Кислород

Кислород является распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химических соединений с различными веществами: в земле — до 50% по массе, в соединении с водородом в воде — около 86% по массе и в воздухе — до 21% по объему и 23% по массе.

Кислород при нормальных условиях (температура 20° С, давление 760 мм рт. ст.) — это бесцветный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение.

При нормальном атмосферном давлении и температуре 0° С масса 1 м3 кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении — 1,33 кг. Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества тепла, т. е. носят экзотермический характер.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с маслами, жирами или твердыми горючими веществами, находящимися в распыленном состоянии, происходит их самовоспламенение, что служит причиной взрыва или пожара. Для предупреждения несчастных случаев кислородную аппаратуру необходимо тщательно обезжиривать. Кислород способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидкостей в определенных соотношениях кислорода при наличии открытого огня или искры. Технический чистый кислород получают разделением воздуха методом глубокого охлаждения или разложением воды при пропускании через нее электрического тока (электролиз).

Атмосферный воздух представляет собой смесь, содержащую по объему: азота — 78,08%, кислорода — 20,95%, инертные газы — 0,94%. остальное — углекислый газ, водород и другие газы. При получении кислорода из воздуха происходит разделение воздуха на кислород, азот и aprorf. Аргон и азот так же, как и кислород, применяют при сварке в качестве защитного газа. Сущность способа получения кислорода из атмосферного воздуха заключается в охлаждении его с переходом в жидкое состояние, что достигается при нормальном атмосферном давлении и температуре —182,9° С.

Кислород получают из воздуха в специальных установках, где воздух, проходя через фильтр, очищается от вредных примесей, пыли, углекислоты, а также осушается от влаги. Перерабатываемый воздух сжимается компрессором до давления 200 кгс/см2, после чего охлаждается в теплообменниках до сжижения.

Разделение жидкого воздуха на кислород и азот основано на разнице температур их кипения: температура кипения жидкого азота —196° С, а жидкого кислорода — 182,9° С при нормальном атмосферном давлении. При испарении в газообразную фазу сначала будет переходить азот, как имеющий более низкую температуру кипения, а по мере его выделения жидкость будет обогащаться кислородом.

Кислород направляется в газгольдер, откуда и наполняется в кислородные баллоны под давлением 150—165 кгс/см2. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, а в жидком виде — в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией. Для превращения жидкого кислорода в газ используются газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С 1 дм3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм3 газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовление баллонов, уменьшать расходы на транспортировку и хранение баллонов.

Применение кислорода для газовой сварки

К газовой сварке относятся способы, при которых нагрев металла производится высокотемпературным газовым пламенем посредством специальных сварочных горелок. Для сварки многих металлов практически пригодно пламя с температурой не ниже 3000° С. В настоящее время для получения газосварочного пламени практически исключительно сжигают различные горючие в технически чистом кислороде. Сжигание различных горючих в воздухе дает пламя со слишком низкой температурой (не выше 1800-2000° С), пригодное для сварки лишь самых легкоплавких металлов, например свинца. Низкая температура газовоздушного пламени и малая пригодность его для газовой сварки металлов объясняется большим содержанием в воздухе инертных газов, главным образом азота, не участвующих в процессе- горения и резко снижающих пирометрический эффект и температуру пламени. При сжигании одного и того же горючего в воздухе и кислороде общий тепловой или калориметрический эффект реакции горения в обоих случаях практически одинаков, но температура пламени резко различна. Для обычных случаев сварки в промышленности применяется лишь пламя, получаемое сжиганием горючего в технически чистом кислороде. Газовоздушное пламя может иметь в сварочной технике очень ограниченное применение.

Технически чистый кислород является важнейшим газом в сварочной технике, для процессов газовой сварки и кислородной резки. Необходим он также и для других процессов, например в химической, металлургической и других отраслях промышленности и т. п. Для многих из этих производств не требуется высокая чистота применяемого кислорода и достаточен дешевый газ, с содержанием в нем кислорода только 50-90%. В сварочной технике применяется кислород высокой степени чистоты, во всяком случае не ниже 98,5%

Способы производства технически чистого кислорода могут быть различны; промышленное значение имеют два способа получения: а) из воздуха - методом глубокого охлаждения; б) из воды - путем электролиза. В нашей промышленности применяется почти исключительно способ производства кислорода из воздуха, как более экономичный, при котором расходуется 0,5 - 1,6 кВт/ч электроэнергии на 1 м3 кислорода; на получение 1 м3 кислорода путем электролиза воды с одновременным получением 2 м3 водорода требуется 10-12 кВт/ч. Получение кислорода способом электролиза воды может быть рентабельно лишь при одновременном использовании получаемого водорода.