Praktické zkušenosti s využitím etylenu při řezání

Uhlovodíky používané jako hořlavé plyny

Ve spojení s kyslíkem se mohou používat různé hořlavé plyny. Kromě vodíku, který se využívá spíše ve směsích s argonem v laserech, se vesměs využívají uhlovodíky. Uhlovodíky se liší délkou řetězce a přítomností dvojné, případně i trojné vazby mezi atomy uhlíku. Ty z uhlovodíků, které neobsahují trojné ani dvojné vazby, jsou stabilnější a bezpečnější pro provoz, ale mají nižší teplotu plamene. Čím je řetězec delší, tím je uhlovodík snáze stlačitelný a uhlovodíky s třemi uhlíkovými atomy v řetězci již lze i za poměrně nízkého tlaku zkapalnit. Naopak jedním z nejnebezpečnějších uhlovodíků je acetylen, který se vyznačuje trojnou vazbou mezi uhlíky. Při rozbití této trojné vazby se uvolní značná energie, která je navíc koncentrovaná v malém objemu. To umožňuje dosáhnout v kyslíkoacetylenovém plameni teplot kolem 3160 ºC a tento plamen používat i pro svařování. Etylen s dvojnou vazbou H₂C=CH₂ leží vlastnostmi někde mezi acetylenem a propanem. Teplota jeho plamene je kolem 2960 ºC a na rozdíl od acetylenu nehrozí detonační rychlostí hoření při přetlaku nad 1,5 baru. Při rozbití dvojné vazby se uvolní méně energie, která již není tak koncentrovaná, a proto se etylen ke svařování prakticky nepoužívá. Jeho rychlost hoření je asi poloviční, což znamená menší nebezpečí zpětného šlehnutí, lepší možnosti regulace a vyšší bezpečnost. Dalším využívaným plynem je metan (též zemní plyn) CH₄, který je lehčí než vzduch. Jeho teplota plamene není vysoká, pro svoji nízkou cenu se však často využívá tam, kde jsou jeho vlastnosti dostačující. Ostatní v praxi používané plyny, jako propan, propylen nebo butan, jsou těžší než vzduch, což může být významným rizikovým faktorem pro jejich použití.

Acetylen

Acetylen se vyrábí z karbidu vápenatého působením vody podle rovnice:

₂ + 2 H₂ Ca(OH)₂ + C₂₂

Takto vyrobený acetylen musí sušit čistit, a protože se nedá bez nebezpečí libovolně stlačovat, plní se do tlakových lahví, kde je uvnitř výplň nasáklá acetonem (nebo dimetylformamidem), v němž se acetylen rozpouští jako dissous plyn. Při plnění se lahve zahřívají a musejí se chladit, takže je rychlost plnění omezena. Velká padesátilitrová tlaková láhev pojme až 10 kg acetylenu. Maximální dovolený tlak v rozvodech acetylenu je 1,5 baru, nad touto hodnotou hrozí při náhodné iniciaci rozbití trojné vazby a detonační rozpad acetylenu v celém skladovacím prostoru spojený s destrukcí zařízení a následným výbušným vyhořením obsahu. Při zkouškách s plnou padesátilitrovou lahví, která obsahuje 10 kg acetylenu, byla láhev po výbuchu rozmetána na vzdálenost až 100 metrů, ohnivá koule, která se vytvořila, měla průměr 50 metrů a shořela během dvou vteřin.

Rozvody armatury a vůbec všechny díly potrubí na acetylen musí být prosté mědi a stříbra, s nimiž acetylen reaguje. Mosazné díly s obsahem Cu nad 70 % se nesmí použít!

Acetylen má výhřevnost 48 700 kJ.kg^-1, je o cca 10 % lehčí než vzduch. Meze výbušnosti se vzduchem: od 2,3 do 82 objemových %, s kyslíkem od 2,5 do 93 % objemových. Teploty vznícení jsou 335 ºC se vzduchem a 300 ºC s kyslíkem. Při odběru je množství odebraného acetylenu z lahve limitováno 1000 litry za hodinu při krátkodobém odběru a 500 litry za hodinu při kontinuálním odběru. Je-li odebírané množství větší, začne klesat tlak a vynáší se aceton z tlakové lahve. Vyšší odběry se řeší spojením lahví do svazků. Tlak ve svazku závisí i na teplotě, což může významně ovlivnit kapacitu svazku v zimních měsících.

Etylen – Grieson

Etylen má výhřevnost 47 600 kJ.kg^-1, je o cca 2,5 % lehčí než vzduch. Meze výbušnosti: se vzduchem od 2,7 do 34 % objemových, s kyslíkem od 2,9 do 80 % objemových. Vzniká jako meziprodukt při chemické výrobě a dá se plnit do lahví přímo, bez nutnosti rozpouštění. Plnicí tlak je 135 barů. Tato možnost se v praxi využívá jen pro předvádění. Druhou možností je skladovat a transportovat etylen (obchodní název Grieson) v podchlazeném stavu jako kapalinu v izolovaných zásobnících při tlaku kolem 15 barů, bod varu je –103,74 ºC. Plynný etylen má hustotu 1,1784 kg.m³, tzn. je lehčí než vzduch. Maximální odběr je omezen pouze kapacitou odpařovače, používat Grieson se vyplatí při odběru cca 4 – 5 tun za rok. Hlavní aplikací je strojní řezání na pálicích strojích, dá se ale užít i k rovnání, letování a k ručnímu řezání.

Užití Griesonu pro strojní řezání je již dosti rozšířeno a má oproti jiným plynům některá specifika. V oblasti tenkých plechů jde asi o jediný plyn, který může konkurovat acetylenu. U tenkých plechů jde o to zanést do řezaného materiálu co nejméně tepla, aby se minimalizovala deformace. Při často přerušovaném řezu na výpalcích s velkým množstvím otvorů, kde se vyžaduje propal, je acetylen o něco výhodnější; u tlouštěk v rozmezí 5 – 10 mm je Grieson s acetylenem už srovnatelný a u větších tlouštěk se díky nižšímu poklesu teploty plamene s hloubkou řezu ukazuje jako lepší Grieson. Na spodní hraně zůstává po acetylenovém plameni často pevně lpící struska. To se u Griesonu nestává, struska je lehce odstranitelná a i povrch řezu Griesonem je hladší.

Propylen – Mapp (APACHI)

Propylen je řezný plyn s dostatečnou teplotou plamene a s vlastnostmi mezi etylenem a propanem, blíže k propanu. Je těžší než vzduch. Je hořlavý plyn s mezí výbušnosti od 2,4 do 10,1 % objemových se vzduchem. Dodává se obdobně jako propan v tlakových lahvích s náplní 11 nebo 33 kg s vodním objemem 27 nebo 79 litrů. Maximální odběr je omezen na 0,6 kg.h^-1 při kontinuálním odběru z 33kg lahve nebo na 3 kg.h^-1 při krátkodobém provozu.

Propan

Poměrně dosti rozšířený plyn pro řezání je také propan, a to hlavně tam, kde nevadí pomalejší náhřev oproti acetylenu. Je plně srovnatelný s propylenem. Jedná se o hořlavý plyn s mezí výbušnosti od 2,12 do 9,35 % objemových se vzduchem. Dodává se obdobně jako propylen v tlakových lahvích s náplní 11 nebo 34 kg s vodním objemem 27 nebo 79 litrů. Maximální odběr je omezen na 0,6 kg.h^-1 při kontinuálním odběru z 34kg lahve nebo na 3 kg.h^-1 při krátkodobém provozu.

Zemní plyn

Zemní plyn je vlastně metan s nižší čistotou, než na jakou jsme u technických plynů zvyklí. Je to hořlavý plyn s mezí výbušnosti od 5 do 15,4 % objemových se vzduchem. Pokud nejde o vysokou rychlost řezání nebo o tenké plechy, kde hrozí v důsledku nízké řezací rychlosti možnost deformací při řezání, ať již ve svislém směru nebo ve snížení tvarové přesnosti v důsledku roztahování řezaného plechu, je i tento plyn pro řezání dobře použitelný. Protože je levný, najde uplatnění tam, kde se řežou větší tloušťky. Dodává se potrubním rozvodem. Metan je lehčí než vzduch, a proto se používá i tam, kde není odsávaný rošt nebo kde jsou v blízkosti pálicího stroje v podlaze energokanály.

Strojní řezání

Spotřeba hořlavého plynu je dána potřebným tepelným příkonem, který závisí na tloušťce plechu. V celkové tepelné bilanci se též uplatní teplo vzniklé spalováním řezaného materiálu, a tak u větších tlouštěk (nad 40 mm) tvoří nahřívací plamen jen asi 20 % celkového vyvinutého tepla. Spotřeba je uvedena v řezných tabulkách a pohybuje se např. u acetylenu od 0,29 po 0,88 m^3-1 a u Griesonu od 0,3 do 0,7 m^3-1

U strojního řezání se též sleduje spotřeba kyslíku. Ta je u tlouštěk do cca 10 mm u Griesonu nepatrně větší. Spotřeba nahřívacího kyslíku je větší 1,7krát (0,7 m^3-1 oproti 0,47 m^3-1), ale celková bilance řezného a nahřívacího kyslíku již není pro Grieson tak nepříznivá, jelikož spotřeba řezného kyslíku není nízká. Do tloušťky 10 mm se pohybuje nárůst spotřeby kyslíku od 1,64krát pro tloušťku 3 mm po 1,54krát pro tloušťku 10 mm. U tlouštěk nad 10 mm však už má griesonový plamen nižší spotřebu kyslíku, u některých tlouštěk až o 17 %, běžně lze počítat se spotřebou o 10 % nižší. Je to dáno též velikostí řezné spáry, která je u Griesonu v těchto tloušťkách o cca 0,1 mm menší.

Doba nahřátí, která se pohybuje od 10 do 25 sekund, a doba propalu jsou též důležité, tady lze acetylenem ušetřit na nahřívání od 2 sekund při tloušťkách 10 mm po 8, respektive 13 s u tlouštěk 100 mm, respektive 130 mm. Zkušený palič dokáže tuto dobu ještě zkrátit, musí se přitom užít vyšší tlak nahřívacího kyslíku a zmenšit vzdálenost hořáku od plechu.

Trysky pro Grieson a pomalu hořící plyny se oproti tryskám pro acetylen, které mají čelo trysek ploché, vyznačují zapuštěným středem trysky, čímž vznikne hrana, která se rozžhaví a stabilizuje plamen. Míra tohoto přesahu závisí na maximálníteplotě plamene, u Griesonu je kolem 0,5 mm, u propanu a metanu 2 až 2,5 mm. Je-li přesah větší, hrozí přehřívání trysky a snížení její životnosti, je-li malý, hrozí, že nebude možno využít maximální výkon trysky a bude docházet k odtržení plamene. Ne všechny trysky pro pomalu hořící plyny však musí mít stabilizátor plamene, záleží na konkrétním konstrukčním provedení a mnohé speciální trysky ho tedy nemají.

Pro strojní řezání vyrábí firma Messer Cutting Systems stroje schopné používat většinu výše uvedených plynů včetně Griesonu. Tyto stroje jsou proslulé svojí spolehlivostí, přesností a do detailů promyšlenou konstrukcí, která udává trend i ostatním výrobcům. Nejnovější typ strojního hořáku se jmenuje Alfa a integruje v sobě zapalovač i snímač výšky nad plechem. Navíc umožňuje výměnu nahřívacích hubic a trysek pro zvolenou tloušťku plechu bez použití montážního klíče, jen rukama, a tím přispívá ke značnému urychlení a usnadnění práce. Stroje lze osadit i řezacím plazmovým hořákem. Zmíněná firma vyrábí rovněž řezací stroj LaserMat, který může řezat laserem, plazmou, značit inkoustem a připravovat úkosy pro svary do 45º.

Ruční řezání

U ručního upalování nálitků záleží na rychlosti zapálení a posléze na rychlosti řezání. Rychlost řezání je dána fyzikálními a chemickými vlastnostmi řezaného odlitku. Řeže kyslík, nahřívací plamen slouží jen pro nastartování a udržování řezného procesu. U malých nálitků, kde nejsou problémem nízké teploty na zadní řezané hraně, se dá očekávat větší řezná rychlost od acetylenu, u něhož by se mohla uplatnit o cca 200 ºC vyšší teplota plamene. Ta se ale uplatní jen ve fázi nahřívání u zkušeného paliče, který se dokáže se špičkou hořáku přiblížit k odlitku na velmi malou vzdálenost. Pokles této špičkové teploty plamene je totiž velmi strmý. Po zahájení řezu každý zkušený palič hořák oddálí, aby si nezanesl trysku prskajícími okujemi. U větších řezaných tlouštěk se projevuje příznivý nízký pokles teploty plamene Griesonu, zadní strana řezu je oproti acetylenu teplejší a rychlost řezu může být o něco větší. Poslední zkoušky ukázaly, že již od průměru nálitku cca 80 mm je tento vliv natolik markantní, že převáží nad pomalejším zapálením.

Největší zkrácení doby řezání bylo dosaženo při tloušťkách kolem 1000 mm, kdy se zadní část řezu dořezává synchronně kyslíkovým kopím a doba řezu se zkrátila ze 41 na 25 minut, tj. na 61 % původního času řezání. Dlužno podotknout, že pro takové extrémní řezání byl použit hořák SMB 663 s tryskou do 700 mm, zatímco acetylenový hořák prořeže maximálně 500 mm. Takovéto nálitky se řežou z materiálových důvodů předehřáté, a to až na 300 – 350 ºC, což už jsou teploty, při kterých dochází ke vznícení směsi kyslík-acetylen v hlavě hořáku a hrozí zpětné šlehnutí. U Griesonu je tato teplota o cca 200 ºC výše a rovněž díky nižší rychlosti hoření je řezání velkých nálitků Griesonem bezpečnější.

Firma Messer Cutting & Welding dodává různé typy hořáků pro ruční řezání, jako Starcut, Essen, SMB 600, SMB 663, AC 61. Hořáky buď používají směšovací trysky, pak se hořlavý plyn s kyslíkem mísí až v trysce (SMB 600, SMB 663), nebo mají injektor, který je určen buď pro acetylen nebo pro pomalu hořící plyny (Grieson, propan, zemní plyn). Při používání by nemělo dojít k záměně. Použije-li se propanový hořák s acetylenem, hrozí zpětné šlehnutí a zničení hořáku. Použije-li se acetylenový hořák s propanem, hořák nebude správně hořet, výkon bude malý a při přidání se bude utrhovat plamen.

Pájení

Při pájení se pájecí teploty pohybují podle druhu pájení kolem 1000 ºC u tvrdého pájení a kolem 260 ºC u měkkého pájení. Pájet Griesonem má smysl asi jen u tvrdého pájení, kde se často používá i acetylen a propan. Po několik měsíců trvajících zkouškách byl Grieson vyhodnocen jako nejlepší alternativa k acetylenu. Jeho hlavní předností oproti acetylenu byl měkčí plamen s rovnoměrnějším rozložením teplot a z toho vyplývající nižší zmetkovitost, menší počet nezaletovaných míst a prakticky žádná místa, která by byla propálena vysokou teplotou. Aplikace se týkala pájení měděných trubiček jako propojek v chladičích. Oproti propanu bylo možné bez jakýchkoliv problémů volit provoz s tavidlem nebo bez. Tavidlo je totiž velmi citlivé na vlhkost a propan nebyl dostatečně čistý – obsahoval trošku vody, která s tavidlem reagovala.

Přednosti a nevýhody etylenu

Použití etylenu – Griesonu – může přinést nemalé úspory, protože jeho cena je nižší než cena acetylenu. Z technického hlediska je ale třeba zodpovědně prověřit spotřebu, protože nižší ceny se dosáhne jen při dodávkách do zásobníku, což znamená, že roční odběr by neměl být menší než 4 až 5 tun. Jde o plyn, který se svými vlastnostmi nejvíce acetylenu blíží, ale spadá již do kategorie pomalu hořících plynů se všemi výhodami a nevýhodami. Mezi jeho hlavní výhody patří větší bezpečnost, komfortnější působ dodávek, menší zatížení trysek, větší kvalita řezů a měkčí plamen pro pájení. Nevýhodou je, že se nepoužívá pro svařování.

Ing. Jaroslav Hájek

Messer Technogas

www.messergroup.com/cz

Jaroslav.Hajek@messergroup.com