在机械制造行业,各种金属材料的切割工作量较大。自从1895年发明了氧乙炔火焰以来,由于乙炔气具有燃烧温度高、使用方便、适合野外作业等优点,因而一直是金属切割用主要燃气。但工业用的乙炔气制备过程中存在能耗高、成本高、环境污染严重等问题。为此,自上世纪70年代以来,国内外先后开发了丙烷、丙烯、液化石油气等新型切割用燃气以替代乙炔气,近年来,国内许多公司推出了多种新型切割用燃气产品,取得了一定的应用效果。由于各种燃气燃烧特性、切割的工艺条件等对切割质量都有很大影响，因此对各种新型燃气的燃烧特性、工艺性能、切割参数进行全面的分析、总结很有必要。
新型工业切割用燃气的应用状况
工业用的乙炔是一种易爆气体,在一定条件下,遇火会引起爆炸,甚至自行爆炸。此外,在乙炔气作为切割气使用过程中,由于加工物表层氧化后存在熔渣,表面不平整,进行焊接或装配时通常要用砂轮进行处理,这样又加大了生产成本。多年来,人们一直尝试使用其它燃料来代替乙炔气作为切割气,但是由于其它燃料如天然气、液化石油气、丙烷气、汽油等在氧气中燃烧温度均低于3000℃,直接作为切割气使用效果很不理想。上世纪80年代,国外有些公司在丙烷气、液化石油气等燃料中添加了助燃添加剂,使这些燃气温度达到3000℃以上,开始在工业上部分代替乙炔气,经过不断改进,这些新型工业燃气己能够接近、甚至达到乙炔气的工作性能。近年来,国内外研究表明,丙烷气、丙烯气、液化气、天然气、汽油等均可作为乙炔代替品。对于这些烃类燃气,其爆炸极限都较乙炔范围窄,因而操作安全性较高。在实际使用过程中添加一些助燃、汽化、催化等功能的添加剂后,工作性能和乙炔气相当。目前,各种代替乙炔气的新型切割用燃气应用情况如下。
丙烷切割气
丙烷是石油化工的副产品,来源丰富,且燃烧对环境无污染,是乙炔较为理想的替代品。但氧丙烷
焰预热时间长,切割速度慢,这是丙烷推广使用中遇到的问题。采用通过更换丙烷割嘴、调整割炬与切割表面的位置、加大氧气量等措施,将氧—丙烷工业切割气较好地应用在大庆油田储罐建设中,大幅度地降低了切割成本。近年来,国外在丙烷工业气的开发、应用等方面取得了很大的进展,如上世纪90年代初美国公司推出的氟莱玛克斯气、凯腾气等新型工业切割燃气,均采用丙烷作为主体基料,添加了各种助燃添加剂,克服了乙炔及其它燃气的诸多缺点,大大提高燃气性能,使其在钢铁、船舶等切割量大的行业得以快速推广。国内的一些单位也在提高丙烷工业气的切割性能方面开展了大量应用研究,开发了多种添加剂和新型产品。实际应用表明由于氧丙烷焰比氧乙炔焰的总热值高,用于低碳钢板气割时,气割成本随板厚不同而变化。新型丙烷切割用燃气最适合切割厚钢板,用于厚钢板气割时,节约成本显著。
天然气切割气
天然气主要成分是甲烷,是价格较为低廉的一种燃气,但其燃烧速度慢,火焰温度低,切割预热时间相应增长。采用天然气作为切割用燃气的优点较多,如天然气不需大的储存容器设备、生产成本较低、使用方便等等。根据天然气和乙炔气的燃烧性能和气体消耗量,改变了割嘴结构,采用天然气代替乙炔气进行火焰切割,取得了较好的应用效果,但切割实验结果表明,单纯采用天然气作为切割用燃气,其切割速度比乙炔气要慢。可见,要提高天然气的切割速度,必须在天然气中添加催化剂以改变天然气的燃烧性能,达到提高火焰温度以及切割速度、降低使用成本等目的。目前国内开发用于天然气切割气的锐锋天然气添加剂,并且具有很好的使用效果。
液化石油气切割气
液化石油气来源广泛,价格低廉。液化石油气主要由丙烷、丁烷混合组成,因此液化石油气火焰切割特性与丙烷类似。液化石油气便于贮存,使用安全可靠,切割成本低,因而采用液化石油气作为切割用燃气经济效益显著。此外,采用液化石油气切割时切口较为平齐、表面光滑,节省了后处理费用。但液化石油气耗氧量大、点火困难,使用时要防止漏气。液化石油气供气设备包括气瓶、汽化器、调压器等,切割时需要配用液化石油气专用割炬、割嘴。由于丙烷和天然气与液化石油气的性质及特点很接近,因此,液化石油气割炬也可以用于丙烷切割和天然气切割。比较了液化石油气与乙炔的热值和使用成本,说明采用有丙烯、丙烷及少量甲烷、乙烷等有机物组成的液化石油气替代乙炔应用于金属切割中是完全可行的。
燃气增效剂的研究开发概况
各种新型工业切割气的添加剂大多是一种氧化催化剂,其作用机理主要是催化、助燃、阻聚、防爆、气化等功能,在相同气温下,使用添加剂的燃气气化程度比其他同类燃气高。此外,添加剂通过燃烧时改变火焰频率及波长、激活燃气,使之能放出更多的能量,延长燃烧时间,同时能抑制火焰的热辐射,达到火焰集中、温度高、节省切割气的效果。由于丙烷、天然气、液化气等含碳量少于乙炔,所以一般燃气不能用于气焊,而加入高效添加剂后,亦可弥补了这一缺陷,使其气焊性能与乙炔相当。
目前,国内外切割技术从单一的氧乙炔火焰气割发展成为新型工业燃气火焰切割、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等多种现代化切割技术但由于切割成本等原因,国内仍以火焰气割为主。新型工业切割气由于成本低、节能、环保,不断被开发和应用,如近年来人们又提出可采用天然气替代丙烷气乙炔作为切割金属材料。相信随着天然气切割性能逐步提高,人们环境保护意识的增强,天然气切割气必将替代丙烷气乙炔气,成为金属切割主要用燃气,在机械制造领域有着广阔的应用前景。
