天然氣在數(shù)控火焰切割機(jī)上的應(yīng)用

程 君 郭傳東 王志國 潘國林

（中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林機(jī)械制造分公司)

采用數(shù)字程序驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動，搭載火焰切割系統(tǒng)并用數(shù)控系統(tǒng)來控制火焰切割系統(tǒng)的開關(guān)，對鋼板等金屬材料進(jìn)行切割，這種機(jī)電一體化的切割設(shè)備即為數(shù)控火焰切割機(jī)。典型的數(shù)控火焰切割機(jī)如圖1所示。數(shù)控火焰切割機(jī)可分為三大部分：數(shù)控系統(tǒng)、火焰切割系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)。

數(shù)控火焰切割機(jī)具有對大厚度碳鋼切割能力強(qiáng)、切割費(fèi)用較低、效率高、切割精度高和操作方便等顯著特點，可極大地改善勞動強(qiáng)度和勞動環(huán)境。本文論述了數(shù)控火焰切割機(jī)采用天然氣代替乙炔的理由以及相關(guān)的改進(jìn)方案，并對遇到的一些問題進(jìn)行了分析。

圖1 數(shù)控火焰切割機(jī)

1 鋼材的氣割原理

鋼材的氧氣切割過程是借助預(yù)熱火焰將鋼材表面加熱到燃燒溫度，并使其呈活化狀態(tài)，然后送入高純度、高速度的切割氧流，使金屬 （主要是鐵）在氧氣中劇烈地燃燒，同時借助高速氧流的動量把燃燒生成的產(chǎn)物 （主要是熔融的氧化鐵）吹除掉，形成割縫，從而達(dá)到切斷鋼材的目的。

氣割過程一般分為三個階段：

（1）在鋼材上部鐵和氧開始發(fā)生燃燒反應(yīng)；

（2）鐵和氧的燃燒反應(yīng)向鋼材內(nèi)部傳播；

（3）將反應(yīng)生成物進(jìn)行強(qiáng)制排除，鋼材切斷。

由此可見，氣割的實質(zhì)乃是金屬在氧氣中燃燒而不是熔化過程，即金屬切 （氣）割的過程是金屬燃燒的過程。氣割過程中，鐵氧反應(yīng)是預(yù)熱鋼材的主要熱源，預(yù)熱火焰的熱作用則是次要的。切割時所需總熱量的85%來自燃燒反應(yīng)，只有15%是由預(yù)熱火焰提供的。

2 火焰切割機(jī)燃?xì)馓匦越榻B

2.1 乙炔

乙炔在室溫下是一種無色、極易燃的氣體，純乙炔是無臭的，但工業(yè)用乙炔由于含有硫化氫、磷化氫等雜質(zhì)，因而有一股大蒜的氣味。乙炔的熔點（118.656 kPa）為-84℃，沸點為-80.8℃，密度為1.17 kg/Nm3，在空氣中爆炸極限為 2.3%～72.3%（體積分率）。在液態(tài)和固態(tài)下，或在氣態(tài)和一定壓力下，有猛烈爆炸的危險，受熱、震動、電火花等因素影響都可以引發(fā)爆炸，因此不能在加壓液化后貯存或運(yùn)輸。微溶于水，易溶于乙醇、苯、丙酮等有機(jī)溶劑。

2.2 天然氣

天然氣是一種易燃易爆氣體，和空氣混合后，溫度只要達(dá)到550℃就燃燒。在空氣中，天然氣的濃度只要達(dá)到5%～15% （體積分率）就會爆炸。天然氣無色，比空氣輕，不溶于水。天然氣的主要成分是甲烷，本身無毒，但如果含較多硫化氫，則對人有毒害作用。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 技術(shù)分析

根據(jù)火焰切割原理，將板材加熱到燃點使其燃燒，就可達(dá)到切割板材的目的。所以，切割時火源的最低溫度達(dá)到板材的燃點即可?；鹧鏈囟鹊托枰L時間對板材加熱，火焰溫度高則只要較短時間對板材加熱。因此，需要了解不同含碳量的板材和各種合金板材的燃點。各種常用板材燃點和熔點如表1所示。

乙炔焰的溫度可達(dá)3150℃，熱值為56.49 MJ/Nm3；天然氣火焰溫度也可達(dá)到2600℃，熱值為38.5 MJ/Nm3。對照表 1數(shù)據(jù)可知，使用天然氣進(jìn)行火焰切割在技術(shù)上也是滿足條件的。

表1 金屬的燃點和熔點

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

比較使用乙炔氣和天然氣的成本，只需要比較產(chǎn)生相同熱量所需要的燃?xì)饬亢脱鯕饬康某杀炯纯桑僭O(shè)兩種燃?xì)饩耆紵?。但由于氧氣成本較低，且產(chǎn)生相同的熱量需要消耗的氧氣量相差不是太大，故計算時可將氧氣的成本忽略。

天然氣 （假設(shè)成分全為甲烷）完全燃燒的化學(xué)方程式為：

乙炔完全燃燒的化學(xué)方程式為：

天然氣的低位發(fā)熱值是38.5 MJ/Nm3，乙炔的低位發(fā)熱值是56.49 MJ/Nm3?？梢杂嬎愠觯?.467 Nm3天然氣產(chǎn)生的熱量值相當(dāng)于1 Nm3乙炔產(chǎn)生的熱量值。根據(jù)市場價格，每瓶乙炔 （按3 kg充裝）需70元左右，則可計算出每標(biāo)準(zhǔn)立方米乙炔的價格為20元左右。而市場上天然氣的價格為每標(biāo)準(zhǔn)立方米3.23元，即1.467 Nm3天然氣所需的費(fèi)用約為1.467×3.23=4.74元。所以產(chǎn)生相同熱量時天然氣的費(fèi)用是乙炔費(fèi)用的4.74÷20=0.237倍，即產(chǎn)生相同熱量值時使用天然氣比使用乙炔節(jié)約近76%的成本。

4 使用天然氣代替乙炔的原因和改造方案

乙炔因其易燃易爆、安全系數(shù)低、生產(chǎn)過程中耗能耗電、污染環(huán)境、生產(chǎn)成本偏高，以至在生產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸、使用、環(huán)保及價格方面存在諸多缺陷和隱患，因此國家早在 “八五”期間就極力推廣以烷烴類燃?xì)馓娲胰矚猓缡褂?“丙烷氣”、“丙烯氣”、 “天然氣”等，并逐漸完全取代乙炔氣。

我國的天然氣資源十分豐富，采用天然氣代替乙炔將使天然氣資源得到充分利用，節(jié)約生產(chǎn)乙炔所耗費(fèi)的大量能源，減少環(huán)境污染，降低企業(yè)成本，增加企業(yè)效益。根據(jù)上述的國家能源政策，吉林機(jī)械制造公司將其長期以來一直使用的乙炔氣改為了天然氣，這樣在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本的同時還減少了公司員工的勞動量。為保證安全，在每個天然氣接口處設(shè)置兩個球閥，并安裝可燃?xì)怏w報警儀。此外，還組織了天然氣泄漏安全演練。經(jīng)過一段時間使用，發(fā)現(xiàn)天然氣在數(shù)控火焰切割上是可以代替乙炔氣的。當(dāng)然，在穿孔時預(yù)熱時間需要適當(dāng)延長，但在切割質(zhì)量上是可以滿足要求的，并且切割速度與使用乙炔氣并沒有太大差異。表2是使用天然氣切割板材的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中厚度10～16 mm的板材最為常用。

表2 天然氣切割板材相關(guān)數(shù)據(jù)

5 遇到的問題及解決措施

5.1 割嘴堵塞及燒毀

在改用天然氣作為切割燃?xì)獾某跗?，?jīng)常出現(xiàn)割嘴堵塞甚至割嘴燒毀、炸裂的情況，有時一天內(nèi)就要更換割嘴多次。經(jīng)過技術(shù)人員的研究，終于發(fā)現(xiàn)了問題的所在。由于天然氣熱值比乙炔低，因此操作時常出現(xiàn)預(yù)熱時間不足的情況。鐵板穿孔時在丙烷割嘴與鋼板間存在一個瞬時高壓區(qū)，若預(yù)熱時間太短，未能將鋼板擊穿，就會造成翻漿，火焰就會被頂入割嘴內(nèi)部，同時鋼板融化部分形成的鐵水就會堵住割嘴，將割嘴燒毀、炸裂。損毀的割嘴如圖2所示。

圖2 損毀的割嘴

發(fā)現(xiàn)原因后進(jìn)行了整改。對于類似問題，操作人員不再憑以往經(jīng)驗操作了，而是根據(jù)實際情況，根據(jù)板材顏色、亮度等情況進(jìn)行穿孔，這樣問題就得到了解決。

5.2 割縫表面出現(xiàn)倒角和飛濺

使用天然氣氧氣焰切割時，割縫表面出現(xiàn)了倒角，就是通常所說的燒邊現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在使用乙炔氧氣焰切割時也是很容易出現(xiàn)的。其主要原因有以下幾點：

（1）火焰過大；

（2）切割速度過慢；

（3）預(yù)熱氧氣調(diào)得過大；

（4）割嘴預(yù)熱火焰距鋼板太近；

（5）鋼板表面雜質(zhì)過多。

解決燒邊現(xiàn)象的具體措施如下：

（1）根據(jù)鋼板厚度調(diào)好火焰；

（2）根據(jù)板厚和火焰的能力來決定切割速度；

（3）預(yù)熱氧不能開得過大，調(diào)成中性焰或稍帶點兒乙炔過?；鹧妫?/p>

（4）火焰的白點 “焰芯”應(yīng)距鋼板4～5 mm；

（5）切割前應(yīng)先清理鋼板表面雜質(zhì)。

燒邊現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是操作人員為了避免切不開操作不當(dāng)而造成的。這一問題完全能解決，通常對天然氣使用熟悉后問題自然就會得到解決。

6 結(jié)束語

數(shù)控火焰切割機(jī)以天然氣代替乙炔的改造已經(jīng)完成并使用了數(shù)月。實踐證明，在數(shù)控火焰切割機(jī)上使用天然氣作為燃?xì)馓娲胰餐耆軌蜻m應(yīng)并達(dá)到生產(chǎn)要求，而且還能改善環(huán)境、降低生產(chǎn)成本，符合國家的節(jié)能政策。