CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Hàn khí là một phương pháp hàn khá quen thuộc trong cuộc sống chúng ta hiện nay, đặc biệt là hàn Oxy – Axetylen. Nhưng chí phí để mua khí Oxy và Axetylen cũng khá cao và khi sử dụng lại tạo ra khí CO2 gây ô nhiễm môi trường. Trong khi máy hàn khí HHO chỉ cần dùng nước và điện để sản xuất ra hydro và oxy tùy theo nhu cầu.
Oxy là loại khí duy trì sự cháy và hydro là loại khí đốt không chứa carbon. So với các nhiên liệu khác, khí HHO có các ưu điểm sau: An toàn với môi trường: sản phẩm của quá trình cháy là hơi nước không gây ô nhiễm; hydro nhẹ hơn không khí nên bay lên, khác với các loại dầu và khí khác tụ lại gây ô nhiễm. Có năng lượng lớn gấp đôi diesel: 1 kg nước cho ra 340000 Kcal. Nhiệt độ ngọn lửa lên tới 2800o C và có thể điều chỉnh được.
Có năng lượng nhiệt tập trung cao do ngọn lửa hydro – oxy có dạng tia thẳng. Tự động tái sinh: hydro – oxy sinh ra từ nước và sau khi cháy lại quay về là nước. Hydro là chất xúc tác cho sự cháy, đẩy nhanh quá trình phản ứng và gia tăng nhiệt độ cho sự cháy. Hydro có thể giảm đặc tính các chất khác nên được thêm vào các chất để tinh luyện.
-Nguồn sản xuất hydro – oxy từ nước cực kỳ dồi dào. Không cần bất kỳ hệ thống bồn bể, bình nào để chứa, chỉ sản xuất và dùng ngay khi cần: Tiết kiệm phí lưu trữ và an toàn do không phải trữ khí. Ứng dụng đa dạng: Hàn bằng ngọn lửa, cắt bằng ngọn lửa, gia nhiệt, chất xúc tác cho sự cháy, làm sạch carbon… Dựa vào những ưu điểm và đặc tính trên nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài chế tạo mô hình máy hàn khí HHO để tiết kiệm chi phí cũng như thân thiện với môi trường. Tổng quan về tình hình nghiên cứu Tình hình trong nước Hiện tại ở Việt Nam chưa có chương trình quốc gia trọng điểm nào liên quan đến năng lượng hydrogen nhưng cũng có một vài cá nhân với niềm đam mê khoa học cũng đã nghiên cứu về đề tài này như: Trong Cuộc thi sáng tạo thanh thiếu niên, nhi đồng toàn quốc lần thứ 11 năm 2015 vừa qua 2 học sinh là Ngô Đức Thắng và Phạm Thành Trung, học sinh lớp 1 do an 12G, trường THPT Nguyễn Huệ (Ninh Bình) đã được nhận giải Đặc biệt về chế tạo máy hàn cắt kim loại bằng nước.
Hai học sinh làm máy hàn HHO ở Ninh Bình Kỹ sư Vũ Hồng Khánh ở Hải Phòng cũng đã chế tạo thành công máy điều chế khí HHO vào năm 2010. Máy sản xuất khí Hydro tu nước 2 do an Hình 1. Thử nghiệm đốt cháy que hàn bằng đồng thau Hình 1. Dry Cell lắp trên ô tô chạy thử nghiệm 3 do an Tình hình ngoài nước Năm 2003 Tổng thống G.Bush đã công bố một chương trình được gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với quyết định giành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế.
Một dự án khác của các nhà khoa học châu Âu vào năm 2014 một máy hàn di động có khả năng tạo ra ngọn lửa từ nước đã được chế tạo thành công trong dự án SafeFlame do các nhà khoa học châu Âu thực hiện. Đây là hệ thống điện phân nước thế hệ mới với chi phí chế tạo rẻ hơn rất nhiều so với trước đây. Đồng thời, với tính an toàn cao, kỹ thuật này mở ra thêm triển vọng khai thác nguồn năng lượng sạch và an toàn từ quá trình điện phân nước nhằm áp dụng cho các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hàn, thay thế cho việc sử dụng ngọn lửa oxy-axetylen trước đây. Chuyên gia nghiên cứu trong dự án, kỹ sư công nghệ Andrew Ellis cho biết: "Nói một cách đơn giản, đây là một hệ thống máy điện phân vận hành bằng các nguồn nhiên liệu đầu vào là điện và nước.
Nước sẽ tách thành khí Hidro và Oxy. Sau đó, chỉ cần đưa mồi lửa vào là sẽ có một ngọn lửa đủ để hàn sắt hoặc bất kỳ ứng dụng công nghệ nào khác. Về cơ bản, đây là một cỗ máy biến nước thành lửa." Nhà tư vấn công nghệ hàn, Rory Olney cho biết: "Bạn có thể thấy ngọn lửa từ thiết bị này "mát" hơn rất nhiều so với những ngọn lửa Oxy-axetylen trước đây. Đó là do vị trí đầu vòi phun không hề bị làm nóng.
Hơn nữa, tại vị trí đầu vòi phun cũng không còn những ánh sáng chói lòa nhằm hạn chế ảnh hưởng xấu của quá trình hàn lên mắt người. Giờ đây, chúng ta chỉ cần mang một chiếc kính thông thường mà không cần các thiết bị bảo hộ mắt chuyên dụng." 4 do an Hình 1. Hàn ống nhôm trong dự án SafeFlame Hình 1. Hình ảnh hàn ống đồng trong dự án SafeFlame 1.
Kết quả đạt được Nhóm chúng em đã chế tạo thành công máy hàn sử dụng khí HHO dựa trên các nghiên cứu về cở sở lý thuyết của phương pháp hàn hơi và đặc điểm tính chất của khí HHO. 5 do an Hình 1. Mô hình máy hàn HHO 1. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
Phương pháp phân loại và hệ thống hoá lý thuyết. Phương pháp mô hình hóa: từ những cơ sở lý thuyết chúng em đã xây dựng thành mô hình nghiên cứu để có tính trực quan hơn. Phương pháp nghiên cứu lịch sử: tìm hiểu lịch sử hình thành và ứng dụng của công nghệ HHO. Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn Phương pháp quan sát.
Phương pháp thực nghiệm khoa học. Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm. 6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái quát về hàn khí 2.
Thực chất, đặc điểm và công dụng của hàn khí Thực chất Hàn khí là quá trình nung nóng vật hàn và que hàn đến trạng thái hàn bằng ngọn lửa của khí cháy (C2H2, CH4, C6H6…) với O2. Thông dụng nhất là hàn bằng khí oxy – axetylen vì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của hai khí này lớn và tập trung, tạo thành ngọn lửa có nhiệt độ cao (32000C). Khi hàn dưới nước lại sử dụng ngọn lửa oxy và hidro. Các loại khí tựn hiên khác có tính chất về khả năng tự bốc cháy, nhiệt giải phóng từ phản ứng cháy tương tự axetylen nhưng ở mức độ thấp hơn.
Có thể sử dụng chúng để hàn do tính an toàn cao, nguy cơ cháy nổ thấp hơn, bảo quản dễ dàng, chi phí thấp hơn nhưng ở phạm vi hẹp. Ảnh minh họa hàn hơi Đặc điểm - Thiết bị đơn giản, rẻ tiền, thuận lợi khi xa nguồn điện. - Có thể hàn các vật liệu khác nhau như thép, gang, đồng, nhôm. - Hàn những vật liệu có độ chảy thấp, các kết cấu mỏng.
- Vật hàn dễ bị cong vênh, biến dạng, năng suất hàn thấp. Công dụng Ở nước ta hiện nay, sau phương pháp hàn điện, phương pháp này đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp và công trường. Lĩnh vực sử dụng hợp lý nhất là : Hàn nối các ống đường kính nhỏ và trung bình, hàn vỏ ô tô, sửa chữa các chi tiết đúc bằng gang, hàn vảy, hàn đắp, hàn các chi tiết bằng kim loại màu, sử dụng ở 7 do an những vùng xa nguồn điện. Ngọn lửa hàn Căn cứ theo tỷ lệ của hỗn hợp khí hàn, ngọn lửa hàn có thể chia thành ba loại : ngọn lửa bình thường, ngọn lửa oxy hóa và ngọn lửa cacbon hóa.
Mỗi loại lại có thể chia làm 3 vùng: vùng hạt nhân (màu sáng trắng), vùng hoàn nguyên (màu sáng vàng), vùng oxy hóa (màu vàng sẫm có khói). Sơ đồ cấu trúc ngọn lửa hàn I: nhân ngọn lửa - II: vùng cháy chưa hoàn toàn - vùng cháy hoàn toàn Ngọn lửa bình thường Ngọn lửa này dùng nhiều trong hàn thép, đồng, bạc, kẽm O2 Tỉ lệ 1,1 1, 2 C2 H 2 Vùng hạt nhân: O2 và C2H2 từ mỏ hàn đi ra, C2H2 bị phân hủy C2H2 = 2C + H2 Ngọn lửa màu sáng trắng, nhiệt độ thấp, thành phần giàu cacbon nên không dùng để hàn Vùng cháy không hoàn toàn: C2H2 kết hợp với oxy theo phản ứng C2H2 + O2= 2CO + H2 + Q↑ Ngọn lửa màu sáng xanh, nhiệt độcao (3200oC) có CO và H2 là các chất khử nên gọi là vùng hoàn nguyên, được dùng để hàn. 2CO + H2+ 1,5O2= 2CO2+ H2O + Q↑ Vùng cháy hoàn toàn: Sản phẩm của vùng trên cháy với oxy không khí Ngọn lửa oxy hóa 8 do an O2 Tỉ lệ 1, 2 C2 H 2 Vùng cháy không hoàn toàn xảy ra theo phản ứng sau: C2H2+ 1,5O22= 2CO + H2+ 0,5O2 Sau đó cháy tiếp với oxy không khí : 2CO + H2+ 0,5O2+ O2= 2CO2+ H2O Nhân ngọn lửa ngắn lại, có (6 ÷7)%O2 và 5%CO2 nên tính oxy hóa rất mạnh, vùng giữa và vùng đuôi không phân biệt rõ ràng, ngọn lửa có màu sáng xanh. Ngọn lửa này thường được dùng để hàn hợp kim đồng hoặc dùng đểtôi bềmặt thép.
Ngọn lửa cacbon hóa O2 Tỉ lệ 1,1 C2 H 2 C2H2+ 0,5O2= CO + C +H2 Sau đó cháy tiếp với oxy không khí : CO + C +H2 + 2O2= 2CO2+ H2O Nhân ngọn lửa kéo dài, vùng giữa có cacbon tự do nên mang tính cacbon hóa và có màu nâu sẫm. Thường dùng ngọn lửa này cho việc hàn vẩy các hợp kim nhôm và gang. Vật liệu hàn khí Khí Oxy Oxy là chất khí cần cho sự cháy, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, nó chiếm 21% thể tích không khí. Oxy dùng trong hàn khí là oxy kỹt huật có độ tinh khiết 98,5 – 99,5% và khoảng 0,5 – 1,5% tạp chất (N2, Ar).
Trong kỹ thuật, oxy được sản xuất theo hai phương pháp: + Điện phân nước : phương pháp này khó khăn và tốn kém nên ít dùng + Làm lạnh không khí: Thực chất của phương pháp này là làm lạnh không khí đến xuống -182,06oC -195,8oC nito bốc hơi -185,7oC Ar bay hơi -182,06 oC Oxy bay hơi Phương pháp này năng suất cao, lượng điện tiêu tốn ít Oxy kỹ thuật có thể để ở trạng thái lỏng hoặc khí. Ở thể lỏng, oxy chứa trong các bình thép và giữ ở nhiệt độ thấp, cứ1lít oxy lỏng cho 860lít khí oxy.