CS200468B2 - Způsob provádění technologických postupů používajících plamene a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Description

Vynález ee týká technologických postupů používajících plamene, například svařování, tvrdého pájení a řezání kyslíkem, popřípadě atomického svařování a řezání nebo svařování elektrickým obloukem.

Vynález využívá poznatku, že s disociací molekulárního kyslíku na atomární kyslík při prů chodu obloukem je spojeno značné množství energie a tato vlastnost může být užitečně využita k vyvíjeni teploty, značně vyěěí než ta, která se například očekávala u atomického vodíkového plamene* Velikost energie,kterou lze získat tímto způsobem, se dá zjistit z tepelné energie spojené s reakcemi, které probíhají při průchodu vodíku a kyslíku elektrickým obloukem:

Η + H absorbuje 101 000 cal na gram mol

O2 0+0 absorbuje 117 000 cal na gram mol celkem 218 000 cal na gram mol

Při rekombinaci atomů se tato energie uvolňuje jako teplo v průběhu složitých chemických reakcí a vyvolá mimořádně vysokou teplotu plamene. Dříve nebylo pokládáno prakticky za možné nechat procházet kyslík nebo směs kyslíku a vodíku společně obloukem, a to 8 ohledem na vysokou výbušnost nebo zápalnost těchto plynů. Podle vynálezu je to věak možné a reálné, přičemž vynález umožňuje dosáhnout podstatně vyšších svařovacích nebo řezacích teplot, než bylo možné dosud známými prostředky.

S dosavadní praxí svařování plamenem nebo řezání plamenem jsou spojeny četné problémy.

Tak například při použití ocelových plynových lahví, zpravidla s kyslíkem a acetylénem, se projevují vážné nevýhody, zejména pro uživatele pracující na místech vzdálených od skladiětě lahví, kdy mezi objednáním dodávky a jejím uskutečněním uplyne delěí doba. Uživatelé, kteří si potřebují zajistit potřebnou dodávku plynu pro důležitou práci, musejí většinou objednat.

nové dodávky dopředu, aniž plné využijí dosavadní zéaoby, anebo riskovat, že bude zásoba spotřebována ježtS před dokončením práce. Plynové láhve se obvykle dodávají na základě výměny, a tedy použité láhve se vyměňují za plné} to m&že z hlediska spotřebitele představovat značná ztráty, protože často se musejí vracet láhve, jejichž obsah nebyl úplná spotřebován.

Používání plynu plnánáho v lahvích je spojeno s řadou dalších problémů, jako je nebezpečí úniku plynu z lahvi, nedodržené dodací lhůty v důsledku obtíží ve výrobš, zákonná odpovšdnost, vysoké nákupní a skladovací nákxady, dopravní náklady a další.

Další nevýhoda spojená ee svařováním kyslíkovodíkovým plamenem vyplývá z toho, že vátžina kovů absorbuje vodík. Proto se například při svařování oceli musí pečlivá dbát na to, aby vodik nebyl přítomen v přebytku, protože by byl absorbován kovem a způsobil by ztrátu pevnosti a křehkosti kovu. Přebytek kyslíku zase způsobuje spalování kovu a je tedy třeba se mu rovněž vyhýbat. Proto je krajná důležité, aby při kyslíkovodíkovém svařování mála směs složení, které v hořáku zaručí vznik neutrálního plamene, to jest plamene, kde není přebytek ani vodíku, ani kyslíku. Udržet neutrální plamen je v praxi velmi obtížné a prakticky nemožné na základě posuzování barvy plamene, a proto se svařování kyslíkovodíkovým plamenem nijak nerozšířilo přes své nesporné výhody, kterými jsou nízké náklady a vysoká výhřevnost vodíku jako paliva.

Uvedená nevýhody odstraňuje způsob podle vynálezu, který spočívá v tom, že se kyslík a vodík vyvíjené současná elektrolýzou vodného elektrolytu nechají volná smísit, vznikající plynná směs obsahující kyslík a vodík ve stechiometrickám poměru se popřípadě upraví na složení odpovídající prováděnému postupu, složkové plyny se elektrickým obloukem dissociuji na atomární formu a spalují v plameni. Hořlavý plyn se může vyvíjet kdekoliv a kdykoliv podle potřeby, takže odpadá nutnost skladování lahví a nevýhody spojené s nepravidelnou dodávkou plynu} přitom stechiometrická směs vznikající při elektrolýze hoří neutrálním plamenem.

Má-li se naproti tomu vytvořit kyslíkový plamen, přidává se podle vynálezu ke vznikající stechiometrická směsi přídavný elektrolyticky vývíjený kyslík nebo se ze vznikající směsi kyslík magneticky oddělí. Vodík oddělený od kyslíku se může účelně zachycovat v kovovém absorbentu a použit k dalším účelům.

Předmětem vynálezu je rovněž zařízení k provádění technologických postupů, které se skládá ze zdroje plynu, pojistky proti zpětnému zážehu a hořáku; podle vynálezu sestává zdroj plynu z elektrolyzéru, který obsahuje nejméně dvě desková elektrody, připojená ke zdroji elektrického proudu a ponořená ve vodném elektrolytu těsně vedle sebe bez separátorů, a je spojen přes pojistku proti zpětnému zážehu s hořákem, který je opatřen dvojicí elektrod, ležících v dráze proudu plynu z elektrolyzéru.

Zařízení podle vynálezu neobsahuje diafragmy, která jsou u známých elektrolytických vyvíječů nezbytné k oddělení obou plynů, jež by jinak vytvářely vysoce výbušnou směs. Podle vynálezu lze oba plyny bezpečně a účelně vyrábět a užívat ve směsi jako p^aliva za předpokladu použití vhodných bezpečnostních opatření, jako je pojistka proti zpětnému zážehu. Protože v elektrolyzéru nejsou diafragmy, je možno elektrody umístit blízko u sebe; tím odpadá vysoký odpor způsobovaný diafragmou, což zase zvyšuje rychlost tvoření plynné směsi při daných rozměrech zařízení. Vynález tedy umožňuje výrobu jak velkých průmyslových zařízení, tak zařízení malých rozměrů, vhodných pro nejrůznájší svařovací a jiné postupy v případech, kdy by se známá zařízení pro své velké rozměry nemohla použít.

Elektrolyzér může být připojen k elektrickému zdroji, např. k síti, s výhodou přes snižovací transformátor a usměrňovač. Popřípadě lze zařízení kombinovat v kompaktní víceúčelovou jednotku e transformátorem opatřeným několika sekundárními vinutími, umožňujícími jeho použití k dalším účelům, jako k nabíjení akumulátorů, elektrolytickému pokovování, k obloukovému svařování nebo k vytvoření oblouku pro atomické svařování.

V praxi bylo zjištěno, že jednotlivý elektrolyzér se dvěma elektrodami bez diafragmy, pracující s proudem několika set ampérů, generuje vodík a kyslík v množství dostatečném pro meněí svařovací a pájecí práce, avšak pro rozsáhlejší práce, například svařování ocelových desek tlouštky 10 mm, je potřebná intenzita proudu příliš velká /řádově 900 A a více/, pokud jde o vodiče a transformátor, a rovněž vznikají potíže s vyvíjením tepla. Tento problém lze vyřešit tím, že se několik elektrolyzérů zapojí do série, takže pro stejné množství vyvíjeného plynu stačí mnohem menši proudový příkon. Kapacita série elektrolyzérů při daném vstupním proudu se rovná kapacitě jednoho článku násobené počtem článků, nebo jinak řečeno pro vyvíjení potřebného množství plynu je skutečný potřebný proud rovný teoreticky potřebnému proudu dělenému počtem elektrolyzérfl. Ale i v tomto případě mé velký počet elektrolyzérů přílišné rozměry a nehodí se proto pro přenosná zařízeni.

K odstraněni této nevýhody může podle vynálezu elektrolyzér obsahovat mezi deskovými elektrodami připojenými ke zdroji proudu soustavu vnitřních elektrod, přičemž elektrody jsou upevněny v izolační trubce opatřené otvory pro unikání vyvíjených plynů a otvory pro průtok elektrolytu. Pro větěinu aplikací nemusí mít zařízeni předřazený transformátor a může se připojit přímo k síti, popřípadě přes usměrňovač, takže je kompaktní a vhodné jak k domácímu použití, tak v průmyslu.

Pro některé účely je žádoucí použití samotného kyslíku, např. pro řezání. K tomuto účelu může být mezi elektrolyzérem a hořákem umístěn magnetický oddělovač kyslíku z vyvíjené směsi, který tvoří komora s magnetem a dvěma vzájemně kolmými kanály pro oddělené odvádění kyslíku a vodíku. Alternativně může být k výstupu elektrolyzéru připojen pomocný elektrolytický článek pro obohacování vyvíjené směsi kyslíkem nebo vodíkem. K zachycování vodíku vyvíjeného současně 8 kyslíkem a nespotřebovaného na místě je účelné připojit k výstupu elektrolyzéru zásobník obsahující kovový absorbent, například palladium.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s příklady provedení, znázorněnými na výkrese, kde obr. 1 ukazuje schematicky jednoduchý elektrolyzér s pojistkou proti zpětnému zážehu a s hořákem, obr. 2 je svislý řez elektrolyzérem se soustavou vnitřních elektrod, obr. 3 znázorňuje schematicky hořák ke spalování směsi vodíku a kyslíku z elektrolyzéru, obr. 4 je magnetický oddělovač kyslíku a vodíku z plynné směsi vyvíjené elektrolyzérem a obr. 5 ukazuje kompletní přístroj s elektrolyzérem podle vynálezu a zdrojem proudu a transformátorem.

Obr. 1 schematicky znázorňuje jednoduchý elektrolyzér £ k výrobě směsi vodíku a kyslíku, která prochází pojistkou £ proti zpětnému zážehu k hořáku £. Elektrolyzér £ obsahuje dvě deskové elektrody 4, ponořené v elektrolytu, sestávajícího z roztoku KOH ve vodě, a připojené svorkami 5. ke zdroji střídavého nebo stejnosměrného proudu. Stejnosměrný, proud je výhodnější, protože elektrická impedance elektrolyzéru £ je při stejnosměrném proudu mnohem nižší než při napájení střídavým proudem. Zdrojem elektrického proudu může být transformátor, např. o výstupním jmenovitém výkonu 300 A, připojený k elektrolyzéru £ přes můstkový usměrňovač. Pojistka £ proti zpětnému zážehu je tvořena vodní lázní, kam plyn> uvolňovaný v elektrolyzéru £ přichází trubicí 6_ a vystupuje trubicí 7_ do hořáku 8_. Uspořádání je zejména vhodné pro malé svářečské a řezací práce, protože pro velké práce by bylo příliš rozměrné.

Obr, 2 znázorňuje svislý řez elektrolyzérem ££, který potřebuje značně nižší proud než elektrolyzér £, znázorněný na obr. 1. Elektrolyzér 11 sestává v podstatě ze série elektrolytických článků tvořených řadou deskových elektrod, ponořených v roztoku KOH ve vodě. Koncové deskové elektrody 14 jsou připojeny vodiči 18 ke svorkám £5 pro připojení ke zdroji proudu a mezi nimi jsou uloženy vnitřní elektrody 22. Směs vodíku a kyslíku vznikající na elektrodách £4, 22 při průchodu proudu vystupuje trubicí £6 do neznázorněné pojistky proti zpětnému zážehu a pak do hořáku.

Deskové elektrody £4, 22 jsou uloženy a utěsněny v trubce 24 z izolačního materiálu, která je opatřena mezi elektrodami £4, 22 horními otvory 24 a spodními otvory 25. Horními otvory 24 vystupuje plyn do prostoru 26 nad hladinou elektrolytu a spodními otvory 25 elektrolyt volně vstupuje do prostoru mezi dvojicemi deskových elektrod 1 4, 22. Při tomto uspořádání je elektrický odpor mezi dvěma sousedními deskovými elektrodami 1 4, 22 mnohem menší než mezi deskovými elektrodami, které k sobě nepřiléhají, takže toto uspořádání tvoří ve skutečnosti soustavu jednotlivých elektrolytických článků zapojených v sérii. Tim vznikne velmi kompaktní uspořádání, které generuje poměrně velké množství plynu při přiměřeně nízkém příkonu proudu. Například konstrukce podobná obr. 2 a sestávající ze 120 článků může generovat při proudu 15 A /o napětí např. 240 V/ stejné množství plynu jako jednotlivý elektrolyzér, který potřebuje proud asi 1 800 A. To prakticky znamená, že podle vynálezu lze realizovat přenosný přístroj, který může být připojen přímo, bez transformátoru, na zdroj proudu v domácnosti a může produkovat dostateěné množství plynu pro běžné typy svařovacích prací.

Výhodou, která je zejména výrazná proti běžným svařovacím přístrojům, je to, že vodík a kyslík vznikají automaticky v podstatě ve správných poměrech pro neutrální plamen. Není třeba směšovacích ventilů a poměrně nekvalifikovaná ella může bez potíží provádět vyhovující svary.

Obr. 3 schematicky znázorňuje hořák 13, kterým lze vytvořit neobyěejně horký plamen za použití plynná směsi vyrobené elektrolyticky popsaným zařízením. V tomto hořáku 13 se aměs vodíku a kyslíku, výhodně ve stechiometrickém poměru, přivádí potrubím 27 mezi dvě wolframová elektrody 28, kde dochází k disociacl molekulárního vodíku a kyslíku a ke vzniku velmi horkého plamene 29. Třebaže v atomárním vodíkovém plameni se dosáhne značná zvýěení teploty tím, že oblouk hoři ve vodíku a rozkládá jej na atomární formu, ještě většího vzrůetu teploty se může dosáhnout taká hořením oblouku v kyslíku, protože disociačni energie molekulárního kyslíku má řádově tutéž hodnotu jako dieociaSní energie molekulárního vodíku.

Obr. 4 znázorňuje uspořádáni určené k magnetickému oddělování kyslíku ze směeí kyslíku a vodíku, použitelného pro řezání plamenem. Oddělovač sestává z komory 30 e magnetem 31, umístěná v . potrubí 32. Směs vodíku a kyslíku prochází potrubím 32 a kolem magnetu 31. Diamagne tický kyslík se odchýlí magnetickým polem do příčné štěrbiny 33 a proudí schematicky naznačeným centrálním kanálem 34 do řezací hlavy. Paramagnetický vodík proudí kolem magnetu 31 a potrubím 32 a vypouští se nebo se podle potřeby jímá. Je-li magnet 31 tvořen elektromagnetem, dá ee odpojit v případě, že se potřebuje eměe vodíku a kyslíku, a výstupní konec 35 potrubí 32 ee může uzavřít, aby se zabránilo ztrátám plynu.

Obr. 5 znázorňuje úplný kyslíkovodíkový vyvíjecí a svařovací přístroj, skládající se z elektrolyzéru 111, z proudového regulačního elektrolytického článku 118 a ze zdroje 119. Konstrukce elektrolyzérů 111 odpovídá v podstatě obr. 2. V obr. 5 je však elektrolyzér 111 vytvořen jako integrovaná jednotka s proudovým regulačním elektrolytickým článkem 118 a prostor 126 nad elektrolytem je spojen kanálem s komorou regulačního elektrolytického článku 118, opatřená ho dvěma elektrodami 136. Příslušné elektrody 114, 136 jeou zapojeny do série ke zdroji 119. Plynná eměe vyvíjená v elektrolyzérů 111 prochází kanálem do regulačního elektrolytického článku 118, probublává v něm elektrolytem a vystupuje nad jeho hladinu, odkud vychází trubici 116 a vede se hadicí 137 do hořáku 113. Regulační elektrolytický článek 118 alouží k regulaci přívodu proudu do elektrolyzérů 111 na základě množství vyvíjené plynné směsi, není však předmětem vynálezu. Celá jednotka je opatřena přetlakovým ventilem 138 k vypouštění plynná směsi v případě, že tlak vzroste nad přípustnou hodnotu.

Hořák 113 má pojistku 112 tvořenou keramickým tělískem, umístěným mezi rukojetí 139 a hrotem 140. Pojistka 112 zhasí plamen, který by mohl šlehnout zpátky z hořáku 113, ještě dřív, než dojde do hadice 137.

Zdroj proudu 119 je univerzálního typu a je opatřen transformátorem 141, připojeným na zdroj střídavého proudu a opatřeným řadou vývodů pro různá účely. Jedno sekundární vinutí transformátoru 141 je připojeno k můstkovému usměrňovači 142, který usměrňuje proud pro elektrolyzér 111. Další sekundární vinutí je použito k obloukovému svařováni nebo se může používat k napájení oblouku atomického kyslíkovodíkového svařováni. Elektrolyzér 111 může být připojen taká přímo na sít a můstkový-usměrňovač 142 může být rovněž vypuštěn.

Při činnosti popsaného zařízení je často žádoucí přecházet z neutrálního plamene na oxidační a naopak, například při přechodu ze svařováni na řezání; vynález umožňuje tento přechod. Podle vynálezu může zařízení pro svařování nebo řezání obsahovat elektrolyzér pro vyvíjení vodíku a kyslíku elektrolýzou Vody v podstatě ve stechiometrickém poměru k napájení neutrálního plamene, a pomocný elektrolytický Článek, z něhož se vodík a kyslík odvádějí odděleně a jeden z nich se přidává do plynná směsi z elektrolyzérů. Na obr. 7 je schematicky naznačen pomocný elektrolytický článek 143 s odděleným odváděním vodíku a kyslíku. Tímto uspořádáním se dosáhne velmi účinné kombinace funkcí při potřebě neutrálního nebo jiného plamene. Plynný vodík z pomocného článku shoří po přidání do plynná směsi s atmosférickým kyslíkem, čímž vzniká redukční plamen.

Když je třeba oxidační plamen, zastaví ee přívod přídavného vodíku a do směeí se naopak přidává kyslík, vyvíjený pomocným článkem 143. Je samozřejmé, že elektrolyzér i pomocný článek mohou být nejrůznější konstrukce, například mohou být zcela nezávislé nebo mít společný elektrolyt. Pomocný článek může být menši než elektrolyzér, protože nemusí vyvíjet celé požadovaná množství plynu.

Zjistilo se, že ee při svařování vodíkem a kyslíkem v přesném poměru 2:1, v němž jsou plyny vyvíjeny elektrolyticky, dosáhne obzvláště čistého bezokujového svařovacího povrchu d pevného svarového spoje, Ke stejně kvalitnímu svařování běžnou technikou svařování plynem j> třeba podstatně větSí zručnosti a například při obvyklém svařování vodíkem ee vyrobí dobrý svarový spoj pouze velmi nesnadno pro mimořádné obtíže při vytvoření a udržení neutrálního plamene. Způsobem podle vynálezu není nesnadné udržet neutrální plamen, a tím vyrobit vysoce kvalitní svary.

Někdy může být žádoucí nashromáždit elektrolyticky vyvíjený vodík a/nebo kyslík ve speciálním zásobníku nebo tyto plyny pomalu akumulovat a pak je podle potřeby spotřebovat pro obzvlášt velké svary ve velmi krátké době. Stlačovat směs vodíku a kyslíku na vysoký tlak je velmi nebezpečné; podle vynálezu však lze nashromáždit potřebné množství plynu v relativně malém objemu při nízkém tlaku tím, že se do zásobníku umísti kovový absorbér s vysokou absorpční schopností. Například kovové palladium může absorbovat až 900krát větší objem vodíku, než je jeho vlastní objem, a může se tedy vhodně použít pro takový účel. V praxi lze například množství vodíku potřebné pro tvrdé pájení v menším rozsahu uchovat v malé příruční nádržce, která obsahuje materiál absorbující plyn.

Claims (9)

1. Způsob provádění technologických postupů používajících plamene, například svařování, tvrdého pájení a řezání, vyznačený tím, že se kyslík a vodík vyvíjené současně elektrolýzou vodného elektrolytu nechají volně smísit, vznikající plynná směs obsahující kyslík a vodík ve stechiometrickém poměru se popřípadě upraví na složení odpovídající prováděnému postupu, složkové plyny se elektrickým obloukem dissociují na atomární formu a spalují v plameni.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že se k plynné směsi přidává elektrolyticky vyvíjený kyslík k vytvoření kyslíkového plamene.

3. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že se z plynné směsi magneticky odděluje kyslík k vytvoření kyslíkového plamene.

4. Způsob podle bodu 1, vyznačený tim, že se vodík oddělený od kyslíku zachycuje v kovovém absorbentu.

5. Zařízeni k prováděni technologických postupů podle bodu 1, se zdrojem plynu, pojistkou proti zpětnému zážehu a hořákem, vyznačený tím, že zdroj plynu sestává z elektrolyzéru /1, 11, 111/, který obsahuje nejméně dvě deskové elektrody /4, 14, 114/, připojené ke zdroji elektrického proudu a ponořené ve vodném elektrolytu těsně vedle sebe bez separátoru, a je spojen přes pojistku /2, 112/ proti zpětnému zážehu s hořákem /3, 13/, který je opatřen dvojicí elektrod /28/, ležících v dráze proudu plynu z elektrolyzéru /1, 11, 111/.

6. Zařízení podle bodu 5, vyznačené tím, že elektrolyzér /11, 111/ obsahuje mezi deskovými elektrodami /14, 114/, připojenými ke zdroji proudu, soustavu vnitřních elektrod /22, 122/, přičemž elektrody /14, 114, 22, 122/ jsou upevněny v izolační trubce /23/, opatřené otvory /24/ pro unikání vyvíjených plynů a otvory /25/ pro průtok elektrolytu.

7. Zařízení podle bodu 5, vyznačené tím, že mezi elaktrolyzérem /11, 111/ a hořákem /13, 113/ je umístěn magnetický oddělovač kyslíku z vyvíjené směsi, který sestává z komory /30/ s magnetem /31/ a dvěma vzájemně kolmými kanály /33, 34/ pro oddělené odvádění kyslíku a vodíku.

8. Zařízení podle bodu 5, vyznačené tím, že k výstupu elektrolyzéru /111/ je připojen pomocný elektrolytický článek /143/ pro obohacování vyvíjené směsi kyslíkem nebo vodíkem.

9. Zařízení podle bodu 5, vyznačené tím, že k výstupu elektrolyzéru /1, 11, 111/ je připojen zásobník obsahující kovový absorbent, například palladium.