火焰切割中丙烷替代乙炔气的思考

火焰切割中丙烷替代乙炔气的思考

魏盛华

华荣能源嘉业机制公司 四川 宜宾 644500

摘 要：目前,我国机械加工过程中钢板气割大部分使用乙炔气。随着世界科技的发展,已明显表明乙炔气存在很多缺点,如能耗大,价格高,易回火爆炸燃烧。制造乙炔气时的碳酸钙残渣无处排放、污染土地和环境,气割钢板表面容易发生过烧、切口背面处容易挂渣,不易清理,影响工件的气割质量。为克服使用乙炔气进行钢板切割的缺点,很多大型机械制造厂已逐渐用丙烷气进行钢板切割。

关键词：火焰切割；丙烷；乙炔；替代。

1、引言

工业生产中的钢板切割,长期来一直采用氧-乙炔火焰,我们对不同厚度的碳钢和低合金钢板,用丙烷气加少量添加剂进行直线和斜坡口切割试验,得出了合理的切割技术参数和热影响区情况,并与用乙炔气切割相比较,得知切割性能指标优于使用乙炔气切割,经济效益高。

2、乙炔及丙烷气的性能、使用及优缺点

2.1 乙炔气（C₂H₂）：我国工业燃气用量中，70%为乙炔气。以前乙炔气主要是乙炔发生器中制取，由于造成污染和高度不安全性，目前各地均已发文不得采用（包括管道式）。现在主要使用的是将乙炔溶解于丙酮中的溶解乙炔气。乙炔化学性质活跃，易爆，极危险。乙炔在常温、常压下的分子结构为不饱和键，受热很不稳定，在高于200ｏC时会发生聚合反应，使温度压力不断升高而导致爆炸，当其与铜、银等金属以及空气、纯氧混合，甚至盛装容器直径较大时都会引起爆炸。使用乙炔气在对碳素钢切割时，易产生切口上缘熔化，挂渣多且不易清除，切面局部硬化等现象，使切割工艺不理想。同时为安全起见，溶解乙炔钢瓶内要按规定加入14公斤丙酮，按规定充入5－7公斤乙炔达到全部溶解于其中的目的。而部分厂家为了自身利益，往往不再继续加或减少续加丙酮，而是强行充装乙炔气，这样使瓶内压力加大，使钢瓶发生爆炸的危险性大大增加。同时，钢瓶内充气量往往只有3.5－4公斤，甚至有的低到2公斤，使用户蒙受损失。有的大型企业自设乙炔站，使上述情况有所改善。但应当看到，生产乙炔的原料为电石，每生产一吨电石耗电能3300度，还需要焦炭600公斤，煤500公斤，碳精棒50公斤。用电石法制取乙炔气时，会排出大量电石渣（1吨电石生成3.3吨电石渣）及H2S、PH3等有毒有害气体，污染严重。在制取溶解乙炔时又消耗大量重要化工原料丙酮，溶解乙炔成本昂贵，加大生产成本。另外，乙炔还是化工方面贵重原料，1吨石可制取0.5吨维尼塑料。因此，从宏观上看，将乙炔仅作为燃气是对资源的浪费。但由于以前还没有其它燃气可以全面替代乙炔，加上传统习惯及企业对此的大量投入，因此，乙炔在我国工业燃气领域中仍占主导地位，但国家权威机构已明确提出：“为全民经济高效发展、应向世界发达国家看齐，将乙炔作为工业燃气的份额大幅度缩小到35%以下。”并寻求新的替代能源。
  2.2 丙烷（C₃H₈）：为石油化工加工副产品，燃点高，燃烧速度较慢，化学性质不活跃，爆炸范围小，不易回火，对温度、压力、冲击的反应远低于乙炔，安全性大大优于乙炔。丙烷的体积热值（Kj/m3）较乙炔高一倍，因此消耗量也较乙炔降低，其切割工艺较乙炔好，而且丙烷是石化副产品，以前除用于燃料外，无其它用途。用于工业燃气，燃烧后很少留下杂质和残液。

3、乙炔及丙烷气的燃烧性能及价格比较

3.1 ，两种气体的燃烧性能见下表:

燃 气	丙 烷	乙 炔
火焰温度（℃）	3000-3300	2100-2600
点火温度（℃）	335	510
燃烧速度	7m/s	4m/s
一次火焰热值（kj/m3）	10041	19083
二次火焰热值（kj/m3）	94416	36162
总热值（kj/m3）	104457	55245
一次热值/总热值	9.6℅	34.5℅

从上表可以看出，丙烷的总热值虽然很高，但一次的火焰温度热值较小，不到总热值的1/10,而乙炔的一次热值占热值的1/3以上，乙炔的一次火焰热值是丙烷的1.9倍，因此，乙炔的火焰温度比丙烷高的多。

虽然丙烷火焰温度可达2520℃，氧气乙炔火焰的温度更是高达3100℃，但现在用的丙烷气中基本上都含有少量的各种添加剂，使丙烷燃烧时放出的热量更多，同时改变丙烷火焰的波长，使其燃烧的热能被钢板强化吸收，从而减少耗氧量，提高切割速度

3.2 ，两种气体完全燃烧释放的热量成本

丙 烷：C₃H₈+5O₂=3CO₂+4H₂+2219.1KJ

乙 炔：C₂H₂+ O₂=4CO₂+H₂O+1299.6KJ

计算1ml丙烷及等价值的乙炔完全燃烧释放的热量成本（按目前的市场价值：丙烷97.5元/15Kg，乙炔130元/5Kg，氧气1.75元/m³）

丙 烷： +5× ×1.75=0.472（元）

乙 炔： ×（ + × ×1.75）=0.776（元）

这样用丙烷代替乙炔成本节约率为： ×100℅=39.1℅

4、乙炔及丙烷气的切割性能比较

两种燃气在普通碳素结构钢板Q235A不同板厚下的气割试验数据如下表：

从上表可以看出：丙烷气的燃气耗量，氧气耗量均低于乙炔，气割速度与乙炔差不多，而预热时间较乙炔长，切割厚钢板丙烷更占优势。

5 两种气体用于钢板切割优缺点比较：

5.1、丙烷在氧气中的燃烧速度为2m/s,比乙炔的燃烧速度（7.5m/s）低的多，不易发生回火；燃点高，本身性质稳定，所以其安全性能优于乙炔，在完全燃烧的情况下，使用丙烷气作气割用燃气比乙炔节约成本；

5.2、两种燃气用于钢板气割时的对比试验表明，丙烷气的耗氧量、耗气量较乙炔少，切割速度与乙炔相当，但预热时间较长，切割厚钢板丙烷更占优势；

5.3、丙烷的点火温度580℃，比乙炔305℃低，要用明火才能点燃，更安全。

5.4、从乙炔到丙烷的切换简单，所需要更换的设备仅只割嘴，其余均可代用。

5.5、丙烷生产耗能低，污染小，国家科委早就将丙烷代替乙炔项目列入国家成果重点推广计划

二十世纪六十年代起国际上即着手将丙烷气用于工业切割试验，我国亦于七十年代初开始研究，并于九十年代初由哈尔滨焊接研究所等试验成功，并由国家科委（92）国科成办字第097号文在全国范围内推荐使用，将工业切割气丙烷气代替乙炔气作为“八·五”国家重点新技术推广项目。

6、结 论：

我国幅员辽阔，地形复杂，在不同的地区各种数据也许会有少许变化，各种燃气的价格随地区的不同也可能有较大差异，例如我国某些石油产量丰富但制造业相对落后的地区，会导致当地丙烷价格相对低廉，东北地区大多数企业采用以丙烷为工业切割气。因此燃料的比较使用既要做到切割质量和经济利益平衡兼顾，应从所处地域特征、安全、环境甚至人员等方面综合衡量，虽然丙烷在使用时安全可靠，操作简单，切割质量有所提高，但由于其火焰温度较低（2520℃），预热时间长，耗氧量较大，焊接性能较乙炔要差，切割厚大材料困难等，而乙炔也有燃烧温度高、速度快、预热时间短切割质量好等不容忽视的优点，加上操作人员使用习惯等因素，丙烷代替乙炔虽然是趋势，但要想淘汰乙炔，全面推广，还有很长的路要走。

作者简介：魏盛华， 机械工程师，生于1969年7月，现川煤集团芙蓉嘉业机械制造有限责任公司生产部长。

参考文献：[1] 周爱华《丙烷工业气体一节能产品,乙炔代用品》机械工业出版社；

[2] 梁桂芳《切割技术手册》机械工业出版社1997 年3 月第一版；

[3] 孙志刚,高山《氧—液化石油气,氧—乙炔气的切割对比试验》太原科

技, 2001，05.