- Коефіцієнти переведення обсягу і маси двоокису вуглецю при Т = 15 ° С і Р = 0,1 МПа
- Коефіцієнти переведення обсягу і маси двоокису вуглецю при Т = 0 ° С і Р = 0,1 МПа
Вуглекислий газ безбарвний газ з ледь відчутним запахом не отруйний, важчий за повітря. Вуглекислий газ широко поширений в природі. Розчиняється в воді, утворюючи вугільну кислоту Н2CO3, надає їй кислий смак. У повітрі міститься близько 0,03% вуглекислого газу. Щільність в 1,524 рази більше щільності повітря і дорівнює 0,001976 г / см3 (при нульовій температурі і тиску 101,3 кПа). Потенціал іонізації 14,3В. Хімічна формула - CO2.
У зварювальному виробництві використовується термін «вуглекислий газ» см. ГОСТ 2601 . У «Правилах будови і безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском» прийнятий термін «вуглекислота», а в ГОСТ 8050 - термін «двоокис вуглецю».
Існує безліч способів отримання вуглекислого газу, основні з яких розглянуті в статті Способи отримання вуглекислого газу .
Щільність двоокису вуглецю залежить від тиску, температури і агрегатного стану, в якому вона знаходиться. При атмосферному тиску і температурі -78,5 ° С вуглекислий газ, минаючи рідкий стан, перетворюється в білу снегообразную масу «сухий лід».
Під тиском 528 кПа і при температурі -56,6 ° С вуглекислота може перебувати у всіх трьох станах (так звана потрійна точка).
Двоокис вуглецю термічно стійка, дисоціює на окис вуглецю і кисень тільки при температурі вище 2000 ° С.
Вуглекислий газ - це перший газ, який був описаний як дискретне речовина. У сімнадцятому столітті, фламандський хімік Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) зауважив, що після спалювання вугілля в закритій посудині маса попелу була набагато менше маси спалюваного вугілля. Він пояснював це тим, що вугілля трансформується в невидиму масу, яку він назвав «газ».
Властивості вуглекислого газу були вивчені набагато пізніше в 1750г. шотландським фізиком Джозефом Блеком (Joseph Black).
Він виявив, що вапняк (карбонат кальцію CaCO3) при нагріванні або взаємодії з кислотами, виділяє газ, який він назвав «пов'язане повітря». Виявилося, що «пов'язане повітря» щільніше повітря і не підтримує горіння.
CaCO3 + 2HCl = СО2 + CaCl2 + H2O
Пропускаючи «пов'язане повітря» тобто вуглекислий газ CO2 через водний розчин вапна Ca (OH) 2 на дно осідає карбонат кальцію CaCO3. Джозеф Блек використовував цей досвід для доказу того, що вуглекислий газ виділяється в результаті дихання тварин.
CaO + H2O = Ca (OH) 2
Ca (OH) 2 + CO2 = CaCO3 + H2O
Рідка двоокис вуглецю безбарвна рідина без запаху, щільність якої сильно змінюється зі зміною температури. Вона існує при кімнатній температурі лише при тиску понад 5,85 МПа. Щільність рідкої вуглекислоти 0,771 г / см3 (20 ° С). При температурі нижче + 11 ° С вона важча за воду, а вище + 11 ° С - легше.
Питома маса рідкої двоокису вуглецю значно змінюється з температурою, тому кількість вуглекислоти визначають і продають по масі. Розчинність води в рідкій двоокису вуглецю в інтервалі температур 5,8-22,9 ° С не більше 0,05%.
Рідка двоокис вуглецю перетворюється в газ при підводі до неї теплоти. При нормальних умовах (20 ° С і 101,3 кПа) при випаровуванні 1 кг рідкої вуглекислоти утворюється 509 л вуглекислого газу. При надмірно швидкому відборі газу, зниженні тиску в балоні і недостатньому підводі теплоти вуглекислота охолоджується, швидкість її випаровування знижується і при досягненні «потрійний точки» вона перетворюється в сухий лід, який забиває отвір в зменшуючому редукторі, і подальший відбір газу припиняється. При нагріванні сухий лід безпосередньо перетворюється на вуглекислий газ, минаючи рідкий стан. Для випаровування сухого льоду необхідно підвести значно більше теплоти, ніж для випаровування рідкого двоокису вуглецю - тому якщо в балоні утворився сухий лід, то випаровується він повільно.
Вперше рідку двоокис вуглецю отримали в 1823 р Гемфрі Деві (Humphry Davy) і Майкл Фарадей (Michael Faraday).
Тверда двоокис вуглецю «сухий лід», за зовнішнім виглядом нагадує сніг і лід. Вміст вуглекислого газу, одержуваного з брикету сухого льоду, високе - 99,93-99,99%. Зміст вологи в межах 0,06-0,13%. Сухий лід, перебуваючи на відкритому повітрі, інтенсивно випаровується, тому для його зберігання та транспортування використовують контейнери. Отримання вуглекислого газу з сухого льоду проводиться в спеціальних испарителях. Тверда двоокис вуглецю (сухий лід), яку поставляють по ГОСТ 12162.
Двоокис вуглецю найчастіше застосовують:
- для створення захисного середовища при зварюванні металів;
- у виробництві газованих напоїв;
- охолодження, заморожування і зберігання харчових продуктів;
- для систем пожежогасіння;
- для чищення поверхонь сухим льодом.
Щільність вуглекислого газу досить висока, що дозволяє забезпечувати захист реакційного простору дуги від зіткнення з газами повітря і попереджає азотування металу шва при відносно невеликих витратах вуглекислоти в струмені. Вуглекислий газ є активним газом , В процесі зварювання він взаємодіє з металом шва і надає на метал зварювальної ванни окисляє, а також науглероживается дію.
Раніше перешкодою для застосування вуглекислоти в якості захисного середовища були пори в швах. Пори викликалися кипінням затвердевающего металу зварювальної ванни від виділення Оксіс вуглецю (СО) внаслідок недостатньої його розкисленням.
При високих температурах вуглекислий газ дисоціює з утворенням досить активного вільного, одноатомного кисню:
СO2 = CO + O
Окислення металу шва виділяється при зварюванні з вуглекислого газу вільним киснем нейтралізується вмістом додаткової кількості легуючих елементів з великим спорідненістю до кисню, найчастіше кремнієм і марганцем (понад ту кількість, яка потрібна для легування металу шва) або вводяться в зону зварювання флюсами (зварювання порошковим дротом ).
Як двоокис, так і окис вуглецю практично не розчинні у твердому і розплавленому металі. вільний активний кисень окисляє елементи, присутні в зварювальної ванні, в залежності від їх спорідненості до кисню і концентрації по рівнянню:
Ме + О = МЕВ
де Ме - метал (марганець, алюміній або ін.).
Крім того, і сам вуглекислий газ реагує з цими елементами.
В результаті цих реакцій при зварюванні в углекислоте спостерігається значне вигоряння алюмінію, титану і цирконію, і менш інтенсивне - кремнію, марганцю, хрому, ванадію та ін.
Особливо енергійно окислювання домішок відбувається при напівавтоматичного зварювання . Це пов'язано з тим, що при зварюванні плавиться взаємодія розплавленого металу з газом відбувається при перебуванні краплі на кінці електрода і в зварювальної ванні, а при зварюванні неплавким електродом - тільки в ванні. Як відомо, взаємодія газу з металом в дуговому проміжку відбувається значно інтенсивніше внаслідок високої температури і більшою поверхні контактування металу з газом.
З огляду на хімічної активності вуглекислого газу по відношенню до вольфраму зварювання в цьому газі ведуть тільки плавиться.
Двоокис вуглецю нетоксична і невибухонебезпечна. При концентраціях понад 5% (92 г / м3) вуглекислий газ чинить шкідливий вплив на здоров'я людини, так як вона важчий за повітря і може накопичуватися в слабо провітрюваних приміщеннях у статі. При цьому знижується об'ємна частка кисню в повітрі, що може викликати явище кисневої недостатності і задухи. Приміщення, де проводиться зварювання з використанням вуглекислоти, повинні бути обладнані загальнообмінною припливно-витяжною вентиляцією. Гранично допустима концентрація вуглекислого газу в повітрі робочої зони 9,2 г / м3 (0,5%).
Вуглекислий газ поставляється по ГОСТ 8050 . Для отримання якісних швів використовують газоподібну і зріджений двоокис вуглецю вищого і першого сортів.
Вуглекислоту транспортують і зберігають у сталевих балонах по ГОСТ 949 або цистернах великої місткості в рідкому стані з подальшою газифікацією на заводі, з централізованим постачанням зварювальних постів через рампи. У стандартний балон з водяною ємністю 40 л заливається 25 кг рідкої вуглекислоти, яка при нормальному тиску займає 67,5% обсягу балона і дає при випаровуванні 12,5 м3 вуглекислого газу. У верхній частині балона разом з газоподібної вуглекислотою накопичується повітря. Вода, як більш важка, ніж рідка двоокис вуглецю, збирається в нижній частині балона.
Для зниження вологості вуглекислого газу рекомендується встановити балон вентилем вниз і після відстоювання протягом 10 ... 15 хв обережно відкрити вентиль і випустити з балона вологу. Перед зварюванням необхідно з нормально встановленого балона випустити невелику кількість газу, щоб видалити потрапив в балон повітря. Частина вологи затримується в углекислоте у вигляді водяної пари, погіршуючи при зварюванні якість шва.
При випуску газу з балона внаслідок ефекту дроселювання і поглинання теплоти при випаровуванні рідкого двоокису вуглецю газ значно охолоджується. При інтенсивному відборі газу можлива закупорка редуктора замерзлої вологою, що міститься в углекислоте, а також сухим льодом. Щоб уникнути цього при відборі вуглекислого газу перед редуктором встановлюють підігрівач газу. Остаточне видалення вологи після редуктора проводиться спеціальним осушувачем, наповненим скляній ватою і хлористим кальцієм, силикогель, мідним купоросом або іншими поглиначами вологи
Балон з двоокисом вуглецю забарвлений в чорний колір, з написом жовтими буквами «вуглекислоти».
Коефіцієнти переведення обсягу і маси двоокису вуглецю при Т = 15 ° С і Р = 0,1 МПа
маса, кг
Обсяг газу, м3
1,848
1
1
0,541
Коефіцієнти переведення обсягу і маси двоокису вуглецю при Т = 0 ° С і Р = 0,1 МПа
маса, кг
Обсяг газу, м3
1,975
1
1
0,506