Углекислый газ, он же углекислота, он же двуокись углерода…

Углекислый газ

бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н₂CO₃, придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см³ (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO₂.

Как получилось так, что у данного газа столько много терминов неизвестно, но в сварочном производстве, согласно ГОСТ 2601, используется термин «углекислый газ». В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота», а в ГОСТ 8050 - «двуокись углерода». Поэтому далее мы будем оперировать всеми этими понятиями.

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед».

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и кислород только при температуре выше 2000°С.

Жидкая двуокись углерода

Жидкая двуокись углерода

бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см³ (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С - легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой, поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты.

При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Сухой лед

Твердая двуокись углерода (сухой лед)

по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое - 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода - поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

История открытия углекислого газа

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество. В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black).

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO₃) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух». Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO₃ + 2HCl = СО₂ + CaCl₂ + H₂O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO₂ через водный раствор извести Ca(OH)₂ на дно осаждается карбонат кальция CaCO₃.

Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Способы получения углекислого газа

В статье "Как получить углекислый газ" рассказано все в мельчайших подробностях, здесь лишь скажем, что основными способами получения являются:

• из известняка;
• из газов при брожении спирта;
• из газов котельных;
• из газов производств химической отрасли.

Применение углекислого газа

Двуокись углерода чаще всего применяют:

• для создания защитной среды при сварке полуавтоматом;
• в производстве газированных напитков;
• охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
• для систем пожаротушения;
• очистка сухим льдом от загрязнений поверхности изделий.

Применение углекислоты для сварки

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование металла шва при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Низкий потенциал ионизации и теплопроводность способствуют образованию горячей зоны в центре столба дуги и как следствие более глубокое проплавление и меньшую ширину шва. Углекислый газ является активным газом, т.е. в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие.

Молекула углекислого газа CO₂, попадая в зону сварочной дуги распадается на атомарный кислород О и угарный газ СО. В результате происходит выгорание легирующих элементов металла сварочной ванны и окисление основного металла (возникает окалина, шлак и дым). Реакция окисления расплавленного металла сварного шва имеет следующий вид:

Fe + CO₂ = FeO + CO

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлось образование большого количества дефектов в сварных швах (преимущественно пор). Поры при сварке возникают в результате кипения затвердевающего металла сварочной ванны от выделения окиси углерода (СО) из-за недостаточной его раскисленности. При этом поверхность сварного шва сильно окислена и имеет большое количество шлака ввиду окисляющей атмосферы внутри сварочной дуги. Помимо неудовлетворительного эстетического вида, при необходимости дальнейшего нанесения защитного покрытия потребуется дополнительная операция зачистки поверхности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

CO₂=CO+O

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным кислородом нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка порошковой проволокой).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный кислород окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + O = МэO, где Мэ - металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами. В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное - кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при полуавтоматической сварке. Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке вольфрамовым электродом - только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом. Для компенсации выгорания легирующих элементов в сварном шве, необходимо применять сварочную проволоку с повышенным содержанием раскислителей (кремния и марганца).

Уже давно известна зависимость, чем больше сила сварочного тока, тем больше размер капель расплавленного металла. В свою очередь увеличение размера капель электродного металла увеличивает разбрызгивание.

В настоящее время ввиду большого разбрызгивания металла сварочной ванны при сварке в углекислоте все чаще применяют сварочные смеси с аргоном. Производители сварочного оборудования не остались в стороне от данной проблемы и предусматривают специальный режим на сварочных полуавтоматах, при котором уменьшается эффект разбрызгивания. Еще один путь решения данного вопроса – это использование специальных спреев или жидкостей, которые не позволяют прикипать брызгам к металлу свариваемой детали. В любом случае применение любого из данных методов с лихвой окупит затраты времени и расходных материалов на удаление брызг путем механической зачистки.

При сварке тонких деталей применением оптимальных режимов сварки возможно добиться короткозамкнутого переноса электродного металла и тем самым получить минимальное разбрызгивание. Например, при использовании сварочной проволоки ? 1 мм, силе сварочного тока 150 А и напряжения дуги 16-23 В происходит перенос металла небольшими каплями за счет поверхностного натяжения.

Для MAG сварки толстостенных конструкций целесообразно применение проволоки большого диаметра и, следовательно увеличение силы сварочного тока, увеличение разбрызгивания, что ведет к уменьшению скорости наплавки электродного металла. Для уменьшения разбрызгивания уменьшают скорость подачи сварочной проволоки. Поэтому применение чистой углекислоты оказывает негативное влияние на производительность сварки и качества сварного шва. Углекислоту в качестве защитного газа рационально применять при сварке порошковой проволокой (FCAW) углеродистых сталей поскольку обеспечивается короткозамкнутый перенос и хорошее качество сварного шва.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

При выборе защитного газа стоит учитывать не только его стоимость, но и влияние потерь на разбрызгивание, последующую зачистку и общую трудоемкость процесса.

Вредность и опасность углекислого газа

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м³) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как он тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м³ (0,5%).

Хранение и транспортировка углекислого газа

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050. Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по ГОСТ 949 или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы.

В стандартный баллон с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м³ углекислого газа.

В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10...15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги.

Баллон окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА».

Характеристики углекислого газа

Характеристики углекислого газа представлены в таблицах ниже:

Коэффициенты перевода объема и массы CO₂ при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Коэффициенты перевода объема и массы CO₂ при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Углекислый газ в баллоне

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

• Сколько углекислоты в 40 л баллоне?
  Ответ: 12,5 м³ или 25,0 кг
• Сколько весит баллон углекислоты?
  Ответ:
  58,5 кг - масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
  25,0 - кг масса углекислоты в баллоне;
  Итого: 58,5 + 25,0 = 83,5 кг вес баллона с углекислотой.