摘　要：介紹金屬氧氣切割原理及切割燃?xì)夥N類。針對天然氣作為切割燃?xì)獯嬖诘木窒扌裕岢黾幼⒋呋瘎┨岣咔懈钏俾实慕鉀Q方法，對催化劑加注工藝、使用效果及優(yōu)勢進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：金屬氧氣切割；  切割燃?xì)猓?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">  天然氣；  催化劑

Limitation and Solution in Using Natural Gas for Oxygen Cutting of Metals

Abstract：The principle of oxygen cutting of metals and types of cutting gases are introduced．For the limitation of using natural gas as cutting gas，the solution of the filling catalyst to improve cutting speed is proposed．The process of filling catalyst，use effect and advantages are analyzed．

Keywords：oxygen cutting of metals；cutting gas；natural gas；catalyst

1　金屬氧氣切割原理

金屬氧氣切割是利用氣體火焰(可以是氧－乙炔火焰、氧－丙烷火焰、氧－天然氣火焰)將鋼件(低碳鋼、中碳鋼、低合金鋼及鈦等)切割處預(yù)熱至一定溫度(金屬燃點(diǎn))，然后用高速切割氧氣流(氧的純度大于99％)使切割部位燃燒，從而實(shí)現(xiàn)切割的一種方法。因此，金屬氧氣切割過程實(shí)質(zhì)是金屬在氧中的燃燒過程，而不是熔化過程。切割燃?xì)?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">(指乙炔、丙烷、天然氣等)在切割過程中的作用是為鋼件切割提供熱量，隨著切割過程的進(jìn)行，金屬與氧氣燃燒反應(yīng)放出大量的熱，可進(jìn)一步提高切割部位的溫度，促進(jìn)金屬切割連續(xù)進(jìn)行。

以切割燃?xì)鉃橐胰矠槔?，介紹金屬氧氣切割過程為[1]：利用氧－乙炔火焰(氧－乙炔混合氣由割炬混合氣管經(jīng)割嘴環(huán)形外嘴噴出)將鋼件切割處預(yù)熱到金屬燃點(diǎn)。然后打開高壓氧氣閥，高速切割氧氣流由割炬高壓氧氣管經(jīng)割嘴內(nèi)嘴噴出，使已預(yù)熱的部位燃燒，生成的金屬氧化物(熔渣)最終被高速切割氧氣流吹走。

2　切割燃?xì)夥N類

①乙炔

1903年，法國科學(xué)家皮爾卡將乙炔(C2H2)運(yùn)用到金屬切割和焊接，很快就成為金屬氧氣焊割領(lǐng)域的主要切割燃?xì)狻?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">20世紀(jì)90年代以前，我國的切割燃?xì)庖恢币砸胰矠橹鳌?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">

優(yōu)點(diǎn)：氧-乙炔氧化焰的最高溫度約3500℃，高于目前其他常用切割燃?xì)狻Ｓ糜诮饘偾懈顣r(shí)預(yù)熱時(shí)間短，切割速度也非常理想。對于25mm厚普通低碳鋼板，切割速度可達(dá)到450mm／min以上。

缺點(diǎn)：乙炔生產(chǎn)能耗高，污染嚴(yán)重。易爆炸，安全性低。價(jià)格高，經(jīng)濟(jì)性差。

②丙烷

丙烷(C3H8)是石油化工工業(yè)的副產(chǎn)品，也是新興切割燃?xì)獾拇?，其來源豐富，價(jià)格低廉，燃燒對環(huán)境無污染，是乙炔的替代品。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)效益較好，切割成本比乙炔低25％～30％。

缺點(diǎn)：氧－丙烷氧化焰的最高溫度比氧－乙炔火焰低，約2753℃。對于25mm厚普通低碳鋼板，切割速度一般為380mm／min。易爆炸，安全性低。

③天然氣

優(yōu)點(diǎn)：相對安全：著火溫度為540℃，著火溫度比乙炔、丙烷高，遇到熾熱金屬不易被點(diǎn)燃；天然氣的爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))為5％～15％，密度為0.74～0.76kg／m3，泄漏后不易積聚成爆炸性氣體。使用方便：切割燃?xì)馊舨捎霉艿捞烊粴?，則不涉及儲存問題。

缺點(diǎn)：切割速度慢，氧-天然氣氧化焰的最高溫度約2711℃，對于18mm厚普通低碳鋼板，切割速度一般為120～150mm／min，遠(yuǎn)達(dá)不到切割工藝的最低要求。經(jīng)濟(jì)性差，由于天然氣熱值低，切割速度慢，天然氣耗量較高，由此導(dǎo)致耗氧量上升，條件相同情況下，總使用成本超過丙烷。

3　天然氣作為切割燃?xì)獾墓に嚫倪M(jìn)

3.1　改進(jìn)方向

在實(shí)際金屬切割過程中，我們用紅外測溫儀對氧－天然氣火焰溫度進(jìn)行測量，最高溫度無法達(dá)到2711℃，僅為2000℃左右。由金屬氧氣切割原理可知，提高氧－天然氣火焰溫度，是加快切割速度的途徑之一。當(dāng)天然氣作為切割燃?xì)鈺r(shí)，可在氧氣流中加入鐵粉，鐵粉在氧－天然氣火焰中發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，放出大量的熱量，進(jìn)而提高火焰溫度。但這種方法的工藝復(fù)雜，導(dǎo)致切割成本大幅提高，常規(guī)金屬切割領(lǐng)域難以大規(guī)模推廣。因此，我們只能從加速氧與鐵的燃燒反應(yīng)入手，加快切割速度。

氧與鐵的燃燒反應(yīng)是一種典型的氧化反應(yīng)，反應(yīng)速度與反應(yīng)物的濃度、溫度以及是否添加催化劑有關(guān)。催化劑是一種能夠改變反應(yīng)的速率而不改變化學(xué)平衡的物質(zhì)。在金屬切割過程中，除氧與天然氣燃燒放熱外，使金屬切割過程得以持續(xù)進(jìn)行的熱量還來自氧與鐵的燃燒反應(yīng)熱。催化劑的存在，加速了氧與鐵的燃燒反應(yīng)，放熱速率加快，切割速度得到大幅提高[2]。

目前，市場上出現(xiàn)了一種名為先鋒的催化劑(以下簡稱為VAN催化劑)。VAN催化劑加注工藝流程見圖1。管道天然氣經(jīng)過調(diào)壓計(jì)量后與VAN催化劑在混合器內(nèi)進(jìn)行充分混合，然后作為切割燃?xì)夤┣懈钤O(shè)備使用。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)壓計(jì)量裝置反饋的流量信號，控制VAN催化劑輸送泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入混合器內(nèi)的VAN催化劑流量。燃?xì)庹{(diào)壓計(jì)量裝置、VAN輸送泵均設(shè)置成1用1備。

3.2　使用效果

 為了分析VAN催化劑能否加速氧與鐵的燃燒反應(yīng)，從而加快切割速度，2008年7月我們在安徽蕪湖新聯(lián)船廠備料車間進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)切割設(shè)備為數(shù)控火焰切割機(jī)，切割燃?xì)夥謩e采用乙炔、丙烷、12T天然氣、添加VAN．催化劑的天然氣，測溫儀器采用紅外測溫儀，切割對象為25mm厚普通低碳鋼板，切割燃?xì)鈮毫?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">0.05MPa。4種切割燃?xì)獾那懈钚Ч姳?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">1。

由表1可知，采用添加VAN催化劑的天然氣作為切割燃?xì)鈺r(shí)，切割速度比單純采用天然氣時(shí)大幅提高，達(dá)到甚至超過乙炔，且切割面平整。由溫度測量結(jié)果可知，與未添加VAN催化劑相比，氧－天然氣火焰溫度僅略有提高。這表明添加VAN催化劑后，氧與鐵的燃燒反應(yīng)速度得到提高。

3.3　優(yōu)勢

①經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

我們在安徽蕪湖、安徽銅陵、江蘇常州等地分別進(jìn)行了大量切割對比試驗(yàn)，選取在南車集團(tuán)銅陵廠進(jìn)行的切割試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。切割對象為25mm厚Q235A鋼板，切割長度為440m。天然氣價(jià)格為3.6元／m3，1m3天然氣添加VAN催化劑的成本為4.5元。采用3種切割燃?xì)獾慕?jīng)濟(jì)性比較見表2。由表2可知，與乙炔、丙烷相比，采用添加VAN催化劑的天然氣的單位切割長度切割成本可分別節(jié)省0.41、0.17元/m。

②其他優(yōu)勢

目前，作為切割燃?xì)獾囊胰不緸槿芙庖胰?，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，瓶裝溶解乙炔必須保留余量，不得用盡。丙烷類切割燃?xì)猓诙緶囟容^低時(shí)(特別是戶外作業(yè))，因氣化困難，也難免留有殘液，造成浪費(fèi)。當(dāng)天然氣作為切割燃?xì)鈺r(shí)，無論采用管道天然氣，還是壓縮天然氣、液化天然氣，均可實(shí)現(xiàn)無殘留。

根據(jù)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的需要，乙炔、丙烷鋼瓶必須集中放置、統(tǒng)一管理，并使用匯流排向工作點(diǎn)供氣。若采用添加VAN催化劑的管道天然氣作為切割燃?xì)猓?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">VAN催化劑加注裝置的占地面積儀為6m2，相比乙炔、丙烷解決了占地面積大的問題。

4　結(jié)論

采用天然氣作為切割燃?xì)鈺r(shí)，添加VAN催化劑可提高切割速度，大幅節(jié)省燃料費(fèi)用，VAN催化劑加注裝置的占地面積也比較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁桂芳．切割技術(shù)手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：25-77．

[2]崔梅生，楊東，何柱生，等．催化材料對甲烷燃燒的催化作用[J]．中國稀土學(xué)報(bào)，2004(5)：15-18．

本文作者：陳允

作者單位：合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司