Газы-заменители ацетилена могут быть использованы в тех процессах газопламенной обработки, для которых не требуется слишком высокая температура подогревающего пламени. К таким процессам относятся: сварка легкоплавких металлов (алюминия, магния и их сплавов, свинца), высоко- и низкотемпературная пайка, поверхностная закалка, сварка тонколистовой стали, кислородная разделительная и поверхностная резка. Широкое применение газы-заменители находят при кислородной разделительной резке, где температура подогревающего пламени не влияет на характер протекания процесса, а лишь сказывается на длительности начального подогрева металла перед резкой. Поэтому для резки могут использоваться все газы-заменители, у которых температура пламени при сгорании в смеси с кислородом не ниже 1800-2000°С, а теплотворная способность не менее 10 000 кДж/м³ (=2400 ккал/м³).
Газы-заменители, как правило, дешевле ацетилена, недефицитны и доступны для использования в районах их производства. Использование местных дешевых горючих газов вместо ацетилена значительно снижает стоимость газопламенной обработки и упрощает организацию работ.
Эффективность и условия использования газов-заменителей при обработке материалов газокислородным пламенем в основном определяются следующими их свойствами: низшей теплотворной способностью; плотностью; температурой воспламенения и скоростью горения в смеси с кислородом; соотношением между кислородом и горючим в смеси; эффективной тепловой мощностью пламени; температурой пламени при сгорании в смеси с кислородом; удобствами и безопасностью при получении, транспортировке и использовании.
Рассмотрим некоторые, наиболее важные свойства газов-заменителей.
Низшая теплотворная способность Qн представляет собой количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы объема или массы горючего; имеет размерность соответственно ккал/м3 или ккал/кг. Для чистых углеводородов и водорода теплотворная способность является физической константой. Для ее определения пользуются газовым калориметрированием.
Для сложных газовых смесей известного состава теплотворная способность в ккал/м³ (при 20°С и 760 мм рт. ст.) может быть подсчитана по формуле
Q_н=24Н₂+80СН₄+206С₃Н₈+140С_mН_n+28СО+275С₄Н₁₀. (6)
Содержание составных частей в формуле (6) приведено в объемных процентах. Символом С_mН_n обозначена сумма прочих высокомолекулярных углеводородов, содержащихся в газе. Коэффициенты перед обозначениями составных частей газа получены как значения 0,01 Q_н для каждого горючего, входящего в состав газа-заменителя.
Плотность (кг/м³) для сложных газовых смесей определяют по формуле



Теоретическое соотношение между количествами кислорода и горючего для полного сгорания определяется элементарным составом горючего газа. Для газовых смесей оно может быть определено по формуле


Эффективная мощность пламени - это количество теплоты, вводимой в нагреваемый металл в единицу времени (кал/с). В наибольшей степени эффективная мощность пламени для данного горючего газа зависит от двух величин: соотношения кислорода и горючего газа в смеси (рис. 7) и расхода горючего газа (рис. 8). Соотношение кислорода V_к и горючего газа V_г в смеси для различных горючих принимают следующим:





Коэффициент замены ацетилена - отношение расхода газа-заменителя V_з к расходу ацетилена V_а при равном тепловом воздействии на нагреваемый металл - обозначается


Для определения значения коэффициента замены пользуются графиками на рис. 7 и 8, по которым находят расход газа-заменителя для условий, когда он при сгорании в смеси с кислородом (при рабочем соотношении газов в смеси) обеспечивает эффективную мощность пламени, равную таковой для ацетилено-кислородного пламени состава: кислород/ацетилен = 1,15. Принимаемые на практике значения коэффициентов замены ацетилена другими горючими приведены в табл. 3.



Рассмотрим основные свойства и области применения газов-заменителей.
Водород. В нормальных условиях водород представляет собой газ без цвета и запаха, плотностью 0,084 кг/м³. Это взрывоопасный газ, способный проникать через малейшие неплотности в окружающую среду, образуя взрывоопасные смеси c воздухом.
Поэтому при работе с водородом необходимо обращать особое внимание на герметичность аппаратуры и газовых коммуникаций.
Температура водородно-кислородного пламени 2000-2100°С. Его можно применять для получения высокочистых металлов в газовом пламени и для безокислительной пайки сталей.
Природный газ (метан). Состав природного газа определяется характером газового месторождения, и в среднем он примерно следующий (об.%): СН₄ - 97,8; С₂Н₆ и С₃Н₈ - 0,9; N₂ и СО₂ - 1,3.
Плотность природного газа может быть принята равной 0,7-0,9 кг/м³, низшая теплотворная способность 31000-33000 кДж/м³ (7500-7900 ккал/м³). Температура пламени при сгорании газа в смеси с кислородом равна 2100-2200°С.
Природный газ применяется при разделительной и поверхностной кислородной резке стали, сварке стали толщиной до 4-5 мм, сварке легкоплавких металлов и сплавов, пайке и других процессах газопламенной обработки, допускающих использование пламени с более низкой температурой, чем кислородно-ацетиленовое.
Пропан технический и пропано-бутановая смесь. Эти газы - побочные продукты при переработке нефти. По ГОСТ 10196-62 пропан технический состоит главным образом из пропана (С₃Н₈) или из пропана и пропилена (С₃Н_б), количество которых в сумме должно быть не менее 93 об.%. Кроме того, в нем содержится в сумме не более 4% этана (С₂Н₆) и этилена (С₂Н₄) и не более 3% бутана (С₄Н₁₀) и бутилена (С₄Н₈).
Плотность пропана 1,88 кг/м³, бутана 2,52 кг/м³. Плотность относительно воздуха для пропана 1,57, для бутана 2,1. Низшая теплотворная способность пропана равна 87000 кДж/м³ (20800 ккал/м³), бутана 116000 кДж/м³ (27800 ккал/м³).
Температура пламени пропана и пропано-бутановой смеси при сгорании в смеси с кислородом равна 2400-2500°С и при дополнительном подогреве смеси в мундштуке может достигать 2700°С.
При повышении давления или при понижении температуры пропан, бутан и их смеси переходят в жидкое состояние, их называют тогда сжиженными газами. При температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст. они находятся в газообразном состоянии.
Сжиженные газы широко применяются в качестве заменителей ацетилена. Пропан, бутан и их смеси можно использовать при сварке стали толщиной до 6 мм (в отдельных случаях до 12 мм), сварке и пайке чугуна, цветных металлов и сплавов, кислородной и кислородно-флюсовой резке (разделительной и поверхностной) сталей, наплавке, поверхностной закалке, металлизации, напылении пластмасс, нагреве при гибке, правке, формовке и других подобных процессах.
При использовании технического пропана отбор его из газовой фазы баллона можно производить при температурах окружающей среды до минус 25°С. При пропано-бутановой смеси это можно делать при окружающей температуре не ниже +8°С. При более низких температурах применяют общий подогрев баллонов до 10—20°С в камерах, обогреваемых воздухом, поступающим из электрокалорифера.
При разделительной резке, сварке цветных металлов, пламенной закалке и пайке для замены 1 т карбида кальция (что эквивалентно примерно 235 м³ ацетилена) требуется 0,3 т сжиженного газа. При поверхностной кислородной резке, сварке черных металлов, металлизации и других процессах 1 т карбида кальция заменяется 0,5 т сжиженного газа.
Коксовый и сланцевый газы. Коксовый газ получают в процессе коксования каменного угля. Средний состав коксового газа следующий: 50-59% Н₂; 25-30% СН₄; 1,8-3% С₂Н₄ и других непредельных углеводородов; 5-7% СО; 6-13% N₂ и СО₂; 0,5-0,8% О₂.
Сланцевый газ получают при газификации горючих сланцев. Его состав приблизительно следующий: 25-40% Н₂; 14-17% СН₄; 10-20% СО; 10-20% СО₂; 4-5% С₉Н₆ и других углеводородов; 22-25% N₂; до 1% О₂.
Характеристика этих газов следующая:


Коксовый и сланцевый газы к постам газопламенной обработки подают по трубопроводу. Их используют при сварке легкоплавких металлов, пайке, разделительной и поверхностной кислородной и кислородно-флюсовой резке и других процессах, для которых достаточна температура пламени 2000°С.

Городской газ. Состав газа не регламентирован ГОСТ 5542-50. Плотность городского газа 0,84-1,05 кг/м³, низшая теплотворная способность 18800-21000 кДж/м³ (4500-5000 ккал/м³), температура газокислородного пламени 2000°С. Области применения те же, что и для коксового газа.
Керосин и бензин. Характеристики этих заменителей следующие:


Керосин более безопасен в работе. Применяется только осветительный керосин по ГОСТ 4753-68. Перед заливкой в бачок керосин рекомендуется профильтровать через слой войлока и кускового едкого натра NaOH для очистки от механических частиц, остатков смолистых веществ и обезвоживания. Керосин используют при резке стали, бензин - при резке под водой. Применение этилированного бензина запрещается.
Пиролизный и нефтяной газы. Это смеси газообразных продуктов термического разложения нефти, нефтепродуктов и мазута при температуре 720-740°С в ретортах, Выход газа составляет 0,35-0,4 м³ на 1 кг нефти. Состав газа зависит от состава нефти и режима ее переработки. При наполнении в баллоны газ находится частично в сжиженном состоянии. При отборе газа состав его изменяется вследствие испарения в первую очередь более летучих компонентов. Для выравнивания состава газа и предупреждения частичной конденсации в трубопроводах и шлангах перед горелкой иногда приходится устанавливать промежуточный ресивер емкостью 40 дм³, в котором газ находится под избыточным давлением 0,3-0,4 МПа (3-4 кгс/см²); из ресивера газ через регулятор давления поступает в горелку или резак. Характеристика этих газов следующая:


К газовым постам нефтяной газ подается в баллонах под давлением до 15-16,5 МПа (150-165 кгс/см²), пиролизный газ - по трубопроводу под давлением, имеющимся в установке для разложения нефти. Области применения этих газов те же, что и при использовали пропана и пропано-бутановых смесей. Ввиду более низкой температуры пламени пиролизный и нефтяной газы можно использовать для сварки стали толщиной не более 3 мм.