Что такое карбид и как его использовать при сварке?

Внешний вид и характеристики технического карбида кальция

Впервые рассматриваемый состав был получен в 1862 году. Проводимая процедура касалась отделения кальция от извести, в результате чего получился бледно-серый состав без признаков, свойственных металлам. В результате опыта был получен карбид, который в последствии стал активно использоваться при выпуске различной продукции.

В начале 20 века карбид кальция стали использовать для производства ацетилена в больших объемах. Именно поэтому стали вести активные исследования для выявления более производительной технологии.

Технические характеристики материала определяют его широкое распространение. Внешний вид вещества характеризуется светло-серым цветом, выпускаются карбиды в виде камня или порошка.

Физические свойства

При выборе практически любого материала следует уделять больше всего внимания физическим свойствам. У рассматриваемого они следующие:

1. Соединение имеет кристаллическую структуру.
2. Показатель температуры плавления составляет 2300 °С. Стоит учитывать, что подобная цифра свойственна только чистому составу. Добавление в состав различных примесей приводит к тому, что температура плавления существенно падает.

Чистый карбид кальция

Стоит учитывать, что карбид кальция в большинстве случаев находится в твердом состоянии. Кроме этого, цвет может варьироваться от серого до коричневого цвета. Физические свойства карбида кальция определяют его широкое применение в самых различных отраслях промышленности.

Химические свойства

Немаловажное значение имеют и химические свойства. Они также учитываются при применении материала. К основным характеристикам можно отнести следующие качества:

1. Карбид кальция характеризуется тем, что хорошо впитывает влагу. Стоит учитывать, подобная процедура проявляется яркой химической реакцией, связанной с разложением вещества.
2. При работе с рассматриваемым материалом стоит учитывать, что образующаяся пыль оказывает раздражительный эффект на слизистые органы. Кроме этого, подобная реакция может проявится при попадании кристаллов или пыли на поверхность кожи. Именно поэтому при работе с рассматриваемым соединением следует использовать респиратор и некоторые другие средства защиты.
3. Кристаллы активное реагируют на воздействие других веществ зачастую только при нагреве. При этом может образоваться карбонат кальция.
4. В некоторых случаях проводится соединение кристаллического вещества с азотом, в результате чего получается цианамид кальция.
5. При нагреве может проходить реакция с мышьяком и хлором, а также фосфором.

Карбонат кальция

Считается, что наиболее важным химическим качеством является податливость к разложению при воздействии воды.

Гидролиз или карбид кальция плюс вода

При взаимодействии карбида кальция и воды происходит реакция, которая называется гидролиз. Когда-то гидролиз карбида кальция был основным промышленным способом для получения ацетилена — горючего газа, применяемого при газовой сварке и газовой резке. Еще об одном способе получения можно узнать из статьи о получении ацетилена.

При взаимодействии карбида кальция (CaC2) с водой (H2O) получается газ — ацетилен (C2H2) и гашеная известь (Ca(OH)2), являющаяся отходом. Химическая активность карбида кальция по отношению к воде столь велика, что он разлагается даже кристаллизационной водой, содержащейся в солях.

Экзотермическая реакция (т.е. с выделением тепла) взаимодействия карбида кальция с водой протекает бурно по уравнению:

CaC2+2H2O=C2H2+Ca(OH)2 +30,4 ккал/моль

Тепловой эффект реакции слагается из тепла, выделяемого при взаимодействии с водой карбида кальция и негашеной извести. Взаимодействие извести с водой протекает по уравнению:

СаО+H2O = Ca(OH)2 +15,2 ккал/моль

Выход ацетилена объем ацетилена в литрах, выделяемый при разложении 1 кг карбида, приведенный к 20° и 760 мм рт. ст.

Для разложения 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически необходимо 0,562 кг воды, при этом получается 0,406 кг ацетилена (285 л) и 1,156 кг гашеной извести.

Значительный тепловой эффект реакции карбида кальция и опасность перегрева ацетилена заставляют вести процесс с большим избытком воды для охлаждения. Это делает процесс более безопасным. Температура выходящего из генератора ацетилена при этом превышает температуру окружающей среды всего на 10-15°С.

Количество воды необходимое для реакции с карбидом кальция

Минимальное количество воды, необходимое для охлаждения при реакции 1 кг карбида кальция, может быть рассчитано следующим образом.

При разложении 1 кг 70%-го карбида кальция образуется 0,284 кг ацетилена и 1,127 кг гидрата окиси кальция т.е. гашеной извести (принимая содержание окиси кальция в карбиде кальция равным 24%).

Принимаем, что начальная температура воды равна 15° С, а температура в генераторе во время работы равна 60° С. Уравнение теплового баланса для 1 кг карбида кальция выражается следующим образом:

q=q1+q2+q3+q4+q5

где q — количество тепла, выделяющееся при разложении 1 кг 70%-го карбида кальция, равное 397 ккал/кг q1 — количество тепла, затрачиваемое на нагревание получаемой гашеной извести с 15 до 60°С: q1= 1,127?(60-15)-0,23= 11,7 ккал 0,23 — средняя теплоемкость гидрата окиси кальция в ккал/кг

q2 — количество тепла, затрачиваемое на нагревание получаемого ацетилена с 15 до 60° С: q2=0,284?(60-15)-0,336 = 4,3 ккал 0,336 — средняя теплоемкость 1 кг ацетилена в ккал в указанном интервале температур

q3 — тепло, затрачиваемое на испарение воды в количестве 0,034 кг (при 60° С содержание водяных паров, насыщающих ацетилен, полученный из 1 кг карбида кальция, равно 34 г) скрытая теплота парообразования воды — 539 ккал/кг q3 = 0,034?539+0,034?1?(60-15) -19,9 ккал

q4 — потеря тепла в окружающую среду и на нагревание стенок генератора, она составляет примерно 7% от общего количества выделяющегося тепла: q4=397?7/100=27,8 ккал

q5 — количество тепла, расходуемое на нагревание воды до температуры 60° С: q5=q?(q1+q2+q3+q4)=397?(11,7+4,3+19,9+27,8) = 336,3 ккал

Искомый минимальный безопасный объем воды равен:

V=q5/(60-15)?1=336,3/45?7,5 л

Так как 1 м3 ацетилена при абсолютном давлении 1 кгс/мм2 и 20°С весит 1,09 кг, следовательно, из 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически можно получить 0,406/1,09 = 0,3725 м3, или 372,5 л ацетилена.

Как уже говорилось выше, технический карбид кальция обычно содержит не более 70-80% CaC2. Поэтому из 1 кг технического карбида кальция можно получить от 230 до 280 л ацетилена.

Если учесть потери ацетилена на растворение в воде и продувку ацетиленового генератора, то для получения 1 м3 (1000 дм3) ацетилена практически приходится расходовать 4,3-4,5 кг карбида кальция. Более точные данные о фактическом выходе ацетилена в зависимости от количества примесей (сорта) и размеров «кусков» (грануляции) указаны в ГОСТ 1460.

Параметры влияющие на скорость реакции с водой

Чем меньше размеры кусков, тем быстрее происходит реакция карбида кальция с водой.

Карбид кальция размером 50?80 мм разлагается полностью в течение 13 мин, а размером 8?15 мм — в течение 6,5 мин.

При величине кусков менее 2 мм карбид кальция считается отходом и называется карбидной пылью. Карбидная пыль разлагается практически мгновенно. При взаимодействии с водой реакция карбидной пыли происходит на поверхности воды и выделяемое тепло не может быть быстро отведено. Это приводит к повышению температуры в зоне реакции и перегреву частиц карбида и выделяющегося ацетилена. При этом особенно опасно присутствие воздуха, так как быстро достигается температура воспламенения ацетилено-воздушной смеси. Поэтому карбидную пыль нельзя применять в обычных ацетиленовых генераторах, рассчитанных для работы на кусковом карбиде кальция, так как это может вызвать взрыв ацетилена в генераторе. Для разложения карбидной пыли применяют генераторы специальной конструкции.

Чем выше температура воды, тем быстрее идет реакция карбида кальция. Если вода сильно загрязнена гашеной известью, образующейся при реакции карбида кальция, то реакция замедляется.

При разложении неподвижного карбида кальция в недостаточном количестве воды куски его могут покрываться коркой гашеной извести и сильно перегреваться, при этом может иметь место реакция:

СаС2+Ca(ОН)2 = C2H2+2СаО

В этом случае реакция карбида кальция происходит за счет отнятия влаги, содержащейся в гашеной извести. В результате повышается плотность корки, что приводит к еще большему перегреву. Поэтому непрерывное удаление извести из зоны реакции имеет большое значение, так как перегрев может привести к взрыву ацетилено-воздушной смеси или вызвать взрывчатый распад ацетилена.

Если производить разложение одинаковых количеств карбида кальция различными постепенно уменьшающимися количествами воды, то температура получаемой смеси ацетилен — водяной пар будет соответственно повышаться. При температуре около 90°С почти все тепло (за исключением тепла, затрачиваемого на нагревание ацетилена и карбидного ила) расходуется на образование водяного пара. Эти условия реакции соответствуют процессу, при котором получается сухой гидрат окиси кальция, поскольку вся вводимая в реакцию вода расходуется на разложение карбида и образование водяного пара.

При погружении карбида кальция в воду процесс разложения протекает также весьма неравномерно: вначале реакция идет очень активно с бурным выделением ацетилена, а затем скорость реакции уменьшается. Это объясняется уменьшением поверхности кусков и тем, что они покрываются коркой извести, препятствующей свободному доступу воды.

При перемешивании воды с находящимся в ней карбидом кальция реакция происходит быстрее и равномернее.

Скорость реакции карбида кальция в воде зависит от чистоты карбида кальция и поверхности соприкосновения кусков карбида кальция с водой.

Скорость реакции карбида кальция в воде является весьма важным элементом, характеризующим качество карбида кальция. Для практических целей пользуются понятием продолжительности разложения.

Продолжительностью разложения считают время, в течение которого выделяется 98% от всего количества ацетилена, который может быть выделенным из карбида кальция, так как остаток разлагается очень медленно и не характеризует процесс разложения применительно к условиям работы ацетиленовых генераторов.

В таблице ниже приведены экспериментальные данные о продолжительности разложения карбида кальция в зависимости от размеров его кусков.

Следует, оговорить, что данные таблицы характеризуют лишь те образцы карбида кальция, с которыми были проведены опыты. Практически могут иметь место значительные отклонения, главным образом в сторону уменьшения скорости реакции.

Скорость разложения в значительной степени зависит от выхода ацетилена из карбида кальция. Чем ниже выход, тем меньше скорость реакции.

На диаграмме ниже показаны изменения в скорости разложения карбида кальция двух сортов с одинаковыми размерами кусков (25/50).

При разложении 1 кг карбида кальция с выходом ацетилена 263 л/кг за первые 3 минуты выделяется 220 л ацетилена, а соответственно при выходе 226 л/кг — только 150 л.

Получение

Как ранее было отмечено, карбид кальция активно применяется при получении самых различных материалов. Именно поэтому процесс получения карбида кальция постоянно совершенствовался. К особенностям применяемых технологий можно отнести нижеприведенные моменты:

1. В качестве сырья применяется негашеная известь. В большинстве случаев вещество получается из извести, но в домашних условиях провести подобную процедуру сложно.
2. Известь смешивается с измельченном коксом для получения однородной массы.
3. В промышленности карбид кальция получают по схеме, которая предусматривает нагрев вещества до высокой температуры. Для этого применяются электронные печи. Рекомендуемая температура плавления составляет 1900 ⁰С.
4. После нагрева вещества до столь высокой температуры оно переходит в жидкое состояние. Для работы подготавливаются специальные формы.

При рассмотрении того, как из углерода получить карбид кальция отметим, что по установленным стандартам в состав должно входить не менее 80% основного вещества. На долю примесей должно приходится не более 25%, в число которых также входит углерод. Производство оксида кальция также приводит к выделению тепловой энергии, что стоит учитывать.

Метод производства

Карбид производится в электропечах путем сплавления (прокаливания) смеси кокса и оксида кальция (негашеной извести) при температуре от 1900°C до 2300°C. Резкий и неприятный чесночный запах карбида и вырабатываемого ацетилена вызван содержанием в карбидной смеси примесей фосфидов и сульфатов кальция.

Процесс осуществляется в несколько этапов:

1. Производится обжиг известняка.
2. Из обработанной извести и кокса создается порошкообразная смесь — шихта.
3. Полученная смесь прокаливается в электродуговой печи до состояния расплава.
4. Образовавшиеся бруски карбида дробятся для получения нужной фракции.

Средняя плотность карбидного вещества составляет 2,2 г/см3. В зависимости от содержания примесей, цвет карбида может быть темно-коричневым или темно-серым.

Конечный продукт состоит из 75-78% CaC2, остальное составляет известь и примеси. Гранулы карбида существуют разных размеров: 2×8; 8×15; 15×25; 25×80 мм. Большие гранулы обеспечивают получение большего количества ацетилена, но увеличивают время реакции. Если гранулы 8х15 и 15х25 мм разлагаются за 5-6 минут, то для разложения гранул 25х80 мм требуется более 10 минут.

Транспортировка и хранение

Порошок карбида кальция при воздействии влаги практически моментально разлагается. При этом образуется ацетилен, который при большой концентрации горюч и взрывоопасный. Именно поэтому нужно уделять довольно много внимания хранению карбида кальция, для чего часто применяют бидоны и специальные барабаны. К другим особенностям хранения отнесем следующие моменты:

1. Выделяющийся ацетилен легче воздуха, поэтому скапливается вверху. Стоит учитывать, что он обладает наркотическими действиями, может самовоспламеняться.
2. При производстве большого объема вещества особое внимание уделяется технике безопасности. Для фасовки применяются специальные упаковки.
3. Для открытия упаковки следует использовать инструменты, которые не становятся причиной образования искр.
4. Если вещество попадает на кожу или слизистую оболочку, то его нужно сразу удалить. При этом пострадавшая поверхность обрабатывается специальным кремом или другим защитно-заживляющим веществом.
5. По установленным правилам, транспортировка может проводится исключительно при применении крытого транспортного средства. При этом проводить доставку по воздуху запрещается.

Контейнер для транспортировки

Установленные правила также запрещают хранить карбид кальция вместе с другими химическими веществами и источниками тепла. Это связано с тем, что образующиеся газы могут вступать в химическую реакцию с другими химическими веществами и возгораться.

Применение карбида кальция

Как ранее было отмечено, карбид кальция встречается в самых различных областях промышленности, зачастую поставляют для проведения промышленного синтеза. Свойства карбида кальция и реакция, протекающая при его соединении с различными веществами, определяют использование вещества в нижеприведенных случаях:

1. Многие синтетически компоненты, входящих в состав современных материалов, производят на основе рассматриваемого компонента.
2. Применяется для получения цианамида кальция. Подобный компонент используется для получения различных химических удобрений. Именно поэтому сырье применяется для регулирования скорости роста растений.
3. Цианамид кальция также получают при соединении вещества с азотом.
4. В некоторых случаях проводится восстановление металлов щелочной группы.
5. Можно использовать рассматриваемое соединение в процессе газовой сварки.

При рассмотрении карбида кальция и области применения стоит учитывать, что подобное вещество чаще всего применяют для получения ацетилена. Подобный синтез карбида кальция разработал немецкий ученый. Среди особенностей подобного способа применения отметим следующие моменты:

1. Ацетилен из карбида получают при оказании воздействия водой на используемое сырье.
2. В результате прохождения химической реакции образуется требующийся газ, гашеная известь выпадает в осадок.
3. Стоит учитывать, что при смешивании компонентов выделяется большое количество тепла. Поэтому работа должна проводится с учетом техники безопасности.
4. В зависимости от вида применяемой технологии переработки сырья с 1 килограмма выходит около 290 литров газа.
5. Скорость протекания процедуры зависит от чистоты применяемого сырья, температуры и количества воды.

Получение ацетилена из карбида кальция

Как показывает практика, при использовании чистого карбида на протекание химической реакции отводится около 20 литров волы на 1 килограмм сырья. Подобное количество воды требуется для того чтобы снизить температуру реакции, за счет чего обеспечиваются оптимальные условия для работы.

Производство ацетилена

Одной из важнейших областей применения карбида кальция является его использование в получении ацетилена. Заслуга в открытии этого способа также принадлежит немецкому ученому-химику Фридриху Велеру. В основе этого промышленного процесса лежит реакция разложения карбида под воздействием воды. СаС2 + 2 Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2↓.На выходе образуется газ ацетилен и гашеная известь, выпадающая в осадок. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла. Объем газа на выходе зависит от того, насколько чистый используется для реакции карбид кальция. Ацетилен, образующийся в результате, может иметь различный объем – 1 кг исходного вещества может дать от 235 до 290 литров газа. Что касается скорости протекания реакции, то она зависит как от малого процента примесей в карбиде кальция, так и от температуры воды, а также ее чистоты. Если рассматривать теоретическую реакцию производства ацетилена из карбида, то в ней на 1 кг карбида достаточно 560 мл воды. Однако на практике объем воды для проведения реакции увеличивается. На 1 кг карбида кальция в условиях промышленного синтеза требуется от 5 до 20 литров воды. Такое количество необходимо для того, чтобы ацетилен лучше охлаждался, а также для обеспечения оптимальной безопасности при работе. Ниже изображен немецкий химик Фридрих Велер.

Техника безопасности

При проведении различных химических реакций для производства материалов должна соблюдаться техника безопасности. Как ранее было отмечено, выделяемые вещества могут быть взрывоопасными. Техника безопасности при взаимодействии с различными химическими веществами заключается в следующем:

1. Для хранения и обработки требуется герметичное место. В обычном гараже проводить работы не рекомендуется.
2. Нельзя допускать огонь к самому сырью, а также образующимся газам.
3. Даже мелкие частицы могут привести к поражению кожных покровов. Именно поэтому работа должна проводится в респираторе и защитной одежде.
4. Генераторы ацетилена размещают исключительно в хорошо изолированных помещениях.
5. Если сырье применялось при проведении сварочных работ, то следует образующийся шлак утилизировать в специальных местах.
6. При перемещении металлических и иных емкостей они должны быть надежно закреплены, столкновение и падение не допускается. Это может привести к появлению искр, которые станут причиной взрыва вещества.

Горение карбида кальция

Вышеприведенная информация определяет то, что работы с рассматриваемым сырьем не рекомендуется проводить в гараже или домашней мастерской. Несоблюдении технологии, отсутствии требующего оснащения и многие другие причины могут привести к возникновению искры и воспламенению веществ.

Карбид кальция реакция с водой

Рассматриваемое сырье чаще всего применяется для соединения с водой, в результате чего получается ацетилен. Взаимодействие карбида кальция с водой становится причиной появления газа с неприятным запахом и достаточно большим количеством различных примесей. В чистом виде получить подобное вещество можно только при его многоэтапной очистке.

Реакция карбида кальция с водой может быть проведена опытным путем. К особенностям подобной процедуры отнесем следующие моменты:

1. В качестве емкости применяется 1,5-литровая бутылка.
2. После ее заполнения водой добавляется несколько кусочков кристаллического материала.
3. Протекание реакции приводит к появлению избыточного давления.
4. После того как карбид кальция больше не вступает в реакцию, на бутылку помещается горящая бумага. В результате взаимодействия между карбидом кальция и водой образуется газ, который взрывается. При рассматриваемом опыте образуется огненное облако.

Подобный опыт довольно опасен и должен быть проведен с соблюдением техники безопасности.

В заключение отметим, что рассматриваемый компонент в последнее время часто применяется для проведения самых различных опытов. Соединение обладает большим количеством свойств, которые должны учитываться. Выделение тепла и газов становится причиной, по которой проводить опыты рекомендуется только в промышленности.

Краткие сведения

Карбиды — это химические соединения, которые состоят из углерода (C) и другого элемента. Обычно в качестве второго элемента выступают металлы — это может быть железо (Fe), титан (Ti), хром (Cr), гафний (Hf) и другие. В карбидных соединениях углерод более высокой электроотрицательностью (в сравнении со вторым элементом). Поэтому карбиды нельзя отнести к оксидам, галогенидам и другим химическим соединениям. Карбиды металлов — в основном твердые тугоплавкие вещества, которые отличаются очень высокой прочностью и почти не вступают в реакции с химически активными веществами.

Благодаря этим необычным свойствам карбиды часто применяют в качестве абразивов для обработки различных сплавов (это может быть чугун, сталь, соединения на основе алюминия). Из них делают электроды для сварки, огнеупорные стержни, элементы электрических систем. Первые карбиды на основе калия, железа и магния были открыты и получены совсем недавно — в XIX веке. Однако со временем были получены и новые карбидные соединения — на основе хрома, титана, гафния, вольфрама, кальция.