在機械制造行業(yè),各種金屬材料的切割工作量較大。自從1895年發(fā)明了氧乙炔火焰以來,由于乙炔氣具有燃燒溫度高、使用方便、適合野外作業(yè)等優(yōu)點,因而一直是金屬切割用主要燃氣。但工業(yè)用的乙炔氣制備過程中存在能耗高、成本高、環(huán)境污染嚴重等問題。為此,自上世紀70年代以來,國內(nèi)外先后開發(fā)了丙烷、丙烯、液化石油氣等新型切割用燃氣以替代乙炔氣,近年來,國內(nèi)許多公司推出了多種新型切割用燃氣產(chǎn)品,取得了一定的應用效果。由于各種燃氣燃燒特性、切割的工藝條件等對切割質(zhì)量都有很大影響，因此對各種新型燃氣的燃燒特性、工藝性能、切割參數(shù)進行全面的分析、總結(jié)很有必要。

新型工業(yè)切割用燃氣的應用狀況

工業(yè)用的乙炔是一種易爆氣體,在一定條件下,遇火會引起爆炸,甚至自行爆炸。此外,在乙炔氣作為切割氣使用過程中,由于加工物表層氧化后存在熔渣,表面不平整,進行焊接或裝配時通常要用砂輪進行處理,這樣又加大了生產(chǎn)成本。多年來,人們一直嘗試使用其它燃料來代替乙炔氣作為切割氣,但是由于其它燃料如天然氣、液化石油氣、丙烷氣、汽油等在氧氣中燃燒溫度均低于3000℃,直接作為切割氣使用效果很不理想。上世紀80年代,國外有些公司在丙烷氣、液化石油氣等燃料中添加了助燃添加劑,使這些燃氣溫度達到3000℃以上,開始在工業(yè)上部分代替乙炔氣,經(jīng)過不斷改進,這些新型工業(yè)燃氣己能夠接近、甚至達到乙炔氣的工作性能。近年來,國內(nèi)外研究表明,丙烷氣、丙烯氣、液化氣、天然氣、汽油等均可作為乙炔代替品。對于這些烴類燃氣,其爆炸極限都較乙炔范圍窄,因而操作安全性較高。在實際使用過程中添加一些助燃、汽化、催化等功能的添加劑后,工作性能和乙炔氣相當。目前,各種代替乙炔氣的新型切割用燃氣應用情況如下。

丙烷切割氣

丙烷是石油化工的副產(chǎn)品,來源豐富,且燃燒對環(huán)境無污染,是乙炔較為理想的替代品。但氧丙烷

焰預熱時間長,切割速度慢,這是丙烷推廣使用中遇到的問題。采用通過更換丙烷割嘴、調(diào)整割炬與切割表面的位置、加大氧氣量等措施,將氧—丙烷工業(yè)切割氣較好地應用在大慶油田儲罐建設中,大幅度地降低了切割成本。近年來,國外在丙烷工業(yè)氣的開發(fā)、應用等方面取得了很大的進展,如上世紀90年代初美國公司推出的氟萊瑪克斯氣、凱騰氣等新型工業(yè)切割燃氣,均采用丙烷作為主體基料,添加了各種助燃添加劑,克服了乙炔及其它燃氣的諸多缺點,大大提高燃氣性能,使其在鋼鐵、船舶等切割量大的行業(yè)得以快速推廣。國內(nèi)的一些單位也在提高丙烷工業(yè)氣的切割性能方面開展了大量應用研究,開發(fā)了多種添加劑和新型產(chǎn)品。實際應用表明由于氧丙烷焰比氧乙炔焰的總熱值高,用于低碳鋼板氣割時,氣割成本隨板厚不同而變化。新型丙烷切割用燃氣最適合切割厚鋼板,用于厚鋼板氣割時,節(jié)約成本顯著。

天然氣切割氣

天然氣主要成分是甲烷,是價格較為低廉的一種燃氣,但其燃燒速度慢,火焰溫度低,切割預熱時間相應增長。采用天然氣作為切割用燃氣的優(yōu)點較多,如天然氣不需大的儲存容器設備、生產(chǎn)成本較低、使用方便等等。根據(jù)天然氣和乙炔氣的燃燒性能和氣體消耗量,改變了割嘴結(jié)構(gòu),采用天然氣代替乙炔氣進行火焰切割,取得了較好的應用效果,但切割實驗結(jié)果表明,單純采用天然氣作為切割用燃氣,其切割速度比乙炔氣要慢?？梢?要提高天然氣的切割速度,必須在天然氣中添加催化劑以改變天然氣的燃燒性能,達到提高火焰溫度以及切割速度、降低使用成本等目的。目前國內(nèi)開發(fā)用于天然氣切割氣的銳鋒天然氣添加劑,并且具有很好的使用效果。

液化石油氣切割氣

液化石油氣來源廣泛,價格低廉。液化石油氣主要由丙烷、丁烷混合組成,因此液化石油氣火焰切割特性與丙烷類似。液化石油氣便于貯存,使用安全可靠,切割成本低,因而采用液化石油氣作為切割用燃氣經(jīng)濟效益顯著。此外,采用液化石油氣切割時切口較為平齊、表面光滑,節(jié)省了后處理費用。但液化石油氣耗氧量大、點火困難,使用時要防止漏氣。液化石油氣供氣設備包括氣瓶、汽化器、調(diào)壓器等,切割時需要配用液化石油氣專用割炬、割嘴。由于丙烷和天然氣與液化石油氣的性質(zhì)及特點很接近,因此,液化石油氣割炬也可以用于丙烷切割和天然氣切割。比較了液化石油氣與乙炔的熱值和使用成本,說明采用有丙烯、丙烷及少量甲烷、乙烷等有機物組成的液化石油氣替代乙炔應用于金屬切割中是完全可行的。

燃氣增效劑的研究開發(fā)概況

各種新型工業(yè)切割氣的添加劑大多是一種氧化催化劑,其作用機理主要是催化、助燃、阻聚、防爆、氣化等功能,在相同氣溫下,使用添加劑的燃氣氣化程度比其他同類燃氣高。此外,添加劑通過燃燒時改變火焰頻率及波長、激活燃氣,使之能放出更多的能量,延長燃燒時間,同時能抑制火焰的熱輻射,達到火焰集中、溫度高、節(jié)省切割氣的效果。由于丙烷、天然氣、液化氣等含碳量少于乙炔,所以一般燃氣不能用于氣焊,而加入高效添加劑后,亦可彌補了這一缺陷,使其氣焊性能與乙炔相當。

目前,國內(nèi)外切割技術(shù)從單一的氧乙炔火焰氣割發(fā)展成為新型工業(yè)燃氣火焰切割、等離子弧切割、激光切割、水射流切割等多種現(xiàn)代化切割技術(shù)但由于切割成本等原因,國內(nèi)仍以火焰氣割為主。新型工業(yè)切割氣由于成本低、節(jié)能、環(huán)保,不斷被開發(fā)和應用,如近年來人們又提出可采用天然氣替代丙烷氣乙炔作為切割金屬材料。相信隨著天然氣切割性能逐步提高,人們環(huán)境保護意識的增強,天然氣切割氣必將替代丙烷氣乙炔氣,成為金屬切割主要用燃氣,在機械制造領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。