Карбид кальция: техника безопасности и способы применения

3. Видовые категории твердых сплавов

Большинство металлокерамических сплавов производят из порошкового микса, образуемого тщательным смешением мелкодиспергированных порошков тугоплавких металлических карбидов и чистого металлического связующего (рис. 15). Полученную шихту подвергают формопрессованию, после чего образовавшиеся заготовки спекают.

Рисунок 15. Порошковый микс под микроскопом.

Всю номенклатуру ТС, в зависимости от того, какой состав имеет карбидная фаза, подразделяют на следующие основные видовые категории (рис. 16):

• Одно-карбидная – WC Со (типа ВК – вольфрамовые);
• Двух-карбидная – WC TiС Со (типа ТК – титан-вольфрамовые);
• Трех-карбидная WC TiC ТаС Со (типаТТК – титан-тантал-вольфрамовые).

Рисунок 16. Видовые категории твердых сплавов.

Отдельного внимания заслуживает категория, в которую входят безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) типа ТН, где карбидными компонентами служат TiC, HfC, NbC, TaC и карбиды иных тугоплавких металлов, а в роли матричного связующего выступает композиция Ni Мо.

Каждую из видовых категорий, в свою очередь, подразделяют на подвиды-марки, имеющие различные химсостав и набор физикомеханических свойств, регламентируемый ТУ 48-19-60-78.

3.3.1. Вольфрамо-кобальтовые сплавы. Сплавы вольфрамо-кобальтовой группы состоят, главным образом, из вольфрамокарбидов, а в качестве матричного связующего в них, как правило, используют чистый Со. В отечественной ПМ эти сплавы обозначают двумя заглавными буквами русского алфавита — ВК (вольфрам-кобальт) и цифрой, указывающей процентную концентрацию Со.

Физикомеханические свойства сплавов ВК определяются размерными параметрами карбидных зерен, количеством Со (от 1,5 до 32 %) в общей массе и технологическими различиями производственных процессов спекания и литья. Укрупнение карбидовольфрамовых зерен делает сплав более вязким и одновременно влечет за собой повышение твердости.

При повышении концентрации Со улучшаются прочностно-режущие характеристики, однако ухудшаются прочность и стойкость к износу. Вот почему сплавы с невысокой концентрацией Со (ВК2, ВК3, ВК4), характеризующиеся относительно малыми значениями жесткости и устойчивости к износу, ввиду их невысокой прочности целесообразно применять при изготовления инструмента, предназначенного для чистовой обработки поверхностей.

Наряду с концентрацией Со и параметрами зернистости вольфрамокарбидной фазы, существенное воздействие на комплекс эксплуатационных свойств сплавов ВК оказывает степень их науглероживания. Это можно объяснить тем, что от концентрации С (графита) во многом зависит состав Со-фазы, влияющий, в свою очередь, на условия растворимости W в Со, а значит, и на качественные параметры соединения.

Так, переизбыток С в сплаве ухудшает его износостойкость, а недостаточное количество данного химического элемента, напротив, вызывая возникновение ?-фазы (W3Co3C) и увеличивая степень устойчивости к износу, одновременно негативно влияет на прочностные характеристики.

Как видим, при неизменной концентрации Со низкоуглеродистые сплавы ВК обладают большей износоустойчивостью, но меньшей прочностью в сравнении с высокоуглеродистыми. По мере роста в составе сплава концентрации Со пропорционально возрастает и влияние С на эксплуатационные качества сплава.

К настоящему времени разработан ряд технологических методов, обеспечивающих возможность создания твердых вольфрамокарбидных сплавов со средними размерными параметрами карбидных зерен, варьирующимися в широких пределах от 0,1 до 11-16 мкм. Закономерность, согласно которой укрупнение карбидозернистости влечет за собой снижение значений твердости, упругости и сопротивляемости абразивоизносу с одновременным возрастанием прочности на изгиб, учитывается при получении сплавов необходимых характеристик.

В число самых практически востребованных ВК-сплавов входят, прежде всего, марки ВК6, ВК8 и ВК10, в которых концентрация Со-составляющей достигает, соответственно, шести- восьми- и десятипроцентной отметки. Их используют, главным образом, для производства режущего инструмента, позволяющего эффективно осуществлять грубую механообработку чугунов и цв. металлов/сплавов, а также ряда материалов неметаллического генеза.

Для наглядности приведем химсостав марки ВК8 (в % от общей массы):
Со – 7,55-8,15;
О – ≤ 0,51;
С (общ.) – 5,31-5,66;
С (свободн.) – ≤ 0,12;
Fe – 0,31.

Обработку стальных поверхностей инструментами из сплавов ВК вышеуказанных марок проводить нецелесообразно ввиду их недостаточной устойчивости к износу. К разряду исключений здесь можно причислить лишь марки ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8, ВК10-0М, успешно применяемые для обработки жаро- и коррозиеустойчивых сталей/сплавов Ti.

Сфера применения. Продукция из твердых ВК-сплавов – это, в основном, представленные в широком ассортиментном спектре подшипники скольжения, уплотнения торцов, компоненты запорной арматуры, матрицы, пуансоны, пресс-формы, штампы, другие изделия различных функциональных назначений. (рис. 17).

Рисунок 17. Деталь из вольфрамокобальтового сплава ВК8.

3.3.2. Титано-вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы. Сплавы данного типа включают в себя зерна сложной вольфрамо-титановой карбидной композиции, сцементированные демпфирующей Со-связкой. Тип сплавов обозначается буквенной аббревиатурой ТК (Т – Ti; К – Со).

В конкретных марках цифры после букв указывают, соответственно, на процентную концентрацию в общей массе сплава долей TiC и Со. Оставшаяся часть соединения представлена вольфрамокарбидом. С возрастанием концентрации TiC прочность сплава снижается, а концентрации Со – повышается.

Технологию изготовления титано-вольрамо-кобальтовых сплавов можно, в общих чертах, отобразить в виде следующей схемы (рис. 18) .

Рисунок 18. Схема изготовления титано-вольфрамо-кобальтовых сплавов.

Восстановленный из ангидрида WO3 порошок чистого W в смеси с С (углеводородная сажа) и диоксидом титана TiO2 подвергается карбидизации, после чего полученный сложный карбид миксируется с порошковым кобальтом, восстановленным из соответствующего оксида (обычно Co3O4).

Титано-вольфрамо-кобальтовые сплавы (ТК), в сравнении со сплавами ВК, более устойчивы к окислению, имея также большую твердость и термостойкость (показатель термостойкости ТК-сплавов составляет около 920 °С, ВК-сплавов – около 820°С), имея при этом меньшие значения тепло- электропроводимости и модуля упругости.

Сплавам ТК присуща и такая отличительная особенность, как повышенное сопротивление износу адгезионно-усталостного генеза, что объясняется более высоким, в отличие от сплавов ВК, значением термопорога схватываемости со сталями. Благодаря данному фактору термостойкий инструмент из ТК-сплавов можно использовать в режиме высокоскоростной обработки стальных заготовок.

Стандартизированные марки ТК-сплавов различаются по химсоставу, что обуславливается их функциональным назначением. Концентрация в них титанокарбида может варьироваться в диапазоне 5.5-30.5 %, а Со – от 3.5 до 11%.

Как и в случае с ВК-сплавами, с увеличением концентрации Со у ТК-сплавов возрастают показатели прочностного предела на изгиб/сжатие и ударовязкости. С повышением концентрации С в рамках 3-х фазовой области изгибопрочность также возрастает на фоне снижения показателей твердости/износоустойчивости.

У ТК-сплавов, в которых концентрация Со и размерные параметры карбидных фаз сопоставимы, по мере повышения концентрации титанокарбида снижаются прочностные показатели изгиба/сжатия, ударовязкости и модуля упругости.

Сообразно перечисленным закономерностям изменяется и режущие характеристики марок титано-вольфрамо-кобальтовых сплавов: повышение концентрации Со снижает износоустойчивость при механообработке путем резания, а возрастание концентрации TiC (при неизменной объемной концентрации Со) сопровождается повышением устойчивости к износу при одновременном снижении функциональных прочностных характеристик.

Поэтому сплавы марок Т3ОК4 и Т15К6 с невысокой концентрацией Со, имеющие наивысший потенциал пластичной прочности, используются для создания режущего инструментария, которым выполняют чистовую/получистовую механоообработку сталей в высокоскоростном режиме при допустимых динамических нагрузках.

Основные физикомеханические характеристики:
предельная прочность на изгиб (кгс/мм2 – Н/мм2) – ≥ 1176*(120);
показатель твёрдости (HRA) – ≥ 90,1;
значение плотности х103 кг/м2 (г/см2) – 11,12-11,62.

Рекомендуемые виды механообработки инструментом из сплава Т15К6:
получерновое точение в беспрерывном режиме;
чистовое точение в прерывистом режиме;
токарная резьбонарезка;
получистовая/финишная фрезеровка плоских поверхностей;
расточка отверстий, подвергнутых предобработке;
чистовая зенкеровка и прочие сходные разновидности механообработки заготовок из легированных и высокоуглеродистых сталей.

Таким образом, ТК-сплав данной марки, ввиду невысокой концентрации в его составе СО, актуален преимущественно для обработки заготовок в беспрерывном режиме (т.е., в частности, не для строгания/долбления, а для выполнения токарных и фрезеровочно-сверлильных операций).

3.3.3. Титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы. Группа промышленных титано-тантало-вольфрамо-кобальтовых сплавов (сокращенно – аббревиатура ТТК) – это разновидности твердых растворов, включающих в свой состав 3 основные фазы: карбидовольфрамовую, сложнокарбидную (TiС – TaС) и матричное демпфирующее связующее на базисе Со.

Российским ГОСТ 3882-74 регламентированы четыре марки ТТК-сплавов – ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ7К12 и ТТ20К9, где концентрация TaС варьируется в пределах 1.98…12.03 %.

Наличие в данных соединениях танталокарбида способствует оптимизации их физикомеханических и функциональных свойств за счет увеличения прочностных и твердостных характеристик в широком температурном диапазоне, снижению ползучести и деформационной устойчивости при циклических нагрузках, существенному повышению усталостного предела, жаростойкости и устойчивости к коррозии под воздействием атмосферных факторов.

Результаты многочисленных исследований эксплуатационных качеств изделий из ТТК-сплавов показывают, что рост в их составе концентрации танталового карбида повышает устойчивость к износу при механообработке способами резания.

Учитывая перечисленные особенности, инструмент из ТТК-сплавов целесообразно использовать для прерывистой обработки резанием с целью получения срезов переменных сечений, прежде всего, путем фрезеровки с цикличными нагрузками термомеханического характера.

Процедуры черновой/получерновой механообработки сталей тех марок, которые причисляют к высоко легированным, нержавеющим и жаростойким, а также некоторых сплавов, показано осуществлять инструментарием из сплава ТТ10К8-Б.

Чистовую/получистовую расточку и фрезеровку чугунов, цв. металлов, а также беспрерывную механообработку сплавов Ti и сталей, отличающихся высокой прочностью и устойчивостью к коррозии, производят инструментом из сплава ТТ8К6.

Наивысшей хрупкопрочностью характеризуется сплав ТТ7К12, инструмент из которого рекомендован для механообработки вязких металлов в экстремальных прерывистых режимах. Использование сплава ТТ7К12 делает возможным выполнение операций резания со скоростями, более чем вдвое превышающими значения аналогичного критерия для быстрорежущих инструментальных сталей.

3.3.4. Безвольфрамовые твердые сплавы. Применение инновационных технологий в сфере получения твердых сплавов, развитие металлургической промышленности в целом и ПМ в частности, а также высокая стоимость дефицитного вольфрама – объективные факторы, обусловившие необходимость создания широкого спектра т. наз. безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС), регламентируемого нормативами ГОСТ 26530-85.

К категории ТН причисляют марки не содержащих вольфрамокарбиды твердых растворов, в которых выполнение основной рабочей функции возложено на зерна карбидов иных металлов, а также карбонитридов и боридов титана, а в роли цементирующего связующего выступают Ni и/или Со с возможными легирующими включениями переходных металлов – Мо, W, Cr, Nb и т.д. (табл. …).

Таблица 3. Химсостав стандартных марок БВТС

Примечание: цифровой индекс после буквенного в обозначении марок БВТС показывает суммарный массовый процент связующего компонента (Ni Mo).

БВТС органично сочетают в своем составе комплекс свойств как керамического (высочайшие значения твёрдости/износоустойчивости, неподверженность коррозии, минимальная адгезия), так и металлического генеза (прочность, устойчивость к ударным деформациям и т.д.).

По твердостным характеристикам БВТС не уступают вольфрамосодержащим сплавам, хотя несколько проигрывают им в плане прочности/упругости.
БВТС характеризуют высокие значения термостойкости (до 1200°С), но меньшая крепость, чем у вольфрамосодержащих ТС, поэтому их целесообразно применять для чистовых/получистовых операций.

Вследствие незначительной способности слипаться с обрабатываемой областью почти не возникает наростообразования на режущих кромках. Инструментарий из БВТС высокоэффективен для механообработки, поэтому вместо шлифования можно применять гораздо более выгодное в технологическом отношении чистовое точение.

3.3.5. Пластифицированные твердые сплавы. Пластифицированные твердые сплавы не составляют какой-то отдельной видовой группы с уникальным химсоставом. Пластификации может быть подвергнут любой из твердых сплавов. Сущность процесса заключается в том, что брикеты, спрессованные и сформованные из порошка того или иного сплава, погружают в среду кипящего парафина и выдерживают в ней при температуре 420°С до тех пор, пока брикет не пропитается парафином до состояния однородной массы с высоким показателем пластичности.

После застывания брикеты подвергают мундштучному прессованию с продавливанием пластифицированной массы в формы готовых рабочих пластин. Затем заготовки-полуфабрикаты вновь спекаются при 1350°С и в заключение проходят процедуры финишной механообработки и заточки.

Применение инструментария из пластифицированных твердосплавных материалов – залог высокоэффективной механообработки металлических поверхностей.

3.3.6. Сверхтвердые материалы. Особого внимания заслуживают т.наз. сверхтвёрдые материалы — вещества, превышающие по характеристикам твердости и устойчивости к износу сплавы на основе вольфрамо- титано- танталовых карбидов со связкой типа Со или Ni-Мо.

Наиболее распространены сверхтвердые материалы в виде электрокорундов, оксидов циркония, карбида кремния и бора, нитридов бора, диборида рения, минералов алмазной группы. Сверхтвёрдые материалы используют, главным образом, с целью изготовления абразивных кругов, а также оснащения рабочих кромок металлорежущего и породоразрушающего инструмента (рис …).

6. Спеченные твердые сплавы.

1. Определение, марки, эксплуатационные преимуществаК категории спеченных твердых металлокерамических сплавов, или керметов (ГОСТ 3882-74) причисляют линейку композитных материалов (твердых растворов), получаемых методом формопрессования с последующим спеканием в вакуумно-водородных средах при 1550-2100 °C карбидных порошковых компонентов (вольфрамо- или титанокарбидов, а также сложных карбидов W, Ti и Та, реже — иных карбидов, боридов и т. п.) с демпфирующим матричным связующим, в качестве которого используют более мягкие и пластичные металлы/сплавы.

Наиболее востребованные марки спеченных твердых сплавов (СТС) с указанием их основных промышленно-значимых свойств перечислены в табл. 5.

Таблица 5. Основные марки СТС и их свойства

Марки сплавов	WC %	TiC %	TaC %	Co %	Предел прочности на изгиб (σ), МПа	Значения твердости, HRA	Значения плотности (ρ), г/см3	Значения теплопроводности (λ), Вт/(м•°С)	Значения модуля Юнга (Е), ГПа
ВК2	98	—	—	2	1210	91,55	15,11	51,1	645,1
ВК3	97	—	—	3	1210	89,55	15,31	50,21	643,3
ВК3-М	97	—	—	4	1560	91,05	15,31	50,22	638,02
ВК4	96	—	—	4	1510	89,52	14,8-15,3	50,31	637,61
ВК4-В	96	—	—	4	1560	88,1	15,3	50,71	628,04
ВК6	94	—	—	6	1540	88,57	15,1	62,82	633,01
ВК6-М	94	—	—	6	1460	90,25	15	67,02	632,01
ВК6-ОМ	94	—	2	6	1320	90,51	15,1	69,01	632,02
ВК8	92	—	—	8	1710	87,51	14,7	50,24	598,03
ВК8-В	92	—	—	8	1760	89,06	14,8	50,41	598,52
ВК10	90	—	—	10	1820	87,12	14,7	67,05	574,21
ВК10-ОМ	90	—	—	10	1510	88,53	14,7	70,01	574,11
ВК15	85	—	—	15	1920	86,22	14,2	74,04	559,03
ВК20	80	—	—	20	2100	84,54	13,9	81,02	546,01
ВК25	75	—	—	25	2160	83,03	13,2	83,06	540,02
ВК30	70	—	—	30	2450	81,51	12,6	85,01	533,11
Т5К10	85	6	—	12	1460	88,51	13,2	20,93	549,21
Т5К12	83	5	—	12	1720	87,01	13,6	21,04	549,33
Т14К8	78	14	—	8	1310	89,53	11,7	16,77	520,02
Т15К6	79	15	—	6	1220	90,17	11,6	12,165	522,06
Т30К4	66	30	—	4	1050	92,12	9,9	12,58	422,04
ТТ7К12	81	4	3	12	1730	87,21	13,4
ТТ8К6	84	8	2	6	1360	90,52	13,4
ТТ10К8-Б	82	3	7	8	1660	89,33	13,9
ТТ20К9	67	9,4	14,1	9,5	1510	91,06	12,6
ТН-20	—	79	Ni 15%	Mo 6%	1050	89,55	5,9
ТН-30	—	69	Ni 23%	Mo 29%	1120	88,54	6,1
ТН-50	—	61	Ni 29%	Mo 10%	1160	87,1	6,3

Значения твердости СТС на вольфрамокарбидной основе (ВК2, ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10) могут достигать 91.5 HRA, а жаростойкости 810-860 °C. Присуща им также высокая прочность и устойчивость к износу. Эти соединения не утрачивают своих функциональных качеств даже в режиме температур, превышающих 1000°С, обеспечивая возможность скоростной механообработки металлов путем резания, точения, волочения, прокатки, штамповки и т.д.

Так, в частности, инструментом из СТС можно обработать в 4-6 раз большее количество металла, нежели инструментом из быстрорежущих сталей с той же концентрацией металлического W, за счет в разы более высоких скоростей резания. При этом твердосплавным инструментарием можно обрабатывать не только закаленные стали, но и неметаллические материалы в виде стекла, фарфора и т. п.

2. Получение и производственный циклСпеченные твердые сплавы производят только методами ПМ.

Для изготовления металлокерамической твердосплавной продукции мелкодисперсный карбидный порошок тщательно перемешивают с порошковым Со или Ni в требуемом соотношении. Образовавшуюся шихту засыпают в формы, имеющие конфигурацию будущих изделий (пластин и т.д.), после чего подвергают прессованию.

Образовавшиеся черновые заготовки предварительно обжигают, с тем, чтобы они, обретя начальную прочность, все же поддавались механообработке для придания точных размерных параметров. После доводки и заточки осуществляется финишный обжиг, в результате которого изделиям становятся присущи необходимые физико-механические характеристики (прочность, твердость, износостойкость и т.п.).

Производственно-технологический цикл реализуется в несколько последовательно осуществляемых стадий.

1. Восстановление из оксидов порошков основной (карбидной) и связующей (Со или Ni Мо) фаз.
2. Длительный (≥ 2 сут.) тонкий (до 1.5-2.5 мкм) размол полученных порошков на мельничных агрегатах шарового типа.
3.

Тонкое просеивание с повторным размолом недостаточно мелких (не прошедших в ячейки сита) частиц.
4. Подготовка исходной шихты (миксация порошков, взятых в требуемых процентных соотношениях, для обеспечения необходимого химсостава будущего сплава).
5.

Холодное формопрессование.
6. Горячее спекание под прессом при Т° плавления матричного компонента (напр, для Со – 1410 °C). В таком температурном режиме связующий металл, расплавившись, смачивает имеющие более высокую Т° плавления и потому остающиеся твердыми зерна карбидов.

Рисунок 19. Спеченные твердосплавные фасонные изделия.

Пластины из СТС используют в качестве рабочих элементов резцов, фрез, сверл, зенкеров и другого металлорежущего инструмента. Широко применяют их также для оснащения породоразрушающего оборудования в буровой, горнодобывающей и дорожно-строительной сферах (рис. 20).

Рисунок 20. Буровая коронка и дорожная фреза с металлокерамическими вставками из СТС.

Утраченные под воздействием перегрева функциональные свойства сплава восстановить не представляется возможным. Данная особенность, в свою очередь, обуславливает невозможность крепления СТС-пластин на державках и корпусах металлорежущих инструментов способом сварки – температура сварочной дуги слишком высока.

Вот почему пластины приходится крепить к инструменту либо с применением метизов (винты, прижимы и т.п.), либо, гораздо чаще, напаечным способом. Напайку осуществляют припоем из меди (Cu), поскольку Т° ее плавления, составляя ≈ 1085°C, существенно меньше аналогичного значения для используемых в СТС металлов-связок, а потому не оказывает пагубного влияния на их структуру. Особенно эффективно проводить такую пайку в водородной среде.

Однако применять СТС-пластины нецелесообразно, когда речь идет о мелком инструменте. Такой мелкоразмерный инструментарий изготавливают в виде монолитных изделий, целиком состоящих из СТС. Исходную шихту в этом случае пластифицируют, вводя в нее до 8% технического парафина, а затем брикетируют.

Формование из брикетов полуфабрикатных заготовок осуществляют мундштучным способом: пластичные брикеты помещают в обойму с фасонным мундштуком из СТС и продавливают ее в требуемые формы сквозь отверстие фильеры. Сформованные заготовки предварительно обжигаются для упрочнения, а затем шлифуются, затачиваются и спекаются до состояния готовой продукции.

Твердосплавный инструментарий почти не истирается под воздействием сходящей стружки и обрабатываемого материала, а также не утрачивает своих режущих качеств при Т° нагрева до 1150 °С.

Единственный недостаток СТС в сравнении с быстрорежущими сталями заключается в их более высокой хрупкости, возрастающей по мере уменьшения концентрации в составе сплава металлического связующего компонента.

Карбид кальция, химические свойства, получение

Получение карбида кальция

Технический карбид кальция получают в результате взаимодействия обожженной извести (СаО) с коксом (3С) или антрацитом в электрических печах при температуре 1900-2300оС.

Шихту, состоящую из смеси кокса или антрацита и извести в определенной пропорции, загружают в электропечь, шихта расплавляется, при этом происходит эндотермическая химическая реакция (т. е.

с поглощением тепла) по формуле:

СаО 3С = СаС2 СО -108 ккал/моль

Таким образом, для получения 1 т карбида кальция требуется:

• 4000 кг извести
• 600 кг кокса
• 1965 кВт·ч электроэнергии

Однако вследствие значительных потерь энергии в карбидных печах практически для получения 1 т технического карбида кальция расходуется от 2800 до 3700 кВт·ч в зависимости от мощности печи. Если мощность печи меньше 1000 кВт, то расход электроэнергии может достичь 4000 кВт·ч/т и более.

Расплавленный карбид кальция сливают из печи в специальные изложницы, в которых он остывает и затвердевает. После затвердевания его дробят в щековых дробилках и сортируют в решетчатых барабанах на куски различной величины от 2 до 80 мм.

Выход кусков различных размеров при дроблении приведен ниже:

Грануляция карбида кальция, ммВыход, %

25-80	15-25	8-15	2-8	до 2
66-80	8-10	6-14	4,5-6,5	1,5-3,0

Товарным карбидом кальция считается грануляцией от 2 до 100 мм. Карбидная пыль, получающаяся при дроблении, непригодна для нормальных ацетиленовых генераторов из-за слишком энергичного разложения водой, перегрева и опасности взрыва.

Зависимость удельного веса технического карбида кальция от содержания в нем СаС2, приведена в таблице ниже:

Содержание СаС2 в техническом карбиде, %Удельный вес технического карбида

80	75	70	65	60	55
2,32	2,37	2,41	2.45	2,49	2,53

Технический карбид кальция, получаемый в электропечах, содержит ряд примесей, попадающих в него из исходных материалов, которыми пользуются при его производстве. Средний химический состав технического карбида кальция применяемого для сварки:

Компонент Содержание, % (по массе)

Карбид кальция (СаС2)	72,5
Известь (СаО)	17,3
Окись магния (MgO)	0,4
Окись железа (Fe2O3) и окись алюминия (Al2O3)	2,5
Окись кремния (SiO2)	2,0
Сера (S)	0,3
Углерод (С)	1,0
Другие примеси	4,0

Как видно из приведенного состава, основной примесьюявляется известь.

Примеси, содержащиеся в исходных материалах, применяемых для производства, ухудшают его качество. Особенно вредными примесями являются фосфор и сера, которые переходят в карбид кальция в виде фосфористых и сернистых соединений кальция, а при разложении карбида попадают в ацетилен в виде фосфористого водорода и сероводорода.

При температуре 1000°С карбид кальция, взаимодействуя с азотом, образует цианамид кальция:

CaC2 N2=CaCN2 C

Эта реакция используется для промышленного производства цианамида кальция. Цианамид кальция применяется в качестве удобрения и как исходный продукт для получения цианидов.

С водородом карбид кальция вступает в реакцию при температуре выше 2200°С с образованием ацетилена и металлического кальция. При высокой температуре карбид кальция восстанавливает большинство окислов металлов.

Одним из промышленных способом получения ацетилена для газовой сварки и газовой резки является гидролиз карбида кальция т.е. разложение в воде.

При взаимодействии карбида кальция (CaC2) с водой (H2O) образовывается газ — ацетилен (C2H2) и гашеная известь (Ca(OH)2), являющуюся 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 разложения технического карбида кальция слагается из тепла, выделяемого при взаимодействии с водой карбида кальция и негашеной извести (содержащейся в карбиде кальция). 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 разложения карбида кальция и опасность перегрева ацетилена заставляют вести процесс разложения карбида 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.

Минимальное количество воды, необходимое для охлаждения при разложении 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 кальци т.е. гашеной извести (принимая содержание окиси кальция в карбиде кальция равным 24%).

1. 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:
2. q=q1 q2 q3 q4 q5
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. Искомый минимальный безопасный объем воды равен:
9. V=q5/(60-15)×1=336,3/45≈7,5 л
10. 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 из технического карбида кальция в зависимости от количества примесей (сорта) и размеров «кусков» (грануляции) указаны в ГОСТ 1460.

Для Получение ацетилена из карбида кальция осуществляется в аппаратах, называемых ацетиленовыми генераторами.

Чем меньше размеры кусков карбида кальция, тем быстрее происходит его разложение.

Например: 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 разложение 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 разложение карбида кальция. Если вода сильно загрязнена гашеной известью, образующейся при разложении карбида кальция, то реакция разложения 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 разложение 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 карбида кальция 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 разложения 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 разложение происходит быстрее и равномернее.

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

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

Продолжительностью разложения карбида кальция 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.

Размеры кусков, ммПродолжительность разложения, мин.

Пыль	2/4	5/8	8/15	15/25	25/50	50/80
Несколько секунд	1,17	1,65	1,82	4,23	13,5	16,6

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 разложения.

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

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

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