Для чего нужен карбид
Карбид для сварки: что это такое и как его использовать?
Содержание:
Карбид для сварки или полное наименование карбид кальция – это главное вещество для получения ацетиленового газа. На самом деле, это активное химическое соединение кальция и углерода и в готовом виде представляет собой твердый состав с темно – серым или коричневым оттенком. По запаху, карбид напоминает резкий запах чеснока и вступает в реакцию водой с выделением тепла.
Для сварки карбид кальция является идеальным веществом, так как выделяет при контакте с водой ацетилен – летучий газ, основа кислородной сварки, напайки, металлизации и прочих процессов, связанных с обработкой металлов. Карбид кальция создают при температуре до 2300 градусов Цельсия с помощью сплавления кокса и негашеной извести в электрической дуговой печи (рис. 1). После этого, расплавленное вещество выливают на изложницы, и в них он остывает и принимает твердое состояние. После этого карбид для сварки дробят по кускам, размер которых не превышает 8 см. В результате вещество будет состоять из 75 процентов карбида кальция, а остальная часть – примеси, окиси извести и прочее.
Карбид кальция как «топливо» для сварки.
Как уже было выше сказано, карбид при сварке вступает в активную реакцию с водой, выделяя огромное количество тепла и ацетиленового газа. Эта его особенность усложняет хранение карбида, поэтому для его сохранности вещество помещают в герметичные баки из кровельной стали вместимостью 100 и 130 килограмм. Так как карбид выделяет легковоспламеняющийся ацетилен, то жизненно важно при открытии данных бидонов избежать искр и открытого огня.
Пыль карбида кальция – частицы до 2 миллиметров – не годится для использования, так как практически сразу растворяется в воде и при этом, возрастает вероятность, что использование такого состава приведет к взрыву всего баллона.
Для любознательных – один килограмм карбида кальция, в зависимости от чистоты и размера кусков, при контакте с водой может выделить более 250 дм 3 ацетилена!
Карбид кальция активно применяется во время газовой сварки и резки. Во время горения с кислородом, ацетилен может достигнуть наивысшей температуры плавления до 3150 градусов Цельсия, что делает его незаменимым в работе с тугоплавкими металлами, потому что для сваривания или резки необходима температура, вдвое превышающая градус плавления самого металла.
Для безопасного использования, ацетилен производят в специальных генераторах (рис. 2) на основе карбида кальция или природного газа, нефти и угля.
Второй способ получения ацетилена из природного газа, нефти и угля – более дешевый, чем применение карбида кальция, примерно на 30 – 40%.
Техника безопасности при работе с карбидом кальция.
Как уже Вам известно, карбид кальций – это взрывоопасное вещество и для обеспечения безопасной работы с ним необходимо выполнять несколько обязательных правил при использовании карбида для сварки. Главные положения, которые необходимо выполнять при сварочных работах на основе карбида кальция:
И напоследок отметим, что карбид кальция является высокоинтенсивным веществом для получения ацетиленового газа, что сводит к минимуму его расход. Кроме того, один килограмм ацетилена, полученного из карбида кальция, выделяет тепла около 8 тысяч кДж.
Что такое карбид кальция для сварки
Многие люди не понаслышке знают, что такое карбид натрия или кальция. В 80-х годах даже крохотный кусок этой твердой коричневатой или серой субстанции считался огромным богатством, особенно для маленьких детей, которые так любили с ним играться. Все дело в том, что при контакте с водой вещество вступает в термическую реакцию, выделяя дым. Запах карбида напоминает аромат чеснока.
Карбид кальция в сварке
Для сварочных работ карбид является чуть ли не идеальным веществом, потому что при взаимодействии с водой выделяет в окружающее пространство летучий газ ацетилен, который служит основой металлизации, напайки, кислородной сварки и множества иных процессов, относящихся к обработке металлических сплавов.
Создается этот состав при очень высокой температуре (до 2400 градусов) посредством расплавления негашеной извести и кокса внутри электродуговой печки. Затем раскаленное жидкое вещество помещается в специальные формы (изложницы), где оно застывает и твердеет. Затем карбид раскалывают на кусочки размером не более 8 см. В итоге полученная субстанция будет состоять примерно на 78% из карбида кальция, а остальные 22% — это известковые окиси, примеси и иные вещества.
Так как при воздействии воды карбид выделяет большое количество ацетиленового газа и тепловой энергии, это существенно затрудняет его хранение. Чтобы избежать порчи вещества, его нередко укладывают в герметичные стальные резервуары. При открытии этих металлических сосудов необходимо избегать открытого пламени и искр, иначе могут быть печальные последствия.
Карбидная пыль (частички до 2 мм) непригодна для применения, потому что растворяется в воде практически моментально. Кроме того, при хранении большого количества пыли увеличивается риск, что применение состава в итоге приведет к взрыву резервуара. Специалисты отмечают, что килограмм рассматриваемого вещества способен выделить при взаимодействии с водой более 260 кубических дюймов ацетилена.
Карбид часто используется для газовой резки и сварки. При горении ацетилен контактирует с кислородом и достигает температуры 3150, что делает этот газ совершенно незаменимым при обработке тугоплавких металлических сплавов. В целях безопасности ацетилен делают в особых генераторах на основе угля, нефти, природного газа или карбида кальция.
Особенности применения
В сварке это вещество используют везде. Делают это по следующей схеме:
Карбид при сварочных работах выполняет функции топлива, насыщающего генератор газа. И без его применения будет трудно применять ацетиленовую горелку. Ведь газовый баллон очень нелегко перемещать. А карбидные кусочки достаточно положить в герметичный сосуд и транспортировать на совершенно любые расстояния, предотвратив появление влаги.
Требования безопасности
В связи с тем, что это опасный материал, работать с ним нужно, строго соблюдая правила безопасности. Основные правила, которые обязательно должны выполнять при сварке с помощью карбида:
Соблюдая эти правила, можно безопасно пользоваться карбидом для сварки. Кроме того, это вещество позволяет сэкономить и сократить расход ацетилена.
Что такое карбид. Свойства карбида. Применение карбида
Забава детства. Так многие вспоминают о карбиде, особенно бывшие мальчишки, а ныне, конечно, взрослые мужчины.
Они брали камешки на строительных рынках. Покупать не покупали, а так, таскали с развалов и из кузовов грузовиков.
Любовались и белесыми пузырями, которые карбид давал, попадая в лужи. Однако, кому обязаны таким весельем, сорванцы прошлых лет, зачастую не знали.
Что такое карбид? Попробуем ответить на вопрос, кажущийся неважным в детстве.
Что такое карбид
Карбит – не конкретное вещество, а группа соединений элементов с углеродом. Последний должен быть более электроотрицательным, чем «сосед».
Это обязательное условие, исключающее из ряда карбидов галогениды и оксиды углерода.
Под электроотрицательностью понимается способность атома сдвигать к себе электроны других веществ.
Электротрицательность углерода равна 2,6. Это данные шкалы Полинга. Она выстроена с учетом, что ионность в ковалентной связи делает эту связь прочнее.
Получается, электротрицательность вторых элементов в карбидах должна быть меньше 2,6.
Большинство подходящих элементов – металлы. Но, около 15% карбидов их не содержат.
Есть и цветные дуэты с углеродом, к примеру, карбид железа. Это всем знакомый цемент. Окрас у соединения серый.
Получается, свойства карбидов могут разниться. Несовпадения рассмотрим в главе «Виды». Пока же, изучим общие характеристики класса соединений.
Свойства карбида
Особенно отличились карбиды переходных металлов. Это элементы побочных подгрупп периодической системы. У всех переходных металлов есть электроны на d- и f-орбиталях.
Обобщает карбиды и высокая температура плавления. Как правило, она выше, чем у входящего в соединение металла.
Если он из переходных, размягчение может начинаться лишь при 3000 градусов Цельсия.
Интересно, что температура плавления поднимается вместе с номером группы, к коей принадлежит «сосед» углерода.
Где карбид можно понять по структуре соединений. Их решетки, зачастую, дефектны.
Это значит, есть отклонения от теоретической схемы, разрывы и смещения. Именно поэтому свойства карбидов могут в 100, а то и 1000 раз разниться с высчитанными по формулам.
Виды карбидов
Основных видов карбидов три. Первый – ковалентные соединения. Валентность – предрасположенность к определенному числу химических связей.
Ковалентная связь – это перекрытие валентных облаков разных элементов. То есть, у них образуются общие электронные пары. Именно такие лежат в основе ковалентных карбидов.
В итоге, карбиды группы трудно расплавить, — решетка не хочет рушиться. Прочность связи делает оба соединения твердыми.
Карбид кремния алмаз не «побеждает», но свои достойные 8 баллов по шкале Мооса имеет.
Второй вид карбидов – ионный. Его, так же, именуют солеобразным. Все образованны металлами 1-ой и 2-ой групп таблицы Менделеева.
В класс включен и карбид алюминия. Соединения группы разлагаются не только кислотами, но и водой.
При реакции ионных карбидов с водой выделяется водород. В жидкости формируется и выпадает в осадок гидроксид металла.
Реакция протекает бурно. Резкий выброс на поверхность воды водорода и дает то самое пузырение.
Третий вид карбидов – ионно-ковалентно-металлические, попросту, металлоподобные.
Такие соединения формируются элементами 4-ой, 5-ой, 6-ой, 7-ой групп периодической системы. Исключения: — карбиды никеля, кобальта и железа.
Если у ковалентных карбидов химическая активность низкая, а у ионных – высокая, то у третьего вида соединений она средняя.
Примечательно строение молекул. Их основа – атомы металла. Атомы же углерода находятся в пустотах между ними.
Поэтому, к примеру, карбид вольфрама называют внедренным. Имеется в виду, что углерод внедрился в кристаллическую решетку металла.
Такое строение обеспечивает рекордную прочность и высокую температуру плавления. Еще одно известное соединение группы – карбид титана.
Применение карбида
Карбид титана стал основой безвольфрамовых, но столь же твердых сплавов.
К тому же, соединение служит покрытием инструментария, в основном, промышленного и строительного.
Такое напыление сводит к минимуму износ деталей и позволяет обрабатывать ими даже самые твердые материалы.
Карбид кальция нужен при сварочных работах. Из соединения получают ацетилен. Карбид служит его источником, а заодно, и топливом для машин кислородной сварки.
Ацетилен – газ. Одного его достаточно для работы аппаратов. Но, есть еще и вода. Карбид кальция вступает с ней в бурную реакцию.
Итог – не только пузырьки, нравящиеся детям, но и обилие тепла – еще одного источника энергии.
Карбид бора применяют в качестве огнеупора. Температура плавления соединения составляет почти 2500 градусов.
Прочность карбида позволяет добавлять его в бронежилеты. Защитить материал способен не только от пуль, но и радиации.
Поэтому, один из ответов на вопрос, где взять карбид бора, — в защитных экранах, задерживающих излучение.
Список карбидов и их роли в жизни общества может занять многие страницы. Соединений несколько десятков и у каждого из них есть применение, причем, не одно. Нет и единственной схемы получения карбидов.
Придется ограничиться общими фразами. Однако, и в них есть толика полезной информации.
Получение карбидов
Большинство карбидов именно получают, а не добывают. Первый синтез проведен в начале 19-го столетия.
Он оказался неустойчивым, в отличие от третьего синтезированного соединения углерода с железом.
Смотря на опытные образцы, ученые не могли понять, где найти карбид за пределами лабораторий.
Минералы, в которых металлы соединены с углеродом открыли лишь в начале 20-го века.
Судя по дате открытия карбидных минералов, они не являются распространенными.
Поэтому, в промышленных масштабах героев статьи до сих пор синтезируют. Масса карбида может получиться, к примеру, из древесного угля и оксидов металлов.
Цена карбида
Карбид кальция купить предлагают примерно за 40-90 рублей за килограмм. Соединение углерода с бором стоит от 100-та рублей за кило.
Купить карбид кремния предлагают примерно по 160 рублей за 1000 граммов.
А вот за кило карбида гафния придется выложить около 21 000 рублей, причем, при оптовых закупках.
То есть, стоимость материала во многом зависит от присутствующего в нем металла, или неметалла. Существует даже карбид золота.
Он, кстати, способен взорваться при простом пересыпании порошка. Так что, даже за большую цену, доставить сырье потребителю – задача не из легких.
Содержание
История получения карбида кальция
Карбид кальция был получен случайно в 1862 г. Немецкий химик Фридрих Вёлер (Friedrich W?hler) при попытке выделения металлического кальция из извести (карбоната кальция СаСО3) путем длительного прокаливания смеси, состоящей из извести и угля, получил массу сероватого цвета, в которой не обнаружил признаков металла. Как результат неудавшегося эксперимента он выбросил эту массу на свалку во дворе. Во время дождя лаборант заметил выделение какого-то газа из выброшенной массы. Это заинтересовало Фридриха Вёлера, он провел анализ газа и установил, что это ацетилен (С2Н2), ранее открытый Эдмундом Дэви (Edmund Davy), в 1836 г.
Однако имя этому газу присвоил французский химик Пьер Эжен Марселен Бертло (Marcellin Berthelot) после того, как в 1863 году получил ацетилен, пропуская водород над раскалёнными электрической дугой графитовыми электродами.
Томас Уилсон (Thomas Leopold «Carbide» Willson) в 1888 году и Фердинанд Фредерик Анри Муассан (Ferdinand Frederic Henri Moissan) в 1892 независимо друг от друга открыли метод получения карбида кальция в дуговой электропечи, что послужило толчком для дальнейшего развития промышленного получения технического карбида кальция.
В России первые заводы по изготовлению карбида кальция были построены акционерным обществом «Перун» в 1908 г. в Земковицах, а в 1910 г. в Петербурге. В 1914 г. на этом заводе работали две карбидные печи мощностью по 500 кВт и две печи по 900 кВт.
В 1917 г. при Макеевском металлургическом заводе была построена установка с электропечью мощностью 1800 кВт. Почти одновременно на заводе в Баку для нужд нефтепромышленности и на Аллавердском медеплавильном заводе также были пущены карбидные печи.
В 1930 г. был построен и пущен первый большой карбидный завод в Растяпино (ныне г. Дзержинск Нижегородской области). На этом заводе карбид кальция впервые стал выпускаться не только как товарный продукт, но и для получения цианамида кальция.
Получение карбида кальция
Технический карбид кальция получают в результате взаимодействия обожженной извести (СаО) с коксом (3С) или антрацитом в электрических печах при температуре 1900-2300°С. Шихту, состоящую из смеси кокса или антрацита и извести в определенной пропорции, загружают в электропечь, шихта расплавляется, при этом происходит эндотермическая химическая реакция (с поглощением тепла) по формуле:
Таким образом, для получения 1 т карбида кальция требуется:
Однако вследствие значительных потерь энергии в карбидных печах практически для получения 1 т технического карбида кальция расходуется от 2800 до 3700 кВт·ч в зависимости от мощности печи. Если мощность печи меньше 1000 кВт, то расход электроэнергии может достичь 4000 кВт·ч/т и более.
Расплавленный карбид кальция сливают из печи в специальные изложницы, в которых он остывает и затвердевает. После затвердевания его дробят в щековых дробилках и сортируют в решетчатых барабанах на куски различной величины от 2 до 80 мм.
Выход кусков различных размеров при дроблении приведен ниже:
| Грануляция, мм | 25-80 | 15-25 | 8-15 | 2-8 | до 2 |
|---|---|---|---|---|---|
| Выход, % | 66-80 | 8-10 | 6-14 | 4,5-6,5 | 1,5-3,0 |
Товарным карбидом кальция считается грануляцией от 2 до 100 мм. Карбидная пыль, получающаяся при дроблении, непригодна для нормальных ацетиленовых генераторов из-за слишком энергической реакции с водой, перегрева и опасности взрыва.
Зависимость удельного веса технического карбида кальция от содержания в нем СаС2, приведена в таблице ниже:
| Содержание СаС2 в техническом карбиде, % | 80 | 75 | 70 | 65 | 60 | 55 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Удельный вес технического карбида | 2,32 | 2,37 | 2,41 | 2.45 | 2,49 | 2,53 |
Технический карбид кальция, получаемый в электропечах, содержит ряд примесей, попадающих в него из исходных материалов, которыми пользуются при его производстве. Средний химический состав применяемого для сварки:
| Компонент | Содержание, % (по массе) |
|---|---|
| Карбид кальция (СаС2) | 72,5 |
| Известь (СаО) | 17,3 |
| Окись магния (MgO) | 0,4 |
| Окись железа (Fe2O3) и окись алюминия (Al2O3) | 2,5 |
| Окись кремния (SiO2) | 2,0 |
| Сера (S) | 0,3 |
| Углерод (С) | 1,0 |
| Другие примеси | 4,0 |
Как видно из приведенного состава, основной примесью является известь.
Примеси, содержащиеся в исходных материалах, применяемых для производства, ухудшают его качество. Особенно вредными примесями являются фосфор и сера, которые переходят в карбид кальция в виде фосфористых и сернистых соединений кальция, а при разложении карбида попадают в ацетилен в виде фосфористого водорода и сероводорода.
Гидролиз или карбид кальция плюс вода
Экзотермическая реакция (т.е. с выделением тепла) взаимодействия карбида кальция с водой протекает бурно по уравнению:
Тепловой эффект реакции слагается из тепла, выделяемого при взаимодействии с водой карбида кальция и негашеной извести. Взаимодействие извести с водой протекает по уравнению:
Выход ацетилена объем ацетилена в литрах, выделяемый при разложении 1 кг карбида, приведенный к 20° и 760 мм рт. ст.
Для разложения 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически необходимо 0,562 кг воды, при этом получается 0,406 кг ацетилена (285 л) и 1,156 кг гашеной извести.
Значительный тепловой эффект реакции карбида кальция и опасность перегрева ацетилена заставляют вести процесс с большим избытком воды для охлаждения. Это делает процесс более безопасным. Температура выходящего из генератора ацетилена при этом превышает температуру окружающей среды всего на 10-15°С.
Количество воды необходимое для реакции с карбидом кальция
Минимальное количество воды, необходимое для охлаждения при реакции 1 кг карбида кальция, может быть рассчитано следующим образом.
При разложении 1 кг 70%-го карбида кальция образуется 0,284 кг ацетилена и 1,127 кг гидрата окиси кальция т.е. гашеной извести (принимая содержание окиси кальция в карбиде кальция равным 24%).
Принимаем, что начальная температура воды равна 15° С, а температура в генераторе во время работы равна 60° С. Уравнение теплового баланса для 1 кг карбида кальция выражается следующим образом:
Искомый минимальный безопасный объем воды равен:
Как уже говорилось выше, технический карбид кальция обычно содержит не более 70-80% CaC2. Поэтому из 1 кг технического карбида кальция можно получить от 230 до 280 л ацетилена.
Если учесть потери ацетилена на растворение в воде и продувку ацетиленового генератора, то для получения 1 м 3 (1000 дм 3 ) ацетилена практически приходится расходовать 4,3-4,5 кг карбида кальция. Более точные данные о фактическом выходе ацетилена в зависимости от количества примесей (сорта) и размеров «кусков» (грануляции) указаны в ГОСТ 1460.
Параметры влияющие на скорость реакции с водой
Чем меньше размеры кусков, тем быстрее происходит реакция карбида кальция с водой.
Чем выше температура воды, тем быстрее идет реакция карбида кальция. Если вода сильно загрязнена гашеной известью, образующейся при реакции карбида кальция, то реакция замедляется.
При разложении неподвижного карбида кальция в недостаточном количестве воды куски его могут покрываться коркой гашеной извести и сильно перегреваться, при этом может иметь место реакция:
В этом случае реакция карбида кальция происходит за счет отнятия влаги, содержащейся в гашеной извести. В результате повышается плотность корки, что приводит к еще большему перегреву. Поэтому непрерывное удаление извести из зоны реакции имеет большое значение, так как перегрев может привести к взрыву ацетилено-воздушной смеси или вызвать взрывчатый распад ацетилена.
При погружении карбида кальция в воду процесс разложения протекает также весьма неравномерно: вначале реакция идет очень активно с бурным выделением ацетилена, а затем скорость реакции уменьшается. Это объясняется уменьшением поверхности кусков и тем, что они покрываются коркой извести, препятствующей свободному доступу воды.
При перемешивании воды с находящимся в ней карбидом кальция реакция происходит быстрее и равномернее.
Скорость реакции карбида кальция в воде зависит от чистоты карбида кальция и поверхности соприкосновения кусков карбида кальция с водой.
Скорость реакции карбида кальция в воде является весьма важным элементом, характеризующим качество карбида кальция. Для практических целей пользуются понятием продолжительности разложения.
Продолжительностью разложения считают время, в течение которого выделяется 98% от всего количества ацетилена, который может быть выделенным из карбида кальция, так как остаток разлагается очень медленно и не характеризует процесс разложения применительно к условиям работы ацетиленовых генераторов.
В таблице ниже приведены экспериментальные данные о продолжительности разложения карбида кальция в зависимости от размеров его кусков.
| Размеры кусков, мм | Пыль | 2/4 | 5/8 | 8/15 | 15/25 | 25/50 | 50/80 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Продолжительность разложения, мин. | Несколько секунд | 1,17 | 1,65 | 1,82 | 4,23 | 13,5 | 16,6 |
Следует, оговорить, что данные таблицы характеризуют лишь те образцы карбида кальция, с которыми были проведены опыты. Практически могут иметь место значительные отклонения, главным образом в сторону уменьшения скорости реакции.
Скорость разложения в значительной степени зависит от выхода ацетилена из карбида кальция. Чем ниже выход, тем меньше скорость реакции.
На диаграмме ниже показаны изменения в скорости разложения карбида кальция двух сортов с одинаковыми размерами кусков (25/50).
Карбид кальция плюс азот
При температуре 1000°С карбид кальция, взаимодействуя с азотом, образует цианамид кальция. Уравнение реакции имеет следующий вид:
Эта реакция используется для промышленного производства цианамида кальция. Цианамид кальция применяется в качестве удобрения и как исходный продукт для получения цианидов.
Карбид кальция плюс водород
С водородом карбид кальция вступает в реакцию при температуре выше 2200°С с образованием ацетилена и металлического кальция. При высокой температуре карбид кальция восстанавливает большинство окислов металлов.
Хранение карбида кальция
После того как был получен карбид кальция хранение его допускается в специальных герметичных барабанах и специально оборудованных помещениях, но все это уже рассмотрено в статье о том, где и как хранить карбид кальция.