屬氧氣切割過程為[1]:利用氧-乙炔火焰(氧-乙炔混合氣由割炬混合氣管經割嘴環形外嘴噴出)将鋼件切割處預熱到金屬燃點。然後打開高壓氧氣閥,高速切割氧氣流由割炬高壓氧氣管經割嘴内嘴噴出,使已預熱的部位燃燒,生成的金屬氧化物(熔渣)最終被高速切割氧氣流吹走。
2 切割燃氣種類
①乙炔
1903年,法國科學家皮爾卡将乙炔(C2H2)運用到金屬切割和焊接,很快就成為金屬氧氣焊割領域的主要切割燃氣。20世紀90年代以前,我國的切割燃氣一直以乙炔為主。
優點:氧-乙炔氧化焰的最高溫度約3500℃,高于目前其他常用切割燃氣。用于金屬切割時預熱時間短,切割速度也非常理想。對于25mm厚普通低碳鋼闆,切割速度可達到450mm/min以上。
缺點:乙炔生産能耗高,污染嚴重。易爆炸,安全性低。價格高,經濟性差。
②丙烷
丙烷(C3H8)是石油化工工業的副産品,也是新興切割燃氣的代表,其來源豐富,價格低廉,燃燒對環境無污染,是乙炔的替代品。
優點:價格低,經濟效益較好,切割成本比乙炔低25%~30%。
缺點:氧-丙烷氧化焰的最高溫度比氧-乙炔火焰低,約2753℃。對于25mm厚普通低碳鋼闆,切割速度一般為380mm/min。易爆炸,安全性低。
③天然氣
優點:相對安全:着火溫度為540℃,着火溫度比乙炔、丙烷高,遇到熾熱金屬不易被點燃;天然氣的爆炸極限(體積分數)為5%~15%,密度為0.74~0.76kg/m3,洩漏後不易積聚成爆炸性氣體。使用方便:切割燃氣若采用管道天然氣,則不涉及儲存問題。
缺點:切割速度慢,氧-天然氣氧化焰的最高溫度約2711℃,對于18mm厚普通低碳鋼闆,切割速度一般為120~150mm/min,遠達不到切割工藝的最低要求。經濟性差,由于天然氣熱值低,切割速度慢,天然氣耗量較高,由此導緻耗氧量上升,條件相同情況下,總使用成本超過丙烷。
3 天然氣作為切割燃氣的工藝改進
3.1 改進方向
在實際金屬切割過程中,我們用紅外測溫儀對氧-天然氣火焰溫度進行測量,最高溫度無法達到2711℃,僅為2000℃左右。由金屬氧氣切割原理可知,提高氧-天然氣火焰溫度,是加快切割速度的途徑之一。當天然氣作為切割燃氣時,可在氧氣流中加入鐵粉,鐵粉在氧-天然氣火焰中發生劇烈的氧化反應,放出大量的熱量,進而提高火焰溫度。但這種方法的工藝複雜,導緻切割成本大幅提高,常規金屬切割領域難以大規模推廣。因此,我們隻能從加速氧與鐵的燃燒反應入手,加快切割速度。
氧與鐵的燃燒反應是一種典型的氧化反應,反應速度與反應物的濃度、溫度以及是否添加催化劑有關。催化劑是一種能夠改變反應的速率而不改變化學平衡的物質。在金屬切割過程中,除氧與天然氣燃燒放熱外,使金屬切割過程得以持續進行的熱量還來自氧與鐵的燃燒反應熱。催化劑的存在,加速了氧與鐵的燃燒反應,放熱速率加快,切割速度得到大幅提高[2]。
目前,市場上出現了一種名為先鋒的催化劑(以下簡稱為VAN催化劑)。VAN催化劑加注工藝流程見圖1。管道天然氣經過調壓計量後與VAN催化劑在混合器内進行充分混合,然後作為切割燃氣供切割設備使用。計算機控制系統根據調壓計量裝置反饋的流量信号,控制VAN催化劑輸送泵的轉速,進而調節進入混合器内的VAN催化劑流量。燃氣調壓計量裝置、VAN輸送泵均設置成1用1備。
3.2 使用效果
 為了分析VAN催化劑能否加速氧與鐵的燃燒反應,從而加快切割速度,2008年7月我們在安徽蕪湖新聯船廠備料車間進行了試驗。試驗切割設備為數控火焰切割機,切割燃氣分别采用乙炔、丙烷、12T天然氣、添加VAN.催化劑的天然氣,測溫儀器采用紅外測溫儀,切割對象為25mm厚普通低碳鋼闆,切割燃氣壓力為0.05MPa。4種切割燃氣的切割效果見表1。
 
 
由表1可知,采用添加VAN催化劑的天然氣作為切割燃氣時,切割速度比單純采用天然氣時大幅提高,達到甚至超過乙炔,且切割面平整。由溫度測量結果可知,與未添加VAN催化劑相比,氧-天然氣火焰溫度僅略有提高。這表明添加VAN催化劑後,氧與鐵的燃燒反應速度得到提高。
3.3 優勢
①經濟優勢
我們在安徽蕪湖、安徽銅陵、江蘇常州等地分别進行了大量切割對比試驗,選取在南車集團銅陵廠進行的切割試驗結果,進行經濟性分析。切割對象為25mm厚Q235A鋼闆,切割長度為440m。天然氣價格為3.6元/m3,1m3天然氣添加VAN催化劑的成本為4.5元。采用3種切割燃氣的經濟性比較見表2。由表2可知,與乙炔、丙烷相比,采用添加VAN催化劑的天然氣的單位切割長度切割成本可分别節省0.41、0.17元/m。
 
 
②其他優勢
目前,作為切割燃氣的乙炔基本為溶解乙炔,相關标準規範要求,瓶裝溶解乙炔必須保留餘量,不得用盡。丙烷類切割燃氣,在冬季溫度較低時(特别是戶外作業),因氣化困難,也難免留有殘液,造成浪費。當天然氣作為切割燃氣時,無論采用管道天然氣,還是壓縮天然氣、液化天然氣,均可實現無殘留。
根據安全生産标準化管理的需要,乙炔、丙烷鋼瓶必須集中放置、統一管理,并使用彙流排向工作點供氣。若采用添加VAN催化劑的管道天然氣作為切割燃氣,VAN催化劑加注裝置的占地面積儀為6m2,相比乙炔、丙烷解決了占地面積大的問題。
4 結論
采用天然氣作為切割燃氣時,添加VAN催化劑可提高切割速度,大幅節省燃料費用,VAN催化劑加注裝置的占地面積也比較小。