Khí Acetylen Trong Hàn Gió Đá: Nguyên Lý Và Vai Trò Của C₂H₂

Khí acetylen trong hàn gió đá đóng vai trò nhiên liệu, kết hợp với oxy để tạo ngọn lửa có nhiệt độ rất cao phục vụ hàn, cắt, hàn vảy và gia nhiệt kim loại. Nhờ vùng nhiệt tập trung và khả năng điều chỉnh đặc tính ngọn lửa, C₂H₂ vẫn được sử dụng trong nhiều công việc gia công, sửa chữa dù các phương pháp hàn hồ quang đã phát triển mạnh. Tomoe Vietnam sẽ cùng bạn tìm hiểu nguyên lý oxy – acetylen, các kiểu ngọn lửa, ứng dụng và những đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng loại khí này.

Khí acetylen là gì và vì sao được dùng trong hàn gió đá?

Acetylen có công thức hóa học C₂H₂, còn được gọi là acetylene hoặc ethyne. Đây là khí nhiên liệu dễ cháy, không màu ở trạng thái tinh khiết và có khả năng tạo ngọn lửa nhiệt độ rất cao khi kết hợp với oxy.

Air Liquide ghi nhận acetylen được sử dụng trong nhiều công việc gia công kim loại cục bộ như hàn, hàn vảy, cắt, nắn và gia nhiệt. Khi kết hợp với oxy, ngọn lửa có thể đạt nhiệt độ trên 3.000°C.

So với một số khí nhiên liệu khác, acetylen đặc biệt phù hợp với hàn oxy – nhiên liệu vì ngọn lửa vừa đạt nhiệt độ cao, vừa có vùng nhiệt tập trung. TWI đánh giá trong nhóm khí nhiên liệu thương mại, acetylen đáp ứng tốt các yêu cầu của hàn khí về nhiệt độ, tốc độ lan truyền ngọn lửa, lượng nhiệt và khả năng kiểm soát phản ứng giữa ngọn lửa với kim loại.

Hàn gió đá bằng oxy – acetylen hoạt động như thế nào?

Hàn gió đá oxy – acetylen sử dụng hai dòng khí có vai trò khác nhau:

• Oxy O₂: đóng vai trò chất oxy hóa.

• Acetylen C₂H₂: đóng vai trò nhiên liệu.

Hai khí được chứa và dẫn trong những hệ thống riêng, sau đó phối hợp tại mỏ hàn được thiết kế phù hợp để tạo ngọn lửa.

Có thể hình dung hệ thống theo sơ đồ:

Nguồn O₂ + nguồn C₂H₂ → bộ điều áp → đường dẫn khí → mỏ hàn → ngọn lửa oxy – acetylen

TWI định nghĩa hàn oxy – acetylen là quá trình hàn nóng chảy trong đó nhiệt được tạo ra nhờ sự cháy của hỗn hợp oxy và acetylen tại mỏ hàn. Nhiệt làm nóng và nóng chảy mép vật liệu; kim loại bổ sung có thể được sử dụng tùy loại mối nối và quy trình.

Điểm cần phân biệt là oxy không phải nhiên liệu. Acetylen mới là thành phần cháy, còn O₂ giúp nhiên liệu cháy mạnh và đạt nhiệt độ cao hơn nhiều so với khi acetylen cháy với không khí thông thường.

OSHA cũng yêu cầu hỗn hợp giữa oxy và khí nhiên liệu chỉ được hình thành trong thiết bị được thiết kế, chấp thuận cho mục đích này, chẳng hạn mỏ hàn hoặc đầu đốt phù hợp.

Vì sao acetylen tạo ngọn lửa phù hợp với hàn kim loại?

Hai đặc điểm quan trọng nhất là nhiệt độ cao và khả năng tập trung nhiệt vào vùng nhỏ.

Nhiệt độ ngọn lửa cao

Linde công bố nhiệt độ ngọn lửa oxy – acetylen khoảng 3.160°C, trong khi oxy – propane khoảng 2.828°C trong điều kiện so sánh của hãng. TWI cũng đưa ra giá trị xấp xỉ 3.200°C cho hàn oxy – acetylen.

Vì vậy, trong bài toán kỹ thuật có thể hiểu nhiệt độ ngọn lửa oxy – acetylen nằm khoảng:

3.100–3.200°C trong điều kiện phù hợp

Thay vì coi một giá trị duy nhất là tuyệt đối.

Nhiệt độ này đủ cao để làm nóng chảy nhiều kim loại phổ biến, trong đó có thép với nhiệt độ nóng chảy thấp hơn đáng kể nhiệt độ của ngọn lửa oxy – acetylen.

Vùng nhiệt tập trung

Ngoài nhiệt độ cực đại, phân bố nhiệt của ngọn lửa cũng quan trọng.

Acetylen tạo vùng ngọn lửa chính tương đối tập trung gần đầu mỏ, giúp người thợ đưa nhiệt vào khu vực cần gia công mà không phải gia nhiệt một vùng quá rộng.

Đặc tính này hữu ích trong:

• Hàn chi tiết.

• Gia nhiệt cục bộ.

• Nắn kim loại bằng nhiệt.

• Hàn vảy.

• Gia nhiệt trước khi hàn.

• Khởi động quá trình cắt oxy.

Đây cũng là lý do acetylen thường có thời gian gia nhiệt trước ngắn hơn propane trong một số ứng dụng cắt oxy – nhiên liệu.

Quá trình cháy của oxy và acetylen diễn ra thế nào?

Ngọn lửa oxy – acetylen không phải một vùng cháy đồng nhất mà có thể xem gồm các khu vực phản ứng khác nhau.

Ở mức khái quát, quá trình có hai giai đoạn.

Cháy sơ cấp

Tại vùng gần đầu ngọn lửa, acetylen phản ứng với lượng oxy được cấp từ hệ thống.

Có thể biểu diễn đơn giản: 2C₂H₂ + 2O₂ → 4CO + 2H₂ + nhiệt

Phản ứng chưa tạo ngay toàn bộ CO₂ và nước. Các sản phẩm như carbon monoxide và hydrogen tiếp tục tham gia phản ứng ở vùng phía ngoài.

Cháy thứ cấp

CO và H₂ tiếp tục phản ứng với oxy lấy từ môi trường xung quanh: 4CO + 2H₂ + 3O₂ → 4CO₂ + 2H₂O + nhiệt 

Việc ngọn lửa có nhiều vùng phản ứng giúp giải thích vì sao thay đổi tỷ lệ O₂/C₂H₂ có thể làm thay đổi cả hình dạng lẫn đặc tính hóa học của ngọn lửa.

Đối với người sử dụng, yếu tố thực tế quan trọng hơn phương trình phản ứng là phải chọn kiểu ngọn lửa phù hợp với vật liệu và công việc, thay vì chỉ cố đạt nhiệt độ cao nhất.

Ngọn lửa hàn oxy – acetylen có những loại nào?

TWI chia ngọn lửa oxy – acetylen thành ba dạng chính: trung tính, dư oxy và dư acetylen. Thành phần ngọn lửa thay đổi khi tỷ lệ giữa hai khí được điều chỉnh.

Ngọn lửa trung tính

Ngọn lửa trung tính được tạo khi oxy và acetylen được phối hợp ở tỷ lệ phù hợp để ngọn lửa không có xu hướng oxy hóa hoặc bổ sung carbon quá mạnh cho kim loại.

Đây là loại được sử dụng phổ biến trong nhiều công việc hàn nóng chảy.

TWI cho biết hàn oxy – acetylen thông thường chủ yếu sử dụng ngọn lửa trung tính.

Ưu điểm của dạng này là hạn chế tác động hóa học không mong muốn lên vũng hàn, phù hợp với nhiều vật liệu khi quy trình yêu cầu môi trường ngọn lửa tương đối cân bằng.

Ngọn lửa dư acetylen

Khi tỷ lệ C₂H₂ tăng tương đối so với O₂, ngọn lửa chuyển sang dạng dư acetylen, còn được gọi là ngọn lửa hoàn nguyên hoặc carburizing trong nhiều tài liệu.

Đặc điểm dễ nhận biết về mặt kỹ thuật là vùng acetylen dư làm cấu trúc ngọn lửa thay đổi.

Loại này có thể được lựa chọn cho:

• Một số công việc hàn vảy.

• Một số kim loại và hợp kim đặc thù.

• Quy trình cần hạn chế môi trường oxy hóa.

Tuy nhiên, không nên sử dụng ngọn lửa dư acetylen như lựa chọn mặc định cho mọi vật liệu vì lượng carbon dư có thể ảnh hưởng tới kim loại nóng chảy trong một số trường hợp.

Ngọn lửa dư oxy

Nếu lượng O₂ tăng tương đối, ngọn lửa trở thành dạng oxy hóa.

So với ngọn lửa trung tính, vùng lõi thường ngắn và đặc tính oxy hóa mạnh hơn.

Kiểu này được sử dụng trong một số ứng dụng hoặc vật liệu đặc thù nhưng không phù hợp cho mọi công việc hàn do lượng oxy dư có thể gây oxy hóa kim loại nóng chảy.

TWI lưu ý đặc tính hóa học của ngọn lửa có thể được chuyển từ hoàn nguyên qua trung tính đến oxy hóa bằng cách điều chỉnh tỷ lệ khí.

Khí acetylen được sử dụng trong những công việc nào?

Tên gọi “hàn gió đá” dễ khiến người đọc nghĩ C₂H₂ chỉ được sử dụng để hàn. Thực tế hệ oxy – acetylen có phạm vi rộng hơn.

Hàn nóng chảy

Trong hàn oxy – acetylen, nhiệt làm nóng chảy mép hai chi tiết. Kim loại bổ sung có thể được đưa vào vũng hàn khi quy trình yêu cầu.

Phương pháp có một số lợi thế trong:

• Sửa chữa.

• Hàn các chi tiết tương đối mỏng.

• Công việc hiện trường.

• Nơi khó bố trí nguồn điện hàn.

• Các thao tác cần kiểm soát nhiệt thủ công.

Tuy nhiên, hàn oxy – acetylen hiện đã được thay thế trong nhiều dây chuyền sản xuất bởi MIG/MAG, TIG và các phương pháp hồ quang khác có năng suất cao hơn. TWI cũng nhận xét năng suất hàn oxy – nhiên liệu nhìn chung thấp hơn các quá trình hàn nóng chảy hiện đại.

Hàn vảy

Trong hàn vảy, ngọn lửa làm nóng vùng ghép và làm nóng chảy vật liệu bổ sung, trong khi kim loại cơ bản không nhất thiết phải nóng chảy hoàn toàn.

Khả năng điều chỉnh vùng nhiệt của acetylen giúp phương pháp phù hợp với nhiều công việc:

• Ống.

• Chi tiết cơ khí.

• Mối ghép sửa chữa.

• Một số hợp kim và vật liệu cần gia nhiệt cục bộ.

Cắt oxy – acetylen

Trong cắt oxy, acetylen chủ yếu tạo ngọn lửa gia nhiệt ban đầu.

Khi kim loại đạt điều kiện phù hợp, dòng oxy cắt tham gia quá trình oxy hóa kim loại và hỗ trợ loại sản phẩm phản ứng khỏi khe cắt.

Do nhiệt độ và vùng nhiệt tập trung cao, Linde cho biết oxy – acetylen có thể giúp bắt đầu quá trình cắt nhanh hơn oxy – propane trong nhiều điều kiện.

Gia nhiệt và nắn kim loại

C₂H₂ còn được sử dụng để:

• Gia nhiệt trước khi hàn.

• Gia nhiệt chi tiết trước gia công.

• Nắn biến dạng bằng nhiệt.

• Gia nhiệt cục bộ.

• Thực hiện một số quá trình tôi bề mặt bằng ngọn lửa.

Linde ghi nhận ngọn lửa oxy – acetylen khoảng 3.160°C có khả năng đưa nhiệt nhanh vào vùng cần xử lý, phù hợp với một số hệ gia nhiệt bề mặt.

Acetylen khác propane và các khí nhiên liệu khác thế nào?

Acetylen không phải khí nhiên liệu duy nhất có thể kết hợp với oxy. Propane và một số khí hydrocarbon khác cũng được sử dụng trong các quá trình nhiệt.

Dữ liệu của Linde cho thấy oxy – acetylen có nhiệt độ ngọn lửa cao hơn oxy – propane, giúp thời gian gia nhiệt trước khi cắt có thể ngắn hơn.

Tuy vậy, điều này không có nghĩa acetylen luôn là lựa chọn tốt nhất.

Cần xem xét:

• Hàn, cắt hay gia nhiệt.

• Độ dày vật liệu.

• Kích thước vùng cần gia nhiệt.

• Chi phí nhiên liệu.

• Mức tiêu thụ.

• Thiết bị hiện có.

• Tính cơ động của công việc.

Vì sao bình acetylen có cấu tạo khác bình khí thông thường?

Đây là một đặc điểm rất quan trọng của C₂H₂.

Acetylen tự do có thể xảy ra phản ứng phân hủy nguy hiểm khi bị nén hoặc nung nóng trong những điều kiện không phù hợp. Vì vậy, bình acetylen không được thiết kế giống một bình rỗng chứa nitrogen, argon hay oxy nén.

Theo CGA, bình acetylen gồm vỏ kim loại chứa vật liệu xốp, trong đó vật liệu này được nạp một dung môi phù hợp.

Air Products giải thích acetylen được hòa tan trong dung môi, thường là acetone, và toàn bộ không gian bên trong được lấp bằng vật liệu xốp nhằm hạn chế những khoảng rỗng nơi lượng lớn C₂H₂ tự do có thể tích tụ. Sự kết hợp giữa dung môi và khối xốp giúp khí được lưu trữ ổn định hơn trong bình chuyên dụng.

Có thể hình dung: Vỏ bình → khối vật liệu xốp → dung môi → C₂H₂ hòa tan

Do đó, bình acetylen cần được xem là một thiết bị có cấu tạo riêng, không chỉ là “bình thép chứa khí”.

Vì sao bình acetylen cần đặt đúng tư thế?

Do bên trong bình có vật liệu xốp và dung môi, tư thế của bình trong quá trình lưu trữ và sử dụng rất quan trọng.

OSHA yêu cầu bình acetylen khi lưu trữ phải có đầu van hướng lên trên; bình khí nhiên liệu khi đang sử dụng cũng phải được bố trí với van hướng lên.

Bố trí đúng giúp:

• Hạn chế dung môi đi theo dòng khí ra khỏi bình.

• Duy trì điều kiện làm việc phù hợp cho bình.

• Bảo vệ van và các thiết bị an toàn.

• Hạn chế các vấn đề trong hệ thống cấp.

Nếu bình từng bị vận chuyển hoặc đặt sai tư thế, nên xử lý theo hướng dẫn của nhà cung cấp bình thay vì tự áp dụng một khoảng thời gian chờ cố định cho mọi loại bình.

Tại sao acetylen không được sử dụng ở áp suất quá cao?

Khác với nhiều khí công nghiệp, acetylen có giới hạn áp suất sử dụng đặc biệt.

Theo OSHA, acetylen không được tạo, dẫn hoặc sử dụng ở áp suất vượt quá 15 psig, tương đương khoảng 103 kPa áp suất dư, ngoại trừ các trường hợp được quy định riêng như acetylen hòa tan trong dung môi thích hợp bên trong bình đạt yêu cầu.

Nguyên nhân liên quan đến khả năng C₂H₂ tự phân hủy và giải phóng lượng nhiệt lớn khi tồn tại ở điều kiện không phù hợp.

Air Products cũng cảnh báo acetylen tự do có thể xảy ra phân hủy mạnh khi bị nén hoặc quá nhiệt.

Vì vậy, hệ thống phải sử dụng:

• Bộ điều áp dành cho acetylen.

• Van phù hợp.

• Đường ống và phụ kiện được thiết kế cho C₂H₂.

• Thiết bị bảo vệ theo yêu cầu.

Không nên sử dụng bộ điều áp của khí khác chỉ vì đầu kết nối có thể tương tự hoặc thiết bị có dải áp suất đủ lớn.

Bộ thiết bị cơ bản của hệ hàn oxy – acetylen

Một hệ thống hàn gió đá cơ bản thường có:

TWI cũng mô tả hệ oxy – acetylen gồm hai nguồn khí, bộ điều áp, ống mềm và mỏ hàn; các thiết bị chống cháy ngược được sử dụng để hạn chế ngọn lửa lan ngược về phía hệ thống cấp khí.

Các thành phần phải phù hợp với đúng loại khí và điều kiện làm việc, không nên hoán đổi tùy ý giữa O₂ và C₂H₂.

Cháy ngược và dòng khí ngược trong hàn gió đá là gì?

Hệ thống oxy – acetylen sử dụng hai dòng khí dễ tạo hỗn hợp cháy, vì vậy các hiện tượng dòng ngược cần đặc biệt được kiểm soát.

Cháy tạt

Cháy tạt có thể biểu hiện bằng tiếng nổ nhỏ tại đầu mỏ, ngọn lửa bị tắt hoặc hoạt động không ổn định.

Nguyên nhân có thể liên quan đến:

• Đầu mỏ quá nóng.

• Đầu phun bị cản trở.

• Thông số khí không phù hợp.

• Khoảng cách làm việc không phù hợp.

Cháy ngược

Nghiêm trọng hơn là hiện tượng ngọn lửa truyền từ đầu mỏ ngược vào phía trong thiết bị hoặc hệ thống.

Dòng khí ngược

Dòng khí ngược xảy ra khi một loại khí đi vào đường của khí còn lại, chẳng hạn do chênh lệch áp suất hoặc sự cố của thiết bị.

Vì vậy, hệ thống thường sử dụng:

• Van một chiều.

• Bộ chống cháy ngược.

• Mỏ hàn và bộ điều áp được thiết kế đúng mục đích.

TWI cũng liệt kê bộ chống cháy ngược là thiết bị an toàn đặc thù của hệ oxy – acetylen.

Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hàn oxy – acetylen

Chất lượng mối hàn không chỉ phụ thuộc vào việc sử dụng C₂H₂ mà là kết quả của nhiều yếu tố phối hợp.

Những thông số quan trọng gồm:

1. Loại vật liệu: mỗi kim loại phản ứng khác nhau với nhiệt và thành phần ngọn lửa.

2. Chiều dày chi tiết: ảnh hưởng lượng nhiệt cần đưa vào.

3. Kiểu ngọn lửa: trung tính, dư acetylen hoặc dư oxy.

4. Tỷ lệ O₂/C₂H₂: quyết định đặc tính hóa học của ngọn lửa.

5. Kích thước đầu hàn: ảnh hưởng công suất nhiệt.

6. Nhiệt đầu vào: quá cao có thể gây biến dạng, quá thấp khó tạo mối hàn.

7. Vị trí tương đối của mỏ: ảnh hưởng phân bố nhiệt.

8. Tốc độ di chuyển: liên quan tới độ ngấu và vùng ảnh hưởng nhiệt.

9. Vật liệu bổ sung: phải phù hợp với kim loại cơ bản.

10. Tình trạng bề mặt: dầu, gỉ hoặc lớp phủ có thể ảnh hưởng kết quả.

Có thể tóm tắt theo trình tự: Vật liệu → Chiều dày → Kiểu ngọn lửa → Công suất nhiệt → Vật liệu bổ sung → Kỹ thuật hàn

Không nên lấy một mức áp suất hoặc một cỡ đầu hàn rồi áp dụng cho mọi công việc. Thông số phải dựa trên thiết bị và hướng dẫn kỹ thuật cụ thể.

Ưu điểm của khí acetylen trong hàn gió đá

Những lợi thế nổi bật gồm:

• Nhiệt độ ngọn lửa cao: khoảng 3.100–3.200°C khi kết hợp với O₂.

• Vùng nhiệt tập trung: thuận lợi khi cần gia nhiệt cục bộ.

• Điều chỉnh được đặc tính ngọn lửa: trung tính, dư acetylen hoặc dư oxy.

• Tính cơ động: không cần nguồn điện để tạo hồ quang.

• Đa chức năng: cùng hệ oxy – acetylen có thể phục vụ hàn, cắt, hàn vảy và gia nhiệt.

• Phù hợp sửa chữa: hữu ích với nhiều công việc thủ công hoặc ngoài hiện trường.

TWI đánh giá thiết bị oxy – acetylen có tính cơ động cao và cho phép người hàn kiểm soát tương đối độc lập lượng nhiệt cũng như kim loại bổ sung.

Hạn chế của hàn oxy – acetylen

Dù linh hoạt, phương pháp này không còn là lựa chọn tối ưu cho mọi dây chuyền.

Các hạn chế gồm:

• Tốc độ hàn thường thấp hơn nhiều phương pháp hồ quang.

• Vùng ảnh hưởng nhiệt tương đối lớn.

• Khó đạt năng suất cao trong sản xuất hàng loạt.

• Chất lượng phụ thuộc nhiều vào tay nghề.

• Acetylen yêu cầu bình và hệ thống cấp chuyên dụng.

• Hai dòng khí O₂ và C₂H₂ làm tăng yêu cầu kiểm soát cháy.

• Không phù hợp với mọi kim loại và chiều dày.

TWI lưu ý hàn oxy – nhiên liệu nhìn chung có năng suất thấp hơn hàn hồ quang và nhiệt đầu vào có thể cao hơn cho cùng một ứng dụng. Vì vậy, hiện nay phương pháp thường phát huy lợi thế ở sửa chữa, gia nhiệt, hàn vảy và các công việc cần tính cơ động.

Lưu ý an toàn khi sử dụng khí acetylen trong hàn gió đá

C₂H₂ là khí dễ cháy và có đặc tính phân hủy riêng, vì vậy cần tuân thủ quy trình của nhà sản xuất thiết bị và quy định an toàn áp dụng tại cơ sở.

Một số nguyên tắc quan trọng gồm:

• Giữ bình acetylen với đầu van hướng lên.

• Cố định bình để tránh đổ hoặc va đập.

• Không đặt bình gần nguồn nhiệt và nguồn gây cháy.

• Sử dụng bộ điều áp dành riêng cho C₂H₂.

• Không sử dụng acetylen tự do vượt giới hạn áp suất cho phép.

• Kiểm tra rò rỉ bằng phương pháp được chấp thuận, không dùng ngọn lửa.

• Sử dụng ống, van và thiết bị tương thích.

• Trang bị van một chiều và thiết bị chống cháy ngược khi thiết kế yêu cầu.

• Không tự sửa chữa van bình hoặc thiết bị an toàn.

• Tách bình oxy và khí nhiên liệu khi lưu trữ theo các yêu cầu an toàn áp dụng.

OSHA yêu cầu bình acetylen được bảo quản với van hướng lên, bình khi sử dụng phải được bố trí đúng tư thế, khí nhiên liệu cần đi qua bộ điều áp phù hợp và hệ thống phải dùng các thiết bị đã được chấp thuận cho hàn oxy – nhiên liệu.

Điểm cần nhớ là acetylen không nên được xử lý như một khí nén thông thường, bởi cấu tạo bình, dung môi, vật liệu xốp và giới hạn áp suất của C₂H₂ đều có những yêu cầu riêng.

Kết luận

Khí acetylen trong hàn gió đá đóng vai trò nhiên liệu, kết hợp với O₂ để tạo ngọn lửa khoảng 3.100–3.200°C phục vụ hàn, cắt, hàn vảy, nắn và gia nhiệt kim loại. Ưu thế của C₂H₂ nằm ở nhiệt độ cao, vùng nhiệt tập trung và khả năng điều chỉnh đặc tính ngọn lửa, nhưng loại khí này cũng có yêu cầu riêng về bình chứa, áp suất và thiết bị cấp. Tomoe Vietnam khuyến nghị doanh nghiệp lựa chọn nguồn khí và cấu hình oxy – acetylen dựa trên vật liệu, công việc, lưu lượng và yêu cầu kỹ thuật thay vì sử dụng chung một thiết lập cho mọi ứng dụng.