MD4153C1 - Instalaţie pentru tăierea şi sudarea cu gaz a metalelor - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la instalaţiile compacte de tip portabil pentru tăierea şi sudarea la temperaturi înalte a diferitelor materiale, şi anume la o instalaţie pentru tăierea şi sudarea calitativă cu gaz a metalelor la întreprinderile mici, atelierele de reparaţii şi în condiţii casnice.Instalaţia, conform invenţiei, include un corp ermetic (1), anozi perforaţi (2), catozi (3) dintr-un material spumos de nichel sau cupru cu suprafaţa porilor nichelată, uniţi în pereche în partea superioară a corpului formând un compartiment catodic, două racorduri verticale (6) de evacuare a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare (7) dotată cu o serpentină, un alimentator (8), care aderă la corp, cu un nivelmetru (9) şi un dispozitiv de plutire (10), o pompă (5) unită cu capacitatea de alimentare (7) şi compartimentul catodic printr-o conductă (4), precum şi o sursă de curent continuu; totodată partea superioară a corpului este executată în formă de cupolă unită cu un racord de evacuare (12) a amestecului de gaz dotat cu o cutie de distribuţie (13) unită cu un închizător hidraulic (14) de gaz cu două baloane cu racorduri de admisiune şi evacuare a gazului (20), şi cu un racord orizontal deschis (15) dotat cu un magnet inelar (16), două ventile (17, 18), între care este amplasat un racord triplu (19) unit cu racordul (20) de evacuare a gazului din închizătorul hidraulic (14) şi cu un furtun flexibil (22) cu un arzător de gaze (23).Rezultatul constă în diminuarea capacităţii energetice şi a dimensiunilor instalaţiei, precum şi în preîntâmpinarea supraîncălzirii electrolitului.

Description

Invenţia se referă la instalaţiile compacte de tip portabil pentru tăierea şi sudarea la temperaturi înalte a diferitelor materiale, şi anume la o instalaţie pentru tăierea şi sudarea calitativă cu gaz a metalelor la întreprinderile mici, atelierele de reparaţii şi în condiţii casnice.

Este cunoscută instalaţia pentru electroliza apei din soluţii alcaline cu obţinerea hidrogenului şi oxigenului, care se atribuie la instalaţii de tip filtru cu conectare bipolară a electrozilor [1].

Astfel de instalaţie include un anod şi un catod, amplasaţi în părţile laterale, între ei sunt amplasate multiple celule separate, cu electrozi bipolari nichelaţi şi diafragme, cu supape de separare, dotate cu o placă de cuplare şi şuruburi pentru ermetizarea spaţiului dintre electrozi şi fixarea într-un tot întreg a construcţiei acesteia. Dezavantajele instalaţiei este masivitatea, ineficienţa, consumul mare de energie, totodată nu poate fi utilizată în condiţii industriale şi semiindustriale.

Cea mai apropiată soluţie este instalaţia pentru tăierea şi sudarea cu gaz a metalelor de tip detaşabil, care include un corp cu soluţie alcalină cu electrozi amplasaţi în el - anodul şi catodul, conectaţi la sursa de curent, racorduri pentru evacuarea amestecului de gaze şi un închizător de gaze în formă de baloane dublate cu ştuţuri pentru admisiunea şi evacuarea gazului şi un sistem de conducte flexibile cu arzător de gaze [2].

Această instalaţie este bipolară şi include mai mult de 100 de celule, care sunt conectate în serie. Însă instalaţia cunoscută posedă capacitate energetică înaltă, care necesită curent electric pentru fiecare celulă (1,7...2,6 V), procesul de electroliză este însoţit de încălzirea rapidă a electrolitului, până la fierberea lui, ceea ce este legat de rezistenţa ohmică sporită a sistemului.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în diminuarea capacităţii energetice şi a dimensiunilor instalaţiei, precum şi în preîntâmpinarea supraîncălzirii electrolitului.

Instalaţia, conform invenţiei, include un corp ermetic 1, anozi perforaţi 2, catozi 3 dintr-un material spumos de nichel sau cupru cu suprafaţa porilor nichelată, uniţi în pereche în partea superioară a corpului formând un compartiment catodic, două racorduri verticale 6 de evacuare a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare 7 dotată cu o serpentină, un alimentator 8, care aderă la corp, cu un nivelmetru 9 şi un dispozitiv de plutire 10, o pompă 5 unită cu capacitatea de alimentare 7 şi compartimentul catodic printr-o conductă 4, precum şi o sursă de curent continuu; totodată partea superioară a corpului este executată în formă de cupolă unită cu un racord de evacuare 12 a amestecului de gaz dotat cu o cutie de distribuţie 13 unită cu un închizător hidraulic 14 de gaz cu două baloane cu racorduri de admisiune şi evacuare a gazului 20, şi cu un racord orizontal deschis 15 dotat cu un magnet inelar 16, două ventile 17 şi 18, între care este amplasat un racord triplu 19 unit cu racordul 20 de evacuare a gazului din închizătorul hidraulic 14 şi cu un furtun flexibil 22 cu un arzător de gaze 23.

Rezultatul constă în diminuarea capacităţii energetice şi a dimensiunilor instalaţiei, precum şi în preîntâmpinarea supraîncălzirii electrolitului.

Rezultatul se datorează utilizării catozilor poroşi, care posedă o suprafaţă specifică înaltă, ce permite diminuarea dimensiunilor instalaţiei, a pierderilor ohmice şi încălzirea electrolitului fără a micşora randamentul şi cantitatea specifică de hidrogen generat. Acest fapt este posibil prin asigurarea unei densităţi relativ joase a curentului în limitele 0,5…0,8 A/dm2 şi unei tensiuni joase la electrozi - de cel mult de 3…5 V. Totodată, utilizarea în calitate de material catodic a nichelului spumat sau a granulelor de cupru spumat cu strat de nichel permite realizarea procesului de electroliză la supratensiuni mai mici decât cele pentru degajarea hidrogenului. Toate acestea asigură diminuarea consumului de energie fără diminuarea randamentului instalaţiei.

În figura 1 este prezentată schema funcţională a instalaţiei.

Instalaţia include un corp ermetic 1, anozi perforaţi 2, catozi 3 din material spumos de nichel sau cupru cu suprafaţa porilor nichelată, catozi uniţi în pereche, formând compartimentul catodic unit printr-o conductă 4 cu o pompă 5, racorduri verticale de evacuare 6, conectate cu o capacitate 7 dotată cu serpentină, pe care este amplasat un alimentator 8 de apă deionizată cu nivelmetru 9 şi dispozitiv de plutire 10, un capac 11 cu racord 12 de evacuare a amestecului de gaz dotat cu o cutie de distribuţie 13, unită cu un închizător hidraulic 14 de gaz cu două baloane, un racord orizontal deschis 15 dotat cu un magnet inelar 16 la baza acestuia, ventile 17 şi 18 şi un racord triplu 19 între acestea, unit cu racordul 20 de evacuare a gazului din închizătorul hidraulic 14, cu un ventil 21, cu un furtun flexibil 22 şi un arzător de gaze 23.

În calitate de electrolit în celulele electrolitice de obicei se utilizează soluţii apoase de KOH de 25…29% sau de NaOH de 16…18%. Pentru prepararea electrolitului este necesară apă demineralizată cu electroconductibilitatea de la 10-6 până la 2·10-6 Ohm-1·cm-1. Electroconductibilitatea specifică a soluţiei apoase de KOH de 25% la 18°C este egală cu 0,552 ohm-1·cm-1, a soluţiei de NaOH de 20% - 0,326 ohm-1·cm-1.

În calitate de catozi volumici poroşi poate fi utilizat nichelul spumat sau cuprul spumat cu acoperire de nichel sau aliajele acestuia, care sunt produse în industria metalurgică prin injectarea gazelor inerte în metalul topit sau prin stimularea formării locale de gaze la introducerea unui reactiv care degajă gaz (de ex., TiH2), datorită cărui fapt se formează structura celulară cu pori deschişi. Cu referinţă la proprietăţile materialelor volumice poroase, acestea au densitatea de 0,35…0,7 g/cm3, valoare sporită a porozităţii, care se deosebeşte prin absenţa canalelor optice deschise, care asigură schimbul de masă şi de căldură cu mediul ce trece prin material, şi susceptibilitate înaltă la gaze. Alegerea grosimii electrodului se efectuează în funcţie de mărimea porilor acestuia, astfel încât să fie asigurată funcţionarea lui la limita curentului de difuzie. În medie grosimea ar trebui să fie de 6…10 mm. La depăşirea acestei valori polarizarea în zona interioară poate să-şi schimbe semnul în opus, în acest caz începe să se dezvolte formarea zonei anodice şi degajarea hidrogenului se întrerupe.

Anozii pot fi executaţi din oţel perforat slab aliat, iar pentru a spori durabilitatea lor, aceştia pot fi nichelaţi cu un strat de nichel de 50…100 µm. În cazuri speciale aceştia pot fi realizaţi din bare de titan, pe suprafaţa cărora este depus un strat de oxizi de tipul dioxid de ruteniu sau iridiu, care se deosebesc prin durabilitate, proprietăţi de difuzie a liniilor de forţă la electroliză, precum şi prin supratensiune pentru degajarea oxigenului, care diminuează cantitatea lui în comparaţie cu cea a hidrogenului.

Instalaţia funcţionează astfel. Soluţia preparată în prealabil pe bază de soluţie alcalină din hidroxid de sodiu sau hidroxid de potasiu, se introduce în corpul 1 instalaţiei prin alimentator 8 până la umplerea volumului instalaţiei, în cazul dat dispozitivul de plutire 10 închide accesul spre alimentator 8.

Pentru iniţierea procesului se conectează pompa 5 pentru asigurarea recirculării soluţiei alcaline din capacitatea de alimentare 7 prin conducta 4 în partea interioară a compartimentului catodic, apoi soluţia trece cu o oarecare presiune prin porii catodului din nichel spumat în spaţiul dintre electrozi, care se formează între ei şi anodul perforat şi se scurge prin racordurile verticale 6 din nou în capacitatea de alimentare 7.

În continuare se conectează curentul continuu la electrozi 2, 3 şi începe procesul de descompunere electrochimică a apei.

Procesul de electroliză are loc atât la suprafaţa porilor catodului, cât şi în interiorul acestora. Deoarece introducerea electrolitului se efectuează din partea frontală în raport cu anodul, atunci microbulele de hidrogen care se degajă în urma schimbului intens de masă sunt scoase în spaţiul dintre electrozi şi amestecându-se cu oxigenul electrolizat se evacuează spre cupola instalaţiei şi prin racordul de evacuare 12 nimeresc în cutia de distribuţie 13, de unde ajung în închizătorul hidraulic de gaz cu două baloane 14, apoi prin racordul 20 şi furtunul flexibil 22 - la arzător 23. Distanţa optimă între anod 2 şi catod 3 trebuie să fie de 10…25 mm pentru a minimiza cheltuielile energetice pentru înfruntarea rezistenţei electrolitului şi a degajării gazelor în sistem. Datorită perforării anodului 2, se asigură un transfer de masă mai bun, concomitent se facilitează o distribuţie mai uniformă a liniilor de forţă în spaţiul dintre electrozi şi majorarea puterii de difuzie în sistemul electrochimic.

Închizătorul hidraulic de gaz cu două baloane 14 este necesar pentru preîntâmpinarea răspândirii flăcării în interiorul sistemului de formare a gazelor. Însă la utilizarea apei în sistem, amestecul de gaze cu o cantitate de bază care se scoate din electrolit se transformă în spumă şi se îmbogăţeşte cu vapori, ceea ce duce la instabilitatea arderii amestecului de gaze. De aceea în calitate de lichid în închizătorul hidraulic de gaz pot fi utilizate lichide care sting spuma, în special, - gazul lampant, care nu face spumă. Totodată, la nimerirea întâmplătoare a picăturilor de gaz lampant în arzător, flacăra nu se stinge. În procesul de ardere a amestecului hidrogen-oxigen temperatura se ridică până la 1800°C şi mai mult. Creşterea temperaturii de ardere este posibilă prin majorarea presiunii în zona de sudare. Stingerea arzătorului după finisarea lucrului e bine de realizat prin scufundarea în apă.

Lichidul în închizătorul hidraulic 14 se toarnă aproximativ la 1/3 din înălţimea lui. În procesul funcţionării instalaţiei, gazele care se degajă apasă asupra lichidului din primul balon, împingându-l în celălalt, astfel realizându-se barbotarea cu gaz. La finisarea lucrului sau în timpul pauzei, când se stinge arzătorul, în instalaţie se face vid, lichidul trece în direcţie opusă şi după ceva timp în primul balon are loc barbotarea cu aer, după care instalaţia poate fi păstrată până la următorul ciclu.

Datorită racordului orizontal 15, dotat cu un magnet inelar 16 la baza acestuia şi cutiei de distribuţie 13 se creează posibilitatea reglării, la necesitate, a cantităţii de oxigen în amestecul de gaze electrolitice. Oxigenul în compoziţia amestecului de gaze posedă o susceptibilitate magnetică înaltă, de aceea în racordul orizontal 15 este atras oxigenul la ventilele 17 şi 18 în poziţie deschisă şi parţial este scos din sistem. În calitate de magneţi permanenţi pot fi utilizaţi magneţi de samariu, care posedă forţă coercitivă mare.

Consumul teoretic de apă la formarea a 1 m3 de hidrogen şi a 0,5 m3 de oxigen conform legii lui Faraday ar trebui să constituie 805 ml de apă la presiune normală, dar consumul de facto este mai mare, aceasta fiind legat parţial de scoaterea ei în formă de aburi şi gaze care se degajă. Pentru acoperirea consumului de apă este necesar a completa continuu sau periodic deficitul.

Pe măsura consumării apei pentru electroliză în corpul 1 al instalaţiei nivelul electrolitului scade şi poate fi controlat cu ajutorul nivelmetrului 9. În această perioadă dispozitivul de plutire 10, care acoperă ieşirea alimentatorului 8, împiedicând scurgerea apei în el, se va coborî până la un anumit nivel şi o parte de apă se va scurge din el până când dispozitivul de plutire nu se va ridica şi va închide din nou scurgerea apei, asigurând astfel menţinerea automată a nivelului electrolitului în instalaţie şi concentraţia stabilită a soluţiei de bază din ea. Totodată, apa din dispozitivul de plutire trebuie să fie epurată de impurităţi mecanice şi săruri minerale până la un conţinut minim de substanţe uscate în ea de cel mult 10…15 ml/l.

Pe măsura atingerii nivelului dat în corpul 1, electrolitul se scurge prin racordurile verticale de evacuare 6 în capacitatea de alimentare 7, asigurând circuitul continuu ale electrolitului şi condiţii hidrodinamice pentru desfăşurarea proceselor electrochimice pentru obţinerea amestecului hidrogen-oxigen pentru tăierea şi sudarea cu gaze a metalelor.

În procesul electrolizei, la funcţionarea mai îndelungată a instalaţiei o parte din energia electrică se consumă pentru degajarea căldurii şi încălzirea electrolitului. Totodată, creşterea temperaturii mai sus de 70°C este neraţională. Reglarea temperaturii şi menţinerea ei la nivel optim are loc prin introducerea apei reci în serpentină, care este amplasată în capacitatea de alimentare 7.

Astfel, invenţia asigură rezolvarea problemelor puse, şi anume simplificarea construcţiei, diminuarea consumului de energie şi preîntâmpinarea supraîncălzirii electrolitului la funcţionarea mai îndelungată a instalaţiei.

1. Прикладная электрохимия. Под ред. Томилова А.П. Москва, Химия, 1984, с.129-135

2. Олейник И.П., Бородатый Ю.И. Электролизная сварка: трудности и перспективы "обыкновенного чуда". Журнал Электрик. 2005, №10, с.37-38

Claims (1)

1. Instalaţie pentru tăierea şi sudarea cu gaz a metalelor, care include un corp ermetic cu anozi perforaţi, catozi dintr-un material spumos de nichel sau cupru cu suprafaţa porilor nichelată, uniţi în pereche în partea superioară a corpului formând un compartiment catodic, două racorduri verticale (6) de evacuare a electrolitului, care comunică cu capetele inferioare cu o capacitate de alimentare dotată cu o serpentină, un alimentator, care aderă la corp, cu un nivelmetru şi un dispozitiv de plutire, o pompă unită cu capacitatea de alimentare şi compartimentul catodic printr-o conductă, precum şi o sursă de curent continuu; totodată partea superioară a corpului este executată în formă de cupolă unită cu un racord de evacuare (12) a amestecului de gaz dotat cu o cutie de distribuţie unită cu un închizător hidraulic de gaz cu două baloane cu racorduri de admisiune şi evacuare a gazului (20), şi cu un racord orizontal deschis (15) dotat cu un magnet inelar, două ventile, între care este amplasat un racord triplu (19) unit cu racordul (20) de evacuare a gazului din închizătorul hidraulic şi cu un furtun flexibil cu un arzător de gaze.