Каковы свойства кислорода и способы его получения?

При газовой сварке и резке металла нагрев осуществляется высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа и паров жидкости в смеси с технически чистым кислородом.

Кислород – самый распространенный химический элемент на земле, встречающейся в виде химических соединений с различными веществами: в земле – до 50% по массе, в соединении с водородом в воде – около 86% по массе и в воздухе – до 21% по объему и 23% по массе.

Кислород при нормальных условиях (температура 20 ⁰С, давление 0,1 МПа) – это бесцветный, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, негорючий газ, активно поддерживающий горение. При нормальном атмосферном давлении и температуре 0 ⁰С масса 1 м³ кислорода равна 1,43 кг, а при температуре 20 ⁰С и нормальном атмосферном давлении – 1,33 кг.

Кислород имеет высокую химическую активность и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов (аргона, гелия, ксенона, криптона и неона). Реакция соединения с кислородом протекает с выделением большого количества тепла, т.е. носит экзотермический характер.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами может произойти их самовоспламенение в результате выделения тепла при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искового разряда. Поэтому при использовании кислорода надо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами. Всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. Кислород способен образовывать взрывчатые смеси с горючими газами или парами жидких горючих веществ (бензин, керосин), что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры.

Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь в основном трех газов при следующем их объемном содержании: азота – 78,08 %; кислорода – 20,95%; аргона – 0,94 %; остальное – углекислый газ, водород, закись азота и др. Кислород получают разделением воздуха на кислород и азот методом глубокого охлаждения (сжижения), попутно идет отделение аргона, применение которого при аргонно-дуговой сварке непрерывно возрастает, азот применяется при сварке как защитный газ. Кислород можно получать химическим способом или электролизом воды. Химические способы малопроизводительны и неэкономичны. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт при производстве чистого водорода.

В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации. В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6-20 МПа и охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения, разница в температурах сжижения кислорода и азота составляет 13⁰С, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе. Жидкий чистый кислород накапливается в воздухоразделительном аппарате, испаряется и собирается в газгольдере, откуда компрессором его накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа.

Технический кислород трансформируют также по трубопроводу. Давление кислорода, трансформируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, а в жидком виде – в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией. Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20⁰С 1 дм³ жидкого кислорода при испарении дает 860 дм³ газообразного. Поэтому доставлять кислород к месту сварки целесообразно в жидком состоянии, так как при этом в 10 раз уменьшается масса тары, что позволяет экономить металл на изготовлении баллонов, сократить расходы на транспортировку и хранение баллонов.

Для сварки и резки по ГОСТ 5583-78 технический кислород выпускается трех сортов: первый – чистотой не менее 99,7%, второй – не менее 99,5%, третий – не менее 99,2% по объему. Чистота кислорода имеет большое значение для кислородной резки. Чем меньше содержится в нем газовых примесей, тем выше скорость реза, чище кромки и меньше расход кислорода.