水电解氢氧焊割机的实用性研究

石建设

水电解氢氧焊割机的实用性研究

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用水电解制得氢氧混合气，可以取代氧气和乙炔气进行金属切割和焊接。本文对这种新工艺进行了实验分析和经济性分析。

氢氧混合气 乙炔 切割

1.引言

能源是人类社会存在与发展的物质基础。自工业革命以来，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。我国经济发展离不开能源，但化石燃料资源的日益稀缺和环境保护要求的逐步严格给经济发展提出了更高要求。

目前，我国钢铁企业在连铸坯切割中广泛采用乙炔气和丙烷气。丙烷气是石油化工的副产品，其燃点高，燃烧速度慢，化学性质不活泼，一般用于燃料。20世纪60年代起，国际上就开始进行工业化使用实验，陆续开发出特利气、霞普气、佛来玛克斯气、凯腾气等，实质上这些都是在丙烷中加入各种添加剂或一定比例的丙烯。由于丙烷、丙烯是石油化工的副产品，因此受产地、批次以及添加剂性能、数量的影响，很难保证其使用效果的稳定性（通常在冬季低温下汽化效果不理想）。

表1 氢氧混合气与乙炔的燃烧特性

丙烷（C3H8）燃烧的化学方程式为：C3H8+5O2=3CO2+4H2O，可知每消耗一个单位体积的丙烷需要5倍单位体积的混合氧气。乙炔作为传统燃气切割加工金属，火焰温度高、热值大，但由于乙炔生产成本高，用于连铸切割吨钢成本在4元以上，同时存在安全、污染等问题，目前已经很少有厂家采用氧乙炔火焰切割连铸坯。

2.QYJ-24000型水电解氢氧焊割机的特点

QYJ-24000型水电解氢氧焊割机利用普通水通过电解产生氢氧气，进行气焊、切割和各种火焰加工，具有明显的节能、安全、清洁、经济等优点。被列为“八五”国家重点新技术推广项目。其主要技术参数为：产气量24000L／h，火焰温度2800℃-3000℃，最大切割厚度<380mm，耗电量70kWh／h。

3.氢氧混合气与乙炔的实用性对比

3.1 燃烧特性

燃气的实用性受其燃烧特性的影响，燃烧特性包括燃烧热值、燃烧速度和燃烧温度，氢氧混合气与乙炔的燃烧特性见表1，可以看出氢的燃烧热值火焰温度比乙炔低得多，但是其燃烧速度比乙炔快，可以部分弥补其燃烧热值低、火焰温度低的不足。

3.2 切割速度和预热时间

切割速度及预热时间直接影响工作效率，也决定氢氧焊割机能否得到推广的一个重要因素。在金属切割时，金属在加热达到燃点以后，其切割速度取决于每单位体积金属燃烧反应所需的氧气量，以及与氧气压力、割矩和喷嘴型号尺寸有关，而对燃气燃烧温度热值的影响较小。另外，金属氧化反应所放出的热量可以弥补氢气热值低的不足。理论分析和试验结果都证明，用氢气和乙炔进行切割，其速度基本相同。为掌握氧乙炔和氢氧混合气进行切割时所需的预热时间，进行的一系列具有可比性的试验表明，随着金属板厚度的增加，其预热时间也会增加。用氢氧焰切割厚度在40mm以下的碳钢板时，预热所需时间与氧乙炔焰基本相同，仅在切割70mm以上的厚碳钢板时，氢氧焰预热时间比氧乙炔焰多2秒-5秒，基本不影响实际操作。

3.3 耗气量

氢氧混合气能否替代乙炔，还取决于切割一定厚度所需的燃气流量及切割氧流量，因为这在很大程度上决定了使用经济性。用氢氧焰和乙炔焰切割时所需的燃气量及切割氧量试验结果见图l、图2。

图1 氢氧混合气、乙炔的消耗量与被切割金属板厚度的关系

图2 氢氧混合气消耗量与被切割金属板厚度的关系

从以上看出：(1)在相近条件下。切割金属板时，氢氧混合气的消耗量是乙炔气的消耗量的3倍左右，也就是说，消耗3立方米的氢氧混台气相当于消耗1立方米的乙炔气。(2)由于氢氧混合气中含有1/3的氧气，切割所消耗的切割氧比用乙炔低10%-20%。(3)用氢氧混合气进行金属切割与乙炔相比，消耗的总气体量(燃气、切割氧)相差不多。因此，使用氢氧混合气代替乙炔气切割时，仍可使用原型号的割矩及喷嘴。

表2 丙烷气使用成本 m3，元

4.连铸坯氢氧火焰切割经济分析

QYJ-24000水电解氢氧发生器在济源钢铁公司连铸生产线作为燃气源用于铸坯切割，现将150mm×150mm连铸坯氢氧火焰切割的经济技术分析结果汇总如下：

4.1 基本数据

(1)按四机四流设计产量80万吨计算，12m定尺。

(2)拉速为2.7m/min，切割周期按45s计算。

(3)氧—氢氧气切割：切割150mm×150mm方坯，氢氧发生器每流每小时实际耗电量25千瓦·时，电费按0.5元/度计算。

(4)管道氧气0.5元/m3，焦炉煤气1.2元/m3，吨钢生产成本按2500元/吨计算。

(5)切割枪燃气流量：16m3/h

(6)基本数据计算：

单根钢坯重

0.15 m×0.15m×12m×7.8t/m3=2.106t

折合钢坯数量 800000t÷2.106t/根=379867根

钢坯单位重量（t）0.15m×0.15m×1m×7.8t/m3=0.1755t

4.2 丙烷气、焦炉煤气及其他燃气、氢氧气的使用成本

(1)氧—丙烷火焰

丙烷（C3H8）燃烧的化学方程式为：C3H8+5O2=3CO2+4H2O，可知每消耗一个单位体积的丙烷需要5倍单位体积的混合氧气。

每次切割丙烷耗量：16m3/h÷3600s/h×45s=0.20 m3

每次切割混和氧气耗量为：0.20m3×5＝1.0m3

表1为丙烷气计算的使用成本（断火）。丙烷价格以4500元/吨计算，折合成单位体积价格为：8.33元/m3。

(2)焦炉煤气、乙炔

乙炔（C2H2）燃烧的化学方程式为2C2H2+5O2=4CO2+2H2O

一氧化碳（CO）燃烧的化学方程式为2CO+O2=2CO2

净化后的焦炉煤气是无色，有臭味的有毒气体，其主要成分是H2（60%）、CH4（22%-26%）、CO（6%-9%）、CnHm（4.5%）及CO2、N2、O2等杂质。根据成分折算，焦炉煤气燃烧需要混合氧气体积比基本上是1:1，即可计算出焦炉煤气吨钢耗氧（150mm×150mm截面，12m定尺）为0.14元/吨。焦炉煤气价格在1.2元/m3左右，吨钢直接使用成本≤1.3元/吨，比氢氧气略高，但其附属设施（回收净化、加压、煤气柜储存、管网、安全）投资维护费用很高，如果是为了连铸切割而单独投资是不经济的。

乙炔作为传统燃气切割加工金属，火焰温度高、热值大，但由于乙炔生产成本高，用于连铸切割吨钢成本在4元/吨以上，同时存在安全、污染等问题，目前已经很少有厂家采用氧乙炔火焰切割连铸坯。

(3)氢氧气

水（H2O）电解的化学方程式为 2H2O=2H2+ O2

氢气（H2）燃烧的化学方程式为 2H2+O2=2 H2O

水电解制取的氧气本身就满足了氢气燃烧的需要，因此不需要消耗低压氧（或称混合氧），可以省下大量的混合氧费用，其直接使用成本只与电费有关。在不断火的情况下，氢氧气切割连铸坯吨钢成本与拉速成反比，与定尺无关。见表3。

表3 采用氢氧气不熄火切割、断火切割连铸坯的经济效益分析

注：根据实际统计氢氧发生器每流备件年需＜1.2万元。

5.效益对比

连铸坯采用氢氧火焰切割与采用其他燃气相比经济效益显著。见表4。

表4 采用氢氧气、丙烷燃气的经济效益对比 元，万元

注：150mm×150mm截面、12m定尺、年产80万吨连铸坯。

6.钢坯成品的影响

由于其他燃气介质都含有碳元素，Fe+C→FeC，因此在连铸坯切割后挂渣多且发粘，不易清理，在轧钢前需要专门精整。而氢氧气切割同种连铸坯挂渣少，且由于氢脆现象挂渣脆易清理。同时，由于氢氧气火焰挺直度好，切割断面平整。

7.安全性

7.1 乙炔气

乙炔属不饱和烃，是一种窒息性气体，化学性质活泼，易燃易爆，着火温度为406℃-440℃，与空气混合的爆炸极限是2.5%-80.0%，与空气相对密度15.6℃时0.906。泄漏时扩散慢，极易发生着火、爆炸等安全事故，必须按照严格的技术、安全操作规程使用。

7.2 丙烷气

丙烷属饱和型碳氢化合物，着火温度为515℃-543℃，与空气混合的爆炸范围较窄，极限是2.3%-9.5%，与空气相对密度15.6℃时1.52，本身毒性大，会严重危害人身健康。由于其燃烧速度慢，不易回火。但泄漏时在低洼处形成聚积，必须按照严格的技术、安全操作规程使用。

7.3 焦炉煤气

净化后的焦炉煤气是无色，有臭味的有毒气体。着火温度为550℃-650℃，与空气混合的爆炸极限是4.27%-37.59%。易发生中毒、着火、爆炸等安全事故。

7.4 氢氧气

氢氧气价格低廉、无污染，符合环保要求，氢气无毒，不会危害操作人员的身体健康。着火温度为580℃-590℃，与空气混合的爆炸极限是4.0%-74.2%，与空气相对密度15.6℃时0.069。水电解氢氧发生器工作压力低，不储存，随产随用，且氢气比重小，易飞散，即使泄漏也不会聚积，不会发生燃气站爆炸等恶性事故。同时，氢氧发生器不是压力容器，不在社会劳动安全部门管辖的范围内，而其他任何燃气的使用都要通过社会劳动安全部门监管。

8.节能环保

氢氧混合气无毒、无味，燃烧后的生成物为水，对环境无任何污染，是一种最清洁的燃料，对于改善操作者的劳动条件具有重要的意义．能适合于对卫生要求很高的医药行业的药剂玻璃封口的烧制．灯具封口的烧制和金银首饰的热加工等。

9.总结

综上所述，电解水制氢技术有着较大优势，对铸件的切割质量有着较大的提高。将给我国冶炼产业在节能减排等领域带来极好的发展空间。如今，制氢设备已完全具备在任何钢铁企业连铸坯生产线上连续工作的能力。为进一步拓宽市场奠定了良好的基础。随着电解水制氢技术的不断成熟，电解水制氢技术终将成为新能源领域不可或缺的一员。

[1]孟昭光，我国热切割设备生产现状，存在的问题与发展战略的分析与建设。第六届全国焊接学术会议论文集（第一集）。1990.

[2]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学编 无机化学（上册）北京；高等教育出版社1986。

[3]王建辉，水电解制氢设备的安全与维护.2006.

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

（作者单位：唐山曦源科技有限公司）