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天然气用于金属氧气切割的局限与解决方法
  发布时间:2017-03-30 13:55   来源:未知   点击:
金属氧气切割是利用气体火焰(可以是氧-乙炔火焰、氧-丙烷火焰、氧-天然气火焰)将钢件(低碳钢、中碳钢、低合金钢及钛等)切割处预热至一定温度(金属燃点),然后用高速切割氧气流(氧的纯度大于99%)使切割部位燃烧,从而实现切割的一种方法。因此,金属氧气切割过程实质是金属在氧中的燃烧过程,而不是熔化过程。切割燃气(指乙炔、丙烷、天然气等)在切割过程中的作用是为钢件切割提供热量,随着切割过程的进行,金属与氧气燃烧反应放出大量的热,可进一步提高切割部位的温度,促进金属切割连续进行。
以切割燃气为乙炔为例,介绍金属氧气切割过程为[1]:利用氧-乙炔火焰(氧-乙炔混合气由割炬混合气管经割嘴环形外嘴喷出)将钢件切割处预热到金属燃点。然后打开高压氧气阀,高速切割氧气流由割炬高压氧气管经割嘴内嘴喷出,使已预热的部位燃烧,生成的金属氧化物(熔渣)最终被高速切割氧气流吹走。
2 切割燃气种类
①乙炔
1903年,法国科学家皮尔卡将乙炔(C2H2)运用到金属切割和焊接,很快就成为金属氧气焊割领域的主要切割燃气。20世纪90年代以前,我国的切割燃气一直以乙炔为主。
优点:氧-乙炔氧化焰的最高温度约3500℃,高于目前其他常用切割燃气。用于金属切割时预热时间短,切割速度也非常理想。对于25mm厚普通低碳钢板,切割速度可达到450mm/min以上。
缺点:乙炔生产能耗高,污染严重。易爆炸,安全性低。价格高,经济性差。
②丙烷
丙烷(C3H8)是石油化工工业的副产品,也是新兴切割燃气的代表,其来源丰富,价格低廉,燃烧对环境无污染,是乙炔的替代品。
优点:价格低,经济效益较好,切割成本比乙炔低25%~30%。
缺点:氧-丙烷氧化焰的最高温度比氧-乙炔火焰低,约2753℃。对于25mm厚普通低碳钢板,切割速度一般为380mm/min。易爆炸,安全性低。
③天然气
优点:相对安全:着火温度为540℃,着火温度比乙炔、丙烷高,遇到炽热金属不易被点燃;天然气的爆炸极限(体积分数)为5%~15%,密度为0.74~0.76kg/m3,泄漏后不易积聚成爆炸性气体。使用方便:切割燃气若采用管道天然气,则不涉及储存问题。
缺点:切割速度慢,氧-天然气氧化焰的最高温度约2711℃,对于18mm厚普通低碳钢板,切割速度一般为120~150mm/min,远达不到切割工艺的最低要求。经济性差,由于天然气热值低,切割速度慢,天然气耗量较高,由此导致耗氧量上升,条件相同情况下,总使用成本超过丙烷。
3 天然气作为切割燃气的工艺改进
3.1 改进方向
在实际金属切割过程中,我们用红外测温仪对氧-天然气火焰温度进行测量,最高温度无法达到2711℃,仅为2000℃左右。由金属氧气切割原理可知,提高氧-天然气火焰温度,是加快切割速度的途径之一。当天然气作为切割燃气时,可在氧气流中加入铁粉,铁粉在氧-天然气火焰中发生剧烈的氧化反应,放出大量的热量,进而提高火焰温度。但这种方法的工艺复杂,导致切割成本大幅提高,常规金属切割领域难以大规模推广。因此,我们只能从加速氧与铁的燃烧反应入手,加快切割速度。
氧与铁的燃烧反应是一种典型的氧化反应,反应速度与反应物的浓度、温度以及是否添加催化剂有关。催化剂是一种能够改变反应的速率而不改变化学平衡的物质。在金属切割过程中,除氧与天然气燃烧放热外,使金属切割过程得以持续进行的热量还来自氧与铁的燃烧反应热。催化剂的存在,加速了氧与铁的燃烧反应,放热速率加快,切割速度得到大幅提高[2]。
目前,市场上出现了一种名为先锋的催化剂(以下简称为VAN催化剂)。VAN催化剂加注工艺流程见图1。管道天然气经过调压计量后与VAN催化剂在混合器内进行充分混合,然后作为切割燃气供切割设备使用。计算机控制系统根据调压计量装置反馈的流量信号,控制VAN催化剂输送泵的转速,进而调节进入混合器内的VAN催化剂流量。燃气调压计量装置、VAN输送泵均设置成1用1备。
3.2 使用效果
 为了分析VAN催化剂能否加速氧与铁的燃烧反应,从而加快切割速度,2008年7月我们在安徽芜湖新联船厂备料车间进行了试验。试验切割设备为数控火焰切割机,切割燃气分别采用乙炔、丙烷、12T天然气、添加VAN.催化剂的天然气,测温仪器采用红外测温仪,切割对象为25mm厚普通低碳钢板,切割燃气压力为0.05MPa。4种切割燃气的切割效果见表1。
 
 
由表1可知,采用添加VAN催化剂的天然气作为切割燃气时,切割速度比单纯采用天然气时大幅提高,达到甚至超过乙炔,且切割面平整。由温度测量结果可知,与未添加VAN催化剂相比,氧-天然气火焰温度仅略有提高。这表明添加VAN催化剂后,氧与铁的燃烧反应速度得到提高。
3.3 优势
①经济优势
我们在安徽芜湖、安徽铜陵、江苏常州等地分别进行了大量切割对比试验,选取在南车集团铜陵厂进行的切割试验结果,进行经济性分析。切割对象为25mm厚Q235A钢板,切割长度为440m。天然气价格为3.6元/m3,1m3天然气添加VAN催化剂的成本为4.5元。采用3种切割燃气的经济性比较见表2。由表2可知,与乙炔、丙烷相比,采用添加VAN催化剂的天然气的单位切割长度切割成本可分别节省0.41、0.17元/m。
 
 
②其他优势
目前,作为切割燃气的乙炔基本为溶解乙炔,相关标准规范要求,瓶装溶解乙炔必须保留余量,不得用尽。丙烷类切割燃气,在冬季温度较低时(特别是户外作业),因气化困难,也难免留有残液,造成浪费。当天然气作为切割燃气时,无论采用管道天然气,还是压缩天然气、液化天然气,均可实现无残留。
根据安全生产标准化管理的需要,乙炔、丙烷钢瓶必须集中放置、统一管理,并使用汇流排向工作点供气。若采用添加VAN催化剂的管道天然气作为切割燃气,VAN催化剂加注装置的占地面积仪为6m2,相比乙炔、丙烷解决了占地面积大的问题。
4 结论
采用天然气作为切割燃气时,添加VAN催化剂可提高切割速度,大幅节省燃料费用,VAN催化剂加注装置的占地面积也比较小。