[发明专利]氧燃料气体混合物及其使用方法

说明书

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。

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。