СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗАТВЕРДЕВШИХ ОТХОДОВ ДОМЕННОГО И СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F42D3/00 F42B1/02 

Изобретение относится к взрывным работам и может быть использовано при разрушении твердых тел, преимущественно крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства.

Существующая технология доменного производства предусматривает разливку образующегося в печи шлака в ковши-вагонетки, в которых его транспортируют для сброса в специальные отвалы. В процессе разливки в ковши частично попадает чугун, который, оседая на дне, застывает, образуя сплошную массу-корж весом 15-20 т, повторяющую внутреннюю поверхность ковша полусферу радиусом 1,5 м, высота которого колеблется в зависимости от количества попавшего в ковш чугуна и составляет 1-1,5 м. Корж, как правило, неоднороден и состоит из чугуна, расположенного по периферии полусферы, и шлака в ее центре. Существуют коржи, практически полностью состоящие из чугуна.

В настоящее время производится переработка отходов доменного производства, скопившихся за десятки лет в отвалах. Коржи идут на переплавку с целью получения из них чугуна. При этом существует проблема разрушения коржей в зоне отвала на части, обеспечивающие их удобную транспортировку к месту переплавки без применения грузоподъемных и транспортных средств повышенной тоннажности.

Известен способ разрушения твердых пород, включающий формирование высокоскоростного ударника осесимметричным кумулятивным зарядом и воздействие ударником по разрушаемому телу [1]
Известен кумулятивный заряд для разрушения твердых пород, содержащий корпус, размещенный в нем заряд взрывчатого вещества с выемкой и коническую воронку [2]
Недостатком известных способа и устройства является недостаточно высокая эффективность разрушения твердых пород.

Целью изобретения является повышение эффективности разрушения крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства.

Цель достигается за счет того, что в способе разрушения крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства, включающем формирование высокоскоростного ударника осесимметричным кумулятивным зарядом и воздействие ударником по разрушаемому телу, высокоскоростной ударник формируют со средним диаметром ударника, равным 0,01-0,1 диаметра разрушаемого тела, длиной 0,2-0,7 его высоты, при минимальной скорости рабочей части 2000-4000 м/с, а также за счет того, что воздействие осуществляют от оси симметрии разрушаемого тела со стороны полусферической поверхности, а также за счет того, что в кумулятивном заряде, содержащем корпус, размещенный в нем заряд взрывчатого вещества с выемкой и конической воронку, толщина воронки составляет 0,01-0,05 диаметра корпуса, а угол раствора воронки равен 60-120^о, при этом длина заряда составляет 0,5-1,6 его диаметра, также за счет того, что корпус кумулятивного заряда выполнен цилиндроконическим, при этом воронка установлена со стороны цилиндрической части корпуса, а угол раствора конической части корпуса равен углу раствора воронки, при этом расстояние между воронкой и конической частью корпуса составляет 10-40 толщин воронки. При этом на торце кумулятивного заряда, противоположном воронке, установлен линзовый узел, корпус выполнен из пластмассы, а воронка выполнена из алюминия или из стали.

На фиг. 1-8 изображены схема разрушения затвердевших отходов и конструкции кумулятивных зарядов.

Разрушение крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства производят следующим образом (см. фиг. 1-5). Изготавливают осесимметричный кумулятивный заряд 1, который устанавливают на подставке на расстоянии от разрушаемого тела 2 и подрывают, например, электродетонатором 3 (фиг. 1). Образуется высокоскоростной ударник 4, средний диаметр которого равен d, а длина l (имеется в виду диаметр и длина рабочей части ударника). Минимальная скорость рабочей части ударника 2000-4000 м/с (фиг. 2). Высокоскоростной ударник 4 воздействует на разрушаемое тело 2, в результате на поверхности контакта ударника (кумулятивной струи) 4 и разрушаемого тела 2 возникает зона высокого давления а, где давление порядка 10⁶ атм (фиг. 3). От зоны высокого давления а по разрушаемому телу 2 распространяется мощная ударная волна б, которая после отражения от свободной поверхности и вызывает нагружение разрушаемого тела 2 растягивающим напряжением г, равным разности давлений в отраженной в и ударной волнах б (фиг. 3, 4). При этом от образованного ударником отверстия сразу после прохождения зоны высокого давления а распространяется еще одна волна разрежения к, образующая растягивающие напряжения д (фиг. 3, 4). Волны разрежения в и к с растягивающими напряжениями д и г (фиг. 5) встречаются, после чего растягивающие напряжения удваиваются е. По зоне удвоения напряжений е, как правило, и происходит разрушение тела. Отклонения от этого правила бывают вследствие многочисленных внутренних дефектов.

При воздействии на разрушаемое тело по его оси симметрии распределение нагрузки внутри него будет симметричным, что приведет к равномерному разрушению.

Для образования высокоскоростного ударника (кумулятивной струи) используется кумулятивный заряд (фиг. 6-8). После срабатывания средства инициирования, например электродетонатора 5, детонационная волна распространяется непосредственно по кумулятивному заряду 2 (фиг. 6) или по линзовому узлу 4, а потом по кумулятивному заряду 2 (фиг. 8). После этого детонационная волна воздействует на воронку 3, образуя из нее высокоскоростной ударный элемент (кумулятивную струю), и на корпус 1, вызывая его дробление, при этом вокруг места подрыва образуется зона избыточного давления.

Осесимметричный кумулятивный заряд образует высокоскоростной ударный элемент (кумулятивную струю), движущийся со скоростью 2000-10000 м/с в зависимости от материала воронки и конструктивных параметров кумулятивного заряда. Это позволяет обеспечить при взаимодействии с разрушаемым телом давления, превышающие динамический предел прочности его материла. Таким образом, внедрение высокоскоростного ударника в разрушаемое тело аналогично внедрению кумулятивной струи в преграду, то есть происходит по гидродинамическим законам, что и определяет нижний предел скорости формируемого ударника (минимальную скорость рабочей части) в пределах 2000-4000 м/с в зависимости от материала воронки (для меди ≈2500 м/с; для алюминия ≈3500 м/с, для стали ≈3000 м/с). Под рабочей частью понимается часть ударника, участвующая в разрушении тела, наряду с нерабочей частью, образующейся из зоны воронки, лежащей вблизи ее большего основания и имеющей скорость меньше минимального оговоренного предела. Протяженность нерабочей части ударника незначительна.

Диаметр ударника определяет величину зоны сжатия в разрушаемом теле, которая равна 2-20 диаметрам ударника в зависимости от его скорости плотности. Величина зоны сжатия определяет интенсивность нагружения тела. Следовательно, диаметр ударника зависит от габаритов разрушаемого тела, его плотности и прочности, а также от плотности и скорости ударника. Очевидно, большие значения диаметра (около 0,05 диаметров разрушаемого тела) применяются для ударников из материалов с малой плотностью (алюминий), а меньше (около 0,01) для материалов с большой плотностью (медь, вольфрам и др.), так как чем меньше плотность ударника, тем меньше давление в зоне сжатия, и наоборот.

Длина ударника определяет глубину его проникания в разрушаемое тело, при этом глубина проникания зависит от плотности материала ударника и распределения скоростей вдоль него, так как кумулятивная струя ударник растягивается в процессе движения под действием градиента скоростей. Глубина проникания определяет характер нагружения разрушаемого. Если глубина проникания мала, разрушения тела со стороны, противоположной кумулятивному заряду, не будет, что приведет к получению крупных частей, требующих дополнительного разрушения. Исходя из вышесказанного длина, ударника выбирается с учетом степени дробления разрушаемого тела материала ударника и градиента скоростей вдоль него и составляет 0,2 его высоты для ударников из материалов с большой плотностью (вольфрам, медь и т.п.) и разрушаемых тел небольших габаритов и 0,7 его высоты для ударников из материала с малой плотностью и разрушаемых тел больших габаритов.

Таким образом, варьируя диаметром ударника и его длиной, можно обеспечить разрушение крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства любых габаритов.

Так как крупногабаритные отходы доменного и сталеплавильного производства имеют, как правило, форму дна вагонеток, в которые сливается шлак, то есть форму полусферы, то при воздействии по ее оси симметрии происходит наиболее равномерное нагружение разрушаемого тела, что приводит к образованию наибольшего количества кусков, на которые оно разрушается, при этом их массы будет естественно минимальными.

Расстояние от разрушаемого тела, на котором устанавливают кумулятивный заряд, может колебаться в зависимости от параметров ударника (градиента скоростей, диаметра и отношения диаметра ударника к его длине) от 1 до 10 диаметров кумулятивного заряда, при этом минимальное расстояние определяется из условия формирования ударника с необходимыми параметрами, так как формирование ударника продолжается в процессе его движения, а максимальное из условия сохранения целостности ударника (в процессе движения ударника возможно его разрушение под действием градиента скоростей).

Для образования высокоскоростного ударника с приведенными ниже параметрами применяется кумулятивный заряд. Так как отношение диаметра разрушаемого тела (определяет диаметр ударника) к его высоте (определяет длину ударника кумулятивной струи) достаточно велико 2-10, то соотношение диаметра ударника к его рабочей длине (минимальная скорость рабочей длины 2000-4000 м/с) также достаточно велико и составляет от 1 до 0,1 с учетом выбора параметров ударника и его длины из соотношений, данных в формуле изобретения. Такие струи образуются кумулятивными зарядами с углом раствора от 60 до 120^о, при этом из воронок с углом раствора 60^о образуются кумулятивные струи с отношением диаметра к рабочей длине 0,1, а из воронок с углом раствора 120^о "ударные ядра" с отношением диаметра к длине ≈1.

Если угол воронки в основном определяет отношение диаметра ударника к его длине, то толщина воронки определяет диаметр ударника, при этом необходимо учитывать, что увеличение диаметра ударника или его плотности ведет к падению его скорости, минимальное значение которой оговорено в режимах способа разрушения. Следовательно, увеличение диаметра ударника или его плотности (массы) необходимо компенсировать. Это достигается за счет увеличения диаметра корпуса кумулятивного заряда. Таким образом, отношение толщины воронки к диаметру заряда определяется с учетом потребного диаметра ударника и его скорости и составляет 0,01 для ударников из материала с высокой плотностью (вольфрам, свинец и т.д.) и 0,05 для ударников из материалов с малой плотностью (алюминий).

Длина заряда определяется из условия обеспечения заданных параметров ударника, зависит в основном от угла раствора воронки и лежит в пределах от 0,5 для воронок с углами раствора 120^о до 1,6 для воронок с углом раствора 60^о.

Важной с точки зрения затрат на проведение работ является масса взрывчатого вещества кумулятивного заряда, которая не только напрямую определяет стоимость кумулятивного заряда, но и через радиус опасной зоны определяет стоимость ее изоляции во время работ и затраты на транспортировку к месту разрушения.

Минимальную массу взрывчатого вещества обеспечивают кумулятивные заряды, имеющие цилиндроконическую форму. Конусом отрезается часть заряда, не участвующая в формировании высокоскоростного ударника. При выполнении угла конической части корпуса равным углу раствора облицовки масса заряда взрывчатого вещества будет минимальной, обеспечивающей необходимые параметры ударника. Расстояние между воронкой и конической частью корпуса определяется из условия обеспечения необходимой скорости ударника и составляет в зависимости от плотности материала воронки и ее толщины 40-10 толщин воронки.

Установка линзового узла, обеспечивая сходящийся фронт детонационной волны, увеличивает энергию ударника при сохранении общей массы заряда взрывчатого вещества.

Корпус кумулятивного заряда, выполненный из пластмассы, обеспечивая крепление деталей кумулятивного заряда, не дает при его подрыве осколков, превращаясь при подрыве в пыль, а так как образуемая из воронки кумулятивная струя движется в направлении разрушаемого тела и улавливается им, подрывы кумулятивного заряда можно производить на открытых площадках, не используя специальные уловителя осколков.

Широкое распространение в кумулятивных зарядах получила медь, однако она имеет высокую стоимость, составляющую до 50% стоимости кумулятивного заряда, поэтому в качестве дешевых заменителей меди можно применять алюминий, имеющий хорошую пластичность при динамическом нагружении и низкую плотность, и сталь для коротких ударников, имеющую низкую пластичность при динамическом нагружении и высокую плотность.

Таким образом, использование предлагаемого решения позволит с низкими затратами и высокой производительностью разрушать крупногабаритные затвердевшие отходы доменного и сталеплавильного производства на части, удобные для транспортирования к месту их переплавки.

Использование: разрушение твердых тел, преимущественно крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства. Сущность изобретения: осесимметричным кумулятивным зарядом формируют ударник со средним диаметром 0,01 0,1 диаметра разрушаемого тела, длиной 0,2 0,7 высоты разрушаемого тела и минимальной скоростью рабочей части 2000 4000 м/с. Воздействуют ударником по разрушаемому телу по его оси симметрии со стороны полусферической поверхности. Кумулятивный заряд содержит корпус, который может быть изготовлен из пластмассы. Заряд взрывчатого вещества, воронку с углом раствора 60 120°. Толщина воронки 0,01 - 0,05 диаметра корпуса, длина заряда 0,5 1,6 его диаметра. Заряд может содержать линзовый узел. Корпус может быть выполнен цилиндро-коническим с углом раствора конической части, равным углу раствора воронки. Расстояние между воронкой и конической частью составляет 10 40 толщин воронки. Воронка может быть выполнена из алюминия или стали. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ разрушения крупногабаритных затвердевших отходов доменного и сталеплавильного производства, включающий формирование высокоскоростного ударника осесимметричным кумулятивным зарядом и воздействие ударником по разрушаемому телу, отличающийся тем, что ударник формируют со средним диаметром и длиной, равными соответственно 0,01 0,1 диаметра разрушаемого тела и 0,2 0,7 высоты разрушаемого тела при минимальной скорости рабочей части 2000 4000 м/с. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют по оси симметрии разрушаемого тела со стороны полусферической поверхности. 3. Кумулятивный заряд, содержащий корпус, размещенный в нем заряд взрывчатого вещества с выемкой и коническую воронку, отличающийся тем, что воронка выполнена с толщиной, равной 0,01 0,05 диаметра корпуса, и углом раствора 60 120^o, а заряд выполнен длиной, равной 0,5 1,6 его диаметра. 4. Заряд по п. 3, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндроконическим с углом раствора конической части, равным углу раствора воронки, при этом воронка размещена со стороны цилиндрической части, а расстояние между воронкой и конической частью составляет 10 40 толщин воронки. 5. Заряд по п. 3, отличающийся тем, что он снабжен линзовым узлом, размещенным на торце, противоположном воронке. 6. Заряд по п. 3, отличающийся тем, что корпус выполнен из пластмассы. 7. Заряд по п. 3, отличающийся тем, что воронка выполнена из алюминия. 8. Заряд по п. 3, отличающийся тем, что воронка выполнена из стали.