石建設(shè)

水電解氫氧焊割機(jī)的實(shí)用性研究

石建設(shè)

用水電解制得氫氧混合氣，可以取代氧氣和乙炔氣進(jìn)行金屬切割和焊接。本文對(duì)這種新工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和經(jīng)濟(jì)性分析。

氫氧混合氣 乙炔 切割

1.引言

能源是人類社會(huì)存在與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。自工業(yè)革命以來，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開能源，但化石燃料資源的日益稀缺和環(huán)境保護(hù)要求的逐步嚴(yán)格給經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了更高要求。

目前，我國鋼鐵企業(yè)在連鑄坯切割中廣泛采用乙炔氣和丙烷氣。丙烷氣是石油化工的副產(chǎn)品，其燃點(diǎn)高，燃燒速度慢，化學(xué)性質(zhì)不活潑，一般用于燃料。20世紀(jì)60年代起，國際上就開始進(jìn)行工業(yè)化使用實(shí)驗(yàn)，陸續(xù)開發(fā)出特利氣、霞普氣、佛來瑪克斯氣、凱騰氣等，實(shí)質(zhì)上這些都是在丙烷中加入各種添加劑或一定比例的丙烯。由于丙烷、丙烯是石油化工的副產(chǎn)品，因此受產(chǎn)地、批次以及添加劑性能、數(shù)量的影響，很難保證其使用效果的穩(wěn)定性（通常在冬季低溫下汽化效果不理想）。

表1 氫氧混合氣與乙炔的燃燒特性

丙烷（C3H8）燃燒的化學(xué)方程式為：C3H8+5O2=3CO2+4H2O，可知每消耗一個(gè)單位體積的丙烷需要5倍單位體積的混合氧氣。乙炔作為傳統(tǒng)燃?xì)馇懈罴庸そ饘伲鹧鏈囟雀?、熱值大，但由于乙炔生產(chǎn)成本高，用于連鑄切割噸鋼成本在4元以上，同時(shí)存在安全、污染等問題，目前已經(jīng)很少有廠家采用氧乙炔火焰切割連鑄坯。

2.QYJ-24000型水電解氫氧焊割機(jī)的特點(diǎn)

QYJ-24000型水電解氫氧焊割機(jī)利用普通水通過電解產(chǎn)生氫氧氣，進(jìn)行氣焊、切割和各種火焰加工，具有明顯的節(jié)能、安全、清潔、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。被列為“八五”國家重點(diǎn)新技術(shù)推廣項(xiàng)目。其主要技術(shù)參數(shù)為：產(chǎn)氣量24000L／h，火焰溫度2800℃-3000℃，最大切割厚度<380mm，耗電量70kWh／h。

3.氫氧混合氣與乙炔的實(shí)用性對(duì)比

3.1 燃燒特性

燃?xì)獾膶?shí)用性受其燃燒特性的影響，燃燒特性包括燃燒熱值、燃燒速度和燃燒溫度，氫氧混合氣與乙炔的燃燒特性見表1，可以看出氫的燃燒熱值火焰溫度比乙炔低得多，但是其燃燒速度比乙炔快，可以部分彌補(bǔ)其燃燒熱值低、火焰溫度低的不足。

3.2 切割速度和預(yù)熱時(shí)間

切割速度及預(yù)熱時(shí)間直接影響工作效率，也決定氫氧焊割機(jī)能否得到推廣的一個(gè)重要因素。在金屬切割時(shí)，金屬在加熱達(dá)到燃點(diǎn)以后，其切割速度取決于每單位體積金屬燃燒反應(yīng)所需的氧氣量，以及與氧氣壓力、割矩和噴嘴型號(hào)尺寸有關(guān)，而對(duì)燃?xì)馊紵郎囟葻嶂档挠绊戄^小。另外，金屬氧化反應(yīng)所放出的熱量可以彌補(bǔ)氫氣熱值低的不足。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都證明，用氫氣和乙炔進(jìn)行切割，其速度基本相同。為掌握氧乙炔和氫氧混合氣進(jìn)行切割時(shí)所需的預(yù)熱時(shí)間，進(jìn)行的一系列具有可比性的試驗(yàn)表明，隨著金屬板厚度的增加，其預(yù)熱時(shí)間也會(huì)增加。用氫氧焰切割厚度在40mm以下的碳鋼板時(shí)，預(yù)熱所需時(shí)間與氧乙炔焰基本相同，僅在切割70mm以上的厚碳鋼板時(shí)，氫氧焰預(yù)熱時(shí)間比氧乙炔焰多2秒-5秒，基本不影響實(shí)際操作。

3.3 耗氣量

氫氧混合氣能否替代乙炔，還取決于切割一定厚度所需的燃?xì)饬髁考扒懈钛趿髁?，因?yàn)檫@在很大程度上決定了使用經(jīng)濟(jì)性。用氫氧焰和乙炔焰切割時(shí)所需的燃?xì)饬考扒懈钛趿吭囼?yàn)結(jié)果見圖l、圖2。

圖1 氫氧混合氣、乙炔的消耗量與被切割金屬板厚度的關(guān)系

圖2 氫氧混合氣消耗量與被切割金屬板厚度的關(guān)系

從以上看出：(1)在相近條件下。切割金屬板時(shí)，氫氧混合氣的消耗量是乙炔氣的消耗量的3倍左右，也就是說，消耗3立方米的氫氧混臺(tái)氣相當(dāng)于消耗1立方米的乙炔氣。(2)由于氫氧混合氣中含有1/3的氧氣，切割所消耗的切割氧比用乙炔低10%-20%。(3)用氫氧混合氣進(jìn)行金屬切割與乙炔相比，消耗的總氣體量(燃?xì)?、切割?相差不多。因此，使用氫氧混合氣代替乙炔氣切割時(shí)，仍可使用原型號(hào)的割矩及噴嘴。

表2 丙烷氣使用成本 m3，元

4.連鑄坯氫氧火焰切割經(jīng)濟(jì)分析

QYJ-24000水電解氫氧發(fā)生器在濟(jì)源鋼鐵公司連鑄生產(chǎn)線作為燃?xì)庠从糜阼T坯切割，現(xiàn)將150mm×150mm連鑄坯氫氧火焰切割的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

4.1 基本數(shù)據(jù)

(1)按四機(jī)四流設(shè)計(jì)產(chǎn)量80萬噸計(jì)算，12m定尺。

(2)拉速為2.7m/min，切割周期按45s計(jì)算。

(3)氧—?dú)溲鯕馇懈睿呵懈?50mm×150mm方坯，氫氧發(fā)生器每流每小時(shí)實(shí)際耗電量25千瓦·時(shí)，電費(fèi)按0.5元/度計(jì)算。

(4)管道氧氣0.5元/m3，焦?fàn)t煤氣1.2元/m3，噸鋼生產(chǎn)成本按2500元/噸計(jì)算。

(5)切割槍燃?xì)饬髁浚?6m3/h

(6)基本數(shù)據(jù)計(jì)算：

單根鋼坯重

0.15 m×0.15m×12m×7.8t/m3=2.106t

折合鋼坯數(shù)量 800000t÷2.106t/根=379867根

鋼坯單位重量（t）0.15m×0.15m×1m×7.8t/m3=0.1755t

4.2 丙烷氣、焦?fàn)t煤氣及其他燃?xì)?、氫氧氣的使用成?/p>

(1)氧—丙烷火焰

丙烷（C3H8）燃燒的化學(xué)方程式為：C3H8+5O2=3CO2+4H2O，可知每消耗一個(gè)單位體積的丙烷需要5倍單位體積的混合氧氣。

每次切割丙烷耗量：16m3/h÷3600s/h×45s=0.20 m3

每次切割混和氧氣耗量為：0.20m3×5＝1.0m3

表1為丙烷氣計(jì)算的使用成本（斷火）。丙烷價(jià)格以4500元/噸計(jì)算，折合成單位體積價(jià)格為：8.33元/m3。

(2)焦?fàn)t煤氣、乙炔

乙炔（C2H2）燃燒的化學(xué)方程式為2C2H2+5O2=4CO2+2H2O

一氧化碳（CO）燃燒的化學(xué)方程式為2CO+O2=2CO2

凈化后的焦?fàn)t煤氣是無色，有臭味的有毒氣體，其主要成分是H2（60%）、CH4（22%-26%）、CO（6%-9%）、CnHm（4.5%）及CO2、N2、O2等雜質(zhì)。根據(jù)成分折算，焦?fàn)t煤氣燃燒需要混合氧氣體積比基本上是1:1，即可計(jì)算出焦?fàn)t煤氣噸鋼耗氧（150mm×150mm截面，12m定尺）為0.14元/噸。焦?fàn)t煤氣價(jià)格在1.2元/m3左右，噸鋼直接使用成本≤1.3元/噸，比氫氧氣略高，但其附屬設(shè)施（回收凈化、加壓、煤氣柜儲(chǔ)存、管網(wǎng)、安全）投資維護(hù)費(fèi)用很高，如果是為了連鑄切割而單獨(dú)投資是不經(jīng)濟(jì)的。

乙炔作為傳統(tǒng)燃?xì)馇懈罴庸そ饘?，火焰溫度高、熱值大，但由于乙炔生產(chǎn)成本高，用于連鑄切割噸鋼成本在4元/噸以上，同時(shí)存在安全、污染等問題，目前已經(jīng)很少有廠家采用氧乙炔火焰切割連鑄坯。

(3)氫氧氣

水（H2O）電解的化學(xué)方程式為 2H2O=2H2+ O2

氫氣（H2）燃燒的化學(xué)方程式為 2H2+O2=2 H2O

水電解制取的氧氣本身就滿足了氫氣燃燒的需要，因此不需要消耗低壓氧（或稱混合氧），可以省下大量的混合氧費(fèi)用，其直接使用成本只與電費(fèi)有關(guān)。在不斷火的情況下，氫氧氣切割連鑄坯噸鋼成本與拉速成反比，與定尺無關(guān)。見表3。

表3 采用氫氧氣不熄火切割、斷火切割連鑄坯的經(jīng)濟(jì)效益分析

注：根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)氫氧發(fā)生器每流備件年需＜1.2萬元。

5.效益對(duì)比

連鑄坯采用氫氧火焰切割與采用其他燃?xì)庀啾冉?jīng)濟(jì)效益顯著。見表4。

表4 采用氫氧氣、丙烷燃?xì)獾慕?jīng)濟(jì)效益對(duì)比 元，萬元

注：150mm×150mm截面、12m定尺、年產(chǎn)80萬噸連鑄坯。

6.鋼坯成品的影響

由于其他燃?xì)饨橘|(zhì)都含有碳元素，F(xiàn)e+C→FeC，因此在連鑄坯切割后掛渣多且發(fā)粘，不易清理，在軋鋼前需要專門精整。而氫氧氣切割同種連鑄坯掛渣少，且由于氫脆現(xiàn)象掛渣脆易清理。同時(shí)，由于氫氧氣火焰挺直度好，切割斷面平整。

7.安全性

7.1 乙炔氣

乙炔屬不飽和烴，是一種窒息性氣體，化學(xué)性質(zhì)活潑，易燃易爆，著火溫度為406℃-440℃，與空氣混合的爆炸極限是2.5%-80.0%，與空氣相對(duì)密度15.6℃時(shí)0.906。泄漏時(shí)擴(kuò)散慢，極易發(fā)生著火、爆炸等安全事故，必須按照嚴(yán)格的技術(shù)、安全操作規(guī)程使用。

7.2 丙烷氣

丙烷屬飽和型碳?xì)浠衔?，著火溫度?15℃-543℃，與空氣混合的爆炸范圍較窄，極限是2.3%-9.5%，與空氣相對(duì)密度15.6℃時(shí)1.52，本身毒性大，會(huì)嚴(yán)重危害人身健康。由于其燃燒速度慢，不易回火。但泄漏時(shí)在低洼處形成聚積，必須按照嚴(yán)格的技術(shù)、安全操作規(guī)程使用。

7.3 焦?fàn)t煤氣

凈化后的焦?fàn)t煤氣是無色，有臭味的有毒氣體。著火溫度為550℃-650℃，與空氣混合的爆炸極限是4.27%-37.59%。易發(fā)生中毒、著火、爆炸等安全事故。

7.4 氫氧氣

氫氧氣價(jià)格低廉、無污染，符合環(huán)保要求，氫氣無毒，不會(huì)危害操作人員的身體健康。著火溫度為580℃-590℃，與空氣混合的爆炸極限是4.0%-74.2%，與空氣相對(duì)密度15.6℃時(shí)0.069。水電解氫氧發(fā)生器工作壓力低，不儲(chǔ)存，隨產(chǎn)隨用，且氫氣比重小，易飛散，即使泄漏也不會(huì)聚積，不會(huì)發(fā)生燃?xì)庹颈ǖ葠盒允鹿?。同時(shí)，氫氧發(fā)生器不是壓力容器，不在社會(huì)勞動(dòng)安全部門管轄的范圍內(nèi)，而其他任何燃?xì)獾氖褂枚家ㄟ^社會(huì)勞動(dòng)安全部門監(jiān)管。

8.節(jié)能環(huán)保

氫氧混合氣無毒、無味，燃燒后的生成物為水，對(duì)環(huán)境無任何污染，是一種最清潔的燃料，對(duì)于改善操作者的勞動(dòng)條件具有重要的意義．能適合于對(duì)衛(wèi)生要求很高的醫(yī)藥行業(yè)的藥劑玻璃封口的燒制．燈具封口的燒制和金銀首飾的熱加工等。

9.總結(jié)

綜上所述，電解水制氫技術(shù)有著較大優(yōu)勢(shì)，對(duì)鑄件的切割質(zhì)量有著較大的提高。將給我國冶煉產(chǎn)業(yè)在節(jié)能減排等領(lǐng)域帶來極好的發(fā)展空間。如今，制氫設(shè)備已完全具備在任何鋼鐵企業(yè)連鑄坯生產(chǎn)線上連續(xù)工作的能力。為進(jìn)一步拓寬市場(chǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著電解水制氫技術(shù)的不斷成熟，電解水制氫技術(shù)終將成為新能源領(lǐng)域不可或缺的一員。

[1]孟昭光，我國熱切割設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)狀，存在的問題與發(fā)展戰(zhàn)略的分析與建設(shè)。第六屆全國焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第一集）。1990.

[2]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)編 無機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）北京；高等教育出版社1986。

[3]王建輝，水電解制氫設(shè)備的安全與維護(hù).2006.

[4]Rosalie Broslow. Welding Design Fabrication.Fuel Gases for Cutting Part1,2,1989(4），（5）

（作者單位：唐山曦源科技有限公司）