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火焰噴涂技術之燃燒火焰特性

2019-01-02 12:36:05 作者：本網整理來源：熱噴涂與再制造分享至：

火焰噴涂是一種以氣體燃料或液體燃料在氧氣或空氣助燃形成具有一定噴射速度的燃燒火焰作為熱源，將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態，并以高速噴射到經過預處理的基體表面上，形成涂層的工藝方法。根據燃燒火焰的性質，火焰噴涂技術可以分為普通火焰噴涂技術、超音速火焰噴涂技術和爆炸噴涂技術；根據噴涂材料的形態，火焰噴涂技術又可以分為粉末火焰噴涂技術、線材火焰噴涂技術和棒材火焰噴涂技術。

火焰的形貌特點

可燃氣體（如乙炔C2H2）在預先混合好的空氣或氧氣中燃燒就形成火焰。

在火焰燃燒反應中，有一次燃燒和二次燃燒問題。氧-乙炔火焰的一次燃燒反應為：

C2H2+O2 = H2+2CO （1）

一次燃燒反應形成的火焰即為氧-乙炔火焰中的焰心（靠近焊炬噴嘴孔成圓錐狀而發亮的部分），如圖1a所示。當然，氧和乙炔一次燃燒并沒有全部將可燃物燒掉，一次燃燒產物還可燃燒。因此還將發生二次燃燒，其反應為：

2CO+O2 = 2CO2 （2）

H2+1/2O2 = H2O （3）

二次燃燒是一次燃燒的中間產物與外圍空氣中的氧發生的二次燃燒，生成穩定的最終產物。二次燃燒的形成的火焰即為氧-乙炔火焰中的外焰。

a 氧-乙炔火焰

b 中性焰

c 碳化焰

d 氧化焰

圖1 氧–乙炔火焰形貌示意圖

當調節和控制燃氣（C2H2）與助燃氣（O2）之比例時，可以得到3種形貌的氧–乙炔火焰，以適用于不同材料的噴涂。這三種形貌就是中性焰（見圖1b）、碳化焰（見圖1c）和氧化焰（見圖1d）。

當氧與乙炔的混合比為1.0~1.2而燃燒時，即形成中性焰，它對被熔材料既不起氧化作用，也不起還原作用。中性焰可分為三個部分：焰芯、內焰和外焰。焰芯為尖錐狀，白色明亮，輪廓清楚；內焰呈藍白色，輪廓不清楚，與外焰無明顯的界限；外焰由里向外逐漸由淡紫色變為橙黃色。在一次火焰內基本上無自由氧和游離碳。

當氧與乙炔的混合比小于1.0而燃燒時，形成的火焰為碳化焰（圖1c），也稱還原焰，它是具有還原作用和碳化作用的火焰。因為氧氣不足以使乙炔完全燃燒，過量的乙炔分解為碳和氫，碳會滲到被熔材料中使材料增碳，故稱為碳化焰。火焰結構也分為三部分：焰芯、內焰和外焰。焰芯呈白色，外圍略帶藍色；內焰呈淡白色；外焰呈橙黃色。乙炔量多時還帶黑煙，火焰長而柔軟。

當氧與乙炔的混合比大于1.2而燃燒時，即形成氧化焰（圖1d）。氧化焰的結構可區分為焰芯及外焰兩部分。火焰中有過量的氧，在焰心外應形成一個有氧化性的富氧區。焰芯短而尖，呈青白色；焰芯外焰呈稍帶紫色的外焰，比正常外焰短，火焰挺直。

火焰的燃燒方式

以氣體燃料火焰燃燒為例，其燃燒方式有以下兩種：

（1）擴散燃燒

此種燃燒方式是指燃料氣體和助燃氣體分別由各自噴口噴入燃燒室，一邊擴散混合，一邊燃燒的燃燒方式。擴散燃燒火焰很長，燃燒火焰穩定性好，不會發生回火現象，但火焰溫度不太高。

（2）預混燃燒

此種燃燒方式是指氣體燃料與部分或全部助燃氣均勻混合后再進入燃燒室燃燒，預混燃燒屬于動力燃燒。在部分預混燃燒時，火焰有兩個錐面，即內焰和外焰，在外焰區實際上是氣體燃料的擴散燃燒。隨助燃氣的增加，火焰縮短。達到完全預混燃燒時，燃料燃燒速度很快，燃燒幾乎可以在瞬間完成，外焰不再存在。采用預混燃燒方法能夠實現高負荷燃燒，但有回火的危險。

熱噴涂常采用的是預混燃燒方式。在預混燃燒中，燃料氣和助燃氣的混合方式主要有射吸式混合和等壓式混合兩種。射吸式混合指燃燒氣與助燃氣按噴射器原理混合，一般以助燃氣做噴射氣體，如圖2所示。

圖2 射吸式混合原理圖