گاز استیلن (C₂H₂) یکی از پرکاربردترین گازهای سوختی در صنایع فلزی است که به‌واسطه‌ی ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود در عملیات حرارتی، جوشکاری و برش فلزات جایگاه ویژه‌ای دارد. ترکیب این گاز با اکسیژن منجر به ایجاد شعله‌ای بسیار داغ می‌شود که می‌تواند دماهایی تا حدود ۳۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را تولید کند. چنین حرارتی نه‌تنها برای ذوب و اتصال فلزات سنگین کافی است، بلکه امکان برش سریع و تمیز فلزات ضخیم را نیز فراهم می‌سازد. درک دقیق نقش استیلن در این فرآیندها برای مهندسان، تکنسین‌ها و طراحان خطوط صنعتی اهمیت بالایی دارد، زیرا انتخاب درست گاز سوختی بر کیفیت، ایمنی و هزینه‌ی عملیات تأثیر مستقیم دارد.

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی گاز استیلن

استیلن ساده‌ترین آلکین با فرمول مولکولی C₂H₂ است و از دو اتم کربن با پیوند سه‌گانه و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. این ساختار موجب ناپایداری نسبی مولکول و قابلیت اشتعال بسیار بالای آن می‌شود. نقطه‌ی جوش C₂H₂ در حدود منفی ۸۴ درجه سانتی‌گراد است و در فشار بالا می‌تواند به‌طور خودبه‌خود تجزیه شود، به همین دلیل نگهداری آن نیازمند استانداردهای ویژه‌ای است. استیلن به‌صورت گازی بی‌رنگ با بوی مشخص شبیه سیر یا اتر احساس می‌شود و هنگام سوختن در محیط اکسیژن کامل، شعله‌ای سفید و درخشان ایجاد می‌کند که یکی از داغ‌ترین شعله‌های قابل دستیابی در شرایط عادی محسوب می‌شود.

در مقایسه با گازهایی مانند پروپان یا متان، استیلن انرژی احتراقی بیشتری در واحد حجم دارد و از همین رو گزینه‌ای ایده‌آل برای فرآیندهایی است که نیاز به دمای بالا دارند. علاوه‌براین، سرعت شعله‌ی بالای C₂H₂ موجب تمرکز حرارت در نقطه‌ی جوش شده و کنترل دقیق‌تری روی حوضچه‌ی مذاب فراهم می‌کند.

تولید و ذخیره‌سازی گاز استیلن

C₂H₂ معمولاً از واکنش شیمیایی میان کلسیم کاربید (CaC₂) و آب تولید می‌شود. در این فرآیند، گاز به‌صورت تدریجی آزاد می‌شود و پس از تصفیه و خشک شدن، در سیلندرهای ویژه‌ای ذخیره می‌گردد. سیلندرهای استیلن به‌دلیل خاصیت ناپایداری ذاتی این گاز، با سایر سیلندرهای گازی تفاوت دارند. داخل سیلندر از ماده‌ای متخلخل مانند دیاتومیت یا زغال فعال پر می‌شود که استیلن درون آن در حلالی مانند استون یا DMF (دی‌متیل‌فرمال‌آمید) حل می‌شود. این روش باعث افزایش ایمنی و جلوگیری از تجزیه یا انفجار گاز در اثر فشار بالا می‌شود.

در صورت رعایت استانداردهای ایمنی، استیلن گازی بسیار مفید و قابل اطمینان است، اما هرگونه نشت، ضربه یا افزایش دمای ناگهانی می‌تواند خطرناک باشد. به همین علت، خطوط انتقال، رگولاتورها و نازل‌های مخصوص C₂H₂ باید از جنس برنج بدون مس یا فولاد مقاوم ساخته شوند تا از تشکیل ترکیبات ناپایدار مانند استیلید مس جلوگیری شود.

اصول عملکرد جوشکاری با گاز استیلن و اکسیژن

فرآیند جوشکاری با گاز استیلن که تحت عنوان جوشکاری اکسی‌استیلن (Oxy-Acetylene Welding) شناخته می‌شود، از جمله قدیمی‌ترین و پرکاربردترین روش‌های جوشکاری گازی است. در این روش، ترکیب گاز C₂H₂ و اکسیژن در نازل مشعل مخلوط و مشتعل می‌شود. شعله‌ی حاصل بسته به نسبت دو گاز می‌تواند در سه حالت تنظیم شود: شعله‌ی خنثی (Neutral Flame)، شعله‌ی احیایی (Carburizing Flame) و شعله‌ی اکسیدکننده (Oxidizing Flame).

در شعله‌ی خنثی، نسبت اکسیژن و استیلن به‌صورت متعادل است و بیشترین استفاده را در جوشکاری فلزاتی مانند فولاد، آلومینیوم و مس دارد. شعله‌ی احیایی مقدار بیشتری C₂H₂ دارد و برای جوشکاری فلزاتی که به اکسیژن حساس‌اند (مانند مس یا آلومینیوم) استفاده می‌شود، درحالی‌که شعله‌ی اکسیدکننده که اکسیژن بیشتری دارد برای برش یا ذوب فلزاتی مانند برنج کاربرد دارد.

نقطه‌ی کانونی شعله در ناحیه‌ی مخروط داخلی بیشترین دما را دارد و این بخش برای ذوب سریع سطح فلز به‌کار می‌رود. حرارت یکنواخت و قابل کنترل این شعله امکان ایجاد اتصال قوی و تمیز را فراهم می‌کند، به‌ویژه در مواردی که کنترل دمای موضعی حیاتی است.

نقش استیلن در فرآیند برش فلزات

در عملیات برش اکسی‌استیلن (Oxy-Acetylene Cutting)، C₂H₂ به‌عنوان سوخت اصلی برای پیش‌گرم کردن فلز تا دمای اشتعال استفاده می‌شود. هنگامی‌که فلز (عمدتاً فولاد) به دمای مورد نظر می‌رسد، جریان خالص اکسیژن با فشار بالا به منطقه‌ی گرم‌شده دمیده می‌شود و واکنش شدیدی میان اکسیژن و آهن رخ می‌دهد که منجر به تشکیل اکسید آهن و ذوب شدن آن می‌گردد. مواد مذاب به‌صورت جرقه و سرباره از سطح جدا می‌شوند و خط برش تمیزی ایجاد می‌گردد.

استیلن به‌دلیل دمای شعله‌ی بالا و تمرکز حرارتی عالی، موجب افزایش سرعت و کیفیت برش می‌شود. در مقایسه با گازهای سوختی دیگر مانند پروپان یا گاز طبیعی، شعله‌ی C₂H₂ قابلیت نفوذ بیشتری دارد و در ضخامت‌های بالا نیز عملکرد مطلوبی ارائه می‌دهد. به همین دلیل، در کارگاه‌های تعمیراتی، صنایع ساخت سازه‌های فولادی، خطوط لوله و حتی در برش‌های زیر آب از سیستم‌های اکسی‌استیلن استفاده می‌شود.

مزایای استفاده از گاز استیلن در جوشکاری و برش فلزات

یکی از اصلی‌ترین مزایای C₂H₂ ، دمای بالای شعله و توان تمرکز حرارت در محدوده‌ی بسیار کوچک است. این ویژگی باعث می‌شود انرژی حرارتی به‌صورت هدفمند به منطقه‌ی جوش وارد شود و از تغییر شکل یا اعوجاج فلز در بخش‌های اطراف جلوگیری گردد.
مزیت دیگر قابلیت کنترل دقیق شعله است. اپراتور می‌تواند با تنظیم نسبت اکسیژن به C₂H₂ ، نوع شعله را تغییر دهد و برای فلزات مختلف شرایط ایده‌آل ایجاد کند. همچنین، تجهیزات جوشکاری اکسی‌ استیلن نسبتاً ساده، قابل حمل و ارزان هستند و در مکان‌هایی که دسترسی به برق محدود است (مانند پروژه‌های میدانی)، عملکرد بسیار مطلوبی دارند.

در برش فلزات، تمیزی و دقت خط برش از مزایای قابل توجه C₂H₂ محسوب می‌شود. شعله‌ی متمرکز آن باعث می‌شود حداقل مقدار حرارت به بخش‌های اطراف انتقال یابد، در نتیجه نیاز به عملیات تکمیلی مانند سنگ‌زنی یا صیقل‌کاری کاهش پیدا می‌کند.
از منظر ایمنی نیز، هرچند استیلن گازی خطرناک است، اما با رعایت اصول استاندارد، خطرات آن قابل کنترل است. وجود رنگ مشخص در شعله و بوی ویژه‌ی گاز باعث می‌شود نشتی‌ها به‌راحتی قابل تشخیص باشند، که این موضوع در کاهش ریسک انفجار نقش مهمی دارد.

محدودیت‌ها و چالش‌های استفاده از C₂H₂

با وجود مزایای بسیار، استفاده از C₂H₂ بدون چالش نیست. نخستین مسئله ایمنی ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل است. استیلن در فشارهای بالاتر از ۱۵ psi تمایل به تجزیه دارد و ممکن است در اثر ضربه یا حرارت ناگهانی منفجر شود. به همین دلیل سیلندرهای آن باید همیشه به‌صورت عمودی نگهداری شوند و در معرض تابش مستقیم آفتاب یا منابع حرارتی قرار نگیرند.

همچنین، هزینه‌ی تولید و نگهداری استیلن در مقایسه با برخی گازهای سوختی مانند پروپان یا LPG بالاتر است. در برخی کاربردها که نیاز به دمای بسیار بالا وجود ندارد، از گازهای ارزان‌تر به‌عنوان جایگزین استفاده می‌شود. از سوی دیگر، تجهیزات جوشکاری اکسی‌استیلن برای فلزات بسیار ضخیم یا پروژه‌های تولید انبوه صنعتی کارایی کمتری نسبت به سیستم‌های قوس الکتریکی دارند.
با وجود این محدودیت‌ها، در پروژه‌های تعمیراتی، ساخت قطعات ظریف و کاربردهای هنری همچنان C₂H₂ انتخاب اول است، چراکه کنترل دما و نرمی شعله در این گاز نسبت به سایر گزینه‌ها بی‌نظیر است.

ایمنی در کار با گاز استیلن

کار با استیلن مستلزم رعایت مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های دقیق ایمنی است. پیش از هر چیز، سیلندرها باید همیشه به‌صورت عمودی و با زنجیر محکم شوند تا در اثر واژگونی آسیب نبینند. رگولاتور مخصوص C₂H₂ باید تنها برای این گاز استفاده شود، زیرا استفاده از رگولاتور سایر گازها ممکن است موجب نشتی یا واکنش‌های خطرناک شود. همچنین باز کردن شیر سیلندر باید به‌آرامی انجام گیرد تا از ورود ناگهانی فشار زیاد به سیستم جلوگیری شود.

هرگز نباید از لوله‌ها یا اتصالات مسی در سیستم استیلن استفاده شود، زیرا ترکیب C₂H₂ با مس تولید ترکیب ناپایدار و انفجاری استیلید مس می‌کند. همچنین باید توجه داشت که هنگام جوشکاری، از تهویه‌ی مناسب محیط اطمینان حاصل شود تا از تجمع گاز جلوگیری گردد. در محیط‌های بسته، استفاده از آشکارساز گاز استیلن (Acetylene Detector) توصیه می‌شود.
برای اطفای حریق استیلن نباید از آب به‌صورت مستقیم استفاده کرد؛ بهترین گزینه، بستن شیر اصلی و استفاده از گاز بی‌اثر مانند نیتروژن برای خفه کردن شعله است.

کاربردهای صنعتی گاز C₂H₂ فراتر از جوشکاری

اگرچه عمده‌ی مصرف C₂H₂ در فرآیندهای حرارتی مانند جوش و برش فلزات است، اما این گاز کاربردهای شیمیایی گسترده‌ای نیز دارد. در صنایع پتروشیمی، استیلن ماده‌ی اولیه برای تولید ترکیباتی مانند وینیل کلرید (ماده‌ی پایه‌ی PVC)، استالدئید و استونیتریل است. در صنعت الکترونیک، از استیلن در رسوب شیمیایی بخار (CVD) برای تولید فیلم‌های نازک کربنی و گرافنی استفاده می‌شود. همچنین در آزمایشگاه‌ها از شعله‌ی استیلن-هوا برای طیف‌سنجی جذب اتمی (AAS) بهره گرفته می‌شود، چراکه دمای بالا و پایداری شعله امکان تحلیل دقیق عناصر فلزی را فراهم می‌کند.

اما با وجود همه‌ی این کاربردها، سهم جوشکاری و برش فلزات در مصرف جهانی C₂H₂ همچنان بیشترین درصد را دارد، زیرا ترکیب اکسیژن و استیلن از نظر حرارتی، سرعت عملکرد و کیفیت خروجی، بی‌رقیب است.