Реакция горения протекает обычно при соединении твердых, жидких или газообразных веществ с кислородом. Однако некоторые металлы могут гореть не только в кислороде. Так, например, железо горит в хлоре и фторе, окись натрия или бария - в углекислом газе, медь и железо - в парах серы.
Для процессов газопламенной обработки наибольшее значение имеет процесс горения различных горючих газов и паров жидких горючих веществ в кислороде или воздухе. Горение любой газовой смеси начинается с воспламенения ее при какой-то определенной температуре, зависящей от условий процесса горения. После того как горение началось, дальнейший нагрев газа внешним источником теплоты становится излишним, так как теплота сгорания газа оказывается достаточной для поддержания горения новых порций горючей смеси.
Однако устойчивый процесс горения возможен лишь в том случае, если выделяющейся при сгорании горючей смеси теплоты достаточно и для нагрева новых порций газа, и для компенсации потерь теплоты в окружающую среду. Так, например, в трубках малых диаметров и особенно в капиллярах, где теплоотвод стенками трубки велик (из-за большой величины отношения площади поверхности канала к его объему), горение газа невозможно.
Необходимое условие горения газа в кислороде или в воздухе - содержание горючего газа в смеси в определенных пределах, называемых пределами воспламенения. В зависимости от скорости воспламенения горючей смеси (скорость распространения пламени) различают следующие три вида горения:
1) спокойное - со скоростью распространения пламени, не превышающей 10-15 м/с;
2) взрывчатое - со скоростью распространения пламени, достигающей нескольких сот метров в секунду;
3) детонационное - со скоростью распространения пламени свыше 1000 м/с.
Скорость воспламенения (скорость распространения пламени) зависит от состава газовой смеси, давления, под которым газовая смесь находится, характера и объема пространства, в котором происходит горение, термомеханических условий на его границе (так, например, при горении смеси в трубках, основным параметром, определяющим эти условия, является диаметр трубки), от чистоты горючего газа и кислорода. С увеличением содержания в них примесей скорость воспламенения уменьшается.
Применяемые в процессах газопламенной обработки горючие газы или пары жидких горючих веществ представляют собой преимущественно смеси углеводородов с другими газами, например с окисью или двуокисью углерода. Из всех горючих в чистом виде применяется только водород. Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют пламя со светящимся ядром, аналогичным по строению ацетилено-кислородному пламени (рис. 35). Чем больше углерода в составе горючего газа, тем резче очерчено светящееся ядро пламени. В отличие от углеводородных газов, водородно-кислородное пламя светящегося ядра не образует, что затрудняет регулировку пламени по внешнему виду.



Кроме ацетилена, к горючим газам, образующим пламя со светящимся ядром, относятся метан, пропан, бутан, пропано-бутановые смеси, природные газы, нефтяной газ, пиролизный газ и др.
Наибольшее распространение в процессах газопламенной обработки, в особенности в процессах газовой сварки, получил ацетилен.
Сварочное ацетилено-кислородное пламя принято делить на нормальное, окислительное и науглероживающее.
В сварочном пламени рассматривают три зоны: ядро, среднюю восстановительную зону и факел - окислительную зону.
Полное сгорание ацетилена в кислороде протекает по реакции
С₂Н₂+2,5О₃=2СО₂+Н₂О+1300,6 кДж/моль (311,15 ккал/г-мол).
Реакции горения сварочного пламени, характеризующие начальные и конечные стадии процесса горения ацетилена в кислороде, в первом приближении можно представить протекающими в две фазы.
Очень условно и схематично первая фаза сгорания ацетилена в кислороде происходит при их поступлении из горелки в соотношении 1:1:
С₂Н₂+О₂-2СО+Н₂+452,64 кДж/моль (107,58 ккал/г-мол).
Во второй фазе сгорания горючего также условно и схематично окончательное окисление (догорание) его происходит за счет подсасывания в пламя кислорода воздуха:
2СО+Н₂+1,5О₂=2СО₂+Н₂О+865,54 кДж/моль (203,57 ккал/г-мол).
Пламя, образуемое при сгорании ацетилена в кислороде при подаче их в горелку в пропорции 1:1, принято называть нормальным.
Однако, практически, некоторая относительно небольшая часть водорода сгорает в водяной пар за счет кислорода, поступающего из горелки; кроме того, кислород имеет примеси, поэтому нормальное пламя образуется при несколько большем количестве поступающего из горелки кислорода, а именно при соотношении смеси 1,05-1,2.
Для окислительного пламени, например, с соотношением смеси 1,5, начальная стадия горения, соответствующая средней зоне пламени, может быть выражена реакцией
С₂Н₂+1,5О₂=2СО+Н₂+0,5О₂.
В этом случае средняя (рабочая) зона пламени утрачивает свои восстановительные свойства и приобретает окислительный характер.
Для науглероживающего пламени, в частности при соотношении смеси 0,5, реакцией, характеризующей сгорание горючего в средней зоне пламени, будет
С₂Н₃+0,5О₂=СО+С+Н₂.
В этом случае в средней зоне пламени появляется значительное количество свободного углерода, вследствие чего она становится науглероживающей.
При большем избытке ацетилена свободный углерод присутствует также в факеле пламени, что внешне характеризуется красноватым оттенком пламени с ярко светящимися твердыми частицами углерода.
Современная теория горения ацетилено-кислородного пламени и пламени других углеводородных газов с кислородом, разработанная школой академика Н.Н. Семенова, рассматривает следующие основные стадии (периоды) горения.
Стадия подготовки горючего к сгоранию (период индукции) характеризуется пирогенным разложением ацетилена в присутствии кислорода. Процесс пирогенного разложения ацетилена протекает в ядре сварочного пламени.
Простое пирогенное разложение (без участия кислорода) заключается в распаде горючего при температуре 800-1250°С на составные элементы - углерод С и водород Н, с возможным существованием в качестве промежуточного продукта метана СН₄.
Для углеводородов типа С_xН_y, при отсутствии кислорода процесс разложения протекает по схеме



При элементарном разложении ацетилен распадается на углерод и водород по реакции
С₂Н₂=2C+H₂.
При температуре выше 800°С процесс разложения ацетилена может протекать с образованием метана, более теплоустойчивого, чем ацетилен:
2С₂Н₂=СН₄+ЗС.
Однако при температуре свыше 1000°С метан также распадается:
СН₄=С+2H₂.
В присутствии кислорода температура начала разложения ацетилена понижается, а скорость процесса возрастает в связи с окислением продуктов распада ацетилена, приобретающих в окисленном состоянии меньшую теплоустойчивость. Конечными продуктами пирогенного разложения ацетилена в присутствии кислорода являются СО и Н₂. По одной из существующих гипотез процесс разложения ацетилена в присутствии кислорода можно представить следующим образом:


В результате цепи реакций последовательного окисления и разложения образуются новые наиболее устойчивые продукты СО и Н₂. Однако в действительности в процессе разложения некоторая часть ацетилена в определенный промежуток времени распадается полностью на элементы, в результате чего появляется свободный углерод в виде мельчайших раскаленных частиц сажи, окружающих тонким слоем внутреннее ядро пламени.
Таким образом, можно считать, что яркость свечения ядра пламени любого углеводородного газа обусловлена сосредоточением на периферии ядра раскаленных частиц углерода.
При избытке ацетилена количество свободного углерода возрастает, внутреннее ядро пламени увеличивается, зона яркого свечения, насыщенная раскаленными частицами сажи, расширяется. При дальнейшем повышении содержания ацетилена в смеси, средняя зона пламени (область воспламенения), содержащая конечные продукты пирогенного разложения (СО и Н₂), исчезает полностью и пламя становится сильно коптящим.

Стадия восстановления - средняя зона пламени характеризуется ускорением окислительных процессов и началом активного окисления СО и Н₂ в углекислый газ СО₂ и водяной пар Н₂О.
Стадия догорания - факел пламени характеризуется протеканием интенсивного окисления (догорания) продуктов пирогенного разложения ацетилена с образованием конечных продуктов горения СО₂ и Н₂О.
Изменение температурного состояния смеси в процессе горения может быть качественно представлено графиком на рис. 36. В первой стадии горения (внутреннее ядро пламени) происходит повышение температуры смеси от Т_о до температуры воспламенения Т_в.
В стадии воспламенения (средняя зона пламени) температура резко возрастает от температуры воспламенения Т_вдо максимальной температуры пламени Т_п. В стадии догорания (факел пламени) температура понижается.