Кислород успешно применяется при сварке, резке и огневой обработке металлов.
Пламя газосварочной горелки направляют на сдвинутые вплотную или наложенные друг на друга свариваемые детали. Под действием высокой температуры пламени металл плавится и сливается в общую массу, образуя лунку.
Лунка, в которой накопляется расплавленный металл, называется ванной.
Чтобы заполнить ванну, в пламя вносят железный пруток, который, расплавляясь, сливается с основной массой металла. Передвигая горелку вдоль стыка свариваемых деталей, получают прочный сварной шов.
Для газопламенной сварки металлов пользуются горелкой, которая в принципе ничем не отличается от горелки, применяемой для спайки кварца. В качестве горючего при газопламенной сварке используют ацетилен, водород, коксовый и другие газы. Чаще всего пользуются ацетиленом.
При горении ацетилена в кислороде образуется температура, которая выше температуры любого другого горючего газа.
Часто ацетилен доставляют к месту работы в виде твердой соли — карбида кальция (СаС2). Карбид кальция состоит из кальция и углерода и получается из негашеной извести (СаО) и угля.
Смешанные куски извести и кокса помещают в электродуговую печь, где при температуре около 2500° происходит соединение углерода с кальцием. При этом образуются карбид кальция и окись углерода.
В печи карбид кальция накопляется в виде расплавленной массы, которую сливают в формы — изложницы.
Застывший карбид кальция дробят на небольшие куски и загружают в железные барабаны с герметически закрывающимися крышками. В таких барабанах карбид кальция доставляют к месту работы.
Как же из этого твердого серого куска камня получить газ, который в соединении с кислородом способен расплавить металл?
Возьмите какой-нибудь широкий сосуд с плоским дном, налейте в него немного воды, так чтобы дно было покрыто на 1—1,5 сантиметра водой. Поставьте на дно сосуда фарфоровую чашечку и положите в нее кусочек карбида кальция, а затем полейте его водой. Содержимое в чашечке зашипит. Это значит, что идет разложение карбида кальция с образованием ацетилена и гашеной извести (СаС2 + 2Н2O → С2Н2 + Са(ОН)2). В воздухе сразу же почувствуется неприятный запах ацетилена. Накройте быстро чашечку воронкой. Так как ацетилен легче воздуха, он поднимется по воронке вверх. Поднесите к концу воронки горящую спичку; выходящий из нее газ загорится белым, коптящим пламенем.
Разве может коптеть газ, легко сгорающий в воздухе?
Да, может. Мы уже наблюдали это, когда прикрыли доступ воздуха к горелке газовой плиты.
Эти явления объясняются одной и той же причиной — недостатком кислорода.
Ацетилену не хватает кислорода для его полного сгорания. На каждый кубический сантиметр ацетилена требуется 2,5 кубического сантиметра чистого кислорода или 12,5 кубического сантиметра воздуха. При выходе из воронки ацетилен не успевает смешиваться с воздухом и сгорает только частично, образуя коптящее пламя. При хорошем перемешивании с воздухом ацетилен сгорает полнее, и температура его пламени достигает 2300°.
В кислороде ацетилен сгорает полностью, создавая при этом температуру 3250°. Другие газы не дают такой высокой температуры, поэтому ацетилен и пользуется преимуществом перед ними.
Для получения ацетилена на месте сварки карбид кальция загружают в специальную камеру ацетиленового генератора. Туда же автоматически подается вода. Образующийся ацетилен поступает в газохранилище, где он собирается под колоколом, плавающим в воде. Колокол своей тяжестью давит на газ и вытесняет его. По шлангам газ поступает в горелку.
Схема ацетиленового генератора: 1 — камера с карбидом кальция; 2 — приспособление для автоматической подачи воды; 3 — газохранилище, наполненное водой; 4 — колокол, под которым собирается ацетилен.
Одновременно с газом в горелку подается кислород. Регулируя кранами подачу кислорода и ацетилена, можно получить различное по своим свойствам пламя.
Для полного сгорания кубического метра ацетилена требуется 2,5 кубического метра кислорода. Если подать в газовую горелку сразу весь кислород, то свойства отдельных частей пламени становятся невыгодными для сварки, так как расплавленный металл может окислиться.
Практика показала, что для сварки лучше всего в газовую горелку подавать только половину необходимого кислорода, то есть 1,25 кубического метра на каждый кубический метр ацетилена. В этом случае горение ацетилена происходит в две фазы. В первой фазе для горения используется кислород, поступающий в горелку вместе с ацетиленом. Так как кислорода мало, ацетилен сгорает не полностью. Образуется зона неполного сгорания, в которой появляются окись углерода и водород (С2Н2 + O2 → 2СО + Н2). Эти продукты неполного сгорания ацетилена при высокой температуре способны еще дальше окисляться, жадно поглощая кислород.
Таким образом, в зоне неполного сгорания ацетилена появляются продукты, обладающие восстановительной способностью.
Эту зону пламени обычно называют восстановительной.
Свойства восстановительной зоны пламени оказались весьма полезными для сварки металлов. Не полностью сгоревшие газы отбирают кислород и восстанавливают железо, которое окисляется во время сварки. Благодаря этому железо не изменяет своего химического состава и сварной шов не загрязняется окислами.
Ацетилено-кислородное пламя: 1 — головка ацетиленовой горелки; 2 — зона неполного сгорания ацетилена — восстановительная зона; 3 — зона полного сгорания. Цифры внизу обозначают температуру в различных частях пламени.
Во второй фазе горения окись углерода и водород, оставшиеся после первой фазы, соединяются с кислородом воздуха.
Это зона полного сгорания. Здесь образуются углекислый газ и пары воды.
В конце восстановительного пламени развивается наиболее высокая температура, достигающая 3000°. В зоне полного сгорания температура постепенно падает до 1000°.