水電解氫氧焊割機的實用性研究

石建設

水電解氫氧焊割機的實用性研究

石建設

用水電解制得氫氧混合氣，可以取代氧氣和乙炔氣進行金屬切割和焊接。本文對這種新工藝進行了實驗分析和經濟性分析。

氫氧混合氣 乙炔 切割

1.引言

能源是人類社會存在與發展的物質基礎。自工業革命以來，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系極大地推動了人類社會的發展。我國經濟發展離不開能源，但化石燃料資源的日益稀缺和環境保護要求的逐步嚴格給經濟發展提出了更高要求。

目前，我國鋼鐵企業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品，其燃點高，燃燒速度慢，化學性質不活潑，一般用于燃料。20世紀60年代起，國際上就開始進行工業化使用實驗，陸續開發出特利氣、霞普氣、佛來瑪克斯氣、凱騰氣等，實質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品，因此受產地、批次以及添加劑性能、數量的影響，很難保證其使用效果的穩定性（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）燃燒的化學方程式為：C3H8+5O2=3CO2+4H2O，可知每消耗一個單位體積的丙烷需要5倍單位體積的混合氧氣。乙炔作為傳統燃氣切割加工金屬，火焰溫度高、熱值大，但由于乙炔生產成本高，用于連鑄切割噸鋼成本在4元以上，同時存在安全、污染等問題，目前已經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的特點

QYJ-24000型水電解氫氧焊割機利用普通水通過電解產生氫氧氣，進行氣焊、切割和各種火焰加工，具有明顯的節能、安全、清潔、經濟等優點。被列為“八五”國家重點新技術推廣項目。其主要技術參數為：產氣量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用性對比

3.1 燃燒特性

燃氣的實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，可以部分彌補其燃燒熱值低、火焰溫度低的不足。

3.2 切割速度和預熱時間

切割速度及預熱時間直接影響工作效率，也決定氫氧焊割機能否得到推廣的一個重要因素。在金屬切割時，金屬在加熱達到燃點以后，其切割速度取決于每單位體積金屬燃燒反應所需的氧氣量，以及與氧氣壓力、割矩和噴嘴型號尺寸有關，而對燃氣燃燒溫度熱值的影響較小。另外，金屬氧化反應所放出的熱量可以彌補氫氣熱值低的不足。理論分析和試驗結果都證明，用氫氣和乙炔進行切割，其速度基本相同。為掌握氧乙炔和氫氧混合氣進行切割時所需的預熱時間，進行的一系列具有可比性的試驗表明，隨著金屬板厚度的增加，其預熱時間也會增加。用氫氧焰切割厚度在40mm以下的碳鋼板時，預熱所需時間與氧乙炔焰基本相同，僅在切割70mm以上的厚碳鋼板時，氫氧焰預熱時間比氧乙炔焰多2秒-5秒，基本不影響實際操作。

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氣流量及切割氧流量，因為這在很大程度上決定了使用經濟性。用氫氧焰和乙炔焰切割時所需的燃氣量及切割氧量試驗結果見圖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系

圖2 氫氧混合氣消耗量與被切割金屬板厚度的關系

從以上看出：(1)在相近條件下。切割金屬板時，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立方米的氫氧混臺氣相當于消耗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)用氫氧混合氣進行金屬切割與乙炔相比，消耗的總氣體量(燃氣、切割氧)相差不多。因此，使用氫氧混合氣代替乙炔氣切割時，仍可使用原型號的割矩及噴嘴。

表2 丙烷氣使用成本 m3，元

4.連鑄坯氫氧火焰切割經濟分析

QYJ-24000水電解氫氧發生器在濟源鋼鐵公司連鑄生產線作為燃氣源用于鑄坯切割，現將150mm×150mm連鑄坯氫氧火焰切割的經濟技術分析結果匯總如下：

4.1 基本數據

(1)按四機四流設計產量80萬噸計算，12m定尺。

(2)拉速為2.7m/min，切割周期按45s計算。

(3)氧—氫氧氣切割：切割150mm×150mm方坯，氫氧發生器每流每小時實際耗電量25千瓦·時，電費按0.5元/度計算。

(4)管道氧氣0.5元/m3，焦爐煤氣1.2元/m3，噸鋼生產成本按2500元/噸計算。

(5)切割槍燃氣流量：16m3/h

(6)基本數據計算：

單根鋼坯重

0.15 m×0.15m×12m×7.8t/m3=2.106t

折合鋼坯數量 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、焦爐煤氣及其他燃氣、氫氧氣的使用成本

(1)氧—丙烷火焰

丙烷（C3H8）燃燒的化學方程式為：C3H8+5O2=3CO2+4H2O，可知每消耗一個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為丙烷氣計算的使用成本（斷火）。丙烷價格以4500元/噸計算，折合成單位體積價格為：8.33元/m3。

(2)焦爐煤氣、乙炔

乙炔（C2H2）燃燒的化學方程式為2C2H2+5O2=4CO2+2H2O

一氧化碳（CO）燃燒的化學方程式為2CO+O2=2CO2

凈化后的焦爐煤氣是無色，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。根據成分折算，焦爐煤氣燃燒需要混合氧氣體積比基本上是1:1，即可計算出焦爐煤氣噸鋼耗氧（150mm×150mm截面，12m定尺）為0.14元/噸。焦爐煤氣價格在1.2元/m3左右，噸鋼直接使用成本≤1.3元/噸，比氫氧氣略高，但其附屬設施（回收凈化、加壓、煤氣柜儲存、管網、安全）投資維護費用很高，如果是為了連鑄切割而單獨投資是不經濟的。

乙炔作為傳統燃氣切割加工金屬，火焰溫度高、熱值大，但由于乙炔生產成本高，用于連鑄切割噸鋼成本在4元/噸以上，同時存在安全、污染等問題，目前已經很少有廠家采用氧乙炔火焰切割連鑄坯。

(3)氫氧氣

水（H2O）電解的化學方程式為 2H2O=2H2+ O2

氫氣（H2）燃燒的化學方程式為 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用，其直接使用成本只與電費有關。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。見表3。

表3 采用氫氧氣不熄火切割、斷火切割連鑄坯的經濟效益分析

注：根據實際統計氫氧發生器每流備件年需＜1.2萬元。

5.效益對比

連鑄坯采用氫氧火焰切割與采用其他燃氣相比經濟效益顯著。見表4。

表4 采用氫氧氣、丙烷燃氣的經濟效益對比 元，萬元

注：150mm×150mm截面、12m定尺、年產80萬噸連鑄坯。

6.鋼坯成品的影響

由于其他燃氣介質都含有碳元素，Fe+C→FeC，因此在連鑄坯切割后掛渣多且發粘，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，且由于氫脆現象掛渣脆易清理。同時，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，化學性質活潑，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%，與空氣相對密度15.6℃時0.906。泄漏時擴散慢，極易發生著火、爆炸等安全事故，必須按照嚴格的技術、安全操作規程使用。

7.2 丙烷氣

丙烷屬飽和型碳氫化合物，著火溫度為515℃-543℃，與空氣混合的爆炸范圍較窄，極限是2.3%-9.5%，與空氣相對密度15.6℃時1.52，本身毒性大，會嚴重危害人身健康。由于其燃燒速度慢，不易回火。但泄漏時在低洼處形成聚積，必須按照嚴格的技術、安全操作規程使用。

7.3 焦爐煤氣

凈化后的焦爐煤氣是無色，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%。易發生中毒、著火、爆炸等安全事故。

7.4 氫氧氣

氫氧氣價格低廉、無污染，符合環保要求，氫氣無毒，不會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%，與空氣相對密度15.6℃時0.069。水電解氫氧發生器工作壓力低，不儲存，隨產隨用，且氫氣比重小，易飛散，即使泄漏也不會聚積，不會發生燃氣站爆炸等惡性事故。同時，氫氧發生器不是壓力容器，不在社會勞動安全部門管轄的范圍內，而其他任何燃氣的使用都要通過社會勞動安全部門監管。

8.節能環保

氫氧混合氣無毒、無味，燃燒后的生成物為水，對環境無任何污染，是一種最清潔的燃料，對于改善操作者的勞動條件具有重要的意義．能適合于對衛生要求很高的醫藥行業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

綜上所述，電解水制氫技術有著較大優勢，對鑄件的切割質量有著較大的提高。將給我國冶煉產業在節能減排等領域帶來極好的發展空間。如今，制氫設備已完全具備在任何鋼鐵企業連鑄坯生產線上連續工作的能力。為進一步拓寬市場奠定了良好的基礎。隨著電解水制氫技術的不斷成熟，電解水制氫技術終將成為新能源領域不可或缺的一員。

[1]孟昭光，我國熱切割設備生產現狀，存在的問題與發展戰略的分析與建設。第六屆全國焊接學術會議論文集（第一集）。1990.

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

[3]王建輝，水電解制氫設備的安全與維護.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）