CN111356553A - 氧燃料气体混合物及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于金属制造的燃料气体组合物，该燃料气体组合物包含燃料气体，该燃料气体包含与约1％至小于30％的氢气混合的基础燃料气体。

Description

氧燃料气体混合物及其使用方法

技术领域

本公开整体涉及燃料气体混合物领域。更具体地讲，本公开涉及包含基础燃料气体和氢气的燃料气体混合物及其在金属制造工艺中用于氧燃料应用的用途。

背景技术

氧燃料气体切割(OFC)是用于通过氧气与基底金属的高温放热化学反应来切割或移除金属的一组工艺。OFC及其变型形式是非常重要的工艺，其用于在金属加工成形制造中为了修理和维护而切割形状、切割废料或移除金属。

OFC工艺使用具有刀头(喷嘴)的喷枪。喷枪和刀头用于以正确的比例混合燃料和氧气以产生预热火焰，并且提供浓缩的氧气流以在高温下与金属发生反应。

氧燃料切割工艺有两个主要步骤。在第一步骤中，预热火焰用于将金属加热至其引火(点火)温度。钢的引火温度是当含铁材料将经历放热氧化反应以生成氧化铁时的温度，并且是切割碳钢的主要机制。一旦达到引火温度，就向材料施加纯氧气流以开始氧化反应并产生热量。该热量加上预热火焰维持金属在整个切割工艺中的持续氧化。氧气流的动能使金属氧化物和熔融金属从切口排出，并使喷枪以适当的速度在工件上移动，从而产生连续的切割。将材料加热至引火温度的第一步骤称为预热/刺穿，而该方法的第二步骤为切割步骤。

除了切割之外，氧燃料已用于金属制造工业中，用于金属部件和工件的焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊。

在氧燃料焊接中，使用焊接喷枪在添加或不添加填料金属的情况下加热和熔融基底金属。来自金属表面的熔融材料和填料金属(如果使用的话)在共同的熔融池中混合并在冷却时聚结。

在氧燃料火焰加热中，使用加热喷枪在焊接之前/或如果在焊接之后将基底金属(全部或仅围绕接合部的区域)预热/或后热至特定的所需温度(称为预热温度/或后热温度)。

在氧燃料硬钎焊或软钎焊中，使用喷枪将基底金属和填料金属加热至使填料金属熔融而不使基底金属熔融的温度。填料金属通过连接材料的毛细作用使其自身在紧密配合的接合部表面之间。软钎焊和硬钎焊之间的主要区别在于填料金属液体温度，其中硬钎焊具有更高的温度。

虽然切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊是不同的工艺，但本文的描述将聚焦于金属切割工艺中使用的燃料气体，应当理解，本发明的燃料气体混合物可用于任何金属制造加热工艺，并且不限于切割工艺。

虽然在上述金属制造工艺中优选使用纯氧气(95％纯度或更高)，但在一些情况下具有较低氧气量的气源如空气或压缩空气(氧气百分比为约21％)已用于焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊工艺。因此，应当理解，本发明的燃料气体混合物可与任何氧气源混合以产生火焰，并且不限于仅用纯氧燃烧。

多种燃料气体用于氧燃料应用。众所周知，乙炔(C2H2)由于其高燃烧强度、高火焰温度和低氧气消耗(由于低氧气/燃料比率)而成为用于氧燃料应用的最广泛使用的燃料气体。然而，在高于1,435°F(780℃)的温度下或在高于30psig(207KPa)的压力下，乙炔是不稳定的，并且可发生爆炸性分解，使得乙炔在许多常见的工业环境下难以处理并且使用起来更为危险。另外，生成乙炔的最常见方法使用了碳化钙(CaC2)和水，这是一种难以控制的生成大量固体废物副产物的反应。

虽然乙炔在大多数金属切割应用中具有优异的性能，但是它通常也是最昂贵的燃料气体，从而使得它对于许多应用而言或对于世界上欠发达地区而言过于昂贵。乙炔的替代物为液化石油气(例如LPG，其为丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)和其他烃的混合物)或纯丙烷。

LPG和丙烷在适度压力(在200psi下)下均为液体，并且易于使用和输送。虽然这些气体比乙炔便宜并且更易于处理，但是当与乙炔比较时，这些气体在预热时间方面的性能非常差，并且氧气/燃料的比率高得多，从而增加了操作成本。

天然气(主要由甲烷组成)也通常用作燃料气体，因为天然气在许多国家容易通过广泛的管道网络获得，并且目前价格低廉。然而，天然气的预热性能也不如乙炔。

纯氢气虽然可用作燃料气体，但由于与上述其他燃料气体相比，其燃烧热非常低并且火焰温度相对较低，因此通常不用于氧燃料应用。

历史上，希望使用氧燃料工艺切割材料的个体通常基于火焰温度、总燃烧热和/或在主要火焰处释放的燃烧热的百分比来选择燃料气体。然而，预热实验的结果未证实上文列出的因素(即，火焰温度和燃烧热)单独提供不同燃料气体之间以及它们用作燃料气体时的效果之间的结论性技术比较的足够或决定性的基础。

当将氢气添加到各种燃料气体中时，观察到在若干领域(包括预热/刺穿时间和切割性能)中的意料不到的改善。可影响燃料气体在氧燃料切割工艺中的热传递效率和效果的两个重要因素是燃料气体的热值和由燃烧过程产生的氧燃料火焰的速度。已知的是，虽然氢气与其他常见的氧燃料气体相比具有低热值，但当与燃料气体诸如乙炔、丙烷或甲烷相比时，其具有高燃烧速度。基于这些结果，当用作氧燃料气体时，少量添加氢气以增加火焰速度并改善火焰的热传递效率的有益效果的重要性超过了氢气的热值较低的缺点。

发明内容

本发明整体涉及使用氢气与低成本基础燃料气体一起产生用于金属加热工艺，尤其是用于氧燃料加热工艺，诸如切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊的乙炔(或其他高成本燃料气体)的替代物或改进物。燃料气体混合物的性能基本上等同于乙炔，或在可接受的性能标准内，但没有乙炔和更昂贵燃料气体的许多成本或加工缺点。令人惊奇的是，燃料气体混合物包含基础燃料气体以及氢气，氢气的量小于30％，在另一个实施方案中为1％至29％，并且在另一个实施方案中为5％至28％；当用于金属制造加热工艺时，提供了良好的加热特性。

本公开的一个方面涉及一种通过以按体积计约1％至小于30％范围内的量添加氢气来增加热传递效率和速率来改善燃料气体的性能的方法。在氧燃料应用中，含氢气燃料气体混合物优选地与氧气一起使用，并且可以建立高于1∶1的氧气与燃料气体比率的量输送至加热喷枪以实现合适的金属加热特性。

本公开的另一方面涉及用于切割金属工件的方法，该方法包括将燃料气体混合物输送至切割喷枪，其中该切割喷枪包括切削刀头，并且其中燃料气体混合物包含按体积计大于70％至99％范围内的量的基础燃料气体和按体积计约1％至小于30％范围内的量的氢气。将燃料气体混合物与第一氧气(火焰氧气)混合并点燃以形成从切割喷枪的切削刀头离开的火焰。将火焰输送至金属工件上的预先确定的位置，以将金属工件预热至引火温度，以形成预热的金属工件，然后将第二氧气源(切割氧气)输送至切削刀头，以刺穿预热的金属工件。一般来讲，切割氧气或第二氧气流仅用于金属切割目的。

在另一个实施方案中，燃料气体混合物由单个预混加压容器输送。

在另一方面，提供了含氢气燃料气体混合物，其中基础燃料气体和氢气在使用之前各自从单独的源输送至切割喷枪。

在另一个实施方案中，本公开涉及在金属制造工艺诸如切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊期间使用包含燃料气体的燃料气体混合物加热金属工件的方法，其中基础燃料气体组分包含按体积计大于70％至约99％范围内的量的C1至C8烃、含氧烃、或它们的混合物，以及按体积计约1％至小于30％范围内的量的氢气。对于氧燃料加热应用，将预先确定的量的氧气以建立高于1∶1的氧气与燃料气体比率所需的量输送至加热喷枪，来获得合适的预热或加热温度。通常将氧气输送至燃料气体混合物并混合以形成可点燃的气体混合物，将该可点燃的气体混合物点燃以形成火焰。

在另一个实施方案中，本发明涉及用于金属加热工艺的燃料气体混合物，其中该燃料气体包含按体积计大于70％至约99％范围内的量的选自C1至C8烃、含氧烃、或它们的混合物的基础燃料气体，以及按体积计约1％至小于30％范围内的量的氢气，并且其中当氧气与燃料气体混合物混合以形成氧气：燃料气体混合物时，其比率高于1∶1。

在另一方面，燃料气体混合物在约1巴至约800巴范围内的压力下从容器基本上均匀地分配。

本公开的另一方面涉及包含燃料气体混合物的燃料气体容器，该燃料气体混合物包含按体积计大于70％至约99％范围内的量的基础燃料气体以及按体积计约1％至小于30％范围内的量的氢气。

已经讨论的特征、功能和优点可以在各个方面独立地实现，或者可以在其他方面组合，参考以下描述和附图可以了解其更多细节。

附图说明

图1为所关注的若干种燃料气体和燃料气体混合物的预热时间的图示。

图2为所关注的若干种燃料气体和燃料气体混合物在预热测试期间的燃料和火焰氧气消耗的图示。

图3示出了甲烷+氢气混合物的预热时间结果。

图4示出了甲烷+氢气混合物在预热测试期间的燃料和火焰氧气消耗。

图5示出了丙烷+氢气混合物的预热时间结果。

图6示出了丙烷+氢气混合物在预热测试期间的燃料和火焰氧气消耗。

图7示出了乙烷+氢气混合物的预热时间结果。

图8示出了乙烷+氢气混合物在预热测试期间的燃料和火焰氧气消耗。

图9示出了二甲基醚+氢气混合物的预热时间结果。

图10示出了二甲基醚+氢气混合物在预热测试期间的燃料和火焰氧气消耗。

具体实施方式

本发明涉及作为乙炔和其他高成本燃料气体的替代物的低成本燃料气体混合物，并且用于金属加热工艺。这些新型燃料气体混合物尤其可用于氧燃料加热工艺，诸如金属切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊工艺。不旨在限制应用并且仅为方便起见，本发明的燃料气体混合物在本文中可互换地描述为“燃料气体混合物”或“氧燃料切割气体混合物”，应当理解，将氧气单独添加到燃料气体中以实现点火和加热，并且燃料气体可用于各种金属加热工艺。本发明的燃料气体混合物优选用于切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊工艺，并且最优选用于切割工艺。

通常认为氢气具有与乙炔和其他常用燃料气体相比不可取的加热特性。然而，现已发现，当约1％至小于30％的量的氢气，在另一个实施方案中约1％至29％，在又一个实施方案中约5％至27％，并且在又一个实施方案中约10％至25％，与某些烃气体、含氧烃、或它们的混合物混合时；

可为金属制造加热应用提供具有令人满意的加热特性的燃料气体混合物。基础燃料气体的存在量通常按体积计为至少大于70％，在另一个实施方案中，按体积计为约70％至99％。

如本文所用，基础燃料气体为任何烃、含氧烃或它们的混合物，其在与氢气组合时可适合用作用于切割金属工件的燃料气体混合物。

本发明利用了低成本燃料气体混合物，由于相对较长的预热时间，先前认为这些低成本燃料气体混合物在氧燃料加热工艺，并且尤其是在切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊工艺中用作燃料气体是不可取的。氢气还具有与乙炔和其他常见燃料气体相比不可取的加热特性。然而，现已发现，当1％至小于30％的量的氢气，在另一个实施方案中1％至小于29％，并且在另一个实施方案中约10％至25％或更低，与基础燃料气体混合时，为金属制造加热应用提供了具有令人满意的加热特性的燃料气体混合物。

合适的基础燃料气体包括但不限于C1至C8烃、含氧烃以及它们的混合物。烃包括C1至C8烷烃，包括但不限于甲烷、乙烷、丙烷和丁烷；C2至C8烯烃，包括但不限于乙烯、丙烯和丁烯；以及C2至C8炔烃，包括但不限于乙炔/乙炔、丙炔和丁炔；以及它们的混合物(诸如MAPP气体)、天然气等。烃既可为基本上纯的气体，也可为烃气体的混合物，并且可包含少量的基本上惰性的组分或杂质，但将包含按体积计超过50％的一种或多种基础燃料气体。

包含氧气的C1至C8烃燃料也适合用作基础燃料气体。此类基础燃料气体的示例包括但不限于醚诸如二甲基醚、醇(诸如甲醇、乙醇、丙醇)、酮、醛以及它们的混合物。在一个实施方案中，这些燃料气体将在环境温度下为气态，或为具有足够高蒸气压的液体，以使它们可用作燃料气体。含氧烃在混合物中既可为基本上纯的，也可为混合物，并且包含少量的基本上惰性的组分或杂质，但将包含按体积计超过50％的一种或多种基础燃料气体。

根据本发明，提供了可用的含氢气燃料气体混合物，其包含少量按体积计约1％至小于30％范围内的氢气。已发现添加氢气改善了烃燃料气体的热传递效率。已进一步发现，氢气浓度高于30％将降低燃料气体混合物的热值，因此重要的是将氢气以基本上不降低所用烃燃料气体的热值的浓度组合。乙烷是例外，发现最多50％氢气的添加比率是有效的。氢气的使用允许有效地使用先前未被认为可用于切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊应用的已知基础燃料气体。当与乙炔的成本和性能相比时，氢气的选择性使用支持了较低成本、较低性能的烃气体的使用。因此，已知的基础燃料气体的性能可在用于金属加热工艺，尤其是用于氧燃料金属切割工艺时改善至令人满意的水平。

在一个实施方案中，本发明包括氧燃料切割气体混合物，该氧燃料切割气体混合物包含按体积计大于70％至最多99％的天然气和约1％至小于30％范围内的量的氢气(纯度通常大于99％)。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约2％至29％的氢气和按体积计约71％至约98％的天然气。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约3％至约25％的氢气和按体积计约75％至约97％的天然气。在又一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约5％至约15％的氢气和按体积计约85％至约95％的天然气。天然气组分通常包含按体积计至少85％的量的甲烷并且最多100％的甲烷，但天然气通常包含其他一般存在的烃以及少量的含氮化合物、二氧化碳化合物、一氧化碳化合物和硫化合物。通常，天然气包含按体积计约85％至约95％的甲烷，并且优选地将为至少90％的甲烷。在这些浓度下，天然气中不同量的甲烷对燃料气体混合物的加热特性没有显著影响。因此，术语“甲烷”和“天然气”在本文中可互换使用。

在另一个实施方案中，本发明包括氧燃料切割气体混合物，该氧燃料切割气体混合物包含按体积计大于70％至最多99％的乙烷和约1％至小于30％范围内的量的氢气(纯度通常大于99％)。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含70.1％至99％的作为基础燃料气体的乙烷和约1％至29.9％的氢气；在另一个实施方案中，包含按体积计约2％至约25％的氢气和按体积计约75％至约98％的乙烷。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约3％至约15％的氢气和按体积计约85％至约97％的乙烷。在又一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约5％至约10％的氢气和按体积计约90％至95％的乙烷。

还已发现，使用乙烷，有益效果在按体积计最多50％的氢气添加比率下实现。在高于30％的氢气添加比率下，未观察到与其他燃料气体类似的有益效果。

在另一个实施方案中，本发明包含氧燃料切割气体混合物，该氧燃料切割气体混合物包含按体积计大于约70％且最多99％的丙烷和约1％至小于30％的氢气。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约5％至29％的氢气和按体积计约71％至约95％的丙烷。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约15％至约25％的氢气和按体积计约75％至约85％的丙烷。在又一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约25％的氢气和按体积计约75％的丙烷。

在另一个实施方案中，本发明包含氧燃料切割气体混合物，该氧燃料切割气体混合物包含按体积计约88％至约99％的二甲基醚和按体积计约1％至12％的氢气。在另一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约5％至约12％的氢气和按体积计约88％至约95％的二甲基醚。在又一个实施方案中，氧燃料切割气体混合物包含按体积计约10％的氢气和按体积计约90％的二甲基醚。

此外，当用于金属切割和氧燃料金属切割工艺中时，本文所公开的含氢气燃料气体混合物可提供足够的加热或预热，并且通常降低氧气消耗和操作成本。以本发明指定的量使用氢气还可提供比一些传统的氧燃料气体如乙炔在储存、运输和使用期间更环保并且更安全的燃料气体。

本文所公开的氧燃料切割气体混合物使预热时间最小化，使预热燃料气体消耗最小化并且使氧燃料切割工艺中的操作成本最小化，同时在储存、运输和用于氧燃料加热工艺期间是环保且安全的。本发明的燃料气体混合物可在可再填充的加压容器(例如，气缸、罐等)中供应，或者燃料气体混合物的各个组分可由单独的源供应并在使用时使用混合设备共混在一起，该混合设备允许由单独的气体组分生成气体混合物。通常在氧燃料加热应用中，氧气将在点火之前在工具处混合，如工业中已知的。如本文所用，术语“氧燃料切割工艺”包括预热/刺穿阶段和后续切割阶段中的任一者或两者。

在一个实施方案中，这些烃/氢燃料气体混合物用于氧燃料应用中，例如，用于金属切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊应用中。这些应用是金属制造中最苛刻的加热工艺，并且这些应用中令人满意的性能将提供足以用于大多数其他金属加热工艺的燃料气体混合物。

现已发现，包含氢气和基础燃料气体的混合物量的氧燃料切割气体在氧燃料金属制造加热工艺诸如切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊工艺中作为乙炔的潜在替代物提供出乎意料的优异性能。影响氧燃料气体在所关注的金属制造工艺中的热传递效率和效果的两个重要因素是燃料气体的热值和由燃烧过程产生的氧燃料火焰的速度。气体的热值由特定于燃料气体混合物的多个变量诸如火焰温度和燃烧热来表示。火焰温度是由在没有任何功、热传递或动能或势能变化的情况下发生的完全燃烧过程产生的温度。烃的燃烧热是主要火焰热和次要火焰热的总和。主要火焰热在火焰的内部区域(内锥)中产生，其中由喷枪供应的燃料气体加上氧气反应并形成一氧化碳和氢气。次要火焰热在火焰的外包层中产生，其中一氧化碳和氢气与来自喷枪的剩余氧气一起燃烧加上一氧化碳和氢气与来自周围空气的氧气一起燃烧，并且形成二氧化碳和水蒸气。

火焰速度是火焰前缘行进通过相邻未燃烧气体的速度。该速度影响主要火焰的尺寸和温度。燃烧速度还影响气体可从喷枪刀头流动而不引起火焰熄灭或回火的速度。已知的是，虽然氢气与其他常见的氧燃料气体相比具有非常低的热值，但当与其他气体诸如乙炔(6.9m/s)、丙烷(3.8m/s)或甲烷相比时，其火焰具有高燃烧速度(11.5m/s)。此外，如本文所公开的，氢气以期望的比率与基础燃料气体混合产生了具有较高热传递效率的气体混合物。基于本文提供的结果，当用作氧燃料气体时，少量添加氢气以增加火焰速度和改善火焰的热传递效率的有益效果的重要性似乎超过了氢气的热值较低的缺点。

用于金属制造的金属加热工艺包括切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊工艺，并且可包括金属成形和弯曲应用。这些工艺为人们所熟知。本发明的燃料气体混合物可用于这些工艺中以替代常规且更昂贵的燃料气体诸如乙炔、MAPP等，如技术人员将理解的。当用于氧燃料加热工艺时，提供给该工艺的氧气纯度应为至少95％，并且在另一个实施方案中纯度为至少99.5％。在切割工艺中，使用氧气(火焰氧气)实现点火以产生用于预热的火焰，并且在切割工艺中再次使用或增加氧气(切割氧气)。

如上所述，可将本发明的燃料气体混合物在预混可再填充容器中提供给这些工艺，此类容器通常在金属制造工业中是已知的并且包括散装容器或气缸。气缸通常是加压的，并且通常包括一个或多个机械部件，包括气门(诸如止回阀或单向阀)和/或调节器。这些容器具有气体供应装置，诸如气体软管或其他供应系统，以将燃料气体混合物输送至喷枪或自动化工具。当使用时，氧气通过具有类似部件的另一个容器单独供应，并且通常在压力下供应。在较小容器诸如气缸的情况下，气体混合物可在单个预混容器中提供，以在大致环境温度下在约1巴至约800巴范围内的压力下从容器基本上均匀地分配。燃料气体混合物也可从单独的容器供应，通常在压力下供应，并且在使用之前，使用常规气体混合系统直接在工具或喷枪组件处以适当的浓度混合。

金属加热工艺可采用工业中通常已知的任何喷枪，诸如焊接喷枪或切割喷枪。例如，焊接喷枪可具有延伸到柄部底部处的喷嘴和阀旋钮的一个或两个导管，从而允许操作者调节氧气和燃料气体混合物中的每一者的流量，但不具有吹氧机构或触发器。切割喷枪类似于焊接喷枪，但将具有吹氧触发器或杠杆。工业中已知的其他喷枪包括花形喷枪或射吸式喷枪，并且大多数此类喷枪可被调节以用于加热、软钎焊和硬钎焊应用。

根据装有仪器的测试设备并与其联合使用进行以下实验。Koike机械喷枪型号500L[购自Koike Aronson，位于635West Main St.Arcade，New York 14009]与标准Koike切削刀头型号#2(3/4″)一起使用。该设备包括具有喷枪点火器的Koike机械喷枪型号500L、保持金属工件的夹具、质量流量计和用于进行预热测试并确定再现性的数据采集系统(DAQ)。DAQ与软件联合使用以控制火焰点火、提供给喷枪的燃料气体和氧气。DAQ允许输入以秒为单位的预先选定的预热时间。一旦系统被组装，就启动火花点火器，并且启动火焰燃料和氧气螺线管以打开阀，从而释放火焰燃料气体和火焰氧气以发生预热火焰。在到达预先选定的预热时间之后打开刺穿氧气螺线管，以提供刺穿/切割的氧气。将小金属工件(称为试样块)放置在夹具上。试样块各自由碳钢制成。

将测试设备安装到机械切割台上。在用不同燃料气体和燃料气体混合物进行预热测试之前，进行预热测试以统计验证实验设备和测试方法。所有统计分析均使用

17软件进行。进一步进行测试以限定每组参数(例如，燃料气体、压力、流量、支脚等)为了实现所需的可重复性所需的复制次数和重复次数。确定对于95％的置信水平，六(6)次重复，不需要复制(即，连续6次预热/刺穿)。

对于评估的每种燃料气体，设定火焰参数以实现中性火焰(通过目视观察火焰)。以实验方法确定的预热时间是连续6次获得刺穿所需的时间。对于评估的每种燃料气体，观察到以下参数且参数保持恒定：

基底材料厚度＝3/4″

喷枪支架＝火焰刀头接触试样块

刺穿用喷枪位置＝中心

测试试样块尺寸＝5″×5″×3/4″

测试试样块温度：室温(70°F至90°F)

测试试样块表面光洁度＝氧化铁皮，无粉尘

气体预流动时间＝5秒，并且切割氧气时间：3秒。

实施例1-纯燃料气体及其与氢气的混合物

使用ASTM A36碳钢基底金属进行预热测试，以比较气体混合物相对于乙炔、乙烷、二甲基醚、丙烷、氢气和甲烷的预热性能和火焰氧气消耗，该气体混合物包含基础燃料且添加了氢气。如表1中可见，乙炔的预热时间(以秒计，“s”)为12.7s；丙烷为30.0s；并且甲烷为34.9s。然而，令人惊奇的是，7.5％H2/92.5％甲烷的混合物的预热时间为9.1s，并且25％H2/75％丙烷的混合物的预热时间为14.7s。

表1

根据本公开的一个方面，所关注的若干种燃料气体和燃料气体混合物的刺穿时间的图示如图1所示。如图1所示，100％氢气(H₂)的火焰性能下降到被认为不可接受用作氧燃料切割气体的水平。还示出了，在甲烷中添加7.5％氢气(H₂)、在丙烷中添加25％氢气(H₂)、在二甲基醚中添加10％氢气(H₂)以及在乙烷中添加25％氢气(H₂)，提高了热传递效率，并且将预热时间分别缩短至低于甲烷、丙烷、二甲基醚和乙烷值的值。

根据本公开，在图2中示出了所关注的若干种燃料气体和燃料气体混合物的火焰氧气消耗的图示。如图2和表1所示，预热3/4″厚度的碳钢板的火焰氧气消耗对于甲烷而言为0.0109m³，对于丙烷而言为0.0106m³，对于乙烷而言为0.0061m³，并且对于二甲基醚而言为0.0058m³。然而，通过向甲烷中添加7.5％氢气，向丙烷中添加25％氢气，向乙烷中添加25％氢气，并且向二甲基醚中添加40％氢气，实现预热的实际火焰氧气消耗显著降低至以下值：对于7.5％H2/92.5％甲烷而言为0.0032m³，对于25％H2/75％丙烷而言为0.0047m³，对于25％H2/75％乙烷而言为0.0027m³，并且对于10％H2/90％二甲基醚而言为0.0046m³。

实施例2-天然气/甲烷(CH₄)及其混合物

使用ASTM A36碳钢基底金属进行预热测试，以比较包含甲烷和不同量的氢气的气体混合物的预热性能和火焰氧气消耗。预热时间性能以及燃料和火焰氧气流量和消耗可见于表2中。

根据本公开，通过增加所关注的H2/CH4混合物中所用的氢气(H₂)来改善刺穿时间的图示如图3所示。如图3所示，随着混合物中氢气的量增加至最多75％，预热时间缩短至低于针对100％甲烷样品所观察到的预热时间。在甲烷中添加1％至17.5％的氢气可使预热时间减少至在21％至74％的范围内，这证实了当氢气与C1烃混合时优异的热传递效率。当向混合物中添加5％至10％的氢气时，实现最佳性能。

表2

如数据所示，按体积计最多75％的量的氢气与甲烷混合为金属制造工艺诸如切割和焊接提供了表现出良好加热特性的燃料气体。但是当氢气(H2)/甲烷(CH₄)燃料气体混合物中的氢气浓度超过75％时，火焰性能似乎下降到被认为不是用作氧燃料切割气体的最佳水平。已发现，低至约1％的氢气浓度可改善燃料气体的加热特性。

根据本公开，所关注的H2/甲烷混合物的燃料和火焰氧气消耗的图示如图4所示。如图4和表2所示，用于预热3/4″厚度的碳钢板的火焰氧气消耗对于甲烷而言为0.0109m³。然而，通过向75％氢气中添加1％氢气，实现预热的实际火焰氧气消耗显著降低至在0.0059m³至0.0031m³范围内的值。

实施例3-丙烷(C₃H₈)及其混合物

使用ASTM A36碳钢基底金属进行预热测试，以比较包含丙烷和不同量的氢气的气体混合物的预热性能和火焰氧气消耗。预热时间性能以及燃料和火焰氧气流量和消耗可见于表3中。

根据本公开，通过增加所关注的H2/丙烷混合物中所用的氢气(H₂)来改善刺穿时间的图示如图5所示。如图5所示，随着混合物中氢气的量增加至最多35％，预热时间缩短至低于针对100％丙烷样品所观察到的预热时间。在丙烷中添加10％和25％的氢气可将预热时间分别减少至44％和51％，这证实了当氢气与C3烃混合时优异的热传递效率。当向混合物中添加25％的氢气时，实现最佳性能。

表3

根据本公开，所关注的H₂/丙烷混合物的燃料和火焰氧气消耗的图示如图6所示。如图6和表3所示，用于预热3/4″厚度的碳钢板的火焰氧气消耗对于丙烷而言为0.0106m³。然而，通过添加10％氢气和25％氢气，实现预热的实际火焰氧气消耗显著降低至对于10％H2/90％丙烷而言为0.0069m³的值，以及对于25％H2/75％丙烷而言为0.0047m³的值。

实施例4-乙烷(C₂H₆)及其混合物

使用ASTM A36碳钢基底金属进行预热测试，以比较包含乙烷和不同量的氢气的气体混合物的预热性能和火焰氧气消耗。预热时间性能以及燃料和火焰氧气流量和消耗可见于表4中。

根据本公开，通过增加所关注的H2/乙烷混合物中所用的氢气(H₂)来改善刺穿时间的图示如图7所示。如图7所示，随着混合物中氢气的量增加至最多50％，预热时间缩短至低于针对100％乙烷样品所观察到的预热时间。在乙烷中添加10％至50％的氢气可使预热时间减少至在17％至48％的范围内，这证实了当氢气与C2烃混合时优异的热传递效率。当向混合物中添加25％的氢气时，实现最佳性能。

表4

根据本公开，所关注的H₂/乙烷混合物的燃料和火焰氧气消耗的图示如图8所示。如图8和表4所示，用于预热3/4″厚度的碳钢板的火焰氧气消耗对于乙烷而言为0.0061m³。然而，通过向50％氢气中添加10％氢气，实现预热的实际火焰氧气消耗显著降低至在0.0047m³至0.0027m³范围内的值。

实施例5-二甲基醚(C₂H₆O)及其混合物

使用ASTM A36碳钢基底金属进行预热测试，以比较包含二甲基醚和不同量的氢气的气体混合物的预热性能和火焰氧气消耗。预热时间性能以及燃料和火焰氧气流量和消耗可见于表5中。

根据本公开，通过增加所关注的H2/二甲基醚混合物中所用的氢气(H₂)来改善刺穿时间的图示如图9所示。如图9所示，随着混合物中氢气的量增加至最多10％，预热时间缩短至低于针对100％二甲基醚样品所观察到的预热时间。在二甲基醚中添加10％的氢气可使预热时间减少至11％，这证实了当氢气与C2含氧烃混合时优异的热传递效率。

表5

根据本公开，所关注的H₂/二甲基醚混合物的燃料和火焰氧气消耗的图示如图10所示。如图10和表5所示，用于预热3/4″厚度的碳钢板的火焰氧气消耗对于二甲基醚而言为0.0058m³。然而，通过添加10％氢气，实现预热的实际火焰氧气消耗显著降低至0.0046m³的值。

上述实验示出了在金属制造工艺：切割、焊接、加热、软钎焊或硬钎焊中使用本发明的甲烷/氢气混合物作为氧燃料气体的可行性。

在其中向C1(甲烷)、C2(乙烷)和C3(丙烷)烃以及C2(二甲基醚)含氧烃中添加不同量的氢气的预热实验证实了，添加氢气增强了从氧燃料火焰到基底金属的热传递效率，这转化为更低的预热时间。

本文示出的添加氢气的氧燃料切割气体混合物使预热时间最小化，使预热氧气和燃料气体消耗最小化，并且使氧燃料工艺中的操作成本最小化，同时在储存、运输和使用期间是环保且安全的。

当然，在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明可以除本文具体示出的那些方式之外的其他方式进行。本发明的实施方案在所有方面均应被视为例示性的而非限制性的，并且进入所附权利要求书的含义和等效范围内的所有变化均旨在涵盖在其中。本发明的范围包括在所附权利要求范围内的等同实施方案、修改和变型。

Claims (37)

1.一种用于在金属制造工艺中加热金属工件的方法，所述方法包括：

将燃料气体混合物输送至喷枪，所述燃料气体混合物包含：

大于70％的基础燃料气体体积；以及按体积计约1％至小于30％的氢气；

将氧气输送至所述燃料气体混合物以形成氧燃料气体混合物；

点燃所述氧燃料气体混合物以形成火焰；

在所述金属工件上的预先确定的位置处使所述火焰与所述金属工件接触；以及

加热所述金属工件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属制造工艺选自切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料气体包含按体积计约1％至29.9％的氢气和约70.1％至99％的基础燃料气体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体选自C1至C8烃、含氧烃或它们的混合物。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述基础燃料气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二甲基醚、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔或它们的组合或混合物。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约70.1％至99％的作为基础燃料气体的天然气和约1％至29.9％的氢气。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约75％至98％的作为基础燃料气体的天然气和约2％至25％的氢气。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约70.1％至99％的作为基础燃料气体的乙烷和约1％至29.9％的氢气。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约72％至95％的作为基础燃料气体的乙烷和约5％至28％的氢气。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体包含大于70％的作为基础燃料气体的丙烷和约1％至小于30％的氢气。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约71％至95％的作为基础燃料气体的丙烷和约5％至29％的氢气。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约88％至99％的作为基础燃料气体的二甲基醚和约1％至12％的氢气。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约88％至95％的作为基础燃料气体的二甲基醚和约5％至12％的氢气。

14.一种用于氧燃料金属制造工艺的燃料气体混合物，所述燃料气体混合物包含：按体积计大于70％的基础燃料气体；以及按体积计约1％至小于30％的氢气。

15.根据权利要求14所述的燃料气体混合物，其中所述金属制造工艺为切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊。

16.根据权利要求14所述的燃料气体混合物，所述燃料气体混合物包含按体积计约1％至29.9％的量的氢气和按体积计约70.1％至99％的燃料气体。

17.根据权利要求14所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体为C1至C8烃、含氧烃以及它们的混合物。

18.根据权利要求17所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二甲基醚、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、丁炔或它们的组合或混合物。

19.根据权利要求18所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含约71％至99％的作为基础燃料气体的天然气和约1％至29％的氢气。

20.根据权利要求19所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含约75％至98％的作为基础燃料气体的天然气和约2％至25％的氢气。

21.根据权利要求18所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含按体积计71％至99％的作为所述基础燃料气体的乙烷和约1％至29％的氢气。

22.根据权利要求18所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含大于70％的作为基础燃料气体的丙烷和约1％至小于30％的氢气。

23.根据权利要求22所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含约71％至95％的作为基础燃料气体的丙烷和约5％至29％的氢气。

24.根据权利要求18所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含约88％至99％的作为基础燃料气体的二甲基醚和约1％至12％的氢气。

25.根据权利要求25所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体包含约88％至95％的作为基础燃料气体的二甲基醚和约5％至12％的氢气。

26.根据权利要求14所述的燃料气体混合物，其中所述基础燃料气体和所述氢气在使用之前从单独的源混合。

27.一种用于切割金属工件的方法，所述方法包括：

将燃料气体混合物输送至喷枪，所述喷枪包括切削刀头，所述燃料气体混合物包含：

按体积计大于70％至约99.9％范围内的量的基础燃料气体，以及按体积计大于约0.1％至小于30％范围内的量的氢气；

将所述金属工件预热至金属工件引火温度；

将第一氧气供应输送至所述燃料气体混合物以形成能够点燃的气体混合物；

点燃所述能够点燃的气体混合物以形成离开所述切削刀头的火焰；

在金属工件上的预先确定的位置处将所述火焰输送至所述金属工件；以及

将第二氧气源输送至所述火焰以切割所述金属工件。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述基础燃料气体包含约75％至98％的作为基础燃料气体的天然气和约2％至25％的氢气。

29.根据权利要求27所述的方法，其中所述基础燃料气体和所述氢气在使用之前从单独的源输送至所述切割喷枪。

30.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料气体混合物由单个预混加压容器输送。

31.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧气纯度为至少95％。

32.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧气源为空气。

33.一种燃料气体容器，所述燃料气体容器包含根据权利要求14所述的燃料气体混合物。

34.根据权利要求33所述的容器，其中所述气体混合物在大致环境温度下在约1巴至约800巴范围内的压力下从所述容器基本上均匀地分配。

35.根据权利要求33所述的容器，其中所述容器连接至供应系统，所述供应系统用于将所述燃料气体混合物和氧气输送至选自切割、焊接、火焰加热、软钎焊和硬钎焊的工艺。

36.一种用于氧燃料金属制造工艺的燃料气体混合物，所述燃料气体混合物包含：按体积计约50％至99％的作为基础燃料气体的乙烷；以及按体积计约1％至约50％的氢气。

37.一种用于在金属制造工艺中加热金属工件的方法，所述方法包括：

将根据权利要求36所述的燃料气体混合物输送至喷枪；

将氧气输送至所述燃料气体混合物以形成氧燃料气体混合物；点燃所述氧燃料气体混合物以形成火焰；

在所述金属工件上的预先确定的位置处使所述火焰与所述金属工件接触；以及

加热所述金属工件。

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