DIY кислородно-ацетиленовая сварка

Путь к IT у всех бывает очень тернистый. Я например в детстве хотел быть сварщиком - это же так красиво, когда вокруг летят брызги расплавленного металла! Но как-то не сложилось: мне начали выписывать журнал "Юный техник", где на последней странице одного из номеров рассказывали про робота, управляемого компьютером БК-0010... Но пунктик-то остался...

Также кто-то наверняка помнит передачу "Очумелые ручки", где из пластиковых бутылок делали различные креативные (как бы сказали сейчас) вещи.

Под катом - я покажу, как из пластиковой бутылки, инсулинового шприца, нескольких метров резинового шланга, клеевого пистолета (куда же без него) и некоторых других вещей, которые можно найти в каждом доме* сделать самую настоящую кислородно-ацетиленовую сварку.

* В каждом доме @BarsMonster .

Теория

Температура пламени зависит от теплоты сгорания топлива и теплоемкости продуктов реакции. Когда мы сжигаем что-то в воздухе - нагревать приходится и азот (которого почти 80%), потому температура пламени в воздухе обычно не высокая (~1500-2000C и ниже). А вот в чистом кислороде, при правильном соотношении объема горючего и кислорода - греть нужно только продукты реакции, и достижимы намного более высокие температуры.

Как топливо обычно рассматривают углеводороды. Углерод при сгорании дает углекислый газ, а водород - воду. Вода имеет очень большую теплоемкость (4.183 против 1.4 кДж/(кг*К) ), соответственно, чем больше в горючем будет углерода, и меньше водорода - тем выше в первом приближении потенциально достижимая температура.

Наилучшее сочетание - у ацетилена C₂H₂, а например у метана CH₄ и пропана C₃H₈ - это соотношение намного хуже.

Но существуют и другие соединения с равным количеством углерода и водорода - например бензол, C₆H₆. Помимо токсичности бензола, при его сгорании выделяется меньше энергии, т.к. в ацетилене "лишняя" энергия запасена в нестабильной тройной углеродной связи, что и обеспечивает ему одну из наибольших температур горения в кислороде - 3150 °C.

Эта лишняя энергия (~16%) может выделится во время самопроизвольной детонации сжатого ацетилена даже без доступа воздуха (продуктом реакции будет как раз бензол и винилацетилен). Wikipedia утверждает, что для этого нужно давление всего в 2 атмосферы - но я в шприце сжимал ацетилен до 4-5 атмосфер и ничего не происходило (видимо нужны катализаторы, удар или повышенная температура). В любом случае, из-за этого эффекта ацетилен в сжатом виде не хранят, а растворяют его в баллонах в ацетоне. Но есть и более простой и безопасный при маленьких объемах способ получения ацетилена - реакция карбида кальция с водой. Именно этот способ и будет использоваться.

Что примечательно, достигнуть еще бОльшей температуры можно - если использовать как топливо вещества, не содержащие водорода вообще: cyanogen (привет Android), (CN)₂ - горит при 4525 °C и dicyanoacetylene C₄N₂, горит при 4990 °C (опять благодаря тройным углеродным связям, и меньшему относительному количеству лишнего азота). Но практически с этой целью их не используют из-за токсичности.

Безопасность

Сжатые кислород и ацетилен в баллонах - могут быть очень опасны при малейших нарушениях правил эксплуатации, потому их я конечно использовать не буду.

Ацетилен будет генерироваться из небольшого количества карбида кальция (~100г на одну сессию), в бутылке объемом 0.5л. Изначально я хотел использовать 2л, чтобы давление было более равномерное - но посмотрев на YouTube как взрывается литр ацетилена с кислородом - решил урезать осетра. Чтобы не создавалось опасного давление в генераторе - выход ацетилена на горелке никогда нельзя перекрывать. Генератор ацетилена нужно охлаждать - иначе будет "саморазгон" реакции из-за нагрева.

Кислород - будет генерироваться медицинским концентратором кислорода, что относительно безопасно.

Могла быть еще опасность накачать кислорода в генератор ацетилена с последующим хлопком - но для этого нужно, чтобы не сработал защитный клапан в генераторе кислорода, и был заблокирован (грязью например) выход газа из горелки.

И конечно работать нужно в специальных очках - не только для защиты от брызг металла, но и ультрафиолетового излучения пламени (т.е. прозрачные пластиковые защитные очки тут не подойдут).

Чтобы не допустить скапливания взрывоопасной концентрации ацетилена в случае утечек - вентилятор постоянно обдувал рабочее место + все операции проводились на свежем воздухе.

Также существует проблема "обратного удара" (в видео в конце статьи показан на 1:30): когда скорость течения газа в горелке становится слишком маленькая, пламя уходит внутрь горелки с хлопком, и если в ацетилене есть воздух - пламя может дойти до генератора ацетилена. Потому я не поджигал ацетилен сразу после начала реакции, а ждал ~15-30 секунд пока воздух не будет вытеснен. Также эта проблема может быть решена добавлением водяного клапана на пути ацетилена.

Конструкция

Итак, нам понадобится генератор кислорода. В моем случае - медицинский кислородный концентратор Atmung (цена порядка 20к рублей - но он, к счастью, уже был в наличии). Может генерировать 1 литр в минуту 95% кислорода, и бОльшие объемы при снижении концентрации. Работает по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции - за счет различной скорости прохождения газов через поры цеолита:


Далее - стандартная ацетиленовая горелка "Малютка", у неё самое маленькое сопло, куплена в интернет-магазине (960 рублей):


Мой генератор ацетилена работает следующим образом: вода из банки, стоящей на высоте 1-2 метра (для создания давления) через иглу инсулинового шприца маленькими каплями капает на карбид кальция в бутылке. Как только давление вырастает из-за выделившегося газа - вода капать перестает, до тех пор пока давление не снизится. Таким образом система стабилизирует сама себя. Тем не менее, генератор в банке с холодной водой - чтобы не допустить излишнего нагрева:

Результат

Пламя ацетилена в воздухе сильно коптит, и выглядит вполне заурядно:


С включением кислорода все меняется:


Можно плавить и поджигать сталь, резать все-таки не хватает мощности (надо брать более толстый наконечник, увеличивать давление):


Оказалось, гибкое стеклянное "оптоволокно" получается автомагически - когда расплавленное стекло капает, как только толщина шейки становится достаточно маленькой, оно очень быстро остывает и дальше не утончается.


Можно плавить стекло как масло, запаивать капсулы из стеклянных трубок:



Задача жизни выполнена, надеюсь и вам было интересно :-)

PS. И не повторяйте это дома.